Zentrale Trinkwassererwärmung

Energie sparen hat manchmal auch Grenzen

Energie einsparen ist das Gebot der Stunde. Vor dem Hintergrund der Gaskrise regte u. a. die Kommission Gas und Wärme der Bundesregierung Energiesparmaßnahmen auch im Bereich der Trinkwassererwärmung an. Inwieweit bestimmte Maßnahmen unter Berücksichtigung gesundheitlicher und wirtschaftlicher Aspekte überhaupt sinnvoll und möglich sind, zeigen realitätsnahe Modellrechnungen, die an der FH Münster durchgeführt wurden.

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 Bild: nikkytok/stock.adobe.com
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„Auch eine vorsichtige Absenkung der Temperatur des zentral vorgehaltenen warmen Trinkwassers von bislang 60 °C kann einen signifikanten Einsparbeitrag leisten. […] In jedem Fall wird empfohlen, […] dort wo technisch möglich, eine temporäre Abschaltung der Warmwasserzirkulation in den Nachtzeiten (22–5 Uhr) vorzunehmen“, heißt es im Abschlussbericht Sicher durch den Winter, den die EpertInnen-Kommission Gas und Wärme Ende Oktober letzten Jahres vorgelegt hatte /1/.

Diese Empfehlung widerspricht in wesentlichen Teilen den allgemein anerkannten Regeln der Technik (a. a. R. d. T). Danach gilt für größere zentrale Trinkwassererwärmungsanlagen als unabdingbar, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb das erwärmte Trinkwasser am Austritt des Trinkwassererwärmers eine Temperatur von ≥ 60 °C und am Eintritt der Zirkulationsleitung in den Trinkwasserwärmer von ≥ 55 °C aufweisen muss /2/. Durch einen hydraulischen Abgleich der Zirkulationskreise untereinander muss weiterhin sichergestellt werden, dass an keiner Stelle im zirkulierenden Warmwassersystem eine Temperatur von 55 °C unterschritten wird.

Durch realitätsnahe Modellrechnungen soll aufgezeigt werden, wie groß die Einsparung an Energie in Abhängigkeit von der durchgeführten Maßnahme jeweils ist und ob sie unter Berücksichtigung gesundheitlicher und wirtschaftlicher Aspekte überhaupt sinnvoll ist.

Umsetzung von Energiesparmaßnahmen

Als Grundlage für die Umsetzung von Energiesparmaßnahmen in Bestandsanlagen, wie die Absenkung der Temperatur des zentral vorgehaltenen warmen Trinkwassers und eine temporäre Abschaltung der Warmwasserzirkulation, müssen nach Auffassung der Deutschen Gesellschaft für Krankenhaushygiene (DGKH) zusammengefasst mindestens folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

Die betreffende Trinkwasserinstallation muss in vollem Umfang den a. a. R. d. T. entsprechen. Durch den bestimmungsgemäßen Betrieb muss sichergestellt sein, dass Stagnationsphasen im Warm- und Kaltwasser so kurz wie möglich sind, maximal 24 Stunden. Die letzten drei Untersuchungen auf Legionellen nach Trinkwasserverordnung dürfen den technischen Maßnahmenwert von 100 KBE/100 ml nicht überschreiten. Es muss eine kontinuierliche Temperaturkontrolle des zirkulierenden Warmwassers erfolgen. Die Messergebnisse müssen protokolliert werden. Über die beabsichtigten Energiesparmaßnahmen ist das zuständige Gesundheitsamt zu informieren. Bei einer Reduzierung der Temperaturhaltung im erwärmten Trinkwasser muss eine systemische Untersuchung auf Legionellen zunächst in engeren Intervallen stattfinden /3/.

Je nach Gebäudetyp, -größe und -nutzung werden unterschiedliche Erschließungskonzepte für die Versorgung mit Trinkwasser realisiert. Im Wesentlichen wird nach Konzepten für Wohn- und Zweckgebäude mit horizontal oder vertikal ausgerichteten Leitungssystemen unterschieden. In Wohngebäuden überwiegen vertikal ausgerichtete Systeme (Bild 3), während in hochinstallierten Zweckgebäuden, wie z. B. in Krankenhäusern, überwiegend horizontal orientierte Leitungskonzepte umgesetzt werden (Bild 6).

Wohngebäude

In Trinkwasserinstallationen für Wohngebäude zirkuliert das erwärmte Trinkwasser jeweils nur über die Verteilungs-, Steig- und Zirkulationsleitungen. Nach einer Wasserentnahme ist ein Temperaturabfall ggfs. bis auf Umgebungslufttemperatur in den Stockwerks- und Einzelzuleitungen damit planmäßig vorgesehen (Bild 2).

2 - Temperaturverlauf in PWH-Stichleitungen Bild: FH Münster

Zur weitestgehenden Vermeidung hygienekritischer Betriebszustände bei Temperaturen zwischen 25 °C und 45 °C müssen in diesen Leitungsbereichen der Wasserinhalt begrenzt (3-l-Regel/30-s-Regel) und die Stagnationszeiten, d. h. die zeitlichen Abstände zwischen zwei Wasserentnahmen, so kurz wie möglich sein. Nur unter diesen Voraussetzungen, wie sie im Wohnungsbau üblicherweise gegeben sind, kann eine endständige Besiedlung dieser Leitungsabschnitte mit fakultativen Krankheitserregern vermieden werden.

Energiesparmaßnahmen

Für den Anlagentyp Wohngebäude werden zunächst folgende Energiesparmaßnahmen auf technische Umsetzbarkeit hin untersucht und die erzielten Ergebnisse anschließend bewertet:

  • Absenkung der Speicheraustrittstemperatur auf 55 °C und ≥ 50 °C in der Zirkulation
  • temporäre Unterbrechung der Zirkulation von max. 8 h pro Tag
  • Reduzierung des Warmwasserverbrauchs durch Verwendung durchflussreduzierter Entnahmearmaturen.

Für Systeme, in denen das zirkulierende Warmwasser nur über die Steigleitungen geführt wird, erfolgt der hydraulische Abgleich über Zirkulationsregulierventile (ZRV), die i. d. R. im Kellerbereich angeordnet sind. Üblicherweise werden hier thermostatische ZRV (z. B. Kemper MultiTherm-Ventile DN 15/20) eingesetzt. Wird die Speicheraustrittstemperatur auf 55 °C abgesenkt, sollte auch der Temperatur-Sollwert an allen verbauten MultiTherm-Ventilen um 5 K von 58 °C auf 53 °C abgesenkt werden, damit der hydraulische Abgleich nur über die Temperatur des zirkulierenden Wassers wieder optimal gelingt und so die Temperatur an keiner Stelle unter 50 °C abfällt. Unter dieser Voraussetzung zeigen Simulationsrechnungen mit Dendrit Studio /4/, dass sich die Temperaturhaltung (> 50 °C) ohne weitere Maßnahmen, insbesondere ohne Veränderungen am Rohrnetz oder der Pumpenleistung, sofort einstellt. Im Beispielsfall liegt die niedrigste Temperatur bei 50,8 °C (Bild 3).

3 - Wohngebäude mit 100 Wohneinheiten, vertikales Erschließungskonzept, Zirkulation einreguliert mit MutiTherm-Ventilen DN 15/20 Bild: FH Münster

Der Gesamtenergiebedarf für den Betrieb einer zentralen Trinkwassererwärmungs- und Verteilungsanlage resultiert aus der Bedarfsdeckung an den Entnahmestellen, den Bereitschaftsverlusten durch Zirkulation und den Abkühlungsverlusten in Leitungen, die nicht der Zirkulation unterliegen.

Bezogen auf diesen Gesamtenergiebedarf beträgt im Berechnungsbeispiel die Energieeinsparung durch Absenken der Speicheraustrittstemperatur auf 55 °C gerade einmal ≈1,7 %! Für das Beispiel mit 100 Wohneinheiten ergeben sich so weniger als 5 € Einsparung am Tag, selbst dann noch, wenn hohe Energieeinstandspreise unterstellt werden.

Erfolgt zusätzlich noch eine Unterbrechung der Zirkulation um 8 h am Tag, würde sich der Energiebedarf insgesamt um ≈5,7 % reduzieren (Bild 4).

4 - Schrittweise Reduzierung des Tageswärmebedarfs für die Trinkwassererwärmung durch Energiesparmaßnahmen Bild: FH Münster

Erst mit einer nennenswerten Reduzierung des Warmwasserverbrauchs und einer Absenkung der Mischwassertemperaturen im Auslauf der Mischarmaturen durch Nutzer und Nutzerinnen werden signifikante Energieeinspareffekte erzielt (Bild 4).

Sparsames Verbrauchsverhalten ist daher das Gebot der Stunde und der Schlüssel zu Energie- und Trinkwassereinsparungen /3/.

Der zur Reduzierung des Wasser- und Energieverbrauchs häufig propagierte Einsatz von Durchflussbegrenzern im Auslauf (im Mischwasserkanal) von Entnahmearmaturen muss als außerordentlich gefährlich eingestuft werden! Hydraulisch bedingt, kann es bei Einsatz solcher Durchflussbegrenzer zu einem plötzlichen und unerwarteten Temperaturanstieg (häufig > 50 °C) kommen, wenn in räumlicher Nähe z. B. eine WC-Spülung ausgelöst wird. Bild 5 zeigt einen solchen sprungartigen Temperaturanstieg, der an einer Waschtischarmatur in einem Krankenhaus gemessen wurde.

5 - Sprungartiger Anstieg der Entnahmetemperatur an einer Mischarmatur mit Durchflussbegrenzer im Auslauf nach Betätigen einer WC-Spülung in räumlicher Nähe Bild: FH Münster

Sofern nicht thermostatische Mischarmaturen verwendet werden, dürfen zur Vermeidung von Verbrühungen ausschließlich Armaturen eingesetzt werden, die den Durchfluss im Kalt- und Warmwasserkanal der Entnahmearmatur begrenzen und nicht im Auslauf der Armatur, d. h. im Mischwasserkanal.

Sollen bereits bei Neuplanungen durchflussreduzierte Entnahmearmaturen eingesetzt werden, sollte mit den von den Herstellern veröffentlichten Durchflusseigenschaften der jeweiligen Entnahmearmatur geplant und das Rohrnetz entsprechend dimensioniert werden /5/. Nur so ist sichergestellt, dass aus hydraulischer, wirtschaftlicher und trinkwasserhygienischer Sicht die optimalen Rohrdurchmesser realisiert werden /6/.

Risikoinstallationen

Forderungen der Hygiene zur Temperaturhaltung in Warmwassersystemen haben dazu geführt, dass bei sogenannten Risikoinstallationen (Krankenhäuser, Seniorenwohnheime, usw.) die Zirkulation des Warmwassers auch die Stockwerks- und Einzelzuleitungen umfasst. Wie die langjährige Erfahrung zeigt, ist in so aufgebauten und betriebenen Warmwasserverteilungssystemen eine gesundheitlich relevante Belastung des erwärmten Trinkwassers mit Krankheitserregern nicht mehr zu erwarten.

Vereinzelt wird aus Energiespargründen und zur Vermeidung eines Wärmeeintrags in den Installationsraum (Vorwand) propagiert, dass auch in den sogenannten Risikoinstallationen auf die geforderte Temperaturhaltung (> 55 °C) bis unmittelbar vor dem Mischen am Auslass verzichtet werden sollte /7/. Werden Trinkwasserinstallationen betriebsbedingt in weiten Teilen nur unregelmäßig genutzt, führt dies zwangsläufig zu längeren Stagnationsphasen des Trinkwassers in Stich- bzw. Reihenleitungen – daher der Begriff „Risikoinstallation“. Besonders in den Sommermonaten nimmt das Trinkwasser hier Temperaturen im Wachstumsoptimum fakultativer Krankheitserreger an. Werden in Risikoinstallationen Stich- bzw. Reihenleitungen realisiert, befinden sich damit ca. 20 % des gesamten Leitungsvolumens sowohl im erwärmten als auch im kalten Trinkwasser – mehr oder weniger dauerhaft – im temperaturkritischen Bereich zwischen 25 und 45 °C. Wie die Erfahrung zeigt, können bei so konstruierten Trinkwasserinstallationen reaktive Maßnahmen zum Regelbetrieb gehören, wie z. B. die personalintensive Durchführung von manuellen Spülmaßnahmen, der dauerhafte Einsatz von endständigen Filtern an den Entnahmearmaturen und/oder die Durchführung von Desinfektionsmaßnahmen.

Bei der Planung eines Warmwasserzirkulationssystems muss der Energiebedarf für die Temperaturhaltung in stärkerem Maße als bisher berücksichtigt werden. So kann Energie eingespart werden, ohne dass die Warmwassertemperaturen abgesenkt werden müssen. Grundsätzlich gilt die Regel, dass Installationskonzepte, die die Parallelverlegung von Verbrauchs- und Zirkulationsleitungen erfordern, immer zu einem höheren Energiebedarf führen. Das gilt insbesondere für Zirkulationssysteme, die auch die Stockwerksleitungen umfassen. Eine Stockwerkszirkulation kann konventionell oder über Ringleitungen realisiert werden, die über Strömungsteiler an die Verteilungsleitungen angeschlossen werden. Nur in Strömungsteiler-Installationen kann auf die Parallelverlegung von Verbrauchs- und Zirkulationsleitungen weitestgehend verzichtet werden (Bild 6). Vergleichsberechnungen zeigen, dass bereits dadurch die Bereitschaftsverluste durch Zirkulation um ca. 25 % gegenüber einer konventionellen Installation reduziert werden können.

6 - Krankenhaus mit 200 Nasszellen, horizontales Erschließungskonzept, Zirkulation über Strömungsteiler, einreguliert mit MutiFix-Zirkulationsregulierventilen Bild: FH Münster

Systembedingt können solche Zirkulationssysteme bereits mit wenigen statischen Zirkulationsregulierventilen hydraulisch abgeglichen werden (Bild 6). Dadurch könnte in Strömungsteiler-Installationen nur mit Veränderung der Austrittstemperatur aus dem Trinkwassererwärmer ein „beliebiges“ Temperaturniveau innerhalb von 5 K Temperaturdifferenz eingestellt werden (Bild 7).

7 - Druck- und Temperaturverlauf im ungünstigsten Zirkulationskreis, Speicheraustrittstemperatur 55 °C, einreguliert über Strömungsteiler in Verbindung mit statischer Reguliertechnik (Kemper MultiFix-Zirkulationsregulierventile) Bild: FH Münster

Solche Zirkulationssysteme eignen sich daher aus rein technischer Sicht grundsätzlich am besten für eine zunächst temporäre Temperaturabsenkung. Auch aus trinkwasserhygienischer Sicht ergeben sich bestmögliche Voraussetzungen für einen Erfolg. Durch eine Zirkulation über die Stockwerksleitungen kann die Temperatur des erwärmten Trinkwassers bis an die Entnahmestellen dauerhaft über 50 °C gehalten werden. Durch wenige Temperaturmessstellen im System, in der Regel in unmittelbarer Nähe der ZRV, kann die Temperaturhaltung im gesamten Zirkulationssystem nachgewiesen und über die zentrale Leittechnik des Gebäudes protokolliert werden.

Ergeben sich trotzdem trinkwasserhygienische Probleme, kann die Temperatur mit Verstellen des Temperatur-Sollwertes am Trinkwassererwärmer sofort wieder auf das ursprüngliche Niveau angehoben werden, gegebenenfalls auch auf Desinfektionstemperaturen > 70 °C.

Fazit

Auf die risikoreiche Absenkung der Warmwassertemperaturen sowie der zeitweisen Unterbrechung der Zirkulation sollte aus trinkwasserhygienischen und – wegen des hohen Aufwandes für erforderliche flankierende Maßnahmen – auch aus wirtschaftlichen Gründen verzichtet werden.

Nur durch eine Veränderung des Nutzerverhaltens, mit reduziertem Warmwasserverbrauch und abgesenkten Entnahmetemperaturen, kann in zentralen Trinkwassererwärmungs- und Verteilungsanlagen signifikant und mit geringem Risiko behaftet Energie eingespart werden.

Bei der Planung eines Warmwasser-Zirkulationssystems muss in stärkerem Maße als bisher der Energiebedarf für die Abdeckung der Bereitschaftsverluste berücksichtigt werden. Grundsätzlich gilt die Regel, dass vergleichbare Installationskonzepte, die die Parallelverlegung von Verbrauchs- und Zirkulationsleitungen erfordern, immer zu einem höheren Energiebedarf führen.

 

Literaturhinweise

  • /1/ EpertInnen-Kommission Gas und Wärme (31.10.2022) Sicher durch den Winter – Abschlussbericht

  • /2/ DIN 1988-200:2,012-05, 9.7.2.5 Speicher-Trinkwassererwärmer, Durchfluss-Trinkwassererwärmer, kombinierte Systeme und Speicherladesysteme

  • /3/ Exner, M. u. a.: Legionellosen und Energiesparmaßnahmen (September 2022) Stellungnahme der DGKH (Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene)

  • /4/ Dendrit Studio 2022: Trinkwasserinstallation, Dendrit Haustechnik-Software GmbH, Dülmen

  • /5/ DIN 1988-300:2012-05, Tabelle 2 Mindestfließdrücke und Mindestwerte für den Berechnungsdurchfluss gebräuchlicher Trinkwasserentnahmestellen, Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser

  • /6/ Heinrichs, F.-J. ; Klement, J.; Rickmann, B.: Beuth Kommentar 2012-11 Ermittlung und Berechnung der Rohrdurchmesser, Differenziertes und vereinfachtes Verfahren – Kommentar zu DIN 1988-300 und DIN EN 806-3

  • /7/ Robert Koch Institut RKI (1997): Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention 2.1.2 Anforderungen der Hygiene an Warmwassersysteme

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker

Prof. Dr. Werner Mathys

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Prof. Dr. Lars Rickmann

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Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann

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M. Eng. Timo Kirchhoff

M. Eng. Timo Kirchhoff
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