2. November 2023

Ihr Einfluss auf die Anlageneffizienz wird vielfach unterschätzt – Beispiele aus der Praxis, und wie’s richtig gemacht wird

Auf Schwerkraft laufende Zirkulationen, nicht oder schlecht gedämmte Warmwasserleitungen oder überdimensionierte, nicht hydraulisch eingeregelte Zirkulationspumpen sind in Ein- und Zweifamilienhäusern hunderttausendfach anzutreffen. Da derartige Mängel die Energieverluste im System signifikant erhöhen, Erosionskorrosion im Trinkwassersystem begünstigen und mitunter sogar hygienische Risiken für den Verbraucher bergen, empfiehlt es sich, vor Ort genauer hinzuschauen. Spätestens bei einer Sanierung der Heizung mittels Wärmepumpe ist das Warmwassersystem zu optimieren, ansonsten drohen deutliche Effizienzeinbußen.

Schwerkraft-Zirkulation kühlt den Speicher aus

Zirkulationsleitungen in Ein- und Zweifamilienhäusern wurden in den 1970er- und 1980er-Jahren oftmals ohne Zirkulationspumpe installiert. Die Zirkulationssysteme werden per Schwerkraft, also über den Dichteunterschied des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen, angetrieben. Je nach Temperaturniveau und Gebäudehöhe führt das zu einem mehr oder weniger schnellen Abkühlen des Trinkwasserspeichers und letztlich zu einem häufigen Starten des Brenners (insbesondere im Sommer), selbst dann, wenn kein Wasser für die Reinigung oder zur Körperhygiene entnommen wurde.

Die Auswertung der Bilder 1 und 2 zeigt exemplarisch, welche Auswirkungen eine Schwerkraftzirkulation haben kann: Der Kessel geht viel zu häufig in die Warmwasserbereitung. Das Warmwasser ist heiß, die Zirkulation mitunter mäßig warm. Und auch, wenn die Anforderungen nach dem DVGW-Arbeitsblatt W551 – 60 °C auf der Warmwasserseite am Speicheraustritt und max. 5 K weniger in der Zirkulation am Speichereintritt – in Ein- und Zweifamilienhäusern nicht gefordert werden (Kleinanlagen-Regelung), so offenbaren sich hier zumindest hygienische Risiken.

Erosionskorrosion durch zu viel Pumpen-Power

Wer nun aber meint, der Einbau einer zeit- und/oder thermisch geregelten Zirkulationspumpe reiche aus, der irrt.

Denn hier zeigt sich mitunter ein anderes Problem: Da Zirkulationsleitungen in Ein- und Zweifamilienhäusern in der Regel keine nennenswerten Rohrwiderstände aufweisen, sind selbst moderne Hocheffizienzpumpen oftmals zu stark in der Leistung. Und die häufig verbauten alten Umwälzpumpen sind erst recht extrem überdimensioniert. Die Folge: Der viel zu hohe Volumenstrom in der Zirkulation zerstört die Temperaturschichtung im Trinkwasserspeicher und kann in der Konsequenz ebenfalls zu einem häufigen Ansprechen der Speicherladung führen. Besonders gravierend sind die Auswirkungen beim Betrieb von Wärmepumpen. Die Wärmepumpe muss regelmäßig vom effizienten Heizbetrieb mit niedrigen Vorlauftemperaturen in den deutlich ineffizienteren Warmwasserbetrieb mit hohen Vorlauftemperaturen wechseln. Das geht zulasten der Jahresarbeitszahl. Ähnlich negativ sind die Auswirkungen bei Trinkwasser-Wärmepumpen. Öl- und Gaskessel können die hohen Temperaturen zwar problemlos zur Verfügung stellen. Doch ein häufiges Takten führt auch hier zu Effizienzverlusten, zudem steigen die Schadstoffemissionen bei häufigen Brennerstarts.

Dabei darf nicht vergessen werden, dass der Betrieb von Zirkulationssystemen per se schon viel Energie verschlingt: Die Verluste über die Zirkulation liegen durchaus in der Größenordnung des Energiebedarfs für das erwärmte, tatsächlich benötigte Trinkwasser, oftmals auch darüber. Sinkt dann noch die Effizienz des Wärmeerzeugers, steigen die Kosten unnötig weiter an.

Ebenfalls nicht zu vergessen sind in diesen Zusammenhang korrosionsrelevante Aspekte. Speziell bei Kupferrohrinstallationen besteht bei allzu üppig dimensionierten Zirkulationspumpen die Gefahr von Erosionskorrosion, weil die Fließgeschwindigkeit im Rohrleitungssystem viel zu hoch ist. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit in Zirkulationsleitungen aus Kupfer sollte vor diesem Hintergrund bei maximal 0,5 m/s liegen.¹⁾

Die Lösung ist simpel

Um sowohl die Energieverluste im Netz und das Takten der Warmwasserbereitung zu minimieren als auch mögliche Korrosionsrisiken zu vermeiden, muss der Volumenstrom der Zirkulation über ein Strangregulierventil auf das erforderliche Maß begrenzt werden – zum Beispiel mit einem einstellbaren Tacosetter, der vor oder hinter der Zirkulationspumpe installiert wird (Bild 4).

Die Ermittlung der korrekten Einstellung des Strangregulierventils ist in der Regel ohne viel Aufwand möglich, da mit Pauschalen gerechnet werden kann. Im ersten Schritt werden die Leitungslängen für Warmwasser und Zirkulation ermittelt. Die Wärmeverluste für Kellerleitungen werden mit 11 W/m und für Steigleitungen mit 7 W/m Rohrlänge angenommen.

Nehmen wir beispielhaft ein Einfamilienhaus mit einer Warmwasserleitung von 14 m Länge und einer Zirkulationsleitung von 16 m Länge. In Summe also 30 m Rohrleitungslänge; davon 18 m Kellerleitung (11 W/m) und 12 m Steigleitung (7 W/m). Daraus ergibt sich ein Wärmeverlust von 282 W. Bei einer zugrunde gelegten Spreizung von 3 K ergibt sich ein Massenstrom von ca. 81 kg/h. Das entspricht umgerechnet einer Einstellung am Tacosetter von 1,3 l/min.

Ein Wärmeverlust über die Rohrleitung in Höhe von 282 W erscheint auf den ersten Blick vernachlässigbar, entspricht aber aufs Jahr bezogen 2470 kWh Nutzwärme. Wird die Wärme in einem typischen Niedertemperatur-Ölkessel bereitgestellt (eta 0,85), entspricht das einer Brennstoffmenge von etwa 290 Litern. Und das nur unter der Voraussetzung, dass die Rohrleitungen gedämmt und das Zirkulationssys tem hydraulisch abgeglichen ist, ansonsten wären die Verluste ungleich höher. Eine gesonderte Druckverlustberechnung zur Auslegung der Zirkulationspumpe ist bei der Sanierung in Ein- und Zweifamilienhäusern in der Regel nicht üblich. Selbst die kleinsten Pumpen sind in der Regel ausreichend. Auch dazu ein kleines Beispiel:

Der Druckverlust in der hier zugrunde gelegten 15er Zirkulationsleitung (Kupfer DN 12) beträgt beim Massenstrom von 1,3 l/min etwa 0,4 mbar/m, insgesamt also 12 mbar. Die Einzelwiderstände werden in gleicher Höhe berücksichtigt, in Summe also 24 mbar. Der Widerstand des Tacosetters (Modell „Inline 100“, DN 15, 0,6 – 2,4 l/min) schlägt bei der gewählten Einstellung mit etwa 15 mbar zu Buche. Für das Rückschlagventil werden pauschal 20 mbar angesetzt. Die benötigte Förderhöhe der Zirkulationspumpe liegt damit bei einem Massenstrom von 81 kg/h lediglich bei etwa 59 mbar, also rund 0,6 m.

Wichtig ist die korrekte Dimensionierung des Abgleichventils. Im betrachteten Beispiel wäre ja auch das Modell „Inline 100“, DN 15, 0,6 bis 1,5 l/min infrage gekommen. Der Druckverlust hätte dann aber gut 100 mbar betragen (vergleiche Bild 5).

Regelmäßig anzutreffende Mängel in Zirkulationssystemen

Bei mehreren Zirkulationssträngen ist der Berechnungsgang natürlich ungleich aufwendiger und nach den in DIN 1988- 300 oder in DVGW W 551 aufgeführten Verfahren auszuführen. Für die meisten Ein- und Zweifamilienhäuser mit einer durchgehenden Zirkulationsleitung reicht die hier beschriebene Vorgehensweise aus. Der erforderliche Zirkulationsvolumenstrom lässt sich einfach ermitteln und mittels Abgleichorgan einstellen.

Fazit

Es gibt reichlich Optimierungspotenzial bei Zirkulationen in Ein- und Zweifamilienhäusern im Bestand. Entweder laufen sie per Schwerkraft oder die Pumpen sind überdimensioniert und hydraulisch nicht eingeregelt. Insbesondere beim (später mitunter geplanten) Betrieb mit Wärmepumpen kann das zu unnötig häufigen Speicherladungen führen und die Effizienz des Systems deutlich senken. Eine Optimierung ist simpel, wenn ein wenig gerechnet und Hand angelegt wird. Der Nutzen für die Umwelt und den Geldbeutel ist beachtlich, wenn man sich das Potenzial vor Augen führt: In Deutschland gibt es circa 16 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser.²⁾

Übrigens empfiehlt das Umweltbundesamt in einer Stellungnahme zum Energiesparen bei der Warmwasserbereitung (Ausgabedatum war bereits September 2011!)³⁾ den hydraulischen Abgleich der Zirkulationsleitungen als eine Energiesparmaßnahme neben dem Einsatz sparsamer Zirkulationspumpen oder der Dämmung freiliegender Rohrleitungen. Und auch in DIN 1988-300 wird der hydraulische Abgleich seit vielen Jahren gefordert. Die Praxis zeichnet allerdings ein anderes Bild.

Übrigens empfiehlt das Umweltbundesamt in einer Stellungnahme zum Energiesparen bei der Warmwasserbereitung (Ausgabedatum war bereits September 2011!)3) den hydraulischen Abgleich der Zirkulationsleitungen als eine Energiesparmaßnahme neben dem Einsatz sparsamer Zirkulationspumpen oder der Dämmung freiliegender Rohrleitungen. Und auch in DIN 1988-300 wird der hydraulische Abgleich seit vielen Jahren gefordert. Die Praxis zeichnet allerdings ein anderes Bild.

Zirkulationspumpen in Ein- und Zweifamilienhäusern: durchlaufen lassen oder abschalten?

Laut DVGW-Arbeitsblatt W 551 darf die Zirkulation beim Nachweis einwandfreier hygienischer Verhältnisse für 8 Stunden am Tag unterbrochen werden. Trinkwasserexperten wie Harald Köhler, Leiter der akkreditierten Inspektionsstelle ATHIS GmbH, empfehlen dies aber nur, wenn der Betreiber der Anlage sicherstellen kann, dass bei Wasserentnahme die Schutztemperatur von 55 °C an allen Entnahmestellen erreicht wird. Köhler: „Weniger zu empfehlen wäre eine temporäre Abschaltung, 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.“ Das Erreichen der notwendigen Schutztemperatur in allen Bereichen des Warmwasserverteilsystems könne aber auch durch gezielte Nutzungsvorgänge zeitlich gesteuert werden.

Die in Ein- und Zweifamilienhäusern oftmals niedrigen Temperaturen von 50 °C seien zwar durch DIN 1988-200 abgedeckt, wenn der Endkunde über das Legionellen-Risiko informiert werde. Doch der Trinkwasserexperte gibt zu bedenken: „Bei einer Speicheraustrittstemperatur von maximal 50 °C ist zu erwarten, dass im Zirkulationssystem eine Temperatur von weniger als 50 °C vorhanden sein wird. Somit reicht die im Zirkulationssystem vorhandene Temperatur nicht aus, um ein Legionellenwachstum im ausreichenden Maß zu verhindern. Dauerhaft niedrige Legionellen-Belastungen sind nur durch Einhaltung der Systemtemperaturen ≤ 25 °C (Kaltwasser) und ≥ 55 °C (Warmwasser) und einem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Trinkwasser-Installation zu erreichen.“

Werden innerhalb einer Trinkwasser-Installation systemische Kontaminationen vom Labor festgestellt, so gehe dies in der Regel immer mit einer nicht ausreichenden Systemtemperatur einher, berichtet der Experte aus der Praxis. „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.“

Kritisch äußert sich der Trinkwasserexperte zum Einsatz von sogenannte Legionellenschaltungen. Sie sollen das Legionellenwachstum kontrollieren, indem der Warmwasservorrat periodisch, z. B. einmal wöchentlich, auf mehr als 60 °C aufgeheizt wird. Köhler: „Das Umweltbundesamt hat sich dazu klar positioniert: Es hält derartige Anlagen für nicht geeignet, eine effektive Konzentrationsminderung der Legionellen sicherzustellen.“

¹) siehe Bericht „Erosion an Kupferrohrinstallationen in Warmwassersystemen“ auf ikz-select.de (kostenlos nach Registrierung).

²) dena-Gebäudereport 2022.

³) Stellungnahme des Umweltbundesamtes, „Energiesparen bei der Warmwasserbereitung – Vereinbarkeit von Energieeinsparung und Hygieneanforderungen an Trinkwasser“ (September 2011)