Durchlauferhitzer
Ein Durchlauferhitzer, Durchfluss-Wassererwärmer, Geyser oder Durchlaufwasserheizer[1] (DWH) ist ein fest installiertes Gerät zur Warmwasserbereitung. Im Gegensatz zum Warmwasserspeicher, der als Vorratsbehälter eine begrenzte Warmwassermenge bereitstellt, erwärmt ein Durchlauferhitzer das Wasser erst dann, wenn eine Mischarmatur geöffnet wird. Um das durchfließende Wasser sofort auf die gewünschte Temperatur zu bringen, benötigt ein Durchlauferhitzer eine hohe Wärmeleistung.
Durchlauferhitzer eignen sich nicht zur Bereitung von kochendem Wasser. Neuere Durchlauferhitzer können auch mit vorgewärmtem Wasser betrieben werden, welches etwa durch eine Solaranlage erzeugt wurde und dann bis auf die gewünschte Temperatur nacherhitzt wird, sofern dies nötig ist.
Kombithermen sind Heizkessel, die einen zweiten Wärmetauscher besitzen, der ebenso wie ein Durchlauferhitzer fortlaufend warmes Wasser erzeugen kann.
Ein gewöhnlicher Durchlauferhitzer kann höchstens eine Dusche oder zwei Waschbecken zugleich versorgen, so dass Durchlauferhitzer üblicherweise dezentral, d. h. in der Nähe der Entnahmestelle eingesetzt werden.[2] 1961 brachte Vaillant als erstes Unternehmen ein wandhängendes Heizgerät auf den Markt: den „Circo-Geyser MAG-C 20“, weshalb „Geyser“ in Fachkreisen als Gattungsname für Durchlauferhitzer verwendet wird.
Funktionsprinzip
Wird das Wasser an der Entnahmestelle gezapft, detektiert das Gerät den Durchfluss und erwärmt das durchfließende Wasser. Wird die Wasserentnahme durch Zudrehen des Warmwasserhahnes unterbrochen, muss die Energiezufuhr umgehend abgeschaltet werden. Geschieht dies verzögert, kann die zugeführte Energie nicht vom durchfließenden Wasser abgeführt werden und das stagnierende Wasser überhitzt. In diesem Störfall wird das Gerät durch einen Sicherheitstemperaturbegrenzer abgeschaltet und muss durch einen Fachhandwerker nach Beseitigung des ursächlichen Fehlers rückgesetzt werden. Als weitere Sicherheitsmaßnahmen kann ein Sicherheitsdruckschalter dienen, der zwischen Rückschlagventil (Kaltwasserzulauf) und Entnahmeventil angeordnet ist. Hier baut sich bei versagender Regelung Dampfdruck auf, auf welchen der Sicherheitsdruckschalter anspricht und die Stromzufuhr bis zur manuellen Rückstellung unterbricht.[3] Im Bild unten ist das der zentrale Kontaktblock mit dem roten Knopf.
Die Länge der Wasserleitung zwischen Durchlauferhitzer und Zapfstelle(n) sollte kurz gehalten werden, da sich das in der Leitung stehende Wasser zwischen den Zapfvorgängen abkühlt und bei erneuter Entnahme ungenutzt abfließt, bis die gewünschte Auslauf-Temperatur erreicht wird.
Durchlauferhitzer werden nach der verwendeten Energieart, Funktionsweise (Energiewandlung, Prinzip des Wärmeübertragers) und vorgesehenem Einsatzgebiet unterschieden.
Üblich sind gasbetriebene und elektrische Durchlauferhitzer, die entweder mit hydraulischer oder elektronischer Detektion des Wasserdurchflusses ausgerüstet sind. Elektrische Durchlauferhitzer können weiter in Rohrheizkörper- und Blankdrahtgeräte sowie nach gesteuertem oder geregeltem Verhalten unterschieden werden.
Die Detektion des Durchflusses im Gerät erfolgt mittels Differenzdruckschalter bei hydraulischen und mittels Turbinen-Durchflussmesser bei elektronischen Geräten. Der Differenzdruckschalter funktioniert mechanisch. Er registriert den Druckunterschied beim Zapfen und schaltet die Energiezufuhr ein. Je nach Strömungsgeschwindigkeit und Druckverhältnissen wird die Membran stärker ausgelenkt, wodurch mehrere Leistungsstufen geschaltet werden können. In der Praxis sind jedoch nur zwei Stufen üblich. Der Turbinen-Durchflussmesser enthält zur Auswertung des Durchflusses eine elektronische Baugruppe, die eine stufenlose Messung unabhängig von den Druckverhältnissen erlaubt. Beide Systeme benötigen einen Mindestdurchfluss, um eine Wasserentnahme wahrzunehmen sowie das Sieden des Wassers bei der geringsten vorgesehenen Leistungsabgabe zu vermeiden.
Die Wärmeübertragung an das Wasser erfolgt durch einen Wärmetauscher, der meist aus Kupfer besteht, da Kupfer ein guter Wärmeleiter ist und nicht korrodiert.
Typen nach Energieart
Betriebsbedingungen
Für das schnelle Aufwärmen des Wassers ist eine hohe elektrische Leistung erforderlich. Marktüblich sind Durchlauferhitzer mit 18, 21, 24, 27 und 33 kW Anschlusswert. Sogenannte Kompakt-Durchlauferhitzer verfügen über einen Anschlusswert von 11 oder 13,5 kW (auch umschaltbar). Steckbare einphasige Geräte haben wegen der üblichen Belastbarkeit einer Schutzkontaktsteckdose nur 2,2 bis 3,5kW und eignen sich nur zum Betrieb eines Handwaschbeckens.
Je höher die Heizleistung, desto mehr Wasser kann auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden. Für die Erwärmung von Trinkwasser auf Bade- bzw. Duschtemperatur von 38°C ausgehend von einer Kaltwassertemperatur um 11°C ist die folgende Faustformel üblich:
Bei hydraulisch gesteuerten Durchlauferhitzern schwankt die Temperatur des Wassers gewöhnlich mit der Durchflussmenge. Elektronisch geregelte Geräte hingegen bieten über den gesamten Betriebsbereich eine konstante Ausgangstemperatur.
Ältere Geräte enthalten einen elektrischen Rohrheizkörper, der sich innerhalb eines Behälters befindet, durch den das Wasser strömt. Viele moderne Geräte besitzen Blankdrahtheizelemente, deren Heizdrähte direkt vom Wasser umspült werden. Leitungswasser wirkt isolierend gegenüber den stromführenden Drähten, so dass (bis zu dem auf dem Geräteschild angegebenen Leitwert des örtlich vorhandenen Trinkwassers) keine unzulässig hohen Fehlerströme auftreten. Die Heizelemente sind durch eine Vor- und Nachlaufstrecke von den angeschlossenen Rohren getrennt, so dass sich ein genügend langer, isolierender Wasserweg ergibt.[4] Blankdrahtheizelemente haben gegenüber den früher verwendeten Rohrheizkörpern den Vorteil einer wesentlich kürzeren Reaktions- und damit Aufheizzeit, zudem neigen sie nicht zur Verkalkung. Nachteilig ist die höhere Anfälligkeit gegenüber Lufteinschlüssen und Dampfblasen, die zu einer partiellen Überhitzung der Heizdrähte führen können.[5]
Hydraulisch gesteuerte Durchlauferhitzer
Bei Modellen mit hydraulischer Steuerung erfolgt die Erwärmung mit bis zu drei Heizleistungsstufen. Kleinste Wassermengen können mit hydraulischen Durchlauferhitzern nicht erwärmt werden, denn zum Einschalten ist eine Mindestdurchflussmenge erforderlich. Das Zumischen von kaltem Wasser ist daher nur in Grenzen sinnvoll. Läuft zu wenig warmes Wasser, schaltet der Durchlauferhitzer komplett ab.
Elektronische Durchlauferhitzer
TW = Abgang zu den Zapfstellen
TWW = Zuleitung mit Absperrventil
L1/L2/L3/PE = elektrische Anschlüsse
1) Heizpatrone
2) Druckschalter
3) Zentrale Befestigungsschraube
Die elektrischen Klemmverbindungen sind fest anzuziehen, da sich die Kontaktstellen sonst stark erhitzen können: Am Anschluss L2 der oberen Klemmverbindung dieses Geräts ist die Aderisolierung sichtbar angeschmolzen.
Bei elektronischen Geräten wird die Heizleistung stufenlos mittels Leistungselektronik gesteuert. Die hohen Betriebströme erlauben keine Steuerung per Phasenanschnittsteuerung, weil eine solche erhebliche Verzerrungsblindleistungen nach sich ziehen würde. Es wird stattdessen eine Schwingungspaketsteuerung eingesetzt. Die Leistungshalbleiter werden mit dem Kaltwasserzufluss gekühlt. Zumischung von kaltem Wasser kann bei diesen Geräten u. U. entfallen. Aber auch wenn eine Mischarmatur eingesetzt wird, sogar eine thermostatisch geregelte, unterliegen elektronische Durchlauferhitzer nicht mehr den Einschränkungen der hydraulischen Durchlauferhitzer, für die explizit für Durchlauferhitzer geeignete thermostatische Mischarmaturen benötigt würden.
Bei den elektronisch gesteuerten Durchlauferhitzern wird die Heizleistung stufenlos elektronisch anhand einer Durchflussmessung (Turbinenrad) und der gemessenen Zulauftemperatur gesteuert.
Elektronisch geregelte Durchlauferhitzer arbeiten zusätzlich mit einem Temperatursensor am Auslauf und regeln die Auslauftemperatur. Es ist evtl. ein externes Sollwertpoti vorhanden.
Vorteile elektronischer Varianten sind erhöhter Komfort und eine Energieeinsparung bis etwa 30 Prozent[6] gegenüber hydraulischen Durchlauferhitzern, da die Durchflussrate ein geringeres Minimum hat und der Sollwert schneller und genauer erreicht wird.
Die Leistungsregelung kann nur bis zu einer maximalen Durchflussrate die Temperatur konstant halten, dann fällt diese ab. Daher besitzen manche Geräte ein Motorventil, welches in diesem Fall die Durchflussrate begrenzt, um die Temperatur halten zu können.[7]
Elektrischer Anschluss
Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme sind Durchlauferhitzer meistens zum Anschluss an das Drehstromnetz vorgesehen. Wegen der hohen Ströme ist in vielen Altbauten zur Installation eine Erneuerung der Anschlussleitungen erforderlich. Zu gering dimensionierte Leitungen stellen eine Brandgefahr dar.
Durchlauferhitzer dürfen nur von einer eingetragenen Elektrofachkraft angeschlossen werden. Ab einer Anschlussleistung von 12kW muss eine Genehmigung des jeweiligen Energieversorgungsunternehmens eingeholt werden, bevor ein elektrischer Durchlauferhitzer installiert wird. Einphasige Geräte dürfen am öffentlichen Niederspannungsnetz mit einer maximalen Leistung von 4,6kW betrieben werden.
Durchlauferhitzer sind Drehstromverbraucher mit symmetrischer Belastung, so dass eine Verbindung mit dem Neutralleiter des Stromnetzes in der Regel nicht vorgesehen ist.
Kleindurchlauferhitzer
Als Kleindurchlauferhitzer werden Geräte mit einer Leistung von 3,5–6,5 Kilowatt bezeichnet, die zur Versorgung einzelner Zapfstellen dienen. Die geringe elektrische Leistung führt dabei nur zu einer geringen Warmwasserleistung: Ein 3,5-kW-Gerät erreicht bei einer Durchflussmenge von 2 Litern pro Minute eine Temperaturerhöhung von 25 Kelvin. Diese Geräte eignen sich für Stellen, an denen geringe Mengen warmen Wassers mit einer nicht so hohen Temperatur benötigt werden, etwa im Gäste-WC. Sie sind eine sinnvolle Alternative gegenüber wenig benutzten, klassischen 5-Liter-Warmwasserspeichern, da keine Bereitschaftsverluste entstehen. Der Anschluss eines 3,5kW Durchlauferhitzers kann einer normalen Schutzkontaktsteckdose erfolgen. Daher wird bei der Installation im Gegensatz zu den leistungsstärkeren Geräten, die fest angeschlossen werden, keine Elektrofachkraft benötigt. Der geringe Wasserdurchsatz wird durch Strahlformer am Auslauf der Armatur kaschiert.
Gasdurchlauferhitzer
Bei einem Gasdurchlauferhitzer wird, entweder durch eine ständig brennende Zündflamme oder einen selbsttätig zuschaltenden Piezozünder, ein Gasbrenner bei Bedarf gezündet und betrieben. Das zu erwärmende Wasser wird in der Regel durch Kupferrohrwendeln geleitet, die zur verbesserten Wärmeübertragung mit Blechlamellen verbunden sind, durch welche die erhitzten Brenngase strömen (siehe auch Wärmeübertrager).
Die neueste Generation von Gas-Durchlauferhitzern benötigt weder die früher übliche Zündflamme noch einen Stromanschluss zur elektrischen Zündung. Sie enthalten eine Batterie- oder Generatorzündung, welche die Strömungsenergie des fließenden Wassers nutzt.
In der Regel ist es erforderlich, den Durchlauferhitzer an einen Schornstein anzuschließen. Bei geringer Leistung des Geräts kann im Ausnahmefall eine Frischluftzufuhr und Abführung der Abgase durch eine Außenwand ins Freie ausreichen.
Gasdurchlauferhitzer werden mit Erdgas betrieben, sofern ein Gasanschluss vorhanden ist. Seltener wird Flüssiggas aus Flaschen oder ortsfesten Anlagen genutzt. Die Umstellung der Gasart wird vom Installateur durch einen Düsenwechsel vorgenommen.
Gasdurchlauferhitzer benötigen zur Installation deutlich mehr Platz als ihre elektrischen Pendants.[8]
Frischwasserstation
Bei einer sogenannten Frischwasserstation wird die zur Erwärmung des Trinkwassers erforderliche Energie von einem Heizkreislauf zugeführt, dessen Medium an anderer Stelle erwärmt wird. Als Energiequelle dienen etwa Solarkollektoren oder Fernwärme. Eine Frischwasserstation benötigt sehr wenig Platz, wenn sie lediglich einen Plattenwärmetauscher enthält. Häufig sind auch Entleerungs- und Absperrarmaturen sowie Temperaturfühler und gegebenenfalls Wärmemengenzähler enthalten.
Wirkungsgrad
Der elektrische Durchlauferhitzer setzt die elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent in Wassererwärmung um. Es treten lediglich geringe Abstrahlverluste des Gerätes sowie Leitungsverluste in Form von Wärme auf. Allerdings ist die Erzeugung des elektrischen Stroms und Verteilung bis zum Hausanschluss mit erheblichen Verlusten behaftet. Daraus ergibt sich bei Primärenergiequellen wie Kohle, Erdgas, Öl oder Kernenergie ein Gesamtwirkungsgrad von nur 30–40 Prozent.[9]
Gasdurchlauferhitzer weisen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 75–85 Prozent auf.[2] Diese Verluste setzen sich aus der durch den Schornstein entweichenden Abwärme und den Abstrahlungsverlusten des Gerätes zusammen.
Bei gleicher Warmwasserleistung benötigt das Gasgerät also nur die Hälfte der Primärenergiemenge eines elektrischen Durchlauferhitzers, der mit Strom aus fossilen Brennstoffen betrieben wird.
Nahe der Verbrauchsstelle installierte Durchlauferhitzer können gegenüber einer zentralen Warmwasserversorgung energie- und wassersparend eingesetzt werden, da bei letzteren die Ablaufverluste (bis warmes Wasser kommt), die Wärmeverluste durch Rohrleitungen und Warmwasserspeicher sowie der elektrische Energiebedarf für Zirkulationspumpen berücksichtigt werden muss. Auch verringert sich der Umfang der Warmwasserinstallation. Der Effekt macht sich besonders bei abseits liegenden Verbrauchsstellen mit seltener Benutzung oder geringer Abnahmemenge (z. B. Gäste-WC) bemerkbar, so dass hier oft auch der Einsatz strombetriebener Geräte gerechtfertigt sein kann.
Bei regelmäßigem und höherem Warmwasserbedarf sind demgegenüber gasbetriebene Durchlauferhitzer sowie auch zentrale Warmwasserbereiter mit Warmwasserspeichern energieeffizienter und kostengünstiger zu betreiben. Gasbetriebene kombinierte Warmwasser-/Heizungs-Durchlauferhitzer werden häufig in Mehrfamilienhäusern als Etagenheizung eingesetzt.
Wartungskosten
Die Heizkomponenten elektrischer Durchlauferhitzer bedürfen keiner Wartung.
Oft wird empfohlen, gasbetriebene Geräte jährlich warten zu lassen, wobei die Brennräume gereinigt werden. Meist findet alle zwei Jahre eine Überprüfung von Gasgeräten durch den Schornsteinfeger statt.
Je nach genauer Zusammensetzung kann es bei kalkhaltigem Trinkwasser erforderlich werden, den sich ablagernden Kesselstein fachgerecht zu entfernen. Unterbleibt die Entkalkung, verschlechtert sich mit dem Wärmedurchgang auch der Wirkungsgrad.
Elektrische Durchlauferhitzer mit Blankdraht-Heizelementen gelten als wartungsfrei und brauchen nicht entkalkt zu werden. Wegen der besonders massearmen Heizelemente (Draht) verbleibt nach dem Abschalten kaum Nachwärme, was den wesentlichen Grund für die Verringerung der Kesselstein-Ausscheidungen darstellt. Durch die Ausdehnung des Heizdrahtes bei Erwärmung wird ein Kesselsteinbelag regelmäßig abgesprengt.
Verbrauchs- und Unterhaltskosten
Diese Beispiele erfolgen auf Grund üblicher Kosten in Deutschland.
Betrieb mit Strom
Üblicherweise werden elektrische Durchlauferhitzer mit Haushaltsstrom betrieben. Der Stromverbrauch eines Durchlauferhitzers lässt sich anhand der Maximalleistung des Gerätes und der Nutzungsdauer überschlägig ermitteln. Ein Durchlauferhitzer mit einer Leistungsaufnahme von 24 Kilowatt (kW) wird bei voller Leistung in einer Stunde 24 Kilowattstunden (kWh) verbrauchen. Wenn täglich von vier Personen jeweils zehn Minuten bei voller Leistung geduscht wird, ergibt sich ein Verbrauch von rund 5840 kWh pro Jahr. Bei einem Durchschnittspreis von 30 Cent pro kWh würden jährliche Kosten von 1752 € entstehen.[10][11]
Betrieb mit Erdgas
Die Energiekosten von Erdgas betragen etwa 6 ct pro kWh. Die Kosten für Warmwasser aus einem mit Erdgas betriebenen Durchlauferhitzer setzen sich wie folgt zusammen:
- Schornsteinfeger und Wartung (ca. 60 € pro Jahr bei Einzelgeräten; verringert sich anteilig, wenn weitere Gasgeräte vorhanden sind)
- Grundgebühr für den Gaszähler (anteilig, wenn mehrere Gasgeräte vorhanden sind)
- Stromkosten für den Betrieb des Gasdurchlauferhitzers (nach obigem Beispiel 240 Betriebsstunden pro Jahr mit rund 100 Watt elektrischer Leistung, also 24 kWh pro Jahr zu 0,30 € pro kWh ergibt 7,20 € pro Jahr)
- Kosten für Erdgas (nach obigem Beispiel 5840 kWh mit angenommenen Wirkungsgrad von 65 % ergeben 8985 kWh Gas; bei 6 ct pro kWh entstehen also Kosten von 539 € pro Jahr)
Bei einem ausreichend hohen Anteil Strom aus erneuerbaren Quellen (Strommix) hat der elektrische Durchlauferhitzer eine günstigere CO2-Bilanz. Die reinen Energiekosten beim erdgasbetriebenen Durchlauferhitzer sind wesentlich geringer und betragen selbst bei einem schlechten Wirkungsgrad des Gas-Durchlauferhitzers von unter 70 Prozent nur etwa ein Drittel der Stromkosten. Wenn insgesamt nur wenig Warmwasser benötigt wird, können die höheren Anschaffungs-, Installations- und Wartungskosten von Gasgeräten diesen Vorteil jedoch wieder ausgleichen.
Literatur
- Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, Ernst-Rudolf Schramek (Hrsg.): Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 03/04. einschließlich Warmwasser- und Kältetechnik. Oldenbourg Industrieverlag, München 2003, ISBN 3-486-26534-2, 4.2.1 Einzel- und Gruppenversorgung, S. 1699–1710.
- Karl Volger, Erhard Laasch (Bearb.): Haustechnik. Grundlagen, Planung, Ausführung. 10. Auflage. Teubner, 1999, ISBN 3-519-15265-7.
Weblinks
- Planung und Installation Warmwasser (abgerufen am 2. Oktober 2020)
- Montageanleitung für den Fachhandwerker (abgerufen am 2. Oktober 2020)
- Durchlauferhitzer – von hydraulisch bis vollelektronisch (abgerufen am 2. Oktober 2020)
- Gas-Durchlauferhitzer (abgerufen am 2. Oktober 2020)
- Detaillierte Modellierung des Haushaltsstromverbrauchs zur Untersuchung von Demand Side Management (abgerufen am 2. Oktober 2020)
Einzelnachweise
- Lajos Joos: Energieeinsparung in Gebäuden: Stand der Technik ; Entwicklungstendenzen, Vulkan-Verlag GmbH, 2004.
- Ernst-Rudolf Schramek, Eberhard Sprenger, Hermann Recknagel: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. 03/04. Verlag Oldenbourg, 2002, ISBN 3-486-26534-2, S. 1699–1710.
- TomTank: Wie funktioniert ein elektrischer Durchlauferhitzer. In: SBZ Monteur. Alfons W. Gentner Verlag, 8. März 2013, ISSN 0342-8206 (sbz-monteur.de, abgerufen am 21. Oktober 2018)
- Welche Heizsysteme gibt es bei Durchlauferhitzern? Firmenschrift der Fa. Stiebel-Eltron. (stiebel-eltron.at abgerufen am 21. Okt. 2018)
- Servicehandbuch von Dimplex (PDF)
- Einsparpotential Durchlauferhitzer. Firmenschrift Stiebel Eltron. (stiebel-eltron.de abgerufen am 21. Okt. 2018)
- Vom vollelektronischen bis zum elektronisch gesteuerten Durchlauferhitzer. Firmenschrift Stiebel Eltron zu vollelektronischen DLE. (stiebel-eltron.at, abgerufen am 21. Okt. 2018)
- Gas-Durchlauferhitzer. In: www.durchlauferhitzer-wissen.de. Abgerufen am 25. März 2018.
- Stromverbrauch von Durchlauferhitzern. (PDF; 113 kB) In: energieexperten.org. 29. Dezember 2009, abgerufen am 14. Oktober 2012.
- Elektrische Durchlauferhitzer kosten ein Drittel der Stromkosten. In: http://www.octobernews.de/. 15. Januar 2015, abgerufen am 11. Februar 2016.
- Durchlauferhitzer Stromverbrauch. Stromverbrauchs und Kostenrechner. In: www.durchlauferhitzer-wissen.de. 15. November 2016, abgerufen am 16. März 2018.