6. November 2019

Die Rohrleitungsführung als zentrale Stellschraube zum Erhalt der Trinkwassergüte. Teil 1: Temperaturverteilung innerhalb vertikaler Verteil-Systeme

Bis in die 1980er-Jahre hinein wurden Trinkwasserleitungen in Schlitzen massiver Wände verlegt und eingemauert. Heizungsleitungen wurden von kalten Trinkwasserleitungen entfernt installiert. Stockwerks- oder Einzelzuleitungen wurden so nur unwesentlich mit Wärmelasten beaufschlagt. Diese Installationstechnik hatte zwar viele Nachteile, ergab aber selbst nach Stagnationsphasen relativ geringe Temperaturen des kalten Trinkwassers.

Heute werden Kalt- und Warmwasserleitungen fast ausschließlich gemeinsam in den Hohlräumen von Installationsvorwänden frei verlegt. In den Installationsschächten kommen noch die warmgehenden Leitungen der Heizungstechnik hinzu. Fatal für die Trinkwasserhygiene, denn die Umgebungstemperaturen, die auf die Kaltwasserleitungen einwirken, steigen immens an. Die Fachhochschule Münster hat im Rahmen eines Forschungsvorhabens konventionelle Verteilungssysteme mit dem Ziel untersucht, Schwachstellen zu identifizieren und alternative Lösungskonzepte zu entwickeln. Dafür wurde ein modular aufgebauter Prüfstand errichtet, mit dem unterschiedliche Installationsvarianten untersucht werden können.

Grundlagen
Die Trinkwasserhygiene innerhalb einer Trinkwasser-Installation ist maßgeblich von den Faktoren Wasseraustausch, Durchströmung, Nährstoffangebot und besonders der Temperatur abhängig. Diese Parameter finden daher umfänglich in den allgemein anerkannten Regeln der Technik Berücksichtigung. So fordert z. B. das DVGW-Arbeitsblatt W 551 für Kleinanlagen mit Rohrleitungsinhalten > 3 l (3-Liter-Regel) zwischen Abgang Trinkwassererwärmer und Entnahmestelle sowie generell für Großanlagen den Einbau von Zirkulationssystemen, die für eine Temperaturhaltung und ausreichende Durchströmung sorgen sollen. Die Einhaltung der 30-Sekunden-Regel nach DIN 1988-200 kann im Vergleich zur 3-Liter-Regel sogar kürzere Zirkulationsanbindungen und somit ein geringeres Stagnationsvolumen mit sich führen. Die RKI-Richtlinie fordert „Zirkulationsleitungen mit möglichst kurzen Verbindungen zur Entnahmestelle“. Kommen neben den hygienischen Aspekten auch Komfort­aspekte zum Tragen, so sorgt die Vereinbarung geringerer Ausstoßzeiten an den Entnahmestellen (z. B. nach VDI 6003) für eine weitere Reduzierung der nicht-zirkulierenden Leitungsabschnitte.
Die Einhaltung dieser Anforderungen führt zu einer Installation mit Zirkulationsleitungen, die optimaler Weise bis unmittelbar an die Entnahmestellen geführt werden. Dadurch wird zwar für ausreichend Durchströmung und Temperaturhaltung im Warmwassersystem gesorgt, jedoch häufig die Kaltwasserinstallation negativ beeinflusst. Denn die Wärme­energie zur Temperaturhaltung des zirkulierenden Warmwassersystems wird an den Installationsraum abgegeben, in dem sich ebenfalls die Kaltwasserleitungen befinden und sorgt dort für erhöhte Umgebungslufttemperaturen. Einen weiteren Einfluss auf die Umgebungslufttemperaturen haben warmgehende Leitungen (z. B. Warmwasser, Heizung) und andere wärmeabgebende Gewerke (z. B. Elektroinstallation), die ebenfalls in Schächten und Zwischendecken verlegt werden. Zudem wird oft vernachlässigt, dass neben den zuvor genannten Wärmelasten auch die Raumtemperatur der angrenzenden Räume einen erheblichen Einfluss hat.

Kaltwassertemperaturen im Stagnationsfall
Denn die minimal zu erreichende Kaltwassertemperatur im Stagnationsfall ist die Raumtemperatur, unabhängig von der Ausführung der Trinkwasser-Installation. Für ein Badezimmer beträgt die Raumtemperatur 24 °C entsprechend Heizlastnorm (DIN EN 12831-1). Die Kühllastberechnung umfasst, je nach Sommerklimaregion, Raumtemperaturen zwischen 25 und 27 °C (DIN 4108-2). Hierbei handelt es sich nicht um maximale Temperaturen, da es auch zu nutzerabhängigen Überschreitungen der Temperaturen kommen darf (z. B. keine Klimatisierung am Wochenende beim Gewerbebetrieb).
Da die Temperatur des Kaltwassers mit maximal 20 bis 25 °C unter den Umgebungslufttemperaturen der Installationsräume liegt, findet automatisch eine Wärmeübertragung auf das Kaltwasser statt. Häufig überbewertet wird die Dämmung. Diese sorgt lediglich für eine Verzögerung des Wärmeübergangs, sie kann ihn nicht vollständig unterbinden. Äquivalent zum Warmwasser- und Zirkulationssystem muss das Kaltwassersystem durch bautechnische Maßnahmen vor Wärmeeintrag geschützt sowie das erwärmte Kaltwasser durch betriebstechnische Maßnahmen abgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird gerne der bestimmungsgemäße Betrieb genannt, der für einen Abtransport der aufgenommenen Wärmelasten sorgen soll. Die Einhaltung des bestimmungsgemäßen Betriebs durch den Nutzer ist in der Regel jedoch nicht ausreichend, um die Wärmelasten abzuführen, da eine Erwärmung einer 100 %-gedämmten Rohrleitung in Abhängigkeit der Nennweite von 15 auf 25 °C in 1,5 bis 5,5 Stunden erfolgt.
Um in den zwangsläufig nicht zu vermeidenden Stagnationsphasen eine übermäßige Erwärmung der kaltwasserführenden Rohrleitungen zu vermeiden, ist der Wärmeeintrag in das Kaltwassersys­tem so weit wie möglich zu reduzieren. Die vom Fachplaner/Fachhandwerker zu beeinflussenden Faktoren für eine Minimierung des Wärmeeintrags in das Kaltwassersystem sind konstruktiver Art. Bei der Betrachtung der typischen Installationsarten ergeben sich Fragestellungen hinsichtlich der Temperaturverteilung im unmittelbaren Installationsraum von Kaltwasserleitungen (Vorwandsysteme, Installationsschächte, Zwischendecken), des Einflusses der Schachtanbindung auf die Vorwandinstallation sowie des Wärmeübergangs auf die Kaltwasserseite über Rohrleitungen und Armaturen.

Temperaturverteilung innerhalb vertikaler Verteil-Systeme
Stehen Wärmequellen im unmittelbaren Luftverbund mit der Vorwandinstallation, stellt sich eine Temperaturschichtung in der Vorwandinstallation ein (Bild 1). Bei einer horizontalen Rohrleitungsverlegung untereinander müssen daher kaltgehende Rohrleitungen unterhalb der warmgehenden Rohrleitungen angeordnet werden. Hierdurch wird eine unmittelbare Erwärmung durch Konvektion ausgeschlossen. Die Verlegungsart stellt keineswegs eine neue Anforderung dar, da sie bereits in der DIN EN 806-4 erwähnt wurde. Bei Berücksichtigung der Temperaturschichtung in Vorwandsystemen sowie des Strahlungsanteils bei unmittelbarer Verlegung zur Wärmequelle muss die generelle Anordnung der Rohrleitungen um Höhenangaben ergänzt werden. Hieraus resultiert eine Verlegung der warmgehenden Rohrleitungen oberhalb der Entnahmearmaturen und der kaltgehenden Rohrleitungen so tief wie möglich in der Vorwandinstallation. Diese Aufteilung bezieht sich ausschließlich auf die horizontal verlegten Trinkwasserleitungen innerhalb der Vorwandinstallation. Bei den vertikalen Kaltwasserleitungen ist eine Verlegung in Bereiche mit geringer Umgebungslufttemperatur nicht so eindeutig, da zwangsläufig verschiedene Höhen und somit Temperaturschichtungen innerhalb der Vorwandinstallation durchlaufen werden. Für eine temperaturoptimierte Verlegung ist eine ganzheitliche Betrachtung der Temperaturverteilung innerhalb der Vorwandinstallation notwendig. Hierfür wurden sowohl die halb- als auch die raumhohe Installationsvorwand messtechnisch untersucht.

Temperaturverteilung in der Installationsvorwand
Bei beiden Vorwandausführungen befanden sich unmittelbar angrenzend jeweils ein Installationsschacht für warmgehende Rohrleitungen (Heizungs-Vorlauf, Heizungs-Rücklauf, Warmwasser, Zirkulation) und ein separater Installationsschacht für die Kaltwasserleitung (Bild 2). Die Entnahmestellen in der Vorwandinstallation wurden kaltwasserseitig über eine Ringleitung angeschlossen. Die Warmwasser- und Zirkulationsleitungen verlaufen horizontal oberhalb der Armaturen. Unter Berücksichtigung der oben genannten Empfehlungen sind die horizontalen Kaltwasserleitungen bodennah installiert. Zwischen den Schächten und der Vorwand konnten Vorrichtungen zur thermischen Trennung variabel eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um Polystyrol-Hartschaum-Bauplatten mit einer Nenndicke von 12,5 mm und einem U-Wert von

Um die Temperaturverteilung in der Installationsvorwand und -schacht darzustellen, wurden zusätzlich zur Temperaturerfassung über innen liegende Temperaturfühler noch Thermografie-Aufnahmen von der Rückwand des Versuchsstands erstellt. Der Anlagenbetrieb (Heizungs-Vorlauf, Heizungs-Rücklauf, Warmwasser, Zirkulation) erfolgte über eine Dauer von 15 Stunden. Danach wurde die rückseitige Dämmung entfernt. Hinter der Dämmung befand sich eine mattschwarze Folie, die den Versuchsstand luftdicht abschließt. Aufgrund dieser Vorgehensweise wird die entstandene Temperaturschichtung durch die Entfernung der Dämmung nicht zerstört. Die Oberfläche der mattschwarzen Folie besitzt einen Emissionsgrad von 0,97 und ermöglicht Thermografie-Aufnahmen ohne Fehlinterpretationen durch Reflexionen.

Vertikale Verteilsysteme ohne thermische Trennungen
Wie allgemein bekannt, ist eine gemeinsame Schachtführung von kalt- und warmgehenden Rohrleitungen auch mit maximaler Rohrleitungsdämmung nicht zielführend. Kalt- und warmgehende Rohrleitungen müssen räumlich und thermisch getrennt voneinander verlegt werden, um den Wärmeübergang durch Konvektion und Strahlung zu unterbinden. Als Konsequenz hieraus muss bei vertikalen Verteilsystemen eine getrennte Schachtführung angestrebt werden. Es wurde festgestellt, dass die Lufttemperatur im Kaltwasserschacht 25 °C überschreitet, wenn im Aufstellraum des Vorwandsystems und in angrenzenden Räumen die Lufttemperatur 24 °C beträgt. Die Kaltwasser-Rohrleitung nimmt zwangsläufig die Temperatur der Luft im Schacht an.

Vertikale Verteilsysteme mit thermischen Trennungen
Durch den Einsatz thermischer Trennungen wird sichergestellt, dass die Kaltwasser-Temperatur im Kaltwasserschacht nur maximal das Temperaturniveau der Umgebung annimmt. Bei einer Raumtemperatur von 24 °C bleibt die Kaltwassertemperatur unterhalb von 25 °C. Die internen Wärmelasten des warmgehenden Schachts und der Vorwand haben dementsprechend keinen oder nur einen marginalen Einfluss auf den Kaltwasserschacht.
Der Erfolg der thermischen Trennungen ist auf den erstellten Thermografie-Aufnahmen zu erkennen (Bilder 3 und 4). Dargestellt sind die Temperaturverteilungen bei halbhoher und raumhoher Vorwand samt angrenzender Schächte nach 15 Stunden Betriebszeit. Bei den Temperaturangaben handelt es sich um Übertemperaturen (rot, grün, weiß), bei denen der kälteste Punkt des Versuchsstandes als Referenz dient (blau). Die Lufttemperaturen im Installationsraum (Vorwand, Schächte, Zwischendecke) verschieben sich parallel zur Raumtemperatur. Dem­ensprechend kann die Übertemperatur für eine raumtemperaturunabhängige Bewertung herangezogen werden. Diese ist definiert als Differenz der Lufttemperatur im Installationsraum zur Raumtemperatur am Referenzpunkt. Die farbliche Darstellung basiert auf einer Raum- bzw. Referenztemperatur von 24 °C. Hieraus resultiert: rot > 25 °C, grün ≤ 25 °C.
Als Fazit kann festgehalten werden, dass eine getrennte Schachtführung von kalt- und warmgehenden Rohrleitungen nur dann zielführend ist, wenn zwischen den Schächten und der Vorwand der Luftverbund durch eine Vorrichtung zur thermischen Trennung unterbrochen wird. Nur dann werden in dem Installationsschacht Kaltwassertemperaturen erreicht, die der Raumtemperatur entsprechen.
Im zweiten Teil des Artikels widmen sich die Autoren der Temperaturverteilung bei horizontalen Verteil-Systemen und präsentieren acht Regeln, deren Einhaltung für einen hygienischen Betrieb einer Trinkwasser-Installation unabdingbar ist.

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
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