Trinkwassererwärmung als patentierte Versorgungstechnologie

Die Bereitstellung von Trinkwarmwasser ist an restriktive Vorgaben der Trinkwasserhygiene gebunden. Mit wirtschaftlicher und ökologischer Intelligenz punkten Versorgungssysteme, die neben der Einhaltung von Hygienekonformität zugleich eine hohe Betriebseffizienz gewährleisten können. Ein patentiertes Trinkwassererwärmungssystem des Anlagenentwicklers Yados zeigt, wie sich durch Senkung der primärseitigen Rücklauftemperaturen beide Anforderungen erfüllen lassen.

Krefeld (NRW) im vergangenen Herbst: Ein Quartier mit rund 900 Wohneinheiten geht ans Fernwärmenetz. Nach rund 60-jähriger Betriebszeit musste für die energetische Infrastruktur des Stadtteils Elfrath ein Neukonzept der Wärmeversorgung realisiert werden und eine umfassende Modernisierung von Leitungssystem und Anlagentechnik erfolgen. Insgesamt 24 Mehrfamilienhäuser der in den 1960er-Jahren entstandenen Siedlung sollten dabei mit zukunftsfähigen Trinkwassererwärmungssystemen (TWE-Systemen) ausgestattet werden.

Zwei zentrale Leistungskriterien standen bei der Wahl einer geeigneten Anschlusstechnologie im Fokus von Versorger und Anlagenbetreiber: ein hoher Systemwirkungsgrad zur Unterstützung eines maximal effizienten Anlagenbetriebs sowie die technische Umsetzbarkeit hygienerechtlicher Vorgaben, wie sie unter anderem die deutsche Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001), das Arbeitsblatt DVGW W 551 und die Richtlinie VDI 6023 vorsehen.

Die optimale technologische Lösung für Elfrath erkannten Planer in einem hoch entwickelten Niedertemperatursystem des Energieanlagenspezialisten Yados aus Hoyerswerda.

Seinem Anlagenkonzept zur Bereitstellung von Trinkwarmwasser liegt ein vielfach geprüftes, patentiertes Verfahren zugrunde, das eine optimale Nutzung der eingesetzten Primärenergien bei gleichzeitig konsequenter Einhaltung hygienetechnischer Regelwerksvorgaben ermöglicht (Anlagentyp "YA-DO|AQUA PR"). Der Prozess der primären Rücklauftemperaturauskühlung nimmt dabei eine Schlüsselfunktion ein.

Präzisionstechnologie für den regelwerkskonformen Anlagenbetrieb

Das 2014 vom deutschen Patentamt (Patent-Nr. 10 2010 044 535) zugelassene Verfahren sowie das dazugehörige Anlagenkonzept sind das Ergebnis weitreichender Entwicklungs- und Prüfabläufe, die unter anderem in Zusammenarbeit mit den Stadtwerken München (SWM) im Rahmen des Forschungsprojekts "Low-Ex-Systeme" untersucht und getestet wurden.

Als Konzeptionsgrundlage für ein rücklaufoptimiertes Trinkwassererwärmungssystem wurden die Bestimmungen der Trinkwasserverordnung und die des Arbeitsblattes DVGW W 551 ("Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen") herangezogen und anlagentechnisch im Detail umgesetzt.

Neben der Bereitstellung einer hygienisch einwandfreien Trinkwasserqualität, einschließlich der systematischen Minimierung des Legionellenrisikos, wurde als zweites zentrales Leistungsmerkmal die Erzeugung niedriger Rücklauftemperaturen definiert. Und das sowohl beim Fernwärmeanschluss als auch beim Einsatz von Brennwerttechnik und Blockheizkraftwerken.

Darüber hinaus sollte durch Verminderung der Verkalkungsneigung insbesondere auch einem frühzeitigen Komponentenausfall (etwa von Pumpen- oder Wärmeübertragern) vorgebeugt werden.

TWE-Technologie sichert Temperaturen und Fließverhalten

Das DVGW-Arbeitsblatt W 551 spezifiziert die Anlagenfahrweise eines TWE-Systems bei Großanlagen. Die Bestimmungen betreffen dabei im Wesentlichen das Zirkulationsverhalten und einzuhaltende Temperaturniveaus innerhalb der Anlage.

Demnach ist eine systematische Unterschreitung der Trinkwarmwassertemperatur am Trinkwassererwärmeraustritt von 60 Grad Celsius sowie von minimal 55 Grad Celsius in der Zirkulationsleitung nicht zulässig. Gleichzeitig muss mindestens einmal in 24 Stunden eine Erwärmung des vollständigen Wasserinhalts des Speichers und der Vorwärmstufe auf 60 Grad Celsius sichergestellt werden (tägliche Durchladung wegen Vorwärmstufe).

Um die vorgeschriebene Trinkwasserhygiene stabil zu gewährleisten, ist neben thermischen Faktoren auch das Fließverhalten des Trinkwassers in der Installation zu berücksichtigen. Eine wichtige Rolle spielt hier die angemessene, fachgerechte Dimensionierung von Zirkulationsleitungen und Zirkulationspumpen sowie ein kontinuierlicher Zirkulationsfluss, der nicht länger als maximal acht Stunden pro Tag unterbrochen werden darf.

Diese in den Regelwerken verbindlich festgelegten Richtwerte orientieren sich primär am aktuellen Wissensstand der Kontaminationsforschung und der Installationspraxis, die sich mit den Ursachen und Auswirkungen mikrobieller Verunreinigungen in wasserführenden Systemen beschäftigt. Mit dem Ziel, einen höchstmöglichen Schutz des Verbrauchers vor gesundheitsgefährdenden Organismen wie dem Legionellen-Bakterium (Legionella pneumophila) zu gewährleisten, werden dabei vor allem replikationsfördernde Einflussgrößen fokussiert. Auf Grundlage der 1. novellierten Trinkwasserverordnung traten 2011 unter anderem für Betreiber von Großanlagen verschärfte Prüf- und Handlungspflichten in Kraft.

Für die Ausbildung von Legionellen-Kolonien innerhalb eines Installationssystems sind zwei Faktoren besonders relevant: hohe Stagnationszeiten des Trinkwassers von über acht Stunden und kritische Temperaturbereiche zwischen 25 und 55 Grad Celsius.

Entsprechend lassen sich hochentwickelte und präzise regelbare TWE-Systeme als wirksames Instrument in der Legionellenprävention gemäß der allgemein anerkannten Regeln der Technik (a.a.R.d.T.) nutzbar machen. Wie auf Grundlage gesenkter Primär-Rücklauftemperaturen gleichzeitig hohe energetische und wirtschaftliche Effizienzpotenziale erschlossen werden können, zeigt das Funktionsprinzip der "YADO|AQUA PR"-Anlage.

Verbesserte Energiebilanz durch gesenkte Rücklauftemperaturen

Die TWE-Anlage basiert auf einem zweistufigen Speicherladesystem, bei dem durch Nutzung hoher primärer Vorlauftemperaturen der Heizwasservolumenstrom deutlich verringert werden kann und sich heizwasserseitig sehr niedrige Rücklauftemperaturen erzielen lassen. Dies geschieht durch eine spezielle Schaltung eines Vor- und Nachwärmers: Der Zirkulationsvolumenstrom wird dabei permanent und unterbrechungsfrei erwärmt, sodass eine optimale Schichtung im Trinkwarmwasser-Pufferspeicher unter Einhaltung der hygienerechtlich geforderten Trinkwarmwassertemperatur von 60 Grad Celsius erzielt werden kann. Die Reduktion des Volumenstroms wiederum wirkt sich positiv auf die Energieaufwandsbilanz der Anlage aus; so lassen sich der Strombedarf für den Pumpeneinsatz senken und Wärmeverluste in der Installation minimieren.

Im Prozess der Speicherladung wird zunächst die Trinkwarmwassertemperatur des Zirkulationsvolumenstroms im Nachwärmer auf 60 Grad Celsius angehoben. Gleichzeitig kühlt Wasser aus dem Trinkwarmwasserspeicher den Heizwasservolumenstrom im Vorwärmer gezielt ab. Sobald dem Speicher im oberen Teil Trinkwarmwasser über die Zapfstellen entnommen wird, strömt kaltes Trinkwasser in den unteren Teil des Pufferspeichers nach.

Dieser Vorgang führt zu einer natürlichen stabilen Temperaturschichtung im Speicher, ohne dass eine zu große Mischzone durch Konvektion entsteht (Schichtladespeicherung). Wird aus dem Pufferspeicher kein Trinkwarmwasser gezapft, etwa in der Nacht, läuft kein kaltes Trinkwasser mehr in den unteren Speicherbereich nach. Das Trinkwarmwasser verdrängt den Restbestand des Kaltwassers, bis der Trinkwarmwasserspeicher auf 60 Grad durchgeladen ist. Erst ab diesem Zeitpunkt steigt die Primärrücklauftemperatur wieder an.

Effizienzpotenziale bei Planung, Betrieb und Werterhaltung

Aus ökonomischer Perspektive lassen sich durch Einsatz eines rücklaufoptimierten TWE-Systems bereits im Planungsprozess, aber auch in der nachgelagerten Instandhaltung Einspareffekte realisieren, unter anderem

• bei der Dimensionierung des Leitungsnetzes durch verringerte Leitungsquerschnitte,

• bei der Dimensionierung der Anlagentechnologie durch Wahl kleinerer Pumpen mit niedrigerer elektrischer Energieaufnahme,

• im Rahmen von Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen aufgrund verringerter thermischer Beanspruchung des Installationsmaterials und reduzierter Verkalkungsneigung.

Die Höhe des real erzielbaren Effizienzgrades hängt dabei wesentlich vom individuellen Nutzerverhalten (Abnahmemenge des Warmwassers) ab und wird entscheidend durch bau- und planungstechnische Maßnahmen beeinflusst. Hierzu zählen insbesondere die angemessene Dimensionierung und Dämmung des Trinkwarmwasserspeichers und der Zirkulationsleitungen sowie ein sachgerechter hydraulischer Abgleich.

Fazit

Anlagenkonzepte, wie sie Yados für das Wohnquartier Krefeld-Elfrath entwickelt und umgesetzt hat, unterstützen Netz- und Anlagenbetreiber darin, hohe hygienerechtliche Vorgaben durch wirtschaftlich intelligent planbare Versorgungslösungen zu realisieren. Bereits heute ist das TWE-System "YA-DO|AQUA PR" bundesweit in vielen Städten (darunter München, Augsburg, Erding, Markt Schwaben, Freising, Ulm, Stuttgart, Freiburg, Frankfurt, Offenbach, Köln, Bonn, Krefeld und Potsdam) sowie in vielen kleineren Fernwärmenetzen im Einsatz.

Es fördert dort ein zukunftsfähiges Energiemanagement, das die zentralen Kriterien der Sicherheit, der ökonomischen Effizienz, des Nutzungskomforts und nicht zuletzt der ökologischen Nachhaltigkeit in einer ausbilanzierten Gesamt­lösung zusammenführt.