Herausforderung Zirkulationsbetrieb bei zentralen Frischwassersystemen
Der Zirkulationsbetrieb gilt heute in der Wohngebäude- Installation als technischer Standard. Er dient der Hygiene und dem Benutzer-Komfort. Allerdings erzeugt er in Verbindung mit zentralen Frischwassersystemen auch immer wieder Systemprobleme. Neue, vorausschauende Regler sind deshalb gefragt. Die malotech GmbH arbeitet hier als erster Hersteller von Frischwasserstationen mit speziellen Sensoren und einer darauf aufbauenden Programmierung des Reglers.
In Trinkwasserleitungen von Wohngebäuden ist der Zirkulationsbetrieb heute der dominierende Betriebszustand bzw. der technische System-Standard. Er dient beispielsweise dazu, die vorgeschriebenen Hygieneanforderungen in Deutschland umzusetzen und zu erfüllen: Wenn zwischen der Erzeugung warmen Wassers und der Entnahmestelle mehr als 3 l Inhalt liegen und Trinkwasseranlagen in Mehrfamilienhäusern mehr als 400 l warmes Wasser speichern, müssen die Systeme regelmäßig auf Legionellen beprobt werden (DVGW Arbeitsblatt W 551). Laut DIN 1988 sollten permanent hohe Temperaturen > 55 °C im System gehalten werden, um einer Legionellenbildung vorzubeugen. Andererseits natürlich auch, um den Komfort an den Zapfstellen für den Verbraucher zu erhöhen, weil über die Zirkulation sehr schnell warmes Wasser zur Verfügung gestellt wird. Dann sind die Leitungen nicht mehr mit kaltem Wasser gefüllt, das andernfalls erst abfließen müsste.
Temperaturen über Sollwert
Durch einen permanenten Zirkulationsbetrieb bei zugleich geringer Zapfentnahme können allerdings die Warmwassertemperaturen mitunter deutlich über den gewünschten Sollwert steigen. Bisweilen sind Temperaturen > 65 °C in solchen Systemen keine Seltenheit. Dieses Phänomen tritt insbesondere in Systemen auf, die mit zentralen Frischwasserstationen kombiniert werden. Die Rücklauftemperatur ist dann entsprechend hoch und sie stört nicht nur die Temperaturschichtung im Pufferspeicher empfindlich. In der Folge kann sie auch die Funktionalität des Wärmeerzeugers einschränken oder seine Effizienz mindern. Wärmepumpen schalten dann sogar oft auf Störung. Nebenbei steigt das Verkalkungsrisiko bei hohen Umlauftemperaturen deutlich an und der eigentlich gewünschte Warmwasserkomfort, den der Zirkulationsbetrieb bewirken soll, wird gleich wieder egalisiert. Das trifft dann beim Duschen zu. Zunächst ist das Wasser zu heiß und der Nutzer mischt folglich kaltes Wasser zu. Wenn das heiße Wasser in der Leitung dann allmählich den Sollwert erreicht, wird es über die zuvor eingeleitete Zumischung kalten Wassers unterm Strich zu kalt – der Nutzer muss an der Zapfstelle ein zweites Mal nachregeln.
„Eine große Herausforderung ist also zum einen, den Zirkulationsbetrieb regelungstechnisch so zu gestalten, dass der gewünschte Sollwert auch während diesem gehalten wird und zum anderen, dass der ständige Wechsel zwischen Zirkulieren und Zapfen temperaturstabil abläuft“, sagt Marc Losch, Geschäftsführer der malotech GmbH aus dem münsterländischen Beelen (NRW). Das Unternehmen zählt sich zu den führenden Herstellern von Warmwasser- Systemen in Deutschland.
malotech hat seine Frischwasserstationen ,fresh basic‘, ‚fresh classic‘ und ‚fresh premium‘ mit einer intelligenten Software ausgestattet. Sie erkennt den Zapfbetrieb und unterscheidet diesen vom Zirkulationsbetrieb. Bei diesem wird von der Pumpe gerade so viel heißes Wasser in den Wärmetauscher gezogen, dass die gewünschte Warmwassertemperatur nicht überschritten wird. „Unerwünschte Temperaturüberhöhungen des Netzes im Zirkulationsbetrieb werden so effektiv vermieden“, so Losch.
Hausgemachtes Problem – technische Herausforderung
Das Problem zu hoher Warmwasser-Temperaturen im Zirkulationsbetrieb ist ein inzwischen hausgemachtes. Die Primärtemperatur wird in Pufferspeichern u. a. zur Deckung des Spitzenbedarfs auf min. 70 °C gebracht. Die Wärmeverluste in den Leitungssystemen sind im Neubau heute längst nicht mehr so groß wie in alten Bestandsgebäuden – das ist zu begrüßen, schafft aber auch neue technische Herausforderungen. Die meisten Frischwasserstationen am Markt sind nicht in der Lage, geringen Bedarf zu erkennen und entsprechend zu modulieren. Dazu ein Rechenbeispiel: 8 l/m Zirkulationsvolumenstrom (sekundär) benötigt lediglich 2,7 l/m 70 °C (primär), um das Rücklaufwasser von 55 °C auf 60 °C zu erwärmen. Zwar ist die Durchflussmenge auch abhängig von der Übertragungsfläche des Wärmetauschers, doch ändert das an dem grundsätzlichen Problem nichts.
Sie sind auch nicht ‚vorausschauend‘ in der Weise, dass sie Zapfsignale aufnehmen sowie die voraussichtlich anstehende Entnahme daraufhin prognostizieren und darüber das System feinjustieren. Stattdessen regeln sie permanent nach und das dann auch nicht besonders exakt.
Vorausschauend agierender Regler
malotech ist nun vermutlich als erstem Anbieter gelungen, über den Einbau eines Sensors in Verbindung mit der Regler-Programmierung ein System auf den Markt zu bringen, das nicht nur feinfühlig ist, sondern auch vorausschauend agiert.
„Technisch umgesetzt haben wir das in Form unseres neu regelnden Frischwassercontrollers in Verbindung mit unseren zentralen ,fresh‘-Frischwasserstationen“, berichtet Marc Losch. Sensoren erfassen den Durchfluss und die Temperaturen über schnell ansprechende Fühler, die direkt im Medium sitzen. Die für den Lastfall benötigte Heizwassermenge wird entsprechend des Bedarfs bereit gestellt. Das alles geschieht binnen weniger Sekunden. „Der Lösungsansatz ist, die Heizwasserpumpe im Zirkulationsbetrieb grundsätzlich im Pulsbetrieb zu betreiben und wenn es zum Zapfbetrieb kommt, innerhalb weniger Sekunden den tatsächlichen Nachsteuerungsbedarf zu erkennen. Nach Zapfende schaltet das System in den Zirkulationsbetrieb und damit in den Pulsbetrieb zurück mit dem Ergebnis, dass nach Zapfende die Temperatur im System nicht ansteigt“, sagt Losch.
Erste Praxisbeispiele
malotech hat sein neues System bereits in ersten Praxisfällen erfolgreich verbaut. In einem Mehrfamilienhaus- Neubau mit 12 Wohneinheiten wurde nach kurzer Zeit darüber geklagt, dass die Wärmepumpe wenig lief, der außerdem vorhandene Gasbrennwertkessel aber schon. Eine Ursache hierfür war erkennbar, nachdem man die Situation vor Ort über Messungen erfasst hatte: Der Pufferspeicher erhielt im unteren Bereich über den Rücklauf nahezu permanent zu heißes Wasser. Der Lösungsansatz, den malotech hier wählte, bestand aus einer kombinierten Umbaumaßnahme: Der Pufferspeicher wurde durch einen Schichtspeicher mit Trennplatte ersetzt. Zusätzlich wurde ein Umschaltventil im Rücklauf eingebaut. Dieses leitet das heiße Rücklaufwasser, das durch den Zirkulationsbetrieb entsteht, in den oberen Speicherbereich oberhalb der Trennplatte ein.
Auf der Trinkwasserseite gab es bereits eine zentrale Frischwasserstation von malotech, die es nicht zu beklagen galt. Zu beklagen war in diesem Fall der hydraulische Anschluss (Einschichtung des Rücklaufs generell unten, keine Umschaltung vorhanden, kein Schichtpuffer). Zu beklagen war eigentlich eher, dass der Regler unter diesen Umständen sein Potenzial nicht ausspielen konnte. Seit des Umbaus läuft die Wärmeversorgung des Hauses problemlos. „Die Herausforderung ist, ein möglichst exaktes, vorausschauendes Regelverhalten zu erzeugen, das deshalb notwendigerweise auch schnell ermittelt und realisiert werden muss. Darin sind wir unseres Wissens derzeit einmalig auf dem Markt“, resümiert Marc Losch.