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Prof. Dr. Franz-Peter SchmicklerLabor Sanitärtechnik

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Normen und Grundsätze der Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen

2 von 30 Prof. Dr. Franz-Peter Schmickler Normen und Grundsätze der Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen 10.2.2016

Inhaltsangabe

• Einleitung

• Geschichtliche Entwicklung der Auslegungsvorschriften

• DIN 4708 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen“

• Das Summenlinienverfahren

• DIN EN 12831-3 „Trinkwassererwärmung, Heizlast und Bedarfsbestimmung“

• VDI 2072 „Durchfluss Trinkwassererwärmung mit Wasser/Waser Wärmeübertrager“

• Zusammenfassung und Ausblick

Stichworte


Was kostet warmes Wasser?

• Wasserpreis Münster 1,653 (Trinkwasser) +1,99 (Abwasser) €/m³ 3,643 €/m³ (brutto)

• Energiepreis Wärme in Euro/kWh• Gaspreis 2,75 ct./ kWh zzgl. MwSt., 80% Wirkungsgrad• 1,43 €/m³ (brutto)

• Gesamtkosten 5,068 €/m³ (brutto)

• Familie 3 Personen, 200 Nutzungen im Jahr, 6 Minuten, Dusche 9 l/min

Wir reden über Kosten von 164,20 €/a (brutto)

Die Kosten sind wohl nicht wirklich das Problem bei der Trinkwassererwärmung


Ist - Situation

Gedanken eines Planers bei der Auslegung einer Trinkwassererwärmungsanlage:

• Zu wenig warmes Wasser….

• Ok, dann möglichst großzügige Auslegung!

• dann Stagnation mit den Hygieneproblemen….

• Ok, dann speichern der Energie im Heizungswasser!

• Aber wie groß muss der Wärmeübertrager für das Trinkwasser sein?

• Ok, dann nehme ich direkt einen WÜT! Keine Hygieneproblemen, alles gut!

Gedanken eines Planers


Ist - Situation

• Dann brauche ich viel Leistung - und die steht bei heutigen modernen, energiesparenden, regenerative Energien nutzenden Systemen nicht zur Verfügung.

• ??? Ratlosigkeit ???

Richtige Dimensionierung!!!

Gedanken eines Planers


Wie wurde bislang ausgelegt?

• Im Wohnungsbau DIN 4708. Sie war einfach in der Anwendung und pragmatisch!

• Den Autoren dieser Richtlinie gebührt großer Respekt!!!

• Statistische Erwägungen führen zu einem Normverhalten von höchster Spitzenentnahme und weiteren Normalentnahmen. Daraus generiert man rechnerisch eine Bedarfskennzahl. Sie entspricht dem n-fachen einer Wohnung mit 2,3 Personen und 3,5 Räumen. Energetisch entspricht dies der Füllung einer Normbadewanne.

• Für den Speicher gibt es ein Verfahren, mit dem man genau prüfen kann, ob er diesen Normbedarf an warmen Wasser erfüllen kann.

DIN 4708


Wie wurde bislang ausgelegt?DIN 4708

Die DIN 4708 wurde 10/1979 herausgegeben und letztmals in 4/1994 überarbeitet.

Bedarfskurve und Prüfplan für 10 Normalwohnungen nach DIN 4708



• Und für den Anwender ist die Anwendung pragmatisch einfach: die Leistungskennzahl gibt an, wie viele Bedarfe (= Normwohnungen) versorgt werden können.

• Seit 1979 nutzt man diese Art der Dimensionierung erfolgreich –falsche Auslegungen sind nicht bekannt geworden.

• Das kann zwei Gründe haben:

A) das Verfahren ist wirklich gutB) das Verfahren führt zu Überdimensionierung.

• ich glaube, beides ist zutreffend!

DIN 4708

VW Golf Cabrio IBaujahr 1979


• Sie sind eigentlich interessanter, denn die Trinkwasserhygiene ist im Wohnungsbau erst bei sehr großen Anlagen von Interesse. Und dort wendet man dann auch nicht mehr unbedingt die DIN 4708 an.

• Krankenhäuser• Hotels• Sportanlagen• Betreutes Wohnen• Studentenwohnungen• Weitere Sonderbauten (Flughäfen, Hochschulen, ...)• ...


Aber, was ist mit den anderen Fällen?

Sonderbauten



• Auch so gibt es viele funktionierende Anlagen! (kennen Sie Hotels, in denen es kein warmes Wasser gibt?)

bei Sonderbauten…

Provokative Antwort: gar nicht!

• Im besten Fall würde der Hersteller des Vertrauens zu Rate gezogen!

• Und auch dieser hat weniger gerechnet, als seinen großen Erfahrungsschatz genutzt:

- Mein letztes 100 Betten Hotel - hat es dort Probleme gegeben?- Nein - ok, dann nehme ich die dortige Anlage wieder.- Könnten Probleme auftreten? Z. B. Messebetrieb - dann nehme

ich zur Sicherheit eine Nummer größer!



• Ob die vorgenannten Anlagen richtig, das heißt genau passend und nicht überdimensioniert sind, sei dahin gestellt.

• Nach dieser provokative Aussage muss natürlich gesagt werden, dass sich Experten seit geraumer Zeit dieses Themas angenommen haben. Als physikalisch richtige Vorgehensweise hat sich das sogenannte Summenlinienverfahren als richtig erwiesen. Dieses Verfahren geht auf

Sander und Faltin

zurück. Auch gibt es andere Ausdrücke, zum Beispiel Wärmeschaubild

• Diese Verfahren werden auch bei anderen Anwendungen genutzt, z.B. werden auch Kläranlagen nach dem Summenlinienverfahren ausgelegt.

Summenlinie und Wärmeschaubild


Das Summenlinienverfahren

• seit ca.15 Jahren wurde dieses Verfahren immer häufiger für die Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen in der Praxis benutzt. Dabei wird das Verfahren von 3 Firmen intensiv angewandt und auch immer wieder öffentlich vorgestellt:

Firma Buderus: Herr Böhm und Frau Werner, dieses Verfahren als Grundlage der Software DIWA Firma Varmeco: Herr Zimpel, dieses Verfahren in Excel realisiert Firma Kemper / Firma Dendrit: Prof. Rickmann, realisiert in der bekannten Auslegungssoftware.

• Auch in der Schweiz wurde die Auslegung von Trinkwasssererwärmungsanlagen mittels des Summenlinienverfahrens für richtig erachtet. Hier wurde bereits im Jahr 1991 das Summenlinienverfahren vorgestellt und bis heute weiterentwickelt. Die Richtlinie heißt SIA 358.

The Experts…


Summenlinienverfahren

• Im Jahr 2003 haben wir einen Forschungvorhaben (u.a. mit DVGW und FH Köln) durchgeführt und über 2 Jahre Trinkwasser Profile an unterschiedlichen Gebäuden gemessen. Auch wurde untersucht, inwieweit schon Daten -insbesondere bei der Industrie - vorhanden waren. Das Ergebnis war ernüchternd. Und auch das weitere Interesse an der richtigen Auslegung von Trinkwarmwassererwärmungssystemen war noch nicht reif.

• In den Folgejahren wuchs das Interesse an der Solaren Trinkwassererwärmung. Große Forschungsprojekte "Solarthermie 2000 und Solarthermie 2000 Plus" haben Deutschland weit den Trinkwasserverbrauch von Großanlagen untersucht.

• Ein Ergebnis daraus sind die VDI Richtlinien 6002 Blatt 1 und 2, in denen für die Auslegung die entsprechenden Profile veröffentlichtwurden.

Entwicklungsgeschichte


• Der Solarthermie ist auch eine zweite Entwicklung zu verdanken: die der sogenannten Frischwasserstationen - einem Ausdruck, der den Sanitäringenieuren quer läuft. Solarenergie, die nun einmal nicht konstant zur Verfügung steht (Energiemenge und Temperatur), kann nur in Speichern gesammelt und über Plattenwärmeübertrager hygienisch einwandfrei an das Trinkwasser zur Verfügung gestellt werden.

• Auch diese Technik forderte unbedingt eine exakte Auslegung. Und die Zeit für ein einheitliches Verfahren zur Auslegung ALLER Trinkwassererwärmungs-systeme wurde reif.

SummenlinienverfahrenEntwicklungsgeschichte



• Wo bringt man ein entsprechendes Regelwerk unter?

• Bei Auslegungsfragen handelt es sich ja eigentlich nicht um eine Produktnorm, weshalb sie evtl. als Planungsregel gut beim VDI angesiedelt worden wäre....

• Aufgrund der Umstellung auf die europäisch harmonisierten Regelwerke bot sich die Chance, als Unterblatt der Auslegungsnorm DIN EN 12 831 aktiv zu werden:

Heizungsanlagen und wasserbasierte Kühlanlagen in Gebäuden -Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast - Teil 1: Raumheizlast; Deutsche Fassung prEN 12831-1:2014

Regelwerke



• Es ist meinem Kollegen Prof. Boris Kruppa zu verdanken, diese Norm nach Europa getragen zu haben.

• Sie heißt nun DIN EN 12831-3: 2014-12:

• Heizungsanlagen und wassergeführte Kühlanlagen in Gebäuden -Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen - Teil 3: Trinkwassererwärmung, Heizlast und Bedarfsbestimmung; Deutsche Fassung prEN 12831-3: 2014

• Der Ausschuss tagt seit 2011

• Letzter Stand: Einspruchssitzung zum Entwurf im April 2015 .

Regelwerke



Was ist der Inhalt:

• Es galt ein Verfahren zu finden und zu beschreiben, das eine Auslegung ALLER Trinkwassererwärmungssysteme ermöglicht.

• Es soll Produkt neutrale und physikalisch richtige Ergebnisse ermöglichen.

• Das Verfahren gilt europaweit, was auch für die Industrie Vorteile verspricht.

• Das Verfahren bietet die Chance, auch kompatibel zur alten DIN 4708 zu sein.

DIN EN 12 831-3



Es ist allerdings nur eine Beschreibung eines Verfahrens, d.h. es muss noch einige Arbeit hineingesteckt werden, dieses Verfahren mit Leben zu füllen.

Stichwort: Nutzerprofile / Bedarfsprofile - später mehr

DIN EN 12 831-3

Kein einfaches Kochrezept!



• Zunächst muss die Bedarfskennlinie ermittelt werden. Dazu werden Messwerte oder andere gesicherte Daten bzw. Annahmen benötigt. Sie werden in den nachfolgenden Vorträgen dazu noch hören.

• Aber es darf auch hier schon gesagt werden, dass wir zukünftig gerade hier noch weiteres Datenmaterial benötigen.

Erstellung der Bedarfskennlinie

0

10

20

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En

ergie [kWh]

Zeit [h]

Stundenzapfprofil MFH

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24[h]

x [-

]


SummenlinienverfahrenAngebotskennlinie

0

2

4

6

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10

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14

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0

En

ergi

e [k

Wh]

Zeit [h]

Einschaltpunkt

Verzögerung

Wärme-verluste

Angebots-kennlinie

Bedarfs-kennlinie

Eff

QS,maxQS,minAnfangs-

ladezustand

Elemente der Angebotskennlinie – hier Prinzip-Skizze für ein Speichersystem (Speicher mit Durchmischung) [DIN EN 12831-3]

Um die Angebotskennlinie zu erstellen, müssen diefolgenden Größen bestimmt werden:

- maximale Speicherkapazität QS,max

- minimale Speicherkapazität QS,min im Falle durchmischter und ungeschichteter Speicher

- Wärmeverluste des Speichers

- Wärmeverluste der Verteilleitungen

- Ein- und Ausschaltpunkt für die Nachheizung

- Verzögerungszeit bis zum Anliegen der vollen Wärmeerzeugerleistung

- effektive Nachheizleistung eff


SummenlinienverfahrenUnterschiedliche Speicherarten

TWW

KW

Wärme‐zufuhr

TWW

KW

Wärme‐entnahme

TWW

KW

Wärme‐zufuhr

TWW

KW

Wärme‐entnahme

Es wird zwischen durchmischten Speicher und Ladespeicher unterschieden: (diese Unterscheidung braucht man um unterschiedliches Verhalten auch im Summenliniendiagramm deutliche zu machen)

Durchmischter Speicher

Ein Speicher (Energie- oder Trinkwarmwasserspeicher) der sich durch eine ausgeprägte Durchmischungszone während der Beladungsphase kennzeichnet. Während der Entladephase ist die Duchmischungszone minimal. Z.B. Speichersystem mit innen-liegenden Wärmeübertragern.

Ladespeicher

Ein Speicher (Energie- oder Trinkwarmwasserspeicher) der sich durch eine minimale Durchmischungszone während der Be- als auch Entladephase kennzeichnet. Z.B. Schichtladespeicher oder Speicher mit externen Wärmeübertragern

Beladephase eines Ladespeichers

Entladephase eines Ladespeichers

Beladephase eines durchmischten Speichers

Entladephase eines durchmischten Speichers



Zur Ausarbeitung des Verfahrens und zur Auslegung des Trinkwassererwärmern benötigt man also Bedarfslinien / Nutzerprofile. Wie man diese erhebt, werden wir in den nachfolgenden Vorträgen noch hören. Vielleicht dazu einige Beispiele vorab:

• Summenlinien eines Krankenhauses an 43 Donnerstagen gemessen und auf 100% (= Tagesbedarf) normiert.

Normierte Summenlinien

Donnerstags-Summenlinien Klinikum in S.über 43 Wochen

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0:00

1:00

2:00

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5:00

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0

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0

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0

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0

23:0

0

0:00

Uhrzeit

%



Messergebnisse als Balkendiagramm und die Entwicklung von entsprechenden Summenlinien

Balkendiagramm und Summenlinie

Auswertung Verlauf in [%]

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10h

11h

12h

13h

14h

15h

16h

17h

18h

19h

20h

21h

22h

23h

24h

Johannisst if t Münst er Burglengenf eld1 St . Marien Ahaus SI-Handbuch 5 Burglengenf eld2 korr.

Auswertung Summenlinien in [%]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10h

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13h

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17h

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22h

23h

24h

Johannisst if t Münst er Burglengenf eld1 St . Marien Ahaus

SI-Handbuch 5 Burglengenf eld2 korr.



Eine Summenlinie aus der Schweizer Norm SIA 385/3 aus dem Jahr 1991.

Diese Norm wurde jüngst überarbeitet und beschreibt ebenfalls das Summenlinienverfahren. Sie hat den Titel „Anlagen zur Trinkwassererwärmung in Gebäuden“

SIA 385/3 (1991)

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Uhr z ei t

% 3,3 6,9 10,1 7,4 5,8 4,2 4,2 4,3 3,9 4,5 4,1 2,8 4,8 4,5 4,0 3,9 3,9 4,4 4,8 3,0 1,5 1,0 1,0 1,6

∑% 3,3 10,3 20,3 27,7 33,5 37,7 42,0 46,3 50,2 54,6 58,7 61,5 66,3 70,9 74,9 78,8 82,7 87,1 91,9 94,9 96,4 97,4 98,4 100



Kollege Prof. Orth hat „Tagesgänge des Trinkwasserbedarfs“ in der tab 1/2005 veröffentlicht

Summenlinien



Was also benötigt wird sind Bedarfskennlinien, Bedarfskennlinien, Bedarfskennlinien….

Ein Apell an Sie alle: Bitte helfen Sie uns mit beim Sammeln dieser typischen Bedarfskennlinien. Wir versuchen diese Sammlung auch durch eine einheitliche Aufbereitung für alle zugänglich zu machen.

Die Angebotskennlinie ist dann nicht mehr das wirkliche Problem. Sie ist Hersteller typisch und je nach System durchaus unterschiedlich. Sie wird angepasst auf das jeweilige Bedarfsprofil. Die werden in der abschließenden Demonstration dazu entsprechende Beispiele sehen.

Summenlinien


Weiteres Auslegungsverfahren

„Durchfluss Trinkwassererwärmung mit Wasser/Waser Wärmeübertrager“ (Arbeitstitel)

Seit 2012 arbeitet der Ausschuss VDI 2072 an einem Regelwerk zu Auslegung von Durchfluss Trinkwassererwärmungsanlagen. Zur eigentlichen Dimensionierung wird auch hier auf die DIN 12 831-3 verwiesen. Ein Kurzverfahren für den Wohnungsbau ist dort ebenfalls hinterlegt, mit dem es einfach möglich sein wird, die Gleichzeitigkeit der Wärmeinanspruchnahme anzusetzen.

VDI 2072

0,0 %

20,0 %

40,0 %

60,0 %

80,0 %

100,0 %

0,0 l/s 10,0 l/s 20,0 l/s 30,0 l/s

DIN 4708

überarbeitete DIN4708

Dänisch

Gleichzeitigkeitsfaktor in Abhängigkeit vom Summenvolumenstrom (nicht endgültige Darstellung verschiedener Quellen. Messerschmid HS Esslingen)


Zusammenfassung - Ausblick

• Es wird neue Regelwerke zur Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen geben.

• Bei der Einspruchssitzung zum Entwurf der DIN EN 12831-3 gab es keine nennenswerten Widersprüche.

• Das Erscheinungsdatum wird frühestens Ende des Jahres 2016 sein.(Grund ist die umständliche europäische Vorgehensweise)

• Auch die aus der DIN 4708 bekannte Bedarfs- / Leistungskennzahl wird mit der neuen Norm darstellbar sein.

• Die VDI 2072 wird ein Kurzverfahren für Durchflusserwärmer im Wohnungsbau erhalten. Der Gelbdruck wird in der zweiten Jahreshälfte 2016 erwartet.


Zusammenfassung - Ausblick

Die vorgestellten neuen Regelwerke sind noch nicht perfekt. Es fehlen noch wichtige Ergänzungen, damit sie für die Praxis anwendbar sind.

• Die DIN EN 12831-3 erhält noch ein Flussdiagramm, aus der die Vorgehensweise für die Softwareprogrammierung ersichtlich sein wird.

• Da gerade im Anfang ein Mangel an passenden Bedarfsprofilen herrschen wird, ist an die Erstellung einer Datenbank für Nutzerprofile gedacht.

• Um die Anwendung dieser europäischen Norm in Deutschland zu erleichtern ist vielleicht eine nationale Ergänzungsnorm DIN 12 831 - 300 sinnvoll. Hier würde auch die Leistungskennzahl NL wieder eingeführt.

• Die VDI 2072 wird ein Kurzverfahren enthalten.

Was noch fehlt…

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. Dr. Franz-Peter SchmicklerLabor Sanitärtechnik

Stegerwaldstr. 39 fon +49 (0)2551.9 62-835 [email protected] 565 Steinfurt fax +49 (0)2551.9 62-837 www.fh-muenster.de/EGU

normen und grundsätze der auslegung von ... · 3 von 30 prof. dr. franz-peter schmickler normen...

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