Warmwasser führende Trinkwasser-Installationen müssen künftig deutlich stärker nicht nur unter hygienischen, sondern auch unter energetischen und ressourcenschonenden Aspekten bewertet werden. Denn nur so sind weitere, nennenswerte Fortschritte in der Verringerung des Primärenergiebedarfs in Gebäuden zu erreichen. Durch eine qualifizierte Auslegung gibt es bereits heute diverse Ansatzpunkte, um den Aufwand für die Bereitung von Trinkwasser warm deutlich zu verringern. Ein Überblick.
Kompakt zusammengefasst
■ Die Bedeutung des Wärmebedarfs für die Versorgung mit Trinkwasser warm steigt. Bei der Auslegung und Planung einer Trinkwasser-Installation ist dem Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung und den Wärmeverlusten im Betrieb deutlich mehr Aufmerksamkeit zu widmen.
■ Viele Ansätze zur Energieeinsparung zahlen auch auf den Erhalt der Trinkwasserqualität ein, insbesondere die bedarfsgerechte Dimensionierung mit realen Werten und druckverlustoptimierten Rohrsystemen, die Erwärmung im Durchflussprinzip, die Minimierung der Zirkulationsleitungen und die Begrenzung der Wärmeverluste.
■ Zudem sind hygienesichere Konzepte erforderlich, die in komplexen Trinkwasser-Installationen perspektivisch eine Absenkung der Systemtemperaturen von derzeit noch 60/55 °C auf weniger als 50 °C ermöglichen.
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Mit einer hochwertigen Dämmung der Hülle ist die Heizlast von Gebäuden in den vergangenen Jahren immer weiter reduziert worden. Bedarfswerte von unter 35 kWh/(m2 ∙ a), also auf dem Effizienzhaus-55-Niveau, werden zum Standard, eventuell mit der angekündigten Novelle des Gebäudeenergiegesetzes sogar zum nächsten gesetzlichen Mindeststandard im Neubau.
Und selbst für öffentlich-gewerblich genutzte Objekte ist mit einem Heizwärmebedarf von maximal 15 kWh/(m2 ∙ a) der Passivhaus-Standard keine Zukunftsmusik mehr. Leuchtturmprojekte wie das neue Seminarcenter Viega World in Attendorn-Ennest erzeugen als Plusenergiehaus sogar im rechnerischen Durchschnitt mehr Energie als sie im Betrieb tatsächlich verbrauchen.
Durch diese Effizienzverbesserungen rückt automatisch der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung als neues Handlungsfeld in den Fokus, da der Aufwand zur Erzeugung von Trinkwasser warm aufgrund des gesunkenen Anteils für die Raumwärme mittlerweile schon bei etwa 20 % des Primärenergieeinsatzes liegt (Quelle: AG Energiebilanzen; Sektor Gewerbe / Handel / Dienstleistungen).
Hoher Energieeinsatz für 60/55-°C-Regel
Doch auch eine ressourcenschonende, nachhaltige Trinkwasser-Installation – insbesondere in Gebäuden mit der Abgabe von Trinkwasser an die Öffentlichkeit – steht dabei immer unter dem Primat des Erhalts der Trinkwasserhygiene. Ein zentrales Stichwort ist hier die (noch) gültige 60/55-°C-Regel aus dem Arbeitsblatt DVGW W 551. Danach darf nirgendwo im gesamten Rohrleitungsnetz von Trinkwasser warm (PWH) bzw. der Zirkulation von Trinkwasser warm (PWH-C) die Anlagentemperatur bis zum Wiedereintritt in den Trinkwassererwärmer unter 55 °C absinken.
Der dafür notwendige Energieeinsatz ist aber insbesondere in weitläufigen Installationen beträchtlich. Zudem steht er diametral dem zunehmenden Einsatz von Wärmepumpen gegenüber, da diese die notwendigen Vorlauftemperaturen in aller Regel nicht ohne (elektrische) Zusatzheizung erreichen.
Erreichen lässt sich die Zielsetzung, den Primärenergieeinsatz zu verringern, aber dennoch. Und zwar über eine ganzheitliche Betrachtung der Trinkwasser-Installation und der an sie gestellten Nutzungsanforderungen. Denn schon in der Frühphase der Auslegung werden die entscheidenden Weichen nicht nur für den schon häufig thematisierten hygienegerechten, sondern gleichermaßen für einen ressourcenschonenden und damit ebenso wirtschaftlichen wie nachhaltigen Betrieb der Trinkwasser-Installation gelegt. Die entscheidenden Einflussgrößen dafür sind
● die bedarfsgerechte Dimensionierung der Rohrleitungen mit realen, herstellerspezifischen (!) Zeta-Werten,
● die Erwärmung des Trinkwassers zentral im Durchflussprinzip,
● der Verzicht auf bzw. die Reduktion von Zirkulationsleitungen und
● eine Reduzierung der Spülvolumina zum Erhalt der Trinkwassergüte sowohl in den warm- als auch in den kaltgehenden Rohrleitungen.
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Bedarfsgerechte Dimensionierung
Die bedarfsgerechte Dimensionierung der Trinkwasserleitungen auf Basis der realen Zeta-Werte (auch: Druckverlustbeiwert, Druckverlustkoeffizient oder Widerstandsbeiwert) ist bei der Auslegung einer Trinkwasser-Installation unter hygienebewussten Planern und Fachhandwerkern bereits ein wesentlicher Bestandteil des Maßnahmenpakets zum Erhalt der Trinkwassergüte.
Der Hintergrund: Die realen Zeta-Werte der Hersteller sind generell deutlich praxisgerechter als die Referenzwerte aus den Tabellen der DIN 1988-300 (Bild 3). Letztere können zu einer hygienisch problematischen Überdimensionierung der Trinkwasser-Installation bzw. zu einer Funktionsbeeinträchtigung der Entnahmearmatur führen. Die Auslegung mit realen Zeta-Werten führt also automatisch zu einer schlankeren Dimensionierung der Trinkwasser-Installationen, deren Wasserinhalt letztlich (Bild 2) durch die konstruktiv druckverlustoptimierten Rohrleitungssysteme (beispielsweise Raxofix von Viega) gesenkt wurde.
Das hat gleichzeitig positive Effekte auf den ressourcenschonenden Betrieb der Trinkwasser-Installation, da sich durch eine allgemeine Verringerung des Wasserinhalts im Rohrleitungssystem, unter Beachtung der einschlägigen Komfortkriterien, auch die Menge des energieaufwendig aufzuheizenden Trinkwassers warm grundsätzlich verringert.
Zentrale Erwärmung des Trinkwassers nach dem Durchflussprinzip
Ein vergleichbares Ziel, und ebenfalls in Kombination mit dem Hygieneerhalt zu sehen, verfolgt die zentrale Erwärmung des Trinkwassers nach dem Durchflussprinzip. Der Gedanke dahinter: Gerade in Geschosswohnungsbauten, Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen werden aktuell noch große Speichervolumina installiert, um die hinreichende Versorgung mit Trinkwasser warm auch bei Spitzenlasten abzusichern.
Zum einen sind diese Spitzenlasten oft genug nicht praxisgerecht, weil deutlich zu hoch angesetzt. Zum anderen verursacht eine 24/7-Bevorratung von mehreren Tausend Litern Trinkwasser warm einen immensen Energieeinsatz.
Aus hygienischer und energetischer Sicht ist im Übrigen die dezentrale Trinkwassererwärmung, beispielsweise über elektrische Durchlauferhitzer, keine Alternative zur beschriebenen, zentralen Trinkwasererwärmung nach dem Durchflussprinzip. So stellt das Umweltbundesamt – Stichwort: Hygiene – am 18. Dezember 2018 in einer Mitteilung [6] fest, „dass es auch in dezentralen Trinkwassererwärmern und in den dahinterliegenden Leitungen zu einer Legionellenvermehrung kommen kann“. Eine Untersuchungspflicht ergibt sich prinzipiell auf Grundlage der Trinkwasserverordnung, des Arbeitsschutzes und / oder der Verkehrssicherungspflicht für jede Art der Trinkwasser-Installation.
Zum Stichwort Energiebilanz wiederum sei an dieser Stelle nur auf die hohen elektrischen Anschlusswerte verwiesen, die mit einer komfortablen, dezentral-elektrischen Versorgung mit Trinkwasser warm einhergehen.
Verzicht auf Zirkulationsleitungen bzw. Reduktion von Zirkulationsleitungen
Zirkulationsleitungen sind ein probates Mittel, in großen Objekten sowohl den Versorgungskomfort als auch – über den regelmäßigen Wasseraustausch – den Erhalt der Trinkwassergüte zu gewährleisten. Allerdings werden diese Vorteile durch einen nicht unbeträchtlichen Energieeinsatz „erkauft“: Neben der notwendigen Pumpenleistung sind es vor allem die Abstrahlverluste, die im Sinne eines nachhaltigen und wirtschaftlichen Anlagenbetriebs die Bilanz belasten.
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Deshalb sollte bei der Planung einer Trinkwasser-Installation im ersten Schritt die Zirkulation von Trinkwasser warm nur auf zentrale (Funktions-) Bereiche des Objekts bezogen werden. Dazu gehören die Steigstränge für die vertikale Verteilung und eventuell Flure für die horizontale Verteilung. Das unterstützt zugleich die Forderung nach übersichtlich strukturierten Trinkwasser-Installationen, um über eindeutige und nachvollziehbare Fließwege auch den hydraulischen Abgleich gemäß DIN 1988-300 (Kapitel 6.5 – Einregulierung des Systems) fachgerecht sicherzustellen. Außerdem sind derartig aufgebaute Zirkulationssysteme einfacher zu warten, und zwar bis hin zur schematischen Beprobung, sodass sich eine entsprechende Planung auch wirtschaftlich auszahlt.
In den Nutzungseinheiten wiederum ist aus energetischer Sicht auf Zirkulationsleitungen in den Systemen Trinkwasser warm und kalt zugunsten durchgeschliffener Reihenleitungen zu verzichten. Denn das führt neben den niedrigeren Installations- und Betriebskosten, unter anderem durch die verringerte Leitungslänge, unmittelbar zu geringeren Wärme- und damit Energieverlusten, die bei warmgehenden (nach GEG gedämmten) Rohrleitungen etwa 7 W/lfm betragen.
Wie viel das ausmacht, zeigt die Beispielsrechnung aus einem Krankenhaus mit 200 Betten in 100 Zimmern: Bei 8 m Rohrleitung für die Zirkulation pro Doppel-Nasszelle ergeben sich Wärmeverluste von 2800 W; also rund 24 500 kWh/a. Das entspricht in etwa dem Wärmebedarf von acht kleinen Neubau-Einfamilienhäusern.
Fremderwärmung von PWC-Leitungen
Außerdem unterstützt die durchgeschliffene Reihenleitung mit einem Hauptverbraucher am Ende zum Schutz vor Stagnation den Erhalt der Trinkwassergüte auf der Kaltwasserseite: Es wird deutlich weniger Wärme als bei einer Zirkulation in die Vorwand und damit in die in der Regel parallel laufende Rohrleitung für Trinkwasser kalt (PWC) abgegeben.
Diese Fremderwärmung von PWC-Leitungen hat nach jüngsten Erkenntnissen zunehmend zu einer Verlagerung der Legionellen-Problematik von Warm- auf Kaltwasser geführt. Die Konsequenz ist, dass mittlerweile sogar Kaltwasser-Leitungen regelmäßig gespült werden müssen, um die Wassertemperatur in einem für das Legionellen-Wachstum unkritischen Bereich zu halten.
Wie kritisch die Fremderwärmung von Trinkwasser kalt gesehen wird, unterstreicht in diesem Zusammenhang eine Stellungnahme des Arbeitskreises Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV) beim Bundesministerium des Inneren, für Bau und Heimat von April 2021:
„Oberhalb von 25 °C ist mit einer Vermehrung von Legionellen zu rechnen. […] Grundsätzlich erfolgt der physikalische Wärmeübergang immer von der warmen Seite in den kühleren Bereich. Dies betrifft insbesondere Installationen in Versorgungsschächten, Vorsatzschalen oder abgehängten Decken. Trinkwasser-Installationen sind daher thermisch getrennt bzw. separat von Wärmequellen oder warmgehenden Leitungen zu verlegen. […] Eine Rohrdämmung verzögert zwar zeitlich den Wärmeübergang, kann aber das PWC nicht vollständig vor Wärmelasten aus der unmittelbaren Umgebung schützen (Sekundäraufheizung). […] Aus Sicht der Trinkwasserhygiene sind daher auch Kaltwasserleitungen in Räumen mit hoher Umgebungstemperatur, z. B. Zentralen, als besonders kritisch einzustufen.“
Der Arbeitskreis rät deshalb:
„Der Schutz des Trinkwassers kalt vor Wärmelasten sollte bereits in der Planung als passive Maßnahme berücksichtigt werden und zählt u. a. zu den Qualitätsmerkmalen einer Entwurfsplanung. Mängel einer unvorteilhaften Planung oder Ausführung lassen sich im Nachgang meistens nicht oder nur mit einem erheblichen Mehraufwand kompensieren.“
Überschreitet die Umgebungstemperatur 25 °C, sollte zum Beispiel auf eine Planung und Verlegung von PWC in Heizzentralen und ähnlichen Räumen, aber eben auch in „warmen“ Vorwänden, verzichtet werden.
Fehlinterpretation der RKI-Richtlinie
Das Durchschleifen der Installation, also der Verzicht auf eine energieintensive und hygienekritische Ringleitung, steht auch nicht im Widerspruch zur Einhaltung definierter Ausstoßzeiten oder zur RKI-Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention [1], wonach „die Rohrleitungen nach DIN 1988 Teil 3 [jetzt DIN 1988-300] zu dimensionieren, Endstränge und Versorgungsbereiche mit stagnierendem Wasser zu vermeiden und Ringversorgungen anzustreben“ sind.
Die daraus fast ausnahmslos abgeleiteten Ringinstallationen unterliegen jedoch einer Fehlinterpretation der RKI-Richtlinie durch die Isolierung technischer Zusammenhänge auf vermeintlich wichtige Einzelfaktoren. Ein mitentscheidender Punkt aus der RKI-Richtlinie, der häufig wenig Beachtung findet, ist zum Beispiel der Satz „Kaltwasserleitungen sind in ausreichendem Abstand zu Wärmequellen (z. B. Rohrleitungen, Schornsteine, Heizungsanlagen) so zu planen, herzustellen und zu dämmen, dass die Wasserqualität durch Erwärmung (temperaturbedingte Vermehrung von Mikroorganismen) nicht beeinträchtigt wird (siehe auch DIN 1988 Teil 2 [jetzt DIN 1988-200, Nr. 10.2]).“
Danach ist also zum Schutz des Trinkwassers kalt vor Erwärmung auch die Lage von Rohrleitungen in die Betrachtung einzubeziehen [1]. In der aktuellen DIN EN 806-2 steht unter Punkt 14.2 dazu ebenfalls, dass „Kaltwasserleitungen […] gegen äußere Wärmeeinwirkung entweder durch genügenden Abstand von Wärmequellen oder durch Dämmung zu schützen“ sind [5].
Die Praxis hat darüber hinaus schon länger eindeutig gezeigt, dass es neben der Vorwand auch besonders an Übertisch-Wandarmaturen und Unter- sowie Aufputzarmaturen an Duschen über metallene Grundkörper zu einer permanenten Erwärmung von Kaltwasserleitungen (PWC) kommt [2, 3, 4].
Als weiterer Punkt ist die „Übersetzung“ der Formulierung „möglichst kurz“ aus der RKI-Richtlinie mit „direkt“, bezogen auf die Länge der Rohrleitungen bis zur Entnahmestelle, zu nennen. Die allgemein anerkannten Regeln der Technik ermöglichen jedoch einen Wasserinhalt von bis zu 3 l in der Warmwassereinzelzuleitung, worauf sich auch die RKI-Richtlinie mit ihrem allgemeinen Verweis auf die DIN 1988-200 bezieht.
Danach müssen „Einzelzuleitungen zu Entnahmearmaturen […] so kurz wie möglich sein. Ein Wasservolumen von 3 Litern ist als Obergrenze einzuhalten; kleinere Wasservolumina sind anzustreben.“ Wird die Anforderung des RKI mit den allgemein anerkannten Regeln der Technik kombiniert, kommen Planer also zu dem Ergebnis, dass eine möglichst kurze Verbindung eben nur so kurz sein sollte, dass in einem naheliegenden Bereich kein „Schaden“ auftritt.
Dies gilt umso mehr, weil trotzdem auch die geforderten Ausstoßzeiten nach VDI 6003 eingehalten werden können: Ist in der Planung zum Beispiel die Komfortstufe III mit einer Ausstoßzeit von 10 s für Trinkwasser warm angesetzt, kann eine nicht zirkulierende Reihen-/Einzelzuleitung von bis zu 14 m Mehrschichtverbundrohr in der Dimension 16 mm geplant werden, ohne dass es zu einer Überschreitung der Ausstoßzeit kommen würde. Diese einfache Installationsart genügt allen Ansprüchen und macht somit eine durchgeschliffene Zirkulation für Trinkwasser warm in der Vorwand vollkommen überflüssig.
Reduzierung der Spülvolumina
Betrachtet man im Sinne einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Betriebsweise die Trinkwasser-Installation ganzheitlich, spielen auch die Häufigkeit und Menge des Trinkwassers, das zum Schutz vor Stagnation bei Nutzungsunterbrechungen ausgespült wird, eine Rolle, speziell vom Trinkwasser warm.
Intelligente Spüleinrichtungen wie die möglichst endständig zu installierenden „Prevista Dry“-WC-Elemente mit AquaVip-Spülstation erkennen über eine Sensorik, ob im vorgelagerten Rohrleitungsnetz entweder Stagnationszeiten (72 h nach VDI 6023) oder Systemtemperaturen langfristig über- bzw. unterschritten werden und sorgen dann automatisch für den notwendigen Wasseraustausch. Aus trinkwasserhygienischer Sicht ist das optimal, aber nur bei minimalen Spülvolumina, wie sie durch die Viega-Technologie bei den „Prevista Dry“-WC-Elementen mit AquaVip-Spülstation gewährleistet sind.
Ziel muss es vor allem sein – über schlanken Rohrleitungsdimensionen, also reduzierte Anlagenvolumina, und die Vermeidung der Fremderwärmung von Trinkwasser kalt auf dem gesamten Fließweg – auch die Spülzyklen auf das absolute Minimum zu drücken und so neben Wasser auch unmittelbar Energie einzusparen.
Den gesamten Fließweg betrachten
Der Trend ist eindeutig: Durch die Verschiebung der Wärmelasten von der Raumwärme zur Trinkwassererwärmung wird es im Sinne der Reduzierung von Betriebskosten zunehmend wichtiger, bei der Auslegung komplexer Trinkwasser-Installationen sowohl dem Aufwand für die Trinkwassererwärmung als auch den Wärmeverlusten im Rahmen des Betriebs der Installation deutlich mehr Aufmerksamkeit zu widmen.
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Dazu bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung der gesamten Installation, vom Wärmeerzeuger bzw. der originären Bereitstellung von Trinkwasser warm kommend über den gesamten Fließweg hinweg bis zur Entnahmestelle, da Wärmeverluste auf dieser Strecke oftmals auch gleichbedeutend mit Hygienerisiken für Trinkwasser kalt einhergehen.
Perspektivisch wird dieser Planungsansatz zentral, da mit der ressourcenschonenden Bereitstellung von Trinkwasser warm unmittelbar der Einsatz von Wärmeerzeugern auf Basis regenerativer Energien – insbesondere Wärmepumpen – verbunden ist. Wärmepumpen werden als Schlüsseltechnik der Wärmeversorgung angesehen, um den Gebäudesektor in Deutschland bis 2045 klimaneutral aufzustellen. Auch eine heute installierte Trinkwasseranlage, die zunächst noch mit Wärme aus einem Heizkessel versorgt wird, sollte deshalb vorausschauend für diesen Trend geplant und ausgeführt werden.
In einem ersten Schritt ist es deshalb zwingend, auf Basis der aktuellen Erkenntnisse und somit der allgemein anerkannten Regeln der Technik generell für eine effektivere Nutzung des Energieeinsatzes in warm gehenden Trinkwasser-Installationen zu sorgen. Dazu zählen im Wesentlichen
● die bedarfsgerechte Abstimmung des Anlagenvolumens – bis hin zum Einsatz innovativer Wärmeübertrager anstelle überdimensionierter Trinkwasserspeicher,
● die Reduktion der Wärmeverluste als anerkanntes Qualitätsmerkmal einer Trinkwasser-Installation und – insbesondere mit Blick auf eventuell notwendige Spülmaßnahmen zum Schutz vor Stagnation – und nicht zuletzt
● die möglichst effektive Nutzung des anstehenden Trinkwassers warm.
Um zu einer signifikanten Verringerung des Energiebedarfs für Trinkwasser warm zu kommen, bedarf es aber noch eines weiteren Schrittes: Perspektivisch ergibt sich der größte Hebel zur Energieeinsparung zweifellos durch eine Absenkung der geforderten Systemtemperaturen von derzeit noch 60/55 °C auf weniger als 50 °C.
Da DIN 1988-200 hier jedoch auf das Arbeitsblatt DVGW W 551 verweist, sind aktuell noch mindestens 55 °C in jeder Stelle der Zirkulation von Trinkwasser warm einzuhalten, so lange nicht ein gleichwertiger Ersatz zur Temperaturbarriere als Schutz vor Verkeimung des Trinkwassers durch Legionellen zur Verfügung steht.
Dieser Ersatz könnte zum Beispiel eine Absenkung des Bakterien- und Nährstoffgehaltes im Trinkwasser durch Ultrafiltration im Bypass der Zirkulationsleitung sein, wie es mit dem System AquaVip Solutions in wissenschaftlich begleiteten Feldtests aktuell bereits erfolgversprechend umgesetzt wird.
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier Trinkwasserhygiene
Literatur
[1] Robert-Koch-Institut, Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention. München: Elsevier Urban & Fischer, 2004
[2] Schauer, C.: Moderne Sanierungsmaßnahmen zur Wiederherstellung der Trinkwasserqualität – Teil 1. Finning: pn verlag, KTM Krankenhaus Technik Management 7/8-2014
[3] Köhler, H.: Schleifen sind nicht immer schick. Stuttgart: Gentner Verlag, SBZ 13-2014
[4] Schulte, W.: Moderne Bautechnik – Risiken für die Trinkwassergüte. Arnsberg: Strobel Verlag, IKZ-Sonderheft Trinkwasserhygiene 2017
[5] DIN EN 806-2 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 2: Planung. Berlin: Beuth Verlag, Juni 2005
[6] Vorkommen von Legionellen in dezentralen Trinkwassererwärmern. Dessau-Roßlau: Mitteilung des Umweltbundesamts (UBA), Dezember 2018, www.bit.ly/tga1410
Viega / Tim Friesenhagen
