Der Klimawandel als Herausforderung für die Trinkwasserhygiene

Eine statistische Auswertung von über 20.000 Messungen ergab, dass 12 Prozent der Warmwasser-Proben Legionellen enthielten, diese aber auch wesentlich häufiger als erwartet im kalten Trinkwasser gefunden wurden [1]. Dieser Beitrag beschreibt neben den Grundlagen der Trinkwasserhygiene zunächst die Ursachen dieser Problematik und geht im Anschluss auf Lösungsmöglichkeiten ein.

Stagnation ist der wohl kritischste Faktor für die Vermehrung fakultativ-pathogener Krankheitserreger. Dies wird eindrucksvoll durch eine große Vielzahl nationaler und internationaler Regelungen (WHO, ECDC, HSE GB, ISSO NL) bestätigt, in denen der Stagnation die primäre Rolle für eine Verschlechterung der Wasserqualität in Gebäuden beigemessen wird. Neuere Untersuchungen aus der Mikrobiomforschung zeigen, dass schon 12 Stunden Stagnation ausreichend sind, um eine signifikante Erhöhung der Bakterienzahlen zu verursachen. Der länger andauernde Kontakt von Trinkwasser mit den Werkstoffen (z. B. Rohrleitungs- und Armaturenwerkstoffe) kann zu einer Aufkonzentrierung von Nährstoffen durch Migration von Werkstoffbestandteilen in das Trinkwasser führen. Eine Kombination aus schlechter Werkstoffqualität (z. B. nicht DIN EN 16421 geprüfte Materialien), Stagnation und ungünstiger Wasserbeschaffenheit fördern starke Biofilm-Entwicklung, in dessen Schutz sich auch fakultative Krankheitserreger – im internationalen Schrifttum sehr kennzeichnend als OPPP (Opportunistic Pathogens Premise Plumbing) bezeichnet – vermehren können. Des Weiteren fehlt in Stagnationsphasen ein Abtransport und damit eine Verdünnung der in den Wasserkörper gelangten Nährstoffe und der planktonischen Mikroorganismen.

Zusätzlich gleichen sich in Stagnationsphasen auch bei normgerechter Dämmung der Rohrleitungen die Temperaturen des Trinkwassers an die Temperaturen der Umgebungsluft an, die dann im Vermehrungsbereich der Erreger liegen. Niedrige Temperaturen bieten den Erregern schlechte oder keine Wachstumsbedingungen. Temperaturen nahe dem Wachstumsoptimum ermöglichen ein schnelles Wachstum. Bei Legionellen, atypischen Mykobakterien, aber auch bei P. aeruginosa sind Temperaturbereiche zwischen > 25 °C und < 55 °C, insbesondere aber 30 bis 42 °C strikt zu vermeiden. Häufig übersehen wird dabei der Kaltwasserbereich, in dem es durch Wärmeübergang von der Umgebungsluft auf das Kaltwasser zum regelhaften und über längere Zeiträume andauernden Überschreiten von 25 °C kommen kann.

Um das Wachstum von Mikroorganismen zu minimieren, müssen neben der Stagnationsvermeidung und der Begrenzung des Nahrungsangebotes insbesondere die Temperaturbereiche vermieden werden, die im Wachstumsoptimum der Erreger liegen und die das Mikrobiom für den Aufwuchs von OPPP positiv konditionieren. Als sichere Temperatur wird in der DVGW-Wasserinformation 90 [2] nur eine Temperatur von < 20 °C angesehen. Das entspricht auch vielen internationalen Vorgaben.

Aus der Formulierung in der DVGW-Wasserinformation 90, dass bei Trinkwassertemperaturen unter 20 °C nur sehr selten Legionellen nachgewiesen werden, muss geschlossen werden, dass das Risiko einer Kontamination des kalten Trinkwassers mit Legionellen erst dann auf ein Minimum reduziert ist, wenn die Kaltwassertemperaturen dauerhaft unter 20 °C gehalten werden können. Mit höher zugelassenen Grenztemperaturen erhöht sich daher sukzessiv auch das Betriebsrisiko.

Und hier liegt das Problem!

Einfluss innerer Wärmelasten

In Installationsbereichen sorgen neben warmgehenden Leitungen der Sanitär- und Heizungstechnik weitere Wärmequellen, zum Beispiel aus der Elektro- und Lüftungstechnik, für Lufttemperaturen, die erfahrungsgemäß deutlich höher liegen als 25 °C. Der Wasserinhalt einer hier installierten kalten Trinkwasserleitung wird selbst bei hochwertiger Dämmung gemäß DIN 1988-200 [3] in einer kurzen Stagnationsphase bis auf Umgebungstemperatur erwärmt. In einem ersten Schritt müssen zunächst die bisher üblichen Installationsgewohnheiten unter der Zielsetzung einer konsequenten thermischen Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von Wärmequellen grundlegend verändert werden!

Mit planerischen Maßnahmen muss dabei die Wärmeübertragung von Wärmequellen auf Kaltwasserleitungen reduziert beziehungsweise unterbrochen werden. Eine thermische Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von potenziellen Wärmequellen lässt sich jedoch nicht immer ohne Weiteres realisieren, wie zum Beispiel bei horizontalen Verteilungskonzepten mit einer Verlegung der Leitungen in temperaturkritischen Zwischendecken. Bereits in diesem Fall kann bei zu geringem Wasserverbrauch die vom kalten Trinkwasser aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme nicht mehr abgeführt werden. Dies führt gegebenenfalls zu einer Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers auf Umgebungslufttemperatur. Zur Temperaturhaltung müssen daher zusätzlich noch aktive Prozesse etabliert werden, mindestens automatisierte Wasserwechsel- und Spülmaßnahmen. Aktive Prozesse zur Temperaturhaltung sind auch dann erforderlich, wenn Trinkwasserinstallationen nur periodisch genutzt werden, mit Leerstand an Wochenenden oder in Ferienzeiten und Stagnationsphasen über mehrere Tage beziehungsweise Wochen.

Einfluss äußerer Wärmelasten

Häufig wird vernachlässigt, dass neben den zuvor aufgeführten inneren Wärmelasten auch äußere Wärmelasten (Bild 1) einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung des kalten Trinkwassers haben. Im Winter sind die Raumlufttemperaturen, die die Lufttemperaturen in Vorwänden, Schächten oder abgehängten Decken beeinflussen, weitgehend konstant und liegen zwischen 22 °C und 24 °C. Äußere Wärmelasten treten in den Wintermonaten nicht auf, da die Raumlufttemperaturen in der Regel immer höher sind als die Außenlufttemperaturen.

In den Sommermonaten kehren sich allerdings die Verhältnisse um. Die Außenlufttemperaturen sind in diesem Zeitraum meistens höher als die Raumlufttemperaturen. In nicht klimatisierten Gebäuden nähern sich dadurch in den Sommermonaten auch die Lufttemperaturen in den Installationsräumen den jeweils vorherrschenden Außenlufttemperaturen an.

Daraus lässt sich ableiten, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers eher in den Sommermonaten kritische Grenzen erreicht und auch überschreitet als in den Wintermonaten. Alle vorbeschriebenen passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung, die im Winter wirksam sind, verlieren in den Sommermonaten mit hohen Raumlufttemperaturen weitgehend an Bedeutung. Eine unzulässige Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers im Winter und im Sommer über eine vorgegebene Temperatur (z. B. 25 °C) kann daher nur mit einem aktiven Prozess, zum Beispiel durch temperaturgeführtes Spülen oder durch Kühlung verhindert werden. Digital aufgezeichnete Spülprotokolle aus in Betrieb befindlichen KHS-Anlagen (Kemper Hygiene System) bestätigen diese Annahme. Die Auswirkung der Außenlufttemperaturen auf die Spülvolumina eines nicht klimatisierten Verwaltungsgebäudes in Nord-rhein-Westfalen zeigt Bild 2. In diesem Gebäude wurden die Leitungen für das kalte Trinkwasser durch planerische Maßnahmen von den Wärmequellen konsequent thermisch entkoppelt verlegt. Mit dem installierten KHS-System kann eine Überwachung und Begrenzung der Temperatur des kalten Trinkwassers vorgenommen werden. Im gegebenen Fall löst das KHS-System mit Überschreiten einer Kaltwassertemperatur von 23 °C automatisch einen Spülvorgang aus, der mit Erreichen der vorgegebenen Stopptemperatur von 20 °C wieder beendet wird. In den Wintermonaten wird die Auslösetemperatur nur selten erreicht, da die Umgebungslufttemperaturen in den Installations-räumen relativ niedrig sind. Das spiegelt sich in den geringen Spülvolumina von ca. 45 l/Tag wider. Sobald sich die Außenlufttemperaturen in den Sommermonaten erhöhen, sorgen die äußeren Wärmelasten für einen deutlichen Anstieg der Temperaturen im Gebäude. Die daraus resultierenden höheren Umgebungslufttemperaturen in den Installationsräumen führen zu einem massiven Anstieg der Spülvolumina, bis auf 9.000 l/Tag.

In nicht klimatisierten Gebäuden kommt es in den Sommermonaten zwangsläufig immer zu länger andauernden Temperaturüberschreitungen des kalten Trinkwassers. Im Jahr 2018 überschritt die Außenlufttemperatur laut Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes etwa am Flughafen Köln-Bonn an fast 150 Tagen 20 °C und an mehr als 90 Tagen 25 °C (Bild 3). Das verdeutlicht, dass die Temperaturprobleme für das kalte Trinkwasser, verursacht durch äußere Wärmelasten, über mehrere Monate andauern. Es ist daher nicht zufällig, dass Infektionen mit Legionellen gehäuft in den Sommermonaten auftreten.

Die DVGW-Information Wasser Nr. 90, als Erläuterung zu Anforderungen des DVGW Arbeitsblattes W 551 [4], und auch der Entwurf der VDI/BTGA/ZVSHK – Richtlinie 6023 [5] fordern aber, dass Temperaturen von 25 °C nicht über-schritten werden dürfen. Der Hinweis in der vorgenannten DVGW-Information, dass bei Temperaturen des kalten Trinkwassers unter 20 °C nur sehr selten Legionellen nachgewiesen werden, macht zusätzlich deutlich, dass sich ein hygienisch akzeptabler Betriebszustand mit minimiertem Betriebsrisiko wohl erst dann einstellt, wenn die Temperaturen des kalten Trinkwassers dauerhaft unter 20 °C gehalten werden.

Damit eine durch die Aufgabenstellung vorgegebene Temperaturgrenze für das kalte Trinkwasser (z. B. 25 °C oder 20 °C) zu jedem Zeitpunkt eingehalten werden kann, bedarf es immer eines geeigneten aktiven Prozesses (temperaturgeführtes Spülen oder eine Kühlung des kalten Trinkwassers).

Aktive Maßnahmen zur Temperaturhaltung

Vergleichende Simulationsrechnungen zeigen jedoch, dass dezentral durchgeführte und kurze, intensive Spülmaß-nahmen, die dem reinen Wasseraustausch dienen, zur dauerhaften Absenkung der Temperaturen in Stock-werks-/Ringleitungen weniger geeignet sind, da die Wassertemperatur nach einem Spülvorgang innerhalb von weniger als zwei Stunden wieder auf Umgebungslufttemperatur ansteigt. Idealerweise muss der Spülvolumenstrom bei einer vorgegebenen Sollwerttemperatur für das kalte Trinkwasser genau die Wärmemenge abführen, die über die Oberfläche der Rohrleitung aufgenommen wird. Studien haben gezeigt, dass die Abfuhr der entsprechenden Wärme nur dann effektiv erreicht werden kann, wenn mit geringen Volumenströmen über einen längeren Zeitraum gespült wird [6]. Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers sind jedoch nur dann ökologisch und ökonomisch sinnvoll, wenn auch in den Sommermonaten das Trinkwasser vom WVU mit niedrigen Temperaturen (< 15 °C) in das Gebäude eingespeist werden kann. Insbesondere bei oberflächennaher Trinkwassergewinnung ist das in den Sommermonaten allerdings häufig über einen längeren Zeitraum nicht der Fall. Erschwerend kommt hinzu, dass in extrem warmen Sommermonaten mit Wasserknappheit zu rechnen ist. Dr. Tim aus der Beek, Leiter des Bereichs Wasserressourcen-Management am IWW Zentrum Wasser, Mülheim an der Ruhr, antwortete in einem Interview in [7] dazu: „Sieben der letzten zehn Jahre verzeichneten Temperaturrekorde und gehören zu den zwölf wärmsten Jahren seit Beginn der Wetteraufzeichnungen in Deutschland. Hinzu kommt, dass die Häufigkeiten und oder Intensitäten von Extremereignissen wie Dürren und Starkregen regional und saisonal zugenommen haben. In Bezug auf warme Trockenperioden haben die Sommer der Jahre 2018 bis 2020 gezeigt, dass ihre Auswirkungen auf die Umwelt räumliche und zeitliche Ausmaße annehmen können, die bisher in Deutschland kaum bekannt waren. Die wichtige Phase der Grundwasserneubildung hat sich in diesem Zeitraum stark verkürzt und diese auch quantitativ verringert, so dass in vielen Regionen sinkende Grundwasserstände die Folge waren.“ (Bild 4)

Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass Spülmaßnahmen, die auf eine Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers abzielen und nicht dem reinen Wasseraustausch dienen, weder effektiv noch ökonomisch beziehungsweise ökologisch sinnvoll sind! Die Einhaltung der geforderten Temperaturen zu jedem Zeitpunkt und zu jeder Jahreszeit kann nachhaltig nur mit einer Kühlung des kalten Trinkwassers in einem Kreislaufsystem erreicht werden.

Damit in konventionellen Installationskonzepten ein Zirkulationssystem für das kalte Trinkwasser realisiert werden kann, muss ein zusätzliches Rohrleitungssystem aufgebaut werden. In Strömungsteiler-Installationen ist das nicht erforderlich, da das bereits für die Bedarfsdeckung vorhandene Rohrleitungssystem für die Kaltwasserzirkulation geeignet ist und mitgenutzt werden kann (Bild 5). Bereits bestehende KHS-Anlagen können daher in der Regel mit geringem Aufwand von Spültechnik auf Kaltwasserzirkulation umgestellt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Installationen ermöglichen Strömungsteiler-Installationen die kontrollierte Temperaturhaltung in allen Leitungsteilen bis in den Anschluss der Entnahmearmaturen hinein. Berechnungen zeigen, dass aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Umgebungsluft und dem kalten Trinkwasser der Wärmeeintrag – und damit auch die erforderliche Leistung des Kälteaggregates – relativ gering ist. Über den KHS „Coolflow“-Kaltwasserkühler (Bild 6) von Kemper wird dem erwärmten Kaltwasser die Wärme entzogen und abgeführt. Die vormontierte Kompakteinheit mit integrierter Zirkulationspumpe beinhaltet bereits alle benötigten Komponenten der Trinkwasserseite, ist diffusionsdicht gedämmt und vorkonfiguriert.

Im Gegensatz zur Warmwasserzirkulation, mit wesentlich höheren Temperaturdifferenzen, sind daher auch die zur Temperaturhaltung erforderlichen Volumenströme in Kaltwasser-Zirkulationssystemen eher gering. Aus diesem Grund weisen die für den hydraulischen Abgleich benötigten Regulierventile sehr niedrige kV-Werte auf. Zudem muss bei länger andauerndem Zirkulationsbetrieb ohne Wasserentnahme der Aufkonzentration der Wasserinhaltsstoffe durch einen gezielten Wasseraustausch entgegengewirkt werden. Kemper hat für diese Aufgabenstellungen ein spezielles Ventil (Bild 7) entwickelt, in dem die Funktionen Spülen, Regulieren und Absperren vereint sind.

Der rechnerische Nachweis der Temperaturhaltung kann mit der Software „Dendrit Studio“ erfolgen. Durch die mögliche Annahme von realistischen Umgebungslufttemperaturen in der Berechnung und der Simulation wird die Planungssicherheit nochmals deutlich erhöht. Sinnvolle Umgebungslufttemperaturen werden auf Basis von gemessenen realen Temperaturen vorgeschlagen.

Fazit

Zur Reduzierung des Wärmeübergangs auf das kalte Trinkwasser müssen zunächst alle passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung genutzt werden. Trotz Realisierung dieser Maßnahmen muss in den Sommermonaten, bei Wassereintrittstemperaturen in das Gebäude > 20 °C und Raumlufttemperaturen > 25 °C, damit gerechnet werden, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers längerfristig über 25 °C ansteigt.

Damit zur Minimierung des Betriebsrisikos, insbesondere in den sogenannten Risikoinstallationen (Krankenhäuser, Altenheimen, Hotels usw.), eine vorgegebene Temperaturgrenze für das kalte Trinkwasser (z. B. < 20 °C) zu jedem Zeitpunkt und zu jeder Jahreszeit eingehalten werden kann, bedarf es eines aktiven Prozesses. Da manuell ausgelöste oder auch temperaturgeführte Spülprozesse limitiert sind, empfiehlt sich als kostengünstige und nachhaltige Alternative die Kreislaufkühlung des Trinkwassers in Strömungsteiler-Installationen. Mit der definierten Durchströmung aller Leitungsteile im Kemper Hygiene System (KHS) kann zu jeder Zeit – auch in den Sommermonaten – eine vorgegebene Temperatur des kalten Trinkwassers vor jedem Armaturenanschluss sichergestellt werden, ohne dass Wasserverluste durch Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung entstehen. Gemeinsam mit der Zirkulation des Warmwassers bis unmittelbar vor die Entnahmestellen kann eine durch die Trinkwasserhygiene geforderte Temperaturhaltung sowohl im kalten als auch im erwärmten Trinkwasser in nahezu idealer Weise sichergestellt werden. Dieses Konzept ist daher sowohl nachhaltig als auch zukunftssicher.

Mit Einsatz der KHS-Technik wird das Betriebsrisiko einer Trinkwasserinstallation auf ein Minimum reduziert, da hier alle aktuellen Anforderungen der Trinkwasserhygiene an die Technik erfüllt werden können. Dieses Verteilungskonzept für Trinkwasserinstallationen muss daher als wesentlicher Bestandteil eines proaktiven – präventiven – Regimes angesehen werden, mit dem hygienische Mängel mit der Folge von möglichen Gesundheitsbeeinträchtigungen vermieden werden und nicht später durch kostenintensive Sanierungen beseitigt werden müssen.

Literatur

[1] Flemming C, u. a. – Erkenntnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt „Biofilme in der Trinkwasserinstallation“. Bundesministerium für Bildung und Forschung. 2010.

[2] DVGW-Information WASSER Nr. 90 Juli 2016.

[3] DIN 1988-200 05-2012 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW.

[4] DVGW Arbeitsblatt W 551 – Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen.

[5] VDI/BTGA/ZVSHK – Richtlinie 6023.

[6] Rickmann, L. – Einfluss neuer Konzepte bei Planung und Konstruktion von Trinkwasserinstallationen in Großgebäuden auf die hygienische Qualität des Trinkwassers, UMIT (September 2014).

[7] Aus der Beek, T – DVGW Energie | Wasser-Praxis – Sieben der letzten zehn Jahre verzeichneten Temperaturrekorde und gehören zu den zwölf wärmsten Jahren seit Beginn der Wetteraufzeichnungen in Deutschland.