20. März 2023

Tipps und Hinweise für die Installation von Trinkwasser-Wärmepumpen und die Optimierung des Zirkulationssystems in der Sanierung und im Neubau
Nicht nur im Neubau, auch in der Sanierung können Trinkwasser-Wärmepumpen für Ein- und Zweifamilienhäuser eine gute Wahl sein. So lässt sich beispielsweise die Trinkwassererwärmung von der Zentralheizung abkoppeln – damit kann der Heizkessel im Sommer ausgeschaltet bleiben. Auch lässt sich eine Teilsanierung – bezogen rein auf die Warmwasserbereitung – realisieren. Etwa, wenn der Trinkwasserspeicher der Ölheizung undicht ist, der Kessel aber erst einmal bleiben soll. Vorteilhaft ist insbesondere die Kombination mit einer PV-Anlage, weil sich damit die Eigennutzung des selbst erzeugten Stroms erhöhen lässt. Bei der Wahl des Aufstellortes und beim Betrieb sind aber einige Punkte zu beachten. Insbesondere, wenn eine Zirkulation vorhanden ist, sollte das Warmwassernetz optimiert und hydraulisch einreguliert werden, ansonsten muss die Trinkwasser-Wärmepumpe unnötig oft nachheizen.

Die in Ein- und Zweifamilienhäusern typischen Trinkwasser-Wärmepumpen verfügen in der Regel über einen 250 bis 300-l großen Speicher. Die Wärmepumpe selbst ist darauf aufgesetzt und entzieht der Umgebungsluft Wärme. Dadurch kühlt der Raum um einige Kelvin runter und wird zudem entfeuchtet. Alternativ kann auch Außenluft über Luftkanäle angesaugt und zur Trinkwassererwärmung genutzt werden. Je nach Temperaturprofil sind Jahresarbeitszahlen von 3 im ganzjährigen Mittel durchaus realistisch – wenn die Voraussetzungen für eine optimale Betriebsweise stimmen. Die Herstellervorgaben sind diesbezüglich unterschiedlich und unbedingt zu beachten. Grundsätzlich sollte der Aufstellraum ein Mindestvolumen von rund 20 m3 aufweisen, damit er nicht zu stark auskühlt und so die Effizienz der Trinkwasser-Wärmepumpe mindert. Heizungskeller oder Räume mit Wäschetrockner oder Kühl- und Gefriergeräten empfehlen sich oftmals als Aufstellort.
Wichtig: Fällt die Temperatur unter +7 °C, kann der Verdampfer bei einigen Modellen vereisen und muss elektrisch aufgetaut werden. Das geht zu Lasten der Effizienz.
Ebenfalls wichtig ist der Schallleis­tungspegel der Geräte: Mit Werten um die 50 dB(A) sind Trinkwasser-Wärmepumpen vergleichsweise so laut wie ein Kühlschrank. Direkt neben einem Schlafraum sollten sie also nicht aufgestellt werden.

PV-Strom clever nutzen und thermisch speichern
Vor- und Nachteil zugleich ist die relativ geringe Heizleistung der Wärmepumpe. Die Leistungsaufnahme typischer Geräte liegt bei 400 bis 600 Watt. Dementsprechend beträgt die Leistung je nach Zulufttemperatur zwischen 1,5 und 2 kW. Duschen oder baden mehrere Personen rasch hintereinander, so kann die Wiederaufladezeit bis zu 10 Stunden betragen. Die geringe Leistungsaufnahme ist aber in Kombination mit einer PV-Anlage ein großer Vorteil, schließlich lässt sich über den Tag verteilt der eigene Strom nutzen. Dank der heute in den meisten Geräten eingebauten Schnittstelle SG-Ready lässt sich das Temperaturniveau bei Überschussstrom von z. B. 55 °C auf 62 °C erhöhen. So lässt sich PV-Strom thermisch speichern.
Elementar ist in diesem Zusammenhang, dass der Warmwasserspeicher im Laufe des Tages nicht unnütz auskühlt – etwa über eine schlechte Dämmung oder eine schlecht- oder sogar ungeregelte Zirkulation (Schwerkraftzirkulation). Erfahrungen aus der Praxis belegen, dass insbesondere falsch installierte bzw. betriebene Zirkulationssysteme zu Lasten der Effizienz gehen. Sie erhöhen die Wärmeverluste im Rohrnetz, führen zu einer ungewollten Durchmischung des Warmwasserbereiters und letztlich zu einem häufigen Nachladen durch die Wärmepumpe. Bei Schwerkraftzirkulationen drohen aufgrund des geringen Volumenstroms außerdem hygienische Risiken. Die Temperatur der Zirkulation am Speichereintritt liegt nicht selten im Bereich < 45 °C. Legionellen können sich unter diesen Bedingungen stark vermehren.
Umgekehrt, wenn der Volumenstrom durch die Pumpe deutlich zu groß ist und damit auch die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung, droht bei Kupferinstallationen durch Materialabtrag eine Erosionskorrosion.¹)

Wie kommt das?
Ein einfaches Beispiel soll die Zusammenhänge aufzeigen: In einem Ein- oder Zweifamilienhaus kommt man meist mit einem Zirkulationsstrang aus. Dem entsprechend sind die erforderlichen Zirkulationsvolumenströme sehr gering. Doch viele Pumpen in klein(st)en Leis­tungsbereichen sind gar nicht einstellbar. Bild 1 zeigt typische Pumpenkurven.
Auf der Y-Achse findet sich die Förderhöhe (m) und auf der X-Achse der Volumenstrom (m³/h). Der Massenstrom auf der X-Achse ergibt sich aus der Anlagenhydraulik. Genau hier zeigt sich der erforderliche Handlungsbedarf, auch und insbesondere, wenn nur ein Zirkulationsstrang in dem Gebäude verbaut wurde. Denn die erforderliche Massenstrombegrenzung kann nur durch ein Regelorgan, zum Beispiel ein Strangregulierventil, erreicht werden. Das aber findet man in der Praxis nur selten. Der überwiegende Teil der Zirkulationsleitungen in Ein- und Zweifamilienhäusern dürfte mit viel zu hohen Massenströmen betrieben werden. Mit den genannten negativen Folgen auf die Effizienz.
Um ein Gefühl zu bekommen, auf welche Werte (l/h) ein Zirkulationssystem eingestellt werden sollte, um effizient zu arbeiten, soll das folgende Beispiel dienen. Dazu sei vorab angemerkt: Zirkulationssysteme sind nach DIN 1988 bzw. nach dem Arbeitsblatt DVGW 553 zu dimensionieren. Für kleinere Objekte gibt es weiterhin ein vereinfachtes Verfahren. Unter anderem kann hier der notwendigen Volumenstrom ermittelt werden. Zuerst werden die Leitungslängen für Warmwasser und Zirkulation (PWH + PWH-C) ermittelt. Dabei kann mit Pauschalen gerechnet werden: Die Wärmeverluste für Kellerleitungen werden mit 11 W/m und für Steigleitungen mit 7 W/m Rohrlänge angenommen. Dabei wird zugrunde gelegt, dass die Leitungen vorschriftsmäßig gedämmt sind.
Unser zugrunde gelegtes Einfamilien­haus hat eine Warmwasserleitung mit 10 m Länge und eine Zirkulationsleitung ebenfalls von 10 m Länge. In Summe also 20 m Rohrleitungslänge; davon 8 m Kellerleitung (11 W/m) und 12 m Steigleitung (7 W/m).
Daraus ergibt sich ein Wärmeverlust von 172 W. Bei einer zugrunde gelegten Spreizung von 3 Kelvin ergibt sich ein Volumenstrom von ca. 50 kg/h.

Übertragen wir diesen Wert in das Pumpendiagramm und legen dazu einen angenommenen Druckverlust von 30 mbar zugrunde, dann ergibt sich der in Bild 2 gezeigte Betriebspunkt der Zirkulationspumpe.

Überdimensionierung mit fatalen Folgen
Deutlich wird, dass durch das fehlende Strangregulierventil der Volumenstrom bis zu der Leistungsgrenze der Pumpe steigen kann – in unserem Beispiel bis auf 285 kg/h. Die Erhöhung des Volumen- Zirkulationsstroms um das 6-fache bringt gleichsam eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrsystem mit sich – und damit deutlich höhere Wärmeverluste. Auch wird die Schichtung im Speicher zerstört und eine Anforderung über den WW-Fühler verfrüht an die Reglung weitergegeben. Die Folge: Die Wärmepumpe muss häufiger nachheizen. Zudem besteht bei Kupferinstallationen die bereits genannte Gefahr von Erosionskorrosion. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit in Zirkulationsleitungen sollte deshalb bei ≤ 0,5m/s liegen.
Viele Fachhandwerker verlassen sich darauf, dass moderne Zirkulationspumpen thermostatisch und/oder über Zeitschaltuhr bedarfsgerecht geregelt werden. Das ist richtig und wichtig, doch hat dies keinen Einfluss auf die so wichtige Massenstrombegrenzung. Auch in kleineren Objekten ist der hydraulische Abgleich des Warmwasserzirkulationssys­tems unerlässlich. Ein Strangregulierventil oder Tacosetter sollte daher eine hocheffiziente Zirkulationspumpe stets ergänzen.

Autor: Achim Fischer, Wärmepumpen-Mentor, info@plan-haustechnik.de

¹) Siehe Bericht „Erosion an Kupferrohrinstallationen in Warmwassersystemen“ unter www.ikz.de

Wie viel Öl ersetzt eine Trinkwasser-Wärmepumpe?
Die Antwort auf die Frage hängt natürlich von vielen Faktoren ab, etwa von den Verlusten im Warmwasserzirkulationssystem, der Warmwassertemperatur und natürlich von Warmwasserbedarf. Im Ein- und Zweifamilienhausbereich kann nach VDI 4645 mit dem vereinfachten Verfahren dimensioniert werden. Pro Person werden 25 l mit 60 °C als Tagesbedarf angesetzt. Dies entspricht einer Wärmemenge von 1,45 kWh/Person. Dieser Wert wird verdoppelt, um die Verluste über den Speicher und die Zirkulation auszugleichen. Legen wir für unser Beispiel einen Vier-Personen-Haushalt zugrunde, dann ergibt sich ein jährlicher Bedarf für die Warmwasserbereitung von 1,45 kWh/Tag x 2 (Verluste) x 4 Personen x 365 Tage/Jahr = 4234 kWh, also rund 420 l Heizöl jährlich.
Nehmen wir weiterhin eine Jahresarbeitszahl von 3 zugrunde, dann müssen für die Warmwasserbereitung rund 1400 kWh jährlich an elektrischer Energie aufgewendet werden.

Nachgefragt
Zirkulationspumpen abschalten oder besser nicht? Wir sprachen darüber mit Harald Köhler. Er ist Leiter der akkreditierten Inspektionsstelle ATHIS GmbH.
IKZ-HAUSTECHNIK: Zirkulationspumpen in Ein- und Zweifamilienhäusern werden in der Regel über eine Zeitschaltuhr bedarfsgerecht gesteuert. Nun liest man in jüngster Zeit von Empfehlungen diverser Fachkreise, die Zirkulationspumpe aus hygienischen Gründen durchlaufen zu lassen. Insbesondere für den Betrieb einer Trinkwasser-Wärmepumpe wäre das kontraproduktiv. Ist ein zeitgesteuerter Betrieb im Kleinanlagenbereich tatsächlich mit hygienischen Risiken verbunden?
Harald Köhler: Entsprechend den Anforderungen des DVGW-Arbeitsblattes W 551 darf die Zirkulation beim Nachweis einwandfreier hygienischer Verhältnisse für 8 Stunden am Tag unterbrochen werden. Diese Maßnahme ist auch unter hygienischen Gesichtspunkten dann zu empfehlen, wenn der Betreiber der Anlage sicherstellen kann, dass bei Wasserentnahme die Schutztemperatur von 55 °C an allen Entnahmestellen erreicht wird. Das bedingt in der Regel eine Speichertemperatur von 60 °C.
Weniger zu empfehlen wäre diese Maßnahme bspw. dann, wenn in einem Haus eine Einliegerwohnung vorhanden ist und die Person, welche die Einliegerwohnung nutzt, nur dann Wasser entnimmt, wenn die Zirkulation nicht im Betrieb ist und so z. B. am Waschtisch nicht sichergestellt werden kann, dass auch die notwendige Schutztemperatur bei Nutzung erreicht wird. Natürlich kann das Erreichen der notwendigen Schutztemperatur in allen Bereichen des Warmwasserverteilsystems auch durch gezielte Nutzungsvorgänge zeitlich gesteuert werden.

IKZ-HAUSTECHNIK: Also sind die Empfehlungen diverser Fachkreise, die Zirkulationspumpe aus hygienischen Gründen durchlaufen zu lassen, in Ein- und Zweifamilienhäusern überzogen?
Harald Köhler: Empfehlungen, welche auf einen Dauerbetrieb der Zirkulationspumpe abzielen, sind natürlich in vielen Fällen praxisgerecht und sinnvoll, da von einem Nutzer, welcher nicht gleichzeitig auch die „Herrschaft“ über die Laufzeit der Zirkulationspumpe hat, in der Regel ja nicht erwartet werden kann, dass er sein Nutzungsverhalten auf die Betriebszeiten der Zirkulationspumpe abstimmt. Lässt sich die Nutzung – und zwar aller Entnahmestellen – jedoch an die Zirkulationspumpenlaufzeit anpassen, so steht einer Abschaltung der Zirkulationspumpe für maximal 8 Stunden täglich aus Sicht der Inspektionsstelle nichts entgegen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Sie betonen explizit eine Speichertemperatur von 60 °C. Gerade in Ein- und Zweifamilienhäusern werden Trinkwasserspeicher nicht selten mit 55 °C oder sogar nur 50 °C betrieben. Drohen hier hygienische Risiken?
Harald Köhler: Ja durchaus. Ein Legionellenwachstum wird laut Angaben des Robert-Koch-Institutes erst ab einer Temperatur von 55 °C wirksam gehemmt. Dies deckt sich auch mit den Erfahrungen der Inspektionsstelle. Legionellen finden sich regelmäßig in hygienisch nicht relevanten Konzentrationen im Trinkwasser, das vom Versorger geliefert wird. Den Haupteinfluss für eine starke Vermehrung stellen Temperaturen zwischen 25 °C und 55 °C, unabhängig der bevorrateten Trinkwassermenge, dar. Bei einer Speicheraustrittstemperatur von maximal 55 °C ist zu erwarten, dass im Zirkulationssystem eine Temperatur von weniger als 55 °C vorhanden sein wird. Somit reicht die im Zirkulationssystem vorhandene Temperatur nicht aus, um ein Legionellenwachstum im ausreichenden Maß zu verhindern. Insbesondere ist festzustellen, dass die notwendige „Schutztemperatur“ von 55 °C immer wieder auch in die nicht zirkulierenden Bereiche der Installation durch Betätigen von Entnahmearmaturen eingebracht wird, um auch in diesen Bereichen eine Vermehrung von Legionellen zu unterbinden. Zirkuliert das Wasser also nur bspw. mit 52 °C, so ist durch einfaches Benutzen der Entnahmearmaturen nicht sichergestellt, dass die notwendige Mindestschutztemperatur von 55 °C auch an allen Stellen erreicht wird. Dauerhaft niedrige Legionellen-Belastungen sind also nur durch Einhaltung der Systemtemperaturen ≤ 25 °C (Kaltwasser) und
≥ 55 °C (Warmwasser) und einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Trinkwasser-Installation zu erreichen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Als Gutachter und Sachverständiger für Trinkwasserhygiene treffen Sie regelmäßig auf mangelbehaftete Trinkwasser-Erwärmungsanlagen. Welche Fehler fallen Ihnen regelmäßig auf?
Harald Köhler: Werden innerhalb einer Trinkwasser-Installation systemische Kontaminationen vom Labor festgestellt, so geht dies in der Regel immer mit einer nicht ausreichenden Systemtemperatur einher. Im Normalfall lösen Zirkulationskreisläufe, welche die Temperatur von 55 °C nicht sicher einhalten können, auch letztendlich die Überschreitungen des technischen Maßnahmenwertes aus. Zwar tragen Stagnationsbereiche ihren Teil zu einer starken Vermehrung von Legionellen bei, wesentlich ist jedoch eben eine nicht konsequente Temperaturhaltung von mindestens 55 °C in ausnahmslos allen Teilen der Warmwasserverteilung.

IKZ-HAUSTECHNIK: Aus hygienischer Sicht sollte die Speichertemperatur einer Trinkwasser-Wärmepumpe also auf eine Betriebstemperatur von 60 °C gehalten werden. Die Praxis zeichnet allerdings ein anderes Bild: Die meisten Trinkwasser-Wärmepumpen dürften eher im Temperaturfenster zwischen 55 und 50 °C gefahren werden.
Harald Köhler: Grundsätzlich formulieren die Regelwerke im Bereich der Kleinanlagen – also etwa bei Ein und Zweifamilienhäusern – Ausnahmen. In DIN 1988-200, Absatz 9.7, heißt es dazu: Wird im Betrieb ein Wasseraustausch in der Trinkwasser-Installation für Trinkwasser warm innerhalb von 3 Tagen sichergestellt, können Betriebstemperaturen auf ≥ 50° C eingestellt werden. Einschränkend aber heißt es in der Norm weiter: Der Betreiber ist im Rahmen der Inbetriebnahme und Einweisung über das eventuelle Gesundheitsrisiko – sprich die Gefahr einer Legionellenvermehrung – zu informieren. Betriebstemperaturen < 50° C sind zu vermeiden.
Man muss sich als Anlagenbetreiber also darüber bewusst sein, dass es bei niedrigen Warmwassertemperaturen zu einer Vermehrung von Legionellen kommen kann. Um es einmal in ein praktisches Beispiel zu packen: Schon der einmalige Verzicht auf einen Familienausflug in einen Freizeitpark kann den Mehraufwand für eine hygienisch einwandfreie Betriebsweise der Warmwasserbereitungsanlage mehr als nur ausgleichen.