Kaltwasserzirkulation

Eine Lösung in der Praxis?

Im Sommer sind Kaltwassertemperaturen in Trinkwasserinstallationen von mehr als 25 °C häufig nicht zu vermeiden. Für den Betrieb in einem hygienisch unkritischen Temperaturbereich genügen Wasserwechsel allein aber nicht immer. Deshalb wurde in der Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters der Uniklinik RWTH Aachen im Jahr 2019 eine Kaltwasserzirkulation nachgerüstet.
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1 – Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters (links) der Uniklinik RWTH Aachen (rechts) Bild: Uniklinik RWTH Aachen
1 – Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters (links) der Uniklinik RWTH Aachen (rechts) Bild: Uniklinik RWTH Aachen

Der Wärmeeintrag in das Kaltwassersystem ist durch passive Maßnahmen zu minimieren (u. a. durch thermisch getrennte Rohrleitungsverlegung und Armaturenanschlüsse). In den Sommermonaten sind erhöhte Kaltwassertemperaturen (> 25 °C) aufgrund hoher Umgebungslufttemperaturen häufig nicht zu vermeiden. In dieser Situation ist eine bedingte Temperaturhaltung bisher nur durch einen erhöhten Wasserwechsel und damit verbundenen hohen Wasser- und Abwasserkosten möglich. Der erhöhte Wasserverbrauch widerspricht jedoch der DIN EN 806-2, die eine Minimierung des Wasserbedarfs fordert /1/. Vor dem Hintergrund dieser Problematik entstand die Kaltwasserzirkulation als eine Lösungsmöglichkeit. Serienfertige Produkte sind erst seit kurzer Zeit erhältlich. Deshalb wurden bisher Anlagen in Krankenhäusern mit verfügbaren Bauteilen realisiert. In diesem Fachartikel wird das eingesetzte Zirkulationssystem unter hygienischen (Temperaturhaltung/Wasserwechsel) und wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Kosten/Amortisation) betrachtet, um so die Einsatzfähigkeit für die Praxis zu beurteilen.

Einleitung

Im Sinne der TrinkwV ist Trinkwasser u. a. zur Zubereitung von Speisen und Getränken geeignet /2/. Voraussetzung für die erforderliche Trinkwasserqualität ist u. a., dass der bestimmungsgemäße Betrieb aufrechterhalten wird und die vorgeschriebenen Betriebstemperaturen gegeben sind. In der DIN 1988-200 ist definiert, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb maximal 30 s nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle die Temperatur des Trinkwassers kalt 25 °C nicht übersteigen darf /3/. Der Anforderung ist zu entnehmen, dass niedrige Kaltwassertemperaturen vorteilhaft für die Trinkwasserhygiene sind. Dies wird durch die Aussage der DVGW-Information Wasser Nr. 90 unterstützt, dass in der Praxis nur selten Legionellen in Kaltwasserinstallationen mit Temperaturen unter 20 °C nachgewiesen werden /4/. Die Trinkwasserqualität korreliert neben der Temperatur mit den Faktoren Durchströmung, Nährstoffangebot und Wasseraustausch. Sollte letzterer nicht alle 72 h durch den „normalen Betrieb“ gewährleistet sein, sind Wasserwechselmaßnahmen erforderlich /5/. Durch die Korrelation der Faktoren tragen die Wasserwechselmaßnahmen zur Temperaturhaltung bei und können somit auch temperaturgeführt parametriert werden. Damit übermäßige Wasser- und Abwasserkosten vermieden werden, sind in Kombination mit der Kaltwasserzirkulation die Wasserwechselmaßnahmen ausschließlich zur Einhaltung der geforderten Wasserwechselhäufigkeit vorgesehen.

Beschreibung des Gebäudes und der Situation

Die Klinik umfasst drei Gebäudeteile. Dessen quadratische Geometrie mit geringem Gebäudeoberflächen-/Volumen-Verhältnis reduziert den Einfluss äußerer Wärmelasten auf den Installationsraum. Zusätzlich werden die Wärmelasten durch den geringen Fensteranteil minimiert. Architektur und Gebäudehülle können dementsprechend den passiven Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmeintrags in das Kaltwassersystem zugeordnet werden. In dem Gebäude aus dem Jahr 2017 sind insgesamt 91 Waschtische, 41 Toiletten, 21 Duschen, 8 Urinale, 6 Spülen, 4 Ausgussbecken und 5 sonstige Sanitärobjekte installiert.

Die Möglichkeiten zur Temperaturhaltung unterscheiden sich hinsichtlich der Regel- und Stellgrößen. Beispielweise verwendet die Intervallspülung die Zeit, wohingegen die Kaltwasserzirkulation wie auch die temperaturgeführten Wasserwechselmaßnahmen die Temperatur als Regelgröße nutzen. Kaltwasserzirkulation und temperaturgeführte Wasserwechselmaßnahmen differenzieren sich hinsichtlich der Stellgröße. Zur Temperaturhaltung verwenden die Wasserwechselmaßnahmen den Volumenstrom und die Kaltwasserzirkulation die Kälteleistung. Die Effizienz der Wasserwechselmaßnahmen ist dabei wesentlich von der zur Verfügung gestellten Kaltwassertemperatur des WVU abhängig, die je nach Region und Jahreszeit stark variieren kann.

Zum Errichtungszeitpunkt wurde angenommen, dass die Temperaturhaltung und der Wasserwechsel durch Spülstationen erfolgen können. Deshalb wurde in der horizontal verteilten Trinkwasserinstallation am Ende eines jeden Stranges eine Spülstation montiert. Spülstationen in den Nasszellen waren nicht erforderlich, da Strömungsteiler für eine Zwangsdurchströmung der Nasszelleninstallationen sorgen. Die Installationsart ermöglichte bei Nachrüstung der Kaltwasserzirkulation die Temperaturhaltung bis an die Wandscheibe.

Installation mit Intervall-Wasserwechselmaßnahmen

Im Erbauungszustand waren die Spülstationen als Intervallspülung parametriert. Im Winter ist die Außentemperatur niedrig, infolgedessen sind die äußeren Wärmelasten dementsprechend gering. Daraus resultierend ergab die Auswertung der Temperaturen in der Trinkwasserinstallation, dass bereits fünf Wasserwechselvorgänge je Spülstation, à 6 min pro Tag ausreichten, um die Temperaturhaltung in der Trinkwasserinstallation zu gewährleisten. Der Simulationsrechnung ist zu entnehmen, dass die ungünstigste Spülstation ca. 18 min erfordert, um einen vollständigen Wasserwechsel zu generieren. Deshalb wird erst durch die dreimalige Wiederholung des Wasserwechselvorgangs ein vollständiger Wasserwechsel generiert.

In Bild 2 sind die Temperaturverläufe der Etagen und Gebäudeteile (BT) im Sommer 2018 für einen exemplarischen Tag dargestellt. In dem Bild ist zu erkennen, dass die Intervallspülung nicht ausreicht, um die geforderten 25 °C dauerhaft zu unterschreiten. Dies ist den hohen Sommertemperaturen, der Installation des Hauswasseranschlusses im Heizungsraum und der thermisch ungünstigen Verlegung der Kaltwasserleitung geschuldet. Damit die Temperaturverläufe dauerhaft unterhalb des normativen Grenzwertes liegen, ist die Temperatur als Regelgröße zu verwenden.

Die Temperatur als Regelgröße hat den Vorteil, dass bis auf einen Temperaturfühler pro Spülstation keine weiteren Komponenten erforderlich sind. Der Nachteil zeigt sich bei Betrachtung des Bildes 2: Wird an dem exemplarischen Tag jeweils ein Wasserwechselvorgang ausgelöst, wenn die Temperatur 25 °C tangiert, würde sich die Anzahl der Wasserwechselvorgänge sowie die Wassermenge maßgeblich erhöhen. Nach Abschätzung der Wasser- und Abwasserkosten für temperaturgeführte Wasserwechselmaßnahmen wurde eine Kaltwasserzirkulation nachgerüstet.

Installation mit Kaltwasserzirkulation

Die Kaltwasserzirkulation entzieht dem Wasser im Kaltwasserkühler/Wärmeübertrager die thermische Energie, so dass die Temperatur sinkt. Die Kälteleistung wird in dem betrachteten Gebäude durch eine Kältemaschine mit 2,3 kW bereitgestellt. Der Kältemittelkreis und das Trinkwasser werden aufgrund der Flüssigkeitskategorien nach DIN EN 1717 durch einen Solekreis getrennt. Die Kälteleistung kann auch durch vorhandene Kältequellen zur Verfügung gestellt werden, die in diesem Objekt jedoch nicht vorhanden waren.

In Bild 3 sind die Temperaturverläufe für einen exemplarischen Tag des Sommers 2019 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Temperaturen im Bereich der nach DVGW-Information Wasser Nr. 90 empfohlenen 20 °C liegen. In dem Objekt wurden statische Zirkulationsregulierventile zum hydraulischen Abgleich der Zirkulationskreise verwendet, da keine geeigneten thermischen Zirkulationsregulierventile vorhanden waren. Thermische Zirkulationsregulierventile haben durch das dynamische Regelverhalten den Vorteil, dass nach der Dimensionierung keine weiteren Einstellungen erfolgen müssen, damit die Temperaturverläufe in einer Ebene sind. Des Weiteren ist auffällig, dass am Morgen die Temperaturen konstant verlaufen. Hierbei handelt es sich um den Zirkulationsbetrieb ohne wesentliche Entnahmen. Diese finden dann ab 7:30 Uhr statt. Die Kaltwassertemperaturen vom WVU weisen zu dieser Zeit ein geringeres Temperaturniveau auf, so dass die Temperaturen unterhalb der eingestellten Kühlwassertemperatur liegen. Damit die Anforderung der bedarfsgerechten Energieverwendung eingehalten wird, wird der Betrieb der Kaltwasserzirkulation eingestellt, sobald die geforderten Temperaturen durch Zapfvorgänge während der „normalen“ Nutzung gegeben sind. Ist dies nicht länger der Fall, kühlt die Kaltwasserzirkulation auf die geforderten Temperaturen herunter. So ist die Anforderung der bedarfsgerechten Energieverwendung eingehalten.

Wirtschaftlichkeit und deren Faktoren

Die Trinkwasserqualität hat in Trinkwasserinstallationen die höchste Priorität. Die Wirtschaftlichkeit hat jedoch in der Praxis ebenfalls einen großen Einfluss. Infolgedessen ist nachfolgend die wirtschaftliche Situation der Trinkwasserinstallation mit und ohne Kaltwasserzirkulation gegenübergestellt. Dem vorherigen Abschnitt ist zu entnehmen, dass zur Nachrüstung der Kaltwasserzirkulation weitere Komponenten erforderlich waren. Diese Kosten sollten der Wirtschaftlichkeit wegen durch die Betriebskostenersparnis in einem angemessenen Zeitraum kompensiert werden. Die Betriebskosten wurden auf Basis der tatsächlichen Wasser- und Abwasserpreise von 1,32 €/m³ und 3,08 €/m³ und Stromkosten von 0,1391 €/kWh ermittelt. Durch die zunächst installierte Intervallspülung wurden 4.818 € Wasser- und Abwasserkosten im Jahr verursacht. Letztere setzten sich aus den fünf Wasserwechselvorgängen à 6 min der zehn Spülstationen mit einem Durchfluss von 10 l/min zusammen. Die Installation der Kaltwasserzirkulation senkte die Wasser- und Abwasserkosten auf 321 €, da der Wasserwechselvorgang auf alle 72 h, à 6 min reduziert wurde. Somit generieren die automatisierten Wasserwechselmaßnahmen erst in Kombination mit dem „normalen Betrieb“ den vollständigen Wasserwechsel. Zusätzlich entstanden Betriebskosten von 859 € pro Jahr für die Kälteleistung. Diese setzten sich aus der Kälteleistung von 2.028 W zusammen, die durch eine Kältemaschine mit einem COP von 2,3 zur Verfügung gestellt wird und sonstigen Hilfsenergien von 767,84 kWh für Pumpen und Regelungen. In Summe reduzierten sich die Betriebskosten durch die Nachrüstung der Kaltwasserzirkulation von 4.818 € auf 1.180 € pro Jahr.

In Bild 4 sind die gesamten Investitions- und die Betriebskosten mit und ohne Kaltwasserzirkulation dargestellt. Die Investitionskosten mit Kaltwasserzirkulation sind durch die Nachrüstkosten von Zirkulationsregulierventilen, Wärmeübertrager, Rohrmaterial und Kältemaschine um 23.300 € höher. Der Schnittpunkt ist der Zeitpunkt, an dem sich die Nachrüstung amortisiert hat. Im Beispiel der Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jungendalters liegt der Break-Even-Point bei ca. 6,5 Jahren. Die Amortisationszeit ist, bezogen auf die anzunehmende Lebenserwartung einer Trinkwasserinstallation von bis zu 50 Jahren, als sehr gering einzustufen. Dabei ist zu beachten, dass die Wasserwechseldauer und deren Häufigkeiten einen großen Einfluss auf die Amortisierungszeit hat. Hinsichtlich einer temperaturgeführten Wasserwechselmaßnahme als Ausgangssituation würde sich die Amortisierungszeit maßgeblich verkürzen. Beispielsweise beträgt die Amortisationszeit ca. 2,3 Jahre, wenn die Wasserwechselvorgänge statt vorher 6 Minuten, 15 Minuten betragen hätten.

Fazit

Beim Nachrüsten einer Kaltwasserzirkulation in Trinkwasser-installationen zur Sicherstellung der geforderten Kaltwassertemperatur muss für die Beurteilung der Einsatzfähigkeit zunächst die spezifische Trinkwasserinstallation auf die vorliegenden Kaltwassertemperaturen untersucht werden. Daraufhin kann festgestellt werden, ob die ggf. ausgeführten passiven Maßnahmen und/oder Wasserwechselmaßnahmen bereits für die Kaltwassertemperaturhaltung ausreichen. Anhand des ausgeführten Beispiels wurde gezeigt, dass die installierte Intervallspülung nicht zur Temperaturhaltung ausreicht und temperaturgeführte Wasserwechselmaßnahmen zu erhöhten Betriebskosten führen. Deshalb war in der Klinik die Kombination der Kaltwasserzirkulation zur Temperaturhaltung und die Spülstationen zur Sicherstellung des Wasserwechsels sowohl wirtschaftlich als auch zur Einhaltung der normativen Anforderungen vorteilhaft. Die Amortisationszeit der Kaltwasserzirkulation beträgt hier ca. 6,5 Jahre. Diese wird maßgeblich durch die Ausgangsposition beeinflusst. Die Untersuchung ergab, dass Wasserwechselmaßnahmen allein nicht immer ausreichen, um die Trinkwasserinstallation in einem hygienisch unkritischen Temperaturbereich zu betreiben. Durch die Nachrüstung einer Kaltwasserzirkulation konnten die normativ geforderten Temperaturen dauerhaft eingehalten (< 25 °C) sowie eine Betriebskostenersparnis generiert werden.

Literaturhinweise

  • /1/ DIN EN 806-2 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 2: Planung; Deutsche Fassung EN 806-2:2005 S. 8, Berlin: Beuth Verlag, 05.2005

  • /2/ Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch, (Trinkwasserverordnung – TrinkwV) in der Fassung vom 3. 1. 2018, § 3(1)

  • /3/ DIN 1988 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW S. 16, Berlin: Beuth Verlag, 05.2012

  • /4/ DVGW-Information Wasser Nr.90: Informationen und Erläuterungen zu Anforderungen des DVGW-Arbeitsblatt W551 S. 8, Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, 03.2017

  • /5/ VDI/DVGW 6023: Hygiene in Trinkwasser-Installationen Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung S. 12, Berlin, 
Beuth Verlag, 04.2013

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker

Dipl.-Ing. Jürgen Peters

Dipl.-Ing. Jürgen Peters

Bernd Harker B. Eng.

Bernd Harker B. Eng.
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