SHK Lernfeld 9 / Fachstufe
Trinkwassererwärmungsanlagen installieren
26 interaktive Übungsaufgaben (Wärmetauscher, Speicher, DLE, Normen & Schutz) & Rechenaufgaben
Wichtige Formeln auf einen Blick
- Wärmemenge: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta t \)
- Spez. Wärmekapazität: \( c = 1{,}163 \text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \)
- Leistung: \( P = \frac{Q}{t} = \dot{V} \cdot \rho \cdot c \cdot \Delta t \)
- Wärmetauscher: \( \dot{Q} = k \cdot A \cdot \Delta t_m \)
- Mischungsregel: \( V_m \cdot t_m = V_1 \cdot t_1 + V_2 \cdot t_2 \)
I. Interaktive Diagramme
Gegen- vs. Gleichstrom
Temperaturverlauf in einem Plattenwärmetauscher im Gegenstromprinzip:
DLE Leistung vs. Durchfluss
Maximale Zapfmenge bei \( \Delta t = 30\text{ K} \) in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung (kW):
II. Fachtheoretische Übungsaufgaben (1–5)
Theorie Aufgabe 1: Wärmetauscher-Bauarten
Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Speicher-Wärmetauscher (z. B. Rohrwendel im Speicher) und einem externen Plattenwärmetauscher im Durchlaufprinzip bezüglich Platzbedarf, Hygiene (Legionellenrisiko) und Verkalkungsneigung.
• Speicher-Wärmetauscher: Großer Platzbedarf, großes stehendes Trinkwasservolumen (Legionellengefahr bei \( < 60\,^{\circ}\text{C} \)). Dafür geringere erforderliche Kesselleistung, da Energie über Zeit gespeichert wird.
• Plattenwärmetauscher (Durchlauf/Frischwasser): Sehr kompakt, höchste Hygiene (kein Vorratsspeicher für Trinkwasser). Hohe Momentanleistung erforderlich, höhere Verkalkungsneigung bei Vorlauftemperaturen \( > 60\,^{\circ}\text{C} \).
Theorie Aufgabe 2: Kombispeicher & Frischwassermodul
Beschreiben Sie den inneren Aufbau und die Funktionsweise eines modernen Kombispeichers (z. B. Puffer-Speicher mit integriertem Edelstahl-Wellrohr als Frischwassermodul) zur zentralen Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung.
Der Kombispeicher enthält ausschließlich Heizungswasser (Pufferspeicher). Das Trinkwasser wird erst bei Bedarf im Durchlaufprinzip erwärmt. Entweder strömt es durch ein im Speicher liegendes Edelstahl-Wellrohr (hohe Oberfläche) oder wird über eine externe Frischwasserstation erwärmt. Vorteile: Hydraulische Entkopplung, Einbindung mehrerer Wärmeerzeuger (Solar, Wärmepumpe, Kessel), maximale Hygiene.
Theorie Aufgabe 3: Hydraulischer Vergleich & Gegenstromprinzip
Warum werden Plattenwärmetauscher in Trinkwassererwärmungsanlagen bevorzugt im Gegenstromprinzip betrieben?
Im Gegenstromprinzip fließen Heiz- und Trinkwasser in entgegengesetzter Richtung. Dadurch bleibt die Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien über die gesamte Tauscherlänge annähernd konstant. Das Trinkwasser kann auf eine Temperatur erwärmt werden, die nahe an der Vorlauftemperatur des Heizwassers liegt. Der mittlere Temperaturunterschied (\( \Delta t_m \)) ist größer, weshalb die Wärmetauscherfläche kleiner gebaut werden kann.
Theorie Aufgabe 4: Elektro-Durchlauferhitzer
Vergleichen Sie hydraulisch gesteuerte Durchlauferhitzer mit vollelektronisch geregelten Durchlauferhitzern hinsichtlich Energieeffizienz und Komfort.
• Hydraulisch: Schaltet über Differenzdruck in 2–3 Stufen. Bei Schwankungen des Wasserdrucks ändert sich die Ausauftemperatur spürbar. Höherer Wasser- und Energieverbrauch.
• Vollelektronisch: Erfasst Durchfluss und Zulauftemperatur und regelt die Heizleistung stufenlos. Hält die Wunschtemperatur exakt konstant (auch bei Druckschwankungen) und spart ca. 20–30 % Energie/Wasser.
Theorie Aufgabe 5: DVGW W 551 & Legionellenschutz
Welche Mindesttemperaturen müssen laut DVGW W 551 in Großanlagen eingehalten werden?
• Speicheraustritts-Temperatur: \( \ge 60\,^{\circ}\text{C} \)
• Zirkulationssystem (Wiedereintritt in den Speicher): \( \ge 55\,^{\circ}\text{C} \) (maximaler Temperaturabfall 5 K)
• Ziel: Abtötung/Vermeidung des Wachstums von Legionellen (optimaler Vermehrungsbereich liegt zwischen \( 25\,^{\circ}\text{C} \) und \( 45\,^{\circ}\text{C} \)).
III. Rechenaufgaben (6–15)
Berechnung Aufgabe 6: Aufheizenergie eines Speichers
Ein Trinkwasserspeicher mit \( V = 400\text{ l} \) soll von \( 10\,^{\circ}\text{C} \) auf \( 60\,^{\circ}\text{C} \) erwärmt werden. Berechnen Sie die erforderliche Energie \( Q \) in kWh.
\( Q = m \cdot c \cdot \Delta t \)
\( m = 400\text{ kg} \), \( \Delta t = 60 - 10 = 50\text{ K} \)
\( Q = 400\text{ kg} \cdot 1{,}163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 50\text{ K} = 23.260\text{ Wh} = \mathbf{23{,}26\text{ kWh}} \)
Berechnung Aufgabe 7: Aufheizzeit mit Kesselleistung
Die Energie aus Aufgabe 6 (\( 23{,}26\text{ kWh} \)) wird von einem Kessel mit \( 24\text{ kW} \) Ladeleistung geliefert. Wie lange dauert das Aufheizen in Minuten?
\( t = \frac{Q}{P} = \frac{23{,}26\text{ kWh}}{24\text{ kW}} = 0{,}969\text{ h} \)
\( t = 0{,}969\text{ h} \cdot 60\text{ min/h} = \mathbf{58{,}1\text{ Minuten}} \)
Berechnung Aufgabe 8: Elektrischer Durchlauferhitzer
Ein Durchlauferhitzer hat eine Leistung von \( 21\text{ kW} \). Kaltwasser = \( 10\,^{\circ}\text{C} \), Warmwasser = \( 40\,^{\circ}\text{C} \). Berechnen Sie die Zapfmenge in l/min.
\( P = \dot{V} \cdot c \cdot \Delta t \implies \dot{V} = \frac{P}{c \cdot \Delta t} \)
\( \Delta t = 40 - 10 = 30\text{ K} \)
\( \dot{V} = \frac{21\text{ kW}}{1{,}163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 30\text{ K}} = 0{,}6018\text{ kg/h} \cdot \frac{1000}{60} \approx \mathbf{10{,}03\text{ l/min}} \)
Berechnung Aufgabe 9: Mischwasserberechnung
Es werden \( 6\text{ l/min} \) Warmwasser (\( 60\,^{\circ}\text{C} \)) mit Kaltwasser (\( 10\,^{\circ}\text{C} \)) gemischt. Zieltemperatur = \( 38\,^{\circ}\text{C} \). Berechnen Sie den Kaltwasservolumenstrom.
\( V_{\text{WW}} \cdot (t_{\text{WW}} - t_m) = V_{\text{KW}} \cdot (t_m - t_{\text{KW}}) \)
\( 6 \cdot (60 - 38) = V_{\text{KW}} \cdot (38 - 10) \)
\( 132 = 28 \cdot V_{\text{KW}} \implies V_{\text{KW}} = \mathbf{4{,}71\text{ l/min}} \)
(Gesamtvolumenstrom: \( 6 + 4{,}71 = 10{,}71\text{ l/min} \))
Berechnung Aufgabe 10: Plattenwärmetauscher Auslegung
Ein Wärmetauscher soll \( 35\text{ kW} \) übertragen. \( k = 2500\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)} \), \( \Delta t_m = 14\text{ K} \). Berechnen Sie die benötigte Tauscherfläche \( A \).
\( \dot{Q} = k \cdot A \cdot \Delta t_m \implies A = \frac{\dot{Q}}{k \cdot \Delta t_m} \)
\( A = \frac{35.000\text{ W}}{2500\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)} \cdot 14\text{ K}} = \frac{35.000}{35.000} = \mathbf{1{,}0\text{ m}^2} \)
Berechnung Aufgabe 11: Jahresverbrauch & Wärmepumpe
Täglicher Bedarf: \( 180\text{ l} \) (\( 60\,^{\circ}\text{C} \), Kaltwasser \( 10\,^{\circ}\text{C} \)). Wärmepumpe JAZ = 3,5, Strompreis = 0,32 €/kWh.
a) Jahresenergiebedarf in kWh?
b) Jährliche Stromkosten?
a) \( Q_{\text{Tag}} = 180\text{ kg} \cdot 1{,}163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 50\text{ K} = 10.467\text{ Wh} = 10{,}47\text{ kWh/Tag} \)
\( Q_{\text{Jahr}} = 10{,}47\text{ kWh/Tag} \cdot 365 = \mathbf{3.821{,}55\text{ kWh/Jahr}} \)
b) Stromverbrauch WP = \( \frac{3.821{,}55}{3{,}5} = 1.091{,}87\text{ kWh}_{\text{el}} \)
Kosten = \( 1.091{,}87\text{ kWh} \cdot 0{,}32\text{ €/kWh} = \mathbf{349{,}40\text{ €/Jahr}} \)
Berechnung Aufgabe 12: Speicherbereitschaftsverluste
Ein Speicher hat Bereitschaftsverluste von \( P_v = 65\text{ W} \). Wie viel kWh verliert er am Tag?
\( Q = P \cdot t = 65\text{ W} \cdot 24\text{ h} = 1.560\text{ Wh} = \mathbf{1{,}56\text{ kWh/Tag}} \)
Berechnung Aufgabe 13: Zirkulationsverluste
Zirkulationsleitungslänge = \( 80\text{ m} \), Verlust \( q = 11\text{ W/m} \). Berechnen Sie den Jahresverlust in kWh bei 24h Dauerbetrieb.
\( P_{\text{ges}} = 80\text{ m} \cdot 11\text{ W/m} = 880\text{ W} = 0{,}88\text{ kW} \)
\( Q_{\text{Jahr}} = 0{,}88\text{ kW} \cdot 24\text{ h/Tag} \cdot 365\text{ Tage} = \mathbf{7.708{,}8\text{ kWh/Jahr}} \)
Berechnung Aufgabe 14: Solarthermie-Ladeleistung
Volumenstrom Solarkreis = \( 8\text{ l/min} \) Glykolgemisch (\( c = 3{,}8\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)} \), \( \rho = 1{,}02\text{ kg/l} \)). Vorlauf = \( 65\,^{\circ}\text{C} \), Rücklauf = \( 45\,^{\circ}\text{C} \). Welche Leistung \( P \) wird übertragen?
\( \dot{m} = 8\text{ l/min} \cdot 1{,}02\text{ kg/l} = 8{,}16\text{ kg/min} = 0{,}136\text{ kg/s} \)
\( P = \dot{m} \cdot c \cdot \Delta t = 0{,}136\text{ kg/s} \cdot 3{,}8\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)} \cdot (65 - 45\text{ K}) = \mathbf{10{,}34\text{ kW}} \)
Berechnung Aufgabe 15: Spitzenlast Wannenfüllung
Wannenfüllung: \( 160\text{ l} \) mit \( 45\,^{\circ}\text{C} \) in \( 10\text{ Minuten} \) (Kaltwasser \( 10\,^{\circ}\text{C} \)). Welcher Momentanleistung entspringe das?
\( Q = 160\text{ kg} \cdot 1{,}163\text{ Wh/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 35\text{ K} = 6.512{,}8\text{ Wh} = 6{,}51\text{ kWh} \)
\( t = 10\text{ min} = 0{,}1667\text{ h} \)
\( P = \frac{6{,}51\text{ kWh}}{0{,}1667\text{ h}} \approx \mathbf{39{,}05\text{ kW}} \)
Fazit: Für reine Durchlauferwärmung ist eine extrem hohe elektrische/heizungstechnische Leistung erforderlich.
IV. Weiterführende Fachtheorie (16–26)
Theorie Aufgabe 16: Sicherheitsarmaturen nach DIN EN 1488
Welche Sicherheitseinrichtungen müssen nach DIN EN 1488 in der Kaltwasserzuleitung eines geschlossenen Trinkwassererwärmers in Fließrichtung eingebaut werden?
1. Absperrventil
2. Prüfvorrichtung / Prüfstopfen
3. Rückflussverhinderer
4. Manometeranschluss / Manometer
5. Membran-Sicherheitsventil (mit Abblaseleitung zum Ablauf)
Theorie Aufgabe 17: Ausdehnungsgefäß (MAG-W) im Trinkwassernetz
Warum muss ein Membran-Ausdehnungsgefäß in Trinkwasseranlagen (MAG-W) zwingend durchströmt aufgebaut sein?
Um Stagnationswasser und übermäßiges Bakterienwachstum (z. B. Legionellen) zu vermeiden. Durch eine spezielle Strömungs-Armatur (z. B. High-Flow-Lanze oder Durchströmungseinsatz) wird das MAG-W kontinuierlich mit frischem Kaltwasser gespült.
Theorie Aufgabe 18: Thermische Desinfektion
Beschreiben Sie den Ablauf und die technischen Anforderungen einer thermischen Desinfektion nach DVGW-Arbeitsblatt W 551.
Das gesamte Speicher- und Rohrleitungsnetz wird für mindestens 3 Minuten auf mindestens \( 70\,^{\circ}\text{C} \) erwärmt. An allen Entnahmestellen muss diese Temperatur nacheinander erreicht und nachgewiesen werden. Während der Durchführung ist durch geeignete Maßnahmen ein Verbrühschutz für Nutzer sicherzustellen.
Theorie Aufgabe 19: Legionellenschaltung vs. Energieeffizienz
Warum ist das dauerhafte Einhalten von \( 60\,^{\circ}\text{C} \) Kesselaustrittstemperatur bei Betrieb mit einer Wärmepumpe energetisch problematisch, und welche Lösung bietet ein Frischwassermodul?
Wärmepumpen arbeiten bei hohen Vorlauftemperaturen (\( > 60\,^{\circ}\text{C} \)) mit einer stark geminderten Jahresarbeitszahl (JAZ). Das Frischwassermodul erwärmt das Trinkwasser erst bei Bedarf im Durchlaufprinzip. Dadurch kann das Heizungs-Pufferwasser auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten werden, ohne ein Legionellenrisiko im Speichermedium einzugehen.
Theorie Aufgabe 20: Korrosionsschutz in Emaillierten Speichern
Welche Aufgabe hat eine Opferanode (Magnesiumanode) im Trinkwasserspeicher und wann muss eine Fremdstromanode eingesetzt werden?
Die Magnesiumanode schützt Mikrorisse und Fehlstellen in der Emaille vor Korrosion, indem sie sich als unedleres Metall opfert. Eine Fremdstromanode wird eingesetzt, um den regelmäßigen Wartungs- und Austauschaufwand der Magnesiumanode zu vermeiden; sie arbeitet mit einer sich nicht abbauenden Titanelektrode und externer Gleichspannung.
Theorie Aufgabe 21: Druckverlust und Zirkulationspumpe
Welche Aufgabe hat das thermostatische Drosselventil (Zirkulations-Regulierventil) im Zirkulationskreislauf?
Es sorgt für den hydraulischen Abgleich der verschiedenen Zirkulationsstränge. Fällt die Temperatur im Strang unter den Sollwert (z. B. \( 55\,^{\circ}\text{C} \)), öffnet das Ventil; steigt sie darüber, drosselt es den Durchfluss, damit weit entfernte Stränge ebenfalls ausreichend warmes Wasser erhalten.
Theorie Aufgabe 22: Verkalkung von Durchlauferhitzern
Warum neigen Plattenwärmetauscher bei Trinkwassertemperaturen über \( 60\,^{\circ}\text{C} \) verstärkt zur Verkalkung und welche Maßnahmen verhindern dies?
Ab ca. \( 60\,^{\circ}\text{C} \) fällt im Wasser gelöster Kalk (Calciumcarbonat) beschleunigt aus. Gegenmaßnahmen sind: Begrenzung der sekundärseitigen Trinkwassertemperatur auf max. \( 60\,^{\circ}\text{C} \), Einbau von Wasserenthärtungsanlagen bei hohem Härtegrad oder regelmäßige chemische Entkalkung.
Theorie Aufgabe 23: Entnahmespitzen und NL-Zahl
Was beschreibt die Leistungskennzahl \( N_L \) eines Trinkwasserspeichers?
Die Kennzahl \( N_L \) gibt an, wie viele Standard-Ein-Familienhaus-Wohnungen (mit je 3,5 Personen, 1 Normalwanne und Entnahmestellen) ein Speicher bei einer gegebenen Kesselleistung vollständig mit Warmwasser versorgen kann.
Theorie Aufgabe 24: Zirkulationspumpe Zeitschaltuhr & Thermostat
Welche Vorgaben macht das Gebäudeenergiegesetz (GEG) bezüglich des Betriebs von Zirkulationspumpen?
Zirkulationspumpen müssen mit automatischen Einrichtungen zur Ein- und Ausschaltung (z. B. zeitorientierte Steuerung, Zeitschaltuhr oder anforderungsgesteuerte Spülung) ausgestattet sein. Ein ungesteuerter Dauerbetrieb (24/7) ist gesetzlich unzulässig.
Theorie Aufgabe 25: Werkstoffauswahl in Warmwasserleitungen
Warum darf in Trinkwasser-Warmwasserinstallationen nach einer Kupferleitung keine feuerverzinkte Stahlrohrleitung folgen (Fließregel)?
Es droht elektrochemische Korrosion (Lochfraß). Gelöste Kupferionen können im Wasser transportiert werden und sich auf der Zink- oder Stahlschicht ablagern. Dort bilden sie ein lokal galvanisches Element, welches das unedlere Metall (Stahl) rasch zerstört.
Theorie Aufgabe 26: Gegenstrom- vs. Gleichstromprinzip in Wärmetauschern
Erklären Sie den Unterschied zwischen dem Gegenstrom- und dem Gleichstromprinzip bei Wärmetauschern. Nennen Sie die jeweiligen Vor- und Nachteile sowie die typischen Einsatzbereiche.
1. Gegenstromprinzip: Beide Medien fließen in entgegengesetzter Richtung zueinander.
• Vorteile: Höchster Wirkungsgrad, größere mittlere Temperaturdifferenz (\( \Delta t_m \)). Das zu erwärmende Medium kann auf eine Temperatur erwärmt werden, die höher liegt als die Austrittstemperatur des heizenden Mediums.
• Nachteile: Ungleichmäßige thermische Belastung des Werkstoffs über die Tauscherlänge.
• Einsatz: Standard in der Trinkwassererwärmung (Platten- & Frischwasserwärmetauscher).
2. Gleichstromprinzip: Beide Medien fließen in dieselbe Richtung.
• Vorteile: Schnelle Abkühlung/Erwärmung am Eintritt, sehr gleichmäßige Wandtemperatur (schont empfindliche Stoffe).
• Nachteile: Schlechterer Wirkungsgrad. Die Austrittstemperatur des Sekundärmediums kann niemals höher werden als die Austrittstemperatur des Primärmediums.
• Einsatz: Prozesstechnik, Schutz vor Überhitzung oder zum gezielten Abkühlen.