Bereich 9: Zirkulation

8. Januar 2021
TechnikSolarthermie AufbauZirkulation

Allgemeine Merkmale

Zum Bereich "Zirkulation" gehören die Zirkulationsleitung inklusive Zirkulationspumpe und Armaturen sowie die Anbindung an die Wärmespeicherung.

Hinweis: Die Versorgungssicherheit muss in allen Betriebszuständen sichergestellt werden. Die Auslegung der (konventionellen) Bereitstellungstechnik inklusive Wärmeverteilung ist entsprechend den anerkannten Regeln der Technik vorzunehmen. An dieser Stelle werden vornehmlich nur die für die Auslegung der Solaranlage wichtigen Größen beschrieben. Die Anwendung und Beachtung dieser Ausführungen entbindet den Bauausführenden deshalb nicht von der Notwendigkeit einer fachgerechten gebäudetechnischen Planung.

Auslegung und Detailplanung

Ziel der Planung sollte es sein, die Wärmeverluste durch Zirkulation zu minimieren und gleichzeitig für die Solaranlage möglichst niedrige Temperaturen bereitzustellen. Dazu sind die folgenden vier Aspekte zu berücksichtigen:

  1. Zirkulationsleitungen bereits während der Planung optimieren, d. h. Leitungen nicht länger und dicker als nötig
  2. Zirkulationsleitungen solaroptimiert in den Speicher zurückführen
  3. Bereits bestehende Leitungen lückenlos und ausreichend dämmen
  4. Wärmeverluste durch Steuerung der Pumpe weiter reduzieren

Warum Zirkulationsverluste berücksichtigen?

Zirkulationsleitungen und deren Verluste können wie ein eigenständiger Wärmeverbraucher betrachtet werden. Sie erhöhen den Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung und müssen bei der Ermittlung des Gesamtwärmebedarfs berücksichtigt werden. Andernfalls kann es zu einer Über- oder Unterdimensionierung des Solarsystems kommen und Einsparpotenziale können nicht ausgeschöpft werden.

Warum Zirkulationsverluste in Bestandsgebäuden möglichst messen?

Zirkulationsverluste hängen von der Länge der Zirkulationsleitung, der Qualität der Dämmung sowie von Laufzeit und Volumenstrom der Zirkulationspumpe ab. Häufig existieren darüber im Bestand nur ungenaue Informationen, sodass eine einfache Berechnung nicht möglich ist.

Zirkulationsverluste in Bestandsgebäuden sollten deshalb im Planungsprozess möglichst gemessen werden, um Ansatzpunkte für Optimierungspotenziale zu erhalten. Ist eine Messung nicht möglich, müssen sie geschätzt werden.

Wie lassen sich Wärmeverluste abschätzen?

Zirkulationsverluste einer ausreichend gedämmten Leitung können zu circa 10 W/m geschätzt werden. Bei schlechter Wärmedämmung können sie auch leicht bei 20 W/m und darüber liegen.
Ansatzweise kann die täglich aufzuwendende Energie für Zirkulationsverluste in Wohngebäuden in erster Näherung mit 50 % des Energiebedarfs eines sommerlichen Schwachlasttags angesetzt werden. Beträgt der Gasverbrauch an einem sommerlichen Schwachlasttag also 2 m³ (20 kWh), so kann von einem Zirkulationsanteil von 10 kWh ausgegangen werden. Das entspricht rund 30 % der Energiemenge, die im Jahresdurchschnitt für das ganze Warmwassersystem erforderlich ist.

Warum den Zirkulationsrücklauf richtig einbinden?

Wird beispielsweise eine 60 °C heiße Zirkulationsrückleitung in einen für die Solaranlage reservierten kalten Speicherbereich geleitet, vermindert sich der Wirkungsgrad der Solaranlage deutlich.

Wie lassen sich Wärmeverluste durch Steuerung der Pumpe weiter reduzieren?

Zusätzlich zu der üblichen zeitlichen Regelung können auch eine thermostatische oder impulsgesteuerte Ansteuerung der Zirkulationspumpe eingesetzt werden. So können Zirkulationsverluste weiter gesenkt werden.

Warum sollte Zirkulation auf ein Mindestmaß begrenzt werden?

Zirkulationsverluste können den Wärmebedarf für Warmwasser bei weitem übertreffen. Das dauerhaft hohe Temperaturniveau von Zirkulationsleitungen kann darüber hinaus weitere negative Einflüsse auf das Gesamtsystem haben:

  • Abnehmende Effizienz der Nachheizung speziell bei Brennwertkesseln und Wärmepumpen
  • Nichteinhaltung geforderter niedriger Rücklauftemperaturen bei Fernwärme
  • Hoher Stromverbrauch der Zirkulationspumpe

Hinweis: Nach DVGW 551 darf der Betrieb der Zirkulationspumpe aus hygienischen Gründen für maximal 8 h je 24 h unterbrochen werden.

Knackpunkte

Einbindung der Zirkulation am Speicher

Der für Solarwärme reservierte Speicherbereich sollte nicht vom Zirkulationsrücklauf erwärmt werden. Andernfalls sinkt der Solarertrag wesentlich.

Ergänzungen für bestimmte Funktionsprinzipien

WW1/HU1

Bivalente Solarspeicher verfügen in der Regel über einen eigenen Anschluss für den Zirkulationsrücklauf etwa in Mitte Speicher.

WW1, WW2, HU1, HU2

Kombination mit Brauchwassermischern

Im Speicher können durch die Solaranlage Temperaturen von über 60 °C erreicht werden. Zum Schutz vor Verbrühungen ist beispielsweise ein thermostatisches Mischventil ("Brauchwassermischer") einzusetzen. Beachten Sie den Einsatz von Rückschlagklappen zur Vermeidung von Fehlzirkulation (siehe Grafik) sowie die Herstellerangaben.

Legende:
1: Brauchwassermischer, 2: Zirkulationspumpe, 3: Rückschlagventil
A: Notwendige Verbindungsleitung vom Zirkulations-Rücklauf zum Kaltwasserzulauf des Brauchwassermischers, B: Zirkulationsrücklauf, C: Kaltwasserzulauf des Brauchwassermischers

Schleifen Sie immer den Zirkulationsrücklauf in den Kaltwasserzulauf des Brauchwassermischers! Andernfalls kann es – trotz Brauchwassermischer – bei sommerlich heißem Speicher an den Warmwasserzapfstellen zur Verbrühung kommen, da die Zirkulation das bis zu 85 °C heiße Speicherwasser ungemischt zu den Zapfstellen transportiert. Der Mischer kann hierbei seine Funktion nicht erfüllen, da eine Kaltwasserbeimischung ohne gleichzeitige Zapfung nicht möglich ist.

WW2

Keine Solare Deckung der Zirkulationsverluste

Bei dem Funktionsprinzip WW2 wird die Zirkulation nur im Bereitschafts-Trinkwasserspeicher eingebunden und deren Verluste von der konventionellen Heizungsanlage gedeckt. Die Einbindung des Zirkulationsrücklaufs im Solarvorwärmspeicher ist nicht empfehlenswert

WW3

Optimierte Zirkulationseinbindung durch geschichtete Einspeicherung des Pufferrücklaufs der TWS

Die Rücklauftemperatur zum Puffer kann z. B. über ein 3-Wege-Umschaltventil oder Schichtladeeinrichtungen im Pufferspeicher entsprechend der Temperatur eingeschichtet werden. Alternativ kann bei mehreren Trinkwasserstationen auch eine separate Station eingesetzt werden, die ausschließlich für die Zirkulation zuständig ist und entsprechend den hohen Rücklauftemperaturen in den oberen Pufferbereich einspeist.

Einbindung Zirkulation

Die Anbindung der Zirkulation an die Kaltwasserzuleitung der Trinkwasserstation führt zu höheren Rücklauftemperaturen zum Pufferspeicher. Die Temperaturerhöhung kann durch Regelung der Zirkulationspumpe reduziert werden. Viele Hersteller bieten in Kombination mit Trinkwasserstationen als Option eine temperaturgeschichtete Einbindung des Zirkulationsrücklaufes in den Speicher an (z. B. über geregelte 3-Wege-Ventile, Schichtlanzen etc.).

WW4

Keine Solare Deckung der Zirkulationsverluste bei Vorwärmsystemen

Wird dieses in der VDI 6002 Blatt 1 detailliert beschriebene Funktionsprinzip als Vorwärmsystem eingesetzt, ist die Kollektorfläche entsprechend klein dimensioniert. Der solare Deckungsgrad am Wärmebedarf für Warmwasser und Zirkulation liegt meist unter 20 %. Auf die solare Deckung der Zirkulationsverluste wird dann bewusst verzichtet (wie auch bei allen anderen Funktionsprinzipien, sofern diese als Vorwärmsystem ausgelegt sind). Die Zirkulation wird nur im Bereitschafts-Trinkwasserspeicher eingebunden und deren Verluste von der konventionellen Heizungsanlage gedeckt. Die Einbindung des Zirkulationsrücklaufs im Solarvorwärmspeicher wäre bei dieser Auslegung unnötig.

Solare Deckung der Zirkulationsverluste bei größer ausgelegten Systemen

Bei einer Auslegung mit dem Ziel höherer solarer Deckung am Wärmebedarf für Warmwasser und Zirkulation können durch die Anbindung des Zirkulationsrücklaufs an das Solarsystem auch Zirkulationsverluste solar gedeckt werden – beispielsweise über eine eigenständige Übergabestation (z. B. Einsatz einer kleinen Trinkwasserstation) direkt aus dem Pufferspeicher. Die Auslegung der Übergabestation ist auf den Volumenstrom der Zirkulation angepasst und die Einbindung des Rücklaufes an den Speicher optimiert (z. B. über Schichtlanzen, mindestens aber über Anschlüsse im oberen Pufferspeicherbereich). Eine Deckung der Zirkulationsverluste aus dem Solarvorwärmspeicher heraus ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Beachten Sie die VDI 6002 Blatt 1, die Planungshilfen der ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH innerhalb des Solarthermie-2000-Programms sowie die Herstellerangaben.

WW5/HU5

Nach DVGW 551 ist nur bei Leitungswegen mit einem Leitungsinhalt von mehr als drei Litern bis zur entferntesten Entnahmestelle eine Zirkulation innerhalb der Wohneinheiten erforderlich. Dies ist in den meisten Anwendungen nicht der Fall.

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