Strömungsteiler in PWC-Installationen

Erkenntnisse aus messtechnischen Untersuchungen

In der jüngeren Vergangenheit wurden auch in neu erstellten Trinkwasserinstallationen vermehrt Kontaminationen mit Legionellen im Kaltwasser nachgewiesenen. Das verdeutlicht, dass die bereits seit vielen Jahren bestehenden Regeln und Zielsetzungen zur Reduzierung der Temperaturen des Trinkwassers kalt entweder nicht hinreichend konkret formuliert sind, durch oberflächliches Handeln nicht eingehalten werden oder aufgrund fehlender technischer Konzepte nicht eingehalten werden können[1]. Das hat zur Folge, dass Trinkwasser-Installationen, häufig unbemerkt, mit zu hohen Kaltwassertemperaturen (> 25 °C) betrieben werden. Eine Kontamination des kalten Trinkwassers mit Legionellen kann eine Folge sein.

Für die Bewertung der aktuellen Situation ist es von Bedeutung, dass bei festgestellten Kontaminationen des kalten Trinkwassers die moderate 30-Sekunden-Regel aus DIN 1988-200 von Gutachtern zunehmend kritisch gesehen wird und stattdessen auf die erheblich verschärften Temperaturanforderungen in VDI- und DVGW-Veröffentlichungen Bezug genommen wird.

Nach den vorstehend zitierten Regelwerken soll die hygienekritische Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers auf > 25 °C nur durch Dämmung der Kaltwasserleitungen und durch einen ausreichenden Wasseraustausch verhindert werden. Wie die Erfahrung zeigt, kann in konventionell aufgebauten Trinkwasser-Installationen nur mit dem bestimmungsgemäßen Betrieb ein ausreichender Wasseraustausch zur dauerhaften Temperaturhaltung (immer ≤ 25 °C) oft nicht erreicht werden!

Die generelle Erkenntnis aus einem über mehrere Jahre laufenden Forschungsvorhaben an der FH Münster zur Temperaturhaltung in kalten Trinkwasserleitungen kann in einem Satz zusammengefasst werden:

Die Temperaturanforderungen aus den zitierten VDI-/ DVGW-Richtlinien für das kalte Trinkwasser können mit den althergebrachten Bau- und Installationsmethoden, in Verbindung mit einer unreflektierten Betriebsführung, nicht garantiert erfüllt werden.

Aus der Formulierung, 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 unabhängig von „inneren“ und „äußeren“ Wärmelasten dauerhaft unter 20 °C gehalten werden können. Mit höher festgelegten Grenztemperaturen erhöht sich sukzessive auch das Betreiberrisiko.

Empfehlung für Planung aus Ausführung

Aus den Gründen des Vorgenannten wird Planern und ausführenden Unternehmen daher dringend empfohlen, mit dem Auftraggeber eindeutig und nachvollziehbar zu vereinbaren, welche Temperaturen für das kalte Trinkwasser im Rohrnetz bzw. an der Entnahmestelle nicht überschritten werden dürfen (20 °C oder 25 °C oder < 25 °C nach 30 Sekunden Zapfzeit). In Abhängigkeit von der zu berücksichtigenden Grenztemperatur sollte vom Planer das für den Betreiber dadurch verbleibende Restrisiko ermittelt und die möglichen flankierenden betrieblichen Maßnahmen benannt werden, die sich im laufenden Betrieb ggfs. noch zur Aufrechterhaltung der Trinkwassergüte ergeben können.

Es gilt die Regel: Je geringer die mittlere Kaltwassertemperatur ist, desto geringer ist auch das Betreiberrisiko und desto geringer sind die betrieblichen (reaktiven) Maßnahmen, die durch den Betreiber zur Aufrechterhaltung der Trinkwassergüte flankierend noch ergriffen werden müssen.

Sofern die vertragliche Verpflichtung besteht, die Temperaturanforderungen aus den zitierten VDI-/ DVGW-Richtlinien für das kalte Trinkwasser einhalten zu müssen, muss zunächst der zur Temperaturhaltung erforderliche ausreichende Wasserwechsel bestimmt werden. Der ausreichende Wasserwechsel ist im Wesentlichen abhängig von einer vorgegebenen Grenztemperatur für das stagnierende kalte Trinkwasser, von der Temperatur, mit der das Trinkwasser vom WVU in das Gebäude eingespeist wird, vom Rohrdurchmesser, von der Rohrdämmung und von der Umgebungslufttemperatur.

Strömungsteiler-Installationen

Zur Verbesserung der Durchströmung temperaturkritischer Kaltwasserleitungen wurden in den vergangenen 12 Jahren bereits eine Vielzahl von Stockwerksinstallationen in Krankenhäusern, Hotels, Seniorenheimen usw. mit Ringleitungen ausgestattet, die mit Strömungsteilern an die Steig- bzw. Verteilungsleitungen angeschlossen wurden. Die Durchströmung eines Strömungsteilers verursacht Induktionsvolumenströme in der angeschlossenen Ringleitung und intensiviert damit den Wasserwechsel in ansonsten temperaturkritischen Leitungsbereichen. Im direkten Vergleich mit den mittleren Temperaturen des kalten Trinkwassers in konventionell aufgebauten Installationen, führt in einer Strömungsteiler-Installation bereits der laufende Betrieb zu einer Absenkung der mittleren Kaltwassertemperatur in den Stockwerksleitungen um ca. 5 K, ohne dass zusätzlich Fremdenergie eingesetzt werden muss oder dass Spülmaßnahmen durchgeführt werden müssen[1].

Derartige Installationskonzepte können allerdings nur dort eingesetzt werden, wo Induktionsvolumenströme nicht über Wasserzähler für die verbrauchsabhängige Abrechnung von Wasser- und Wärmekosten fließen. Der Einsatz dieses Verteilungskonzepts für Stockwerksinstallationen in Wohngebäuden scheidet dadurch aus. Ausgenommen hiervon sind i. d. R. Kaltwasser-Steigleitungen, in denen die Technik eingesetzt den Wasserwechsel erhöht.

Auf der Suche nach insgesamt verbesserten Verteilungskonzepten für den Wohnungsbau, die die Durchströmung temperaturkritischer Leitungen bereits mit dem laufenden Betrieb intensivieren, gibt es folgende neue Lösungsansätze:

Die Steigleitungen werden als Ringleitungen ausgebildet und über einen Strömungsteiler an die Verteilungsleitungen angeschlossen (Bild 1).
Waschmaschinen (WM) werden in Fließrichtung gesehen möglichst hinter dem letzten Strömungsteiler angeschlossen (Bild 1).
Die PWC-Verteilungsleitung in Fließrichtung hinter den Strömungsteilern, wird – sofern es die Druckverhältnisse zulassen und es bautechnisch möglich ist – als Zuleitung für die Trinkwasser-Erwärmungsanlage (TWE) genutzt (Bild 1).
Eine zentrale Einrichtung zum temperaturgeführten Spülen oder eine Kreislaufkühlung kann in dieses Verteilungskonzept integriert werden, wenn z. B. aufgrund klimatischer Randbedingungen die Wassereintrittstemperatur in das Gebäude häufig oder regelmäßig höher liegt als beispielsweise 20 °C.

Für die vollständige Umsetzung des beschriebenen Verteilungskonzeptes müssen zunächst ausreichende Druckverhältnisse vorliegen. Als Richtwert kann das mittlere verfügbare Rohrreibungsdruckgefälle im hydraulisch ungünstigsten Fließweg verwendet werden, das für die Bemessung der Rohrleitungen mindestens noch > 10 hPa/m betragen sollte. Bei unterschiedlich langen Fließwegen bzw. bei unterschiedlich großen Strömungswiderständen in den Fließwegen zu den jeweiligen Warm- bzw. Kaltwasseranschlüssen der Mischarmaturen, muss durch eine geeignete Rohrnetzberechnung sichergestellt werden, dass die Druckunterschiede zwischen den Anschlüssen möglichst gering sind.

Erkenntnisse aus messtechnischen Untersuchungen

Messtechnische Untersuchungen an einem Versuchsstand der FH Münster[3] liefern neue Erkenntnisse und bestätigen Ergebnisse aus Simulationsrechnungen zum Temperaturverhalten in Kaltwasserleitungen (Bild 2). Im aktuell realisierten Versuchsstand können prinzipiell die Betriebszustände in der Trinkwasserinstallation eines Wohngebäudes mit sechs Steig-/Ringleitungen realitätsnah simuliert werden.

Bild 2 zeigt den Tagesverlauf der Kaltwassertemperatur in einer Steig-/Ringleitung, die mit einem Strömungsteiler an die Verteilungsleitung angeschlossen wurde. Aus den Messergebnissen lässt sich Folgendes ableiten:

1. Bereits nach einer kurzen Stagnationszeit (< 4 Stunden) nimmt das kalte Trinkwasser in den Steigleitungen die Umgebungslufttemperatur im Schacht an (Bild 2 – Zeitraum von ca. 23:30 bis 03:30 Uhr).

In den warmen Sommermonaten mit Temperaturen oberhalb von 25 °C folgt die Umgebungslufttemperatur im Schacht nahezu unverzögert der Raumlufttemperatur. Maßnahmen zur thermischen Entkopplung (getrennte Schächte / Abschottungsmaßnahmen usw.), die in den Wintermonaten wirksam sind, greifen in den Sommermonaten daher nur noch stark eingeschränkt.

2. Bei Raumlufttemperaturen bzw. Umgebungslufttemperaturen im Schacht > 25 °C kann die Erwärmung des kalten Trinkwassers auf hygienekritische Temperaturen nur geringfügig verzögert, aber nicht verhindert werden. Zitat: „Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung[1] zeigen jedoch, dass der Einfluss der Dämmung als adäquate Maßnahme zur Vermeidung bzw. Reduzierung des Wärmeübergangs auf die Trinkwasserleitung kalt bei hohen Umgebungstemperaturen (> 25 °C) in der Fachwelt überschätzt wird. Bei zu erwartenden Umgebungstemperaturen von bis zu 30 °C in Rohrkanälen, Schächten, abgehängten Decken und Vorwänden in Verbindung mit geringen und ungleichmäßig über den Tag verteilten Wasserwechseln können selbst bei Dämmung der Rohrleitungen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik die Temperaturen des Trinkwassers kalt vor den Entnahmearmaturen nicht dauerhaft unter 25 °C gehalten werden.“

3. Aus der Steig-/Ringleitung wird im Versuch kein Wasser entnommen. Der Wasserwechsel erfolgt nur durch die Induktionsvolumenströme, die im Strömungsteiler durch nachgeschaltete Entnahmevorgänge erzeugt werden. Erkenntnis: Solange der Strömungsteiler durchströmt wird, kann die Temperatur des kalten Trinkwassers in der Steig-/Ringleitung unter 20 °C gehalten werden, auch dann, wenn aus der betreffenden Steig-/Ringleitung kein Wasser entnommen wird. Die ideale Temperaturhaltung in der Steig-/Ringleitung ist daher von einem annähernd gleichmäßig über den Tag verteilten Wasserwechsel abhängig. Damit sich eine möglichst regelmäßige Durchströmung des Strömungsteilers einstellt, wurde im Versuch unterstellt, dass die Verteilungsleitung hinter dem letzten Strömungsteiler als Zuleitung für die Trinkwasser-Erwärmungsanlage (TWE) genutzt wird (Bild 1).

Diese Maßnahme führt bereits dazu, dass die Kaltwassertemperaturen im Zeitraum zwischen 4 und 24 Uhr unabhängig von „inneren“ und „äußeren“ Wärmelasten, die auf die Kaltwasserleitung einwirken, deutlich unter 20 °C bleiben.

Fazit

In konventionell aufgebauten Trinkwasserinstallationen für Wohngebäude wird mehr als ein Drittel des personenbezogenen Wasserverbrauchs für das Wäschewaschen und die Trinkwassererwärmung direkt aus der Hausanschlussleitung bei niedrigster Kaltwassertemperatur entnommen (Bild 3). Bestenfalls sollte mit dem regelmäßig anfallenden Wasserverbrauch für das Wäschewaschen und die Trinkwassererwärmung zunächst das im Gebäude erwärmte Kaltwasser aus temperaturkritischen Leitungsbereichen verdrängt werden, bevor es dann der Erwärmung zugeführt wird.

Mit Steig-/Ringleitungen, die mit Strömungsteilern an die Verteilungsleitung angeschlossen werden, kann die Durchströmung einer Trinkwasserinstallation dementsprechend beeinflusst bzw. verändert werden. Daher empfiehlt es sich, alle PWC-Steigleitungen in Wohngebäuden als Ringleitungen zu erstellen und mit einem Strömungsteiler an die Verteilungsleitung anzuschließen. Sofern der konstruktive Aufbau des Rohrnetzes dazu führt, dass möglichst häufig und gleichmäßig über den Tag verteilte Induktionsvolumenströme über die Steig- /Ringleitungen fließen, kann die mittlere Kaltwassertemperatur dadurch signifikant abgesenkt werden.

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

[2] DVGW-Information WASSER Nr. 90 Juli 2016: Informationen und Erläuterungen zu Anforderungen des DVGW-Arbeitsblattes W 551

[3] Kemler, B. – Untersuchung eines innovativen Verteilkonzeptes mittels optimierter Anordnung von Strömungsteilern in Schacht-Installationen – Masterarbeit – FH Münster 01/2021

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