Senkung der Zirkulationsverluste in zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen
Dr.-Ing. Robert Huhn über Dr.-Ing. Thomas Sander ()
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Fax: 03 51 / 4 63 3 70 76
Gefördert durch
- AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
"Otto von Guericke" e.V. (AiF - Forschungsvorhaben 14244 BR)
Forschungs-/ Kooperationspartner:
ILK Dresden
Übersicht
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens der Forschungsstelle TU Dresden, Institut für Energietechnik wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Betriebsweise und den Verlusten von Warmwasserverteil- und -zirkulationsanlagen sowie deren Auswirkungen auf die Wärmeerzeuger in der Bereitstellungskette der Trinkwassererwärmung durchgeführt.
Ergänzende numerische Berechnungen behandelten die Verluste bei Einbindung des Zirkulationsrücklaufes in einen Speicher für erwärmtes Trinkwasser. Dabei wurden die Erfahrungen des vorangegangenen Forschungsvorhabens Nr. 13850 BG/1 genutzt und die Berechnungsmodelle weiterentwickelt.
Schwerpunkte der Untersuchungen waren die Wärmeverluste im Leitungssystem, der Umwälzaufwand, dynamische Effekte bei Zapfung von erwärmtem Trinkwasser sowie die Analyse alternativer Möglichkeiten zur Deckung der Wärmeverluste in Zirkulationssystemen.
In Trinkwarmwasserverteil- und Zirkulationssystemen können grundsätzlich sowohl thermische Verluste als auch der Bedarf an Hilfsenergie reduziert werden. Des Weiteren kann eine Optimierung hinsichtlich der Rückwirkungen auf das vorgelagerte Wärmeversorgungssystem (z.B. Heizkessel oder Fernwärmenetz) erfolgen.
Ein Hauptteil des Einsparpotenzials von Wärmeverlusten ist an bauliche Verände-rungen im Leitungssystem gebunden, da beim Temperaturniveau aufgrund hygienischer Anforderung wenig Spielraum ist. Trotzdem können durch Einsatz von Rohr-in-Rohr-verlegten vertikalen Strangleitungen oder die gemeinsame Dämmung von Vor- und Rücklaufleitung Einsparungen im Bereich mehrerer 10 % erreicht werden.
Durch die optimierte Regelung der Umwälzpumpe und Einsatz moderner Motortechnologien sind hohe Einsparpotenziale an Elektroenergie vorhanden, welche in Fernwärmesystemen primärenergetisch besonders hohen Einfluss auf die Gesamteffizienz haben. Durch eine optimierte Systemgestaltung und Betriebsweise sowie den Einsatz neuer Komponenten zur Deckung der Zirkulationswärmeverluste lässt sich die Effizienz der Trinkwassererwärmungsanlagen erhöhen. Die Art der Einbindung des Zirkulationsrücklaufes in den zentralen Trinkwassererwärmer ist von entscheidender Bedeutung.
Durch die Ausgliederung der Zirkulation aus dem Speicher bzw. aus dem zentralen Trinkwassererwärmer besteht die Möglichkeit, häufiges Takten bei fossil beheizten Heizkesseln oder hohe Rücklauftemperaturen ins Fernwärmenetz zu vermeiden.
Hierfür ist eine externe Komponente zur Nachwärmung des Zirkulationswassers notwendig. Es wurden Wärmepumpen und Solarsysteme mit und ohne zusätzliche Speicher analysiert. Die entwickelte Pilot-Zirkulationswärmepumpe stellte sich mit ihrer Leistungsgröße 1 kW zurzeit als noch nicht überzeugend dar. Durch Weiterentwicklungen auf der Komponentenseite (Verdichter) könnte diese Technologie in Zukunft primärenergetisch günstiger als heutige Brennwertheizgeräte werden, da letztere aufgrund ihrer Dimensionierung in der heizfreien Periode keine hohen Nutzungsgrade bei der Deckung der Zirkulationsverluste erzielen.
Obwohl die solare Zirkulationserwärmung oft mit einer Senkung der solaren Deckungsrate verbunden ist, ergeben sich dadurch Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung der Wärmeerzeugung in konventionellen Heizkesseln. Genauere Untersuchungen der Kesselverluste bei Teillast und häufigem Takten sind hier noch erforderlich.
Projektergebnisse
Einleitung
Stand der Technik / Randbedingungen
Messergebnisse von 3 Mehrfamilienhäusern in Dresden
Schlussfolgerungen für Trinkwassererwärmungssysteme im primärenergetischen Vergleich
Simulationsergebnisse und Messergebnisse vom Versuchsstand
Einsparpotenziale in Zirkulationssystemen für erwärmtes Trinkwasser
Deckung der Zirkulationswärmeverluste mit einer Wärmepumpe
Einbindung von thermischer Solarenergie
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Merkmale von zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen
- Heute teilweise über 50 % des jährlichen Gebäudegesamtwärme-bedarfes für die Erwärmung des Trinkwassers erforderlich
- Hohe Hygiene- und Komfortmaßstäbe für die Erzeugung und Verteilung des erwärmten Trinkwassers im Haus sowie das Zirkulationssystem (DVGW-Arbeitsblatt W 551, VDI 6003) Zirkulationswärmebedarf beträgt 25 bis 50 % (und mehr)
des Endenergiebedarfs für die Bereitstellung von erwärmten Trinkwasser - Sehr geringe Auslastung der Wärmeerzeuger in der heizfreien Periode
Stand der Technik / Randbedingungen
Systeme zur Trinkwassererwärmung
- Speichersystem und Speicherladesystem
- Durchflusssysteme (einstufig, zweistufig)
Trinkwasserverteilung – Zirkulationssystem
Hygiene-Vorschriften (DVGW-Arbeitsblatt W 551)
- Unterteilung in Klein- und Großanlagen (400 l TWE, 3 l Leitungsinhalt)
- Zirkulationssystem Vorschrift für Großanlagen sowie generell bei > 3 l Leitungsinhalt zwischen TWE und Zapfstelle
- Austrittstemperatur am TWE stets ≥ 60 °C
- Minimale Temperatur im Leitungssystem maximal 5 K unter der Austrittstemperatur am TWE
- Stockwerks- und/oder Einzelzuleitungen mit einem Wasserinhalt ≤ 3 l sind ohne Zirkulationsleitung und ohne Begleitheizung zulässig
- Bei hygienisch einwandfreien Anlagen ist eine Abschaltung (in der Nacht) der Zirkulation für maximal 8 h/Tag zulässig
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Messergebnisse von 3 Mehrfamilienhäusern in Dresden
Ziel der Messungen:
- Untersuchung der Dynamik des Zirkulationssystems
- Analyse des Einflusses der Zirkulation auf die Ladedynamik von Speichern
- Ermittlung des Einflusses der Zirkulation auf eine Fernwärmeversorgung und auf den Nutzungsgrad von Heizkesseln
Die drei Wohnobjekte
Objekt 1
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Objekt 2
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Objekt 3
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Trinkwarmwasserverbrauch und Zirkulationsverluste
Kesselnutzungsgrad über der Zeit – Objekt 2, NT-Gaskessel
Primärenergieaufwandszahl bezogen auf TWE bzw. TWE+Zirk
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Schlussfolgerungen für TWE-Systeme im primärenergetischen Vergleich
Grenzkurven für gasbeheizte TWE-Systeme
Grenzkurven für Zirkulationsverlustanteil bei FW-Versorgung
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Simulationsergebnisse und Messergebnisse vom Versuchsstand
Ziel der Versuche am Versuchsstand der TU Dresden
- Analyse des Einflusses der Zirkulation auf die Rücklauftemperatur im Heizmedium bei unterschiedlichen Systemkonfigurationen (Rücklauf der FW oder des Kesselkreislaufes)
- Ermittlung des Einflusses der Zirkulation auf Mischvorgänge im Speicher
- Test eines elektrischen Begleitheizbandes
- Test einer Pilotwärmepumpe zur Deckung der Zirkulationswärmeverluste
Vergleich der Ergebnisse
| Vorlauf Heizmedium |
Rücklauf Heizmedium (volumenstromgewichtet) |
Erwärmtes Trinkwasser |
|
| Durchflusssystem | 71 °C | 48 °C | 60 °C |
| Speichersystem (innenliegender WÜ) |
72 °C | 54 ... 55 °C | 60 ... 58 °C |
| Speicher und elektr. Begleitheizband |
72 °C | 51 °C | 60 ... 59 °C |
- Kaum Mischeffekte im Speicher bei Ausgliederung der Zirkulation
- 30 ... 40 % höherer elektrischer Aufwand bei Begleitheizband bezogen auf die
experimentell ermittelten Wärmeverluste des Verteilrohres - Rücklauftemperatur des Heizmediums stark vom Verhältnis
Trinkwarmwasserbedarf zu Zirkulationswärmeverlust abhängig
Einsparpotenziale in Zirkulationssystemen für erwärmtes Trinkwasser
Maßnahmen zur Senkung der Wärmeverluste
| Starke Dämmung der Rohrleitung | 15 % weniger Wärmeverluste bei 150 % Dämmung |
| Rohr-in-Rohr-Zirkulation im Steigestrang | 20 - 30 % weniger Wärmeverlust im System |
| Gemeinsame Dämmung von Vor- und Rücklauf | bei konvektionsdichter Ausführung 45 - 60 % Einsparpotential |
| Ausnutzung der zulässigen Spreizung im Zirkulationskreislauf | bis 5 % weniger Wärmeverluste bei Rücklaufabsenkung von 59 °C auf 55 °C |
| 8 Stunden Nachtabschaltung der Zirkulation | ca. 25 % der Tageswärmeverluste, wenn nachts keine Zapfungen auftreten |
- größte Einsparpotenziale durch bauliche Maßnahmen (Dämmung) sowie Nachtabschaltung der Zirkulation (nur in kleinen Gebäuden!) erschließbar
Maßnahmen zur Senkung des Umwälzaufwandes
| 8 Stunden Nachtabschaltung der Zirkulation | ca. 33 % des Tagesumwälzaufwandes |
| Ausnutzung der zulässigen Spreizung im Zirkulationsverlauf | bis 48 % weniger Umwälzaufwand bei Rücklaufabsenkung von 59 °C auf 55 °C durch Intervallbetrieb |
| ca. 30 % bis 60 % weniger Umwälzaufwand bei Einsatz leistungsgeregelter Pumpen (je nach Regelungsart und Motortyp) |
- Einsparpotenziale bei überdimensionierten Pumpen und durch Nachtabschaltung der Zirkulation (nur in kleinen Gebäuden!) erschließbar
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Deckung der Zirkulationswärmeverluste mit einer Wärmepumpe
Randbedingungen zum Einsatz einer Wärmepumpe
Zu untersuchende Wärmepumpentypen:
- Absorptionswärmepumpe, mit Fernwärme angetrieben, Fernwärmerücklauf als Wärmequelle
- Kompressionswärmepumpe, elektrisch angetrieben, verschiedene Wärmequellen
Technische Randbedingungen:
- Thermische Leistung 1 kW bei 60 °C Zirkulationsvorlauftemperatur
- Volumenströme durch den Kondensator der WP zwischen 50 l/h und 450 l/h Zirkulationswasser
- Druckverlust des Zirkulationswassers in der WP bei 450 l/h von max. 5 kPa
Zwischenergebnis der Variantenvoruntersuchung
Ausschlusskriterien für Absorptionswärmepumpen:
- mit Fernwärme angetriebene Absorptionswärmepumpen funktionieren als Zirkulations-AWP
nur bei hohen FW-Vorlauftemperaturen (100..130 °C) und sind deshalb primärenergetisch nicht vorteilhaft - Absorptionswärmepumpen im geforderten Leistungsbereich (1 kW) sind am Markt
nicht verfügbar und selbst als Pilotanlage sehr schwierig praktisch umsetzbar
(Funktionsfähigkeit Rieselfilmwärmeübertrager)
Nachteile der Kompressionswärmepumpe mit Wärmequelle Wasser:
- Auskühlung des FW-Rücklaufes primärenergetisch nicht sinnvoll
- Hoher Umbauaufwand bei Nutzung von Wasser aus Pufferspeichern etc.
- Nicht immer ausreichende Quellwärme im häuslichen Abwasser
Variante Kompressionswärmepumpe mit Luft als Wärmequelle
Wärmequelle kann sein (auch gemischt):
- Luft aus Heizungskeller
- Abluft (sofern keine Wärmerückgewinnung)
- Luft aus Installationsschächten
- Umgebungsluft (im Sommer)
Vorteile:
- Evt. konstantere Betriebsbedingungen
Nachteile:
- höhere Grädigkeiten, geringe Leistungszahlen
- größere Anlagen, Verschmutzungsneigung
Pilotwärmepumpe mit hybridem Lamellenverdampfer
- Übergangskältemittel R134a (0,75 kg)
- Nutzung von Luft und flüssigen Medien als Wärmequelle im Verdampfer möglich
- Verdampfungstemperaturen bis 25 °C zulässig
- Abmessung der Pilotanlage H x B x T = 610 x 500 x 700 mm³
Spezifische Herausforderungen an der Pilotwärmepumpe:
- Hohe baulich eingestellte Kältemitteldampfüberhitzung im Verdampfer
--> hohes Druckverhältnis im Verdichter - Hohe Verdichterwärmeverluste aufgrund kleiner Baugröße
(anfangs 50 % der el. Leistungsaufnahme, nach Optimierung 20 – 30 %) - Automatische Abschaltung der Wärmepumpe bei Einbruch des
Zirkulationsvolumenstroms durch starke Warmwasserzapfung
Arbeitszahlen der Pilotwärmepumpe (bei Zapfprogramm)
| Wärmequelle und Eintrittstemperatur |
Verdampfungs- temperatur |
hydraulische Schaltung |
Zirkulations- volumenstrom |
mittlere Betriebs- dauer des WP-Verdichters |
Arbeitszahl der WP |
Bemerkungen |
| Luft, 20 °C | 5 - 7 °C | Zirkulation am Speicher vorbei |
hoch | eine Abschaltung in 220 min | 1,5 | WW-Austritt aus der WP bis 65 °C |
| Fernwärme, 40 °C | 14 - 20 °C | Zirkulation am Speicher vorbei |
hoch | 14,5 min | 2,1 .. 2,3 | 160 % WP-Heizleistung, Verdichterkühlung erforderlich |
| Luft, 20 °C | 5 - 7 °C | Zirkulation durch Speicher |
hoch | keine Abschaltung | 1,7 | leichte Mischung im Speicher |
- Erreichte Arbeitszahlen an der Pilotwärmepumpe noch deutlich unterhalb des
Zielwertes 2,3 für energetische Sinnfälligkeit
(Bezug auf DIN 4701-10, für Wirtschaftlichkeit der WP nochmals höhere Arbeitszahl erforderlich) - die in den Praxisbeispielen ermittelten Primärenergiefaktoren
für TWE und Zirkulation sind aber ebenfalls deutlich höher als
die nach DIN 4701-10 berechneten Werte!
Primärenergiefaktoren für TWE + Zirkulation im Vergleich
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Einbindung von thermischer Solarenergie
Teilaufgaben bei solarer Deckung der Zirkulationsverluste
- Ort der Einbindung und Auslegung der neuen Komponenten in der Schaltung
- Erarbeiten eines einfachen Schaltungs- und Regelkonzepts
(Umschaltung bei ungenügendem Solarenergieangebot) - Bestimmung der Rückwirkungen auf den thermischen und
exergetischen Nutzungsgrad der Solar- und Gesamtanlage
Voruntersuchungen – was lohnt sich nicht oder nur bedingt?
- Auskühlung der Sole vor Eintritt in den Kollektor mit einer WP
(nur 10-20 % der Verdampferwärme sind zusätzliche Umweltenergie,
solarer Minderertrag muss konventionell nachgeheizt werden) - Vorschaltung eines Wärmeübertragers im Solarkreis bei Anlagen
ohne hohen Solarüberschuss zur Auskopplung der „Hochtemperaturwärme“
für die direkte Deckung der Zirkulationsverluste
(höhere Kollektoraustrittstemperatur erforderlich, zeitlich geringe Auslastung des Zusatz-WÜ) - Nutzung von thermischer Solarenergie als Wärmequelle für eine WP in Zeiten,
wo diese Energie nicht für die TWE genutzt werden kann
(geringe Jahresstunden mit bisher nicht genutzter Solarenergie, besonders bei Anlagen mit hochwertigen Kollektoren) - Verwendung des CircoSolar-Konzeptes (Schweiz) bei Warmwassertemperaturen
wie in DVGW-Arbeitsblatt W 551 gefordert
(durch Einsparung von Komponenten wirtschaftlich, aber kein primärenergetischer Vorteil ggü. TW-Vorwärmung)
Mögliches Pufferspeichersystem mit solarer Zirkulationsvorwärmung
- Die Zirkulationsverluste stellen einen hohen Primärenergieverbrauch dar und
beeinflussen besonders im Sommer die Effizienz von Wärmeerzeugern negativ - Zirkulationsverluste können durch bauliche Maßnahmen am Verteilsystem,
Abschaltung der Umwälzpumpe in der Nacht und thermisch-hydraulische
Systemoptimierung reduziert und die Hilfsenergie durch Einsatz leistungsgeregelter Pumpen gesenkt werden - Nachwärmung des Zirkulationsrücklaufes mit WP oder Solarenergie möglich
- Im 1 kW-Bereich heutige Kompressions-WP noch nicht effizient genug,
Verdichterentwicklung erforderlich (AWP primärenergetisch nicht sinnvoll) - Solare Deckung der Zirkulationsverluste bei groß dimensionierten Kollektorflächen
und besonders bei mit Wasser durchströmten Kollektoren und Anlagen mit Pufferspeicher
möglich und sinnvoll, Erhöhung des Nutzungsgrades des Wärmeerzeugers (fossiler Heizkessel) möglich
Ausblick
- Mehrere Maßnahmen zur Senkung der Wärmeverluste im Verteilsystem sofort umsetzbar
- Weitere detaillierte Untersuchungen realer Wirkungs- und Nutzungsgrade von Wärmeerzeugern erforderlich
(Zusammenhänge zwischen Heizwärme-, Warmwasser- und Zirkulationswärmebedarf,
Anlagenregelung und Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers;
Option: zwei kleine Brennwertgeräte für Hz+TWE+Zirk optimiert einsetzen oder Elektro-Speicherwassererwärmer) - Entwicklung optimierter Regelstrategien mit Ausnutzung von Wärmespeichern
im Hinblick auf taktungsarmen Betrieb des Wärmeerzeugers - Entwicklung optimierter Regelstrategien für die primärenergetisch sinnvolle Einbindung von Solarenergie
--> Solvis-Stand erkunden! - Weiterentwicklung von WP-Schaltungen zur Deckung von Heizwärme-,
Warmwasser- und Zirkulationswärmebedarf (--> Zweikreiswärmepumpe) - Weiterentwicklung von WP-Verdichtern für den Einsatz bei höheren Verdampfungs-
und Kondensationstemperaturen bei minimalen Verdichterwärmeverlusten - Bei Nennleistungsbedarf ≥ 35 kW Aufteilung auf zwei BW-Heizgeräte
bei ca. 1200…2500 € Mehrinvestition möglich - Modulierende BW-Heizgeräte bis 3 kW Minimalleistung verfügbar
Die Ergebnisse können von kmU und Planungsbüros ohne zusätzliche Forschungs- und Entwicklungsleistungen berücksichtigt werden.
Der Abschlussbericht des Forschungsvorhabens kann über die Professur Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft (Sekretariat) als CD-Rom bestellt werden.
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