w.w.klick Warmwasser auf Abruf Beitrag zum Wettbewerb Schüler experimentieren im Fachgebiet Technik von Andreas Haller Klasse 6b Priv. Realschule St. Matthias Prümer Straße 54634 Bitburg Seite 1
Gliederung Seite I Einleitung Wie ich zum Thema kam und was ich mit meiner Arbeit zeigen möchte 3 Wie funktioniert die Warmwasserversorgung? 4 II Vorgehensweise Bereitstellung von Warmwasser Ansatzpunkte zur Optimierung durch w.w.klick 9 Warmwasser auf Abruf Der Einbau von w.w.klick 10 Das Einstellen der Zirkulationspumpe 11 Energiebedarf Kosteneinsparung - Wirtschaftlichkeit 12 III Fazit Erkenntnisse aus meiner Arbeit 13 Seite 2
Wie ich zum Thema kam und was ich mit meiner Arbeit zeigen möchte In dem Treppenhaus meiner Großmutter befinden sich mehrere Wippschalter über den gesamten Treppen- und Eingangsbereich verteilt, die nach Betätigung die Lampen im Treppenhaus zwei Minuten brennen lassen und dann automatisch abschalten. Die Zeit wird mithilfe eines Zeitschalters im Sicherungskasten kontrolliert. Diese Systematik kann man sich auch in einem anderen Zusammenhang zu Nutze machen: Alle aus meiner Familie ärgern sich darüber, dass bei Abruf von Warmwasser zuerst eine Menge kaltes Wasser nutzlos herausfließt, bis endlich das warme Wasser verfügbar ist. Somit war meine Idee, an jeder Zapfstelle des Hauses einen Schalter anzubringen, womit zukünftig die Verschwendung von kaltem Wasser vermieden werden soll, geboren. Nun musste nur noch mein Vater einverstanden sein, dann stand dem Projekt nichts mehr im Wege. Zu Anfang war er etwas skeptisch, was meine Idee betraf, denn die musste zunächst einmal umgesetzt werden undenkbar ohne detaillierten Bauplan. Es gab so viel zu beachten: zunächst musste ein Stromkreislauf hergestellt werden, der die Wippschalter, den Zeitschaltautomat und die Umwälzpumpe miteinander verbindet. Der Wasserkreislauf bleibt unverändert und wird durch das System aus Wippschalter, Zeitschaltautomat und Umwälzpumpe so gesteuert, dass zukünftig nach Betätigung des Wippschalters an einer beliebigen Zapfstelle unmittelbar nach Ablauf der Zirkulationszeit Warmwasser verfügbar ist. Mein System w.w.klick bringt nicht nur direkt Warmwasser auf Abruf, sondern spart zum einen das nutzlos wegfließende Kaltwasser und gleichzeitig auch Strom für die Umwälzpumpe, die nur noch auf Knopfdruck arbeitet, wenn auch tatsächlich Warmwasser benötigt wird. Seite 3
Wie funktioniert die Warmwasserversorgung? Schematischer Aufbau einer Warmwasserbereitung Bei der Installation von Anlagen zur Warmwasserbereitung unterscheidet man zwischen einer sogenannten zentralen und einer dezentralen Warmwasserbereitung. Die dezentrale Warmwasserbereitung Bei der dezentralen Warmwasserbereitung werden die Warmwassergeräte direkt an der Zapfstelle also direkt am Waschbecken, über der Badewanne oder unter der Spüle in der Küche installiert. Das Gerät kann dabei ein Durchlauferhitzer, ein Kochendwasser- oder ein kleines Speichergerät sein. Abb. 1: dezentrale Warmwasserbereitung Beispiel Durchlauferhitzer Seite 4
Die zentrale Warmwasserbereitung Bei der zentralen Warmwasserbereitung hingegen werden alle Zapfstellen eines Gebäudes oder einer Wohnung von einem Warmwasserbereiter beliefert. Der grundlegende Aufbau eines haushaltsüblichen Warmwasser-Versorgungssystems, bei dem w.w.klick eingesetzt werden kann, muss in Form einer Ringleitungsanlage mit Zirkulationspumpe aufgebaut sein. Abb. 2: Schematische Darstellung eines Zirkulationssystems mit Zirkulationspumpe Seite 5
Neben den o.g. Installationsarten kann auch die Methode der Warmwasserbereitung anders erfolgen: Sowohl bei der zentralen als auch bei der dezentralen Warmwasserbereitung gibt es zwei völlig unterschiedliche Vorgehensweisen der Wassererwärmung: den Durchlauferhitzer und das Speichersystem. Beim Durchlauferhitzer-System wird das kalte Trinkwasser erst im Bedarfsfall erwärmt, d.h. durch Öffnen des Warmwasserhahns springt der Durchlauferhitzer an. Beim Speichersystem (Speicher-Wassererwärmer) wird das erwärmte Wasser in einem gut wärmegedämmten Behälter auf einer Temperatur von ca. 60 C gehalten. Abb. 3: Warmwasserbereitung im Speichersystem mit indirekter Beheizung 1 / direkter Beheizung 1 Im Speichersystem unterscheidet man ferner zwischen der direkten Beheizung (z.b. über Gasbrenner) und indirekter Beheizung (Erwärmung über einen Wärmetauscher wird mit dem heißen Wasser aus dem Heizkessel gespeist). Seite 6
Der Wärmetauscher Abb. 4: Querschnitt eines Speicher-Wassererwärmers In dem Brauchwasserspeicher ist eine Leitung des warmem Heizwassers. Das kalte Wasser in dem Behälter wird durch das durchlaufende Heizwasser erhitzt. Im Warmwasseraustritt (AB) wird das warme Wasser an alle Zapfstellen weitergeleitet. Der Speichervor- und rücklauf (VS; RS) ist die Verbindung der Heizsysteme im Wassererwärmer. Der Kaltwassereintritt (EK) befindet sich immer unten am Gefäß. Kaltes Wasser ist schwerer als warmes Wasser. Wäre der Kaltwassereintritt oberhalb des Wasserspeichers, würde es bereits erhitztes Wasser nach unten drücken. Das warme Wasser steigt nach dem Schwerkraftsystem nach oben. Diese Wirbel kosten viel Energie. Seite 7
Die Pumpenanalyse Abb. 5: Schematische Darstellung einer Zirkulationspumpe mit Zeitschaltuhr Die Pumpe fördert durch die Drehung der Flügelräder das Wasser in eine bestimmte Richtung. Wenn die Pumpe nicht läuft, ist keine Bewegung des Wassers im Kreislauf. Wird die Pumpe in Betrieb genommen, rotieren die Flügelräder: Das Wasser wird in die Pumpe geleitet. Durch die gekrümmte Form der Flügelräder pumpt sie das Wasser durch die Rundleitung in den Wasserspeicher. Nach diesem System tauscht die Pumpe das warme Wasser im Speicher mit dem kalten Wasser in der Leitung aus. Nun steht an jeder Zapfstelle warmes Wasser bereit. Seite 8
Bereitstellung von Warmwasser Ansatzpunkte zur Optimierung durch w.w.klick Die Warmwasserbereitstellung wird üblicherweise durch eine Zeitschaltuhr gesteuert. Das Brauchwasser wird in der Regel von morgens 6.00 Uhr bis 9.00 Uhr, mittags von 11.00 Uhr 13.00 Uhr und abends von 19.00 Uhr 22.00 Uhr bereitgestellt, also acht Stunden täglich. Diese Pumpenlaufzeit von acht Stunden täglich, die auch einen entsprechenden Stromverbrauch mit sich bringen, sind meiner Meinung nach eine Energieverschwendung, die ich ändern möchte. Als Nebeneffekt ist der Wärmeverlust durch Abstrahlungswärme der Warmwasserleitungen anzuführen. Gehen wir davon aus, dass morgens in einem 3-Personenhaushalt wie bei uns jeder etwa 5 Minuten ausgiebig duscht (effektiver Zeitraum des Wasserkonsums = 3 x 5 min. =15 min.). Für den Abwasch benötigen wir auch noch 3x täglich etwa 5 Minuten Warmwasser. Beim Kochen (Gemüse/Salat putzen) wird auch noch mehrmals Warmwasser benötigt, so dass täglich etwa eine Stunde Warmwasser abgenommen wird. Somit läuft die Umwälzpumpe mindestens 7 Stunden ohne direkten Nutzen und verbraucht entsprechend Strom. Benötigt man jedoch außerhalb der o.g. Laufzeiten Warmwasser, so fließt aus dem Wasserleitungssystem des Hauses zunächst das in der Leitung befindliche kalte Wasser nutzlos heraus, bis das Warmwasser aus dem Speicher-Wassererwärmer durch den Leitungsdruck nachfließt. Diese sinnlose Wasserverschwendung wird durch meine Erfindung w.w.klick ab sofort passé sein. Ebenso optimiere ich den Stromverbrauch, da die Pumpenlaufzeit nur nach Bedarf, d.h. durch Betätigung des Wippschalters anfällt und somit unmittelbar Warmwasser ohne den Verlust des kalten Wassers zur Verfügung steht. Seite 9
Warmwasser auf Abruf Der Einbau von w.w.klick Das im Haus vorhandene Warmwasser-Leitungssystem wird durch den Einbau der Wippschalteranlage für w.w.klick nicht verändert. Es wird ein zusätzlicher Stromkreislauf geschaffen, der eine Zeitschaltuhr, die Wippschalter an den Wasserzapfstellen und die Umwälzpumpe am Rücklauf des Speicher-Wassererwärmers miteinander verbindet. Somit wird gewährleistet, dass sich die Umwälzpumpe nur nach Betätigung eines beliebigen Wippschalters einschaltet. Bis im Wasserkreislauf das in der Leitung befindliche kalte Wasser durch Warmwasser ausgetauscht wird, muss an der Zapfstelle eine kurze Zeit gewartet werden. Wie ermittelt sich aber diese Wartezeit genau? Eine Pumpe pumpt das Wasser ca. 40 50 m pro Minute in der Rundleitung. Die Rundleitung in unserem Haus misst ca. 30 m, d. h. für einen kompletten Wasseraustausch (kaltes Wasser gegen warmes Wasser) beträgt die Wartezeit nach Betätigen des Wippschalters etwa 30 Sekunden. Die alte Zeitschaltuhr der Umwälzpumpe aus der ursprünglichen Installation wird außer Betrieb gesetzt, d.h. der Netzstecker wird gezogen, so dass kein Strom mehr fließt. An den Warmwasserzapfstellen wird jeweils ein Wippschalter zum Einschalten eingebaut. Diese werden - wie in einer Treppenhausbeleuchtung - mit einem Zeitschaltautomaten im Stromverteilerkasten verbunden. Der Zeitschalter wird an die Umwälzpumpe im Brauchwasserkreislauf angeschlossen. Die Zeitschaltuhr wird je nach Zuleitungslänge eingestellt, so dass die Pumpe genug Zeit hat, um das kalte Wasser in der Leitung durch warmes Wasser auszutauschen. Die Laufzeit der Pumpe muss mindestens so lange dauern, bis ein kompletter Wasseraustausch erfolgt ist. Ist die im Zeitschaltautomaten eingestellte Zeit abgelaufen, schaltet sich die Pumpe automatisch ab. Wird über eigentlichen Pumpvorgang weiteres Warmwasser benötigt, ist das erneute Einschalten der Pumpe nicht notwendig, da das Warmwasser sich durch den Wasserdruck immer wieder an die gewünschte Zapfstelle bewegt. Durch diese Umstellung bei neuen Anlagen mit langen Warmwasserwegen lassen sich erhebliche Kosten und Ressourcen (Wasser und Strom) einsparen. Seite 10
Das Einstellen der Zirkulationspumpe Die Zirkulationspumpe stellt das warme Wasser in der Leitung bereit. Die Bereitstellung sollte möglichst genau und nur dann erfolgen, wenn warmes Wasser gebraucht wird. Das Einstellen der Pumpe ist durch Wippschalter und Steuerautomaten möglich. Die Ausschaltzeit sollte so bemessen sein, dass das warme Wasser in den Warmwasserbereiter fließt. Dann soll die Umwälzpumpe zum Stillstand kommen. Um diesen Zeitpunkt zu erreichen, schaltet man die Pumpe bei einer langen Zeitphase ein und unter Zeitkontrolle nimmt man den Rücklauf zwischen Pumpe und Behälter in die Hand. Wenn sich das Rohr stark erhitzt, ist warmes Wasser durch kaltes ausgetauscht. Die bis jetzt gemessene Zeit sollte als Umlaufzeit eingestellt werden. Da durch die baulichen Verhältnisse die Umlaufzeit sehr unterschiedlich ist, kann man sich allein auf technische Daten nicht verlassen und eine manuelle Zeitmessung wie oben beschrieben ist unumgänglich. Seite 11
Energiebedarf, Kosteneinsparung, Wirtschaftlichkeit Wie bereits zu Beginn erläutert, beträgt die herkömmliche Laufzeit der Umwälzpumpe bei normal eingestellter Schaltuhr 8 Stunden täglich. Durch Installation von w.w.klick wird diese auf maximal 1 Stunde reduziert, das entspricht einer Kostenreduzierung um 7 Stunden täglich und 2.555 Stunden pro Jahr. Ausgehend von einem stündlichen Stromverbrauch der Zirkulationspumpe von 0,1 kwh spart man pro Jahr 256 kwh, multipliziert mit einem Preis von 0,18 EUR pro kwh ergibt sich eine jährliche Stromersparnis von 46,08 EUR bei einem kleinen haushaltsüblichen Warmwassersystem 2. Somit liegt der Vorteil auf der Hand. Da der Abruf von Warmwasser immer erfolgen kann, steht auch während des Tages Warmwasser zur Verfügung. Bei normalem Schaltuhrbetrieb kühlt sich das Wasser in der Ruhezeit der Pumpe in der Leitung ab. Wenn jetzt eine Warmwasserzapfstelle geöffnet wird, wird das kalte Wasser durch das nachfließende Warmwasser bis zur Zapfstelle ausgetauscht. Das kalte Wasser fließt durch die Zapfstelle in den Abfluss, bis warmes Wasser durch den Wasserdruck nachfließt. Das Wasser ist dafür zu schade und auch zu teuer. Die Vermeidung der Wasserverschwendung des in der Leitung befindlichen kalten Wassers ist ein Punkt, den wir auch kostenmäßig betrachtet haben: In unserem Haus beträgt die Länge der Zuleitung vom Speicher-Wassererwärmer zur letzten Zapfstellen 15 m, so enthalten die Rohre bei 13 mm Innendurchmesser eine Wassermenge von 3,75 l. Geht man davon aus, das 3x täglich das in der Leitung abgekühlte Wasser ungenutzt in den Kanal fließt, so ergibt sich insgesamt eine Menge von 11,25l pro Tag, das sind 4.106 l jährlich. Der Preis für 1.000 l Trinkwasser inklusive aller Nebenkosten 3 beträgt in unserem Haushalt 4,41 EUR. Daraus errechnet sich eine jährliche Wasserersparnis von 18,11 EUR. Insgesamt ergibt sich also eine jährliche Kostenersparnis in unserem 3-Personenhaushalt von 64,19 EUR. Aus einer Broschüre der Stadtwerke Karlsruhe wird die wirtschaftliche Bedeutung des Warmwasserverbrauchs aufgezeigt. Hier heißt es, dass mit dem wachsenden Lebensstandard sich auch der Warmwasserverbrauch in den Haushalten ständig erhöht hat. Sein Anteil am gesamten Wasserverbrauch liegt oft schon bei 40 Prozent Tendenz steigend. Da jeder Bundesbürger im Durchschnitt ca. 140 Liter Trinkwasser pro Tag verbraucht, liegt der Warmwasserverbrauch bei 30 bis 60 Litern pro Person und Tag. Zur Erzeugung von warmem Wasser wird relativ viel Energie benötigt: Fast 20 Prozent der Gesamtenergiekosten eines Haushaltes entfallen heute auf die Warmwasserbereitung. Durch die richtige Wahl der Geräte und der Energie, mit der warmes Wasser erzeugt wird, kann hier noch zusätzlich Geld gespart und die Umwelt entlastet werden. Denn weniger Energieverbrauch bedeutet automatisch auch weniger Schadstoffe und damit mehr Umweltschutz. 2 Ausgehend von einem Stromverbrauch von 6.000 kwh pro Jahr ergibt sich eine Stromersparnis von 4 %. 3 Das sind neben Wassergebühren: Schmutzwassergebühren, Abwasserabgabe und Oberflächenwassergebühr Seite 12
Erkenntnisse aus meiner Arbeit Aus den oben genannten Ausführungen wird ersichtlich, dass man mit einem einfachen System wie w.w.klick bereits in normalen Haushalten sowohl Wasser- als auch Energiekosten senken lassen. Nun stellt sich die Frage, ob dieser Nutzen auch für Großanlagen gilt. Stellt man sich nun ein Krankenhaus, ein Hotel oder eine große Wohneinheit (z.b. Hochhaus) vor, so sind Einsparungen durch w.w.klick wahrscheinlich nicht möglich, da sehr oft und quasi rund um die Uhr warmes Wasser abgenommen wird. Hierdurch entfällt das Umwälzen durch eine Pumpe, da das warme Wasser durch den Wasserdruck im Leitungssystem unmittelbar zur Zapfstelle gedrückt wird und entsprechend kaltes Wasser zur Erwärmung in den Kreislauf nachfließt. Im Einfamilienhaus hingegen ist die Wasserabnahme doch sehr gering und erfolgt meist zu Stoßzeiten (morgens, mittags und abends), so dass längere Unterbrechungen in der Warmwasserabnahme erfolgen. Dies ist der Grund, weshalb ich Warmwasser auf Abruf untersucht und als Projekt gewählt habe. Zur besseren Veranschaulichung habe ich ein Modell für w.w.klick gebaut, welches ich gerne vorstelle und auch erklären kann. Seite 13