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Unabhängige Fachzeitschrift für die Sanitär-, Heizungs-, Lüftungs- und Energiebranche

Im Rahmen einer Bachelordiplomarbeit an der Hochschule Luzern wurde in einem ersten Teil die Hygiene im Trinkwasserbereich im Zusammenhang mit einigen ausgewählten Hygienespülungen untersucht. In einem zweiten Teil untersuchte man die Zirkulationsrückführung in einen transparenten Speicher.

Hygienisch kritische Situationen können entstehen, wenn Wasser in einer Installation stagniert. Simulationen haben aufgezeigt, dass Wohnungsbauten mit korrekter Erschliessung der Apparate im Reihenleitungssystem grundsätzlich keine Hygienespülungen erfordern.
Um die Temperaturschichten in einem Speicher nicht zu zerstören, braucht es eine impulsarme Zirkulationsrückführung. Anhand Laboruntersuchungen konnte aufgezeigt werden, dass bei kleinen Eintrittsgeschwindigkeiten in den Speicher, die Temperaturschichten bestehen bleiben.

Hygiene in der Trinkwasser­verteilung
Wasser, das über längere Zeit stagniert, ist in der Trinkwasserversorgung zwingend zu vermeiden. In stehendem Wasser finden Mikroorganismen optimale Fortpflanzungsbedingungen vor. Ebenfalls können in diesen Leitungsteilen die geforderten Wassertemperaturen nicht gewährleistet werden. Dies fördert die Vermehrung der Mikroorganismen, die einen unkontrollierbaren Biofilm bilden können. Es ist darauf zu achten, dass die Kaltwassertemperatur in den Leitungen immer ≤ 25°C beträgt. Um die Legionellenvermehrung im Warmwasserbereich einzuschränken, sind am Speicheraustritt 60°C zu gewährleisten. Die Zirkulationsrückführung in den Speicher muss ≥ 55°C und an den Armaturen mit Warmwasseranschluss muss eine Temperatur ≥ 50°C erreichbar sein.

Einsatz von Hygienespülsystemen
Sofern ein Wohngebäude bewohnt ist und es zu keiner Langzeitstagnation kommen kann, könnten mit einer durchdachten Anordnung der Sanitärapparate und der Wahl einer geeigneten Verlegart der Leitungen auf den Einsatz einer Hygienespülung verzichtet werden. Die Simulationen (mit IDA ICE) der Warmwasserverteilung eines Acht-Familien-Hauses hat aufgezeigt, dass bei einer Erschliessung der Apparate im Reihenleitungssystem die Stagnationszeiten weniger als 72 Stunden betragen. In Installationen mit Verbrauchsunterbrüchen länger als 72 Stunden wie Ferienwohnungen, Sportanlagen oder öffentlichen Gebäuden ist der Einsatz von Hygienespülsystemen durchaus sinnvoll.
Dabei ist es aus der energetischen wie wirtschaftlichen Sichtweise wichtig, die Einstellung der Hygienespülung objektspezifisch vor­zunehmen. Bei der Wahl des Hygienespülsystems muss sich der Fachplaner im Klaren darüber sein, ob die Leitung bis zur Ausflussarmatur gespült werden muss oder der «letzte Meter» (zum Beispiel bei einer Dusche von der Armatur bis zum Brausenkopf) vernachlässigt werden kann. Im letzten Meter kann es zu grossem Biofilmwachstum kommen (vgl. Abbildung 1). Dadurch können sich sehr viele Bakterien im Biofilm einnisten, welche die Wasserqualität auf dem letzten Meter wesentlich verschlechtern können und somit Massnahmen für eine gute Trinkwasserqualität zunichtemachen.

Dichtigkeits-, Festigkeitsprüfung und Erstbefüllung
In der Praxis werden der Dichtigkeits- und Festigkeitsprüfung sowie der Erstbefüllung von Wasserinstallationen oft zu wenig Beachtung geschenkt. Häufig werden die Versorgungsleitungen in der Rohbauphase für die Druck- und Dichtigkeitsprüfung über einen Gartenschlauch befüllt. Dadurch können unerwünschte Mikroorganismen in das Leitungssystem eindringen.
Mit der anschliessend langen Stagnationszeit kann dies zu einer Kontamination des Leitungsnetzes führen. Wird hingegen die Dichtheits- und Festigkeitsprüfung mit inerten Gasen durchgeführt, kann dies weitgehend verhindert werden. Weiter sollte die Inbetriebnahme des Versorgungsnetzes mit sauberem Trinkwasser und innerhalb von 72 Stunden vor der Übergabe an die Bauherrschaft erfolgen.

Zirkulationsrückführung in einen Speicher
Um die Zirkulationsrückführungen in einen Speicher untersuchen zu können, wurde im ZIG-Labor ein Versuchsstand aufgebaut. In einem transparenten Speicher berücksichtigte man drei Anschlussstutzen, die im unteren, mittleren und oberen Bereich des Speichers angeordnet wurden. Vor dem Ein­tritt in den Speicher wurde eine Beruhigungsstrecke von 3–6 Mal  dem hydraulischen Durchmesser  berücksichtigt. An jeder Aschlussstutze wurde das Einströmverhalten bei unterschiedlichen Eintrittsgeschwindigkeiten untersucht. Die Eintrittsgeschwindigkeiten betrugen zwischen 0,1 und 0,24 m/s. Während den Messungen betrugen die Speichertemperatur max. 60°C und die Eintrittstemperatur der Zirkulation mindestens 55°C.

Strömungsversuche zwischen 0,1 und 0,24 m/s
Mit dem eingefärbten Zirkulationswasser konnte gut visualisiert werden, dass das einströmende Wasser die Temperaturschichten im transparenten Speicher beeinträchtigt. In der Abbildung 2 wird die Zirkulation im oberen Bereich des Speichers eingeführt. Im linken Bild beträgt die Eintrittsgeschwindigkeit 0,1 m/s. Im rechten Bild misst die Eintrittsgeschwindigkeit 0,24 m/s. Bei einer Eintrittsgeschwindigkeit von 0,1 m/s besitzt der Eintrittsstrahl einen geringen Impuls. Dabei schichtet sich das eintretende Wasser auf der entsprechenden Höhe gleicher Temperatur ein. Dadurch werden die umliegenden Temperaturschichten kaum beeinflusst. Somit kann der Exergieverlust auf ein Minimum reduziert werden. Bei einer Eintrittsgeschwindig­keit von 0,1 m/s ist mit einer Eindringtiefe von 30 bis 40 cm zu rechnen.
Hingegen findet bei einer Geschwindigkeit von 0,24 m/s eine Rückzirkulation innerhalb des Speichers statt. Durch die höhere Eintrittsgeschwindigkeit wurden die Temperaturschichten zum Teil zerstört. Berücksichtigt man die Zirkulationsrückführung im unteren Teil des Speichers, strömt das warme Wasser in den kalten Bereich. Dabei wird der ganze untere Teil des Speichers erwärmt. Folglich steigt während des Ladevorgangs die Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger an und die Kondensationswärme kann bei einem Brennwertkessel nicht mehr optimal genutzt werden.

Exergetische Betrachtung der Zirkulationsrückführung
Bei einer Betrachtung der Zirkulationsrückführung über eine Stunde konnte festgestellt werden, dass beim Zirkulationseintritt «Oben» nach rund 3 bis 4 Stunden eine Zwangsladung erfolgen würde, auch wenn kein Warmwasserbezug erfolgte. Wird die Zirkulation im mittleren Teil des Speichers eingeführt, dauert es deutlich länger, bis eine Zwangsladung eintritt. Für die Betrachtung der Exergieänderung wurde der Speicher in dreissig Schichten unterteilt. In der Grafik ist die Änderung der  Exergie in den einzelnen Schichten des Speichers ersichtlich. Die Exergieänderung beträgt in einer Stunde beim Zirkulationseintritt «Oben» 876 kJ und beim Zirkulationseintritt «Unten» 2300 kJ.
Aus reiner exergetischen Betrachtung sollte die Zirkulation somit in diesem Beispiel ins 60°C warme Wasser zurückgeführt werden. Um die Temperaturschichtung im Wassererwärmer durch die Zirkulationsrückführung nicht zu beeinflussen, ist eine externe Erwärmung der Zirkulationsverluste anzustreben. Dies könnte beispielsweise mit einer kleinen Luft-Wasser-Wärmepumpe erfolgen.

Fazit zur Hygiene in der Trinkwasserverteilung:

  • stagnierendes Wasser ist zu verhindern;
  • Kaltwassertemperatur ≤ 25°C; Warmwassertemperatur bei Speicheraustritt 60°C, Zirkulationsrückführung ≥ 55°C und 50°C muss bei Auslaufarmaturen mit Warmwasseranschluss erreicht werden können;
  • Dichtigkeits- und Festigkeitsprüfungen mit inerten Gasen, Erstbefüllung des Versorgungsnetzes mit sauberem Trinkwasser innerhalb von 72 Stunden vor der Übergabe an die Bauherrschaft;
  • Einzelleitungssysteme können sta­gnierendes Wasser verursachen, Reihenleitungssysteme können dies minimieren;
  • beim Hygienespülsystemen sollten die Spülparametereinstellungen (Spülzeit, Spülintervall und Spülvolumenstrom) objektspezifisch eingestellt werden, um Energie und Wasser zu sparen;
  • die Auswirkung des «letzten Meters» auf die Trinkwasserqualität ist weiter zu untersuchen.

 

Fazit zur Zirkulationsrückführung:

  • die Eintrittsgeschwindigkeit sollte ≤ 0,1 m/s betragen (vor allem bei kleinen Speicherdurchmessern);
    eine Beruhigungsstrecke vor dem Speichereintritt von 3 bis 6 Mal dem hydraulischen Durchmesser sollte eingehalten werden;
  • der Eintritt der Zirkulation sollte in die warme Zone des Speichers erfolgen; falls dieser in die kalte Zone des Speichers erfolgt, steigt der Exergieverlust um Faktor 2;
  • Speichereinführungen im mittleren Bereich von Speichern lösen geringere Zwangsladungen aus, als wenn die Rückführung in den oberen Bereich erfolgt;
  • die Auswirkung der Zirkulationsrückführung in die Kaltwasseranschlussleitung ist noch zu untersuchen;
  • das Potential einer externen Erwärmung der Zirkulationsrückführung mittels einer kleinen Wärmepumpe ist zu bestimmen.

 

Weitere Informationen:
www.hslu.ch