[Physik] Boiler (Warmwasserspeicher) oder Durchlauferhitzer

Gepostet am: Jan 06, 2014 6:27:50 PM

Nachdem mein alter Boiler das zeitliche gesegnet hat, stellt sich die Frage - Boiler oder Durchlauferhitzer. Dazu gibt es im Internet eine Vielzahl von Beiträgen, die jedoch großteils nicht korrekt sind. 

Gegenüberstellung der beiden Technologien

Man unterscheidet grundsätzlich 2 Basistechnologien für die Warmwasseraufbereitung. Beim Warmwasserspeicher (Boiler) wird ständig ein Warmwasservorrat vorgehalten, der bei Bedarf entnommen werden kann. Beim Durchlauferhitzer erfolgt die Warmwasserbereitstellung sozusagen on-demand, also nur dann wenn es benötigt wird. Der größte Vorteil der Warmwasserbevorratung ist, dass auch meherer Zapfstellen (zB Dusche, Waschbecken in der Küche, Waschbecken im WC ...) gleichzeitig ohne große Probleme beliefert werden können. Beim Durchlauferhitzer ist die Möglichkeit mehrerer Zapfestellen zu beliefern abhängig von der Durchflussleistung. Dh. von der Menge an Wasser (pro Minute bzw. pro Sekunde), die mit dem Durchlauferhitzer auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden können (mehr dazu später). 

Was man jedoch bei beiden Warmwasseraufbereitungsmöglichkeiten beachten muss ist, dass durch zu lange Wege zwischen Warmwasseraufbereitung und Warmwasserverbrauch (zB Badewanne, Dusche ...) auch große Mengen an Energie in Form von Wärmeverlust verloren gehen. Das genau zu berechnen ist aber von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie beispielsweise die Temperatur der Wände, durch die die Leitungen geführt werden, der Durchmesser, das Material ..., sodass eine auch nur annähernd genaue Berechnung mir nicht möglich war. Wenden Sie sich hiermit bitte an den Physiker ihres Vertrauens. 

Quelle

Kostenvergleich von Durchlauferhitzer vs. Wärmespeicher

Auch wenn in vielen Foren behauptet wird, dass die Erwärmung von Wasser bei einem Durchlauferhitzer mehr Strom benötigt als bei einem Boiler, so ist das absoluter Schwachsinn. Es ist vollkommen egal, ob man ein 80°C warmes Wasser im Boiler mit 2kW erhitzt, oder ob der Durchlauferhitzer mit 18-27kW das Wasser on-demand erwärmt. (siehe dazu einen meiner letzten Blogbeiträge). Für das verbrauchte Warmwasser ist es also vollkommen egal, ob Boiler oder Durchlauferhitzer. Der Unterschied ist lediglich der:

• der Boiler benötigt für die Erwärmung von 12°C kaltem Leitungswasser auf 80°C bei einem 100l Boiler 236,98 Minunten (also knapp 4h) und zieht dabei 2kW aus der Leitung. Diesem 80°C warmen Wasser mischt man dann wieder Kaltwasser bei, damit man 37°C warmes Wasser in die Badewanne einlassen kann. Würde man das Wasser im Boiler lediglich auf 37°C erwärmen würde das bei 2kW immerhin auch 87,13 Minuten (1,45h) dauern. 

• der Durchlauferhitzer mit 24kW Stromverbrauch braucht für die Erzeugung von 100l 37°C warmen Wasser lediglich 7,58 Minuten, da er 13,2 L/Minute erwärmen kann. 

Dazu kommt noch, dass sich das nicht verbrauchte Wasser im Boiler - selbst bei hervorragender Isolierung - im Laufe der Zeit abkühlt. Hierbei spricht man von Bereitstellungsenergiebedarf. (siehe dazu später)

Durchlauferhitzer

Durchlauferhitzer gibt es in unterschiedlichen Geschmacksrichtungen:

• • elektrische Durchlauferhitzer: Für das schnelle Aufwärmen von Wasser ist eine große elektrische Leistung erforderlich, daher setzen marktübliche Durchlauferhitzer für große Durchlaufmengen auf Anschlusswerte von 18-33 kW. Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme sind Durchlauferhitzer fast ausschließlich zum Anschluss an das dreiphasige Drehstromnetz vorgesehen. Wegen der hohen notwendigen Ströme sind sie in vielen Altbauten nur nach Austausch der Wohnungs- oder Hausanschlussleitung am Stromnetz verwendbar. Wird die Leitung zu klein dimensioniert, kann ein Hausbrand entstehen. In einigen Gegenden muss eine Genehmigung des jeweiligen Energieversorgungsunternehmens eingeholt werden, bevor ein elektrischer Durchlauferhitzer installiert wird.

  • hydraulische Durchlauferhitzer: besitzen in der Regel 2-3 Heizleistungsstufen und erfordern eine Mindestdurchflussmenge, sodass es in der Praxis zu den unangehemen Wechselduschen (zu heiß - zu kalt) kommt. 

    • vollelektronische Durchlauferhitzer: Hierbei kann die Wassertemperatur am Gerät vorgewählt werden und die Beimischung von kalten oder warmen Wasser kann entfallen. Dazu kommt der Vorteil, dass die Erwärmung weitgehend stufenlos erfolgt, sodass auch bei kleinen Wassermengen keine Temperaturschwankungen vorkommen.

  • Gasdurchlauferhitzer: Hierbei wird das Wasser mittelst ständig brennender Zündflamme oder einen selbständig zuschaltenden Piezozünder betrieben. 

Zentrale Frage bei der Auswahl des Durchlauferhitzers ist die Frage nach der Durchflussmenge. Diese kann man mit einfachen Formeln der Thermodynamik berechnen. Will man beispielsweise ein Vollbad mit 160l Warmwasser befüllen und hat einen Wirkungsgrad von 100% (99% sind in der Praxis üblich), benötigt das Befüllen der Badewanne mit 37°C warmen Wasser bei einem Durchlauferhitzer mit 27 kW ca 10,33 Minuten, da diese bei der Erwärmung von 12° kaltem Leitungswasser auf 37°C eine Durchflussmenge von 15,49 Liter/Minute bewältigen können.

Das deckt sich auch mit den Produktblättern von einigen Durchlauferhitzern. 

Die Wassermenge, die man gleichzeitig entnehmen kann ist also von folgenden Faktoren abhängig:

• • Ausgangstemperatur des Wassers (wie warm kommt es ohne Warmwasser aus der Leitung?)

  • Zieltemperatur (wie warm soll das Wasser erwärmt werden)

  • Wieviel Leistungsaufnahme hat das Gerät?

  • (Welchen Wirkungsgrad hat das Gerät?)

Warmwasserspeicher / Boiler

Bei einem Boiler wird das Warmwasser auf Vorrat produziert, sodass ohne Probleme hohe Schüttleistung (Liter pro Minute) bei langer Konstanz der Temperatur und bei mehren gleichzeitig genutzten Zapfstellen kein Problem darstellt. Im Gegensatz zum Durchlauferhitzer wird das Wasser jedoch in einer höheren Temperatur bereitgestellt als tatsächlich benötigt wird.  Erst durch Beimischung von Kaltwasser erhält man die gewünschte Temperatur aus dem Wasserhahn.

Daraus ergeben sich 2 wichtige Faktoren bei der Auswahl des Boilers:

• • Bereitstellungsenergiebedarf

  • Dimensionierung des Warmwasserspeichers

Bereitstellungsenergiebedarf

Wird ein Warmwasserbereiter aufgeheizt und nach Beendigung des Aufheizvorganges über längere Zeit kein Wasser entnommen, erfolgt eine wohl langsame, aber kontinuierliche Abkühlung des Speicherwassers über die Geräteoberfläche. Je nach Gerätebauart, Gerätegröße, Stärke und Qualität der Behälterisolation sind Intensität und Schnelligkeit dieser Abkühlung verschieden. Gemessen wird dieses Verhalten in einem Zeitraum von 24 Stunden bei 65 °C Speicherwassertemperatur, gezählt wird der Energieaufwand in kWh, der notwendig ist, um über diesen Zeitraum die Wassertemperatur konstant zu halten. (EN 60379)

Die Schwankungen diesbezüglich sind jedoch enorm. Als Vergleich habe ich den Energieverbrauch innerhalb von 24h pro 10 Liter Inhalt verglichen. [vgl. auch hier]

Das kann man auch recht einfach selbst berechnen. Dazu benötigt man folgende Produktangaben aus dem Datenblatt:

Hierzu ein Beispiel:

Gorenje OTG 100 SLIM:

Austria Email EKH-S 100 U:

Durch Erhöhung der Boiler-Temperatur auch die Ausbringungsmenge des Warmwassers in der gewünschten Temperatur erhöht werden. Durch diese Erhöhung der Wassertemperatur steigt aber auch der Energiebedarf für die Bereitstellung von Warmwasser. 

Hierzu ein Beispiel: Der Gorenje OTG 100 SLIM verursacht gem. EN 60379 bei 65° C und 20° C Raumtemperatur eine Bereitstellungsenergiebedarf von 1,54 kWh/24h. Wie hoch würde dieser Energiebedarf steigen, wenn man den Boiler auf 80° erhitzt?

Da ich leider nicht klären konnte, ob der Energiebedarf sich aus einer einmaligen Erhitzung oder einer kontinuierlichen ergibt, habe ich es für beide Fälle durchgerechnet. Für folgende Berechnungen wird davon ausgegangen, dass der Boiler 1x täglich erzitzt wird und dann über die nächsten 24h abkühlt.

Schritt 1: Hierzu muss man als erstes berechnen, um wie viele Grad das Wasser abkühlt, um überhaupt einen Energiebedarf von 1,54 kWh zu benötigen, damit das Wasser am Ende der Zeit wieder 65°C hat.

Dh. Das Wasser hat sich auf 51,75°C abgekühlt und ist somit um 13,26° C gesunken, da das Aufwärmen von 51,74°C auf 65°C genau 1,54 kWh benötigt.

Schritt 2: An dieser Stelle kommt das Newtonsche Abkühlungsgesetz ins Spiel. Mit diesem kann man die Temperatur nach einer bestimmten Zeit ermitteln, die der Stoff zur Abkühlung benötigt. Wir wissen zu diesem Zeitpunkt jedoch schon, dass das Wasser bei einer Umgebungstemperatur von 20°C binnen 24h von 65° C auf 51,74° C bei diesem Boiler abkühlt. Daher können wir daraus den Proportionalitätskoeffizienten (k) errechnen. 

Der Proportionalitätskoeffizient beträgt bei diesem Boiler  0,000242353057376.

Schritt 3: Auf Basis dieses Koeffizienten kann man nun errechnen, wie sich 80°C warmes Wasser in diesem Boiler binnen 24h abkühlen würde.

Bei genau diesem Boiler hätte das Wasser bei einer Ausgangstemperatur von 80°C und einer Raumtemperatur von 20°C binnen 24h auf 62,32°C abgekühlt.

Schritt 4: Somit kann man berechnen, wie viel kWh man benötigt um das Wasser von 62,32°C auf 80°C zu erwärmen. Nämlich 2,05 kWh.

Gut, jetzt kennt man den Energieverbrauch, damit das Wasser am Ende des Tages eine gleich hohe Temperatur hat, wie am Anfang des Tages, sofern man keinen Tropfen davon verbraucht hat und das Wasser einmal am Tag wieder erwärmt, was in vielen Haushalten der Fall ist, die beispielsweise auf den billigeren Nachtstrom setzen.

Das ist natürlich in der Praxis unrealistisch, denn wenn man sich duscht, Hände wäscht usw. verbraucht man automatisch warmes Wasser. Dadurch sinkt auch der benötigte Bereitstellungsenergiebedarf. Das hat den Grund, dass durch den Wasserverbrauch neues Wasser in niedriger Temperatur nachfließt. Verbraucht man gleich nachdem das Wasser auf 80° erwärmt wurde 40L von dem 80° warmen Wasser, dann hat der Boiler nur mehr eine Temperatur von 52,8° C. 

Dh. Wenn ich mehr 58,82l 80°C warmes Wasser verbrauche, dann sinkt die Wassertemperatur im Boiler auf unter 40°.

Das bedeutet, dass ich gerade mal ein Vollbad mit 37°C Wassertemperatur nehmen dürfte, bis die Wassertemperatur im Boiler auf unter 40° sinkt. Womit man schon bei der Frage nach der Dimensionierung des Warmwasserspeichers ist.

Dimensionierung des Warmwasserspeichers:

Eine zentrale Frage bei der Anschaffung eines Boilers ist dessen Dimensionierung. Dies hängt von 2 Faktoren ab: 

• • Menge des benötigten Wassers

  • Temperatur des benötigten Wassers

Kommt es immer wieder mal vor, dass das warme Wasser nicht ausreicht, um beispielsweise noch ein Vollbad zu nehmen, reicht es oft die Temperatur des Boilers weiter aufzudrehen. Durch anheben der Speichertemperatur des kann nämlich die Entnahmeleistung erhöht werden.

Hierzu ein Beispiel: Würde man in einem Boiler Wasser lediglich mit 37°C aufbewahren, bräuchte man zum Befüllen einer Badewanne mit 160l auch einen Boiler mit exakt dieser Menge.  Hat der Boiler hingegen 60°C kommt man schon mit einer Menge von 83,3 Liter aus. Würde man den Boiler sogar auf 95° erhitzen, bräuchte man für ein Vollbad lediglich 48,19 Liter Warmwasser.

Dh. Mit folgender Formel kann man die benötigte Menge an Heißwasser für eine gewünschte Schüttmenge berechnen:

Beispiel 1: Für ein Vollbad (160l) bei 37° C braucht man m1 Liter Warmwasser mit 80° C = (-160*(12-37))/(80-12) = 58,8235294118 Liter

Beispiel 2: Bei einem Wasserverbrauch von 400 Liter bei 30° brauche ich einen Boiler mit wie viel Liter, sofern ich ihm nicht über 80° erhitzen möchte: (-400*(12-30))/(80-12) = 105,882352941 Liter 

Wie bereits erwähnt, kann durch Anheben der Boilertemperatur die Entnahmemenge erhöht werden. Das zeigt auch folgende Darstellung. So kann bei einer Entnahmetemperatur von 35° C durch Beimischung von Kaltwasser aus einem 80°C heißen Boiler immerhin 295,65 Liter gewonnen werden. Steigt die Entnahmetemperatur hingegen auf 45 Grad, so ist die Ausbringungsmenge lediglich 206,06 Liter.

Berechung: (-100*(80-45))/(12-45)=106,0606060606

Man muss aber auch die Entnahmemengen berücksichtigen und die Verteilung auf dem Tag. Angenommen man eine Familie hat folgenden Wasserverbrauch auf den Tag verteilt. Dann spielt die es beispielsweise eine Rolle, ob man in der Früh duscht oder nicht. Angenommen 3 Personen duschen in der Früh zwischen 6:00 und 7:00 und verbrauchen jeweils dabei 40L Wasser, dann kommt man mit einem 100Liter-Boiler aus, wenn man diesen auf 80° erhitzt.

Will die selbe Familie ihre Duschangewohnheiten verändern und das duschen in die Abendstunden verschieben, dann geht sich das nicht mehr aus, da für die letzte Dusche nur mehr Wasser mit 35,18°C zur Verfügung steht.

Kosten

Der hier betrachtete Fall geht von der Wassererwärmung mittels Strom aus. Daneben gibt es aber auch noch andere Möglichkeiten Wasser zu erwärmen. An dieser Stelle eine Übersicht für die gängigsten Formen der Energiegewinnung und deren Kilowattstunden-Preis. (Stand Juli 2011; Quelle) 

• • Strom: 18,85 Cent/kWh

  • Heizöl: 9,33 Cent/kWh

  • Erdgas: 8,33 Cent/kWh

  • Pellets: 4,64 Cent/kWh

  • Brennholz weich: 4,28 Cent/kWh

  • Waldhackgut: 3,96 Cent/kWh