Mehr Hygiene durch Vermaschung

Die heute in Gebäuden anzutreffenden und bei der Planung favorisierten Verteilsysteme für kaltes und warmes Trinkwasser (inkl. Zirkulation) sind baumartig aufgebaut. Ausgehend von einem zentralen Einspeispunkt verzweigt sich das Rohrnetz zu den einzelnen Entnahmestellen. Bei der Planung oder bei Erweiterungen entsteht das Rohrnetz im Wesentlichen nach den Kriterien „günstigster Weg“. Kennzeichnend ist, dass jede Entnahmestelle unter allen vorstellbaren Betriebszuständen der Trinkwasserinstallation das Wasser immer auf demselben Rohrleitungsweg zugeleitet wird. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, der Hygie­ne und um unzulässige Druckschwankungen zu vermeiden, werden die Rohrinnendurchmesser an den zu erwartenden Durchfluss angepasst. Die Dimensionierung erfolgt nutzungsabhängig auf der Basis normativ festgelegter Entnahmevolumenströme (Berechnungsdurchfluss) an der Zapfstelle und ebenfalls normativ festgelegten Gleichzeitigkeitsfaktoren.

Das Grundmuster der Trinkwasserinstallation ist damit über viele Jahrzehnte unverändert geblieben. Entscheidend geändert hat sich aber die Anzahl der Entnahmestellen. Wurde anfänglich Trinkwasser nur mit einer Zapfstelle auf jeder Etage oder jedem Hausflur zur Verfügung gestellt, hat heute bereits jede Wohnung mindestens in Küche und Bad Zapfstellen. Neben den steigenden Komfortbedürfnissen sind weitere Veränderungen eine kontinuierlich abnehmende Belegungsdichte, lange Abwesenheitszeiten (Wochenendfahrer, Leerstand, Urlaub), Wasser sparende Armaturen und Haushaltsgeräte, Armaturen mit geringeren Volumenströmen (Spülkästen statt Druckspülern), die Verwendung von Regen- und Betriebswasser zur WC-Spülung, höhere Temperaturen in den Gebäuden bzw. in den Verlegezonen usw.

Verordnungen, Regelwerke und Hersteller haben auf diese Entwicklung mit einer Vielzahl von Detailvorgaben und -verbesserungen reagiert. Abgesehen von der Einführung der Trinkwasserzirkulation ist die Geometrie von Rohrnetzen in der Trinkwasser-Hausinstallation aber quasi unberührt geblieben. Es wurde zwar versucht, elementare Hygieneprobleme, wie Stagnation und zu hohe Temperaturen im Kaltwassernetz durch technische und betriebstechnische Regeln auszuschließen, in der Praxis haben sie sich aber nur bedingt bewährt. Kritisch sind insbesondere Vorgaben, die über die normale Benutzung hinaus eingehalten werden müssen. Beispielsweise das Schließen der Stockwerksabsperrungen einer Wohnung bei einer Abwesenheit von mehr als 3 Tagen und eine 5-minütiges Spülen nach der Rückkehr [1].

Hygieneprobleme im Kaltwassernetz

Die Einhaltung der in DVGW-Arbeitsblatt W 551 [4] genannten maximalen Kaltwassertemperatur von 25 °C ist kaum zu realisieren, wenn Kaltwasserleitungen in Schächten oder der Bauwerkskon­struktion parallel zu Warmwasser- und Zirkulationsleitungen geführt werden, die – ebenfalls aus hygienischen Gründen – mit einer Temperatur von ca. 60 °C betrieben werden. Prof. Friedrich Tiefenbrunner empfahl in einem Fachaufsatz bereits 2002 [5] die Isolierung der Kaltwasserleitungen analog zur Dämmstärke im Warmwassersystem und die Beibehaltung mit Trinkwasser betriebener WC-Spülsysteme, um eine häufige Wassererneuerung in den Rohrleitungen zu erreichen. Gleichzeitig warnte Tiefenbrunner vor zu großen Rohrleitungsquerschnitten, insbesondere bei verzinkten Leitungen. Zu beachten ist, dass eine Rohrleitung nicht nur aufgrund großzügiger „Sicherheitsaufschläge“ bei der Planung überdimensioniert wird, sondern auch durch eine nachträgliche Nutzungsänderung.

Weil diesen Kriterien bisher kaum Beachtung geschenkt wurde und sich beeinflussende Parameter (Anhebung der Warmwassertemperatur, Sparmaßnahmen beim Wasserverbrauch, geringere Belegungsdichte) auch nachträglich geändert haben, häufen sich hygienische Probleme, die ihren Ursprung im Kaltwassernetz haben. So werden, z.B. in Wohnanlagen während der Urlaubszeit und Hotels bei geringer Belegung, ganze Kaltwasser-Steigestränge wochenlang im problematischen Temperaturbereich zwischen 25 und 45 °C stagnierend betrieben. Die dazu in der Fachwelt diskutierten Problemlösungen, wie Zwangszapfungen, Stilllegung und Wiederinbetriebnahme oder Spülung der Rohrleitungen sind alle mit zusätzlichem Wasserverbrauch und ggf. auch mit weiteren Kosten verbunden. Viele Gebäude sind allerdings ganzjährig in einem dauerkritischen Zustand: Schon die gleichzeitige, mehrstündige Abwesenheit von Mietern während der Arbeitszeit führt durch parallel verlegte Warmwasserleitungen täglich (und nächtlich) zu Temperaturüberschreitungen im Kaltwassernetz.

Neuerdings wird für die Kalt- und Warmwasserverteilung, beispielsweise in Krankenhäusern ohne Verbrauchsabrechnung in der Etage, zur Vermeidung von Stagnation der Anschluss von Ringleitungen über einen Venturi-Strömungsteiler vorgeschlagen ([6] und Seite 50). Für große Anlagen, in denen auf die Verbrauchsabrechnung nicht verzichtet werden kann und mit wochenlangen Benutzungspausen zu rechnen ist, wird zur Vermeidung von Stagnation für Kaltwassersysteme ein System zur automatisierten Steigestrang-Spülung mit separaten Spülleitungen, Temperaturüberwachung an dezentralen Messpunkten, Strangabsperrventilen mit Stellantrieb und Auffangbehältern vorgeschlagen.

Vermaschtes Rohrnetz als Alternative

Die Stagnation in den Rohrleitungen, insbesondere in sonst selten benutzten Leitungen, kann durch ein vermaschtes Rohrleitungsnetz verringert werden. Dadurch könnte auch die Erwärmung des Kaltwassers über 25 °C eingeschränkt, bzw. bei zusätzlichem Zwangsablauf ausgeschlossen werden. Wird ein Rohrnetz vermascht installiert, sind tendenziell in den Hauptleitungen kleinere Leitungsquerschnitte möglich, wodurch sich das Volumen und die wasserbenetzte Oberfläche des Rohrnetzes reduzieren. Alle drei Faktoren verbessern die Hygiene (Biofilm).

Um im Kaltwassernetz auch während des Urlaubs und bei Abwesenheit von Mietern Stagnation und unzulässige Erwärmung des Kaltwassers zu vermeiden wird vorgeschlagen, das Kaltwasserverteilnetz als „vermaschtes Rohrnetz“ mit oben und unten parallel geschalteten Steigesträngen auszuführen. In diesem vermaschten Rohrnetz sollen alle Rohrquerschnitte in beiden Strömungsrichtungen beaufschlagt werden können. Bei einer Zapfung erfolgt dann im zugehörigen Steigestrang der Zufluss gleichzeitig von oben und unten.

Bild 1 zeigt das Kaltwasserverteilnetz mit zentraler Kaltwasserzuleitung beispielhaft für ein Mehrfamilienhaus mit 16 Wohnungen. Das vermaschte Rohrnetz hat gegenüber der klassischen Lösung mit unterer Verteilung einen um ca. 35 % geringeren Wasserinhalt bei gleicher benetzter Oberfläche. Die bei einer Kaltwasserzapfung an der bezeichneten Zapfstelle auftretenden Strömungen im vermaschten Rohrnetz und in der Stockwerkszuleitung sind mit Pfeilen qualitativ dargestellt. Die Größenordnung der Volumenströme in den einzelnen Rohrabschnitten ist von der Zapfrate und der Position der Zapfstelle abhängig. Jede Zapfung an beliebiger Position im Rohrnetz führt zu einer Strömung im gesamten Kaltwassernetz und damit zu einem Wasseraustausch. Der Stagnation und der unzulässigen Temperaturerhöhung des Kaltwassers wird so vorgebeugt.

Eine weitere Option könnte es sein, das Kaltwassernetz mit der gleichen Geometrie wie in Bild 2 aufzubauen. Neben der ständigen Durchmischung sind dann bei bestimmten Gebäuden (z.B. mit planmäßig langen Abwesenheitszeiten) auch noch die Temperaturkontrolle, ein temperaturgesteuerter und/oder zapfmengenabhängiger Wasserverwurf bzw. die thermische Behandlung des Kaltwassers durch Kühlung denkbar.

Warmwassernetz mit Zirkulation

Das für Warmwassersysteme zusätzlich notwendige Trinkwasserzirkulationsnetz erzeugt entweder Wärmeverluste (klassische Zirkulation) oder verkompliziert und verteuert das Warmwasserrohrsystem (Rohr-in-Rohr-Zirkulation). Zudem hat sich auch ein hygienischer Nachteil der Rohr-in-Rohr-Zirkulation herausgestellt; die unerwünschte Vergrößerung der benetzten Oberfläche im Warmwassersystem (Biofilm) um ca. 30 % sowie die Verstopfungsgefahr des Ringspalts zwischen dem inneren und äußeren Rohr bei harten Wässern.

Das hat dazu geführt, dass energiesparende Rohr-in-Rohr-Systeme in großen Gebäuden nicht so häufig eingesetzt werden, wie es aus ener­getischen Gründen wünschenswert wäre. Bei zunehmend steigenden Energiekosten ist aber eine Reduzierung der Zirkulationsverluste des Warmwassernetzes ohne Nachteile für den Komfort und die Trinkwasserhygiene dringend erforderlich. Oberflächen und Rohrlängen müssen verringert, die Systeme vereinfacht und die Kosten gesenkt werden.

Zur Beseitigung der Nachteile, zur Kostensenkung und zum Zweck der Energieeinsparung wird vorgeschlagen, auch das Warmwasserverteilnetz in großen Gebäuden als „vermaschtes Rohrnetz“ mit oben und unten parallel geschalteten Steigesträngen mit überwiegend gleichen Querschnitten auszuführen. In diesem Rohrnetz sollen alle Rohrquerschnitte in beiden Strömungsrichtungen beaufschlagt werden, so dass bei einer Zapfung der Zufluss im betroffenen Steigstrang von oben und unten erfolgt. Die Trinkwasserzirkulation wird dabei im Idealfall ohne zusätzliche Rohrleitungen allein durch den Einbau einer Zirkulationspumpe in die Warmwasserleitung selbst erreicht.

In Bild 2 ist ein Warmwasserverteilnetz für ein Mehrfamilienhaus mit 16 Wohnungen und zentraler Trinkwassererwärmung dargestellt. Das vermaschte Rohrnetz in dem Viergeschosser hat gegenüber der klassischen Lösung mit zusätzlichem Zirkulationsnetz ca. 45 % geringeren Wasserinhalt, 30 % geringere Wärmeverluste und gegenüber der Rohr-in-Rohr-Lösung eine um 45 % kleinere wasserbenetzte Oberfläche.

Die im Rohrnetz bei Betrieb der Zirkulationspumpe auftretenden Strömungsrichtungen sind durch gestrichelte Pfeile dargestellt. Die bei Zapfungen auftretenden Strömungsrichtungen zeigen die roten Pfeile. Die Zirkulation ist bis zum letzten Steigstrang so geführt, dass für alle übrigen Steigstränge die gleichen hydraulischen Verhältnisse bezogen auf den Zirkulationsbetrieb vorliegen (vergleichbar mit Tichelmann). Das Warmwassernetz nach Bild 2 kann so bis zu einer beliebigen Anzahl von Steigesträngen ausgeführt werden.

Jeder Zapfvorgang an beliebiger Stelle des Ringnetzes unterstützt den Zirkulationsbetrieb in allen Steigesträngen. Eine temperaturabhängig geregelte Zirkulationspumpe würde nur wenige Betriebsstunden zur Aufrechterhaltung der aus hygienischen Gründen erforderlichen Mindesttemperatur in der Zirkulation von 55° C laufen müssen. Bei Zapfbetrieb läuft sie ggf. nur mit einem Volumenstrom, der dem Wärmeverlust der (in Bild 2 gestrichelt dargestellten) Zirkulationsleitung entspricht.

Auslegung von vermaschten Netzen

Die Auslegung eines vermaschten Rohrnetzes weicht von den bekannten Auslegungsregeln der üblichen „Sternsysteme“, die auch DIN 1988 bzw. EN 806 zugrunde liegen, ab. Prinzipiell sind vermaschte Netze in der kommunalen Wasserversorgung, bei Fernwärme-Netzen und industriellen Versorgungsstrukturen zu finden. Auch Sprinkleranlagen stellen vermaschte Netze dar [7].

Zur richtigen Auslegung des vorgeschlagenen neuen Systems sind die hinlänglich bekannten Anforderungen und Randbedingungen nach DIN 1988 bzw. EN 806 einzuhalten. Die Parameter P_minFL (Mindestfließdruck), V_R (Berechnungsdurchfluss) an der Zapfstelle sowie P_minV (Mindestversorgungsdruck der öffentlichen Versorgung) sind durch eine abgestimmte Rechnung für ein vermaschtes Netz zu verbinden.

Die neue Systematik könnte mit einer Überprüfung der heute anzusetzenden Berechnungsdurchflüsse verbunden werden. Ebenso sollten die Gleichzeitigkeitsfaktoren für die unterschiedlichen Gebäudetypen, wie sie in DIN 1988 fixiert sind, einer Überprüfung unterzogen werden, um sie den heute aktuellen Gegebenheiten anzupassen. Es macht wenig Sinn für die Auslegungen von neuen Rohrnetzen, ob vermascht oder konventionell ausgeführt, von nicht mehr in vollem Umfang aktuellen Zahlen auszugehen. Deswegen sollte diese Arbeit geleistet werden, bevor vermaschte Netze in der Hausinstallation im breiten Rahmen Eingang finden.

Es bietet sich dazu an, durch eine Kombination von Messreihen und Simulationsrechnungen die grundlegenden Zusammenhänge zwischen V_R (Berechnungsdurchfluss), V_R (Summendurchfluss), den Gleichzeitigkeiten als Funktion des Gebäudetyps und den zu erwartenden Spitzendurchflüssen am Hauseingang neu darzustellen. Mithilfe der Netzsimulation können unterschiedliche Netzausführungen und Dimensionierungsansätze zunächst theoretisch optimiert werden.

Damit im Warmwasser- und Kaltwassernetz bei Zapfungen und Spitzenzapfungen möglichst gleiche Druckverhältnisse herrschen, wird vorgeschlagen, beide vermascht mit oben und unten parallel geschalteten Steigsträngen (und überwiegend gleichen Nennweiten) auszuführen.

Zusammenfassung

Die bisher übliche Rohrleitungsführung für die Trinkwasserinstallation in Gebäuden bereitet häufig hygienische Probleme durch Stagnation und unzulässige Erwärmung des Kaltwassers. Wird eine Trinkwasserinstallation als vermaschtes Rohrnetz ausgeführt, können Stagnation und unzulässiger Temperaturanstieg im Kaltwasser vermieden werden.

Unabhängig von differenzierten Rechnungen und Versuchen kann man postulieren, dass ein vermaschtes Rohrnetz tendenziell zu kleineren Rohrleitungsdimensionen führt. Dies gilt sowohl für das Kaltwassernetz als auch für das Trinkwarmwassernetz. Bei nahezu identischer Rohr­leitungslänge verringert sich damit die wasser­benetzte Oberfläche, auf der sich ein Biofilm ansiedeln kann. Beim TWW-Netz ist zudem eine Verringerung der Wärmeverluste durch im All­gemeinen verkürzte Leitungen für die Zirkulation zu erwarten.

Literatur

[1] DIN 1988, Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI). Berlin: Beuth Verlag

[2] DIN EN 860 Technische Regeln für Trinkwasserinstallation. Berlin: Beuth Verlag

[3] DVGW W 551 Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasser­leitungsanlagen; technische Maßnahmen zur Vermeidung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser- Installationen, Bonn: DVGW, April 2004,

[4] VDI 6003 Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz, Hrsg. VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2004

[5] Tiefenbrunner, Friedrich: Legionellen im Krankenhaus – Vorkommen, Risikofaktoren und Hygienemaßnahmen; Krankenhaus-Hygiene + Infefktionen verhindern 24-2002, S. 173 – 183

[6] Petzold, Ulrich: Sicherung der Trinkwasserqualität durch Stagnationsvermeidung. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, HLH 5-2007

[7] Vorländer, Jochen: Aktiv bevor Konditionen tödlich sind. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 8-2007

Kaltwasserversorgung: Die Verteilung von Kaltwasser erfolgt in größeren Gebäuden ­normalerweise nach dem Prinzip der „unteren Verteilung“. Dabei wird Kaltwasser nach dem Hausanschluss mit zentralem Zähler über eine unten liegende Verteilleitung (im Keller) zu den Steigesträngen mit mehreren Verbrauchern/Nutzeinheiten geführt. Selten wird Kaltwasser auch nach dem System der „oberen Verteilung“ verteilt. Dabei wird Kaltwasser nach dem Hausanschluss über eine oben liegende Verteilleitung (im Dach­geschoss) zu den Steigesträngen mit mehreren Verbrauchern geführt.

Warmwasserversorgung: Die Verteilung von Warmwasser in großen Gebäuden erfolgt ebenfalls nach dem Prinzip der unteren oder oberen Verteilung. Warmwasserverteilsysteme werden zusätzlich mit einer Zirkulationsleitung (oder elektrischen Begleitheizung) ausgerüstet, die parallel zu den Warmwasserleitungen geführt wird. Seit 1983 ist auch ein System bekannt und im Einsatz, bei dem die Zirkula­tionsleitung innerhalb der Warmwasserleitung geführt wird (Rohr-in-Rohr-Zirkulation).

Zirkulation: Die zur Erreichung der erforderlichen Betriebstemperatur benötigte Zirkula­tionswassermenge wird mittels einer Zirkula­tionspumpe in einer oder mehreren separaten Zirkulationsleitungen zurück zum Trink­wassererwärmer, selten zu einem speziellen oder separaten Wärmeübertrager zur direkten Wiedererwärmung, gefördert.

Rohrnetz: Das Rohrnetz der bekannten Kalt- und Warmwassersysteme in größeren Gebäuden (obere Verteilung oder untere Verteilung) besteht aus einer Vielzahl von Rohrleitungen mit abgestuften Rohrquerschnitten, die zur Vermeidung unzulässiger Druckschwankungen nach [1] bzw. [2] auf den (normativ) festgelegten Bedarf abgestimmt werden müssen und in einer Strömungsrichtung beaufschlagt werden. Die aus hygienischen und wirtschaftlichen Gründen erforderliche Optimierung der Rohrquerschnitte führt zu großen Rohrquerschnitten am Anfang des Rohrnetzes und zu kleinen Rohrquerschnitten am Ende des Rohrnetzes.

Einzelzuleitung, T-Stück-Installation und Ringleitungen: Als Anschlusstechnik für die Sanitärobjekte sind innerhalb der Wohnung Einzelzuleitung, T-Stück-Installation und Ringleitungen üblich. Auf die Stockwerkszirkulation wird aus Kostengründen und wegen Problemen bei Verbrauchserfassung normalerweise verzichtet. Diese energiesparende Technik hat sich aus hygienischer Sicht bewährt und ist nach [3] bis zu einem Leitungsinhalt von 3 l zugelassen. Probleme ergeben sich allerdings bei ungünstiger Lage des Steigestrangs im Verhältnis zur Lage der Zapfstellen, wenn Ringleitungen oder Einzel­zuleitungen wegen zu großer Länge und Volumen die Komfortanforderungen nach [4] nicht erfüllen können, weil die zulässige Zeit bis zur Temperaturpräsenz an den Zapfstellen überschritten wird. Bekannte Problemlösungen sind die Stockwerkszirkulation, elektrische Begleitheizung oder zusätzliche Steigestränge mit Zirkulation.

Prof. Dr.-Ing. lehrt an der Fachhochschule Köln, Institut für Technische Gebäudeausrüstung, Fachgebiet Sanitärtechnik, E-Mail: detlef.orth@fh-koeln.de

Dipl.-Ing., Mitarbeiter in Ausschüssen bei DVGW, DIN und VDI zu den Themen Trinkwasserhygiene und Trinkwasserwärmebedarf