Energie sparen mit neuen alten Wegen

Das Thema Trinkwasserzirkulation steht in jüngster Vergangenheit erneut in der Diskussion /1, 2, 3, 4/, obwohl es hinlänglich bekannt sein sollte: Seit April 2004 gibt es das DVGW Arbeitsblatt W 551, das jüngst leicht umbenannt wurde, aber inhaltlich schon weit vor dem hier zitierten Erscheinungsdatum bekannt war /5/. Verkürzt gesagt, muss das Trinkwasser warm auf einer Temperatur >55 °C gehalten werden, damit sich das in manchen Serogruppen besonders gefährliche Bakterium Legionella pneumophila nicht vermehren kann. Ein strenges Temperaturregime sorgt zudem für die Dezimierung anderer Bakterien. Nur damit kann eine hygienisch einwandfreie Trinkwasserinstallation im Warmwasserbereich sichergestellt werden.

Die zu Beginn angesprochenen Veröffentlichungen beruhen auf Forschungsvorhaben, die alle das Ziel verfolgen, die Trinkwasserhygiene aufrecht zu erhalten und zugleich den bislang benötigten Energiebedarf für die Beheizung der Trinkwasserzirkulation zu verringern. Mehrere Wege werden angesprochen und bieten sich bei konsequentem Überdenken der Situation auch an:

• Absenkung des Temperaturniveaus auf einen äußersten Grenzwert
• Filterung zur Verringerung der BakterienKonzentration
• Filterung zur Verringerung der für die Bakterien notwendigen Nährstoffe
• Abtötung der Bakterien durch Maßnahmen, die die Trinkwasserqualität nicht beeinflussen, wie etwa die Bestrahlung mit UV Licht.

EU-Energie- und Klimaziele und Trinkwasserbereitung

Die europaweit diskutierten Nachhaltigkeitsziele führen zu einer Energiepolitik, die eine Verbrennung fossiler Brennstoffe künftig ausschließt. Der Umweltschutz fordert ein Abrücken von der fossilen Verbrennung, um in erster Linie den weltweiten Anstieg der CO₂-Emissionen und damit auch der globalen Temperaturen zu verringern.

Die Trinkwassererwärmung wird mehr und mehr zum bestimmenden Anteil beim Gebäudeheizenergiebedarf. Die durchaus nennenswerten Energieverluste im System werden vielfach kleingeredet, in der fehlgeleiteten Annahme, dass sie der Gebäudeheizung zugutekommen. Dabei wird vergessen, dass die Trinkwassererwärmung in aller Regel 24 h/7 Tage über das gesamte Jahr in Betrieb ist. Im Winter mag das Argument mit der Gebäudebeheizung zum Teil zutreffen, im Sommerhalbjahr sind die Verluste real und nicht wegzudiskutieren.

Die Größenordnung dieser Verluste lässt sich nicht pauschal bewerten. Eine Option könnte darin liegen, auf das Verteilnetz größtenteils zu verzichten und das Trinkwasser dezentral etwa über Durchlauferhitzer zu erwärmen, wie es heute schon vielfach üblich ist. Vorteile bieten sich hier auch bei der Abrechnung der Erwärmungskosten. Nachteil ist, dass eine hohe Zahl von Einzel-Trinkwassererwärmern, unabhängig vom verwendeten Energieträger, die dafür erforderlichen Anschlüsse und die notwendige Infrastruktur einen erheblichen Investitionsaufwand vonseiten der Bauherrn erfordern.

Neue technische und systemische Ansätze

Im Folgenden sollen Methoden und Technologien vorgestellt werden, die den Zielen der Trinkwasserhygiene gerecht werden, und zugleich energetische Einsparungen gegenüber der bisher üblichen Trinkwasserzirkulation versprechen.

Bei zentraler Trinkwassererwärmung wird in aller Regel die Temperaturhaltung im Trinkwassernetz über Zirkulationsleitungen sichergestellt. Die Auslegung der Zirkulation sorgt dafür, dass nirgendwo die Temperatur um mehr als 5 K gegenüber der im DVGW Arbeitsblatt W 551-1 /5/ genannten Temperatur von 60 °C absinkt. Die möglichen Berechnungsgrundlagen sind in der DIN 1988-300 /6/ beschrieben. Unterschieden wird hier zwischen dem herkömmlichen Berechnungsgang mit einer Temperatursicherstellung von rund 58 °C an den entferntesten Entnahmestellen und dem Beimischverfahren, das im Rücklauf der Zirkulationsleitung eine Mindesttemperatur von 55 °C gewährleistet.

Allein die methodische Alternative durch Wahl des Beimischverfahrens, zu der in der Fachwelt bereits intensiv diskutiert wurde /7/, kann energetische Einsparungen von um die 15 % /8/ erzielen. Das Verfahren konnte sich bislang nicht durchsetzen; Grund sind u. a.aufwändige und ungewohnteRechenverfahren. Zudem sind Strangregulier​ventile seitens der Industrie voreingestellt auf 58 °C, was der herkömmlichen Auslegung entspricht.

Strangregulierventile mit neuer Ventiltechnik

Waren Strangregulierventile zum hydraulischen Abgleich der Zirkulationsleitung bislang mechanische Kunstwerke – insbesondere, wenn sie thermostatisch konstant reguliert sind – so kommt nun eine neue Generation elektronisch gesteuerter Ventile auf den Markt (Bild 1). Die elektronische Ansteuerung bietet eine Reihe von Vorteilen. Sie sind über die Leittechnik einstellbar, kontrollierbar und dokumentierbar. Sie bieten potenziell eine höhere Regelgenauigkeit; dies müsste allerdings noch durch verbesserte Prüfmethoden bewiesen werden. Und schließlich lassen sie sich hinsichtlich des Regelalgorithmus zwischen Warmwasserzirkulation auf Kaltwasserzirkulation einstellen und damit unterschiedlich einsetzen (Dieses Thema soll hier nicht weiter diskutiert werden).

Diese Eigenschaften sind selbstredend für jeden Einsatz vorteilhaft. Unter anderem sind elektronische Strangregulierventile deshalb auch hervorragend geeignet für den Einsatz im Beimischverfahren, weil die Temperaturkontrolle und Einstellung auf 55 °C hier problemlos über die Leittechnik möglich wird. Damit bietet sich ein Weg Energie einzusparen, der über die derzeitigen Regelwerke (DIN 1988-300) nach den a.a.R.d.T. schon heute machbar ist.

Absenkung der Zirkulationstemperatur dank neuer Ventiltechnik?

Mit dieser neuen Ventilgeneration ist ein weiterer Aspekt verbunden: Man könnte die Temperatur absenken, auch wenn dies in den einschlägigen Regelwerken nicht angezeigt ist. Dazu sagte die Gesellschaft für Krankenhaushygiene DGKH in ihrer Stellungnahme „Legionellose und Energiesparmaßnahme“ /3/, dass bei kontinuierlicher Messwertüberwachung der Trinkwassertemperatur von 55 °Cund bei Nachweis des hydraulischen Abgleichs die Forderung der Trinkwasserhygiene erfüllt ist. Dies ist auch nachvollziehbar, wenn man das Diagramm über die Vermehrungsraten von Legionella Pseudomonas bei einer Temperatur von 55 °C betrachtet. Sie liegen nicht höher als bei einer Temperatur von 25 °C, die im Trinkwasser durchaus toleriert werden.

Die Begleitheizung

Das System der Rohrbegleitheizung wird über elektrische Heizbänder bewerkstelligt. Sie beruhen auf einer Erfindung, die schon über 40 Jahre alt sein soll. Waren erste Heizbänder noch statisch in ihrer Wärmeabgabe, so wurden schon recht früh so genannte selbstregulierende Heizbänder erfunden. Die Technologie beruht darauf, dass sich zwischen den elektrischen Leiterbahnen, meist Kupferdrähten, eine Isoliermasse aus Kunststoff befindet /9/. Diese Isoliermasse wird mit einem leitenden Stoff geimpft, dessen Widerstand sich entsprechend der Temperatur ändert (Bild 2).

2 - Elektrische Begleitheizung, selbstregulierend Bild: CaloriQue Heizungen

Bei steigenden Temperaturen rücken die Moleküle auseinander, der Widerstand wird größer und die Heizleistung sinkt. Bei niedriger Temperatur rücken die Moleküle zusammen, der Widerstand wird geringer und es fließt ein Strom, der den Heizleiter und damit das begleitende Rohr erwärmt. In der Folge gibt es diese selbstregulierenden Heizbänder immer nur für bestimmte Temperaturbereiche.

Ein klassischer Anwendungsfall ist die Frostfreihaltung von Außentreppen und Außenrampen, Regenrinnen und Regenfallleitungen sowie Wasserabläufen im Außenbereich. Hier ist der Temperaturbereich dieser Bänder auf den Gefrierpunkt ausgerichtet. Sie sind in kalten, schneereichen Gegenden wie dem Alpenraum oder Skandinavien anzutreffen. In den gemäßigten Regionen in Deutschland verhindern sie beispielsweise, dass Antennenplattformen von Fernmelde- und Funktürmen zu gefährlichen Eisträgern werden.

Mit dem Entstehen des ersten DVGW Arbeitsblattes W 551 /1/ kam die Idee auf, mit solchen Bändern die Trinkwarmwassertemperatur konstant auf beispielsweise 55 °C zu halten. Obwohl ihre vielen Vorteile erkannt wurden, fand die Technologie in Deutschland zunächst keinen Anklang. Zu dieser Zeit waren Öl und Gas im Vergleich zu elektrischem Strom beim Preis konkurrenzlos und selbst Fernwärme und (dezentrales) Flüssiggas billiger als Strom. Lediglich „Nachtstrom“ war auch damals schon günstig. Er war aber, wie der Name schon sagt, nur nachts zu beziehen und schied somit als Energieträger für die Temperaturhaltung ebenfalls aus. Die Trinkwasserzirkulationsleitung beherrschte den Markt. 

Vor dem Hintergrund Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Energieeinsparung muss die alt bekannte Begleitheizung nun neu bewertet werden, denn für alle drei Aspekte hat sie Positives zu bieten.

Begleitheizung macht Zirkulation überflüssig

Vorab ist festzuhalten, dass bei Einsatz einer elektrischen Begleitheizung auf die Zirkulationsleitung verzichtet werden kann. Die Trinkwasserleitungen werden auf ganzer Leitungslänge elektrisch warm gehalten – von der Trinkwassererwärmung (Speicher oder durchflussorientiertes System) bis hin zur Entnahmestelle. Totleitungen, nicht ins Zirkulationsnetz eingebundene Leitungen oder Ringinstallationen sowie die 3-Liter-Regel spielen für die Temperaturhaltung keine Rolle mehr. Selbstverständlich müssen alle warmwasserführenden Trinkwasserleitungen mit Heizbändern ausgestattet werden. Somit ist die Temperaturkonstanz bis zum Eckventil oder bis zum Duschthermostaten möglich. Auskühlende Bereiche in der Trinkwasserinstallation gibt es somit nicht!

Der Satz in der DIN 1988-200 /10/ „spätestens 30 s nach dem vollen Öffnen der Entnahmearmatur muss die Temperatur von 55 °C überschritten werden“ ist obsolet. Wenige Sekunden nach dem Öffnen der Armatur ist das Wasser heiß.

Als zweites Argument kann angeführt werden, dass bei einer Begleitheizung auf die übliche Temperaturspreizung von 5 K verzichtet werden kann, da diese prinzipbedingt nur bei der Zirkulation notwendig ist. Die Begleitheizung hält die Temperatur der Rohrwand an allen Stellen der Installation gleich warm, d. h.auf konstant 55 °C.Diese These muss durch weitere Untersuchungen in der Praxis verifiziert werden. Dies ist in naher Zukunft über ein Forschungsvorhaben beabsichtigt.

Die Verlegung der Heizbänder ist für Handwerker kein Problem. Herstellern zufolge sollen sie einfach längs der Trinkwasserleitung verlegt werden.

Die Befestigung erfolgt mittels so genannter Kabelbinder aus Kunststoff. Das elektrische Heizband sollte jedoch nicht durch Rohrschellen oder ähnliche Befestigungen eingequetscht werden (Bild 3). Von den Rohrherstellern hört man bezüglich der Verlegung von Heizbändern keine Einsprüche. In ihren technischen Unterlagen werden ebenfalls entsprechende Verlegehinweise gegeben. Aussagen zu unterschiedlichen Rohrmaterialien werden ebenfalls nicht getroffen. Dies ist auch nicht zu erwarten, denn die von den Heizbändern abgegebenen Temperaturen stellen keinerlei „Stress“ für das Rohrmaterial dar.

3 - Verlegung des Heizbandes Bild: nvent.com/Raychem 

Dämmung und Heizbänder

Die Dämmung der Trinkwasserleitungen erfolgt analog der Dämmung ohne Heizband. Das Heizband soll zudem die Wärmeverluste der Dämmung kompensieren: Die elektrische Leistung eines Heizbandes für 55 °C liegt bei ca. 7 W/m, was den rechnerischen Wärmeverlusten der Dämmung entspricht (Bild 4).

4 - Die Rohre müssen nach DIN 1988-200 gedämmt werden. Bild: nvent.com/Raychem

Alle üblichen Dämmstoffe, ob Mineralfaser oder geschäumt, sind für diese Art der Temperaturhaltung geeignet.

Alle Trinkwasserleitungen warm sollten mit Aufklebern versehen werden, die darauf hinweisen, dass unter der Dämmung ein Kabel verborgen ist (Bild 5).

5 - Aufkleber „Achtung elektrisches Heizband“ Bild: Schmickler

Energie sparen in der Trinkwasserinstallation

Für die elektrische Begleitheizung sprechen beim Thema Trinkwasserhygiene und Energiesparen folgende Punkte:

Das System erspart die Zirkulationsleitung, also jeweils einen Steigestrang, und damit auch dessen Wärmeverluste. Es ist keine Zirkulationspumpe im Einsatz, der entsprechende Stromverbrauch entfällt.

Um auf der anderen Seite die Strommengen zu errechnen, die durch den Betrieb einer elektrischen Begleitheizung erforderlich wird, muss die Berechnungsmethodik der DIN 1988-300 /6/ über die Wärmeverluste von gedämmten Rohrleitungen herangezogen werden. Nach Gleichung 15 der DIN 1988-300 kann der Wärmedurchgangskoeffizient und damit der Wärmeverlust der Teilstrecken berechnet werden. Genau diese Wärmeverluste müssen durch das Heizband gedeckt werden – sie entsprechen also der elektrischen Leistung des Bandes, da üblicherweise die Verluste im Schaltschrank und des Reglers vernachlässigt werden können. Kennt man nun die Trinkwasser-warm-Rohrleitungslängen, so kennt man auch den elektrischen Leistungsbedarf der Warmhaltung. Im Gegensatz zur Zirkulationsleitung sind Einsparungen bis zu 50 % zu erreichen, da nur eine Rohrleitungslänge warm gehalten werden muss. Diese Energieeinsparung benannte Bernd Rickmann, Professor Emeritus der Fachhochschule Münster, im Zusammenhang mit der Inliner-Zirkulation bereits auf dem Sanitärtechnischen Symposium der FH Münster 2012. Die Inliner-Zirkulation stellt ebenfalls eine Möglichkeit der Reduzierung der Wärmeverluste in den Steigleitungen dar.

Weniger Wärmeleistung und weniger Wärmemenge sind im Fall des elektrischen Heizbandes mit elektrischer Strommenge und elektrischer Leistung gleichzusetzen. Diese Erkenntnisse sind eigentlich nicht neu, aufgrund der großen Diskrepanz zwischen Wärme- und Strompreis wurden sie aber nur selten auf die Praxis angewendet. Dies kann sich nun ändern, da Gebäude zunehmend nur noch mit Strom versorgt werden und ein guter Teil dessen aus regenerativen Quellen und eigener Erzeugung aus PV-Anlagen kommt. Insbesondere grüner Strom ist mindestens so preiswert wie fossil erzeugter, und dieser könnte auch der Rohrbegleitheizung Zuspruch von an Nachhaltigkeit und Klimaschutz interessierten Kunden bringen.

Auf eine konkrete Vergleichsrechnung muss hier verzichtet werden, denn sie stellt immer nur den Einzelfall dar. Zu unterschiedlich sind die Gebäude und auch die Energiepreise können von Versorger zu Versorger sehr weit auseinanderliegen. Es gibt den Haushalts- und den Gewerbestrompreis, Sondervereinbarungen für Großbauten (Krankenhäuser, Hotels, …), den Wärmestrompreis für Wärmepumpen (der vielfach auch für die Begleitheizung eingesetzt wird) und natürlich Eigenstrom aus Photovoltaik und Batteriespeicher. Erste Betrachtungen zeigen jedoch, dass Begleitheizungen nicht nur Energie sparen, sondern auch die Kosten reduzieren können.Die Vor- und Nachteile der elektrischen Begleitheizung sind in nebenstehendem Kasten zusammengefasst, dabei wird die Dominanz der Vorteile deutlich. 

In den anderen Ländern Europas sind Heizbänder schon seit vielen Jahren verbreitet. Sie werden immer dann eingesetzt, wenn der Strompreis verglichen mit anderen Energieträgern günstig ist wie etwa in der Schweiz.

Wasserfilterung: Kontrolle der Trinkwasserhygiene durch Nährstoffentzug

Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsvorhabens wurde kürzlich untersucht, ob die Trinkwasserhygiene sichergestellt werden kann, indem man den Bakterien die Nährstoffgrundlage entzieht. Auch dadurch ließe sich potenziell das Temperaturniveau auf ein unbedingt notwendiges Maß reduzieren.

Die Projektergebnisse wurden jüngst vorgestellt /1/ und es ist zu erwarten, dass die Fachwelt sie intensiv diskutieren wird. Das Forschungsvorhaben zeigt allerdings, wie wichtig Energieeinsparung und Nachhaltigkeit gerade auch bei der Trinkwasserinstallation ist.

Verbesserungspotenziale

Abschließend stellt sich die Frage, ob Energieverluste in der Trinkwassererwärmung und -verteilung auch mit herkömmlichen Systemen minimiert werden können. Diese Frage ist durchaus berechtigt, allerdings sind die technischen Möglichkeiten begrenzt: Wesentliche Stellschrauben sind eine weitere Verbesserung der Dämmung, kürzere Leitungswege, Verringerung der Temperaturen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Trinkwasserhygiene und weitere Sparmaßnahmen auch beim Warmwasserbedarf. Lösungen, die sich in der Baupraxis umsetzen lassen, sind jedoch derzeit nicht in Sicht.

Fazit

Dieser Beitrag soll die technischen Aspekte der Trinkwasserhygiene hinsichtlich der Energieverluste neu beleuchten. Spezielles Augenmerk wurde auf zwei Möglichkeiten gelenkt, die es erlauben, die Trinkwassertemperatur abzusenken und zugleich die Trinkwasserhygiene aufrechtzuerhalten: Weg 1 ist eine Verbesserung des bestehenden Konzeptes der Trinkwasserzirkulation durch Digitalisierung der Strangregulierventile. Weg 2 ist die altbekannte Rohrbegleitheizung, der bei zunehmender Elektrifizierung der Gebäudebeheizung neue Bedeutung zukommt. Gerade letztere Technologie hat viele Vorteile, die es lohnt, sich vor Augen zu führen. Technik muss einfach, zuverlässig, nachhaltig, kostengünstig und energiesparend sein und darf in keinem Fall die Hygiene aufs Spiel setzen. All dies ist mit einem elektrischen Begleitheizungssystem möglich.

Literaturhinweise

/1/ Rühling, K.: Projekt ULTRA-F Ultrafiltration als Element der Energieeffizienz in der Trinkwasserhygiene

https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/iet/gewv/forschung/forschungsprojekte/ultra-f

/2/ Borer, B.: Wissenschaftler messen Legionellen Wachstum genauer denn je, HLH Bd. 73 (2022) Nr. 07-08

/3/ Exner, M.; Hippelein, M.; Rühling, K.; Pleischl, St.;Herr, C.; Popp, W.; Walger, P.: Stellungnahme der DGKH: Legionellosen und Energiesparmaßnahmen – Version vom 01. Februar 2023

/4/ Energiesparen bei der Warmwasserbereitung –Vereinbarkeit von Energieeinsparung und Hygieneanforderungen an Trinkwasser, Stellungnahme des Umweltbundesamtes 2011

/5/ DVGW W 551:2004-04 Trinkwassererwärmungs-und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen

/6/ DIN 1988-300:2012-05 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser, Technische Regel des DVGW

/7/ Rickmann, B.; Fraaß, M.: Neue Zirkulationsauslegung nach DIN 1988-300: Legen wir künftig nach dem Beimischverfahren aus? IKZ Haustechnik, 20/2012

/8/ Hessels, T.: Vergleich des Bemessungsverfahrens für Zirkulationsanlagen in Trinkwasserinstallationen nach DVGW W 553 (1998-12) mit einem neuen Verfahren; Bachelorarbeit FH Münster (2011)

/9/ Schmickler, F.-P: Trinkwarmwasser: Temperaturhaltung mit Strom, IKZ Haustechnik 16/2023

/10/ DIN 1988-200:2012-05 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe, Technische Regel des DVGW