Ökonomische Temperaturhaltung durch Kaltwasser-Zirkulation

Eine Vielzahl von nationalen und internationalen Regelwerken machen Vorgaben für den Erhalt der Trinkwasserhygiene. Beobachtungen aus der Praxis...

...zeigen aber immer noch, dass in der Gesamtkette Planung, Ausführung und Betrieb massive Verletzungen grundlegender Anforderungen der Trinkwasserhygiene vorkommen, die Ursache für die Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen insbesondere auch im Trinkwasser Kalt sind. Dieser Beitrag geht zunächst auf die Folgen durch erhöhte Umgebungslufttemperaturen ein und beschreibt im Anschluss die daraus resultierenden Maßnahmen zur technischen Umsetzung.

Grundlagen

Trinkwasser ist nicht steril, sondern enthält auch bei Erfüllung aller gesetzlichen Anforderungen in allen Stufen der Gewinnung bis zur Verteilung an den Nutzer eine Vielzahl von Mikroorganismen, die in der Regel für den Menschen ungefährlich sind. Aber auch fakultative, opportunistische Krankheitserreger wie Legionellen, atypische Mykobakterien, Pseudomonas aeruginosa und eine wachsende Zahl weiterer Bakterien finden speziell im Lebensraum der Trinkwasserinstallation in Gebäuden optimale Lebens- und Vermehrungsbedingungen - sowohl im Warm- als auch im Kaltwasser. Bei Personen mit prädisponierenden Faktoren wie hohes Alter, Immunschwäche, Immunsuppression oder chronischen Grunderkrankungen können diese Erreger sehr schwere Erkrankungen auslösen. Fakultative Krankheitserreger sind perfekt an die Verhältnisse in den Trinkwasserinstallationen PWC und PWH angepasst und können sich dort zu gesundheitsgefährdenden Konzentrationen vermehren. Sie sind hochresistent gegen Desinfektionsmittel, hohe Temperaturen und interagieren perfekt mit dem Mikrobiom „Trinkwasser“ (z.B. Biofilm, Einzeller, VBNC-Stadien). Von besonderer Bedeutung für Konstruktion und Betrieb von Trinkwasserinstallationen ist ihre ausgeprägte Stagnationsresistenz, die ihnen unter den Bedingungen von Wasserstillstand Vermehrungsvorteile gegenüber anderen Bakterien verschafft. Aus vielen Ländern wird über eine kontinuierliche Zunahme von Infektionen durch diese Erreger berichtet. Dies macht deutlich, dass gezielte und wirksame Präventivstrategien dringend weiterentwickelt werden müssen, die insbesondere die Faktoren Nahrung, Temperatur und Stagnation umfassen sollten.

Grafische Darstellung der simulierten Werte für den Volumenstrom Induktion sowie der Austrittstemperaturen des Trinkwassers kalt in der Ringleitung mit Strömungsteiler bei einer Impulsspülung alle 4 Stunden.
Quelle: Dr. Lars Rickmann
Bild 1: Grafische Darstellung der simulierten Werte für den Volumenstrom Induktion sowie der Austrittstemperaturen des Trinkwassers kalt in der Ringleitung mit Strömungsteiler bei einer Impulsspülung alle 4 Stunden.

Die Praxis zeigt, dass in der Gesamtkette Planung, Ausführung und Betrieb immer noch massive Verletzungen grundlegender Anforderungen der a.a.R.d.T. und damit der Trinkwasserhygiene vorkommen. Das ist u.a. darauf zurückzuführen, dass in den vergangenen Jahrzehnten die Komfortansprüche gestiegenen sind und Trinkwasser heute über eine Vielzahl von Entnahmestellen als kaltes oder warmes Trinkwasser für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die Bedarfsdeckung konzentriert sich dadurch nicht mehr nur auf wenige Entnahmestellen mit kurzen Fließwegen im Gebäude, sondern erfolgt über ein weitverzweigtes Rohrleitungssystem. Bedingt durch die große Anzahl von Entnahmestellen ist die Benutzungsfrequenz der einzelnen Armaturen eher gering. Dabei liegt die Benutzungsfrequenz der Entnahmearmaturen in Wohngebäuden tendenziell höher als z.B. in öffentlichen Gebäuden oder Krankenhausinstallationen. Gleichzeitig hat sich der durchschnittliche Wasserverbrauch, insbesondere bei Trinkwasser Kalt in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verringert. Die daraus resultierenden längeren Verweilzeiten von Trinkwasser Kalt in der Anlage bei erhöhten Umgebungslufttemperaturen sind hier die Ursache für die Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen.

Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers in einer stagnierenden Leitung DN 15 (Werkstoff: Kupfer oder Edelstahl), gedämmt nach DIN 1988-200/EnEV.
Quelle: Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann
Bild 2: Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers in einer stagnierenden Leitung DN 15 (Werkstoff: Kupfer oder Edelstahl), gedämmt nach DIN 1988-200/EnEV.

Einfluss innerer und äußerer Wärmelasten

In Installationsbereichen sorgen neben warmgehenden Leitungen der Sanitär- und Heizungstechnik weitere Wärmequellen – etwa aus der Elektro- und Klimatechnik –für Umgebungslufttemperaturen, die erfahrungsgemäß deutlich höher liegen als 25° C.

Der Wasserinhalt einer hier installierten kalten Trinkwasserleitung würde selbst bei hochwertiger Dämmung gemäß DIN 1988-200 in einer kurzen Stagnationsphase bis auf Umgebungstemperatur erwärmt werden. Die Folge: Bei Wasserentnahme tritt kurzzeitig übererwärmtes Kaltwasser mit Temperaturen > 25° C aus der Entnahmearmatur aus.

Neben inneren Wärmelasten haben auch äußere Wärmelasten einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung des kalten Trinkwassers. In den Sommermonaten nähern sich in nicht klimatisierten Gebäuden die Lufttemperaturen in den Installationsräumen den jeweils vorherrschenden Außenlufttemperaturen an. Daraus lässt sich ableiten, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers auch in den Sommermonaten kritische Grenzen erreicht und auch überschreitet.

Passive Maßnahmen zur Temperaturhaltung

Um dem Verbraucher auch nach einer Stagnationsphase kaltes Trinkwasser mit Temperaturen < 25° C zur Verfügung zu stellen, müssen in einem ersten Schritt 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 bzw. unterbrochen werden.

Eine thermische Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von potenziellen Wärmequellen lässt sich jedoch nicht immer ohne Weiteres realisieren, wie z.B. bei horizontalen Verteilungskonzepten 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 kann zu einer Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers bis auf Umgebungslufttemperatur führen.

Alle passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung, die im Winter wirksam sind, verlieren in den Sommermonaten 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, z.B. durch temperaturgeführtes Spülen oder durch eine aktive Kühlung verhindert werden. Aktive Prozesse zur Temperaturhaltung sind auch dann erforderlich, wenn Trinkwasserinstallationen nur periodisch genutzt werden.

Als sichere Temperatur für das kalte Trinkwasser wird z.B. in der DVGW-Wasserinformation 90, aber auch in vielen internationalen Normen und Empfehlungen (siehe dazu Mathys: Kemper Kompetenzbroschüre Legionella, Pseudomonas und Co.) nur eine Temperatur von < 20 °C angesehen. Sofern zur Sicherstellung einwandfreier trinkwasserhygienischer Verhältnisse die Einhaltung dieser Grenze als unabdingbar angesehen wird, muss ein aktiver Prozess zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers etabliert werden!

Grafische Darstellung der simulierten Werte für den Volumenstrom Induktion sowie der Austrittstemperaturen des Trinkwassers kalt in der Ringleitung mit Strömungsteiler bei einer Impulsspülung alle 2 Stunden.
Quelle: Dr. Lars Rickmann
Bild 3: Grafische Darstellung der simulierten Werte für den Volumenstrom Induktion sowie der Austrittstemperaturen des Trinkwassers kalt in der Ringleitung mit Strömungsteiler bei einer Impulsspülung alle 2 Stunden.

Aktive Maßnahmen zur Temperaturhaltung

Wasserwechsel alle vier Stunden

Zur Sicherstellung eines Wasserwechsels alle vier Stunden, wurden in einer Simulation sechs Impulsspülungen pro Tag ausgelöst. In der vorgenommenen Simulation zur Ermittlung der aus dieser Betriebsweise resultierenden Temperaturverhältnisse wurde jeweils solange gespült, bis die niedrigste gemessene Eintrittstemperatur in die Verteilungsleitung von 17,7 °C erreicht wurde (Bild 1). Es ist zu erkennen, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers, trotz der Verkürzung der Stagnationszeiten auf weniger als vier Stunden, immer noch nicht dauerhaft unter 25 °C gehalten werden kann. Gegenüber dem im Messzeitraum festgestellten Betriebszustand konnte die mittlere Temperatur des kalten Trinkwassers aber von 24,7 °C auf 23,3 °C abgesenkt werden. Ein weiterer positiver Effekt ergab sich aus der Reduzierung des Spülwasservolumens, dass bei der alternativen Betriebsweise um 420 l/d verringert werden konnte. Dies bedeutet eine Reduktion um 58 % bzw. um 153 m³/a (Tabelle 1).

Aufbau einer Installation mit KHS CoolFlow und Temperaturverlauf bei einer Kaltwasserzirkulation
Quelle: Kemper
Bild 4: Aufbau einer Installation mit "KHS CoolFlow" und Temperaturverlauf bei einer Kaltwasserzirkulation.

Wasserwechsel alle zwei Stunden

Zur Absenkung der Temperatur des kalten Trinkwassers unter 25 °C muss der Zeitabstand zwischen zwei Spülvorgängen weiter verringert werden. Zur Ermittlung eines geeigneten Spülintervalls wurde für den Rohrdurchmesser DN 15 (18 x 1) die Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers bei Stagnation berechnet. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass sich bei einer Umgebungstemperatur von 27 °C bereits nach ca. zwei Stunden die Temperatur des in einer nach EnEV gedämmten Kupfer-/Edelstahlrohrleitung DN 15 (18 x 1,0) stagnierenden Trinkwassers von 17,7 auf über 25 °C erwärmt (Bild 2).

Basierend auf dieser Erkenntnis wurde das Temperaturverhalten in der Ringleitung versuchsweise für Spülintervalle von zwei Stunden berechnet (Bild 3). In dieser Optimierungsvariante wurde sowohl der angestrebte Wasserwechsel erreicht als auch die Grenztemperatur von 25 °C dauerhaft unterschritten. Allerdings steigt das Spülvolumen jetzt wieder auf ca. 600 l/d an. Dadurch würde diese Betriebsweise nur zu einer Reduzierung des Spülvolumens um 120 l/d bzw. 44 m³/a führen (Tabelle 1). Diese Betriebsweise entspricht in etwa einer temperaturgeführten Spülmaßnahme mit Zweipunktreglung (Einschalttemperatur 25 °C / Ausschalttemperatur ca. 18 °C).

Quelle: Kemper
Bild 5: "KHS CoolFlow"-Kaltwasserkühler.

Konstanter Spülvolumenstrom

Für Spülmaßnahmen gilt grundsätzlich die sofort nachvollziehbare Erkenntnis: Je kürzer der Abstand zwischen den Spülereignissen, desto geringer ist die Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers. Durch Simulationsrechnung konnte als Spüloptimum ein konstanter Spülvolumenstrom mit lediglich 16,8 l/h ermittelt werden, der dazu führt, dass gerade noch die vorgegebene Sollwerttemperatur von 25 °C am Spülventil erreicht bzw. in allen vorgeschalteten Teilstrecken unterschritten wird. Gegenüber den Impulsspülungen konnten mit diesem konstanten Spülvolumenstrom die Temperaturen des kalten Trinkwassers und auch das Spülvolumen nochmals deutlich reduziert werden. Im Vergleich zur Ausgangssituation führte diese Betriebsweise zu einer Einsparung von 44% bzw. 117 m³/a (Tabelle 1).

Impulsspülungen, die dem reinen Wasseraustausch dienen, sind zur dauerhaften Absenkung der Temperaturen in Stockwerks-/Ringleitungen nicht geeignet, da die Wassertemperatur nach einem Spülvorgang innerhalb von weniger als zwei Stunden wieder auf Umgebungslufttemperatur ansteigt (Bild 2). Zu den Impulsspülungen zählen auch Spülmaßnahmen, die dezentral an Entnahmearmaturen durchgeführt werden. Idealerweise muss der Spülvolumenstrom bei einer vorgegebenen Sollwerttemperatur für das kalte Trinkwasser genau die Wärmemenge abführen, die über die Oberfläche der Rohrleitung aufgenommen wird. Die vorstehenden Überlegungen zur Optimierung von Spülprozessen zeigen, dass die Abfuhr der aufgenommenen Wärme nur dann effektiv erreicht werden kann, wenn mit geringen Volumenströmen über einen längeren Zeitraum bzw. durchgehend gespült wird.

Aus der Simulation wird ersichtlich, dass eine Temperaturhaltung mit kleinen Volumenströmen über automatisch spülende Entnahmearmaturen nicht realisiert werden kann. Daher ist eine kontrollierte dauerhafte Reduzierung der Temperatur des kalten Trinkwassers in einer größeren Leitungsstruktur mit Maßnahmen, die an den Entnahmearmaturen durchgeführt werden, nicht möglich.

Quelle: Kemper
Bild 6: "KHS CoolFlow"-Kaltwasser-Regulierventil

Kaltwasserzirkulation mit Kühlung

Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers sind grundsätzlich nur dann ökologisch und ökonomisch sinnvoll darstellbar, wenn auch in den Sommermonaten das Trinkwasser vom WVU mit niedrigen Temperaturen (< 15 °C) in das Gebäude eingespeist und passive Maßnahmen zur thermischen Trennung vollumfänglich umgesetzt werden können. Insbesondere bei oberflächennaher Trinkwassergewinnung ist das in den Sommermonaten allerdings häufig über einen längeren Zeitraum nicht der Fall. Bei solchen Gegebenheiten kann nur noch eine aktive Kühlung des Trinkwassers im Kreislauf die Einhaltung der geforderten Temperaturen zu jedem Zeitpunkt und zu jeder Jahreszeit sicherstellen.

Damit in konventionellen Installationskonzepten ein Kreislaufsystem 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 wer-den kann. Im Gegensatz zu konventionellen Installationen ermöglichen Strömungsteiler-Installationen die kontrollierte Temperaturhaltung in allen Leitungsteilen bis in den Anschluss der Entnahmearmaturen hinein (Bild 4).

Über den KHS Coolflow Kaltwasserkühler (Bild 5) 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. Die Kühlmittelversorgung erfolgt mittels Kaltwassersatz oder über ein bestehendes Kältenetz.

Ausschnitt aus der Berechnungssoftware Dendrit.
Quelle: Dendrit
Bild 7: Ausschnitt aus der Berechnungssoftware Dendrit.

Berechnungsergebnisse zeigen, dass auf Grund der geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Umgebungsluft und dem kalten Trinkwasser der Wärmeeintrag gering ist und dadurch auch die zur Temperaturhaltung erforderlichen Zirkulationsvolumenströme (PWC-C) dementsprechend gering ausfallen. 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 6) entwickelt, in dem die Funktionen Spülen, Regulieren und Absperren vereint sind.

Berechnung der Kaltwasserzirkulation

Für die Planung von Kaltwasserzirkulationssystemen wurde in enger Zusammenarbeit mit der Dendrit Haustechnik-Software GmbH die Software Dendrit STUDIO 2.0 (2019) um entsprechende Berechnungs- und Simulationsmodule erweitert. Auf dieser Basis kann im Verlauf der Planung für eine Trinkwasserinstallation der rechnerische Nachweis der Temperaturhaltung bis an die Entnahmestelle - jetzt auch im Bereich der Kaltwasserinstallation - geführt werden. Realistische Umgebungslufttemperaturen werden auf Basis gemessener Temperaturen vorgeschlagen (Bild 7) und können vom Planer den örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Durch die Berücksichtigung realistischer Umgebungslufttemperaturen bei der Berechnung des Wärmeeintrags wird die Planungssicherheit nochmals deutlich erhöht.

Spülvolumina der unterschiedlichen Simulationsvarianten.
Quelle: Dendrit
Tabelle 1: Spülvolumina der unterschiedlichen Simulationsvarianten.

Fazit

Als sichere Temperatur für das kalte Trinkwasser wird international, so auch in der Wasserinformation 90 des DVGW, nur eine Temperatur von < 20°C angesehen. Sofern zur Sicherstellung einwandfreier trinkwasserhygienischer Verhältnisse die Einhaltung dieser Grenze als unabdingbar angesehen wird, muss ein aktiver Prozess zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers etabliert werden.

Eine ganzjährige Temperaturhaltung unter 20 °C, z.B. in einer Krankenhausinstallation, kann ökonomisch nur mit einer Zirkulation des kalten Trinkwassers über einen Kaltwasserkühler sichergestellt werden. Mit Einsatz der Kaltwasserzirkulation können nicht nur die Temperaturen des kalten Trinkwassers unabhängig von inneren und äußeren Wärmelasten dauerhaft begrenzt werden. Gegenüber dem effektivsten temperaturgeführten Spülverfahren können zusätzlich auch noch die Betriebskosten um etwa 70 % reduziert werden.

Aus wirtschaftlicher und hygienischer Sicht bietet die Zirkulation des kalten Trinkwassers über einen Kaltwasserkühler signifikante Vorteile. Mit einer dauerhaften Temperaturhaltung bis in die Anschlüsse der Entnahmearmaturen hinein, problemlos unter 20 °C, können mit diesem aktiven Prozess die höchsten Anforderungen an die Trinkwasserhygiene erfüllt werden. In Verbindung mit der Warmwasserzirkulation über die Stockwerks- und Einzelzuleitungen in einem KHS System ist eine vollständige Temperaturkontrolle möglich. Stagnationswasser kann durch eine Zirkulation, die alle Teilstrecken der Kalt- und der Warmwasserinstallation umfasst, vollständig vermieden werden.

Nur mit dieser Betriebsweise kann ein Höchstmaß an Sicherheit für den Betrieb einer Trinkwasserinstallation dauerhaft realisiert werden!

In Bezug auf Funktionalität und Wirtschaftlichkeit liefern bereits jetzt eine Reihe von Pilotprojekten in Deutschland, mit einer dauerhaften Temperaturhaltung für das kalte Trinkwasser unter 20 °C, außerordentlich positive Ergebnisse.

Dienstag, 03.12.2019