Nacherhitzen auf höhere Temperatur und guten Wirkungsgrad - mit der eXergiemaschine
In Neubauten spielt der Warmwasserbedarf eine große Rolle, denn wegen einer guten Wärmedämmung und wirkungsvoller Flächenheizungen (Niedertemperaturheizung) kommen moderne Wohngebäude mit wenig Energie zum Heizen aus. Der Bedarf an Warmwasser für das Waschen, Duschen oder Baden ist heute jedoch ähnlich hoch wie früher. Dadurch hat die Warmwasserbereitung in Neubauten einen höheren Anteil am Gesamtwärmebedarf eines Wohngebäudes als bei einem Altbau. Es ist daher sinnvoll, die Raumheizung und Warmwasserbereitung separat zu betrachten.
Heizungswärmepumpe für die Niedertemperaturheizung
Viele moderne Wohngebäude werden mit einer Wärmepumpe oder von einer Kombination aus Wärmepumpe und Solaranlage bzw. PVT-Anlage beheizt. Die Heizkreise – hier oft mit einer Niedertemperaturheizung wie z.B. Fußboden- bzw. Flächenheizung – erfordern meistens nur eine Vorlauftemperatur von ca. 35 °C, die von Wärmepumpe und Solarthermie effizient bereitgestellt werden kann.
Warmwassersystem benötigt höhere Temperaturen
Die Warmwassersysteme in einem Mehrfamilienhaus müssen hygienisch betrieben werden; eine Gefährdung durch Legionellen ist zu vermeiden. Die Warmwasserbereitung in Neubauten erfordert somit hohe Temperaturen im Warmwassersystem von typischerweise 60 °C. Eine Heizungswärmepumpe, die 60 °C für die Warmwasserbereitung bereitstellt, arbeitet allerdings äußerst ineffizient.
Damit die Heizungswärmepumpe in ihrem idealen Betriebsbereich arbeiten darf und nur etwa 35 °C bereitstellen muss, ist ein Nacherhitzer für das Warmwassersystem nötig. Ein Nacherhitzen mit einem elektrischen Durchlauferhitzer oder einem Elektroheizstab würde aber bedeuten, dass mit einer Kilowattstunde Elektrizität „nur“ etwa eine Kilowattstunde Wärme erzeugt wird. Mit ebenso schlechtem Wirkungsgrad und zudem mit lokalen Emissionen verbunden ist das Nacherhitzen mit einem Gas- oder Ölbrenner. Doch es gibt eine ressourcenschonende Lösung:
Energiesparend Nacherhitzen mit der eXergiemaschine
Die eXergiemaschine ist eine Art Wärmepumpe, aber eine sehr spezielle. Im Gegensatz zu Heizungswärmepumpen arbeitet die eXergiemaschine in einem höheren Temperaturbereich und kann in einem Umlauf einen großen Temperaturhub realisieren. In einem Wohnhaus kann sie einen Teil der Wärme, welche die Heizungswärmepumpe liefert, auf eine Temperatur über 60 °C anheben. Diesen Temperaturhub erledigt die eXergiemaschine mit einem COP (Coefficient of Performance) von etwa 5. Für jede Kilowattstunde Strom liefert die eXergiemaschine also etwa fünf Kilowattstunden Wärme. Das ist fünfmal so effizient wie das Nacherhitzen mit dem Elektroheizstab. Mit der eXergiemaschine wird also mit einem geringen Energieeinsatz ein Temperaturniveau erreicht, das hoch genug ist für eine hygienische Warmwasserbereitung.
Nacherhitzer im Vergleich
| eXergiemaschine | Gasbrenner | E-Heizstab | ||
|---|---|---|---|---|
| Wirkungsgrad (COP, höher ist besser) | etwa 4–6 | etwa 0,95 | etwa 1 | |
| Betriebskosten | gering (niedriger Strombedarf) | hoch (Gaspreis) | hoch (hoher Strombedarf) | |
| Klimafreundlichkeit | hoch mit Ökostrom / eigenem PV-Strom | schlecht (CO2-Ausstoß) | hoch mit Ökostrom / eigenem PV-Strom | |
| Platz / Anschluss | kompakt, Anschluss an Heizspeicher mit vier Leitungen | Gasleitung und Kamin nötig | sehr platzsparend, einfacher Anschluss | |
Die eXergiemaschine als „Add-on-Wärmepumpe“
Die eXergiemaschine (eXm) ist eine ganz spezielle Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die für hohe Quellentemperaturen bis 55 °C und für hohe Temperaturhübe konzipiert ist. Die eXm wird mit einem Heizungspufferspeicher (auch Heizspeicher oder Wärmespeicher genannt) kombiniert und stellt in dem Speicher eine optimierte Temperaturschichtung her: einen heißen Vorlauf zu den Verbrauchern und einen kühlen Rücklauf zur Wärmequelle. Das geschieht unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dazu entnimmt die eXm über zwei separat regelbare Kreisläufe auf mittlerem Temperaturniveau Wasser aus dem Heizspeicher. Ein Kreislauf erhitzt das Wasser, bevor es in den heißen Teil des Speichers gelangt. Der andere Kreislauf kühlt das Wasser und führt es danach in den kühlsten Speicherbereich. So erzeugt die eXergiemaschine bspw. heißes Heizwasser für die Warmwasserbereitung und sorgt für einen kühlen Rücklauf zu Wärmequellen.
Empfehlung für Planer und Bauherren
Bei der Konzeption von Heizsystemen mit Wärmepumpen und Niedertemperaturheizung kann die getrennte Betrachtung der Raumheizung und der Warmwasserbereitung in Neubauten helfen, die Energieeffizienz deutlich zu steigern. Muss eine Heizungswärmepumpe stets nur die Niedertemperaturheizkreise bedienen und etwa 35 °C liefern, kann sie in einem idealen Betriebsbereich arbeiten. Möglich ist dies, wenn der Teil der Wärme, der zur hygienischen Warmwassererzeugung benötigt wird, von einem separaten, energieeffizienten Nacherhitzer auf hohem Temperaturniveau bereitgestellt wird. Die eXergiemaschine ist ein Nacherhitzer, der den erforderlichen Temperaturhub mit einem COP von etwa 5 bewirkt.
Die Kombination von Heizungswärmepumpe und eXergiemaschine sorgt daher in Neubauten mit einer Niedertemperaturheizung oft für eine viel bessere Systemjahresarbeitszahl, obwohl die eXergiemaschine einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher darstellt. Die folgenden Beispiele stellen Systeme vor, bei denen die eXergiemaschine erfolgreich und energieeffizient als Nacherhitzer zur Warmwassererzeugung im Neubau eingesetzt wird.
Referenzbeispiele: Anwendungen der eXergiemaschine in Neubauten
1. Komfort-Heizung im Mehrfamilienhaus
Anforderung: hohe Vorlauftemperatur für das Warmwassersystem zugunsten hoher Hygiene
Bei diesem Mehrfamilienhaus in Weil im Schönbuch sind eine Wärmepumpe, eine eXergiemaschine-pro und Wohnungsstationen verbaut. Das System bietet behagliche Wärme über Fußbodenheizungen sowie hygienisches Warmwasser zu geringen Betriebskosten
Ergebnis: Für hohe Wirtschaftlichkeit sorgt die separate Betrachtung von Heizungswärme und Warmwasserbereitung: Die Heizungswärmepumpe muss nur die Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung liefern, die hohen Temperaturen zur Warmwassererzeugung stellt die eXergiemaschine bereit. Für das Warmwassersystem muss nur ein Teil der Wärme nacherhitzt werden.
2. Exergiesystem minimiert Energieeinsatz in Passivhaus-Neubauten
Anlage: Wärmepumpe + Solaranlage + eXergiemaschine-pro
Ergebnis: Heizung mit hoher Effizienz und hygienischer Warmwasserbereitung
Die von der Morscher Bau- und Projektmanagement GmbH errichtete Wohnanlage besteht aus Passivhäusern mit insgesamt etwa 3.200 m² Wohnfläche. Jedes Gebäude nutzt eine Erdsonden-Wärmepumpe und eine Solaranlage; in jedem Haus sind ein Hoch- und ein Niedertemperatur-Wärmespeicher aufgestellt. Eine 10-kW-eXergiemaschine und ein Systemregler VarCon380 optimieren die Wärmetechnik. Die eXergiemaschine hebt einen Teil der von der Wärmepumpe gelieferte Energie von 35 auf über 60 °C an. So erfolgt das Bereitstellen von Warmwasser effektiv und die Heizungswärmepumpe und die Solaranlage arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, weil sie von einem kühlen Rücklauf profitieren.
FAQs zur Warmwasserbereitung im Neubau mit der eXergiemaschine
Als Nacherhitzer bewirkt die eXergiemaschine, dass die Heizungswärmepumpe in einem idealen Betriebsbereich arbeiten darf. Muss diese nur Temperaturen von z.B. 36 °C bereitstellen, geschieht dies mit hohem Wirkungsgrad (COP, Coefficient of Performance). Hohe Temperaturen von 60 °C und mehr könnte die Heizungswärmepumpe nur mit einem schlechten COP erreichen. Die eXergiemaschine hingegen kann das von der Heizungswärmepumpe gelieferte Temperaturniveau mit einem guten COP von etwa 5 auf z.B. 65 °C anheben und in einem Heizspeicher bereitstellen.
Nein, die eXergiemaschine hat eine interne Regelung. Die eXergiemaschine arbeitet immer dann, wenn die Zielwerte für Temperaturen im Heizspeicher verletzt werden. Ist es zum Beispiel im heißen Bereich des Heizspeichers kühler als gute 60 °C, würde dies nicht ausreichen, um 60 Grad heißes Warmwasser im Durchflussprinzip zu erzeugen. Dann belädt die eXergiemaschine den Speicher wieder mit Hochtemperaturwärme.
Die eXergiemaschine benötigt eine Wandmontage bzw. einen Stellplatz, einen Wechsel- oder Drehstrom-Stromanschluss und wird mit vier Leitungen mit dem Heizspeicher verbunden. Außerdem sind Kabel erforderlich, um die Temperaturfühler am Heizspeicher auslesen zu können. Die Standausführung benötigt nicht mehr Stellfläche als ein normaler Kühlschrank, wobei natürlich Platz für die Anschlussleitungen und die Wartungsarbeiten vorzusehen ist.
