13. Januar 2020

Die Rohrleitungsführung als zentrale Stellschraube zum Erhalt der Trinkwassergüte. Teil 2: Temperaturverteilung innerhalb horizontaler Verteil-Systeme

Neben vertikal orientierten Verteilungskonzepten, wie sie im ersten Teil des Artikels untersucht wurden, sind heutzutage horizontal orientierte Konzepte stark verbreitet. Das hat den Hintergrund, dass im Falle einer Sanierung einzelne Abteilungen/Stockwerke außer Betrieb genommen und saniert werden können. Somit fanden im Rahmen des hier vorgestellten Projektes der FH Münster auch messtechnische Untersuchungen hinsichtlich der Temperaturverteilung in horizontal orientierten Systemen statt. Bei dieser Art der Verteilung wird in der Regel die Zwischendecke als Installationsraum genutzt.

Bei der Untersuchung der horizontal orientierten Verteilung wurde eine Zwischendecke errichtet, in der die Heizungs-, Warmwasser- und Kaltwasserverteilleitungen parallel zur Vorwandinstallation verlaufen. Ausgehend von der Zwischendecke erfolgt der Anschluss der Entnahmestellen bei ansonsten gleicher Anschlusssituation (Bild 5). Die Untersuchung der Temperaturverteilung innerhalb der Vorwandinstallation erfolgte analog zu der vorher beschriebenen Herangehensweise bei der vertikalen Verteilung. Die Zwischendecke wurde ebenfalls mit Temperaturfühlern ausgestattet und mit einer Revisionsklappe versehen. Die Öffnung wurde mit einer Folie luftdicht verschlossen, um nach dem Öffnen der Revisionsklappe die Temperaturen während der Thermografie-Aufnahme stabil zu halten und diesen Bereich thermografisch aufzunehmen. Aufgrund der gemeinsamen Verlegung von Kaltwasserleitungen mit warmgehenden Rohrleitungen innerhalb der Zwischendecke wurde hier ebenfalls der Effekt einer thermischen Trennung untersucht. Die thermische Trennung ist für die Untersuchungen variabel einsetzbar und besteht aus einer Polystyrol-Hartschaum-Bauplatte mit einer Nenndicke von 12,5 mm.

Horizontale Verteil-Systeme ohne thermische Trennungen
Nach dem Erreichen eines konstanten Zustandes wurde in der Zwischendecke eine Übertemperatur von ≈ 5 K im Bereich der Kaltwasserverteilleitung ermittelt (Bild 6). Bei einer Raumtemperatur von 20 °C wird bereits der kritische Temperaturbereich von ≈ 25 °C erreicht. Wird eine Raumtemperatur von 24 °C gefordert, liegt die Temperatur in der Zwischendecke bereits bei ≈ 29 °C. Weiterhin ist zu beachten, dass sich aufgrund der natürlichen Temperaturschichtung im Raum schlechtere Ausgangstemperaturen innerhalb der Zwischendecke einstellen als z. B. im Fußbodenaufbau.

Horizontale Verteil-Systeme mit thermischen Trennungen
Durch den Einsatz einer thermischen Trennung in der Zwischendecke konnte eine Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und dem warmen Bereich von ≈ 5 K erzeugt werden (Bild 6). Die Übertemperatur im kalten Bereich der Zwischendecke betrug 2,4 K und konnte im Vergleich zur Variante ohne thermische Trennung halbiert werden. Dennoch wird bei einer Raumtemperatur von 24 °C (z. B. Bad) der kritische Temperaturwert von 25 °C überschritten. Zudem kommt es bei einer horizontalen Verteilung zwangsläufig zu Kreuzungsbereichen der warm- und kaltgehenden Rohrleitungen. Im Versuchsaufbau kreuzt der Ein- und Austritt der Kaltwasserringleitungen die warmgehenden Rohrleitungen und durchläuft den warmen Bereich innerhalb der Zwischendecke. In Bild 7 sind die Verläufe der Rohrleitungstemperaturen PWC (Ring-Eintritt, Ring-Austritt, Verteilleitung), der Raumtemperatur sowie der Lufttemperaturen in der Zwischendecke dargestellt. Trotz thermischer Trennung kommt es zu einer übermäßigen Erwärmung der kaltwasserführenden Rohrleitungen innerhalb der Zwischendecke. Ursächlich hierfür sind die Ringleitungsabschnitte, die sich unmittelbar im Kreuzungsbereich befinden und weiterführend auch für eine Erwärmung der Verteilleitung sorgen.
Da sich bei der Trinkwasser- und Heizungsinstallation sowohl die Verteilungskonzepte (horizontal / vertikal) als auch die Örtlichkeit der Verbraucher unterscheiden können, wurde die horizontale Verteilung auch ohne den Betrieb der Heizung betrachtet. Äquivalent zur messtechnischen Untersuchung mit parallelem Heizungsbetrieb konnte der Wärmeeintrag in die Verteilleitung durch Einsatz einer thermischen Trennung ungefähr um die Hälfte reduziert werden (Bild 8). Obwohl die internen Wärmelasten durch Abschaltung der Heizung reduziert wurden, konnten weiterhin Übertemperaturen der kaltwasserführenden Rohrleitungen innerhalb der Zwischendecke zwischen 2 und 4 K festgestellt werden. Raumtemperaturen oberhalb von 21 °C haben dementsprechend kritische Temperaturbereiche innerhalb der Kaltwasserleitungen zur Folge.

Fazit
Die Untersuchungen der konventionellen Installationsmethoden haben Schwachstellen nachgewiesen, durch die es zu lokalen Temperaturüberschreitungen des Kaltwassers kommt. Zu den Ursachen gehören der konvektive Wärmeübergang bei zu hohen Umgebungslufttemperaturen und die Wärmeleitung über wandmontierten Entnahmearmaturen. Der Strahlungseinfluss bei unmittelbarer Verlegung der Kaltwasserleitung zu Wärmequellen ist ebenfalls eine nicht zu vernachlässigbare Größe. Die Grundvoraussetzungen für eine thermisch optimale Verlegung der Kaltwasserleitungen fallen je nach Verteilungssystem unterschiedlich aus. So ist die konvektive Erwärmung der Kaltwasserleitungen bei der horizontalen Verteilung i. d. R. größer als bei der vertikalen Verteilung, da eine Verlegung der Rohrleitungen in potenziell kritischen Temperaturbereichen nicht vermieden werden kann. Die Temperaturen im Installationsraum hängen dabei stark von der angestrebten Raumtemperatur ab. Die vertikale Verteilung mit separaten, thermisch getrennten Schächten für warm- und kaltgehende Rohrleitungen liefert temperaturtechnisch die besten Bedingungen. Die Kaltwasserleitung kann bei diesem Verteilkonzept im kältesten Bereich installiert werden und durchläuft, im Gegensatz zur horizontalen Verteilung oder der gemeinsamen Schachtverlegung von warmen und kalten Rohrleitungen, keine Kreuzungsbereiche. Auf Basis des aktuellen Erkenntnisstandes aus Forschung und Praxis hat die FH Münster acht Regeln abgeleitet (siehe Kasten), deren Einhaltung für einen hygienischen Betrieb einer Trinkwasser-Installation unabdingbar ist.

Literatur:

[1]    Brodale, Bäcker, Kirchhoff: Das Problem mit der Wärmeübertragung. In: HLH Lüftung/Klima, Heizung/Sanitär, Gebäudetechnik 69/4 (2018), S. 44-47

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

[3]    DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz, Beuth-Verlag, Februar 2013

[4]    DIN EN 806-4: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 4: Installation, Beuth-Verlag, Juni 2010

[5]    DIN EN 12831-1: Energetische Bewertung von Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Teil 1: Raumheizlast, Beuth-Verlag, September 2017

[6]    DVGW W551: Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen, wvgw-Verlag, April 2004

[7]    Robert Koch Institut (RKI): Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention, Elsevier-Verlag, 2003

[8]    VDI 6003: Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz, Beuth-Verlag, Oktober 2012

Autoren:
Stefan Brodale, Benedikt Kemler, beide Wissenschaftliche Mitarbeiter / Projekt­ingenieure an der FH Münster – Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker,
Lehr- und Forschungsgebiet: Projektierung und Simula­tion gebäudetechnischer Systeme,
FH Münster – Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt

Bilder: FH Münster – Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker,
Lehr- und Forschungsgebiet: Projektierung und Simula­tion gebäudetechnischer Systeme,
FH Münster – Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt

Bilder: FH Münster – Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt

Acht Installationsregeln zum Erhalt der Trinkwasserhygiene

• Sowohl im Warm- als auch im Kaltwasser müssen kritische Temperaturbereiche (> 25 und < 55 °C) vermieden werden, die das Wachstum pathogener Keime fördern.
• Der Wasserinhalt einer Warmwasser-Installation, der nicht auf Temperatur gehalten werden kann, muss minimiert werden. Somit stellt die Zirkulation bis unmittelbar an die Entnahmestelle die beste Lösung für die Warmwasser-Installation dar.
• Um weitergehend eine Erwärmung der Kaltwasserrohrleitungen zu verhindern, müssen die warmgehenden Stockwerksleitungen oberhalb der Entnahmearmaturen verlegt und
• die Armaturen warmwasserseitig mit einer Einzelzuleitung von ca. 10 x DN von oben angeschlossen werden.
• Bei Raumtemperaturen ≤ 24 °C und Wassereintrittstemperaturen in das Gebäude ≤ 18 °C sollten nach einer Stagnationszeit > 5 Stunden an jeder Stelle der Kaltwasser-Installation eine Temperatur von ≤ 25 °C sichergestellt sein. Hierfür darf in den Installationsbereichen von Kaltwasserleitungen eine Temperatur von 25 °C nicht überschritten werden.
• Die Kaltwasserleitungen müssen in einem eigenen Schacht bzw. separaten Bereich innerhalb der Zwischendecke verlegt werden. Bei hohen Wärmelasten mit Lufttemperaturen > 25 °C innerhalb der Installationsbereiche müssen Kaltwasserleitungen thermisch entkoppelt verlegt werden.
• Der Luftverbund zwischen Schacht/Zwischendecke und Vorwand muss in allen Fällen durch geeignete Maßnahmen unterbrochen werden (z. B. Abschottung).
• Weiterhin sind Installationskonzepte, die zu einem geringen Wasserinhalt führen, zu bevorzugen und ein hoher Wasserwechsel in allen Teilstrecken, insbesondere in den Stockwerks- und Einzelzuleitungen, sicherzustellen.
• Können die geforderten Kaltwassertemperaturen im Betriebs- oder Stagnationsfall aufgrund zu hoher Raum- und/oder Wassereintrittstemperaturen nicht eingehalten werden, so müssen aktive Prozesse wie z. B. Spülmaßnahmen oder eine Kaltwasser-Zirkulation angewandt werden. Die Anforderungen an die Verlegung und den Installationsraum von Kaltwasserleitungen hinsichtlich der Minimierung des Wärmeeintrags bestehen aber weiterhin.