Grundlagen/Brauchwasser

Brauchwasser – auch Trinkwarmwasser – ist das erwärmte Trinkwasser für Duschen, Waschen und Küche. Sein Wärmebedarf hängt nicht vom Wetter ab, sondern von den Menschen im Gebäude: Er fällt in kurzen Spitzen an, morgens und abends gehäuft, und verlangt höhere Temperaturen als eine moderne Heizung. Damit prägt er die Wahl des Speichers und die Arbeitsweise der Erzeuger stärker, als sein Anteil an der Jahresmenge vermuten lässt. Diese Seite erklärt, woraus sich der Wärmebedarf des Brauchwassers zusammensetzt – Zapfung, Zirkulation, Speicher und Desinfektion –, wie EPOS-Plan daraus Stunde für Stunde einen Bedarfskanal bildet und worauf es bei der Planung ankommt. Die Bedienung beschreibt Programm Dokumentation/Brauchwasser, die Zapfprofile nach VDI 6002 die Seite Brauchwasser-Zapfprofile.

Worum es geht

Die Wärme für Brauchwasser folgt aus Menge und Temperaturhub:

$Q=V\cdot c_{\mathrm{w}}\cdot ({\vartheta }_{\mathrm{Z}\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{f}}-{\vartheta }_{\mathrm{K}\mathrm{W}})$

$V$ – gezapfte Menge [l]

$c_{\mathrm{w}}$ – spezifische Wärmekapazität von Wasser, rund 1,163 [Wh/(l·K)]

${\vartheta }_{\mathrm{Z}\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{f}}$, ${\vartheta }_{\mathrm{K}\mathrm{W}}$ – Zapf- und Kaltwassertemperatur [°C]

Ein Bewohner, der am Tag 40 Liter mit 60 °C aus 10 °C kaltem Wasser zapft, braucht damit rund $40\cdot \mathrm{1,163}\cdot 50\approx 2300$ Wh am Tag, gut 0,8 MWh im Jahr. Dazu kommen Verluste: der Speicher kühlt aus, und eine Zirkulation hält das Warmwasser in den Leitungen auf Temperatur, damit es an jeder Zapfstelle sofort ankommt. In großen Gebäuden mit langen Leitungen erreicht die Zirkulation einen erheblichen Teil der Nutzwärme.

Weil die Zapfung in Spitzen kommt, die Erzeuger aber gleichmäßig arbeiten sollen, steht fast immer ein Speicher dazwischen: ein Trinkwasserspeicher, ein Pufferspeicher mit Frischwasserstation, die das Trinkwasser erst im Durchfluss erwärmt, oder ein Kombispeicher, der Heizung und Warmwasser aus einem Vorrat bedient. Für Großanlagen gelten die Hygieneregeln des DVGW-Arbeitsblatts W 551; die Temperatur am Speicheraustritt und im Zirkulationsrücklauf darf dort nicht beliebig sinken.

Woraus der Wärmebedarf besteht

Der Wärmebedarf des Brauchwassers hat vier Teile, die sich in ihrem zeitlichen Verlauf grundverschieden verhalten:

• Die Zapfung ist die Wärme, die mit dem warmen Wasser die Zapfstelle verlässt. Sie folgt den Gewohnheiten der Nutzer, mit Spitzen am Morgen und am Abend, mit anderen Tagen am Wochenende und mit Ferien, und sie hängt über das Kaltwasser leicht von der Jahreszeit ab: Im Sommer kommt das Wasser wärmer aus dem Netz, und derselbe Liter braucht weniger Wärme.
• Die Zirkulation ersetzt die Wärme, die das Warmwasser in den Leitungen an die Umgebung verliert. Ihr Verlust hängt von Leitungslänge, Dämmung und Temperatur ab, nicht von der Zapfung, und fällt in allen Stunden an, in denen die Zirkulationspumpe läuft. Grob gilt $Q_{\mathrm{Z}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{k}}=q_{\mathrm{L}}\cdot L\cdot t$ mit dem Wärmeverlust je Meter $q_{\mathrm{L}}$, der Leitungslänge $L$ und der Laufzeit $t$.
• Der Speicher verliert über seine Oberfläche Wärme, auch wenn niemand zapft. EPOS-Plan rechnet diesen Verlust beim Pufferspeicher, nicht im Bedarf (Pufferspeicher).
• Die thermische Desinfektion heizt den Speicher in festen Abständen über seine Betriebstemperatur auf, damit Legionellen absterben.

Beispiel. In einem Mehrfamilienhaus mit 40 Bewohnern und einer Zirkulation, die mit 1 kW Verlust rund um die Uhr läuft (Beispielwert; der Verlust hängt an Leitungslänge und Dämmung), steht der Zapfung von rund 24 MWh im Jahr eine Zirkulation von 1 × 24 × 365 / 1 000 = 8,8 MWh gegenüber – mehr als ein Viertel des Brauchwasserbedarfs, und im Sommer, wenn weniger gezapft wird, ein noch größerer Teil.

Temperaturen und Bedarfskennwerte

Bedarfskennwerte für Brauchwasser werden als Liter oder Kilowattstunden je Person, Bett, Zimmer oder Nutzer und Tag angegeben, immer zu einem Paar aus Zapf- und Kaltwassertemperatur. Die Monatswerte des mitgelieferten Katalogs der Bestandsprofile beziehen sich auf 60/10 °C; der Zusammenhang zwischen spezifischer Zapfmenge und Jahresmenge ist

$Q_{\mathrm{a},\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{z}}=\frac{V_{\mathrm{Z}}\cdot 365\cdot 50\mathrm{K}\cdot \mathrm{1,163}\mathrm{W}\mathrm{h}/\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{K}\mathrm{)}}{10^6}$ in MWh je Einheit und Jahr,

mit der Zapfmenge $V_{\mathrm{Z}}$ in Litern je Einheit und Tag. Für Hotel, Büro, Sportstätte und Schule, für die VDI 6002 keinen Jahresgang vorgibt, bildet der Katalog den Monatsgang aus einem Nutzungsfaktor und einem Kaltwasserfaktor, der aus einer gedämpften Wärmewelle im Erdreich in 2 m Tiefe folgt und von 1,083 im Februar bis 0,917 im August läuft; die Profile nach VDI 6002 sind Messwerte und enthalten den Effekt schon. Wer mit einer anderen Spreizung rechnet, etwa 55/10 °C, ändert die Monatswerte, denn der Rechenweg der Bestandsprofile selbst kennt keine Temperatur.

Beispiel. 30 Liter je Person und Tag bei 60/10 °C ergeben 30 × 365 × 50 × 1,163 / 10⁶ = 0,64 MWh je Person und Jahr; bei 55 °C Zapftemperatur wären es mit 45 K nur 0,57 MWh. Der Zapfprofilgenerator führt für die Nutzungsart „Wohnen groß“ im Bedarfsniveau mittel 1,62 kWh je Person und Tag, bezogen auf 60/12 °C – rund 29 Liter.

So rechnet EPOS-Plan

EPOS-Plan führt das Brauchwasser als eigenen Wärmekanal neben Heizung und Prozesswärme, Stunde für Stunde über ein Jahr. Den Bedarf liefert einer von zwei Wegen:

• Bestandsprofile – ein Profil aus dem Katalog mit zwölf Monatswerten und einem Wochengang aus 168 Stundenwerten, skaliert auf den Jahresverbrauch. Das ergibt geglättete Stundenmittel.
• Zapfprofil – Nutzungszonen mit Nutzungsart und Bezugsgröße, etwa Wohnungen, Hotelzimmer oder Beschäftigte. Der Generator bildet daraus Tagesbedarf, Tagesgang und Jahresgang, auf Wunsch aus gezogenen Zapfereignissen, und rechnet die Zirkulation als eigene Teilreihe (Zapfprofile nach VDI 6002).

Auf beiden Wegen liegt der Wochengang auf dem Wochentagsraster der Klimaregion; Feiertage zählen im Zapfprofil wie ein Sonntag, ein Betriebskalender legt Feiertage und Ferien auf die Bestandsprofile. Die Zirkulation kommt als eigene Teilreihe hinzu, die thermische Desinfektion als eigener Posten.

Vom Bestandsprofil zur Jahresreihe

Auf dem Weg der Bestandsprofile holt der Lauf alle dem Projekt zugeordneten Profile und rechnet sie nacheinander in denselben Kanal; die Stundenwerte addieren sich. Hat das Projekt eine eigene Jahressumme, werden die zwölf Monatswerte linear darauf skaliert, die Verteilung bleibt. Dann legt der Lauf das Wochenprofil ab dem Wochentag des 1. Januar fortlaufend über das Jahr und normiert monatsweise:

$x(t)=P_{\mathrm{W}}((24w+t)mod168)Q(t)=\frac{x(t)}{S(m)}\cdot Q_{\mathrm{M}}(m)S(m)=\sum _{t\in m}x(t)$

mit dem Wochenprofil $P_{\mathrm{W}}$, dem Wochentag $w$ des 1. Januar, dem Monatswert $Q_{\mathrm{M}}(m)$ und der Summe $S(m)$ der gekachelten Werte des Monats. Daraus folgt zweierlei: Die Skala des Wochenprofils ist frei – ob seine 168 Werte in Prozent, Litern oder Kilowattstunden stehen, ändert nichts, denn es zählt nur das Verhältnis der Werte zueinander –, und die Monatswerte bestimmen allein die Energiemenge. Ein Betriebskalender ersetzt vor der Normierung einzelne Tage: Ein Feiertag trägt die Werte des Sonntags, ein Ferientag das Tagesmittel der Woche mal einem Ferienfaktor. Weil danach monatsweise normiert wird, verschiebt der Kalender nur die Verteilung innerhalb des Monats; die Monatsmenge bleibt.

Oben links das Wochenprofil mit 168 Stundenwerten (die Form), oben rechts die zwölf Monatswerte (die Menge), unten die Stundenwerte einer Januar- und einer Juliwoche nach Kacheln und Normierung. Prinzipbild mit Form und Monatsgang nach VDI 6002 Blatt 1, 24 MWh im Jahr.

Beispiel. Ein Profil mit 24 MWh im Jahr trägt im Januar den Monatswert 2,37 MWh. Der Januar hat mit dem 1. Januar als Montag vier volle Wochen und dazu Montag bis Mittwoch; die gekachelten Prozentwerte summieren sich auf 442. Die Stunde Montag 7 Uhr hat im Wochenprofil 1,07 Prozent und bekommt 1,07 / 442 × 2 370 = 5,7 kWh. Dieselbe Form trägt im Juli nur 1,58 MWh: Jede Stunde sinkt im Verhältnis der Monatswerte, die Spitze am Sonntag um 11 Uhr von 8,1 auf 5,4 kWh, und sie bleibt an derselben Stelle.

Der mitgelieferte Katalog führt elf Wochen-Stundenprofile und dreizehn Monatswertsätze. Vier davon sind Normdaten aus VDI 6002 Blatt 1 und Blatt 2 und schreibgeschützt – Wohnen groß, Studentenwohnheim, Seniorenheim und Krankenhaus –, die übrigen sind frei änderbare Profile, etwa für Ein- und Mehrfamilienhaus, Hotel, Pflegeheim, Büro, Sportstätte und Schule.

Zirkulation, Desinfektion und Netzverluste

Zirkulation. Führt die Simulationskonfiguration eine Zirkulationsleistung $P_{\mathrm{z}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{k}}$ und eine Laufzeit $t_{\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{u}\mathrm{f}}$ in Stunden je Tag, kommt auf den Brauchwasserkanal eine eigene Teilreihe: in $t_{\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{u}\mathrm{f}}$ zusammenhängenden Stunden um die Tagesmitte der Zapfung die Leistung $P_{\mathrm{z}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{k}}$, sonst null. Ihre Jahresmenge ist $P_{\mathrm{z}\mathrm{i}\mathrm{r}\mathrm{k}}\cdot t_{\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{u}\mathrm{f}}\cdot 365$; das Ergebnis weist sie als „davon Zirkulation“ aus. Der Zapfprofilgenerator schätzt die Leistung wahlweise aus Leitungslänge und spezifischem Verlust, als Anteil am Tagesbedarf oder über einen Flächenkennwert. Verteilverluste der Trinkwassererwärmung behandeln DIN EN 15316-3 (Raumheizungs- und Trinkwasser-Verteilsysteme) und DIN V 18599-8 (Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungssystemen).

Thermische Desinfektion. Mit eingeschalteter Desinfektion heizt der Lauf den Brauchwasserspeicher in festen Abständen von seiner Solltemperatur auf die Zieltemperatur. Ein Ereignis kostet

$Q_{\mathrm{D}}=\frac{V_{\mathrm{D}}\cdot \mathrm{1,163}\cdot ({\vartheta }_{\mathrm{Z}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}}-{\vartheta }_{\mathrm{S}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}})}{1000}$ in kWh

mit dem aufgeheizten Volumen $V_{\mathrm{D}}$. Der Posten steht an jedem n-ten Tag in der gewählten Stunde im Kanal und sieht nur Erzeuger, die die Zieltemperatur erreichen: einen Kessel oder ein BHKW mit genügend hohem Vorlauf, eine Wärmepumpe, deren Kennlinie ihn erreicht, ihren Heizstab oder einen Brauchwasserspeicher, den eine solche Anlage lädt. Was keiner deckt, deckt ein Zusatzstrom mit dem Wirkungsgrad 1; er steht im Reststrom und als Warnung im Protokoll.

Netzverluste. Rechnet das Projekt Verluste eines Wärmenetzes, bekommt auch der Brauchwasserkanal seinen Anteil; die Erzeuger rechnen mit diesem Stundenvektor, nicht mit der ausgewiesenen Jahresmenge vor den Netzverlusten. Die Desinfektion kommt danach hinzu, weil sie ein Aufheizen des Speichers ist und kein Verteilverlust.

Beispiel. Ein Speicher mit 500 Litern wird einmal je Woche von 60 auf 70 °C aufgeheizt: 500 × 1,163 × 10 / 1 000 = 5,8 kWh je Ereignis, 52 Ereignisse und 0,3 MWh im Jahr. Liefert eine Wärmepumpe nur 55 °C Vorlauf und gibt es keinen Heizstab, deckt diese 0,3 MWh der Zusatzstrom.

Deckung am Speicher

Gedeckt wird der Kanal von den Erzeugern, deren Wärmesenke ihn bedient – direkt oder über einen Brauchwasser- oder Kombispeicher. Die Temperatur wirkt am Speicher: Ein geschichteter Speicher gibt an das Brauchwasser nur aus warmen Schichten ab, ein Frischwassermodul nur, solange oben die Zapftemperatur plus Grädigkeit anliegt.

Prinzipbild: Kessel und Wärmepumpe laden einen Kombispeicher, das Frischwassermodul zapft oben, die Zirkulation läuft zum Modul zurück.

Prinzipbild: derselbe Tagesbedarf als Stundenmittel des Bestandsprofils und als eine Realisierung des Zapfprofils.

Für die Erzeuger heißt das: Die Wärmepumpe lädt den Speicher am Vorlauf der Trinkwassererwärmung, wenn ihr Heizvorlauf nicht reicht, und eine Nachheizung übernimmt den Rest bis zum Sollwert (Wärmepumpe mit Trinkwassererwärmung); Kessel und BHKW decken den Kanal bei der Senkenart „beides“ mit Vorrang vor der Heizung. Im Sommer ist das Brauchwasser oft der einzige Abnehmer und bestimmt damit, ob ein BHKW über seiner Untergrenze bleibt und ob die Solarthermie ihren Ertrag loswird.

Eingaben und Wirkung

Eingabe	Wirkung
Profil und Jahresverbrauch	Menge und zeitlicher Verlauf des Bedarfs auf dem Weg der Bestandsprofile
Nutzungszonen des Zapfprofils	Menge, Tagesgang und Spitzen aus Nutzung und Bezugsgröße
Zirkulation	eine Dauerlast in den Laufstunden, unabhängig von der Zapfung
Thermische Desinfektion	regelmäßiges Aufheizen des Speichervolumens auf die Zieltemperatur
Wärmesenke der Erzeuger	wer das Brauchwasser deckt, direkt oder über welchen Speicher
Nutzung, Schichtung und Frischwassermodul des Speichers	aus welchem Vorrat und ab welcher Temperatur gezapft wird
Betriebskalender	Feiertage und Ferien auf den Bestandsprofilen; verschiebt die Verteilung im Monat, nicht die Monatsmenge

Zahlenbeispiel: Mehrfamilienhaus

Ein Mehrfamilienhaus mit 20 Wohnungen und 40 Bewohnern, ein Speicher mit 500 Litern und eine Zirkulation mit 1 kW rund um die Uhr; runde Werte zum Nachrechnen.

Posten	Rechnung	im Jahr
Zapfung	40 Personen × 1,62 kWh × 365 Tage	23,6 MWh
Zirkulation	1 kW × 24 h × 365 Tage	8,8 MWh
Desinfektion	52 × 500 l × 1,163 × 10 K	0,3 MWh
Brauchwasserkanal	Summe vor Netzverlusten	32,7 MWh

Die Zirkulation trägt ein gutes Viertel. Im Stundenbild liegt sie als Sockel von 1 kWh unter den Zapfspitzen; in einer Werktagsstunde am Abend mit 8 Prozent der Tagesmenge kommen auf die 1 kWh Zirkulation 0,08 × 64,8 = 5,2 kWh Zapfung. Für die Jahresbilanz genügen diese Stundenmittel; für Speicher und Ladeleistung zählen die Spitzen innerhalb der Stunde, die der Zapfprofilgenerator rechnet (Summenlinie und Speicher).

Fallstricke

• Der Jahresanteil täuscht. Brauchwasser ist oft der kleinere Teil der Jahreswärme, bestimmt aber Speichergröße, Spitzenleistung und das Temperaturniveau, auf dem ein Erzeuger arbeiten muss.
• Hohe Temperatur kostet Wärmepumpen Effizienz. Je höher der Vorlauf für das Warmwasser, desto kleiner die Leistungszahl; ein Kombispeicher mit Nachheizung oben oder ein Booster hält die Hauptwärmepumpe auf niedrigem Niveau.
• Zirkulation unterschätzt. In weitläufigen Gebäuden kann sie mehr Wärme brauchen als erwartet; sie gehört als eigene Größe in die Rechnung.
• Stundenmittel glätten. Für die Jahresbilanz genügen sie, für Speicher- und Leistungsauslegung zählen die Spitzen des Zapfprofils.
• Die Temperatur steckt in den Monatswerten. Der Weg der Bestandsprofile rechnet mit Energiemengen; wer mit anderer Zapf- oder Kaltwassertemperatur plant, passt die Monatswerte oder die Jahressumme an.

Weiterführend

• Brauchwasser – Bedienung: Profile, Jahresverbrauch und Einbindung in die Anlage
• Brauchwasser-Zapfprofil – Nutzungszonen, Auslegung und Katalog der Nutzungsarten
• Zapfprofile nach VDI 6002 – Zapfereignisse, Gleichzeitigkeit und Speicherauslegung
• Pufferspeicher – Schichtung, Kapazität und Schaltschwellen
• Hydraulikschemata – Brauchwasser und Prozesswärme als Wärmesenken
• Berechnung: Brauchwasser – der Rechenweg der Bestandsprofile

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung