Datenbasierte Planung als Schlüssel zu energieeffizienten Warmwasseranlagen

Das herauszufinden war das Ziel des Forschungsprojekts TA-DTE-XL, welches das Institut für Solarenergieforschung (ISFH) gemeinsam u.a. mit TRIOVEGA und Industriepartner Viega durchgeführt hat. Die Ergebnisse liefern nicht nur neue Erkenntnisse, sondern konkrete Handlungsempfehlungen für die Praxis.

Planung zwischen Komfort und Effizienz

Warmwasseranlagen für öffentliche Gebäude und Sonderbauten zu planen ist eine herausfordernde Aufgabe. Hohe Anforderungen an Komfort und Hygiene treffen auf teils sehr unterschiedliche und stark fluktuierende Nutzungsprofile. Neue Auflagen bezüglich der Gesamtenergieeffizienz der Gebäude und technologische Entwicklungen wie Wärmepumpen verstärken den Druck zur Optimierung: je weniger Wasservolumen neu aufgeheizt werden muss und je geringer die Temperaturunterschiede sind, desto effizienter das gesamte Gebäude.

Für Planende entsteht ein Zielkonflikt: Einerseits sollen Nutzende jederzeit über ausreichend warmes Wasser verfügen – andererseits gilt es, Energieverbrauch und Betriebskosten so gering wie möglich zu halten. Vorhandene Richtlinien wie die DIN EN 12831-3 zur Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen oder die VDI 2072 arbeiten mit teils übertriebenen Annahmen über die Dauer von Maximallasten, was zu deutlich überdimensionierten Anlagen führt.

Genau hier setzt TA-DTE-XL an: ISFH, TRIOVEGA und Viega wollten gemeinsam untersuchen, wie sich real gemessene Nutzungsdaten auswerten lassen, um die Dimensionierung von Trinkwasseranlagen deutlich bedarfsgerechter und damit energieeffizienter zu gestalten – ohne Komforteinbußen für die Endnutzenden.

TRIOVEGA brachte im Rahmen des Projekts die essenzielle Data Science-Expertise ein, die mit service.factoryINSIGHTS als spezialisierte Dienstleistung für Industrieunternehmen zur Verfügung steht. Mit fundierter Datenanalyse, vergleichenden Methoden und Simulationen wurden mehrere hundert Millionen Messwerte ausgewertet und aufbereitet – mit dem Ziel, konkrete Handlungsempfehlungen für Hersteller wie Viega abzuleiten.

TA-DTE-XL: Datenbasis und Methodik

Im Zentrum des Forschungsprojekts stand die Frage, wie stark reale Nutzungsmuster von den normativen Annahmen abweichen – und welche Konsequenzen sich daraus für die Auslegung von PWH-Anlagen (Potable Water Hot) ergeben. Über einen Zeitraum von vier Jahren wurden dazu in ca. 50 großen Liegenschaften – darunter bspw. Hotels, Sporthallen, Kliniken, Altenheime und Campingplätze – die Zapfvolumenströme detailliert erfasst. Insgesamt kamen so mehr als 500 Millionen Datenpunkte zusammen.

Ein wichtiges Element der Analyse war die Variation der Mittelungsintervalle: Neben der herkömmlichen Mittelung der Zapfströme über 60 Sekunden Dauer, wie sie auch in den Richtlinien angewendet wird, wurden auch 1 Sekunde, 10 Sekunden und weitere Intervalle bis hin zu 300 Sekunden verwendet. Dabei wurde deutlich: Die Wahl des Intervalls hat erheblichen Einfluss auf die abgeleiteten Lastspitzen und damit auf die empfohlene Anlagendimensionierung. Ergänzend zu den Mittelwerten wurden auch Mediane sowie Häufigkeits- und Perzentilverteilungen berechnet, um Ausreißer und stark abweichende Nutzungsprofile bei unterschiedlichen Gebäudetypen korrekt einordnen zu können.

Zentrale Ergebnisse: Neue Maßstäbe für die Planung

Diese differenzierte Betrachtung ermöglichte eine praxisnahe Simulation der realen Beanspruchung der Warmwasseranlagen und zeigte, dass bestehende normative Vorgaben zu stark überhöhten Dimensionierungen führen können – mit negativen Folgen für Effizienz und Kosten.

1. Das 10-s-Intervall als praxisgerechter Kompromiss

Eines der wichtigsten Ergebnisse des Projekts: Die bislang empfohlenen 60-s-Mittelwerte verschleiern kürzer andauernde Bedarfsspitzen signifikant – in Einzelfällen lagen die im 1-s-Intervall gemessenen Maximalwerte um bis zu 50 % höher. Gleichzeitig wird die Dauer der Lastspitzen durch die langen Intervalle aber deutlich überschätzt.

Insgesamt erwiesen sich Messungen im 1-s-Intervall als zu fehleranfällig, da sie etwa durch Druckschwankungen beim Öffnen und Schließen der Armaturen stark verzerrt werden. In der Konsequenz wurde das 10-s-Intervall als optimaler Kompromiss identifiziert – mit hoher Aussagekraft bei gleichzeitig geringer Störanfälligkeit und praktikabler Datenmenge.

2. Individuelle Bedarfe statt standardisierter Annahmen: Effizienzgewinne ohne Komforteinbußen

Die Erkenntnis, dass Warmwasseranlagen in der Realität nur für sehr kurze Zeiträume von wenigen Sekunden an ihrem rechnerisch maximalen Auslegungspunkt betrieben werden, spielt eine zentrale Rolle für die konkrete Ausgestaltung der Trinkwassererwärmungsanlagen – denn diesen energetisch besonders ineffizienten Betriebszustand zu jedem Zeitpunkt zu ermöglichen, erhöht den Gesamtenergiebedarf der Anlage dramatisch.

Allgemein kann angenommen werden, dass der Unterschied zwischen einem Komfortniveau von 99,9 % und 99 % nur in seltenen Fällen überhaupt von den Nutzenden wahrgenommen werden würde: Schließlich unterliegt das gesamte Wassersystem auch einer gewissen physikalischen Trägheit, die Temperaturunterschiede im Speicher nicht sofort an den Zapfhähnen spürbar macht. Ein abgesenktes Planungsziel – etwa die Versorgungssicherheit in 99 % der Fälle – ermöglicht also eine deutlich schlankere, ressourcenschonendere Anlagendimensionierung, ohne spürbare Einbußen beim Komfort.

3. Reservoirsimulation bestätigt: Keine Versorgungsengpässe trotz kleinerer Auslegung

Zur Validierung dieser Überlegung wurde ein einfaches Modell entwickelt, das die Auswirkungen der Zapfvolumenströme auf ein simuliertes Reservoir an Heißwasser darstellt. Die Resultate waren eindeutig: Kurzzeitige Spitzenlasten entleeren auch ein kleineres Reservoir nicht direkt. Erst längere, aufeinanderfolgende Entnahmen zeigten potenzielle Risiken – in der Praxis jedoch ein so seltenes Szenario, dass die Verkleinerung der Anlagen in vielen Fällen möglich wäre.

Diese Erkenntnisse stützen die Empfehlung, die Auslegung künftig verstärkt auf realitätsnahe, individualisierte Nutzungsszenarien, statt auf angenommene Maximalwerte zu stützen – ergänzt durch vereinfachende Modelle, die die konkrete Nutzung im Gebäude simulieren.

Mehrwerte der Datenanalyse für Trinkwassersysteme – und darüber hinaus

Aus den Ergebnissen des Forschungsprojekts kann Viega auf mehreren Ebenen Vorteile ziehen  – sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Kundenkommunikation.

> Effizientere Produkte durch bessere Daten

Mit dem Wissen über reale Bedarfsverläufe und die Validierung des 10-s-Intervalls kann Viega seine Systeme künftig noch gezielter auf den tatsächlichen Bedarf seiner Kunden zuschneiden. Überdimensionierungen lassen sich vermeiden, die Integration erneuerbarer Wärmeerzeuger wird erleichtert und das Gesamtsystem arbeitet nachhaltiger und kostengünstiger.

> Argumentationshilfe in der Planung

Argumentationsbasis gegenüber Bauherren, Planenden oder Behörden, um kleinere, effizientere Lösungen zu vertreten – ohne den Vorwurf, Normvorgaben zu ignorieren oder den Komfort zu vernachlässigen.

> Differenzierung am Markt durch datenbasierte Planungskompetenz

Mit dem Wissen über reale Bedarfsverläufe und der Validierung des 10-s-Messintervalls kann Viega seine Systeme künftig noch gezielter auf den tatsächlichen Bedarf seiner Kunden zuschneiden. Überdimensionierungen lassen sich vermeiden, die Integration erneuerbarer Wärmeerzeuger wird erleichtert und das Gesamtsystem arbeitet nachhaltiger und kostengünstiger.

Fazit

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts TA-DTE-XL unterstreichen das Potenzial datenbasierter Planung für die energieeffiziente Auslegung von Warmwasseranlagen. Die Analyse realer Nutzungsmuster zeigt: Normative Annahmen führen häufig zu überdimensionierten Systemen – mit unnötigem Energieeinsatz und höheren Kosten. Das 10-Sekunden-Messintervall erweist sich dabei als praxisnaher Kompromiss, der Lastspitzen realitätsnäher abbildet und gleichzeitig eine verlässliche Planung ermöglicht. Auf dieser Basis lassen sich Anlagen deutlich ressourcenschonender gestalten, ohne Komforteinbußen für die Nutzenden in Kauf nehmen zu müssen.