Heißwasserbereiter

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Einfacher, brenngasbetriebener Warmwasserbereiter für Warmwasser um 60 °C; Konstruktion abgeleitet von einem Badeofen
Das Innere eines Tanks mit Wärmespiralen
Schnitt durch einen Wärmespeicher. Die thermische Schichtung ist durch die rot-blaue Lackierung farblich dargestellt.

Ein Speichererhitzer, Speicherwassererwärmer,[1], Warmwasserspeicher, Heißwasserspeicher etc., oft auch nur kurz Speicher (Hängespeicher, Kleinspeicher, Unter-Tisch-Speicher etc.), ist ein Wärmespeicher zur Erzeugung und Bereitstellung von erwärmtem Brauch- oder Trinkwasser, typischerweise im Temperaturbereich zwischen 50 und 100 °C. Speicher sind ständig gefüllt und sollten über eine Wärmedämmung verfügen, deren Effizienz wird in Energieeffizienklassen (EEK) unterteilt im Energielabel dargestellt.

Demgegenüber werden Boiler wie wandhängende Kochend-Wasser-Geräte und Badeöfen in der Regel erst kurz vor der Heißwasserentnahme beheizt und benötigen deshalb keine Wärmedämmung.

Die in kurzer Zeit entnehmbare Warmwassermenge hängt vorrangig von der Speichergröße ab, während die Anschlussleistung über die dauerhaft entnehmbare Wassermenge entscheidet.

Begriffe und Varianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein im Gegensatz zu den hier behandelten Wärmespeichern dient ein Pufferspeicher nicht zur direkten Entnahme von erwärmtem (Trink-)Wasser, sondern zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie in geschlossenen Kreisläufen, etwa in der Heiztechnik. Ein Saisonalspeicher ist ein Pufferspeicher, der so groß angelegt ist, dass er Wärmeenergie über Monate hinweg speichern kann.

Pufferspeicher, die einen integrierten Wärmetauscher zur direkten Entnahme von erwärmten Wasser enthalten, und somit zugleich auch als Warmwasserspeicher dienen, werden meist als Kombi-Wasserspeicher oder Hygiene-Speicher bezeichnet.

Die Begriffe Heißwasser(auf)bereiter und Warmwasser(auf)bereiter sind nicht eindeutig. Sie können verschiedene Systeme zur Warmwasserbereitung bezeichnen.

Begriffen wie Speicher, Warmwasserspeicher, Heisswasserspeicher, Hängespeicher, Kleinspeicher, Unter-Tisch-Speicher lässt sich nicht entnehmen, dass diese Geräte das Wasser häufig nicht nur speichern, sondern auch erwärmen können. Zur elektrischen Beheizung ist hierfür lediglich ein Heizstab erforderlich.
Die vergleichsweise treffende Bezeichnung Speichererhitzer ist dagegen bei Herstellern und im Handel kaum gebräuchlich.
Erfolgt die Beheizung durch Gas, so wird dies demgegenüber stets begrifflich kenntlich gemacht, etwa durch die Bezeichnung gasdirektbeheizte Speicherwassererwärmer bzw. Vorratswasserheizer,[1] da hierfür eine aufwändigere technische Ausrüstung erforderlich ist.

Ein Warmwasserspeicher, der das Trinkwasser nicht selbsttätig erwärmt, kann durch eine Warmwasserheizung aufgeheizt werden, wenn er zu diesem Zweck eingebaute Rohrwendel zur Wärmeübertragung besitzt oder ein externer Wärmeübertrager montiert wird und eine kleine Pumpe den Speicher "auflädt", indem sie das Trinkwasser durch den Wärmeübertrager zirkulieren lässt, während dieser zugleich von der Pumpe des Heizkreislaufs mit Heizungswasser beschickt wird. Sind eingebaute Rohrwendel vorhanden, so wird das Heizungswasser entweder durch ein Dreiwegeventil vom Heizkreislauf abgezweigt, oder eine zusätzliche Pumpe läßt das Heizungswasser bei Bedarf durch den Rohrwärmeübertrager zirkulieren. Ein Heizkessel, in den eine Vorrichtung zur Beschickung des Speichers bereits integriert ist, wird auch als Umlaufwasserheizer bezeichnet.[1]

Der Begriff Boiler ist fehlerhaft aus dem Englischen entlehnt, wo er einen Dampfkessel (also einen Kessel für Wassertemperaturen ab 100 °C) bezeichnet (to boil „kochen, sieden“), während ein Speichererhitzer grundsätzlich unterhalb der Wassersiedetemperatur arbeitet. Im Englischen wird ein Speichererhitzer nicht als boiler, sondern als water heater bezeichnet.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kleine, überwiegend elektrisch beheizte Warmwasserspeicher mit 5 bis 15 Litern Inhalt werden vor allem für die Warmwasserversorgung bei Spülbecken und Waschbecken eingesetzt, wenn eine zentrale Warmwasserversorgung nicht vorhanden ist oder sich der Anschluss an diese nicht lohnt. Dies kann der Fall sein, wenn die Wasserentnahmestelle weit abseits liegt oder selten oder unregelmäßig genutzt wird und es daher energetisch ungünstig erscheint oder bei länger andauernden niederen Temperaturen hygienisch problematisch ist (wg. möglicher Legionellen-Bildung). Ausführungen gibt es für Unter-Tisch- oder Wandmontage, die Anschlussleistung beträgt meist 2.000 Watt. Kleine gasbetriebene Geräte gibt es auch für Wohnmobile und Campingwagen; bei heute üblichen Geräten meist mit einer Warmluft-Gebläseheizung kombiniert.[2]

Mittelgroße Boiler mit 70 bis 200 l werden oft für die Warmwasserversorgung einer Wohneinheit verwendet. Bei einer Aufheiztemperatur von 60–80 °C kann ein Boiler mit 80 l durch Zumischung von Kaltwasser für eine angenehme Temperatur schon für die Füllung einer Badewanne ausreichen. Sie sind häufig in vollelektrifizierten Wohnungen und Häusern zu finden. Bei ausreichender Dimensionierung genügt eine einmalige Aufheizung pro Tag. Dies kann mit Niedertarifstrom (Nachtstrom) relativ günstig geschehen. Ausgeführt sind sie für Wandmontage, als Standgeräte oder Liegespeicher. Seit einiger Zeit gibt es auch Flachspeicher mit geringer Bautiefe, deren Kessel aus einem gestauchten Rohrring besteht.[3] Die elektrische Anschlussleistung beträgt meist 2.000 bis 4.000 Watt. In dieser Größenordnung gibt es auch einige Modelle mit Gasbetrieb.

Seltener sind noch größere Speicher mit einigen hundert bis mehreren tausend Litern in Kellern von Ein- und Mehrfamilienhäusern. Sie werden meist nur mit Nachtstrom oder bivalenter Beheizung betrieben.

Bei elektrisch beheizten Warmwasserspeichern sind die Investitionskosten relativ gering, dafür die Betriebskosten höher. Bei Anlagen für einzelne Wohnungseinheiten entfällt eine aufwendige Kostenverteilung nach Verbrauch. Die Aufheiztemperatur liegt meist bei 60–82 °C, seltener bis 95 °C. Sie wird je nach benötigter Heißwassermenge meist fix eingestellt. Wird die Temperatur erhöht, so kann mit dem gleichen Speicherinhalt über Zumischung von mehr kaltem Wasser in der Mischarmatur länger handwarmes Wasser entnommen werden. Man kann auch geringere Temperaturen einstellen, was die über die Geräteisolierung abgegebene Verlustleistung verringert. Bei länger andauernden Temperaturen unter 50 °C können sich jedoch auch gesundheitsgefährdende Legionellen vermehren. Diese können vor allem durch fein versprühte Wassertropfen beim Duschen in die Lunge gelangen. So ist nach dem DVGW Arbeitsblatt W 551 vom April 2004 eine Temperatur von mindestens 60 °C bei Warmwassererzeugungsanlagen vorgesehen. Es gibt auch Legionellenschaltungen, bei denen einmal wöchentlich bis mehrmals täglich die Speichertemperatur kurzzeitig angehoben wird.

Im Unterschied zu Boilern verwenden reine Wärmespeicher (Warmwasserspeicher) Energie aus externen Wärmequellen. Es gibt auch kombinierte Systeme, die mit bivalenter Beheizung arbeiten, also einer externen Quelle und einem Elektro-Heizeinsatz. So gibt es beispielsweise bei Sonnenkollektoren trotz unzureichender Sonneneinstrahlung warmes Wasser oder wenn mehr Warmwasser verbraucht wird, als die Wärmepumpe leistet, es entfallen die Bereitschaftsverluste des Heizkessels außerhalb der Heizperiode und ein Holzkessel muss nicht extra angeheizt werden.

Durchlauferhitzer speichern dagegen kein Warmwasser. Sie werden mitunter trotzdem als Boiler bezeichnet. Elektrische Klein-Durchlauferhitzer für Waschbecken können jedoch wegen der höheren Leistungsaufnahme für die kurzzeitige Erwärmung der Wassermengen im Altbau nicht ohne weiteres angeschlossen werden. Kleine Gasgeräte arbeiten meist nach diesem Prinzip, genauso wie Kombithermen, die nur einen kleinen, nicht isolierten Wasserspeicher haben.

Beheizung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kleine Warmwasserspeicher werden meist elektrisch beheizt, früher auch mit Gas; größere Speicher meist ebenfalls mit Strom oder Gas, sowie indirekt durch Heizungswasser (Heizeinsatz oder Doppelmantel), früher auch mit Festbrennstoffen (Badeofen). Neuere Modelle verfügen über weitere Heizeinsätze für die zusätzliche Beheizung durch Sonnenenergie oder andere Wärmequellen, z. B. eine Wärmepumpe.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im elektrisch beheizten Warmwasserspeicher befindet sich ein elektrisches Heizelement. Es besteht aus einem Heizleiter (Widerstandsdraht) in einem schützenden, korrosionsbeständigen Metallrohr. Neben dem Heizelement befindet sich das Fühlrohr eines temperaturgesteuerten Schalters zur Temperaturregelung. Dessen Sollwert kann mit einem Drehknopf verstellt werden. Der Schalter ist meist ein elektromechanisches System, bei dem die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien (z. B. Glasstab in einem Metallrohr) zusammen mit einem Sprungschalter ausgenutzt werden. Oft wird auch eine Flüssigkeit verwendet, die über ein Rohr auf eine Membran arbeitet. Zusätzlich befindet sich in der Nähe des Heizelementes ein Temperaturschalter, der bei Versagen des Reglers Brand und Zerstörung vermeidet. Diese thermische Sicherung ist rücksetzbar oder sie muss nach dem Ansprechen ausgetauscht werden.

Temperatursensor und Heizelement befinden sich in einem Gefäß aus Kupfer, Kunststoff oder – bei Druckboilern – aus Edelstahlblech, aus verzinktem Stahlblech (zum Korrosionsschutz mit einer Opferanode aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung ausgestattet) oder aus emailliertem Stahlblech.

Das kalte Leitungswasser wird unten in das Gefäß eingeleitet; das heiße Wasser wird im oberen Bereich des Gefäßes entnommen. Das ist erforderlich, da sich das warme Wasser aufgrund seines geringeren spezifischen Gewichtes immer oben sammelt und dort entnommen werden kann. Die Rohre sind außen farblich (blau für den Zulauf und rot für den Ablauf) oder mit Pfeilen entsprechend gekennzeichnet.

Moderne Warmwasserspeicher verfügen fast immer über eine Wärmedämmung.

Es gibt zwei grundlegend verschiedene Warmwasserspeicher-Bauarten:

Geschlossene oder druckfeste Warmwasserspeicher [Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Warmwasserspeicher, der als Teil der druckführenden Wasserleitung installiert wird, muss als Druckbehälter konstruiert sein und hält in der Regel einem Druck von rund 10 bar stand. Ist auf dem Typenschild ein niedrigerer Druck angegebenen, ist gegebenenfalls ein Druckminderer zu installieren. Um zu verhindern, dass heißes Wasser in die Versorgungsleitung zurückströmt, muss in der Zuleitung ein Rückschlagventil installiert werden. Zum Schutz vor Überdruck durch die Erwärmung und als Auslauf für das sich bei der Erwärmung ausdehnende Wasser muss daher in Fließrichtung hinter dem Rückschlagventil ein Sicherheitsventil angebracht sein, das bei Aufheizung des Speichers stetig tropft. Um nicht bei einem Rohrbruch in die Trinkwasserleitung zurückgesaugt werden zu können, soll das auslaufende Wasser eine Fallstrecke von mindestens 20 mm überwinden, bevor es in einem Geruchsverschluss aufgefangen und in die Abwasserleitung abgeleitet wird. Das Tropfen kann verhindert werden, wenn zusätzlich ein für Trinkwasser geeignetes Ausgleichsgefäß installiert wird.

Das Fassungsvermögen liegt in der Regel bei wenigstens 30 bis zu 120 Litern für eine größere Wohnung. Ein druckfester Warmwasserspeicher ist üblicherweise teurer als ein druckloser Speicher in ähnlicher Größe. Die Aufstellung erfolgt häufig im Bad, in der Nähe einer wandhängenden Kombitherme als Gruppenversorgung für mehrere Zapfstellen oder im Heizraum beim Heizkessel einer Zentralheizung.

Offene oder drucklose Warmwasserspeicher (Niederdrucksystem) [Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese etwa i. d. R. 5 bis 15 Liter fassenden Speicher versorgen eine einzige Zapfstelle (Einzelversorgung), denn die Absperrarmatur befindet sich in Fließrichtung vor dem Speicher. Um die Belastung des Speichers mit dem Leitungsdruck zu verhindern, darf der Auslauf hinter dem Speicher über keine weitere Absperrung verfügen. Gäbe es mehrere Ausläufe, würde aus ihnen also immer zugleich Wasser fließen.

Um den Absperrhahn für Kalt- und Warmwasser unmittelbar neben dem Auslauf platzieren zu können, werden heute meist spezielle Niederdruck-Mischbatterien verwendet, die über drei Anschlüsse verfügen. Wird der Warmwasserhahn der Mischbatterie geöffnet, so strömt das zufließende kalte Wasser zunächst zum Warmwasserbehälter. Es wird in dessen Bodenbereich eingeleitet und verdrängt das im Behälter befindliche heiße Wasser nach oben (= drucklose Verdrängung) von wo aus es zum offenen Auslauf der Mischbatterie geleitet wird. Drucklose Speicher dürfen nicht mit gewöhnlichen Armaturen mit zwei Anschlüssen verwendet werden, da der Speicher in diesem Fall unter Druck gesetzt und platzen würde.

Es gibt drucklose Warmwasserspeicher für die Montage oberhalb oder unterhalb der Entnahmestelle (Mischbatterie). Sie werden als Oberbau- und Unterbauwarmwasserbereiter bezeichnet. Drucklose Warmwasserbereiter sind relativ einfach aufgebaut und preiswert, da sie nicht dem Wasserdruck der Wasserleitung (bis ca. 10 bar) widerstehen müssen.

Da sich zwischen Warmwasserbereiter und Auslauf kein Absperrventil befinden darf, kann das sich beim Erwärmen ausdehnende Wasser frei über den Auslauf abtropfen. Ein tropfender Wasserhahn während der Aufheizphase des Wasserspeichers bedeutet also nicht, dass eine Undichtigkeit vorliegt.

Besondere Bauarten von drucklosen Speichern verfügen über ein kleines Ausdehnungsgefäß, das die Volumenvergrößerungm des enthaltenen Wassers aufnimmt, um das Tropfen zu vermeiden. Zugleich werden so Rost- und Kalkstreifen im Spülbecken vermieden, die nach längerer Zeit durch eine Fällungsreaktion des Luftsauerstoffs mit dem im Warmwasser gelösten Eisen und Mangan entstehen.

Kalkablagerungen entstehen hauptsächlich bei kohlensäurehaltigen Wässern.

Calciumhydrogencarbonat → Wasser + Kohlendioxid + Calciumcarbonat
Ca(HCO3)2 (Kalk; in Wasser gelöst) → H2O + CO2 (entweicht) + CaCO3 (Kesselstein)

In drucklosen Warmwasserbereitern sammelt sich das Kohlendioxid oben im Behälter und führt nach längerer Nichtbenutzung zum Entweichen von Gas bei der ersten Warmwasserentnahme.

Kochendwassergerät

Kochend-Wasser-Gerät (Boiler)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Sonderform des drucklosen Systems stellt das Kochend-Wasser-Gerät dar. Es ist nicht dafür gedacht, Wasser über längere Zeit warmzuhalten, sondern für den diskontinuierlichen Betrieb, bei dem es erst kurz vor Gebrauch mit Wasser gefüllt wird und dieses erhitzt. Daher ist es nicht gegen Wärmeverluste isoliert und gilt nicht als Speicher. Vorteilhaft ist, dass nur die jeweils benötigte Wassermenge erhitzt und damit Energie gespart wird. Zudem lässt sich das Wasser bis zum Kochen erhitzen und kann unmittelbar zur Bereitung von Tee oder Kaffee genutzt werden. Der Umstand, dass erst dann erhitztes Wasser entnommen werden kann, wenn zuvor eine manuelle Befüllung erfolgte und das Aufheizen abgewartet wurde, verkompliziert die Bedienung. Die umständliche Bedienung führt in der Regel dazu, dass weniger warmes und dafür mehr kaltes Wasser gezapft wird, wodurch sich der Energieverbrauch weiter verringert.

Kochendwassergeräte sind für eine Übertischmontage bestimmt. Sie werden häufig in Altbauten eingesetzt, wo der Wasseranschluß sich in der Wand oberhalb des Spülbeckens befindet.

Effizienz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Elektrisch betriebene Warmwasserspeicher nutzen bei der Erwärmung nahezu 100 % der elektrischen Leistung aus. Verluste entstehen durch den Wärmeübergang durch die thermische Isolierung, sowie bei Untertischgeräten mit aufsteigend verlegten Leitungen auch durch die sich innerhalb des Rohrs des Warmwasseranschlusses ausbildende Zirkulation.

Bei der Beurteilung der Effizienz von strombetriebenen Warmwasserboilern muss berücksichtigt werden, dass die Stromerzeugung je nach Kraftwerkstyp einen sehr unterschiedlichen Wirkungsgrad aufweist. Der von Braunkohlekraftwerken liegt bei weniger als 44 %, während Wasserkraftwerke um 90 % aufweisen. Selbst bei einem höheren Wirkungsgrad ist kritisch zu hinterfragen, den aufwendig produzierten und verteilten elektrischen Strom in das Vorhalten von warmem Wasser über lange Zeiträume zu verwenden. Aus hygienischen Gründen scheidet eine unter 60 °C reduzierte Betriebstemperatur zur Energieeinsparung bei geringem Wasserverbrauch meistens aus, da sich Mikroorganismen und Bakterien (z. B. Legionellen) im unteren Wärmebereich schnell vermehren können.

Die Warmwassererzeugung mittels Elektroenergie ist um ein Vielfaches teurer als bei anderen Verfahren (Fernwärme, Öl, Gas, Biomasse). Daher eignen sich elektrische Warmwasserbereiter nur auf Grund der geringeren Installationskosten und den räumlich begrenzten Wärmeverlusten gegenüber weit entfernten Warmwasserzapfstellen.

Bei seltener Benutzung, aber dauernder Bereitschaft sind die Wärmeverluste erheblich; sie betragen je nach Qualität, Temperatur und Baugröße ca. 10–110 Watt[4] und entsprechen der zum Aufrechterhalten der Temperatur erforderlichen mittleren elektrischen Leistung. Die Stromkosten bei Dauerbetrieb liegen somit zwischen typischen Standby-Leistungen anderer Verbraucher und denjenigen eines Kühlgerätes. Es ist durchaus lohnend, selten genutzte Warmwasserspeicher bei Nichtbenutzung (Feierabend, Urlaub etc.) abzuschalten, den Temperatursollwert zu reduzieren (sofern bakteriologisch unproblematisch) oder auch bei seltener, aber zeitlich bestimmbarer, wiederholender Nutzung durch eine Zeitschaltuhr zu schalten. Allerdings ist dabei auf eine mögliche Frostgefahr zu achten.

Durch die im Betrieb entstehende Ablagerung von Kalk reduziert sich die Leistungsfähigkeit der Boiler. Der Wärmeübergang vom Heizmedium zum Brauchwasser wird durch den Kalk behindert. Durch regelmäßiges Entkalken können messbare Effizienzsteigerungen erzielt werden.

Dimensionierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Dimensionierung von Wärmeerzeugern und Speichern sind (z. B. für Ein- und Mehrfamilienhäuser) die Normen DIN 4708 und DIN EN 12831 zu beachten.[5][6]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wiktionary: Heißwasserbereiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Boiler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Lajos Joos: Energieeinsparung in Gebäuden: Stand der Technik ; Entwicklungstendenzen, Seiten 260ff, Vulkan-Verlag GmbH, 2004
  2. Andreas Weingand: ABC rund ums Wohnmobil: Wohnmobiltechnik verständlich erklärt, 5. Ausgabe, BoD – Books on Demand, 2012, ISBN 978-3-8370-3736-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)
  3. Hängespeicher - Komfort-Flachspeicher, Austria Email
  4. http://www.siemens-home.bsh-group.com/de/produktliste/warmwasser/standspeicher
  5. Warmwasserspeicher: Größe berechnen. Abgerufen am 1. Januar 2017.
  6. Prof. Dr.-Ing. Boris Kruppa: Sanitärtechnik - Wasserversorgung. (PDF; 4,7 MB) (Nicht mehr online verfügbar.) Technische Hochschule Mittelhessen, 5. April 2013, archiviert vom Original am 1. Januar 2017; abgerufen am 1. Januar 2017.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.thm.de