TGA Sanitärtechnik

TGA Ausgabe 11-2012
ThermoSystem KTS

Durchflusssysteme bieten maximale Trinkwasserhygiene

Abb. 1 Verkrustungen und schlammige Ablagerungen in einem zu lange nicht gewarteten Speicher-Trinkwassererwärmer. (Quelle: Kemper)
Abb. 1 Verkrustungen und schlammige Ablagerungen in einem zu lange nicht gewarteten Speicher-Trinkwassererwärmer.

Die Speicherung von großen Mengen Trinkwarmwasser ist für die Sicherstellung der Hygiene nicht (mehr) zielführend. Das gerade aktualisierte Regelwerk fordert darum, dass die zur Trinkwarmwasserversorgung notwendige Energiespeicherung auf der Heizungsseite erfolgen soll. Um nicht neue Probleme zu schaffen, müssen TGA/SHK-Planer bei der Systemauswahl die Skalierbarkeit, die Regelfähigkeit, die Temperaturkonstanz, die Möglichkeit der thermischen Desinfektion, die Energieeffizienz und den Schutz vor einer problematischen Kalkausfällung beachten.

Zur Versorgung mit warmem Trinkwasser gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die Bereitstellung kann dabei dezentral oder zentral erfolgen. Bei der zentralen Trinkwasser­erwärmung kann es sich um ein Speicher- oder ein Durchflusssystem handeln. Wird eine Kombination aus beiden Systemen realisiert, spricht man von einem Speicherladesystem. Unabhängig davon, welches System zur Trinkwassererwärmung eingesetzt wird, gilt grundsätzlich bei der Planung, dass Trinkwassererwärmer so klein wie möglich und nur so groß wie nötig ausgelegt werden müssen. Sicherheitszuschläge können sich negativ auf die Trinkwasserhygiene auswirken.

Speicher-Trinkwassererwärmer

Speicher-Trinkwassererwärmer halten jederzeit eine große Menge an erwärmtem Trinkwasser vor, um es dem Verbraucher bei Bedarf an der Entnahmestelle zur Verfügung zu stellen. Die Speicher werden dabei so ausgelegt, dass der mögliche Spitzenbedarf an erwärmtem Trinkwasser verfügbar ist. Das gesamte vorgehaltene Wasservolumen wird täglich jedoch nach den normativen Annahmen nur für ein kurzes Zeitintervall benötigt. Da Beschwerden über eine mangelhafte Trinkwarmwasserversorgung gemessen an der Verbreitung solcher Systeme und ihrer 365-Tage-Bereitschaft äußerst selten sind, darf man davon ausgehen, dass der tatsächliche Spitzenbedarf fast immer niedriger als von den eingebauten Anlagen ist.

Dies hat zur Folge, dass die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers sehr lang ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass durchschnittliche Aufenthaltszeiten von 12 bis 24 h in mittelgroßen und großen Objekten üblich sind. Ist die Anlage zur Trinkwassererwärmung überdimensioniert, kann die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers im Speicher durchaus mehrere Tage betragen. Um eine hohe Trinkwasserqualität an der Entnahmearmatur zur Verfügung zu stellen, sind aus hygienischer Sicht jedoch geringe Aufenthaltszeiten des Trinkwassers im Gebäude anzustreben. Da sich während der gesamten Nutzungszeit eines Gebäudes der Trinkwarmwasserbedarf deutlich ändern kann, ist dieses Ziel schwierig zu realisieren.

Bilden sich darüber hinaus, beispielsweise aufgrund fehlender Wartung, schlammähnliche Ablagerungen im Speicher Abb. 1, treten in Kombination mit einer Temperaturschichtung und Temperaturen unter 55 °C hygienisch sehr bedenkliche Situationen ein.

Die Speicherung von großen Mengen erwärmten Trinkwassers ist für die Sicherstellung der Hygiene im Sinne der Trinkwasserverordnung nicht mehr zielführend. Die neue DIN 1988-2001) fordert deshalb, dass die zur Trinkwarmwasserversorgung notwendige Energiespeicherung nicht im Trinkwasser, sondern auf der Heizungsseite (Pufferspeicher, Latentwärmespeicher) erfolgen sollte.

Durchfluss-Trinkwassererwärmung

Hygieniker vertreten die Auffassung, dass in mittelgroßen und großen Liegenschaften die Einhaltung der Trinkwasserhygiene als oberstes Ziel u.a. nur durch ein schlankes und bedarfsgerecht dimensioniertes Trinkwassersystem realisieren lässt. Dies gilt auch und besonders für die Trinkwassererwärmungsanlage. Darum ist anzustreben, dass Trinkwasser immer genau dann erwärmt wird, wenn es vom Verbraucher an der Entnahmestelle benötigt wird; die Speicherung von großen Mengen erwärmten Trinkwassers ist nicht gewünscht.

Um dies zu realisieren, wird das Trinkwasser im Durchflussprinzip erwärmt. Zu beachten ist jedoch, dass bei der Kaskadierung von Durchfluss-Trinkwassererwärmern keine Stagnationsbereiche, z.B. während des Zirkulationsbetriebs entstehen. Die Maßnahmen zur Einhaltung der Trinkwasserhygiene werden deswegen oft im Konflikt mit der Forderung nach Energieoptimierung und Versorgungssicherheit gesehen.

Kemper ThermoSystem KTS

Kemper setzt mit dem ThermoSystem KTS die Philosophie des Hygienesystems KHS2) nahtlos fort. KTS ist ein zentrales Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip. Es vereinigt dabei die höchsten Anforderungen an die Trinkwasserhygiene (auch im Kaskadenbetrieb) und energetische Optimierung mit Komfort und Versorgungssicherheit an allen Entnahmestellen.

Herzstück des KTS-Systems ist die ThermoBox Abb. 2. Im integrierten Edelstahl-Plattenwärmeübertrager wird bei Bedarf exakt die be­nötigte Trinkwassermenge erwärmt. Für den Nutzer ist eine konstante Auslauftemperatur besonders wichtig. Diese wird durch eine außergewöhnlich hohe Regelgüte des Systems gewährleistet. Durch eine exakte Anlagenauslegung lässt sich zudem der Energieeinsatz ­minimieren.

KTS-Funktionsprinzip und Bauteile

Werden eine oder mehrere Entnahmestellen für erwärmtes Trinkwasser geöffnet, wird durch den Plattenwärmeübertrager die gezapfte Trinkwassermenge im Durchfluss direkt erwärmt. Die hierzu notwendige Steuerung des Heizwasservolumenstroms auf der Primärseite übernimmt in der KTS ThermoBox eine lernfähige Regelung, die mit „künstlichen neuronalen Netzen“ arbeitet. In Abhängigkeit zum Volumenstrom am Trinkwassereintritt (PWC) steuert die Regelungseinheit die Pumpe auf der Primärseite mit einem Sollwert aus einer zuvor selbst entwickelten Prognose über den Prozessverlauf an. Weiterhin überwacht die Regelung über integrierte Sensorik die Temperatur am Austritt (PWH) des Trinkwassererwärmers (KTS ThermoBox) Abb. 3. Höchste Anforderungen an Komfort und Versorgungs­sicherheit können so umgesetzt werden.

Die exakte Leistungsregelung der Pumpe im Bereich von nahezu 0 bis 100 % wird durch eine Impulspaketsteuerung realisiert. Diese energiesparende Methode sorgt zusätzlich für eine deutliche Verlängerung der Pumpen­lebensdauer.

Im EPDM-gedichteten Edelstahl-Plattenwärmeübertrager wird komplett auf Kupfer- oder Nickel-Lot verzichtet. Dadurch ist die KTS-Thermo­Box S für alle Trinkwasserqualitäten entsprechend der Trinkwasserverordnung einsetzbar.

Speichermanagement

Um das Trinkwasser bedarfsgerecht zu erwärmen, muss ausreichend Energie auf der Primärseite zur Verfügung stehen. In der Regel verfügt die Wärmeerzeugung über keine ausreichende Leistung, um kurzfristig die benötigte Energie zur Verfügung zu stellen. Deshalb kommen hier Pufferspeicher zum Einsatz. Sie dienen in erster Linie als Energiespeicher, jedoch auch als hydraulische Weiche.

Aufgrund des Dichteunterschieds des Wassers bildet sich im Pufferspeicher eine Tempe­raturschichtung. Auf der Heizungsseite ist sie hygienisch unbedenklich, aus energetischer Sicht jedoch ausdrücklich erwünscht. Denn, je niedriger die Rücklauftemperatur zur angeschlossenen Wärmequelle ist, desto höher ist ihr erreichbarer Wirkungsgrad. Das auch als LowEx-System bezeichnete Prinzip ist insbe­sondere bei der Wärmeversorgung des Pufferspeichers über Wärmepumpen und thermische Solaranlagen wichtig. Ziel ist es also, der Primärseite möglichst hochtemperierte Schichten und dem Rücklauf zur Wärmequelle möglichst niedrigtemperierte Schichten zur Verfügung zu stellen.

Um die Temperaturschichten nicht zu durchmischen, muss beim Pufferspeicher die Be- und Entladung turbulenz- und verwirbelungsarm erfolgen. Im Pufferspeicher des Kemper Thermosystems, dem KTS-ThermoTank, kommen dafür speziell von Kemper entwickelte Leitbleche zum Einsatz. Die turbulenzarme Einschichtung wird noch weiter optimiert, indem im Heizwasserrücklauf ein temperaturgesteuertes 3-Wege-Umschaltventil Abb. 3 Abb. 4 installiert wird. Mit diesem Ventil ist eine temperaturabhängige Einschichtung des Rücklaufheizwassers aus der KTS-ThermoBox in verschiedene Zonen des Pufferspeichers möglich.

Die Heizwasser-Rücklauftemperatur differiert erheblich in Abhängigkeit zur jeweiligen Betriebssituation. Wird die Anlage im Zirkulationsbetrieb betrieben, so müssen nur die Zirkulationswärmeverluste ausgeglichen werden. Die Heizwasser-Rücklauftemperatur beträgt dann ca. 57 °C. Wird dagegen bei Warmwasser­entnahme kaltes Trinkwasser mit einer Temperatur von ca. 10 °C auf eine Wassertemperatur (PWH) von 60 °C erhitzt, kühlt das Rücklaufwasser bis auf eine Temperatur von ca. 28 °C aus. Um eine ungewollte Durchmischung des Heizungswassers im Pufferspeicher bestmöglich zu verhindern, muss demnach das Rücklaufwasser aus dem Zirkulationsbetrieb im mittleren Bereich des Pufferspeichers eingeschichtet werden. Das deutlich kühlere Rücklaufwasser bei Entnahmebetrieb wird über das temperaturgesteuerte 3-Wege-Umschaltventil in den unteren Bereich des Pufferspeichers eingeschichtet.

Maßgeschneiderte Kaskadenschaltung

Um hohe Entnahmevolumenströme abdecken zu können, besteht die Möglichkeit, bis zu vier ThermoBox-Module zu einer Kaskade zusammenzuschalten Abb. 5. Durch die Kaskadenschaltung wird bei einer großen Bandbreite des Trinkwarmwasserbedarfs (PWH) – von der Benutzung nur einer Entnahmestelle bis hin zum Spitzenvolumenstrom – eine hohe Regelgüte erreicht. Es kann so ein Entnahmevolumenstrom von bis zu 240 l/min sichergestellt werden.

In längeren Zirkulationsbetriebsphasen wird die patentierte Kaskadenrotation aktiviert. Hierbei werden die einzelnen ThermoBox-Module in einer zeitlichen Abfolge nacheinander betrieben. Durch diesen permanenten Wechsel im Zirkulationsbetrieb werden alle Module zur Vermeidung von Stagnation regelmäßig durchströmt. Die Trinkwasserhygiene ist auch an dieser Stelle gewährleistet. Außerdem werden die Betriebsstunden im Zirkulationsbetrieb gleichmäßig auf die Module verteilt. Die notwendige Kommunikation der ThermoBox-Module untereinander erfolgt über ein BUS-System.

Die Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip ist die optimale Lösung für Großobjekte (z.B. Krankenhäuser, Hotels, Sportstätten usw.) bei denen eine hohe Trinkwasserhygiene zu gewährleisten ist und ein große Variation im Nutzungsverhalten vorhanden ist.  

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Trinkwasserhygiene: Webcode 1057

1) DIN 1988-200 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2012

2) Detaillierte Informationen zum Kemper Hygienesystem KHS stellt die Internetseite http://www.hygienesystem-khs.com zur Verfügung.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Durchflusssysteme bieten maximale Trinkwasserhygiene
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt
  • Abb. 2 Kaskadierbare KTS-ThermoBox S zur zentralen Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip.
  • Abb. 3 Kemper ThermoSystem KTS schematische Darstellung der Trinkwassererwärmung nach dem Durchfluss-Prinzip.
  • Abb. 4 Das 3-Wege-Umschaltventil ermöglicht die temperaturgesteuerte Einschichtung des Rücklaufheizwassers in verschiedene Zonen des Pufferspeichers zur Wirkungsgrad­erhöhung der Wärme­erzeugung.
  • Abb. 5 Kemper ThermoSystem als 4er-Kaskade für einen Entnahmevolumenstrom von bis zu 240 l/min.
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