Lexikon > Buchstabe W > Warmwasser-Zirkulationssystem

Warmwasser-Zirkulationssystem

Wenn eine zentrale Warmwasseranlage (mit Wassererwärmung in der Zentralheizungsanlage) einfache Warmwasserleitungen zu den Verbrauchsstellen hat, kann es beim Aufdrehen eines Warmwasserhahnen einige Zeit dauern, bis warmes Wasser kommt. Dies liegt einfach daran, dass die Leitung vom Wärmeerzeuger zur Verbrauchsstelle noch mit kaltem Wasser gefüllt ist. Erst wenn dieses abgeflossen ist, erhält man warmes Wasser – unabhängig von der eingestellten Warmwassertemperatur.

Gegen dieses Problem werden in vielen Gebäuden Zirkulationsleitungen verwendet (siehe Abbildung 1). Hier führt eine Warmwasserleitung vom Wärmeerzeuger zur Verbrauchsstelle, und parallel dazu eine weitere Leitung wieder zurück. (Es gibt auch Inliner-Zirkulationssysteme mit integriertem Rücklaufrohr, sodass man kein separates Rohr hierfür mehr benötigt.) Eine Zirkulationspumpe (meist in der Rückleitung im Heizkeller angebracht) pumpt das Wasser in diesem Kreislauf regelmäßig um (beispielsweise für 5 Minuten einmal pro Stunde), wobei es im Wärmeerzeuger nacherhitzt wird. Mit diesem System bekommt man nach dem Aufdrehen eines Warmwasserhahns schnell warmes Wasser; allenfalls ein kurzes einfach geführtes Leitungsstück führt noch zu einer geringfügigen Verzögerung. Ein solches Zirkulationssystem erhöht den Komfort und spart Wasser, erhöht allerdings den Energieverbrauch (siehe unten).

In vielen Fällen ist die Verwendung eines Zirkulationssystems (oder alternativ einer Rohrbegleitheizung, siehe unten) aus hygienischen Gründen vorgeschrieben – in Deutschland dann, wenn der Rohrleitungsinhalt zwischen dem Warmwasserbereiter und der entferntesten Entnahmestelle größer ist als 3 Liter.

In größeren Gebäuden kann es auch mehrere Zirkulationsstränge geben. Sie können entweder mit separaten Pumpen versorgt werden oder auch mit einer einzigen, wenn das System entsprechend hydraulisch abgeglichen ist.

Früher gab es auch Schwerkraft-Zirkulationssysteme, die keine Pumpe benötigten. Hier trat aber prinzipbedingt ein relativ hoher Temperaturabfall vom Warmwasserbereiter zu den Zapfstellen hin auf, und die Zirkulation konnte nur auftreten, wenn sich das Wasser in der Rückleitung stark abkühlte. (Bei gleichmäßiger Temperatur in allen Leitungen ist keine natürliche Zirkulation möglich.) Deswegen wird diese Technik nicht mehr empfohlen. Die Nachteile überwiegen nämlich bei Weitem dem Vorteil der eingesparten Zirkulationspumpe.

Bei verzweigten Zirkulationssystemen kann das Problem auftreten, dass Teile des Systems mit geringem Strömungswiderstand einen hohen Durchfluss aufweisen, andere Teile dagegen weniger. Dem kann mit einem hydraulischen Abgleich beispielsweise durch reguläre Ventile begegnet werden (was aber nicht einfach ist), oder mit thermostatischen Ventilen oder auch durch Einsatz separater Pumpen in den Strängen.

Bei manchen Systemen gibt es trotz das Zirkulationskreislaufs noch relativ lange Stichleitungen ohne Zirkulation (was zwar nicht den Normen entspricht); dann kann es immer noch relativ lange dauern, bis man nach dem Aufdrehen eines Wasserhahns warmes Wasser bekommt.

Energieverbrauch von Warmwasser-Zirkulationssystemen

Leider können solche Zirkulationssysteme erhebliche energetische Nachteile bringen:

• Die Zirkulationspumpe braucht wertvolle elektrische Energie, solange sie läuft. Bei neuen Pumpen für Einfamilienhäuser liegt die aufgenommene Leistung meist bei 10 bis 30 Watt, bei älteren Pumpen unter Umständen aber erheblich höher und kann die Stromrechnungen dann erheblich erhöhen. (Ein vorgezogener Austausch der Pumpe kann sich u. U. recht schnell amortisieren.) Es gibt ebenfalls Pumpen, die sich über einen integrierten Thermostaten selbst abschalten, sobald eine gewisse Temperatur erreicht ist.

• Solange die Warmwasserleitungen (Vor- und Rückleitungen) warm gehalten werden, verlieren sie ständig Wärme. Im Winter ist diese Wärmeabgabe allerdings nicht unbedingt ein Verlust; sie trägt oft zur Beheizung des Gebäudes bei, soweit die Leitungen weitgehend in beheizten Räumen verlaufen und nicht etwa in ungedämmten Außenwänden. Im Sommer dagegen ist diese Wärme verloren und kann das Haus sogar unerwünscht erwärmen. Die Größe dieses Wärmeverlusts hängt von der Länge der Leitungen, von der Qualität ihrer Wärmedämmung sowie von der Warmwassertemperatur und der Umgebungstemperatur ab. Meist geht es um Energiemengen, die massiv höher sind als der Stromverbrauch der Zirkulationspumpe.
• Beim Betrieb einer thermischen Solaranlage fällt der sommerliche Wärmeverlust der Leitungen natürlich weniger ins Gewicht, da hier häufig ohnehin Wärmeüberschüsse auftreten.
• Wenn eine Zirkulationspumpe ununterbrochen betrieben wird, um das ganze System auf ausreichend hoher Temperatur zur Abtötung von Legionellen zu halten, ist die dafür notwendige Wärmezufuhr mit einer hohen Rücklauftemperatur verbunden. Das schafft ein weiteres Problem:
  • Ohne Zirkulationspumpe hätte man eine relativ stabile Temperaturschichtung im Speicher. Bei Wasserentnahme oben fließt kaltes Wasser von unten nach, aber oben bleibt es vorläufig warm. Der Wärmeerzeuger muss erst wieder loslegen, wenn der Speicher oben zu kalt wird.
  • Eine ständig laufende Zirkulationspumpe zerstört aber nun die genannte Temperaturschichtung: Der Speicher wird dann auch oben bald kälter, selbst wenn nur relativ wenig Wärme entnommen wurde. Der Wärmeerzeuger muss das entsprechend öfters beheben – zwar jedes Mal mit relativ kurzer Laufzeit (weil der Speicher auch unten kaum kälter ist), aber dieser Betrieb ist dann definitiv nicht effizient, insbesondere bei Verwendung einer Wärmepumpe oder einem Brennwertkessel. Das liegt einerseits an den kürzeren Laufzeiten und andererseits an der im Durchschnitt höheren Wassertemperatur im Speicher.

Die Energieverluste von Zirkulationssystemen lassen sich auf verschiedene Weisen wesentlich verringern:

• Beim Bau der Anlage sollte auf möglichst kurze Warmwasserleitungen geachtet werden, die zudem möglichst nicht in Außenwänden (vor allem nicht in ungedämmten) verlaufen sollten. Dies wird erleichtert bei Häusern, in denen mehrere Badezimmer und Küchen direkt übereinander angeordnet sind, und nicht etwa über die ganze Fläche verteilt werden.
• Warmwasserleitungen sollten eine gute Wärmedämmung erhalten. Leider ist dies nicht ganz einfach; insbesondere können an Nahtstellen der Dämmung erhebliche Wärmebrücken auftreten, so dass die Wärmeverluste weitaus größer werden, als man von einer naiven Rechnung unter Verwendung der U-Werte des Isolationsmaterials erwarten würde.
• Die Warmwassertemperatur sollte nicht höher als nötig eingestellt werden. Da zu tiefe Temperaturen die Vermehrung von Legionellen-Bakterien in den Wasserleitungen begünstigen, kann die nötige Temperatur jedoch oft nicht allein nach der für den Gebrauch am Warmwasserhahnen nötigen Temperatur bemessen werden. Allerdings genügt es für die Legionellen-Prophylaxe, dass die Temperatur im System wenige Male täglich für begrenzte Zeit 60 °C erreicht; zu anderen Zeiten kann die Temperatur also auch etwas niedriger gehalten werden. (Es sind ggf. je nach Land auch gesetzliche Vorschriften zu beachten, die wir hier aber nicht diskutieren.)

• Die Zirkulationspumpe sollte nicht ständig arbeiten, was leider in vielen Gebäuden noch der Fall ist. Dies führt zu einem hohen Strombedarf und (meist wichtiger) zu hohen Wärmeverlusten. Energetisch ideal ist es, die Zirkulationspumpe wenige Minuten vor dem Wasserbedarf gezielt für einige Minuten zu aktivieren – durch einen Tastendruck oder einfach durch kurzes Aufdrehen des Warmwasserhahnen. Leider braucht es nach der Aktivierung eine gewisse Zeit (maximal ein paar Minuten), bis die Pumpe das Warmwasser bis zu den Verbrauchsstellen befördert hat, und für Mehrfamilienhäuser ist diese Lösung wenig praktikabel. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Zirkulationspumpe über eine Zeitschaltuhr (oder die Heizungsregelung) gezielt nur zu bestimmten Zeiten zu betreiben, beispielsweise in den frühen Morgenstunden, zur Mittagszeit und nochmals am Abend. Die Ersparnis an elektrischer Energie und Wärme ist so groß, dass die Kosten für diese Maßnahme in kürzester Zeit amortisiert werden können. Es gibt mittlerweile auch "selbstlernende" Pumpenregelungen, die die jeweils sinnvollen Betriebszeiten mit der Zeit anhand des registrierten Benutzerverhaltens automatisch ermitteln. Es ist allerdings zu beachten, dass die zeitweilige Abkühlung der Leitungen das Risiko der Vermehrung von Legionellen im System erhöht. Diesbezüglich günstiger ist es, die Zirkulationspumpe über einen Thermostaten abzuschalten, sobald die Temperatur in der Rücklaufleitung ausreichend hoch ist.
• Natürlich sollte eine Zirkulationspumpe auch korrekt dimensioniert werden. Der Einsatz einer unnötig starken Pumpe erhöht den Stromverbrauch und kann unter Umständen (v. a. Bei Kupferleitungen) auch Probleme durch zu hohe Fließgeschwindigkeiten verursachen.
• Die Wärmeverluste des Zirkulationssystems sind insbesondere im Sommer ungünstig, da sie dann nicht einmal zur Deckungs des Heizbedarfs des Gebäudes beitragen. Jedoch kann eine Anlage für solare Warmwasserbereitung gerade auch solche Verluste mit decken, so dass sie an Bedeutung verlieren.

Wie bereits angesprochen, können die Wärmeverluste eines Zirkulationssystems teilweise der Beheizung des Hauses dienen und sind insofern dann gar nicht als echte Verluste zu betrachten. Welcher Anteil der Verluste aber tatsächlich der Beheizung dient, also eine Reduktion des Heizwärmebedarfs bedeutet, hängt stark von den jeweiligen Umständen ab. Offenkundig ist dieser Effekt nur innerhalb der Heizperiode relevant. Außerdem kommt es darauf an, wohin die entwichene Wärme gelangt. Bei Leitungen in Außenwänden mit guter äußerer Wärmedämmung gelangt der Großteil der Wärme ins Innere, wird also für die Beheizung nützlich. Ohne außen gedämmte Wände, oder gar mit innen gedämmten Wänden, gelangt mehr Wärme nutzlos nach außen. Viele Zirkulationsleitungen liegen auch in Kellerräumen, wo eine zusätzliche Wärmequelle weniger nützlich oder gänzlich nutzlos ist.

Zirkulationssystem und Durchlauferhitzer

Ein Zirkulationssystem verträgt sich in vielen Fällen nicht sehr gut mit einem Durchlauferhitzer. Solange die Zirkulationspumpe läuft, muss der Durchlauferhitzer häufig aktiviert werden, um Wärmeverluste auszugleichen. Es kommt nun darauf an, um welche Art von Durchlauferhitzer es sich handelt:

• Wenn die Erwärmung über die Heizungsanlage (etwa einen Erdgas-Heizkessel) geschieht, wird u. U. der Heizbetrieb ständig unterbrochen (bei Vorrang der Warmwasserbereitung), und der Heizkessel muss häufig auf die nötige (oft höhere) Temperatur hochgefahren werden. Allerdings werden so ohnehin fast nur die kompakten Erdgasthermen betrieben, und bei diesen ist dies aufgrund der geringen thermischen Masse naturgemäß ein geringeres Problem.
• Wenn die Erwärmung über einen elektrischen Durchlauferhitzer geschieht, muss dieser unbedingt thermostatisch geregelt sein, da er sonst viel zu heiß würde, wenn das Zirkulationssystem arbeitet und ihn mit bereits warmem Wasser speist.

In beiden Fällen ist es besonders wichtig, den Betrieb der Zirkulationspumpe über eine Zeitschaltuhr auf nicht zu lange Zeitperioden pro Tag zu beschränken, um den Heizbetrieb nicht zu sehr zu stören.

Störungen bei Zirkulationssystemen

Die Funktion von Zirkulationssystemen kann aus verschiedenen Gründen Störungen aufweisen, die nicht immer ganz einfach zu diagnostizieren sind:

• Eine Zirkulationspumpe oder die zugehörige Steuerung kann ausfallen, so dass die Pumpe nicht oder nicht zu den gewünschten Zeiten läuft. Häufiger dürfte allerdings die Ursache sein, dass eine Steuerung (evtl. nur deren Uhr) falsch eingestellt ist.

• Die Zirkulationspumpe muss mit einem geeigneten Rückschlagventil ausgestattet sein. Dieses soll verhindern, dass bei der Entnahme von Warmwasser (insbesondere in den Stillstandszeiten der Pumpe) kaltes Wasser über die Zirkulationsleitung dem Warmwasser beigemischt wird. (Eine Kreiselpumpe kann sogar beschädigt werden, wenn im ausgeschalteten Zustand ein Wasserdurchfluss erzwungen wird.) Nun kann ein solches Rückschlagventil aber defekt sein oder auch durch Fremdkörper (etwa kleine Rostteilchen aus den Leitungen) funktionsuntüchtig gemacht werden (vor allem bei alten Leitungssystemen z. B. mit verzinkten Rohren, die Korrosion aufweisen). Eine mögliche Folge davon ist, dass dem heißen Wasser dann lauwarmes Wasser beigemischt wird, welches in der falschen Richtung durch die Rückleitung fließt. In anderen Fällen verursacht das Rückschlagventil einen großen Druckverlust, bremst also die Zirkulation zu stark.

• Eine defekte (oder durch Rostteilchen beeinträchtigte) Mischarmatur kann eine Verbindung zwischen Kalt- und Warmwasserleitungen schaffen. Dies kann zur Folge haben, dass die Zirkulationspumpe Wasser auf ungewollten Wegen fördert: über die Warmwasserleitung nach oben, dann durch die defekte Armatur in die Kaltwasserleitung und von dort aus zurück zum Heizkeller. Eine der Folgen ist, dass man dann kurzzeitig warmes Wasser selbst aus dem Kaltwasserhahn bekommt (was sonst nie passieren sollte). Außerdem kann kaltes Wasser ungewollt dem Warmwasser beigemischt werden (selbst bei Entnahme an anderen Stellen), sodass die gewünschte Wassertemperatur am Hahnen nicht mehr erreicht wird. Man sollte darauf reagieren, indem man den Defekt lokalisiert und behebt und nicht einfach die Warmwassertemperatur noch höher einstellt.
• Wenn die Warmwasserbereitung über einen Durchlauferhitzer erfolgt, funktioniert der Zirkulationsbetrieb nur, wenn die Zirkulationspumpe einen ausreichend starken Durchfluss erzeugt. Sonst springt nämlich der Durchlauferhitzer gar nicht erst an, und es wird nur kaltes Wasser umgepumpt. Dieses Problem kann auch entstehen, wenn durch eine defekte Armatur das Wasser auf ungewollten Wegen zirkulieren kann (siehe oben).

Einige dieser Störungen können häufiger auftreten, wenn viele Rost- oder Kalkteilchen im Leitungssystem zirkulieren. Sie können dann auch nach Behebung des Problems am jeweiligen Ort (z. B. in einem Rückschlagventil) bald wieder kommen. Man beachte, dass Komponenten wie Rückschlagventile je nach Bauart sehr unterschiedlich empfindlich auf solche Verschmutzungen reagieren können.

Besiedelung mit Legionellen

Legionellen-Bakterien können nicht nur Warmwasserspeicher besiedeln, sondern sich auch in Warmwassersystemen festsetzen. Dies betrifft nicht nur, aber auch Zirkulationssysteme. Problematisch sind insbesondere Stellen, die über längere Zeit nicht eine ausreichend hohe Temperatur erreichen, um Legionellen abzutöten. Dieses Risiko besteht gerade auch dann, wenn alte Zirkulationsleitungen mangelhaft wärmegedämmt sind, so dass vor allem die Rücklaufleitung nie besonders heiß wird.

Man kann bei Zirkulationssystemen eine thermische Desinfektion versuchen, bei der zum Beispiel eine Stunde lang die Warmwassertemperatur auf 60 °C oder mehr erhöht wird und die Umwälzpumpe andauernd läuft. Allerdings sind solche Maßnahmen nicht immer wirksam. Beispielsweise kann es Leitungsverzweigungen geben, die damit nicht oder nicht ausreichend erhitzt werden. Die Bakterien überleben dann in diesen kühleren Bereichen und können sich von dort neu ausbreiten.

Wegen der Legionellen-Problematik gilt z. B. in Deutschland eine ganze Reihe von Vorschriften betreffend die Pflicht zur Verwendung eines Zirkulationssystems und diverse Details seines Betriebs. Beispielsweise darf das von der Rücklaufleitung zurückkommende Wasser um nicht mehr als 5 Kelvin abgekühlt sein, und die Zirkulationspumpe darf für nicht zu lange Zeiten pro Tag abgeschaltet werden. Leider führt die Einhaltung dieser Vorschriften zu einem erhöhten Energieverbrauch, ohne aber wenigstens die Legionellen-Problematik mit Sicherheit zu beseitigen.

Eine Erhöhung der Warmwassertemperatur kann das Legionellenproblem im Warmwassernetz reduzieren, leider aber gleichzeitig dasselbe Problem in den Kaltwasserleitungen auslösen, wenn diese nahe an den Zirkulationsleitungen verlegt sind, so dass sie von diesen erwärmt werden. Dies gilt insbesondere für ältere Installationen mit schwacher Wärmedämmung der Leitungen.

Elektrische Heizbänder als alternative Lösung

Anstelle von Zirkulationsleitungen werden manchmal elektrische Heizbänder (als Rohrbegleitheizung) verwendet, die die (einfach geführten) Warmwasserleitungen warm halten (etwa über eingebaute Kaltleiter, mit nachlassender Heizleistung bei erreichter Solltemperatur). Diese Lösung erscheint zunächst attraktiv, da nur einfach geführte Wasserleitungen benötigt werden, was Kosten spart und die Wärmeverluste deutlich reduziert. Außerdem wird eine Reihe möglicher Störungen, die für Zirkulationssysteme typisch sind (siehe oben), von vornherein vermieden.

Leider können solche Heizbänder aber zu einem hohen Verbrauch an wertvoller elektrischer Energie führen, wenn die Wärmedämmung der Leitungen nicht sehr gut ist. Wie oben erwähnt, gibt es häufig massive Verluste durch Wärmebrücken, selbst bei an sich ausreichenden Dämmstärken. Zwar sind die gesamten Wärmeverluste geringer, wenn durch eine Zirkulationssystem auf ein Rücklaufrohr verzichtet werden kann. Der Verbrauch an Endenergie kann also deutlich geringer als bei einem Zirkulationssystem sein. Jedoch ist die dafür benötigte elektrische Energie wesentlich wertvoller und teurer als die von einer Heizungsanlage bereitgestellte Wärme (außer natürlich bei Systemen mit elektrischem Durchlauferhitzer oder Elektroboiler); der Primärenergiebedarf ist deswegen in der Regel höher als mit einem Zirkulationssystem. Der entstehende Stromverbrauch kann ohne Weiteres zu einem wesentlichen Teil des gesamten Verbrauchs im Haus werden.

Man beachte auch, dass eine thermische Solaranlage die Wärmeverluste eines Zirkulationssystems mit abdecken kann (soweit genügend Sonneneinstrahlung vorhanden ist), nicht jedoch den Stromverbrauch der genannten Heizbänder verhindern kann.

Verzicht auf ein Zirkulationssystem

Wenn die Leitungslängen zwischen dem Wassererwärmer und den Verbrauchsstellen genügend kurz gehalten werden können, ist auch der Verzicht auf ein Zirkulationssystem möglich. Dies kann auch bei zentraler Warmwasserbereitung gelingen, wenn die mit Warmwasser versorgten Räume in einem kleinen Haus nahe beieinander angeordnet sind und einen entsprechend kleinen Wasserinhalt des Systems ermöglichen.

In größeren Häusern dagegen ist die semi-dezentrale Warmwasserbereitung eine Option. Beispielsweise kann das Warmwasser für jede Wohnung eines Mehrfamilienhauses separat mit einer Gastherme im Badezimmer bereitet werden. Damit ist es aber nicht möglich, beispielsweise eine solare Warmwasserbereitung zu realisieren. Dies erlaubt der alternative Ansatz, dezentrale Frischwasserstationen zu verwenden, die zentral mit Heizungswasser versorgt werden.

Ansonsten könnte man im Prinzip eine völlig dezentrale Lösung wählen – mit einem Elektroboiler an jeder Stelle, wo warmes Wasser benötigt wird. Dann kann man aber nur elektrische Energie nutzen, was nicht sehr effizient ist – außer, wenn die Warmwassermengen recht gering sind und das Gerät eine sehr gute Wärmedämmung hat, um die Bereitschaftsverluste niedrig zu halten.

Probleme für Warmwasser-Abrechnungen

In Mehrfamilienhäusern sollten die Kostenabrechnungen für Warmwasser zumindest zum Teil auf den gemessenen Wassermengen basieren. Diese Messung wird aber schwierig oder zumindest aufwendig, wenn jeder Haushalt das Warmwasser durch mehrere Abzweigungen an einem gemeinsamen Zirkulationssystem bezieht. Dann wird es nämlich notwendig, in jede dieser Abzweigungen einen Wasserzähler einzubauen. Dies verursacht erhebliche Kosten bei der Installation und erhöht auch den Aufwand der Zählerablesungen.

Leider ist es nicht praktikabel, Wasserzähler innerhalb der Zirkulationsleitung zu platzieren, um die Summe aller Abzweigungen zwischen jeweils zwei solchen Zählern durch eine Differenzmessung zu ermitteln. Da nämlich die umgewälzten Wassermengen meist viel größer sind als die bezogenen Wassermengen, wirken sich schon kleine Messfehler der Zähler massiv auf die Genauigkeit der Differenzwerte aus. Zudem würde der Dauerbetrieb der Zirkulation die Zähler sehr stark beanspruchen.

Wenn nur ein Zähler für Warmwasser in der Kaltwasserzuleitung des Warmwasserbereiters (oder auch in der Warmwasserleitung nach diesem) liegt, ist eine getrennte Ermittlung der Verbräuche verschiedener Parteien natürlich nicht möglich.

Siehe auch: Warmwasser