Philosophie der Warmwasserbereitung
Die Kenntnisse zur Auslegung von Trinkwassererwärmern sind für einen Anlagenmechaniker elementar. Und das Thema streift die Heizungsseite gleichermaßen wie auch die Sanitärseite.
Nicht alleine der Umstand, dass eine wirtschaftliche Dimensionierung einhergehen muss mit einem hygienisch einwandfreien Betrieb, macht das Thema so komplex. Spannender wird es dann noch, wenn echte Fachleute das Thema diskutieren und mit Fakten und Simulationen diese Materie ausleuchten. Grund genug die vielen Ideen dazu auch mal im SBZ Monteur breit zu treten.
Warum überhaupt schwierig?
Die Warmwasserbereitung stellt eine Besonderheit in der Art der Bereitstellung dar. Während der Heizkörper eines Raumes in einem Altbau vielleicht eine Leistung von 2000 Watt hat, so ist die notwendige Leistung zur Trinkwassererwärmung meist deutlich höher, wenn diese denn zeitgleich mit der Nutzung erzeugt werden müsste.
Ein Beispiel:
Jemand duscht unter einer Regentanz-Dusche (eingedeutschte Fassung) mit 0,45 Liter / Sekunde an warmen Wasser von 40 Grad Celsius.
Die Wärmeleistung für diesen Spaß läßt sich errechnen aus „Kuhistgleichemmalcemaldeltatheta“
Dabei ist
c = die spezifische Wärmekapazität (im Beispiel für Wasser mit 1,163 Wh/(kgK)
In einem Einfamilienhaus werden wohl selten Heizkessel installiert, die eine so hohe Leistung haben. Der Kessel mit vielleicht 20 kW Leistung kriegt es aber trotzdem gebacken, das warme Wasser bereitzustellen. Er beheizt einfach auf Vorrat, erwärmt also das Trinkwasser in einem Speicher und kann dann auch höhere Anforderungen erfüllen als durch die Momentanleistung alleine möglich wären. Dieses Szenario zeigt zwei Extreme an einem platten Beispiel. Und alleine die Entscheidung für eine hohe Momentanleistung oder einen entsprechend fetten Warmwasserspeicher ist nicht zielführend.
Extreme Alternativen
Würde man beispielsweise in einer Duschanlage einer Sporthalle sämtliche der 40 Duschen mit jeweils 0,2 Liter Pro Sekunde bei 40 °C gleichzeitig versorgen wollen mit der Leistung eines Heizkessels, so würde man locker mal 1.004.832 Watt also 1 Megawatt Leistung benötigen. Das sprengt den üblichen Rahmen. Ginge man davon aus, das über den Tag verteilte insgesamt 6-mal diese Anforderung anstehen würde, für einen Zeitraum von jeweils 5 Minuten, dann könnte man die notwendige Wassermasse natürlich auch vorhalten das wären dann 14.400 Liter. Also entweder gnadenlos überdimensionierter Kessel oder viel zu großer Speicher. Der Kessel wäre in der Anschaffung zu teuer und unwirtschaftlich im Betrieb. Ein großer Speicher würde ebenfalls eine teure Anschaffung darstellen und dann aber auch noch gravierende Hygieneprobleme aufwerfen. Denn, wenn die vorausgesagte Entnahme über einen gewissen Zeitraum mal nicht stattfindet (Ferienzeit), würde das Wasser stagnieren und womöglich verkeimen.
Gleichnisse helfen
In der Logistikbranche löst man ähnliche Probleme auch. Bei denen hört es sich dann weniger abstrakt an und schafft so schneller den Durchblick.
Fallbeispiel 1:
Ich packe ein Paket, welches mir sofort abgenommen wird, wenn ich es gepackt habe.
Die Entsprechung: Ein Kessel bringt die Leistung die den Warmwasserbedarf abdeckt.
Fallbeispiel 2:
Ich weiß ich muss einmal am Tag plötzlich 2 Pakete abliefern können, ich selber schaffe in dem Moment nur 1 Paket fertigzustellen. Also packe ich eines bereits im Vorfeld und verwahre es in einem Lager.
Die Entsprechung: Die Hälfte der Warmwasseranforderung erfüllt der Kessel, weil er sich während der Abkühlung des kleinen Speichers irgendwann einschaltet, die andere Hälfte der Anforderung entspricht dem Warmwasserpuffer im Speicher.
Fallbeispiel 3:
Ich muss zwischendurch auch mal 7 Pakete liefern können. Eins davon packe ich in dem Moment selbst und 2 verpacken meine Mitarbeiter zeitgleich. 3 habe ich zusammen mit meinen beiden Mitarbeitern bereits vorher vorbereitet. Ich habe also zwei Mitarbeiter und einen Vorratsraum für insgesamt 3 Pakete.
Die Entsprechung: Ein Kessel mit hoher Leistung versorgt einen Speicher mit erhöhter Kapazität
Fallbeispiel 4:
Ich packe den ganzen Tag alleine die Pakete, stündlich eines. An einer Stelle des Paketinhaltes handelt es sich um verderbliche Ware. Ich muss ein frisches Salatblatt kurz vor der Auslieferung befestigen. Die Pakete werden also zuerst bevorratet und in einem Schwung abgeholt, während ich erst beim Verladevorgang noch das Salatblatt befestige.
Die Entsprechung: Ein Kessel oder eine Solaranlage mit geringer Leistung erwärmt einen Pufferspeicher in dem nur Heizungswasser erwärmt wird. Die Entnahme der gespeicherten Energie erfolgt dann über einen Wärmetauscher, der im Durchlaufprinzip das warme Trinkwasser bereitstellt. Das Salatblatt entspricht dem Hinweis auf die Frischwasserstation.
Das hinkt doch
Klar, jeder Vergleich hinkt irgendwie. Aber die Problemstellung wird klar und auch der Lösungsansatz drängt sich auf. Man hat dieses Verfahren für die Anforderungen von Trinkwassererwärmern fein strukturiert. Im Endeffekt möchte man dann eine Abwägung treffen zwischen ausreichender Kesselleistung und genügender Speichergröße. Dazu versucht der Planer natürlich erstmal die Anforderung zu erfassen. Man trägt diese Anforderung dann in ein Diagramm eine und verschafft sich so einen bildlichen Eindruck.
Die Anforderung in Liter pro Stunde kann man ja direkt umrechnen in zu Verfügung zu stellenden Kilowattstunden an Energie.
Es gibt dann viele verschiedene charakteristische Verbräuche, wie nach folgender Liste ersichtlich und in den Diagrammen dargestellt.
Beispiele Blockverteilungen
- Dauerbedarfe (Friseurbetriebe, Molkereien, Brauereien, Wäschereien)
- Einzelbedarfe (Kantinen mit Spitzenentnahmen während der Essenzubereitung)
- Folge von Einzelbedarfen (medizinische Bäder, gewerbliche Waschanlagen)
- Bedarfssequenzen (Sportstätten, betriebliche Dusch- und Waschreinrichtungen)
Die Grafiken zu den Verbräuchen an Warmwasser zeigen links den Warmwasserdurchsatz und rechts die notwendige Energiemenge um die Erwärmung zu gewährleisten. Ein steiler Anstieg der Linie kennzeichnet hierin eine hohe Leistung zur Abdeckung der Anforderung. Auf diese Weise kann man sich also grafisch einer Problemstellung nähern und entsprechende Kesselleistungen und Speichergrößen simulieren.
Wie geht´s praktisch?
Für die Praxis gibt es, wie so oft, Softwareunterstützung. Beispielsweise Buderus hat eine kostenfreie Version einer Diwa ins Netz gestellt. Dabei handelt es sich nicht um den Schreibfehler zur Diva sondern um eine „Dimensionierungshilfe Warmwasserspeicher“. Durch den Einsatz dieser Software lassen sich die möglichen Entnahmen an warmem Wasser eingeben. Dazu benötigt man natürlich Erfahrungen oder wirklich gemessene Verbrauchswerte. Aber ohne diese Annahmen ist auch eine Diwa überfordert. Dafür lassen sich dann aber sehr bequem und mit wenigen Klicks die entsprechenden Systeme nachahmen. Das bedeutet, dass Diwa abhängig von den Anforderungen in der Lage ist ein Speichersystem oder ein Ladesystem zu simulieren. Auf diese Weise lässt sich dann die Trinkwassererwärmung für ein Ein- oder Mehrfamilienhaus, wie auch für einen Campingplatz ermitteln. Interessant ist natürlich, wie die Abhängigkeiten von Speichervolumen, Erwärmerleistung und Wiederaufheizzeit sich gegenseitig bedingen. So kann letztlich eine Optimierung der Anlage erfolgen, die einerseits die Investition in Kessel und Speicher auf das notwendige Maß beschränkt. Andererseits wird durch realitätsnahe Simulationen auch eine Versorgungssicherheit gewährt. Angesichts der Komplexität der Zusammenhänge ist der Einsatz von Software daher eine hilfreiche Unterstützung. Der Softwarehersteller hat dem Programm auch noch eine einführende Bedienungsanleitung in Form von einer pdf-Datei mitgeliefert. Damit kann man die ersten Schritte auch noch anhand von Beispielen erproben und so die Kenntnisse festigen. Ich mag diese Diwa.
