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StartseiteWissenNewsTrinkkaltwasser-Zirkulation mit Kühlung
7. Oktober 2020
Eine nachhaltige Lösung zur Einhaltung der geforderten PWC-Temperaturen
Häufig ist in Trinkwasser-Installationen festzustellen, dass die Temperaturen des Trinkwassers kalt (kurz PWC) unzulässig hoch sind. PWC-Temperaturen von 30 °C und höher stellen keine Ausnahmeerscheinung mehr dar und können unter bestimmten Voraussetzungen zu Hygieneproblemen beispielsweise mit Legionella species führen. Eine Lösung zur Vermeidung bzw. Beseitigung von unzulässig hohen PWC-Temperaturen bietet eine Zirkulation in der PWC-Installation, die zusätzlich mit einer Kühlung erfolgen kann.
Gründe für hohe PWC-Temperaturen, die in Bestandsanlagen wie in Neuinstallationen auftreten können, sind vielfältig und werden durch das alleinige oder gemeinsame Auftreten verschiedener Gegebenheiten begünstigt, so u. a. durch:
Beispiel aus der Praxis
Die in einer Versorgungseinheit (Bettenhaus) eines Klinikums gemessenen und in Bild 1 dargestellten Temperaturverläufe lassen einige der vorgenannten Einflussfaktoren erkennen: auf Grundlage des bekannten täglichen PWC-Verbrauchs der Versorgungseinheit wurde eine lineare Entnahmemenge je Stunde ermittelt und diese mithilfe einer am Ende der PWC-Installation vorhandenen Spülstation einmal stündlich ausgespült. Das Ausspülen (als Simulation des bestimmungsgemäßen Betriebs) reduziert zwar die Temperatur um 4 K auf ca. 23,5 °C, allerdings überschreitet die PWC-Temperatur nach knapp 20 Minuten die Temperatur von 25 °C. Ursächlich für die Temperaturüberschreitung sind:
Dieses Fallbeispiel zeigt, dass, obgleich die PWC-Rohrleitung zu 100 % gedämmt ist, der bestimmungsgemäße Betrieb (bezogen auf den Wasserwechsel) bei Weitem nicht ausreichend ist, um eine Überschreitung der (derzeit) einzuhaltenden PWC-Maximaltemperatur von 25 °C zu verhindern. Die aus trinkwasserhygienischer Sicht zu bevorzugende PWC-Maximaltemperatur von 20 °C wird erst gar nicht erreicht.
Maßnahmen zur Temperaturhaltung
Nun sind verschiede Maßnahmen möglich, dieser unzulässigen PWC-Temperaturüberschreitung entgegenzuwirken. So kann der Wärmeeintrag teilweise erheblich verringert werden, wenn die PWC-Installation in unbeheizten Räumen verlegt oder gemeinsame Schächte und Installationsbereiche mit wärmeabgebenden Medien vermieden werden.
In Bereichen, in denen eine gemeinsame Verlegung unumgänglich ist, z. B. als Stockwerksleitung im Bereich der Vorwandinstallation, sollten die PWC-Rohrleitungen so weit unten wie möglich und die PWH-Rohrleitungen so weit oben wie möglich angeordnet werden, um eine gegenseitige und nachteilige Beeinflussung so gering wie möglich zu halten.
Ziel muss es sein, die PWC-Installation in Bereichen mit möglichst geringer Umgebungstemperatur zu errichten, da sich die PWC-Temperatur bei Stagnationsphasen ohne zusätzliche technische Maßnahmen über die Zeit der Umgebungstemperatur angleicht. Um dieser Temperaturangleichung entgegenzuwirken, ist das Eintreten von Stagnationsphasen und -zeiten so gering wie möglich zu halten; hierfür können Zwangsspülungen über Spülstationen oder selbstspülende Entnahmearmaturen ein Mittel der Wahl sein, deren Einsatz auch gleichzeitig die Einhaltung des hygienisch notwendigen Wasserwechsels ermöglicht. Separate Schächte und Installationsbereiche oder auch Zwangsspülmaßnahmen zur Verringerung von Stagnationsphasen und -zeiten sind projektabhängig mit zusätzlichen Kosten verbunden. So vermindern zusätzliche raumhohe Installationsschächte die vermietbare oder veräußerungsanrechenbare Grundfläche einer Nutzungseinheit und führen ggf. zu Einnahmeverlusten, die Schaffung zusätzlicher Schächte und separater Installationsbereiche erzeugen höhere Baukosten.
Auch die Zwangsspülungen, die projektabhängig in Spüldauer und Spülvolumen variieren, verursachen zusätzliche Kosten, sowohl in der Anschaffung der Spülarmaturen als auch im Betrieb (z. B. Wasserverbrauch) und Unterhalt (z. B. Wartung).
Kritisch wird es zudem, wenn sich äußere Faktoren, die nicht beeinflussbar sind, nachteilig auf die Temperaturen der PWC-Installationsbereiche und damit auch auf die PWC-Temperatur auswirken, z. B. lang anhaltend hohe Außentemperaturen über 25 °C oder hohe PWC-Temperaturen schon am Hausanschluss.
PWC-C mit Kühlung
Die Lösung zur kontrollierten und nachhaltigen Einhaltung der geforderten PWC-Temperatur kann die Errichtung einer „Trinkkaltwasser-Zirkulationsanlage mit Kühlung“ sein. Wie beispielhaft in Bild 2 dargestellt, werden wie bei einer PWH-C-Anlage die PWC-Versorgungsendpunkte (z. B. waagerechte oder senkrechte PWC-Stränge) der Nutzungsbereiche weitergeführt, miteinander verbunden und als gemeinsame Trinkkaltwasser-Zirkulationsrohrleitung zur Technikzentrale geführt. Hier erfolgt die Kühlung der Trinkkaltwasser-Zirkulation (kurz PWC-C) und wird nachgeschaltet der Kühlung an die PWC-Verbrauchsleitung angeschlossen, um den Zirkulationskreislauf zu schließen.
Die Berechnung und Auslegung der PWC-C-Anlage erfolgt in Abhängigkeit u. a. zu der Umgebungstemperaturen der PWC- und PWC-C-Installation, zur Dämmqualität und zu den Dimensionen und Längen der PWC- und PWC-C-Rohrleitungen. Ebenso fließen die PWC-Temperatur am Einbindungspunkt der PWC-C-Anlage und die gewählte PWC-C-Austrittstemperatur nach der Kühlung in die Berechnungsergebnisse ein. Ein hydraulischer Abgleich ist zudem durchzuführen.
Wichtig bei der Auswahl des Wärmeübertragers für die PWC-C-Kühlung ist die Berücksichtigung der Anforderungen an den Schutz des Trinkwassers nach DIN EN 1717 und DIN 1988-100.
Für die zur Kühlung des PWC-C notwendige Kälteerzeugung können diverse Arten von Kälteerzeugern Berücksichtigung finden. Aufgrund der erwartbaren geringen Kälteleistung kann z. B. ein Klima-Split-Gerät oder eine Wärmepumpe zum Einsatz kommen. Je nach Gebäudenutzung sind ggf. Kälteerzeugungs- und -versorgungsanlage bereits vorhanden, sodass diese die Kälteversorgung für die PWC-C-Kühlung ggf. mit übernehmen können.
Monitoring- u. Aufzeichnungssystem
Neben der zur PWC-C-Kühlung notwendigen Mess- und Regelungstechnik empfiehlt sich zur nachhaltigen Kontrolle der Betriebsparameter, ein möglichst engmaschig installiertes Monitoring- und Aufzeichnungssystem mit Aufschaltung auf eine regelungstechnische Anlage ggf. auf eine zentrale Gebäudeleittechnik (GLT) vorzusehen. Wie beispielhaft in Bild 3 dargestellt wird, sollten an diversen Stellen Temperaturmessungen vorgenommen werden.
Zur Sicherstellung des hygienisch erforderlichen Mindestwasserwechsels sollten jeweils an den Punkten F (Eintritt in die Nutzungsbereiche) und den Punkten H (Austritt aus den Nutzungsbereichen) Volumenstrommessgeräte mit Aufschaltung auf eine regelungstechnische Anlage ggf. auf eine GLT installiert sein. Somit lässt sich der tatsächliche Wasserverbrauch je Nutzungsbereich und Zeiteinheit ermitteln, bei Unterschreitung des vorher berechneten und festgelegten Mindestwasserwechsels wird eine Zwangsspülung ausgelöst. Diese Zwangsspülstellen können wahlweise kurz vor den Punkten H (Austritt aus den Nutzungsbereichen) oder zentral kurz vor der PWC-C-Pumpe vorgesehen werden.
Temperaturverläufe in PWC-C-Anlage
In Bild 4 werden Temperaturverläufe in einer bestehenden und in Betrieb befindlichen PWC-C-Anlage gezeigt (Temperaturverläufe für die zentrale PWC-C-Kühlung und die Installation im Nutzungsbereich EG). Der beispielhaft e Auszug aus den immer wiederkehrend gleichen Temperaturprofilen verläuft über 36 Stunden. Täglich, in der Zeit von ca. 23.00 Uhr bis 06.00 Uhr erfolgt gebäudenutzungsbedingt keine Wasserentnahme.
Zur notwendigen Einhaltung der Trinkwasserhygiene lautete die Aufgabenstellung für die Planung und Errichtung dieser PWC-Installation und PWC-C-Anlage, dass die PWC-Temperatur in keinem Bereich der PWC-Installation und der PWCC-Anlage und vor allem nicht in den vorab bekannten nächtlichen Phasen ohne Wasserentnahme die Temperatur von 20 °C überschritten werden darf. Um dieses auch in den einzelnen Nutzungseinheiten der jeweiligen Nutzungsbereiche gewährleisten zu können, wurden Venturidüsen zur Volumenstromteilung in die PWC-Versorgungsleitung eingebaut und hierdurch eine Einschleifung der PWC-Installation der Nutzungseinheiten ermöglicht (z.B. Bild 2 Nutzungseinheiten Typ 2). Die gem. Berechnung und Auslegung einzuhaltende PWC-C-Temperaturdiff erenz vor und nach der Kühlung (Punkte K und L) soll 4 K nicht überschreiten.
Die Umgebungstemperatur im Installationsbereich Abhangdecke mit einer Gesamtlänge von ca. 50 m verharrt mehr oder weniger ebenso konstant bei einer Temperatur von ca. 30 °C (rote Temperaturkurve, Messpunkt G), wie die PWC-C-Temperatur mit 15 °C am Wärmeübertragerausgang nach der PWC-C-Kühlung (grüne Kurve, Punkt L).
Während der Nutzungszeit liegt die PWC-Temperatur am Eintritt zum Nutzungsbereich EG (olivgrüne Kurve, Punkt F) ebenso konstant und teilweise deutlich unter 14 °C, wie die PWC-C-Temperatur am Ausgang des Nutzungsbereichs EG (hellblaue Kurve, Punkt H) konstant und deutlich unter 18 °C liegt; die PWC-C-Temperatur kurz vor dem Eintritt in den Wärmetübertrager (dunkelblaue Kurve, Punkt K) liegt erwartungsgemäß leicht höher als die am Messpunkt H gemessene Temperatur.
Interessant sind vorallem die Temperaturverläufe in der Phase ohne Wasserentnahme zwischen ca. 23.00 Uhr und 06.00 Uhr. Hier sind durch den konstanten Wärmeeintrag und die fehlende Wasserentnahme stetige Temperaturerhöhungen an den Messpunkten A, F, H und K zu erkennen: die Temperatur am Eintritt zum Nutzungsbereich EG (olivgrüne Kurve, Punkt F) überschreitet die Temperatur von 15 °C knapp, die Temperaturen am Ausgang des Nutzungsbereichs EG (hellblaue Temperaturkurve, Punkt H) und kurz vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager (dunkelblaue Kurve, Punkt K) erhöhen sich mit Beginn der Zeit der Nichtnutzung von ca. 16 °C um ca. 3 K auf rund 19 °C zum Ende der Zeit ohne Wasserentnahme.
Die in Bild 5 dargestellten Temperaturverläufe am Eintritt zum Nutzungsbereich EG (olivgrüne Kurve, Punkt F) und am Ausgang des Nutzungsbereichs EG (hellblaue Kurve, Punkt H) verdeutlichen die Auswirkung des permanenten Wärmeeintrags durch die hohen Umgebungstemperaturen auf die PWC-Installation und die PWC-C-Anlage: er entspricht einer Temperaturerhöhung um ca. 3 bis 4 K in der Zeit von ca. 7 Stunden ohne Wasserentnahme.
Zwischenfazit
Betrachtet man nun die in den Bildern 4 und 5 dargestellten Temperaturverläufe beim Betrieb der PWC-Installation mit PWC-C-Anlage mit Kühlung gerade im Zeitbereich der nutzungsbedingten Phasen ohne Wasserentnahme und bezieht die sich hieraus ergebenden Rückschlüsse bzgl. der wärmeeintragsbedingten Temperaturerhöhung auf eine Nutzung ohne PWC-C-Anlage mit Kühlung, ist der bestimmungsgemäße Betrieb auf Grundlage der Nutzung/des Wasserverbrauchs der Installation nicht ausreichend, um den trinkwasserhygienischen Anforderungen an die Temperatureinhaltung gerecht zu werden. Durch die permanente und nachhaltige Temperaturhaltung der PWC-Installation unter 20 °C wird die Eintrittswahrscheinlichkeit von trinkwasserhygienischen Problemen minimiert.
PWC-C-Anlagen mit Kühlung können sowohl bei Neuinstallationen als auch bei Bestandsanlagen mit Trinkwasserhygieneproblemen umgesetzt werden, sofern die hygienischen Probleme temperaturinduziert sind. Durch die kontinuierliche Einhaltung der geforderten Temperaturen in der gesamten zirkulierenden PWC-Installation kann die Entstehung von trinkwasserhygienischen Problemen, die durch zu hohe PWC-Temperaturen entstehen, auf ein Minimum reduziert werden.
Amortisation
Im Hinblick auf die Kosten (u.a. Investitions-, Verbrauchs- und Betriebskosten, hier für das Fallbeispiel Bettenhaus eines Klinikums) können PWC-C-Anlagen mit Kühlung vor allem im Bereich der Verbrauchskosten die anfänglich höheren Investitionskosten wieder ausgleichen und über die Jahre der Nutzung zu einer erheblichen Kosteneinsparung (und Ressourceneinsparung) beitragen (Tabelle 1).
Die Investitionskosten beinhalten die Kosten der Kostengruppen (KG) 412 (Wasseranlage), KG 434 (Kälteanlage) und KG 480 (Gebäude- und Anlagenautomation) nach DIN 276.
Die Mehrkosten für die KG 412 beinhalten die Kosten um Erweiterung der PWCC-Anlage nebst aller notwendiger Apparate und Armaturen. Für den Bereich der Kälteanlage (KG 434) wurde eine Sole-Wasser-Wärmepumpenanlage aus der Heizungstechnik ausgewählt, wobei hier die Anschlüsse für die Sole das PWC kühlt und die Heizseite die Wärme abführt. Ein Rückkühler führt nicht nur die anfallende Wärme ab, er ermöglicht ab einer Außentemperatur von ca. 8 °C und tiefer eine Kühlung des PWC-C-Systems über die Außenluft. Die Wärmepumpe bleibt bei diesen Betriebszuständen ausgeschaltet, sodass erhebliche Stromkosteneinsparungen verzeichnet werden können. Hier sind allerdings die Investitionskosten im Vergleich zu anderen Kälteerzeugungsanlagen mit 41 500 Euro recht hoch. Die Kosten für einen Anschluss an die vorhandene Kälteversorgungsanlage der Liegenschaft hätte hingegen nur ca. 9000 Euro ausgemacht. Die Investitionskosten für die Anlagenautomation beliefen sich auf rund 36 500 Euro. Enthalten war die Regelungstechnik für die Kälteerzeugungsanlage einschl. Freikühler, nebst aller Pumpen und Regelarmaturen. Zudem beinhalten die Kosten auch die Nachrüstung der Temperaturmesspunkte (u.a. in den einzelnen Etagen) und die vollständige nachträgliche Verkabelung. Die neue zusätzliche Regelungstechnik wurde zudem in eine vorhandene GLT-Anlage des Krankenhauses eingebunden.
Vor der Ergänzung der TWI um die PWC-Anlage existierten sechs Spülstationen mit einem Spülvolumenstrom von 10 l/min je Spülstation. Durch die hohen Umgebungstemperaturen in den Schächten, abgehängten Decken und Vorwandinstallationen war vor allem in den nächtlichen Ruhephasen ohne Wasserentnahme eine erhebliche Auswirkung der Umgebungstemperaturen auf die PWC-Installation festzustellen. Zur Einhaltung der geforderten PWC-Temperatur (max. 20 °C) wurde durch die sechs Spülstationen ein zusätzlicher Jahres-Wasserverbrauch von 5300 m3 festgestellt. Bei einem Preis von 5 Euro/m3 für Wasser/Abwasser fielen hier zusätzliche Kosten in Höhe von 26 500 Euro/a an (Stromkosten für die Spülstationen nicht berücksichtigt). Die jährlich anfallenden zusätzlichen Verbrauchskosten für Strom zum Betrieb des Kälteerzeuger, Freikühlers und der Umwälzpumpen bei der PWC-C-Anlage mit Kühlung beliefen sich gemessen auf ca. 6000 kWh/a. Unter Berücksichtigung des Strompreises von 0,25 Euro/kWh ergeben sich hier zusätzliche Betriebskosten in Höhe von etwa 1500 Euro/a. Die Verbrauchskosten sind vergleichsweise gering, da die Freikühlung in den „kalten“ Monaten für eine erhebliche Einsparung Verantwortung trug. Die betriebsgebundenen Kosten für die Wartung der Spülstationen bei der „normalen“ PWC-Installation beliefen sich auf rund 1500 Euro/a, die Kosten für die Wartung der Kälteerzeugungsanlage auf 3800 Euro/a.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die zusätzlichen Investitionskosten für die PWC-C-Anlage mit Kühlung in Höhe von 93 500 Euro jährlichen Betriebs- und Verbrauchskosteneinsparungen in Höhe von 22 700 Euro gegenüberstehen.
In Bild 6 sind die Kostenentwicklungen für 15 Betriebsjahre dargestellt. Aufgrund der hohen jährlichen Betriebs- und Verbrauchskosteneinsparungen der PWC-C-Anlage mit Kühlung kann festgehalten werden, dass die „normale“ PWC-Installation nach vier Jahren in den Gesamtkosten höher ist, als die in den Investitionskosten teurere PWC-C-Anlage mit Kühlung. Vorausschauend auf eine Betriebszeit von 15 Jahren spart die PWC-C-Anlage mit Kühlung insgesamt einen Betrag in Höhe von rund 247 000 Euro.
Autor: Olaf Heinecke, Geschäftsführer LTZ – Zentrum für Luft- und Trinkwasserhygiene GmbH, Berlin
Bilder: LTZ, Heinecke
www.luft-trinkwasser-zentrum.de
Nachgefragt:
IKZ-FACHPLANER: Wann bzw. für welche Gebäude ist der Einsatz einer PWC-C-Anlage mit Kühlung sinnvoll?
Olaf Heinecke: Sinnvoll ist der Einsatz von PWC-C-Anlagen mit Kühlung z. B. in Gebäuden mit weitverzweigten Trinkwasser-Installationen oder bei Anlagen, in denen nutzungs- und oder installationsbedingt kontinuierlicher Wärmeeintrag zu kritischen PWC-Temperaturen und damit Trinkwasserhygieneproblemen führt. Ferner kann weiterhin die PWC-Installation parallel zu und in den selben Installationsbereichen mit warmgehenden Medienversorgungsleitungen verlegt werden, ohne das Risiko einer hygienerelevanten PWC-Temperaturüberschreitung eingehen zu müssen.
Durch die kontrollierte PWC-Temperaturhaltung in definierten Temperaturbereichen ist der Einsatz von PWC-C-Anlagen mit Kühlung z.B. in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen absolut empfehlenswert, da hiermit den erhöhten Anforderungen an die hygienischen PWC-Temperaturen Rechnung getragen werden kann. Gleiches gilt für PWC-Installationen in Industrieanlagen und gewerblichen Immobilien.
IKZ-FACHPLANER: Was ist für die Umsetzung einer PWC-C-Anlage in Stockwerksleitungen notwendig?
Olaf Heinecke: Für eine kontrollierte PWC-Temperaturhaltung in Stockwerksleitungen von Nutzungseinheiten bis hin zu den Entnahmestellen sind Volumenstromteiler, das Einschleifen der Entnahmestellen und der Einbau von Doppelwandscheiben für den PWC-Armaturenanschluss notwendig.
IKZ-FACHPLANER: Die Technik wäre somit auch für den Einsatz in Wohngebäuden sinnvoll?
Olaf Heinecke: Ja, die Berücksichtigung von PWC-C-Anlagen mit Kühlung ist auch in Wohngebäuden besonders geeignet. Zum einen ermöglicht sie die notwendige hygienerelevante PWC-Temperatureinhaltung in den mitzirkulierenden PWC-Versorgungsleitungen und PWC-Stranginstallationen. Zum anderen kann aus diesem Grund auf die Ausbildung von zusätzlichen Schächten verzichtet werden.
Werden die PWC-C-Stränge ebenso als Inliner in die PWC-Stränge wie die PWH-C-Stränge als Inliner in die PWH-Stränge eingezogen, so reduzieren sich die Schachtabmessungen auf ein notwendiges Minimum. Der ggf. notwendige Einsatz von Spülstationen, selbstspülenden Entnahmearmaturen oder WC-Spülkästen gewährleistet die hygienisch notwendige Temperaturhaltung in den Stockwerksleitungen.
Energetisch interessant ist der Einsatz von Kälteerzeugungsanlagen mit Freikühlfunktion: Bei Unterschreitung einer entsprechenden Außentemperatur schaltet sich der Kompressor zur Kälteerzeugung ab und die kalte Außenluft wird für die Kälteerzeugung genutzt. Je nach Region können sich die jährlichen Betriebsstunden des Kompressors um ca. 35 bis 45 % reduzieren.
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