Um den Solarstrom vom Dach möglichst vollständig im Gebäude zu nutzen, bietet sich die Erwärmung von Trinkwasser an. Bisher eine Domäne der Solarthermie, öffnen sich dadurch für den Haustechniker vielfältige Anwendungen. Allein die Technik der Trinkwassererwärmung entscheidet über die solare Deckungsrate, da es eine Vielzahl elektrischer Geräte und Systeme gibt.
Um die notwendigen Leistungen der photovoltaischen Trinkwassererwärmung im Vorfeld der Planung abzuschätzen, ist ein Nutzerprofil notwendig. Während in Nichtwohngebäuden wie beispielsweise Bürobauten, Schulen, Kindertagestätten, Geschäfts- oder Verkaufsräumen der Bedarf an warmem Trinkwasser eher überschaubar ist, sind die Anforderungen in Wohngebäuden ungleich komplexer.
Dort wird nicht nur insgesamt mehr Warmwasser benötigt, sondern es wird mehrfach am Tag – unter Umständen in kurzen Abständen – abgefordert.
Die elektrische Trinkwassererwärmung bietet diese Möglichkeiten:
- Elektrische Durchlauferhitzer (Frischwassererwärmung),
- Elektrische Boiler (Warmwasserbevorratung),
- Split-Warmwasser-Wärmepumpe (Frischwassererwärmung),
- Speicher-Warmwasser-Wärmepumpe (Warmwasserbevorratung).
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Erwärmung des Heizungspufferspeichers oder eines bivalenten Warmwasserspeichers, um mit sehr geringem technischem Aufwand das Wasser als Speichermedium zu verwenden. Die ungleich ökologischere und ökonomischere Variante der Stromspeicherung erfolgt in der Kombination mit einer wassergeführten Zentralheizung. Mittels eines Trinkwarmwasserspeichers oder besser eines Heizungspufferspeichers wird die elektrische Energie zuerst in Wärme umgewandelt, um sie dann als Wärmeenergie bereitzustellen.
Hygiene durch Frischwassertechnik
Allerdings ist es nicht allein damit getan, an irgendeiner Stelle einen Elektroheizstab wie ein Schwert in den Pufferspeicher zu rammen. Die Temperaturzone, Temperaturschichtung, die Volumina und nicht zuletzt der Komfortanspruch der Nutzer sind wesentliche Parameter zur thermischen Beladung eines Heizungspufferspeichers. Das gilt auch für Sonnenstrom. Es werden an dieser Stelle vollkommen neue Arten von Pufferspeichern entstehen, will man den Sonnenstrom wirklich effizient nutzen.
Was bei all diesen Betrachtungen keinesfalls unbeachtet bleiben darf, sind die hygienischen Anforderungen an das Trinkwarmwasser. In den letzten Jahren hat sich nicht nur der höheren Effizienz wegen, sondern auch zur Vermeidung von Legionellen die Frischwassertechnik durchgesetzt. Sie ermöglicht mittels eines Pufferspeichers als thermischer Akku die Bereitstellung von frischem Warmwasser, wenn es benötigt wird. Die Bevorratung des warmen Wassers entfällt, damit auch alle Verluste und mikrobakteriellen Risiken.
Der wichtigste Vorteil: Die Aufheizung des Warmwasserspeichers auf mehr als 70 Grad Celsius (Legionellenschutz) entfällt. Mit der Frischwassertechnik reicht es aus, das Warmwasser auf handliche 45 oder 50 Grad Celsius zu erwärmen.
Strom für die Umwälzpumpe
Für den Frischwasserkreislauf braucht man eine Umwälzpumpe, deren Leistung maximal 30 Watt (Einfamilienhaus) erreicht. Sie läuft nur während der Wasserentnahme, um Kaltwasser in den Wärmetauscher am Pufferspeicher zu drücken. Bei einer Zirkulationspumpe in der Trink-Warmwasserleitung (z.B. Steigleitung) sind längere Betriebsintervalle notwendig, mit noch geringerem Strombedarf. Eine mit Solarstrom betriebene Zirkulationspumpe vermeidet stagnierende Warmwassermengen in den Rohren, in denen sich mit Vorliebe gesundheitsschädliche Keime und Mikroben ansiedeln.
Elektrische Durchlauferhitzer erlauben die bedarfsorientierte Frischwassererwärmung ohne Bevorratung. In dem Moment, in dem man das Trink-Warmwasser benötigt, wird es im Durchlaufprinzip erwärmt. Große Durchlauferhitzer, die beispielsweise wohnungszentral installiert sind, erlauben größere Durchflussmengen. Allerdings fordern sie kurzzeitig sehr hohe Leistungen von 18 Kilowatt und mehr ab (je nach Ausstattung und Anzahl der Zapfstellen). Das könnte für einen kleinen bis mittleren Photovoltaikgenerator schwer zu realisieren sein, wenn er nicht deutlich mehr als 20 Kilowatt leistet und gerade die Sonne scheint.
Anders verhält es sich mit Einzelgeräten wie beispielsweise Kleinstdurchlauferhitzern, die direkt an Waschtische installiert werden und nur ein bis zwei Kilowatt benötigen. Sie bieten nur geringere Schüttleistungen, taugen für eine Dusche oder gar Badewanne in der Regel nicht. Dementsprechend ist die „elektrische Frischwassertechnik“ immer mit sehr hohen Leistungen verbunden – eine Herausforderung für die Photovoltaik auf dem Dach.
Elektrische Boiler
Elektrische Boiler besitzen den Vorteil, dass sie Warmwasser bevorraten und somit eine Option (Alternative zum Pufferspeicher) zur Speicherung von Sonnenstrom bieten. Der Nachteil liegt in der Bevorratung und der Legionellengefahr, die durch periodisches Aufheizen gebannt werden muss. Für Speichervolumen über 400 Liter gelten besondere Hygienemaßnahmen bei Wartung und Instandhaltung, unter anderem die Beprobung durch vom Gesundheitsamt zugelassene Unternehmen.
Für Putz- und Reinigungswasser sind Boiler völlig unproblematisch, auch für Spülen und Handwaschbecken mit einem Volumen bis fünf Liter als so genannte Untertischgeräte. Übertischgeräte bietet der Markt von mehr als fünf Liter bis hin zu 100 Liter Speichervolumen an. Diese Geräte benötigen kaum mehr als zwei Kilowatt Anschlussleistung. Selbst Kochendwassergeräte kommen mit zwei Kilowatt aus, um fünf Liter Wasser zum Sieden zu bringen.
Wärmepumpen für Warmwasser
Speicher-Warmwasserwärmepumpen erreichen die gleiche Wärmeleistung wie konventionelle Elektroboiler, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied: Sie benötigen etwa nur ein Drittel der elektrischen Energie, also weit weniger als 1.000 Watt. Das Speichervolumen reicht von 100 bis 400 Liter warmes Trinkwasser.
Eine Split-Warmwasser-Wärmepumpe ist nicht mit einem Speicher kombiniert. Sie besteht nur aus dem Wärmepumpenaggregat, das über einen Speicherladekreis an den Pufferspeicher oder Warmwasserspeicher anzuschließen ist. Somit kann eine Split-Wärmepumpe multifunktional eingesetzt werden und – ohne Bevorratung von Warmwasser – einen Heizungspufferspeicher beladen. Dieser kann das Trinkwasser im Durchflussprinzip (extern oder intern) in der gewünschten Temperatur bereitstellen.
Pufferspeicher als Stromspeicher
Selbstredend kann ein Heizungspufferspeicher auch direkt elektrische Energie aufnehmen und als Wärmeenergie bereitstellen. Dementsprechend ist er mit einem oder zwei Einsteckheizkörpern auszustatten. Auf entsprechende Anschlüsse für den Einsteckheizkörper von beispielsweise 1,5 Zoll ist zu achten. Einsteckheizkörper gibt es in verschiedenen Größen von zwei bis neun Kilowatt elektrische Leistung. Sie erlauben eine lastspezifische Aufteilung und Kaskadierung je nach Stromangebot mit einer entsprechenden Ladestrategie.
Warmwasserbedarf in Gebäuden
Bei Nichtwohngebäuden beschränkt sich der Trinkwarmwasserbedarf in der Regel auf Handwaschbecken in Toilettenbereichen, Spülen in Teeküchen und dergleichen, sowie für Reinigungs- und Putzwasser. Ausschlaggebend ist die Frequentierung der Entnahmestelle. Dabei reicht eine Warmwassermenge von maximal 0,5 Litern Warmwasser pro Handwäsche aus. Sie ist mit der Anzahl der Nutzungen für das Tages-, Wochen- und Monatsprofil zu multiplizieren.
Auch für Teeküchen und dergleichen lässt sich ein konkretes Tagesprofil entsprechend der Ausstattung darstellen. Dementsprechend geringer ist der Bedarf an der Armatur, wenn eine Geschirrspülmaschine vorhanden ist. Ebenso verhält es sich mit dem Putzwasser, dessen Bedarf sich vor allem nach dem Aufwand zur Reinigung richtet.
Die Anforderungen an die Trinkwassererwärmung sind in Wohngebäuden ungleich komplexer als bei Nichtwohngebäuden. Dies liegt einerseits am höheren Wasserbedarf zur Körperpflege sowie an den Gleichzeitigkeitsfaktoren und den Spitzenlasten im Mehrgeschosswohnungsbau. Dort kann es durchaus vorkommen, dass mehrere Duschen gleichzeitig laufen, etwa in den Morgenstunden oder am Abend. Zusätzlich kommen große Badewannen hinzu.
Beispielhafte Richtwerte (Wohngebäude)
Trink-Warmwasser mit einer Entnahmetemperatur von 40 °C
Beispielhafte Richtwerte zur Aufheizung
Elektrische Leistungen für die Trink-Warmwasserbereitung
Kurz erläutert
Gleichzeitigkeit und Spitzenlast
Gleichzeitigkeitsfaktor: Der Gleichzeitigkeitsfaktor bildet eine Auslegungsgrundlage. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,7 stellt der Planer sicher, dass die Schüttleistung für die gleichzeitige Öffnung von 70 Prozent aller Entnahmestellen in Menge und Temperatur ausreicht.
Spitzenlast: Die Spitzenlast ist im Grunde der Gleichzeitigkeitsfaktor, der in regelmäßigen Zeitintervallen stattfindet. Beispiele sind die morgendlichen und abendlichen Spitzenlasten in Badezimmern und Duschbädern im Mehrgeschosswohnungsbau von sechs bis acht Uhr und von 20 bis 22 Uhr.
Im nächsten Heft: Teil 4
Die Serie zum Eigenverbrauch
Teil 1: Elektrischer Strom im Wohnhaus: Juni 2013
Teil 2: Elektrischer Strom im Nichtwohngebäude
Teil 3: Warmwasser durch Sonnenstrom: August 2013
Teil 4: Photovoltaik in der Lüftungstechnik: September 2013
Teil 5: Photovoltaik in der Wärmeversorgung: Oktober 2013
Teil 6: Photovoltaik in der Kühltechnik: November 2013
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Der autor
Frank Hartmann
ist Gas-Wasser-Installateur und Heizungs- und Lüftungsbauer, Elektroinstallateur und Energietechniker. Nach langjähriger Erfahrung im Handwerk mit dem Schwerpunkt auf erneuerbaren Energien gründete er das Forum Wohnenergie für energieeffizientes Bauen und Modernisieren. Frank Hartmann ist Mitbegründer der Solarteur-Schule in Nürnberg.
In Mitteleuropa sind die Ansprüche an den Wasserkomfort sehr hoch: Sauberes kaltes und warmes Wasser, das faktisch sofort zur Verfügung steht, ist für die meisten Menschen selbstverständlich.
Bis das warme Wasser an der Zapfstelle ankommt, darf nur eine relativ kurze Zeitspanne vergehen. Das ist durch die Rechtsprechung festgelegt und bei der Warmwasserbereitung ebenso zu beachten, wie die Bereitstellungstemperatur, die Zapftemperatur und die hygienischen Vorschriften. Wer warmes Wasser beispielsweise durch Zirkulationspumpen schnell an den Hahn bringt, beugt auch unnötigen Wasserverlusten vor.
Wer heute noch ohne Solaranlage baut, baut unzeitgemäß. Anbieter wie Schüco stellen Komplettpakete zusammen, um den Wärmebedarf regenerativ zu decken.
Schaltprinzip der Solarregelung des Navigators von IDM Energiesysteme aus Matrei in Osttirol: Der Sonnenstrom treibt die Wärmepumpe, die ihre Nutzwärme in einen thermischen Pufferspeicher lädt. Angeschlossen ist eine Frischwasserstation.
