Anwendungen und Lösungen - Warmwasser

7.1 Wärmeübertrager

Wärmeübertrager dienen in thermischen Systemen zur Wärmeübertragung von einem Fluid auf ein anderes, kälteres Fluid. Zugleich werden die beteiligten Wärmeträger stofflich voneinander entkoppelt. Wärmeübertrager zur Warmwasseraufbereitung erfüllen unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich optimaler Wärmeübertragung, Schutz vor Korrosion und Wartungszugang bei Verkalkung. Je nach Einbauort und Wärmeträger werden unterschiedliche Bauarten eingesetzt. Innenliegende Wärmeübertrager sind im Warmwasserspeicher eingebaut. Aussenliegende Wärmeübertrager kommen bei grösseren Anlagen zum Einsatz und befinden sich ausserhalb des Warmwasserspeichers. Aus hygienischer Sicht sind aussenliegende Wärmeübertrager zu bevorzugen (SVGW-Richtlinie W3/E3). Sie erzeugen zudem eine bessere Schichtung im Warmwasserspeicher.

Glattrohr-Wärmeübertrager werden zur Wärmeübertragung von Gasen oder Gasgemischen auf Flüssigkeiten eingesetzt.

Rippenrohr-Wärmeübertrager weisen Rohroberflächen auf, welche für die spezifischen Anforderungen der Wärmeübertragung optimiert sind.

Plattenwärmeübertrager bestehen aus beidseitig mit Kanälen versehenen Platten, die so zusammengesetzt sind, dass jede Platte auf der einen Seite vom Wärmeträgermedium und auf der anderen Seite in Gegenrichtung vom kälteren Medium umströmt wird (Gegenstromprinzip).

7.2 Widerstandsheizungen

Widerstandsheizungen basieren auf dem physikalischen Effekt, dass elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter Wärme erzeugt.

Elektrische Heizelemente werden zur Nacherwärmung in Speicher-Wassererwärmern eingesetzt. Blankdraht-Heizsysteme werden in Durchfluss-Wassererwärmern verwendet. Das Heizelement besteht aus einem Metalldraht, der sich ohne Isolierung direkt im Trinkwasser befindet. Aufgrund der geringen Masse der Metalldrähte ist eine schnelle Erwärmung möglich. Durch die Längenausdehnung der Metalldrähte beim Erwärmen und Abkühlen kann sich Kalk nur schlecht ablagern. Das vollständige elektrische Aufheizen von Speicher-Wassererwärmern mit Widerstandsheizungen ist nicht mehr zulässig.

7.3 Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe nutzt die Umwandlungswärme bei der Änderung der Aggregatszustände eines Kältemittels mit niedrigem Dampfdruck. Die Wärme, z. B. aus der Umgebungsluft, wird über den Verdampfer an das Kältemittel geführt und lässt das flüssige Kältemittel verdampfen. Das Kältemittel geht in den gasförmigen Zustand über und nimmt dabei die Wärme aus der Umgebungsluft auf. Im Verdichter wird das Kältemittel durch Druckerhöhung weiter erwärmt und gelangt in den Verflüssiger. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die aufgenommene (latente) Wärme zur Warmwassererwärmung ab. Das Kältemittel wird wieder flüssig. Anschliessend wird der Druck des Kältemittels durch das Expansionsventil weiter gesenkt, wodurch das Kältemittel auf die ursprüngliche Temperatur abkühlt und in den Verdampfer gelangt. Der Kreisprozess von Verdampfung und Verflüssigung beginnt von neuem. Der Verdichter wird durch einen Elektromotor angetrieben.

Die Wärmepumpe gibt ein Mehrfaches an Wärmeenergie ab, als an elektrischer Energie aufgenommen wird. Das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Energie und abgegebener Wärme wird durch die Leistungszahl COP (Coefficient of performance) ausgedrückt. Die Leistungszahl COP ist ein Momentanwert. Die Jahresarbeitszahl JAZ ist aussagekräftiger, da sie das Verhältnis von Energieverbrauch und Wärmeertrag über ein Jahr betrachtet angibt.

Mit Wärmepumpen können die CO₂-Emissionen stark reduziert werden, um bis zu 80 % im Vergleich mit einer Ölheizung und um bis zu 70 % gegenüber einer Gasheizung (Quelle: Geothermie Schweiz).

Wärmepumpen unterscheiden sich je nach Wärmequelle in ihrer Bauart. Drei Typen werden unterschieden, wobei sich deren Bezeichnung auf die jeweils genutzte Wärmequelle bezieht.

Typ	Bild	Beschreibung
Luft/Wasser-Wärmepumpe		Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe nutzt als Wärmequelle die Wärme in der Umgebungsluft, die mittels Ventilator zum Kältemittelkreis der Wärmepumpe geführt wird. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe kann sowohl innerhalb als auch ausserhalb von Gebäuden installiert sein.
Sole/Wasser-Wärmepumpe		Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe nutzt als Wärmequelle die Wärme im Erdreich (Geothermie). Die Wärme wird über eine bis zu 400 m tief im Erdreich installierte Erdwärmesonde zum Kältemittelkreis der Wärmepumpe geführt.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe	—	Eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe nutzt als Wärmequelle die Wärme im Oberflächen- oder Grundwasser. Die Wärme wird z. B. über ein Rohrsystem zum Kältemittelkreis der Wärmepumpe geführt.

Typen von Wärmepumpen

7.4 Thermische Solaranlage

Thermische Solaranlagen sind Systeme, die Energie aus der Sonneneinstrahlung in Wärme umwandeln. Da ausschliesslich erneuerbare Energie genutzt wird, sind diese Anlagen besonders nachhaltig. Solaranlagen bestehen aus einzelnen Sonnenkollektoren und können auf Dächern, Fassaden oder im Freiland installiert werden. Thermische Solaranlagen können mit unterschiedlichen Sonnenkollektoren ausgestattet sein:

• Thermische Flachkollektoren

• Vakuumröhrenkollektoren

Das Prinzip thermischer Solaranlagen ist unabhängig vom Typ der Sonnenkollektoren das gleiche.

Die Kollektoren absorbieren einen grossen Teil der Sonnenenergie und erwärmen sich dabei. Die absorbierte Wärme wird auf eine Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkreislauf übertragen und mit einer Solarpumpe in einen Wärmespeicher transportiert. Mit dieser Wärme werden die Warmwasserbereitung und die Heizung unterstützt. Dies spart Heizkosten und reduziert den Einsatz nicht erneuerbarer Energie.

Das Schema zeigt eine Solaranlage für die Warmwasservorerwärmung bestehend aus einem Betriebswasserspeicher mit innenliegendem Wärmeübertrager und einer Warmwasseraufbereitung mit aussenliegendem Wärmeübertrager für die Trinkwasservorerwärmung. Ein zusätzlicher aussenliegender Wärmeübertrager dient zur Nacherwärmung, z. B. mithilfe einer Wärmepumpe. Die Ladepumpe ist drehzahlreguliert.

Verbrühschutz: Ein thermostatisches Mischventil verhindert Verbrühungen, indem es die Warmwassertemperatur durch Zumischung mit Kaltwasser oder mit Trinkwasser aus der Warmwasserzirkulation auf die eingestellte Maximaltemperatur reduziert.

7.5 Photovoltaik-Anlage (Power to Heat)

Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) sind Systeme, die Energie aus der Sonneneinstrahlung in Elektrizität umwandeln. PV-Anlagen können zur Warmwasseraufbereitung mit Wärmepumpen oder mit Widerstandsheizungen kombiniert werden, um den Eigenverbrauch zu erhöhen (Power to Heat).

7.5.1 Power-to-Heat-Nutzung mit Widerstandsheizung

Bei kleineren PV-Anlagen oder bei gelegentlichem Power-to-Heat-Betrieb kann ein elektrisches Heizelement eingesetzt werden.

Eine Steuerung (oranges Symbol) schaltet bei Bedarf das Heizelement (blaues Symbol) zur Trinkwasser-Nacherwärmung ein.

7.5.2 Power-to-Heat-Nutzung mit Wärmepumpe

Bei regelmässiger Power-to-Heat-Nutzung der PV-Anlage kann eine Wärmepumpe mit einem im Warmwasserspeicher liegenden Wärmetauscher eingesetzt werden.

Eine Steuerung (oranges Symbol) schaltet bei Bedarf die Wärmepumpe (blaues Symbol) zur Trinkwassererwärmung ein.