varmeco >> Dimensionierung von Frischwassersystemen Argumente 1/34 wärme.nutzen

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1 >> Dimensionierung von Frischwassersystemen 1/34 Argumente

2 > Auslegung von Speicher-Trinkwassererwärmern 2/34 >> Forderung: Angebot > Bedarf Bedarfsermittlung Angebotsermittlung Wohnungsbau: DIN > Bedarfskennzahl N DIN > Leistungskennzahl (experimentell) Produktion, Gewerbe, Krankenhäuser, Sportstätten, Hotels, Schulen: gemessene oder prognostizierte Lastverläufe nicht genormt, Hilfe über Leistungskennzahl, Dauerleistung, Gesamtbedarfsbevorratung >> Produktauswahl: vornehmlich über Tabellen und Diagramme: Angebot (Kombination Speicher + Wärmequelle) > Bedarf

3 > Auslegung von Frischwassersystemen 3/34 >> Regelwerk existiert nicht Spitzenleistung abhängig von»größe des Plattenwärmetauschers»Größe der Ladepumpe»Höhe der Speichertemperatur => relativ einfach Leistungsgang abhängig von»speichervolumen»speicherfühlerpositionierung»speicherladetemperatur»kesselleistung => relativ komplex

4 > Auslegung von Frischwassersystemen 4/34 (Also) Die Leistungsfähigkeit der Kombination Durchfluss-Trinkwassererwärmer-Pufferspeicher-Wärmeerzeuger ist»abhängig von einer Vielzahl von Parametern,»die tabellarisch nicht handhabbar ist. => Wärme- oder Kapazitätenschaubild plus Computer Masterarbeit

5 Wärmeschaubild , , , , , , , , Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] varmeco , , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Zeit [h] > Prinzip des Wärme- oder Kapazitätenschaubildes 5/34 Durch Auftragen der zu- und abgeführten Wärmemengen über der Zeit lässt sich durch graphische Differenzbildung der aktuelle Ladezustand des Speichers ermitteln. Die Steigung entspricht der zu- oder abgeführten Leistung. Mischvorgänge lassen sich durch eine Minimalkapazität berücksichtigen. Fühlerpositionen bestimmen den Beladungsvorgang. Kapazität kwh Kapazität Kapazität Kapazität Zeit WT-VL WQ-VL WT-RL WQ-RL Speicher entladen Beladung Speicher durchgeladen Entladung Speicher entladen

6 Wärmeschaubild , , , , , , , , Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] varmeco , , ,00 0 > Wärmeschaubild 6/34 Unterschiedliche Kombinationen von Kesselleistung und Speichergröße lassen sich am besten im Wärmeschaubild beurteilen. Aufbau des Wärmeschaubildes Bedarfskurve als Summenlinie aus den Bedarfskategorien (Normal, Block etc.) und diese wiederum aus den Einzelbedarfen (Dusche, Waschtisch etc.) zusammengesetzt. Wärmeschaubild Angebots- oder Leistungskurve durch die folgenden Parameter beeinflußt: , , , » Speichergröße» Kesselleistung» Speicherwassertemperatur» und Fühlerposition (Schalthysterese) , , , , , , , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Zeit [h] Angebots- oder Leistungskurve Bedarfskurve Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] Auslegungsforderung: Angebot > Bedarf Zeit [h]

7 Wärmeschaubild , , , , , , , , varmeco , , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] Zeit [h] > Wärmeschaubild - Software 7/34 Software als Auslegungshilfe Am einfachsten lässt sich die Variantenrechnung nach diesem Verfahren mit einem Computerprogramm durchführen. Fa. varmeco hat eine excelbasierte Umsetzung für ihre Produktpalette entwickelt! zum WSB

8 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 8/34 Die Auswahl des Frischwassererwärmers (FWE) erfolgt über die ermittelte Spitzenleistung nach DIN 1988 (DIN EN 806), Bei der Berechnung nach DIN 1988 muss der Betriebs- Zapfvolumenstrom des Gerätes gemäß Leistungsdiagramm für TWW= 60 C größergleich dem Spitzenvolumenstrom nach DIN 1988 sein. die Bedarfskennzahl nach DIN 4708 oder die Bedarfs- bzw. Verbrauchskurve im Wärmeschaubild.

9 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 9/34 Berechnung nach DIN 1988 In dem nebenstehenden Beispiel wird ein Spitzenvolumenstrom nach DIN 1988 von 124 l/min errechnet. Entsprechend muss der Frischwassererwärmer ausgewählt werden. Dazu werden die Leistungsdiagramme der FWE herangezogen. nächste Folie

10 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 10/34 Berechnung nach DIN 1988 Für das vorgehende Beispiel wird zur Deckung des Spitzenvolumenstroms eine 2er-Kaskade vom Typ FWE 50 gewählt. Aus dem nebenstehenden Leistungsdiagramm ist ersichtlich, dass der Spitzenvolumenstrom durch zwei parallel geschaltete Geräte abgedeckt wird. 15 Die Speicherüberhöhung beträgt 20 K, 22 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 die Rücklauftemperatur ca. 27 C. 0Zapfleistung [kw] Zapfvolumenstrom [l/min] Druck [kpa] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Zapfmassenstrom [kg/s] Primär-Massenstrom [kg/s] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Pumpenstufen Stufe3 Stufe2 Stufe1 Betriebs-Zapfvolumenstrom: 2 x 62 l/min = 124 l/min Temperaturüberhöhung = 20 K Speichertemperatur = 80 C Rücklauftemperatur ca.= 27 C 5 10 Primär-Massenstrom [kg/s] Beispiel- Netzkennlinie Kennlinie Gerätetyp FWE 50 Temperaturüberhöhung in Kelvin ,0 37,5 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 Primär-Rücklauftemperatur [ C] Nenn-Zapfvolumenstrom Mindest-Zapfvolumenstrom Maximal-Zapfvolumenstrom Zapfleistung (bei Nenn-ZVS) 42 l/min 4,2 l/min 64 l/min 150 kw Leistungskennzahl N L Trinkwarmwassertemperatur Trinkkaltwassertemperatur 22 (bei Max.-ZVS) 60 C 10 C 3 kv -Wert (TW-Seite/Sekundär) 4,06 m /h

11 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 11/34 Berechnung nach DIN 1988 Leistungsdiagramm Teil I - oben Für das vorgehende Beispiel wird zur Deckung des Spitzenvolumenstroms eine 2er-Kaskade vom Typ FWE 50 gewählt. Aus dem nebenstehenden Leistungsdiagramm ist ersichtlich, dass der Summenvolumenstrom durch zwei parallel geschaltete Geräte abgedeckt wird. Druck [kpa] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Pumpenstufen Stufe3 Stufe2 Stufe1 Primär-Massenstrom [kg/s] Beispiel- Netzkennlinie Kennlinie Gerätetyp FWE 50 Die Speicherüberhöhung beträgt 20 K, die Rücklauftemperatur ca. 27 C.

12 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 12/34 Berechnung nach DIN 1988 Für das vorgehende Beispiel wird zur Deckung des Spitzenvolumenstroms eine 2er-Kaskade vom Typ FWE 50 gewählt. Aus dem nebenstehenden Leistungsdiagramm ist ersichtlich, dass der Summenvolumenstrom durch zwei parallel geschaltete Geräte abgedeckt wird. Die Speicherüberhöhung beträgt 20 K, die Rücklauftemperatur ca. 27 C. 0Zapfleistung [kw] Zapfvolumenstrom [l/min] Leistungsdiagramm Teil II - mitte 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Zapfmassenstrom [kg/s] Temperaturüberhöhung in Kelvin

13 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 13/34 Berechnung nach DIN 1988 Für das vorgehende Beispiel wird zur Deckung des Spitzenvolumenstroms eine 2er-Kaskade vom Typ FWE 50 gewählt. Aus dem nebenstehenden Leistungsdiagramm ist ersichtlich, dass der Summenvolumenstrom durch zwei parallel geschaltete Geräte abgedeckt wird. Die Speicherüberhöhung beträgt 20 K, die Rücklauftemperatur ca. 27 C. 1,2 Leistungsdiagramm Teil III - unten 5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1, Primär-Massenstrom [kg/s] 40,0 37,5 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 Primär-Rücklauftemperatur [ C]

14 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 14/34 Berechnung nach der Bedarfskennzahl Bauvorhaben: Wohnanlage mit N= 260 TWW = 45 C Bei der Berechnung mit der Bedarfskennzahl muss die Leistungskennzahl N L des Gerätes gemäß dem Diagramm der Bedarfskennzahl N sein. Anmerkung: Die Diagramme liefern auch N L -Werte für geringere als die Normspeichertemperatur von 82 C. Speichertemperatur [C ] FWE Leistungskennzahl N L Zapfvolumenstrom [l/min] FWE 30 FWE 40 FWE 50 2er Kaskade FWE 30 2er Kaskade FWE 40 2er Kaskade FWE 50 3er Kaskade FWE 40 3er Kaskade FWE Zapfvolumenstrom [l/min] Leistungskennzahl N L er Kaskade FWE nächste Folie

15 > Komponentenauswahl: Frischwassererwärmer 15/34 Berechnung nach der Verbrauchs- oder Bedarfskurve Bei der Berechnung mit der Verbrauchs- oder Bedarfskurve muss die Zapfleistung gemäß Leistungsdiagramm der Spitzenleistung sein. Die größte Leistung entspricht der größten Steigung der Summenlinie im Wärmeschaubild Leistung: Q= 288 kwh/1h Q= 288 kw Zapfvolumenstrom: V= Q/(cp* ϑ) = 122 l/min 288 kwh 1 h

16 ρ 2 prohr = Σς u w = Rl + 2 z varmeco > Komponentenauswahl - Druckverlustberechnung 16/34 Primär-/Heizungsseite Ist der Primärkreis des Frischwassererwärmers weitläufig, so empfiehlt sich eine genauere Berechnung der Druckverluste. Denn neben den Temperaturverhältnissen ist die Maximalleistung der Frischwassererwärmer auch vom Primärvolumenstrom abhängig, den die geräteinterne Pumpe gegen die Druckverluste des Primärkreises fördern kann. Hierzu ist mit Hilfe der Gerätekennlinie im Leistungsdiagramm die Netzkennlinie für das geplante Vorhaben konkret zu bestimmen. Sekundär-/TWW-Seite Die Berechnung der TWW-Seite erfolgt nach den üblichen Verfahren der DIN Zur Berücksichtigung der FWE sind die entsprechenden kv-werte heranzuziehen. (Planungshandbuch Seite 41) Forschungsprojekt FH-Münster

17 > Auslegungsbeispiele 17/34 Bedarfsprofil mit konstanter Leistung , ,00 Wärmeschaubild , Bedarfsprofil Hotelbetrieb Bedarfsprofil Mehrfamilienhaus , , , , , , , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] Zeit [h]

18 > Auslegungsbeispiel 1 18/34 Bedarfsprofil mit konstanter Leistung ,00 Entnahme einer Wärmemenge von 50 kwh bei konstanter Leistung über einen Zeitraum von 6 h , , , , , , , ,00 Wärmeschaubild , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] Zeit [h] Zum WSB

19 > Auslegungsbeispiel 2 19/34 Bedarfsprofil Hotelbetrieb Nr. Uhrzeit Verbraucher Warmwasserverbrauch l 1 06:30-07:30 10 Duschen 2x10x50 = :30-07:30 10 Waschbecken 2x10x10 = 200 Warmwasser- Temperatur C Wärmemenge kwh 40 34,8 35 5,8 3 08:00-11:00 Küche ,0 4 11:00-12:00 Küche ,0 5 17:30-19:30 Küche ,0 6 19:30-22:30 Küche ,0 7 20:00-23:00 10 Waschbecken 2x10x10 = ,8 Zum WSB

20 > Auslegungsbeispiel 3 20/34 Bedarfsprofil Mehrfamilienhaus Bedarfskennzahl N = 50 nach DIN , ,00 Wärmeschaubild , , , , , , , Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] , ,00 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 Zeit [h] Zum WSB

21 > Flußdiagramm 21/34 I. Bedarfsermittlung Nutzungsart wählen Wohngebäude Hotelbetriebe Krankenhäuser (nur Bettenstation) Schulen (Sportstätten) Industriebetriebe, Produktionsstätte Normierte Verteilung (statistisch) Bedarfskennzahl berechnen (DIN 4708) Normalverteilung (statistisch) Wähle Zapfstellenart Zapfstellenanzahl Zapfvorgänge pro Zapfst. Zeitpunkt Bedarfszeitraum Überprüfe (nur optional) mit DIN 1988 Zeitliche Verteilung wählen (statistisch) anderweitge Verteilung (manuell) Wähle Zapfstellenart Zapfstellenanzahl Zeitpunkt oder Wärmemenge Zeitpunkt Dauer Bedarfsermittlung im Wärmeschaubild

22 > Flußdiagramm 22/34 II. Angebotsermittlung Bedarfsermittlung im Wärmeschaubild Auswahl Speicher und Kesselleistung Auswahl FWE Summenlinie Spitzenwärmelast Wähle Speichervolumen (WW- Bereitschaftsvolumen WW-Bereitschaftsvolumen Standardfühlerpositionen? Wähle Fühlerposition Wähle Speichertemperatur FWE -Typ OK? nein Mindest-Kesselleistung OK? nein Ende Ende

23 Forschungsprojekt Validierung des Dimensionierungsverfahrens 23/34 In Zusammenarbeit mit der FH-Münster im Rahmen einer Masterarbeit Ziel Überprüfung des Dimensionierungsverfahrens Leistungsfähigkeit Dauerleistung Nachladedauer Leistungskennzahl N L Temperaturstabilität

24 Forschungsprojekt Validierung des Dimensionierungsverfahrens 24/34 Temperatur [ C] Wärmeschaubild freies Profil - 15 Duschvorgänge Vergleich Berechnung zur Messung MR3 Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] Messung 70 Differenz Messung-Berechnung: 5 min Differenz Messung-Berechnung: 3 min Freie Profil 60 Einbruch TWW < 45 C Einbruch TWW < 45 C Duschvorgängen TWW = 45 C 15 min Wh wechselnde Durchflüssen von 10 l/min bis 50 l/min Speicherbeladung mit 77 C Nachladeleistung 28,7 kw Gesamtwärmebedarf Wärmeangebot Unterdeckung Gesamtwärmebedarf Q (TWW) [Wh] gemessen Wärmeangebot Q (WQ-HZ) [Wh] -gemessen TWW-SF07 Fühler-Ein-Position 94 % v.u l/min 50 l/min V (TWW-Freies Profil) [l/min] 50 l/min 40 l/min 40 l/min 40 Fühler-Aus-Position 80 % v.u l/min 20 l/min 30 l/min 20 l/min 20 l/min l/min 29 min 45 min 10 l/min 10 l/min 29 min 45 min 29 min 10 l/min 0 13:16:52 13:26:52 13:36:52 13:46:52 13:56:52 14:06:54 14:17:02 14:27:02 14:37:02 14:47:02 14:57:02 15:07:02 15:17:06 15:27:06 15:37:06 15:47:06 15:57:06 16:07:06 16:17:06 16:27:06 16:37:18 16:47:18 16:57:22 13,28 13,45 13,62 13,78 13,95 14,12 14,28 14,45 14,62 14,78 14,95 15,12 15,28 15,45 15,62 15,78 15,95 16,12 16,28 16,45 16,62 16,78 16,95

25 Forschungsprojekt Validierung des Dimensionierungsverfahrens 25/34 Ergebnis: Sehr gute Übereinstimmung Temperatur [ C] Wärmebedarf - Wärmeangebot [Wh] 70 Differenz Messung-Berechnung: 5 min Differenz Messung-Berechnung: 3 min Einbruch TWW < 45 C Einbruch TWW < 45 C min Wh TWW = 45 C ,28 13,45 13,62 13,78 13,95 14,12 14,28 14,45 14,62 14,78 14,95 15,12 15,28 15,45 15,62 15,78 15,95 16,12 16,28 16,45 16,62 16,78 16,95 Gesamtwärmebedarf Wärmeangebot Unterdeckung Gesamtwärmebedarf Q (TWW) [Wh] gemessen Wärmeangebot Q (WQ-HZ) [Wh] -gemessen TWW-SF07

26 > Hygiene und Frischwassertechnik 26/34 Untersuchung von 4 Musteranlagen zur zentralen TWW: Im Rahmen einer großen Baumaßnahme wurde im Auftrag des Bundesverteidigungsministeriums 4 verschiedene TWW-Anlagen errichtet. In den Unterkunftsgebäuden der Fliegerkaserne Cochem-Brauheck wurden die Anlagen von 1997 bis 2002 vom LBB-Rheinland-Pfalz errichtet und anschließend untersucht. Diese Untersuchungen wurden durchgeführt im Auftrag des Bundesverteidigungsministeriums, und in Zusammenarbeit u.a. mit dem Hygieneinstitut der Universität Bonn.

27 > Hygiene und Frischwassertechnik 27/34 Die 4 Musteranlagen zur zentralen TWW: Anlage 1: Speicher-Wassererwärmer (Wärmespeicherung im Trinkwasser) 2x400l mit Rohrbündel-Wärmetauscher, TWW: 60/55 C Anlage 2: Durchfluss-Wassererwärmer (Wärmespeicherung im Heizwasser) TWE als Plattenwärmetauscher, TWW: 60/55 C Anlage 3: Durchfluss-Wassererwärmer (Wärmespeicherung im Heizwasser) zentrale Mischeinrichtung, TWW-Netz: 38/33 C Anlage 4: Speicher-Ladesystem (Wärmespeicherung im Trinkwasser) TW-Speicher mit externen PWT, TWW: 60/55 C

28 > Hygiene und Frischwassertechnik 28/34 Ergebnisse der Untersuchung: Musteranlage 2 erzielte die besten Resultate Bei dem System waren am Ende der Untersuchung keine Legionellen nachweisbar

29 >>Zusammenfassung der Vorteile 29/34 Hygiene-Aspekte: Hygieneproblem reduziert sich auf das Verteilsystem Extrem schneller Wasseraustauch (Stichwort Wasser muss fließen) Extreme Reduzierung des Trinkwasserinhalts der Anlage (günstig bei Desinfektionen!) Chemische und thermische Desinfektionen beschränken sich auf das Verteilsystem Plattenwärmetauscher auch in Volledelstahl für Problemwasser lieferbar

30 >>Zusammenfassung der Vorteile 30/34 Pufferspeichereinsatz (und nicht TWW-Speicher) Dimensionierung des Speichers hygienisch unproblematisch Multifunktionale Nutzungsmöglichkeit des Speichers Materialwahl des Speichers unkritisch Temperaturniveau im Speicher unkritisch Sanierung: Abgängige TW-Speicher können unkritisch als Pufferspeicher wiederverwendet werden

31 >> Zusammenfassung der Vorteile 31/34 Energetische-Aspekte: Schichtende Beladung des Speichers möglich Gezielte Temperaturschichtung Temperaturen über 60 C möglich Schnell verwertbares Temperaturniveau Häufigkeit des Nachladens wird reduziert Nutzungsgrad von Brennwert-, Fernwärme-, und Solartechnik durch niedrigste Rücklauftemperaturen Geringste Verkalkungsgefahr im TWW- Plattenwärmetauscher

32 >> Zusammenfassung der Vorteile 32/34 Regelungstechnische-Aspekte: Kaskadenbauweise mit Rotationsbetrieb und automatischer Störumschaltung Eigen-Redundanz der Anlagen bei Kaskaden-Einsatz. Regelung nach neuronalem Netzwerk- Verfahren Temperaturregelung im Zapf- und Zirkulationsbetrieb im Millisekundenbereich eingestellt und über das Neuronale Netzwerk selbstlernend angepasst.

33 > Fazit 33/34 Warum sind FWE Systeme immer stärker im Kommen: Regelgüte Kosten (früher), Systeme nähern sich immer mehr an; Hygienebedingt werden Speicher-Wassererwärmer immer kostenintensiver Zuverlässigkeit bei der Dimensionierung => Regelgüte, Kostengleichheit, Dimensionierungssicherheit war früher nicht gegeben. Hygiene- und energetische Vorteile Leistungsbereich (Kaskadierung)

34 Nächster Programmpunkt 34/34 Einführung in die Frischwassertechnik Dimensionierung von Frischwassersystemen Anlagenbeispiele