Wärmelasten als Herausforderung für die Trinkwasserhygiene

Das Risiko des Wachstums und der Vermehrung von Legionellen in Trinkwasser-Installationen von Gebäuden wurde in der Vergangenheit in erster Linie im Trinkwasser Warm – besonders Trinkwassererwärmer und zugehörige Warmwasser- beziehungsweise Zirkulationsleitungen – gesehen. Die Trinkwasserverordnung regelte daher im § 14 die gesetzliche Untersuchungspflicht auf Legionellen nur für Großanlagen zur Trinkwassererwärmung. Publikationen spätestens ab Mitte 2010 machen aber deutlich, dass erhebliche Kontaminationen mit Legionellen nicht nur im Trinkwasser Warm (PWH), sondern auch im kalten Trinkwasser (PWC) erwartet werden müssen.

Als eines von vielen Beispielen ergab eine statistische Auswertung von über 20.000 Messungen, dass 12 Prozent der Warmwasser-Proben Legionellen enthielten, diese aber auch wesentlich häufiger als erwartet im kalten Trinkwasser gefunden wurden. Nachfolgend wurde in der Wasserinformation 90 des DVGW explizit darauf hingewiesen, dass bei Hinweisen auf Erwärmung von Trinkwasser Kalt (>25 °C) auch Entnahmestellen für kaltes Trinkwasser beprobt werden müssen.

Eine besondere Herausforderung für Fachplaner und Fachhandwerker stellen daher hohe Umgebungslufttemperaturen in In­stallationsbereichen dar. Dieser Beitrag beschreibt neben den Grundlagen der Trinkwasserhygiene zunächst die Ursachen der Temperaturproblematik und geht im Anschluss auf die Lösungsmöglichkeiten ein.

Grundlagen der Trinkwasserhygiene

Stagnation ist der wohl kritischste Faktor für die Vermehrung fakultativ-pathogener Krankheitserreger. Dies wird eindrucksvoll durch eine große Vielzahl nationaler und internationaler Regelungen (WHO, ECDC, HSE GB, ISSO NL) bestätigt, in denen der Stagnation die primäre Rolle für eine Verschlechterung der Wasserqualität in Gebäuden beigemessen wird. Neuere Untersuchungen aus der Mikrobiomforschung zeigen, dass schon 12 Stunden Stagnation ausreichend sind, um eine signifikante Erhöhung der Bakterienzahlen zu verursachen.

Der länger andauernde Kontakt von Trinkwasser mit den Werkstoffen (z. B. Rohrleitungs- und Armaturenwerkstoffe) kann zu einer Aufkonzentrierung von Nährstoffen durch Migration von Werkstoffbestandteilen in das Trinkwasser führen. Eine Kombination aus schlechter Werkstoffqualität (z. B. nicht DIN EN 16421 geprüfte Materialien), Stagnation und ungünstiger Wasserbeschaffenheit fördern starke Biofilm-Entwicklung, in dessen Schutz sich auch fakultative Krankheitserreger –im internationalem Schrifttum sehr kennzeichnend als OPPP (Opportunistic Pathogens Premise Plumbing) bezeichnet – vermehren können.

Des Weiteren fehlt in Stagnationsphasen ein Abtransport und damit eine Verdünnung der in den Wasserkörper gelangten Nährstoffe und der planktonischen Mikroorganismen. Stagnation schafft darüber hinaus Vermehrungsvorteile für die OPPPs. Die Nährstoffabgabe aus Materialien, die im Kontakt mit Trinkwasser stehen, muss so weit wie technisch möglich reduziert werden. Alle Materialien sind auf ihre „mikrobielle Eignung“ für den Bereich Trinkwasser zu überprüfen. Diese „mikrobielle Eignung“ ist eine Grundforderung von §17 TrinkwV und wird vom Umweltbundesamt als wichtiges Beurteilungskriterium für die Erstellung von Material-Positivlisten herangezogen.

Zusätzlich gleichen sich in Stagnationsphasen auch bei normgerechter Dämmung der Rohrleitungen die Temperaturen des Trinkwassers an die Temperaturen der Umgebungsluft an, die dann im Vermehrungsbereich der Erreger liegen. Niedrige Temperaturen bieten den Erregern schlechte oder keine Wachstumsbedingungen. Temperaturen nahe dem Wachstumsoptimum ermöglichen ein schnelles Wachstum. Bei Legionellen, atypischen Mykobakterien, aber auch bei P. aeruginosa sind Temperaturbereiche zwischen > 25 °C und < 55 °C, insbesondere aber 30 bis 42 °C strikt zu vermeiden. Häufig übersehen wird dabei der Kaltwasserbereich, in dem es durch Wärmeübergang von der Umgebungsluft auf das Kaltwasser zum regelhaften und über längere Zeiträume andauernden Überschreiten von 25 °C kommen kann. Als sichere Temperatur wird in der DVGW-Wasserinformation 90 nur eine Temperatur von < 20 °C angesehen. Das entspricht auch vielen internationalen Vorgaben.

Um das Wachstum von Mikroorganismen zu minimieren, müssen neben der Stagnationsvermeidung und der Begrenzung des Nahrungsangebotes insbesondere die Temperaturbereiche vermieden werden, die im Wachstumsoptimum der Erreger liegen und die das Mikrobiom für den Aufwuchs von OPPP positiv konditionieren.

Einfluss innerer Wärmelasten

In Installationsbereichen sorgen neben warmgehenden Leitungen der Sanitär- und Heizungstechnik weitere Wärmequellen, zum Beispiel aus der Elektro- und Lüftungstechnik, für Lufttemperaturen, die erfahrungsgemäß deutlich höher liegen als 25 °C. Der Wasserinhalt einer hier installierten kalten Trinkwasserleitung wird selbst bei hochwertiger Dämmung gemäß DIN 1988-200 in einer kurzen Stagnationsphase bis auf Umgebungstemperatur erwärmt. Bei den heute noch üblichen Installationsstandards muss damit gerechnet werden, dass nach einer Stagnationsphase kurzzeitig übererwärmtes Kaltwasser mit Temperaturen > 25 °C aus der Entnahmearmatur austritt (Grafik 1).

Um künftig dem Verbraucher auch nach einer Stagnationsphase kaltes Trinkwasser mit Temperaturen < 25 °C zur Verfügung zu stellen, müssen in einem ersten Schritt zunächst die bisher üblichen Installationsgewohnheiten unter der Zielsetzung einer konsequenten thermischen Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von Wärmequellen grundlegend verändert werden! Mit planerischen Maßnahmen muss dabei die Wärmeübertragung von Wärmequellen auf Kaltwasserleitungen reduziert beziehungsweise unterbrochen werden.

Eine thermische Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von potentiellen Wärmequellen lässt sich jedoch nicht immer ohne Weiteres realisieren, wie zum Beispiel bei horizontalen Verteilungskonzepten in temperaturkritischen Zwischendecken. Bereits in diesem Fall kann bei zu geringem Wasserverbrauch die vom kalten Trinkwasser aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme nicht mehr abgeführt werden. Dies führt ggf. zu einer Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers auf Umgebungslufttemperatur. Zur Temperaturhaltung müssen daher noch zusätzlich aktive Prozesse etabliert werden, mindestens automatisierte Wasserwechsel- und Spülmaßnahmen. Aktive Prozesse zur Temperaturhaltung sind auch dann erforderlich, wenn Trinkwasser-In­stallationen nur periodisch genutzt werden, mit Leerstand an Wochenenden oder in Ferienzeiten und Stagnationsphasen über mehrere Tage beziehungsweise Wochen.

Einfluss äußerer Wärmelasten

Häufig wird vernachlässigt, dass neben den zuvor aufgeführten inneren Wärmelasten auch äußere Wärmelasten (Bild 4) einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung des kalten Trinkwassers haben können.

Im Winter sind die Raumlufttemperaturen, die die Lufttemperaturen in Vorwänden, Schächten oder abgehängten Decken beeinflussen, weitgehend konstant und liegen zwischen 22 und 24 °C. Äußere Wärmelasten treten in den Wintermonaten nicht auf, da die Raumlufttemperaturen i.d.R. immer höher sind als die Außenlufttemperaturen.

In den Sommermonaten kehren sich die Verhältnisse um. Die Außenlufttemperaturen sind in diesem Zeitraum meistens höher als die Raumlufttemperaturen.

In nicht klimatisierten Gebäuden nähern sich dadurch in den Sommermonaten auch die Lufttemperaturen in den Installationsräumen den jeweils vorherrschenden Außenlufttemperaturen an.

Daraus lässt sich ableiten, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers eher in den Sommermonaten kritische Grenzen erreicht und auch überschreitet als in den Wintermonaten. Alle vorbeschriebenen passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung, die im Winter wirksam sind, verlieren in den Sommermonaten mit hohen Raumlufttemperaturen weitgehend an Bedeutung. Eine unzulässige Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers im Winter und im Sommer über eine vorgegebene Temperatur (z. B. 25 °C) kann daher nur mit einem aktiven Prozess, etwa durch temperaturgeführtes Spülen oder durch Kühlung verhindert werden. Digital aufgezeichnete Spülprotokolle aus in Betrieb befindlichen KHS-Anlagen bestätigen diese Annahme.

Die Auswirkung der Außenlufttemperaturen auf die Spülvolumina eines nicht klimatisierten Verwaltungsgebäudes in Nordrhein-Westfalen zeigt Grafik 2. In diesem Gebäude wurden die Leitungen für das kalte Trinkwasser durch planerische Maßnahmen von den Wärmequellen konsequent thermisch entkoppelt verlegt. Mit dem installierten KHS-System kann eine Überwachung und Begrenzung der Temperatur des kalten Trinkwassers vorgenommen werden. Im gegebenen Fall löst das KHS-System mit Überschreiten einer Kaltwassertemperatur von 23 °C automatisch einen Spülvorgang aus, der mit Erreichen der vorgegebenen Stopptemperatur von 20 °C wieder beendet wird.

In den Wintermonaten wird die Auslösetemperatur nur selten erreicht, da die Umgebungslufttemperaturen in den In­stallationsräumen relativ niedrig sind. Das spiegelt sich in den geringen Spülvolumina von ca. 45 l/Tag wider. Sobald sich die Außenlufttemperaturen in den Sommermonaten erhöhen, sorgen die äußeren Wärmelasten für einen deutlichen Anstieg der Temperaturen im Gebäude. Die daraus resultierenden höheren Umgebungslufttemperaturen in den Installationsräumen führen zu einem massiven Anstieg der Spülvolumina bis auf 9.000 l/Tag. Grafik 3 zeigt ein weiteres Spülprotokoll eines KHS-Systems, installiert in einem Krankenhaus in NRW. Die Starttemperatur für die Auslösung einer Spülmaßnahme wurde vom verantwortlichen Krankenhaushygieniker mit 25 °C und die Stopptemperatur mit 20 °C vorgegeben. Bereits in den Wintermonaten reicht der Wasserwechsel durch Wasserentnahme in diesem Objekt nicht aus, um die von den Kaltwasserleitungen aus der Umgebung aufgenommene Wärme insgesamt abzuführen. Dieses Verhalten spricht dafür, dass die thermische Entkopplung der Kaltwasserleitungen von Wärmequellen im vorliegenden Fall nicht optimal gelungen ist. Ohne Spülmaßnahmen würde die Kaltwassertemperatur auch in den Wintermonaten regelmäßig über 25 °C ansteigen. Für eine Temperaturhaltung unter 25 °C müssen daher bereits in den Wintermonaten und in den Übergangszeiten ca. 800 l/Tag Spülvolumen aufgewendet werden. Bei steigenden Außenlufttemperaturen in den Sommermonaten steigt auch hier das zur Temperaturhaltung notwendige Spülvolumen überproportional an und erreicht mit ca. 8.000 l/d ein Maximum.

In nicht klimatisierten Gebäuden kommt es in den Sommermonaten zwangsläufig immer zu länger andauernden Temperaturüberschreitungen des kalten Trinkwassers. Für das vergangene Jahr 2018 überschritt lt. Deutschem Wetterdienst am Flughafen Köln-Bonn die Außenlufttemperatur an fast 150 Tagen 20 °C und an mehr als 90 Tagen 25 °C. Das macht deutlich, dass die Temperaturprobleme für das kalte Trinkwasser, verursacht durch äußere Wärmelasten, über mehrere Monate andauern. Es ist daher nicht zufällig, dass Infektionen mit Legionellen gehäuft in den Sommermonaten auftreten.

Die DVGW-Information Wasser Nr. 90, als Erläuterung zu Anforderungen des DVGW Arbeitsblattes W 551, und auch der Entwurf der VDI/BTGA/ZVSHK – Richtlinie 6023 fordern aber, dass Temperaturen von 25 °C nicht überschritten werden dürfen. Der Hinweis in der vorgenannten DVGW-Information, dass bei Temperaturen des kalten Trinkwassers unter 20 °C nur sehr selten Legionellen nachgewiesen werden, macht zusätzlich deutlich, dass sich ein hygienisch akzeptabler Betriebszustand wohl erst dann einstellt, wenn die Temperaturen des kalten Trinkwassers dauerhaft unter 20 °C gehalten werden.

Damit eine durch die Aufgabenstellung vorgegebene Temperaturgrenze für das kalte Trinkwasser (z. B. 25 oder 20 °C) zu jedem Zeitpunkt vom Betreiber eingehalten werden kann, bedarf es immer eines geeigneten aktiven Prozesses (temperaturgeführtes Spülen oder eine Kühlung des kalten Trinkwassers).

Aktive Maßnahmen zur Temperaturhaltung

Vergleichende Simulationsrechnungen zeigen, dass dezentral durchgeführte und kurze, intensive Spülmaßnahmen, die dem reinen Wasseraustausch dienen, zur dauerhaften Absenkung der Temperaturen in Stockwerks-/Ringleitungen weniger geeignet sind, da die Wassertemperatur nach einem Spülvorgang innerhalb von weniger als zwei Stunden wieder auf Umgebungslufttemperatur ansteigt. Idealerweise muss der Spülvolumenstrom bei einer vorgegebenen Sollwerttemperatur für das kalte Trinkwasser genau die Wärmemenge abführen, die über die Oberfläche der Rohrleitung aufgenommen wird. Studien haben gezeigt, dass die Abfuhr der entsprechenden Wärme nur dann effektiv erreicht werden kann, wenn mit geringen Volumenströmen über einen längeren Zeitraum gespült wird. Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers sind jedoch nur dann ökologisch und ökonomisch sinnvoll, wenn auch in den Sommermonaten das Trinkwasser vom WVU mit niedrigen Temperaturen (< 15 °C) in das Gebäude eingespeist werden kann. Insbesondere bei oberflächennaher Trinkwassergewinnung ist das in den Sommermonaten allerdings häufig über einen längeren Zeitraum nicht der Fall. Bei solchen Gegebenheiten kann nur noch eine aktive Kühlung des Trinkwassers im Kreislauf die Einhaltung der geforderten Temperaturen zu jedem Zeitpunkt und zu jeder Jahreszeit sicherstellen.

Damit in konventionellen Installationskonzepten ein Zirkulationssystem für das kalte Trinkwasser realisiert werden kann, muss ein zusätzliches Rohrleitungssystem aufgebaut werden. In Strömungsteiler-Installationen ist das nicht erforderlich, da das bereits für die Bedarfsdeckung vorhandene Rohrleitungssystem für die Kaltwasserzirkulation geeignet ist und mitgenutzt werden kann (Bild 6). Bereits bestehende KHS-Anlagen können daher i.d.R. mit geringem Aufwand von Spültechnik auf Kaltwasserzirkulation umgestellt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Installationen ermöglichen Strömungsteiler-Installationen die kontrollierte Temperaturhaltung in allen Leitungsteilen bis in den Anschluss der Entnahmearmaturen hinein. Berechnungen zeigen, dass auf Grund der geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Umgebungsluft und dem kalten Trinkwasser der Wärmeeintrag – und damit auch die Leistung des erforderlichen Kälteaggregates – relativ gering ist (Grafik 5).

Über den KHS-„Coolflow“-Kaltwasserkühler (Bild 7) von Kemper wird dem erwärmten Kaltwasser die Wärme entzogen und abgeführt. Die vormontierte Kompakteinheit mit integrierter Zirkulationspumpe beinhaltet bereits alle benötigten Komponenten der Trinkwasserseite, ist diffusionsdicht gedämmt und vorkonfiguriert.

Im Gegensatz zur Warmwasserzirkula­tion, mit wesentlich höheren Temperaturdifferenzen, sind daher auch die zur Temperaturhaltung erforderlichen Volumenströme in Kaltwasser-Zirkulationssystemen eher gering. Aus diesem Grund weisen die für den hydraulischen Abgleich benötigten Regulierventile sehr niedrige kV-Wert auf. Zudem muss bei länger andauerndem Zirkulationsbetrieb ohne Wasserentnahme der Aufkonzentration der Wasserinhaltsstoffe durch einen gezielten Wasseraustausch entgegen­gewirkt werden. Kemper hat für diese Aufgabenstellungen ein spezielles Ventil (Bild 8) entwickelt, in dem die Funktionen Spülen, Regulieren und Absperren vereint sind. Der rechnerische Nachweis der Temperaturhaltung kann mit der Software „DENDRIT STUDIO 2.0“ erfolgen. Durch die mögliche Annahme von realistischen Umgebungslufttemperaturen in der Berechnung und der Simulation wird die Planungssicherheit nochmals deutlich erhöht. Sinnvolle Umgebungslufttemperaturen werden auf Basis von gemessenen realen Temperaturen vorgeschlagen.

Fazit

Zur Reduzierung des Wärmeübergangs auf das kalte Trinkwasser müssen zunächst alle passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung genutzt werden. Trotz Realisierung dieser Maßnahmen muss in den Sommermonaten, bei Wassereintrittstemperaturen in das Gebäude > 20 °C und Raumlufttemperaturen > 25 °C, damit gerechnet werden, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers längerfristig über 25 °C ansteigt.

Damit eine durch die Aufgabenstellung vorgegebene Temperaturgrenze für das kalte Trinkwasser zu jedem Zeitpunkt vom Betreiber eingehalten werden kann, bedarf es eines aktiven Prozesses. Da auch manuell ausgelöste oder temperaturgeführte Spülprozesse limitiert sind, empfiehlt sich als leistungsfähige und kostengünstige Alternative zur automatischen Temperaturhaltung die Kaltwasserkühlung des kalten Trinkwassers in Strömungsteiler-Installationen. Mit der definierten Durchströmung aller Leitungsteile im Kemper Hygiene System (KHS) kann zu jeder Zeit – auch in den Sommermonaten – eine vorgegebene Temperatur des kalten Trinkwassers (z. B. < 20 °C) vor jedem Armaturenanschluss sichergestellt werden, ohne dass Wasserverluste durch Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung entstehen. Gemeinsam mit der Zirkulation des Warmwassers bis unmittelbar vor die Entnahmestellen kann eine durch die Trinkwasserhygiene geforderte Temperaturhaltung sowohl im kalten als auch im erwärmten Trinkwasser sichergestellt werden.

Derartige Konzepte sind zukunftssicher, da mit ihnen auch künftig zu erwartende Anforderungen erfüllt werden können. Sie können als wesentlicher Bestandteil eines proaktiven – präventiven – Regimes angesehen werden, mit dem hygienische Mängel mit der Folge von möglichen Gesundheitsbeeinträchtigungen vermieden werden und nicht später durch kostenintensive Sanierungen beseitigt werden müssen.

Fachbeitrag: Timo Kirchhoff M. Eng., Prof. Dr. Werner Mathys, Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann, Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker