Thermische Verlustbestimmung bei Speichern

Eine gewisse Verunsicherung herrscht bei Herstellern und Anwendern bei Verwendung produktspezifischer energetischer Kennwerte im Rahmen der nationalen Anwendung der Systemnorm DIN V 18599, da für die Bestimmung der thermischen Verlustglieder unterschiedliche Normen zur Verfügung stehen. Tangiert wird dies noch durch die ErP-Richtlinie [5], die zwar Anforderungen an die Speicher definiert, jedoch keine Vorgaben über die Analyse (Test) von thermischen Speichersystemen benennt. Der nachfolgende Artikel soll dieses Themengebiet aufgreifen und eine Übersicht zu den derzeit relevanten Normen bereitstellen.

Normative Verfahren – Verlustbestimmung

Die ErP Richtlinie beinhaltet eine Reihe von Festlegungen, welche ökologischen Kriterien Speicher aufweisen sollen. Geltung besitzt die Verordnung für Warmwasserspeicher für den

– Heizungsbereich,

– Sanitärbereich sowie

– für Solaranlagen.

Damit umfasst die Ökodesign Richtlinie sämtliche konventionelle Speichersysteme, die in der Gebäudeenergietechnik zur Anwendung kommen. Weiterhin wird in der genannten Verordnung ausgeführt, dass diese nur anzuwenden ist, wenn der Speicher ein Volumen von V ≤ 2 000 l aufweist. Damit ist die genannte Verordnung nicht für Großanlagen anzuwenden, wie sie z. B. bei Fernwärmenetzen zur Anwendung kommen. Hinsichtlich der Wärmeverluste sind die Anforderungen in der Ökodesign Richtlinie sehr einfach definiert. Genannt wird, dass die Warmhalteverluste einen Grenzwert (ab dem 26.09.2017) nicht überschreiten dürfen. Gl. (1) nennt die entsprechende mathematische Beziehung.

S = 16,66 + 8,33 · V ^0,4  (1)

Mit Bezug auf Gl. (1) ist S als Verlustwärmestrom in Watt und V als Speichervolumen in Liter dargestellt.

Zusätzlich angegeben wird in der Verordnung ein Kennwert für die besten am Markt verfügbaren Geräte. Er wird für den Verlustwärmestrom entsprechend Gl. (2) bestimmt. Dieser Wert soll als Richtwert für Produktverbesserungen dienen.

S = 5 + 4,16 · V ^0,4  (2)

Da in der Ökodesign Richtlinie der Verlustwärmestrom die entscheidende Größe zur Bewertung der Speicher ist, wird in der nachfolgenden Betrachtung der Schwerpunkt auf die Bestimmung bzw. Bewertung dieses Wärmestroms gelegt. Die thermische Verlustbestimmung von Speichern kann nach im folgenden Bild dokumentierten Normen erfolgen.

DIN EN 12977–3

Die europäische Norm DIN EN 12977–3 [6] ist eine Prüfnorm für thermische Solaranlagen. Ihr Geltungsbereich umfasst jedoch auch weitere thermische Systeme wie Heizungsspeicher und Trinkwarmwasserspeicher. Nicht anwendbar ist die genannte Norm für Kombispeicher. Hinsichtlich Ihres Geltungsbereiches muss festgestellt werden, dass die Norm für Speicher mit einer Größe zwischen 50 l ≤ V ≤ 3 000 l anwendbar ist. Weiterhin können mit der Norm „kundenspezifisch gefertigte Anlagen“ bewertet werden. Hinsichtlich des Verfahrens erfolgt bei der DIN EN 12977–3 die Auswertung einer kalorischen Bilanz. Die Prüfergebnisse können rechnerisch auf Speicher verschiedener Baugrößen der gleichen Baureihe übertragen werden. Wichtig ist weiterhin der Hinweis in DIN EN 12977–3, dass die Speicherkennwerte, wie z. B. die Wärmeverlustrate, auch nach dem Verfahren der DIN EN 12897 [7] bestimmt werden können.

DIN EN 12897

Die Norm DIN EN 12897 [7] kann für geschlossene Speichersysteme mit einem Speichervolumen bis V = 1 000 l Wasserinhalt angewendet werden. Die Norm ist bei Trinkwassersystemen anzuwenden. Die Betriebstemperatur der Systeme sollte unter J = 100 °C liegen. Der Anwendungsbereich der Norm ermöglicht ausdrücklich auch die Anwendung bei elektrischen Systemen. Als Prüfmethodik wird in der genannten Norm ein Verfahren mit Bilanzierung der Elektroenergieaufnahme zum Halten einer Temperatur über t = 24 h beschrieben. Alternativ zu diesem kann als Methodik das Verfahren der DIN EN 60379 verwendet werden.

DIN EN 15332

Die europäische Norm DIN EN 15332 [8] stellt ein Prüfverfahren zur energetischen Bewertung von Warmwasserspeichersystemen zur Verfügung. Die zu bewertenden Systeme sollen eine Größe von V ≤ 1 500 l aufweisen (indirekte Beheizung des Systems). Offene Systeme können mit der Norm nicht bewertet werden. Hinsichtlich der Prüfbedingungen ist eine Übertemperatur von DJ = 45 K sicherzustellen. Die Prüfdauer wird mit t = 24 h festgelegt. Neben der eigentlichen Prüfmethodik legt die DIN EN 15332 Klassen der Bereitschaftsverluste fest (A-F). Hierzu ist anzumerken, dass diese Klassen nicht für alle Speichergrößen die Anforderungen der Öko-Design Richtlinie erfüllen.

DIN EN 60379

Für ausschließlich elektrische betriebene Speichersysteme kann die DIN EN 60379 [9] angewendet werden. Der Geltungsbereich der Norm erstreckt sich auf kleinere Speichereinheiten (Hausgebrauch). Industrielle Anwendungen sind mit dieser Norm nicht abgedeckt. Während der Prüfung wird der Speicher auf eine Temperatur von J = 65 °C eingestellt, und die Prüfdauer beträgt t = 48 h.

Sonstige Normen und Richtlinien

In einigen europäischen und nationalen energetischen Berechnungsvorschriften wird auf die Bereitschaftsverluste von Warmwasserspeicher und deren Ermittlung direkt verwiesen. Zu nennen sind hier die DIN V 18599 [3] sowie die in Bearbeitung befindliche europäische Richtliniereihe prEN15316 [4]. In der DIN V 18599 wird direkt auf die DIN V 4753–8 [10]¹⁾ als Bestimmungsverfahren für die Wärmeverluste von Speicher referenziert. Können Speicher nicht nach dieser Norm bestimmt werden, ist ein vereinfachter Ansatz nach Gl. (3) anzuwenden, wobei Q in kWh/d angegeben wird (maximale Speichergröße V = 1 500 l).

Q = 0,4 + 0,15 · V ^0,5  (3)

Führt man einen Vergleich bei einer typischen Speichergröße von V = 500 l zwischen den Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie (Gl. (1)) und nach Gl. (3) durch, so kann für S = 116,7 W und für Q = 3,75 kWh/d (entspricht einem mittlerem Wärmeverluststrom von S = 156,4 W) bestimmt werden. Hieraus ist abzuleiten, dass der in [3] hinterlegte Berechnungsansatz nicht den Anforderungen der Öko-Design Richtlinie entspricht.

Fazit

Basierend auf den vorangegangen Ausführungen muss festgestellt werden, dass nicht alle Prüfnormen hinsichtlich der definierten Grenzwerte der Öko-Design-Richtlinie für die Ermittlung des Bereitschaftsverlustes geeignet sind. Vom messtechnischen Verfahren weisen die Normen nur geringe Unterschiede auf. Signifikant sind jedoch die gewählten zusätzlichen Randbedingungen. Auf Basis dieser muss festgestellt werden, dass die DIN EN 15332 nicht geeignet ist, um Konformität zur Ökodesign-Richtlinie für alle Speichergrößen herzustellen, da die Anforderungen an den maximalen Bereitschaftsverlust teilweise zu gering ausfallen. Die DIN EN 60379 bezieht sich im Anwendungsbereich ausschließlich auf elektrisch beheizte Systeme und stellt damit nur einen Ausschnitt möglicher Systemkombinationen dar. Für eine breite Anwendung ist diese Norm nicht in Bezug zu setzen.

DIN EN 12897 sowie DIN EN 12977–3 sind hinsichtlich der Prüfung der Bereitschaftsverluste anwendbar, wobei das einfachere Prüfverfahren bei der DIN EN 12897 dokumentiert ist. Jedoch ist der Anwendungsbereich von DIN EN 12897 auf Trinkwasser beschränkt. In DIN EN 12977–3 werden nur die Randbedingungen der Prüfung benannt. Die Prüfergebnisse bilden die Eingangsparameter für ein numerisches Modell, mit welchen erst die eigentlichen relevanten Speicherparameter berechnet werden. Dieser Umweg stellt zweifelsfrei einen Nachteil der Norm dar. Bewertet man alle genannten Normen in Bezug auf das Speichermedium, so liefert die Tabelle eine entsprechende Zusammenfassung.

¹⁾ Die DIN V 4753–8 [10] wurde 2011 zurückgezogen und durch die DIN V 4753–7 [11] bzw. DIN EN 12897 ersetzt.