Konfliktsituation Hygiene und Energie

In der Schweiz benötigen private Haushalte etwa ein Drittel der Energie, dabei ist die Wassererwärmung in modernen Wohnbauten ebenso energieintensiv wie die Raumheizung. Neben der Energieeffizienz sind aufgrund der potentiellen Gefahren durch Bakterien wie Legionellen auch hygienische Aspekte relevant. Das Ziel dieser Arbeit war daher, Warmwassersysteme zu untersuchen und Aussagen zur Energieeffizienz und Hygiene zu treffen.

Methodik

Als methodische Grundlage dieser Arbeit diente eine Literaturrecherche sowie theoretische Analysen der beiden Ladearten Stufen- und Schichtladung. Zudem wurde ein Versuchsstand konzipiert und realisiert, um Untersuchungen zur Energieeffizienz und Hygiene durchzuführen. Zur Bewertung der Energieeffizienz und Hygiene wurden Mess- und Temperaturdaten sowie Erkenntnisse aus einer früheren Arbeit herangezogen. In Letzterem wird gezeigt, dass eingefärbtes Wasser neben der Sichtbarmachung der Strömungen die Vorhersage der Bakterienverteilung unterstützt.

Versuchsstand Warmwasser

Abbildung 1 zeigt das Schema vom neu realisierten Warmwasserversuchsstand mit einer Wasser-/Wasser-Wärmepumpe, die sowohl ein konstantes als auch ein modulierendes Modul hat. Weiter kann zur Ladung des Speichers zwischen der Schicht- und Stufenladung umgeschaltet werden.

Zur Visualisierung der Strömungen im transparenten Speicher sind Anschlüsse zur Einfärbung des Wassers vorhanden. Um einen praxisnahen Betrieb zu gewährlisten, können Zirkulationswärmeverluste und Warmwasserbezüge simuliert werden. Der Versuchsstand kann neben dieser Arbeit auch künftig für Forschungsarbeiten, Weiterbildungen und Präsentationen genutzt werden.

Ergebnisse der Messversuche

Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass die Stufenladung den Stromverbrauch der Wärmepumpe für die Wassererwärmung im Vergleich zur Schichtbeladung um ca. 15% reduziert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Stufenladung die Speichertemperatur schrittweise erhöht wird. Dadurch ist der durchschnittliche Temperaturhub der Wärmepumpe geringer, was wiederum zu einer besseren Energieeffizienz führt. Bei der Schichtladung hingegen muss der Temperaturhub von Beginn weg bis zur Solltemperatur des Warmwassers erfolgen, um die Einschichtung im oberen Bereich des Speichers zu ermöglichen.

Hygienisch betrachtet …

... zeigt die Stufenladung gegen Ende der Ladung Temperaturabfälle von 0,4 bis 4,7 K im obersten Bereich des Speichers. Diese Temperaturabfälle werden für Wohnbauten als unkritisch eingestuft, da die Temperatur in der Regel innerhalb von 20 Minuten wieder die Warmwassersolltemperatur erreicht. Im Vergleich dazu behält die Schichtladung die Temperaturen im obersten Bereich des Speichers. Zudem zeigen die Strömungsbilder der Stufenladung in Abbildung 2, dass der Speicher allmählich von unten nach oben durchgeladen wird. Demzufolge hat das nachströmende Kaltwasser bei der Stufenladung eine längere Verweildauer auf einem durchschnittlich tieferen Temperaturniveau gegenüber der Schichtladung.

In Abbildung 3 wird diese Schichtladung dargestellt und macht die Ladung von oben nach unten sichtbar. Folglich hat das nachströmende Kaltwasser eine kürzere Verweildauer auf einem durchschnittlich höheren Temperaturniveau. Die abschliessende Beurteilung der Hygiene bedarf der Expertise von Fachleuten, wobei davon ausgegangen werden kann, dass die Stufenladung für Wohngebäude hygienisch unkritisch ist und auch aus energetischer Sicht für Wohngebäude geeignet ist.

Auswahlkriterien und Nutzungen für die Schicht- und Stufenladung

Anhand der Messergebnisse wurde eine Planungshilfe entwickelt, um die geeignete Ladeart in einer frühen Planungsphase auszuwählen. Diese Planungshilfe berücksichtigt die technischen Kriterien und unterschiedlichen Nutzungen.

Abbildung 4 mit den technischen Kriterien verdeutlicht, dass die Stufenladung besonders in Systemen mit Zirkulation und regelässigem Warmwasserverbrauch ihre Stärken nutzen kann. Die Schichtladung hingegen ist ideal für Anlagen, bei denen die Temperaturhaltung im Spitzendeckungsvolumen und die Verfügbarkeit nach einem Kaltwasserdurchbruch entscheidend sind. Sie ist zudem geeignet, für Anlagen, die durch eine Vorwärmung regelmässig Temperaturen über der Warmwassersolltemperatur erreichen.

Abbildung 5 zeigt die Eignung der Ladearten in Bezug auf die Nutzungen. Für Wohngebäude und Schulen ohne Sportanlagen mit geringem Spitzenvolumenstrom wird die Stufenladung empfohlen. In Verwaltungen, Verkaufsstellen, Industrieanlagen, Lagern und Versammlungslokalen sind beide Ladearten möglich, abhängig von der spezifischen Nutzung. Schichtladungen sind für Spitäler, Sportbauten und Hallenbäder aufgrund des direkt bewirtschafteten Spitzendeckungsvolumens vorzuziehen.

Fazit und Ausblick

Insgesamt zeigten die Versuche, dass die Stufenladung gegenüber der Schichtladung um ca. 15% energieeffizienter ist. Die hygienischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Biomasse im gesamten Speicher verteilt werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Wasserbewegung (Wasserwalzen) im Speicher. Die Folgen von dieser Ausbreitung muss von Experten der Trinkwasserhygiene und Mikrobiologie abschliessend bewertet werden. Zur energetischen Optimierung der Stufenladung sollten künftig die Fühlerkonstellationen und deren Parameter sowie Speichereinbauten betrachtet werden. Zudem empfiehlt es sich, Messungen mit Zirkulationsnacherwärmung und Speicherdämmung bei unterschiedlichen Warmwasserprofilen durchzuführen, um eine umfassendere Bewertung der beiden Ladearten zu ermöglichen.

*Studenten des Instituts Gebäudetechnik und Energie IGE der HSLU – Technik&Architektur; begleitet wurden die beiden Studenten von Prof. Reto von Euw, Andreas Odermatt und Roni Hess.