In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Installationstechnik für Trinkwasserleitungen grundlegend verändert. Bis in die 1980er Jahre hinein wurden kalte und warme Trinkwasserleitungen in Schlitzen massiver Wände verlegt und anschließend eingemauert. Kalte Trinkwasserleitungen wurden i.d.R. von Heizungsleitungen weit entfernt installiert und so nur unwesentlich mit Wärmelasten beaufschlagt. Diese Installationstechnik hatte viele Nachteile, führte aber automatisch zu relativ geringen Temperaturen des kalten Trinkwassers - auch nach Stagnationsphasen. Heute werden Trinkwasserleitungen fast ausschließlich in den Hohlräumen von Installationsschächten, Zwischendecken und Installationsvorwänden frei verlegt. Neben den warmgehenden Leitungen der Sanitär- und Heizungstechnik sorgen in diesen Installationsräumen weitere Wärmequellen für Lufttemperaturen, die erfahrungsgemäß deutlich höher liegen als 25 °C. Insbesondere mit Einführung der Vorwandinstallation hat sich die mittlere Temperatur des kalten Trinkwassers in Stockwerks- und Einzelzuleitungen kurz vor den Entnahmestellen deutlich erhöht. Zur Verbesserung der trinkwasserhygienischen Verhältnisse in den Leitungsanlagen für das kalte Trinkwasser wurden anfänglich Spülmaßnahmen entwickelt, die nur einen gelegentlichen Wasserwechsel zur Aufrechterhaltung des bestimmungsgemäßen Betriebs in entnahmeschwachen Zeiten vorsahen. Mit zunehmender Tendenz werden heute aber Spülprozesse eingesetzt, die eine dauerhafte Absenkung der Kaltwassertemperaturen zur Einhaltung normativ geforderter Werte zum Ziele haben (temperaturgeführtes Spülen). Abhängig von den Randbedingungen und der verwendeten Technik führen solche Spülmaßnahmen gerade in den Sommermonaten häufig zu unerwartet hohen Spülvolumina [1]. Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit der Optimierung solcher Spülvorgänge und verweist auf eine wesentlich kostengünstigere Technik, die sowohl die dauerhafte Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers auf die hygienisch sichere Temperatur von unter 20 °C als auch die Durchführung von Spülmaßnahmen mit hohen Spülvolumenströmen ermöglicht. Quellenangabe nachfolgend!

Grundlagen
Trinkwasser ist nicht steril, sondern enthält auch bei Erfüllung aller gesetzlichen Anforderungen in allen Stufen der Gewinnung bis zur Verteilung an den Nutzer eine Vielzahl von Mikroorganismen, die in der Regel für den Menschen ungefährlich sind. Aber auch fakultative, opportunistische Krankheitserreger wie Legionellen, atypische Mykobakterien, Pseudomonas aeruginosa und eine wachsende Zahl weiterer Bakterien finden speziell im Lebensraum der Trinkwasserinstallation in Gebäuden optimale Lebens- und Vermehrungsbedingungen - sowohl im Warm- als auch zunehmend im Kaltwasser. Bei Personen mit prädisponierenden Faktoren, wie hohes Alter, Immunschwäche, Immunsuppression oder chronischen Grunderkrankungen können diese Erreger sehr schwere Erkrankungen auslösen [2]. Fakultative Krankheitserreger sind perfekt an die Verhältnisse in den Trinkwasserinstallationen PWC und PWH angepasst und können sich dort zu gesundheitsgefährdenden Konzentrationen vermehren. Sie sind hochresistent gegen Desinfektionsmittel, hohe Temperaturen und interagieren perfekt mit dem Mikrobiom „Trinkwasser“ (z.B. Biofilm, Einzeller, VBNC-Stadien). Von besonderer Bedeutung für Konstruktion und Betrieb von Trinkwasserinstallationen ist ihre ausgeprägte Stagnationsresistenz, die ihnen unter den Bedingungen von Wasserstillstand Vermehrungsvorteile gegenüber anderen Bakterien verschafft. Aus vielen Ländern wird über eine kontinuierliche Zunahme von Infektionen durch diese Erreger berichtet. Dies macht deutlich, dass gezielte und wirksame Präventivstrategien dringend weiterentwickelt werden müssen, die insbesondere die Faktoren Nahrung, Temperatur und Stagnation umfassen sollten. Die Praxis zeigt, dass in der Gesamtkette Planung, Ausführung und Betrieb immer noch massive Verletzungen grundlegender Anforderungen der a.a.R.d.T. und damit der Trinkwasserhygiene vorkommen. Das ist u.a. darauf zurückzuführen, dass in den vergangenen Jahrzehnten die Komfortansprüche gestiegenen sind und Trinkwasser heute über eine Vielzahl von Entnahmestellen als kaltes oder warmes Trinkwasser für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die Bedarfsdeckung konzentriert sich dadurch nicht mehr nur auf wenige Entnahmestellen mit kurzen Fließwegen im Gebäude, sondern erfolgt über ein weitverzweigtes Rohrleitungssystem. Bedingt durch die große Anzahl von Entnahmestellen ist die Benutzungsfrequenz der einzelnen Armaturen eher gering. Dabei liegt die Benutzungsfrequenz der Entnahmearmaturen in Wohngebäuden tendenziell höher als z.B. in öffentlichen Gebäuden oder Krankenhausinstallationen. Gleichzeitig hat sich der durchschnittliche personenbezogene Wasserverbrauch in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verringert. Die daraus resultierenden längeren Verweilzeiten des kalten Trinkwassers in der Leitungsanlage bei erhöhten Umgebungslufttemperaturen schaffen optimale Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen.

Einfluss innerer und äußerer Wärmelasten
In Installationsbereichen sorgen neben warmgehenden Leitungen der Sanitär- und Heizungstechnik weitere Wärmequellen – etwa aus der Elektro- und Klimatechnik –für Umgebungslufttemperaturen, die erfahrungsgemäß deutlich höher liegen als 25° C. Der Wasserinhalt einer hier installierten kalten Trinkwasserleitung würde selbst bei hochwertiger Dämmung gemäß ÖNORM H 5155 in einer kurzen Stagnationsphase bis auf Umgebungstemperatur erwärmt werden. Die Folge: Bei Wasserentnahme tritt kurzzeitig übererwärmtes Kaltwasser mit Temperaturen > 25° C aus der Entnahmearmatur aus (Bild 1). Neben inneren Wärmelasten haben auch äußere Wärmelasten (Bild 2) einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung des kalten Trinkwassers. In den Sommermonaten nähern sich in nicht klimatisierten Gebäuden die Lufttemperaturen in den Installationsräumen den jeweils vorherrschenden Außenlufttemperaturen an. Daraus lässt sich ableiten, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers auch in den Sommermonaten kritische Grenzen erreicht und auch überschreitet [2]. Messtechnische Untersuchungen bestätigen diese Erwartung [4].

Passive Maßnahmen zur Temperaturhaltung
Damit dem Verbraucher auch nach einer Stagnationsphase kaltes Trinkwasser mit Temperaturen < 25° C zur Verfügung gestellt werden kann, müssen in einem ersten Schritt 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 bzw. unterbrochen werden [3, 4]. Eine thermische Entkopplung der kalten Trinkwasserleitungen von potenziellen Wärmequellen lässt sich jedoch nicht immer ohne Weiteres realisieren, wie z.B. 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 i.d.R. zu einer Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers bis auf Umgebungslufttemperatur. Alle passiven Maßnahmen zur thermischen Entkopplung, die im Winter wirksam sind, verlieren in den Sommermonaten 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, z.B. durch temperaturgeführtes Spülen oder durch eine aktive Kühlung verhindert werden. Aktive Prozesse zur Temperaturhaltung sind auch dann erforderlich, wenn Trinkwasserinstallationen nur periodisch genutzt werden. Als sichere Temperatur für das kalte Trinkwasser wird z.B. in der DVGW-Wasserinformation 90 [5], aber auch in vielen internationalen Normen und Empfehlungen (siehe dazu Mathys: Kemper Kompetenzbroschüre Legionella, Pseudomonas und Co.) nur eine Temperatur von < 20 °C angesehen. Sofern zur Sicherstellung einwandfreier trinkwasserhygienischer Verhältnisse die Einhaltung dieser Grenze als unabdingbar angesehen wird, muss ein aktiver Prozess zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers etabliert werden!

Aktive Maßnahmen zur Temperaturhaltung 
Durch Simulation verschiedener Betriebszustände wird in der Folge versucht, sowohl ein verbessertes Temperatur- und Wasserwechselverhalten in den Verteilungs- und Ringleitungen zu erzielen, als auch das Spülwasservolumen zu reduzieren. Basis der beispielhaften Betrachtung ist ein Teilabschnitt einer Trinkwasserinstallation in einem Krankenhaus mit geringer Nutzung in der Woche und Stillstand an den Wochenenden. Damit im Beispielsfall trotz der ungünstigen Rahmenbedingungen ein kontrollierter Wasserwechsel sichergestellt werden konnte, wurden zeitgesteuerte Spülmaßnahmen (Impulsspülungen) etabliert. Diese Spülmaßnahmen führten zu einem täglichen Spülvolumen von 720 l/d (Tabelle 1).

Wasserwechsel alle vier Stunden
In einem ersten Schritt wird eine Spülvariante untersucht, die in einem Rhythmus von 4 Stunden Spülungen auslöst. Damit kann die Maximalforderung für einen notwendigen Wasserwechsel aus nationalen und internationalen Empfehlungen, Richtlinien und Normen - Wasserwechsel alle 4 Stunden [6] - erfüllt werden. In der vorgenommenen Simulation zur Ermittlung der aus dieser Betriebsweise resultierenden Temperaturverhältnisse wurde jeweils solange gespült, bis die niedrigste gemessene Eintrittstemperatur in die Verteilungsleitung von 17,7 °C erreicht wurde (Bild 3). Es ist zu erkennen, dass die Temperatur des kalten Trinkwassers, trotz der Verkürzung der Stagnationszeiten auf vier Stunden, immer noch nicht dauerhaft unter 25 °C gehalten werden kann. Gegenüber dem im Messzeitraum festgestellten Betriebszustand konnte die mittlere Temperatur des kalten Trinkwassers aber von 24,7 °C auf 23,3 °C abgesenkt werden. Ein weiterer positiver Effekt ergab sich aus der Reduzierung des Spülwasservolumens, dass bei der alternativen Betriebsweise um 420 l/d verringert werden konnte. Dies bedeutet eine Reduktion um 58 % bzw. um 153 m³/a (Tabelle 1).

Wasserwechsel alle zwei Stunden
Zur Absenkung der Temperatur des kalten Trinkwassers unter 25 °C muss der Zeitabstand zwischen zwei Spülvorgängen weiter verringert werden. Zur Ermittlung eines geeigneten Spülintervalls wurde für den Rohrdurchmesser DN 15 (18 x 1) die Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers bei Stagnation berechnet. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass sich bei einer Umgebungstemperatur von 27 °C bereits nach ca. zwei Stunden die Temperatur des in einer nach EnEV gedämmten Kupfer-/Edelstahlrohrleitung DN 15 (18 x 1,0) stagnierenden Trinkwassers von 17,7 auf über 25 °C erwärmt (Bild 4). Basierend auf dieser Erkenntnis wurde das Temperaturverhalten in der Ringleitung versuchsweise für Spülintervalle von zwei Stunden berechnet (Bild 5). In dieser Optimierungsvariante wurde sowohl der angestrebte Wasserwechsel erreicht als auch die Grenztemperatur von 25 °C dauerhaft unterschritten. Allerdings steigt das Spülvolumen jetzt wieder auf ca. 600 l/d an. Dadurch würde diese Betriebsweise nur zu einer Reduzierung des Spülvolumens um 120 l/d bzw. 44 m³/a führen (Tabelle 1). Diese Betriebsweise entspricht in etwa einer temperaturgeführten Spülmaßnahme mit Zweipunktreglung (Einschalttemperatur 25 °C / Ausschalttemperatur ca. 18 °C).

Konstanter Spülvolumenstrom
Für Spülmaßnahmen gilt grundsätzlich die sofort nachvollziehbare Erkenntnis: Je kürzer der Abstand zwischen den Spülereignissen, desto geringer ist die Temperaturerhöhung des kalten Trinkwassers. Durch Simulationsrechnung konnte als Spüloptimum ein konstanter Spülvolumenstrom mit lediglich 16,8 l/h ermittelt werden, der dazu führt, dass gerade noch die vorgegebene Sollwerttemperatur von 25 °C am Spülventil erreicht bzw. in allen vorgeschalteten Teilstrecken unterschritten wird. Gegenüber den Impulsspülungen konnten mit diesem konstanten Spülvolumenstrom die Temperaturen des kalten Trinkwassers und auch das Spülvolumen nochmals deutlich reduziert werden. Im Vergleich zur Ausgangssituation führte diese Betriebsweise zu einer Einsparung von 44% bzw. 117 m³/a (Tabelle 1). Impulsspülungen, die dem reinen Wasseraustausch dienen, sind zur dauerhaften Absenkung der Temperaturen in Stockwerks-/Ringleitungen nicht geeignet, da die Wassertemperatur nach einem Spülvorgang innerhalb von weniger als zwei Stunden wieder auf Umgebungslufttemperatur ansteigt. Zu den Impulsspülungen zählen auch Spülmaßnahmen, die dezentral an Entnahmearmaturen durchgeführt werden. Idealerweise muss der Spülvolumenstrom bei einer vorgegebenen Sollwerttemperatur für das kalte Trinkwasser genau die Wärmemenge abführen, die über die Oberfläche der Rohrleitung aufgenommen wird. Die vorstehenden Überlegungen zur Optimierung von Spülprozessen zeigen, dass die Abfuhr der aufgenommenen Wärme nur dann effektiv erreicht werden kann, wenn mit geringen Volumenströmen über einen längeren Zeitraum bzw. durchgehend gespült wird. Aus der Simulation wird ersichtlich, dass eine Temperaturhaltung mit kleinen Volumenströmen über automatisch spülende Entnahmearmaturen nicht realisiert werden kann. Daher ist eine kontrollierte dauerhafte Reduzierung der Temperatur des kalten Trinkwassers in einer größeren Leitungsstruktur mit Maßnahmen, die an den Entnahmearmaturen durchgeführt werden, nicht möglich. Darüber hinaus sind Entnahmearmaturen mit automatisch auslösenden Spülprozessen i.d.R. komplex aufgebaut und es muss aus gegebenem Anlass an die Ergebnisse einer Expertenanhörung am 31.03.2004 im Universitätsklinikum Bonn erinnert werden. Dort wurde festgehalten, dass „berührungslose Entnahmearmaturen […] mit Pseudomonaden und Legionellen besiedelt sein können. Sie bedürfen einer besonderen Aufmerksamkeit und Wartung“ [7]. Dieser Hinweis ist nach wie vor aktuell und muss bei Einsatz entsprechend konstruierter Entnahmearmaturen beachtet werden.

Kaltwasserzirkulation mit Kühlung
Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers sind grundsätzlich nur dann ökologisch und ökonomisch sinnvoll darstellbar, wenn auch in den Sommermonaten das Trinkwasser vom WVU mit niedrigen Temperaturen (< 15 °C) in das Gebäude eingespeist und passive Maßnahmen zur thermischen Trennung vollumfänglich umgesetzt werden können. 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 Kreislaufsystem für das kalte Trinkwasser realisiert werden kann, muss ein zusätzliches Rohrleitungssystem aufgebaut werden [8]. In Strömungsteiler-Installationen ist das nicht erforderlich, da das bereits für die Bedarfsdeckung vorhandene Rohrleitungssystem für die Kaltwasserzirkulation geeignet ist und mitgenutzt wer-den kann. Im Gegensatz zu konventionellen Installationen ermöglichen Strömungsteiler-Installationen die kontrollierte Temperaturhaltung in allen Leitungsteilen bis in den Anschluss der Entnahmearmaturen hinein (Bild 6). Über den KHS Coolflow Kaltwasserkühler 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. Die Kühlmittelversorgung erfolgt mittels Kaltwassersatz oder über ein bestehendes Kältenetz. Berechnungsergebnisse zeigen, dass auf Grund der geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Umgebungsluft und dem kalten Trinkwasser der Wärmeeintrag gering ist und dadurch auch die zur Temperaturhaltung erforderlichen Zirkulationsvolumenströme (PWC-C) dementsprechend gering ausfallen [9]. Aus diesem Grund weisen die für den hydraulischen Abgleich benötigten Regulierventile sehr niedrige kV-Werte 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 entwickelt, in dem die Funktionen Spülen, Regulieren und Absperren vereint sind. 

Berechnung der Kaltwasserzirkulation
Für die Planung von Kaltwasserzirkulationssystemen wurde in enger Zusammenarbeit mit der Dendrit Haustechnik-Software GmbH die Software Dendrit STUDIO 2.0 (2019) um entsprechende Berechnungs- und Simulationsmodule erweitert. Auf dieser Basis kann im Verlauf der Planung für eine Trinkwasserinstallation der rechnerische Nachweis der Temperaturhaltung bis an die Entnahmestelle - jetzt auch im Bereich der Kaltwasserinstallation - geführt werden. Realistische Umgebungslufttemperaturen werden auf Basis gemessener Temperaturen vorgeschlagen (Bild 7) und können vom Planer den örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Durch die Berücksichtigung realistischer Umgebungslufttemperaturen bei der Berechnung des Wärmeeintrags wird die Planungssicherheit nochmals deutlich erhöht. 

Fazit
Als sichere Temperatur für das kalte Trinkwasser wird international, so auch in der Wasserinformation 90 des DVGW, nur eine Temperatur von < 20°C angesehen. Sofern zur Sicherstellung einwandfreier trinkwasserhygienischer Verhältnisse die Einhaltung dieser Grenze als unabdingbar angesehen wird, muss ein aktiver Prozess zur Temperaturhaltung des kalten Trinkwassers etabliert werden. Eine ganzjährige Temperaturhaltung unter 20 °C, z.B. in einer Krankenhausinstallation, kann ökonomisch nur mit einer Zirkulation des kalten Trinkwassers über einen Kaltwasserkühler sichergestellt werden. Mit Einsatz der Kaltwasserzirkulation können nicht nur die Temperaturen des kalten Trinkwassers unabhängig von inneren und äußeren Wärmelasten dauerhaft begrenzt werden. Gegenüber dem effektivsten temperaturgeführten Spülverfahren können zusätzlich auch noch die Betriebskosten um etwa 70 % reduziert werden. Aus wirtschaftlicher und hygienischer Sicht bietet die Zirkulation des kalten Trinkwassers über einen Kaltwasserkühler signifikante Vorteile. Mit einer dauerhaften Temperaturhaltung bis in die Anschlüsse der Entnahmearmaturen hinein, problemlos unter 20 °C, können mit diesem aktiven Prozess die höchsten Anforderungen an die Trinkwasserhygiene erfüllt werden. In Verbindung mit der Warmwasserzirkulation über die Stockwerks- und Einzelzuleitungen in einem KHS System ist eine vollständige Temperaturkontrolle möglich. Stagnationswasser kann durch eine Zirkulation, die alle Teilstrecken der Kalt- und der Warmwasserinstallation umfasst, vollständig vermieden werden. Nur mit dieser Betriebsweise kann ein Höchstmaß an Sicherheit für den Betrieb einer Trinkwasserinstallation dauerhaft realisiert werden! In Bezug auf Funktionalität und Wirtschaftlichkeit liefern bereits jetzt eine Reihe von Pilotprojekten in Deutschland, mit einer dauerhaften Temperaturhaltung für das kalte Trinkwasser unter 20 °C, außerordentlich positive Ergebnisse.