Effiziente Trinkwarmwasserbereitung Bedeutung der Verteilverluste

Transkript

1 Kati Jagnow 3. KAplus-Fachseminar Eckernförde,

2 Überblick Einfluss der Verteilverluste bei der Warmwasserbereitung Messwerte und Berechnung zentrale und dezentrale Systeme Vor- und Nachteile Ansätze und Probleme, Fallstricke in der Planungsphase Optimierung der Systemtemperatur Möglichkeit der Nutzung von regenerativen Energien 2

3 Verbrauchskennwerte Wasser und Energie 3

4 Pro-Kopf-Wasser-Verbrauch derzeit ca. 120 l/(p d) Tendenz leicht fallend Quelle: statista/bdew,

5 Kaltwasserverbrauch derzeit ca. 70 l/(p d) Quelle: Techem,

6 Warmwasserverbrauch derzeit ca. 31 l/(p d) Quelle: Techem,

7 Wärmeverbrauch für Warmwasser in kwh/(m²a) Energieträger Erdgas Heizöl Fernwärme Gebäude mit dezentraler Warmwasserbereitung Raumheizung Gebäude mit zentraler Warmwasserbereitung Raumheizung Werte witterungskorrigiert, heizwertbezogen, bezogen auf die Wohnfläche Warmwasser Quelle: Techem,

8 Wärmeverbrauch für Warmwasser Bereinigter Trinkwasserwärmeverbrauch aus Jahresmessdaten (Werte ab Erzeuger, bezogen auf die beheizte Fläche) 40 Bereinigter Trinkwasserwärmeverbrauch aus Jahresmessdaten (Werte ab Erzeuger, bezogen auf die Personenzahl) 1800 Trinkwasserwärmeverbrauch, in [kwh/(m²a)] alle EFH (35) EFH ohne Zirkulation (14) EFH mit Zirkulation (21) alle MFH (22) Trinkwasserwärmeverbrauch, in [kwh/(person a)] EFH alle (31) EFH ohne Zirkulation (13) EFH mit Zirkulation (18) MFH mit Zirkulation (21) Quelle: Optimus, 2006 Gebäude Gebäude 8

9 2 typische Beispiele Nutzung der Endenergie Gas zur WW-Bereitung (QTW ) % 998 1% % % Qw,Nutz QW,d QW,s QW,g ; % Nutzung der vom NW-Netz zur WW- Bereitung ins Gebäude eingebrachten Energie (QTW ) 5% ;6514 0% ;0 ; % Qtw Qs,TW Qd,TW Qg,TW Quelle: eigene 9

10 Auswerteverfahren 10

11 Messung von Verbrauchsdaten zur Detailanalyse T H P W P H W T Primärzähler (Gas, Wärme, Heizstrom) Wärmemengenzähler für Heizung Wärmemengenzähler für Trinkwarmwasser Außentemperatur sinnvoll ist eine monatliche oder wöchentliche Erfassung 11

12 Pflegeheim, Wärme vor Sanierung Zeitabhängige Auftragung Elm 1+2, Wärme Gesamt - vor Sanierung Messpunkte Polynomisch (Messpunkte) Leistung aus Verbrauch, in kw Feb. 07 Mrz. 07 Apr. 07 Mai. 07 Jun. 07 Jul. 07 Aug. 07 Sep. 07 Okt. 07 Nov. 07 Dez. 07 Jan. 08 Feb. 08 Zeitverlauf Quelle: eigene 12

13 Pflegeheim, Wärme vor Sanierung Temperaturabhängige Auftragung Energieanalyse aus dem Verbrauch Elm 1+2, Wärme Gesamt - vor Sanierung Messpunkte Winterleistung Sommerleistung Steigung H = 2,93 kw/k Leistung aus Verbrauch, in kw Grundleistung 14,43 kw Heizgrenze 15,4 C Außentem peratur, in C Quelle: eigene 13

14 Pflegeheim, Wärme vor Sanierung sortierte Leistungen = Jahresdauerlinie Jahresdauerlinie Leistungsbedarf Leistung, in kw Überführung der EAV in eine Dauerlinie mit einer Häufigkeitsverteilung einzelner Außentemperaturen EXCEL Tage Quelle: eigene 14

15 Systemvarianten Verteilung 15

16 Netztypen Trinkwarmwasser R T - Steigestrangtyp- - Ebenentyp- - Dezentrale Versorgungeine Verteilebene waagerecht (mit Zirkulation) mehrere Steigestränge (mit Zirkulation) Anbindung vom Steigestrang kurz typisch bei übereinander liegenden (gleichen) Einheiten S mehrere Verteilebenen waagerecht (mit Zirkulation) ein Steigestrang (mit Zirkulation) Anbindung von der Verteilebene kurz typisch bei versetzt liegenden (unterschiedlichen) Einheiten ggf. auch ohne Zirkulation in kleinen Gebäuden keine Verteilebene kein Steigestrang Anbindung kurz 16

17 Art des Versorgung Quelle: Schüßler,

18 Anordnung der Trinkwarmwasserleitungen Quelle: Schüßler,

19 Leitungslängen 19

20 Leitungslängen: zentrales Netz (Steigestrangtyp) Netz R Steigestrangtyp (I) Leitungslänge Summe, in m NGF, in m² Legende: Gruppe 1: Wohnen Gruppe 2: Büro Gruppe 3: Hörsaal Gruppe 4: Sport Quelle: eigene für BBSR 20

21 Leitungslängen: dezentrales Netz Netz dezentral T (II) Leitungslänge Summe, in m NGF, in m² Legende: Gruppe 1: Wohnen Gruppe 2d: Praxen Gruppe 3d: Schule Gruppe 4d: Restaurant Quelle: eigene für BBSR 21

22 Formeln für den Wohnungsbau Einzelkennwerte Typ Verteilung Steigestränge Anbindeleitungen I (zen) 0,11 m [A NGF,Geschoss / m²] 1,24 0,005 m [A NGF / m²] 1,38 0,09 m [A NGF / m²] 1,00 II (zen) 0,035 m [A NGF,Geschoss / m²] 1,50 0,36 m [A NGF / m²] 0,58 0,09 m [A NGF / m²] 1,00 III (dez) 0,09 m [A NGF / m²] 1,00 Gesamtkennwerte V. 30 % I-Netz (Steigestrangtyp) II-Netz (Ebenentyp) 0,44 m [A 0,21 m [A NGF /m²] 1,09 NGF /m²] 0,98 S: 35 % A: 35 % V. 66 % S: 2 % A: 32 % 22

23 Visualisierung: Leitungen im Unbeheizten Typische Verlegedichte von Leitungen Warmwassernetze, Leitungen im unbeheizten Bereich 0,50 zentral mit Zirkulation Steigestrangtyp zentral mit Zirkulation Ebenentyp 0,45 Leitungslänge je Wohnfläche, in [m/m²] 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 2 x 2 2 x 3 2 x 4 4 x 3 4 x 4 6 x 8 6 x 4 2x2_300m² 2x3_450m² 2x4_600m² 4x3_900m² 4x4_1200m² 6x4_1800m² 6x8_3600m² Quelle: eigene Gebäudetyp 23

24 Visualisierung: Leitungen im Beheizten Typische Verlegedichte von Leitungen Warmwassernetze, Leitungen im beheizten Bereich 0,50 0,45 zentral mit Zirkulation Steigestrangtyp zentral mit Zirkulation Ebenentyp wohnungsweise ohne Zirkulation dezentral ohne Zirkulation 0,40 2 x 2 2 x 3 2 x 4 4 x 3 4 x 4 6 x 8 6 x 4 Leitungslänge je Wohnfläche, in [m/m²] 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 * entspricht den Stichleitungen bei den zentralen Leitungsnetzen 2x2_300m² 2x3_450m² 2x4_600m² 4x3_900m² 4x4_1200m² 6x4_1800m² 6x8_3600m² Gebäudetyp Quelle: eigene 24

25 Verlegedichte Typische Verlegedichte von Leitungen Warmwassernetze, alle Leitungen Leitungslänge je Wohnfläche, in [m/m²] 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 zentral mit Zirkulation Steigestrangtyp zentral mit Zirkulation Ebenentyp wohnungsweise ohne Zirkulation dezentral ohne Zirkulation 2 x 2 2 x 3 2 x 4 4 x 3 4 x 4 6 x 8 6 x 4 0,25 0,30 m/m² 0,05 0,00 2x2_300m² 2x3_450m² 2x4_600m² 4x3_900m² 4x4_1200m² 6x4_1800m² 6x8_3600m² Gebäudetyp Quelle: eigene 25

26 Dämmung 26

27 Dämmanforderungen für Leitungen im Gebäude s ½ d d s d d ungedämmt 0 % halbe Dämmung ca. 50 % bzw. 6 mm einfache Dämmung ca. 100 % absperrbare Leitungen innerhalb einer Nutzeinheit Stichleitungen TWW (bis 3 l Inhalt) im beh. Bereich Leitungen im Estrich, in Wänden verschiedener Nutzer Kreuzungsbereiche von Leitungen Leitungen in unbeheizten Bereichen Zirkulationsleitungen und nicht absperrbare Leitungen im beheizten Bereich 27

28 Dämmung von Kaltwasserleitungen nach DIN 1988 und Warmwasser/Zirkulations/Heizleitungen nach EnEV warm kalt 28

29 Dämmung von TWW-Leitungen nach EnEV (detaillierter) 29

30 Wärmeverluste 30

31 Temperaturdifferenz Rohr - Umgebung, in K Keller Trinkwarmwassertemperatur, in C Zirkulierende Leitung, Zirkulationsdauer beheizter Bereich /d 24 h /d 18 h Leitungsart selten 20 Stichleitung, Nutzungsfrequenz typisch 60 kwh/(m a) 1,4 1,3 1,2 35 ig uffig häu 3. Anordnung der Leitung Ergebnis: längenbezogener Wärmeverlust, in kwh/(m a) 1,4 0% 1,3 1, ,1 1,0 0,9 1,1 1,0 0, ,8 0,7 0,6 0,8 5. Dämmqualität des Rohres 100 0,5 0, % ,3 0,5 0,4 50% 0,3 100% 200% ,2 0,1 0,7 0,6 U-Wert des Rohres, in W/mK U-Wert des Rohres, in W/mK 70 Quelle: eigene mittlere Medientemperatur, in C 65 5 mittlere Medientemperatur, in C Verlustkennwerte ,2 0,1 0,0 0, Temperaturdifferenz Rohr - Umgebung, in K DN, in mm

32 Problemfall? Bad, ca. 12 m² Grundfläche Leitungen: DN ca m gedämmt 100 % 3 m ungedämmt 24 h/d Zirkulation Welcher Verlustkennwert 32

33 Systemvarianten Speicherung 33

34 Systemüberblick zentral dezentral allgemein Durchlaufprinzip Frischwasserstation Durchlauferhitzer (Gas, Strom) große Leistung erforderlich, geringe Wärmeverluste Speicherprinzip indirekt beheizter Speicher, direkt beheizter Gasspeicher direkt beheizter Gasspeicher, Elektrospeicher kleine Leistung erforderlich, größere Wärmeverluste 34

35 Warmwasserbereitung mit Speicher Elektrokleinspeicher (8 l) zentraler Elektrospeicher indirekt beheizter Trinkwarmwasserspeicher gasbeheizter Trinkwarmwasserspeicher 35

36 Indirekt beheizte Speicher bivalent und monovalent indirekt beheizter Speicher (stehende Ausführung) indirekt beheizter Speicher (liegende Ausführung, untergebaut) 36

37 Indirekt beheizter zentraler Speicher Wärmeübertrager Temperaturfühler indirekt beheizt Neubaustandard! 37

38 Warmwasserbereitung im Durchlauf Durchlaufwassererwärmung mit Wärmeübertrager (36-Familienhaus, je ca. 80 kw Leistung) Elektro- Durchlauferhitzer Gasdurchlaufwassererwärmer 38

39 Problematik der Zirkulation in vereinfachter Darstellung tww 65 C tv tr twwz 60 C tv,sol tr,sol tkw 10 C Zirkulationsverluste können zu großen Teilen nur durch den 2. Wärmeerzeuger gedeckt werden es ist hier nicht nur die Energiemenge, sondern die Temperatur entscheidend! 39

40 Leistung 40

41 Zusammenhang von Speichervolumen und Leistung Leistung für die Trinkwassererwärmung 1000 Leistung, in kw Durchlaufprinzip Kessel mit Speicher 2000 Wärmepumpe mit Speicher Speichervolumen, in l (10) (20) 1000 (30) 1500 (40) (50) Fläche, in m² (bzw. Personen) 2000 (60) ermittelt mit DIN

42 (Überschlägige) Bemessung von Trinkwasserspeichern für Kleinanlagen Erzeuger alle Kessel Ansatz nach DIN 4708, mit 0,5 1 h Ladezeit überschlägig: 30 l/person Wärmepumpe, BHKW TWW-Speicher mit Solaranschluss nach DIN 4708, mit 2 3 h Ladezeit überschlägig: 45 l/person l / m² Kollektor, aber mindestens so groß wie oben berechnet 42

43 (Überschlägige) Festlegung der Erzeugerleistung für Kleinanlagen Erzeuger Ansatz Systeme ohne TWW-Speicher nach Heizlast, aber für EFH mindestens 20 kw alle Kessel größerer Wert aus Heizlast und TWW-Speicherladeleistung (berechnet mit 0,5 1 h Ladezeit) V [in m³] 58 kwh Q z [in h] m³ Wärmepumpe, BHKW größerer Wert aus Heizlast und TWW-Speicherladeleistung (berechnet mit 2 3 h Ladezeit) alle Kombinationen mit Solarthermie nur auf Basis der Heizlast (Grund: der Speicher ist i. d. R. sehr groß, es besteht kein Grund zum Schnellaufladen, da genug Vorrat vorhanden ist.) 43

44 Quelle: Daten Solvis, Auswertung eigene Sonderfälle jenseits des Wohnbaus: Messung von Verbrauchskurven 44

45 Sonderfälle jenseits des Wohnbaus: Spitzenzapfmengen Spitzenzapfmengen, flächenbezogen normale Pflege 9,0% Intensivpflege 8,0% 7,0% 6,0% 5,0% y = 4,7515x -0,7315 R2 = 0,9609 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% Quelle: eigene Anteil Spitzenminute am Tagesbedarf 10,0% 0,0% beheizte Fläche, in m ² 45

46 Optimierungsansätze 46

47 Optimierungsansätze zur Verminderung der Verteilverluste Q d URohr LRohr ( i,rohr a,rohr ) t Zirkulationszeit, Intervallschaltung Verlegeort optimierte Übertrager, dezentrale Nachheizung optimierte Grundrisse, passende Netzart Zweileiternetz, Elektrobegleitheizung, Rohr in Rohr 47

48 Optimierungsansätze zur Verminderung der Verteilverluste U 1 da dm 1 1 ln ln di 2 Dä dm a da 2 Rohr unbelüftete Schächte di, dm, da αa 8 10 W/m²K größere Dämmdicke bessere Wärmedämmmaterialien passende Dimensionierung, ggf. kleinere Durchmesser 48

49 Verlegedichte von TWW-Leitungen und Konsequenzen ungünstig: lange flache Baukörper 0,38 m/m² günstig: kompakte, hohe Baukörper 0,14 m/m² im Beispiel links ergeben sich gemessen für 2011: 19 kwh/(m²a) Zirkulationsverlust bei 12 kwh/(m²a) Warmwassernutzen selbst mit Solarthermie (hier 34 % Deckungsanteil) und einem üblichen Kessel (88 % brennwertbezogener Nutzungsgrad) rückt elektrische Versorgung in den Fokus der Überlegungen 49

50 Quelle: IKZ, 2001 & Viega, 2014 Rohr- in Rohr-Zirkulation 50

51 elektrische Begleitheizung 51

52 Zweileiternetz mit Wohnungsübergabestation 2K BW 52

53 Quelle: Delta, HEA, 2015 Wohnungsübergabestation mit lokaler Nacherwärmung 53

54 Leistungsminderung durch geregelte Heiznetztemperatur Quelle: DBU Neuerkerode, 2014 vergleichbares Beispiel: kalte Nahwärme 54

55 verminderte Verteilverluste durch geregelte Heiznetztemperatur Quelle: DBU Neuerkerode, 2014 vergleichbares Beispiel: kalte Nahwärme 55

56 Regel für Einsatz von Zirkulationsleitungen Bei einem Rohrleitungsinhalt mit mehr als 3 Liter Volumen zwischen dem Abgang des Warmwasser-Speichers und der entferntesten bzw. ungünstigsten Entnahmestelle sind Zirkulationssysteme zu installieren heißt beispielsweise für Kupferrohre: DN 10 DN 12 DN 15 DN 20 DN 25 DN 32 Durchmesser außen innen 12 mm 10 mm 15 mm 13 mm 18 mm 16 mm 22 mm 20 mm 28 mm 25 mm 35 mm 32 mm Wasserinhalt Liter/m 0,079 0,133 0,201 0,314 0,491 0,804 maximale Leitungslänge m

57 Quelle: Rennergy PV Heiz, 2015 PV mit Gleichstromheizung 57

58 PV Batteriespeicher üblich für EFH bzw. eine Wohneinheit ist ein Tagesspeicher ausgeführt als Li-Ionen-Batterie ca kwh Speichervermögen Kosten derzeit ca Quelle: Bine,

59 Fazit 59

60 Systemvergleich Trinkwarmwasser 60

61 Systemvergleich Heizung 61

62 Literatur und Links Internet Wärmenetze Normen/Richtlinien: VDI 2067, VDI 3807 DIN V , , Fachliteratur: Energiepass Hessen / LEG 62