In neuen, energieeffizienten Wohngebäuden beträgt der Energieanteil zur Bereitungvon Warmwasser teilweise bereits mehr als50 Prozent. Die Brauchwarmwasser-Erzeugung (BWW) ist jedoch in vielen Fällen nicht sehr energieeffizient, wie Nipkow undReal (2000) ausführen. Sie zeigen, dass BWW-Systeme eine Effizienz von nur 40 bis 80 Prozent aufweisen. Auch Hubacher et al. (2009) zeigen ein signifikantes Verbesserungspotenzial bei der BWW-Bereitung mit Großwärmepumpen auf. Vor allem die meist sehr hohen Vorlauftemperaturen in Nahwärmenetzen, die durch wenige Verbraucher bedingt sind, verhindern einen effizienten Betrieb. Die Studie weist als Faustformel einen typischen Mehrverbrauch an elektrischer Energie von 2,5 Prozent pro 1 K höherer Vorlauftemperatur aus.
Basierend auf diesen Resultaten wurde die hier vorgestellte Studie zur Warmwasserbereitung durchgeführt. Sie vergleicht BWW-Systeme mit Zirkulationsleitungen, elektrische Begleitheizung und Nahwärmenetze mittels Feldmessungen und Simulation. Dabei zeigt sich, dass die richtige Wahl des Systems geringe Investitionskosten mit einer Energieeinsparung von 50 Prozent verbindet.
Berechnungsgrundlagen
Die Auslegung von Wärmeerzeugung, Speicherung und Verteilung wurde gemäß Suisstec und SIA durchgeführt. Als Randbedingungen für die Vergleiche wurden eine Vorlauftemperatur von 60 °C (Legionellenschutz) sowie eine Verdampfungstemperatur von 2 °C (Wasser/Wasser-Wärmepumpe) vorausgesetzt. Das Wärmepumpenmodell basiert auf Messdaten aus dem Wärmepumpen-Testzentrum (WPZ) in Buchs sowie auf Feldmessungen und berechnet die Leistung und Effizienz nicht nur in Abhängigkeit von Vorlauf- und Quellentemperatur, sondern es berücksichtigt auch den Effekt der Temperaturspreizung über den Kondensator durch variablen Senken-Volumenstrom. Bild 1 zeigt die Leistungszahl (COP) in Abhängigkeit von Vorlauf- und Rücklauftemperatur bei einer konstanten Verdampfungstemperatur von 2 °C. Die ausgezeichnete Fläche entspricht dem numerischen Modell, die kleinen Punkte den Messdaten aus dem Feld und dem WPZ und die großen Punkte einem physikalischen Wärmepumpenmodell. Es ist klar ersichtlich, dass die Vorlauftemperatur den signifikanten Einfluss auf die Effizienz ausübt, die Rücklauftemperatur aber nicht vernachlässigt werden darf. Der COP-Unterschied zwischen einer Rücklauftemperatur von 20 °C und 55 °C bei 60 °C Vorlauf beträgt immerhin knapp 25 Prozent. Somit ist es angebracht bei der Warmwassererzeugung mit Wärmepumpen darauf zu achten, eine möglichst geringe Rücklauftemperatur zu erzielen. Tabelle 1 zeigt eine kurze Übersicht über die untersuchten Systeme.
Energetischer Systemvergleich
Bild 2 stellt den Energiebedarf zur Bereitstellung des BWW dar. Dabei wird der gesamte Energieverbrauch von Erwärmung, Speicherung und Verteilung berücksichtigt und separat ausgewiesen. Zu berücksichtigen ist, dass es sich jeweils um ein gut ausgelegtes System handelt. In der Praxis können durch Installations- und Einstellungsfehler weitere Abschläge erwartet werden.
Die schlechteste Effizienz wird mit dem Nahwärmenetz erreicht. In Variante 1 (Heizung wird parallel betrieben) wird selbst beim optimierten System doppelt so viel elektrische Energie benötigt wie bei einer Zirkulationswärmepumpe. Variante 2 des Nahwärmenetzes (Aussetzen der Heizung während der Boilerladung) ist zwar energetisch etwas besser, aber in der Praxis aufgrund des verminderten Komforts und der hohen Kosten eben-falls nicht zu empfehlen. Der Grund für das schlechte Abschneiden des Nahwärmenetzes liegt darin, dass relativ viel Heizenergie bei einer zu hohen Vorlauftemperatur erzeugt wurde (Exergieverlust), was sich natürlich negativ auf die Wärmepumpeneffizienz auswirkt. Die ist in Bild 2 deutlich zu sehen. Im Feld wer-den noch wesentlich schlechtere Werte erwartet, da sich der in der Praxis übliche Einbau von Pufferspeichern mit zusätzlich 20 bis 30 Prozent höherem Energieverbrauch auswirkt. Das System reagiert auch sehr empfindlich auf eine Vergrößerung des Verteilnetzes bei weiter auseinander liegenden Gebäuden. Aus diesem Grund ist diese Variante der Warmwassererzeugung mit Wärmepumpen nicht empfehlenswert und energetisch nicht zu verantworten.
Zirkulationssysteme und elektrische Begleitheizungen zeigen in etwa dieselbe Arbeitszahl. Begleitheizungen profitieren von einer kürzeren Leitungslänge (kein Rücklauf) und die Zirkulationssysteme von der höheren Effizienz der Wärmepumpe im Vergleich zur Elektroheizung. Negativ bei Zirkulationssystemen wirkt sich die Durchmischung des Warmwasserspeichers aus. Diese kann bei optimaler Auslegung des Systems (minimaler Zirkulationsvolumenstrom) und entsprechenden Speichereinbauten zur Beruhigung des Speichers unterdrückt werden. In der Praxis wurden leider oft Systeme mit falschen Speichern (ohne Einbauten) und zu hohen Zirkulationsvolumenströmen beobachtet. Die entsprechenden Effizienzeinbußen liegen hierbei im Bereich von 20 Prozent. Basierend auf den Messungen und Simulationen wird eine Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf der Zirkulation von 10 °C anstelle der heute üblichen 2 °C empfohlen. Die thermische Desinfektion ist durch die Austrittstemperatur am Speicher gewährleistet und selbst die letzte Wohnung erhält Temperaturen von 56 bis 57 °C, was für die Komfortansprüche normalerweise ausreicht. Bei einer der im Feld getesteten Anlagen wurde allein durch eine Reduktion des Zirkulationsvolumenstroms um den Faktor drei (6 °C statt 2 °C Spreizung) eine Effizienzsteigerung von 20 Prozent erreicht.
Am effizientesten zeigen sich Systeme mit einer dezidierten Zirkulationswärmepumpe, die die Speicherschichtung erhalten und sehr fehlertolerant in der Installation sind. Allerdings bedeuten solche Systeme auch die höchsten Investitionskosten und sind somit großen Überbauungen vorbehalten.
Tabelle 2 zeigt einen Überblick über die Vor- und Nachteile der verschiedenen BWW-Systeme. Aus Sicht der Autoren eig-net sich das Heizkabel am besten bei kleineren und mittleren Überbauungen mit kurzem Verteilnetz Die herkömmliche Zirkulation punktet bei längeren Verteilnetzen, zeigt aber ein höhere Fehleranfälligkeit. Bei großen Systemen schneidet die Zirku-lationswärmepumpe am besten ab, da sie die beste Effizienz mit der größten Fehlertoleranz und nur geringen Mehrkosten verbindet.
Bild 3 zeigt die Kosten der verschiedenen Systemvarianten für unterschiedliche Überbauungsgrößen. Die Kosten sind dabei jeweils auf die produzierte Warmwassermenge in 20 Jahren bezogen. Die hellen Balken in der Grafik, die auf den dunkleren Balken liegen, beziehen sich dabei auf dezentrale Systeme, bei denen eine zentrale Wärmepumpe mehrere Gebäude versorgt, und die dunklen Balken beziehen sich auf dezentrale Systeme mit einem Wärmeerzeuger pro Gebäude. Es ist klar zu sehen, dass die Warmwasserkosten mit steigender Gebäudegröße sinken und auch die Unterschiede zwischen den Varianten kleiner werden. Auf der energetischen Seite hat sich gezeigt, dass dezentrale Systeme in Bezug auf die Energieeffizienz einen leichten Vorteil im Bereich von 5 bis 10 Prozent zeigen.
Fazit
Wärmepumpen sind für die Warmwasserbereitstellung in Mehrfamiliengebäuden grundsätzlich geeignet. Die Anwendung in Kombination mit Nahwärmenetzen und dezentralen Warmwasserspeichern ist hingegen aus energetischer Sicht abzulehnen. Zirkulationssysteme und auch elektrische Begleitheizungen können in Kombination mit Wärmepumpen zu guten Arbeitszahlen bei der Brauchwarmwasserbereitung führen. Die Unterschiede liegen in der Praxis vor allem bei der Güte der Installation und den Einstellungen des Systems. Zirkulationssysteme mit dezidierten Zirkulationswärmepumpen sind vor allem bei größeren Anlagen zu empfehlen, da sie unempfindlich auf lange Leitungen und Installationsfehler sind und die beste Effizienz liefern. Allen Systemen ist gemeinsam, dass der Energieverbrauch signifikant durch die Länge des Verteilnetzes und die Isolationsgüte beeinflusst wird. Hier ist bereits bei der Planung darauf zu achten, die Anzahl der Steigzonen möglichst gering zu halten und saubere Mauerdurchführungen der Isolation vorzusehen. Detailliertere Informationen zur Auslegung sind in einem Leitfaden zur Warmwassererzeugung unter https://www.ntb.ch/fue/institute/ies/ in der Rubrik Publikationen zu finden.
Stefan S. Bertsch, Bernhard Vetsch, Andreas Gschwend,
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs, NTB, CH-Buchs
Fußnoten
Literatur
Autorenteam des SSHL, 2003, Sanitärberechnungen – kurz und bündig, 5. Auflage, Schweizerisch-Liechtensteinischer Gebäudetechnikverband (Suissetec), Zürich
Hubacher P., C. Bernal, M. Ehrbar, 2009, Feldmonitoring und Analysen an Großwärmepumpen, Phase 2, Schlussbericht, Bundesamt für Energie, Schweiz
Nipkow J. und M. Real, 2000, Energieverluste von Warmwasserverteilsystemen und Sparpotentiale, Zürich
Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, 1991, SIA 385/3 Warmwasserversorgungen für Trinkwasser in Gebäuden, Norm Ausgabe 1991, Zürich
Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, 2011, SIA 385/1 Warmwasserversorgung für Trinkwasser in Gebäuden – Grundlagen und Anforderungen, Zürich
Vetsch B., Gschwend A., Bertsch S., 2011, Warmwasserbereitstellung mittels Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern, BFE-Projekt Nr. SI/500574-01, Schlussbericht
Vetsch B., Gschwend A., Bertsch S., 2013, Leitfaden für Installateure und Planer-Warmwasserbereitstellung mittels Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern, www.ntb.ch/ies
Wärmepumpen-Testzentrum WPZ Buchs, WPZ-Bulletin, www.wpz.ch
