Letzte Aktualisierung: 23.11.2020

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Experten-Ratgeber zur Technik, Betrieb und Einsparpotenzialen bei Zirkulationsleitungen

Was ist eine Zirkulationsleitung? Wie ist sie aufgebaut und welchen Zweck verfolgt an mit ihrer Installation? Welche Vor- und Nachteile bringt eine Warmwasser-Zirkulation mit sich?

Wann immer und wo immer man es braucht – die Verfügbarkeit von warmem Wasser zählt für uns heute zum Standard. Dabei wissen die wenigsten, dass gerade der Warmwasserverbrauch einen bedeutenden Anteil am Heizenergieverbrauch einnimmt. Daher ergeben sich gerade in diesem Bereich hohe Einsparpotenziale. In dieser Hinsicht weisen auch Zirkulationsleitungen erhebliche Optimierungspotenziale auf. Daher wollen wir Ihnen in diesem Artikel aufzeigen, wie es dank ausgeklügelter Zirkulationsleitung gelingt, dass das warme Wasser immer unmittelbar dann aus dem Wasserhahn im Haushalt strömt, wenn Sie ihn aufdrehen. Sie erfahren dabei, wie eine solche Zirkulationsleitung ausgelegt sein muss und nach welchem Prinzip sie funktioniert. Zudem gehen wir auf die gesetzlichen Energieeffizienz-Anforderungen ein und zeigen, wie eine Brauchwasser-Zirkulation technisch effizienter geregelt werden kann.

Beweggründe für den Einsatz von Zirkulationsleitungen

Wichtiger Bestandteil moderner Trinkwasseranlagen sind sogenannte Zirkulationsleitungen. Sie sorgen dafür, dass in großen wie kleinen Gebäuden, sprich: Mehrfamilienhäusern wie Einfamilienhäusern, auch am entlegensten Wasserhahn warmes Wasser zirkuliert, unmittelbar nachdem man ihn aufdreht.

Um dieses hohe Maß an Komfort zu gewährleisten, ist es nötig, dass in der Brauchwasserleitung stets warmes Wasser zirkuliert. Daher auch der Name Zirkulationsleitung. Andernfalls, also wenn das Wasser in den Rohren still stünde, käme nämlich erstmal nur abgestandenes, abgekühltes Wasser aus dem Hahn.

Für die Zirkulation des Wassers innerhalb der Leitung ist die entsprechend Zirkulationspumpe genannte Umwälzpumpe verantwortlich. Diese Pumpe treibt das erhitzte Wasser permanent zur Zapfstelle, wo es bei geschlossenem Wasserhahn über die Zirkulationsleitung zum Speicher zurückfließt. In größeren Gebäuden kann es auch mehrere Zirkulationsstränge geben. Sie können entweder mit separaten Pumpen versorgt werden oder auch mit einer einzigen, wenn das System entsprechend hydraulisch abgeglichen ist.

Nicht nur aus Komfortgründen ist eine Zirkulationsanlage erforderlich. Denn die Zahl von Krankheitserregern im Brauchwasser nimmt immer dann zu, wenn der Brauchwasserkreislauf stagniert. Besonders gefährlich für den Menschen ist der Legionella-Erreger. Bei Temperaturen zwischen 30 und 45 Grad Celsius vermehrt am schnellsten. Gefährlich werden die Legionellen, wenn sie im Wasserdampf eingeatmet werden, während sie im Trinkwasser harmlos bleiben.

Gesetzliche Anforderungen an die Brauchwarmwasserzirkulation

Hygienevorschriften

Legionellen sind eine unsichtbare, geruch- und geschmacklose Gefahr. Sie entwickeln sich in einem Temperaturbereich von 20 bis 50 °C. Gefährlich werden sie aber erst, wenn sie über Wassertröpfchen oder Sprühnebel in die Lunge gelangen. Die Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001), die DIN 1988 sowie die beiden DVGW-Arbeitsblätter W551 und W553 fordern Maßnahmen zur Vermeidung des Legionellenwachstums für nicht zirkulierende Warmwasserleitungen. Dabei wird in Klein- und Großanlagen unterschieden.

Kleinanlagen sind Einrichtungen in Ein- und Zweifamilienhäusern ohne Begrenzung des Inhaltes. Als Kleinanlagen gelten zusätzlich Anlagen mit Trinkwassererwärmern mit einem Inhalt ≤ 400 l und einer Anbindleitung mit ≤ 3 l Inhalt bis zur Entnahmestelle. Eine Zirkulationsleitung wird nicht berücksichtigt (siehe Trinkwasserverordnung 2. Veränderung 2013 §3).

Großanlagen sind alle Trinkwassererwärmungssyteme mit einem Inhalt > 400 l und/oder >3 l in jeder Rohrleitung zwischen dem Trinkwassererwärmer und der Entnahmestelle. Großanlagen müssen mit Zirkulationssystemen versehen werden. Alternativ oder ergänzend zur Zirkulationsleitung können Begleitheizungen eingebaut werden. Das Wasser am Austritt des Trinkwassererwärmers muss stets eine Temperatur von ≥ 60 °C einhalten. Die Wassertemperatur im System darf um nicht mehr als 5 K niedriger sein als die Wasseraustrittstemperatur am Erwämer.

Eine Zirkulation ist demnach in Wohneinheiten erforderlich, wenn zwischen der Steigleitung und der Zapfstelle die "3-Liter-Grenze" (auch 3-Liter-Regel) überschritten ist. Eine Wohneinheit benötigt daher oft zusätzliche Steigleitungen und entsprechende Revisionsabdeckungen, um die notwendigen Zirkulationsvorschriften zu erfüllen. Vermeiden sollte man, nicht oder wenig genutzte Leitungen mit Stagnation. Wichtig ist, dass das Wasser ständig fließt!

Ökodesignrichtlinie

Die EU-Richtlinie 2005/32/EG und die EU-Verordnung 641/2009/EG definieren Anforderungen an den Energieverbrauch von Umwälzpumpen wie u.a. auch bei Zirkulationspumpen. Die auch Ökodesignrichtlinie genannte Richtlinie setzt ab dem 1. August 2015 einen Energieeffizienzindex (EEI-Grenzwert) von nicht mehr als 0,23 voraus. Auch Pumpen, die in einem anderen Produkt eingebaut sind, müssen diesen Wert dann einhalten. Ab 2020 gelten die Anforderungen dann auch noch bei einem Austausch von integrierten Pumpen in bestehenden Wärmeerzeugern.

Typischer Aufbau und Funktionsweise einer Zirkulationsleitung

Zweirohrsystem

Eine Zirkulationsleitung müssen Sie sich als Zweirohrsystem vorstellen: Ähnlich wie bei einer wassergeführten Zentralheizung der Vorlauf des vom Wärmeerzeuger erwärmten Wassers hin zu den Heizkörpern und der Rücklauf des abgekühlten Wassers von diesen zurück zum Wärmeerzeuger fließen, ist auch ein Zirkulationssystem zweirohrig organisiert.

Parallel zur Vorlaufleitung gibt’s eine Rücklaufleitung, wobei man gerne eine größere Vorlaufleitung und eine kleinere Rücklaufleitung einsetzt. Die Zirkulationspumpe wälzt den Wasserinhalt des Rohrnetzes im Kreislauf und der Wassererwärmer heizt nach. Der Vorteil des Zirkulationssystems ist der: Es werden nur die Wärmeverluste ersetzt – Sie bekommen selbst nach längeren Zapfpausen an den Zapfstellen stets sofort bzw. mit nur sehr kurzer Verzögerung Ihr gewünschtes warmes Wasser geliefert.

Wichtig für diese Funktionsweise ist, dass die Zirkulationsleitungen möglichst bis dicht an die Entnahmestelle herangeführt werden. Wie dicht genau, das regelt die DIN-Norm 1988, die Richtwerte für Nennweiten von Warmwasserzirkulationsleitungen bei Pumpenzirkulation enthält.

Fließgeschwindigkeit

Damit die Warmwasserzirkulation in der Zirkulationsleitung buchstäblich einwandfrei läuft, kommt es jedoch nicht nur auf Vor- und Rücklauf und deren günstige Platzierung an, sondern auch auf die Rohrleitungen selbst. Denn unter anderem aus dem Durchmesser der Rohre resultiert die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung.

Zwischen 0,2 und 0,5 Meter pro Sekunde (m/s) sind hier auf alle Fälle hinreichend, um einen optimalen Wasserwechsel zu erzielen und den Wärmeverlust auszugleichen, den man beim Zirkulieren des Wassers in den Rohren hat. Dies verhindert Korrosion und eine Zerstörung der Speicherschichtung. Für das Dimensionieren einer Zirkulationsleitung gilt: Weder bautechnisch noch kostentechnisch macht es Sinn, mehr Wasser als nötig umzuwälzen.

Fließregeln

Für sogenannte Mischinstallationen gilt laut der bereits erwähnten Norm DIN 1988 eine Fließregel: Ihr zufolge dürfen Bauteile und Apparaturen mit wasserberührenden Flächen aus Kupfer und kupferhaltigen Werkstoffen (Legierungen) in Fließrichtung nicht vor Bauteilen und Apparaturen aus verzinktem Eisen verbaut werden, sonst droht der kupferinduzierte Lochfraß (Lochfraßkorrosion, Lochkorrosion).

Expertentipp: Wer bei der Installation einer Zirkulationsleitung seine Rohre auf Länge kürzen muss (im Fachjargon auch „ablängen“ genannt), der sollte unbedingt darauf achten, dass er die Enden der Rohre sorgfältig entgratet. Denn stehen gebliebene Innengrate verengen den Querschnitt der Rohre und stören so den ungehinderten Durchfluss des Wassers. Die Grate verursachen teils Verwirbelungen, teils Geräusche und führen mitunter auch zu Korrosionsschäden.

Verkalkung

Überall dort, wo Wasser fließt, kommt es früher oder später zu Ablagerungen von Kalk. Ursache dessen ist das sogenannte Ausflocken von Kalk. Es ist besonders heftig bei Wassertemperaturen ab etwa 65 Grad Celsius zu beobachten – den typischen Vorlauftemperaturen in der Zirkulationsleitung also.

Infolge der Kalkablagerungen in den Leitungen, Armaturen & Co. kommt es zu Beeinträchtigungen des Betriebs. Auch die Zirkulationspumpe in der Zirkulationsleitung kann Schaden nehmen: Der Kalk gelangt beispielsweise in die Lagerspalten des Motors oder schlägt sich auf den Rotorblättern nieder. Infolgedessen reduziert sich die Leistung der Pumpe, schlimmstenfalls würde sie blockiert.

Berechnungsverfahren für Zirkulationsleitungen nach DVGW-Arbeitsblatt W 553

Je nach Anlagengröße werden in der Praxis mehrere Verfahren zur Bemessung von Zirkulationsleitungen bzw. -systemen angewendet. Grundlage für alle Bemessungsverfahren ist die Einhaltung der geltenden Regeln der Technik. Die im DVGW-Arbeitsblatt W 553 beschriebenen Berechnungsverfahren stellen eine Ergänzung zur DIN 1988 Teil 3 dar. Das DVGW-Arbeitsblatt W 551 fordert Warmwassertemperaturen von 55 bis 60 °C im Zirkulationssystem, um Legionellenkonzentrationen zu vermindern. Das macht eine neue Berechnungsmethode unter Berücksichtigung der Wärmeverluste notwendig.

Kurzverfahren für Ein- und Zweifamilienhäuser

Dieses Verfahren wird bei kleineren Anlagen wie z. B. in Ein- und Zweifamilienhäusern angewendet, eine detailliertere Berechnung, vor allem aufgrund der Nennweitenabstufungen, immer zu den gleichen Abmessungen für das Zirkulationsleitungsystem führen würde. Die Länge aller vom Umlauf betroffenen Versorgungsleitungen darf 30 m nicht überschreiten und der längste Fließweg für eine Zirkulationsleitung sollte nicht länger als 20 m sein. Werden diese Bedingungen erfüllt, so sind die Zirkulationsleitungen mit mindestens einem Innendurchmesser von DN 10 und die Zirkulationspumpe in DN 15 auszulegen.

Wird die Zirkulationsleitung in Kupferrohr verlegt, so ist ein Nachweis zu erbringen, dass die maximal zulässige Fließgeschwindigkeit nicht mehr als 0,5 m/s beträgt. Die Überprüfung ist entweder mit dem vereinfachten oder dem differenzierten Berechnungsverfahren möglich.

Vereinfachte Berechnung

Die vereinfachte Berechnung von Zirkulationsleitungen ist nur möglich, wenn Abstriche bei der Genauigkeit in Kauf genommen werden. Dafür bietet diese Berechnungsmethode die Möglichkeit, eine relativ schnelle und einfache Berechnung von kleinen bis mittleren Anlagen vorzunehmen. Von Vorteil sind auch die freie Wahl des Temperaturgefälles, die genaue Ermittlung des Gesamtzirkulationsstromes und die ausreichend genaue Aufteilung des Zirkulationsstromes auf die einzelnen Stränge. Eine Vereinfachung ist durch den Verzicht auf die differenzierte Berechnung der Wärmeströme und der Druckverluste durch Einzelwiderstände möglich.

Differenziertes Berechnungsverfahren

Das differenzierte Berechnungsverfahren von Zirkulationsleitungen ist für jede Anlagengröße geeignet, insbesondere für die Fälle, in denen mit Hilfe der EDV die Systemparameter bemessen werden. Gegenüber dem vereinfachten Verfahren unterscheidet es sich dadurch, dass hier die Wärmeverluste und die Druckverluste differenziert ermittelt werden und somit die Voreinstellungen der Drosselventile relativ auf Grundlage der getroffenen Annahmen des Zirkulationssystems genau berechnet werden.

Folgendes Vorgehen umfasst die differenzierte Berechnung von Zirkulationsleitungen:

1. Ermittlung der Wärmeverluste der TWW-Leitungen (abhängig von der Nennweite, der Dämmung und der Raumlufttemperatur)

2. Berechnung des Förderstroms der Zirkulationspumpe

3. Berechnung der Teilströme

4. Bestimmung der Nennweiten für die Zirkulationsleitungen

5. Berechnung des Förderdrucks für die Zirkulationspumpe über die differenzierten Druckverluste des ungünstigsten Stranges

6. Wahl der Zirkulationspumpe

7. Ermittlung der Voreinstellungen für die Strangregulierventile

Anforderungen an die Zirkulationspumpe im Zirkulationssystem

Installation

Die Zirkulationspumpe gehört nicht in die Leitung für das warme Trinkwasser, sondern in die Zirkulationsleitung. Sie können sie entweder waagerecht (horizontal), senkrecht (vertikal) oder schräg installieren. Wichtig dabei ist, dass die Pumpenwelle stets waagerecht sitzt. Denn nur so ist gewährleistet, dass die Wellenlager von ausreichend Wasser „geschmiert“ werden. Achten Sie unbedingt darauf, dass die Fließrichtung des Wasserdurchflusses entsprechend der Richtung ist, in die der Pfeil auf dem Gehäuse der Zirkulationspumpe zeigt.

Sicherheit

Eine sogenannte Rückschlagkappe (Rückflussverhinderer) verhindert, dass die Zirkulationspumpe während eines Zapfvorgangs nicht entgegen der eigentlichen Förderrichtung von Wasser durchflossen wird, was an der Zapfstelle zu einer Mischtemperatur führen würde. Die Rückschlagkappe kommt in der Zirkulationsleitung an die Rückseite der Zirkulationspumpe.

Sie verhindert auch, dass bei Stillstand der Zirkulationspumpe eine sogenannte Schwerkraftzirkulation (die unzulässig ist) wie bei einer Schwerkraftheizung erfolgt, die nur zu unnötigen Wärmeverlusten führen würde, weil sie stattfände, wenn gar nicht nach Warmwasser nachgefragt werden würde, zum Beispiel in der Nacht.

Expertentipp: Für größere Anlagen mit mehreren Zirkulationssträngen ist es ratsam, nicht nur eine zentrale Rückschlagkappe einzubauen, sondern stattdessen jeden Strang mit einer eigenen Rückschlagkappe zu versehen.

Elektrik

Achten Sie bei der Installation der Zirkulationspumpe in die Zirkulationsleitung auch darauf, dass Sie jederzeit an den elektrischen Anschluss und Elektromotor derselben gut herankommen. Die Kabel, die Sie verwenden, sollten einen ausreichenden Leiterquerschnitt haben, so dass der Betrieb der Pumpe problemlos ist. Des Weiteren müssen Sie die Versorgung der Zirkulationspumpe mit elektrischem Strom so absichern, dass immer ausreichend Strom zur Verfügung steht, um den Betrieb der Pumpe zu gewährleisten.

Expertentipp: Ergreifen Sie passende Maßnahmen zur Erdung! Andernfalls droht elektrochemische Korrosion. Dies insbesondere dann, wenn es sich um Mischinstallationen handelt. Aber auch bei nicht metallischen Werkstoffen wie Elastomeren kann sie auftreten. Die Korrosion würde typischerweise zu einer schleichenden Zerstörung an den Stellen führen, wo Materialübergänge vorliegen.

Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs

Neben dem Stromverbrauch der Pumpe bedingt die permanente Umwälzung des warmen Wassers Abwärmeverluste. In sehr gut wärmegedämmten Gebäuden kann der Anteil der Zirkulationswärmeverluste an den gesamten Systemverlusten der Heizung sogar etwa 70 bis 80% ausmachen. Um diese Energieverluste zu begrenzen, gibt es neben einer Vermeidung von Zirkulationsleitungen in kleineren Immobilien durch eine möglichst kurze Rohrnetzführung zu den Verbrauchsstellen, verschiedene Einsparmöglichkeiten, um die Energieverluste einer Zirkulationsleitung so gering wie möglich zu halten.

Zeitschaltuhren

Laut Energieeinsparverordnung (EnEV) müssen Sie eine Zirkulationspumpe grundsätzlich mit automatisiert wirkenden Vorrichtungen benutzen, die ein zeitabhängiges Ein- und Ausschalten der Pumpe in der Zirkulationsleitung ermöglichen. Moderne Regeltechnik ermöglicht eine energiesparende Handhabung von Zirkulationsleitungen über Temperaturgrenzwerte und die Regelung der Zirkulationspumpe.

So können Zeitschaltuhren so programmiert werden, dass die Warmwasserzirkulation zu bestimmten Tageszeiten ein- und wieder abgeschaltet und auf die Zeiträume beschränkt wird, in denen Warmwasser am häufigsten gebraucht wird – nämlich morgens, mittags, abends für je ein bis zwei Stunden. Das soll unnötige Zirkulation und daraus resultierende Wärmeverluste vermeiden helfen und auch der Stromverbrauch für die Pumpe sinkt. Jedoch darf dürfen Zirkulationspumpen innerhalb von 24 Stunden maximal 8 Stunden abgeschaltet werden.

Im Handel gibt es beispielsweise spezielle, nachrüstbare Zeitschaltuhren für Zirkulationspumpen, teilweise rüsten die Hersteller ihre Pumpen aber auch bereits werkseitig schon damit aus.

Zirkulationsstation

Eine Alternative zur Zirkulationsleitung stellt der Einsatz einer Zirkulationsstation dar. Dies ist eine technische Kombination von Zirkulation und separater zentraler Warmwassermessstelle. Die Zirkulationsstation wird über die Warmwasserleitung und die primäre Zirkulationsleitung an das Warmwassernetz angeschlossen. Über einen Wärmetauscher wird dann dem sekundären Warmwasserkreis in der Nutzeinheit die notwendige Wärme zugeführt und eine Zirkulationspumpe sorgt für die erforderliche Durchströmung des Leitungsnetzes. Wird Warmwasser gezapft, läuft über einen Bypass aus der Primär-Zirkulationsleitung warmes Wasser über den Warmwasserzähler in den Sekundärkreis. Somit ist auch eine korrekte Warmwasserzählung in Gebäuden mit vermieteten Wohneinheiten gewährleistet.

Rohrbegleitheizung

Als eine weitere mögliche Alternative zur klassischen Zirkulation können elektrische Heizbänder eingesetzt werden, die auf dem Rohrmantel der Leitung befestigt werden. Die Heizbänder sorgen dann dafür, dass das in der gedämmten Warmwasserleitung befindliche Brauchwarmwasser auf dem gewünschten Temperaturniveau gehalten wird. Als Nachteil sind diesem System jedoch die höheren Investitionskosten als auch die höheren laufenden Betriebskosten der Stromheizung anzukreiden.

Rohr-im-Rohr-System

Daneben können auch Rückflusssysteme innerhalb eines Rohres eingesetzt werden. Diese Rohr-im-Rohr-Systeme sind speziell für kleinere Gebäude konzipiert, bei denen die Zirkulationsleitung größtenteils durch die Warmwasserleitung verlegt wird. Dabei wird ein Kunststoff-Zirkulationsschlauch mit Hilfe einer Schnur neu in die bestehende Leitung eingezogen. Der Vorteil besteht bei diesen Systemen darin, dass aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeit, dass der Wärmeverlust einer Rohrleitung an die Umgebung nur über die Mantelfläche erfolgen kann, die Wärmeverluste durch die Zirkulationsleitung selbst nahezu vollständig vermieden werden.

Durchlauferhitzer

Häufig kommt es beim Einsatz von Durchlauferhitzern zu Problemen mit einem Zirkulationsleitungssystem. Denn solange die Zirkulationspumpe läuft, muss der Durchlauferhitzer aktiviert werden, um Wärmeverluste auszugleichen. Daher müssen in diesen Systemen spezielle Arten von Durchlauferhitzern eingesetzt werden, um eine energiesparende Zirkulation zu ermöglichen. Daher sollte ein elektrischer Durchlauferhitzer unbedingt thermostatisch regelbar sein, da er sonst viel zu heiß würde, wenn das Zirkulationssystem arbeitet und ihn mit bereits warmem Wasser speist.

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