Mehr als eine Handvoll Warmwasser

Frischwasserstationen fachgerecht auslegen: Normen und Hilfsmittel der Hersteller unterstützen bei der schrittweisen Dimensionierung.

Frischwasserstationen sind weiterhin im Trend: Über 91.000 Stück wurden 2023 verkauft (Quelle: BDH), das entsprach einem Plus von 13 Prozent zum Vorjahr. Die kompakten Geräte punkten mit einigen handfesten Vorteilen: Frischwasserstationen haben keine eigene Warmwasserbevorratung. Sie nutzen die im Puffer­s­peicher gespeicherte Heizenergie, um über einen integrierten Wärmetauscher bedarfsgerecht – und damit besonders hygienisch – Warmwasser im Durchlauf­prinzip zu erzeugen. Das kann beispielsweise bei Heizungsanlagen sinnvoll sein, die aus Effizienzgründen nur niedrige Vorlauftemperaturen liefern.

Durch die Trinkwasserbereitung mit einer Frischwasserstation lässt sich zudem der Nutzungsgrad einer thermischen Solaranlage erhöhen: Wird die Wärme für das Trinkwasser direkt dem Solarspeicher entnommen, senkt das die Temperatur des Rücklaufs zum Kollektor und die solare Auslastung steigt. Außerdem sind moderne Frischwasserstationen in der Zapfleistung den meisten Gasdurchlauferhitzern deutlich überlegen. Sie besitzen eine Pumpe, um die Wärmemenge aus dem Pufferspeicher zu fördern.

Elektronisch geregelt, arbeiten sie auch mit Schichtladespeichern optimal zusammen. Frischwasserstationen lassen sich auch als Kaskade ausführen. Über Verrohrungssets können beispielsweise gleiche Einzelstationen verbunden werden – bei größeren Zapfungen werden dann zusätzliche Frischwasserstationen zugeschaltet.

Adäquat auslegen

Um die Vorteile einer Frischwasserstation auszuschöpfen und eine zuverlässige und effiziente Warmwasserbereitung sicherzustellen, kommt es auf eine fachgerechte Auslegung an. Planer und SHK-Fachhandwerker können hierfür auf Normen sowie auf Hilfsmittel der Hersteller zurückgreifen. Grundsätzlich empfiehlt es sich, Frischwasserstationen schrittweise auszulegen. Dazu bietet sich folgende Herangehensweise für die Größenbestimmung der Warmwasserbereitung an:

1. Bedarf analysieren
2. Besonderheiten der Wärmequelle berücksichtigen
3. Regelung und Regelungsverhalten beachten
4. Verfahren zur Auslegung bestimmen (hierfür gibt es mehrere, das geeignete Verfahren richtet sich nach den praktischen Gegebenheiten)
5. Auslegung

Schritt 1: Bedarf analysieren

Hier sind zunächst die grundsätzlichen Gegebenheiten zu erfassen: außer den allgemeinen Angaben zum Objekt auch Daten zur Aufstellsituation, zur Regelung und zur Art der Beheizung. Außerdem wird erfasst, ob ein Speicher für ein Wohngebäude, ein wohnungsähnliches Gebäude, einen Industriebe-trieb, ein Schwimmbad oder für eine Sporteinrichtung auszulegen ist.

Aus den erfassten Daten ergeben sich unterschiedliche Verfahren zur Speicherauslegung. Buderus hat dafür als spezielle Auslegungshilfe einen Fragebogen entwickelt, der das Sammeln dieser Informationen erleichtert. Er ist in der Planungsunterlage „Warmwasserbereitung –»Logalux« – Größenbestimmung und Auswahl“ enthalten. Diese steht als Download auf der Buderus Website unter „Technische Dokumenta-tionen“ zur Verfügung (www.buderus.de).

Schritt 2: Besonderheiten der Wärmequelle

Mögliche Wärmequellen für einen Pufferspeicher mit Frischwasserstation sind:

• Heizkessel
• Wärmepumpe
• Fernwärme
• Solarenergie
• Elektrische Energie

Weil für Systeme mit Frischwasserstationen ein Pufferspeicher eingesetzt wird, bieten sich besonders Festbrennstoffkessel und Solaranlagen an. Denn diese Wärmeerzeuger werden oft schon mit Pufferspeichern betrieben. Eine für den Sommerbetrieb vorgesehene Elektro-Zusatzheizung kann möglicherweise ein höheres Speichervolumen erforderlich machen, weil besonders bei größeren Anlagen die Kesselleistung erheblich über der Elektro-Anschlussleistung des Elektro-Heizeinsatzes liegt.

Schritt 3: Regelung und Regelungsverhalten beachten

Zur Auswahl der Regelung ist zu klären:

Ist ein Rücklauftemperaturbegrenzer vorgeschrieben? Sind alle notwendigen Einbaumöglichkeiten am ausgewählten Speicher vorhanden?

So reduziert ein Rücklauftemperaturbegrenzer in der Regel die Übertragungsleistung, wodurch wiederum ein größeres Speichervolumen erforderlich werden kann. In einem Heizsystem mit Frischwasserstation müssen im Betrieb zwei Temperaturen geregelt werden: die Warmwasserauslauf- und die Pufferspeichertemperatur. Die Warmwasserauslauftemperatur muss auch bei stark schwankenden Zapfmengen konstant geregelt werden – das wird über eine Drehzahlregelung der Pumpe erreicht. Die Regelung der Pufferspeicherbeheizung lässt sich wie beim Speichersystem oder über eine Laderegelung – ähnlich wie beim Speicherladesystem – mit Ein- und Ausschaltfühler umsetzen.

Schritt 4: Verfahren zur Auslegung festlegen

Es gibt mehrere Normen mit unterschiedlichen Schwerpunkten, die bei der Auslegung einer Frischwasserstation hilfreich sein können:

• DIN 4708 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Begriffe und Berechnungsgrundlagen“: Die Norm unterstützt bei der Auslegung eines Speichers oder Speicherladesystems für gemischt belegte Wohngebäude. Dazu wird eine Bedarfskennzahl N ermittelt.
• DIN EN 12831-3:2017-09 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Teil 3: Trinkwassererwärmungsanlagen, Heizlast und Bedarfsbestimmung“: Die europäische Norm beschreibt ein Verfahren zur Berechnung der Leistung und des Speichervolumens von Anlagen zur Trinkwassererwärmung. Das Verfahren ist aufwendiger als in der DIN 4708, kann aber genauere Ergebnisse liefern.
• DIN 1988-300 „Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW“: Über die DIN 1988-300 kann der Rohrdurchmesser berechnet werden. Aus der Summe der Einzeldurchflüsse der Warmwasserzapfstellen (Summendurchfluss) wird ein Spitzenvolumenstrom (Spitzendurchfluss) ermittelt. Die Norm eignet sich deshalb auch, um eine Frischwassersta­tion auszulegen. Die Umrechnung erfolgt über Faktoren in Abhängigkeit des Gebäudetyps. Es sind mehrere Gebäudetypen aufgeführt, vom Wohnhaus bis zum Seniorenheim. In Wohngebäuden ergeben sich gewöhnlich höhere Spitzenvolumenströme als bei der Auslegung nach DIN 4708.
• DIN 18032 „Sporthallen – Hallen und Räume für Sport und Mehrzwecknutzung – Teil 1: Grundsätze für die Planung“: In diesen Grundsätzen für die Planung und den Bau von Sport­hallen sind auch Empfehlungen für die Auslegung der Warmwasserversorgung enthalten.
• VDI 6002 Blatt 1 und 2 „Solare Trinkwassererwärmung – Allgemeine Grundlagen – Systemtechnik und Anwendung im Wohnungsbau“: Die VDI 6002 wurde für die Auslegung von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung erarbeitet. Behandelt werden schwerpunktmäßig Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung für Mehrfamilienhäuser mit Kollektorflächen von mehr als 20 Quadratmetern. Die Aussagen und Ergebnisse sind in vielen Fällen übertragbar auf Ein- und Zweifamilienhäuser. Blatt 2 legt den Fokus auf den Nichtwohnungsbau, beispielsweise auf Studentenwohnheime, Krankenhäuser und Campingplätze.

Schritt 5: Auslegung – am Beispiel der Bedarfskennzahl N nach DIN 4708

Die Auslegung einer Frischwasserstation ist abhängig vom Spitzenvolumenstrom. Wenn gemessene Werte vorliegen, sollten Planer und planende Fachhandwerker diese verwenden. Bei Ein- und Mehrfamilienhäusern lässt sich die Norm DIN 4708 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen; Begriffe und Be-rechnungsgrundlagen“ anwenden. Sie unterstützt bei der Auslegung eines Speichers oder Speicherlaidesystems für gemischt belegte Wohngebäude.

Gebäude mit einer gemischten Belegung werden von Personen bewohnt, die unterschiedlichen Berufen nachgehen, einen jeweils anderen Tagesablauf haben und dadurch zu verschiedenen Zeiten warmes Wasser brauchen. Dies hat eine lange Bedarfsperiode mit relativ kleinen Bedarfsspitzen zur Folge – Grundlage für den Gültigkeitsbereich der DIN 4708 ist somit die geringe Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Spitzenbedarfs der Hausbewohner. Für Anlagen mit längeren Spitzenbedarfszeiten, etwa in Hotels, kann diese Norm nicht angewandt werden.

Bedarfskennzahl N: Einheitswohnung als Basis

Zur Auslegung wird eine Bedarfskennzahl N ermittelt, diese wird später benötigt, um einen geeigneten Speicher für die Warmwasserbereitung auszuwählen.

Die Bedarfskennzahl besagt, dass der Warmwasserbedarf des berechneten Gebäudes dem N-fachen Bedarf einer Einheitswohnung entspricht. DIN 4708 ordnet dieser Einheitswohnung die Bedarfskenn-zahl N = 1 zu. Zur Einheitswohnung gehören vier Räume, in denen 3,5 Personen wohnen und eine Normalbadewanne mit 140 Litern Fassungsvermögen. Nach den Richtwerten für den Zapfstellenbedarf wv ergibt sich daraus ein Energiebedarf zur Warmwasserbereitung von 3,5 × 5.820 Wh = 20.370 Wh. Die Bedarfskennzahl N = 1 entspricht somit einem täglichen Energiebedarf von rund 20,4 kWh sowie circa 500 Litern Warmwasser mit 45 °C.

Der Bedarfskennzahl N ist ein Spitzenvolumenstrom für die Dauer von zehn Minuten hinterlegt, auf der Basis lässt sich auch eine Frischwasserstation dimensionieren. Die Bedarfskennzahl N ergibt sich unter anderem aus der Zahl der Wohneinheiten, deren Belegung und Ausstattung – die Gleichung dazu lautet:

N = Σ (n ∙ p ∙ v ∙ wv) / 3,5 ∙ 5.820

N = Bedarfskennzahl Σ = Summe n = Zahl der Wohnungen p = Zahl der Personen pro Wohnung v = Zahl der Zapfstellen wv = Zapfstellenbedarf

DIN 4708 liefert entsprechende Tabellen und Vordrucke (Formblätter), um die Bedarfskennzahl N zügig in der Praxis zu berechnen. Um die Bedarfskennzahl zu ermitteln, können auch Beispielfälle nach DIN 4708 zu Hilfe genommen werden, der jeweilige Spitzenvolumenstrom (über 10 Minuten) lässt sich ebenfalls ablesen. Der Spitzenvolumenstrom bezieht sich auf eine Austrittstemperatur von 60 °C an der Frischwasserstation. Bei abweichenden Bedingungen sollte die Bedarfskennzahl N beispielsweise mit einem Simulationsprogramm ermittelt werden.

Mit der Bedarfskennzahl N zur Leistungskennzahl NL

Mit der ermittelten oder berechneten Bedarfskennzahl N lassen sich dann Speichertyp und -größe anhand der Leistungskennzahl NL auswählen. Diese Leistungskennzahl gibt der Hersteller für seinen Speicher an. Die Leistungskennzahl des Warmwasserspeichers NL muss mindestens so groß sein wie die Bedarfskennzahl N. Erfahrungen aus der Praxis haben gezeigt, dass im Bereich kleiner Leistungskennzahlen der Speicher so gewählt werden sollte, dass bei gleicher Bedarfs- und Leistungskennzahl die nächstgrößere Speichergröße zu wählen ist. Die Frischwasserstation muss die Spitzenzapfleistung erbringen, die sich aus der ermittelten Bedarfskennzahl ergibt. Für den Betrieb einer Frischwasserstation ist außer der Temperatur im Pufferspeicher auch das Volumen des Bereitschaftsteils im Pufferspeicher wichtig. Dieses hängt von den Zapfspitzen, aber auch von der zur Verfügung stehenden Nachhei-zungsleistung des Heizkessels und von der Pufferspeichertemperatur ab. Um das Bereitschaftsvolumen auszulegen und nicht manuell berechnen zu müssen, bieten Hersteller wie Buderus ebenfalls entsprechende Tabellen als Auswahlhilfe an. Auch Simulationsprogramme leisten hierfür wertvolle Dienste.

Auslegung der Frischwasserstation für verschiedene Vorlauf- und Warmwassertemperaturen

Für die Auslegung der Frischwasserstation ist außer dem Spitzenvolumenstrom auch die Vorlauftemperatur aus dem Pufferspeicher (zur Versorgung der Frischwasserstation) wichtig. Als Austrittstemperatur aus der Frischwasserstation ist nach DVGW-Arbeitsblatt W551 eine Warmwassertemperatur von mindestens 60 °C einzuhalten, wenn der Inhalt der längsten Warmwasserleitung 3 Liter überschreitet. Je niedriger die Vorlauftemperatur ist, desto niedriger ist der maximale Spitzenvolumenstrom der Frischwasserstation. Buderus gibt zu seinen Frischwasserstationen Kennlinien in den Fachunterlagen an: Anhand der Kennlinien können Planer und Installateure sehen, wie weit sich in Abhängigkeit der Zapfmenge die Temperatur im Pufferspeicher (Bereitschaftsteil) reduzieren lässt, um die gewünschte Warmwassertemperatur zu erreichen. Mit den Grafiken lässt sich so für den gewünschten Anwendungsfall die optimale Frischwasserstation auswählen.

Ein Beispiel: Für ein Mehrfamilienhaus sind folgende Werte gegeben: Bedarfskennzahl N = 7,9 (Volu-menstrom 26 l/min), Warmwassertemperatur 60 °C. Gesucht ist eine geeignete Frischwasserstation für die Vorlauftemperatur 70 °C und für die Vorlauftemperatur 65 °C. Für die Frischwasserstation FS27/3 liegt eine Grafik zum Temperaturverhalten vor (Abbildung 7), ebenso für weitere Geräte.

Anhand der Grafik ist abzulesen, dass sich die Frischwasserstation „Logalux FS27/3 E“ bei 70 °C Vorlauftemperatur (und der gegebenen Warmwassertemperatur von 60 °C) einsetzen lässt (vgl. Abb. 4, Mar-kierung 1). Die Zapfleistung liegt hier bei 27 l/min. Bei 65 °C Vorlauftemperatur wird mit diesem Modell dagegen nur eine Zapfleistung von etwa 22 l/min erreicht (vgl. Abb. 4, Markierung 2). Hierfür wäre somit anhand der weiteren Schaubilder in den Unterlagen ein anderes Gerät des Herstellers auszuwählen.

Anlagenbeispiel für ein Mehrfamilienhaus

In einem Mehrfamilienhaus mit 18 Wohneinheiten wird eine Frischwasserstation eingesetzt. Weitere Komponenten des Heizsystems sind ein Gas-Brennwertgerät und ein Pufferspeicher.

Das Warmwasser wird nach folgendem Prinzip erzeugt: Sobald der Regler der Frischwasserstation anhand des Volumenstromfühlers einen Durchfluss erkennt, wird die Pumpe auf der Primärseite der Frischwasserstation eingeschaltet. So wird die Temperatur am Temperaturfühler auf der Sekundärseite der Frischwasserstation auf die eingestellte Warmwassertemperatur geregelt. Wird kein Durchfluss mehr gemessen, schaltet sich die Pumpe wieder aus.

Fazit

Frischwasserstationen ermöglichen eine zuverlässige und effiziente Warmwasserbereitung. Für Planer und SHK-Fachhandwerker lohnt es sich, bei der Auslegung auf Normen und/oder Hilfsmittel der Hersteller zurückzugreifen und auf ein schrittweises Vorgehen zu setzen, angefangen bei einer umfassenden Bedarfsanalyse. Das senkt den Aufwand bei der Dimensionierung und stellt eine komfortable Warmwasserbereitung sicher.

[Autor: Michael Gröne, Produktmanagement Buderus Systeme / Systemkomponenten, Bosch Thermotechnik GmbH, 35576 Wetzlar, info@buderus.de]