Hygienische Aspekte der Trinkwassererwärmung ­

Speicher-Trinkwassererwärmer halten jederzeit eine große Menge an erwärmtem Trinkwasser vor, um es bei Bedarf dem Verbraucher an der Entnahmestelle zur Verfügung zu stellen. Die Speicher werden dabei so ausgelegt, dass der mögliche Spitzenbedarf an erwärmtem Trinkwasser verfügbar ist. Das gesamte vorgehaltene Wasservolumen wird täglich jedoch nach den normativen Annahmen nur für ein kurzes Zeitintervall benötigt. Dies hat zur Folge, dass die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers sehr lang ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass durchschnittliche Aufenthaltszeiten von 12 bis 24 Stunden in mittelgroßen und großen Objekten üblich sind. Ist die Anlage zur Trinkwas­ser­erwärmung überdimensioniert kann die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers im Speicher durchaus mehrere Tage betragen. Um eine hohe Trinkwasserqualität an der Entnahmearmatur zur Verfügung zu stellen, sind aus hygienischer Sicht jedoch geringe Aufenthaltszeiten des Trinkwassers im Gebäude anzustreben. Da sich während der gesamten Nutzungsdauer eines Gebäudes der Trinkwasserbedarf stark ändern kann, ist dieses Ziel schwierig zu realisieren.

Bilden sich darüber hinaus, beispielsweise aufgrund mangelnder Wartung, schlammähnliche Ablagerungen im Speicher (Bild 1), treten in Kombination mit einer Temperaturschichtung und Temperaturen unter 55°C hygienisch sehr bedenkliche Situationen ein.

Die Speicherung von großen Mengen erwärmten Trinkwassers ist für die Sicherstellung der Hygiene im Sinne der Trinkwasserverordnung nicht mehr zielführend. Die neue DIN 1988-200 fordert deshalb, dass die zur Trinkwassererwärmung notwendige Energiespeicherung nicht im Trinkwasser, sondern auf der Heizungsseite (Pufferspeicher, Latentwärmespeicher) erfolgen sollte.

Durchfluss-Trinkwassererwärmung

Hygieniker vertreten die Auffassung, dass sich in mittelgroßen und großen Liegenschaften die Einhaltung der Trinkwasserhygiene als oberstes Ziel u.a. nur durch ein schlankes und bedarfsgerecht dimensioniertes Trinkwassersystem realisieren lässt. Dies gilt auch und besonders für die Trinkwassererwärmungsanlage. Darum ist anzustreben, dass Trinkwasser immer genau dann erwärmt wird, wenn es vom Verbraucher an der Entnahmestelle benötigt wird. Die Speicherung von großen Mengen erwärmtem Trinkwasser ist nicht gewünscht.

Um dies zu realisieren, wird das Trinkwasser im Durchflussprinzip erwärmt. Zu beachten ist jedoch, dass bei der Kaskadierung von Durchfluss-Trinkwassererwärmern keine Stagnationsbereiche, z.B. während des Zirkulationsbetriebs entstehen. Die Maßnahmen zur Einhaltung der Trinkwasserhygiene werden daher oft im Konflikt mit der Forderung nach Energieoptimierung und Versorgungssicherheit gesehen.

Kemper Thermo System KTS

Kemper setzt mit dem ThermoSystem KTS die Philosophie des Hygienesystems KHS nahtlos fort. KTS ist ein zentrales Trinkwasser­erwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip. Es vereinigt dabei die höchsten Anforderungen an die Trinkwasserhygiene (auch im Kaskadenbetrieb) und energetische Optimierung mit Komfort und Versorgungssicherheit an allen Entnahmestellen. Herzstück des KTS-Systems ist die Thermo-Box (Bild 2). Im integrierten Edelstahl-Plattenwärmeübertrager wird bei Bedarf exakt die benötigte Trinkwassermenge erwärmt. Für den Nutzer ist eine konstante Auslauftemperatur besonders wichtig. Diese wird durch eine außergewöhnlich hohe Regelgüte des Systems gewährleistet. Durch eine exakte Anlagenauslegung lässt sich zudem der Energieeinsatz minimieren.

KTS-Funktionsprinzip

Werden eine oder mehrere Entnahmestellen für erwärmtes Trinkwasser geöffnet, wird durch den Plattenwärmeübertrager die gezapfte Trinkwassermenge im Durchfluss direkt erwärmt. Die hierzu notwendige Steuerung des Heizwasservolumenstroms auf der Primärseite übernimmt in der KTS ThermoBox eine lernfähige Regelung, die mit „künstlichen neuronalen Netzen“ arbeitet. In Abhängigkeit zum Volumenstrom am Trinkwas­ser­eintritt (PWC) steuert die Regelungseinheit die Pumpe auf der Primärseite mit einem Sollwert aus einer zuvor selbst entwickelten Prognose über den Prozessverlauf an. Weiterhin überwacht die Regelung über integrierte Sensorik die Temperatur am Austritt (PWH) des Trinkwassererwärmers (Bild 3). Höchste Anforderungen an Komfort und Versorgungs­sicherheit können so umgesetzt werden.

Die exakte Leistungsregelung der Pumpe im Bereich von nahezu 0 bis 100 % wird durch eine Impulspaketsteuerung realisiert. Diese energiesparende Methode sorgt zusätzlich für eine deutliche Verlängerung der Pumpenlebensdauer.

Im EPDM-gedichteten Edelstahl-Plattenwärmeübertrager wird komplett auf Kupfer- oder Nickel-Lot verzichtet. Dadurch ist die KTS-Thermo-Box S für alle Trinkwasserqualitäten entsprechend der Trinkwasserverordnung einsetzbar.

Speichermanagement

Um das Trinkwasser bedarfsgerecht zu erwärmen, muss ausreichend Energie auf der Primärseite zur Verfügung stehen. In der Regel verfügt die Wärmequelle über keine ausreichende Leistung, um kurzfristig die benötigte Energie zur Verfügung zu stellen. Deshalb kommen hier Pufferspeicher zum Einsatz. Sie dienen in erster Linie als Energiespeicher, aber auch als hydraulische Weiche.

Auf Grund des Dichteunterschieds des Wassers bildet sich im Pufferspeicher eine Temperaturschichtung (oben warm, unten kalt). Diese Schichtung ist hier hygienisch unbedenklich, da die Speicherung getrennt vom Trinkwassersystem nur auf der Heizungsseite erfolgt. Aus energetischer Sicht ist die Ausbildung einer Temperaturschichtung jedoch ausdrücklich erwünscht. Denn, je niedriger die Rücklauftemperatur zur angeschlossenen Wärmequelle ist, desto höher ist ihr erreichbarer Wirkungsgrad. Das auch als LowEx-System bezeichnete Prinzip ist insbesondere bei der Wärmeversorgung des Pufferspeichers über Wärmepumpen und thermische Solaranlagen wichtig. Ziel ist es also, der Primärseite möglichst hochtemperierte Schichten und dem Rücklauf zur Wärmequelle möglichst niedrigtemperierte Schichten zur Verfügung zu stellen.

Um die Temperaturschichtung nicht zu durchmischen, muss beim Pufferspeicher auf der Heizungsseite, anders als beim Trinkwasserspeicher, die Be- und Entladung turbulenz- und verwirbelungsarm erfolgen. Im Pufferspeicher des Kemper Thermosystems, dem KTS-ThermoTank, kommen dafür speziell von Kemper entwickelte Leitbleche zum Einsatz. Die turbulenzarme Einschichtung wird noch weiter optimiert, indem im Heizwasser-Rücklauf ein temperaturgesteuertes 3-Wege-Umschaltventil installiert wird (Bild 4). Mit diesem Ventil ist eine temperaturabhängige Einschichtung des Rücklaufheizwassers aus der KTS-ThermoBox in verschiedene Zonen des Pufferspeichers möglich.

Die Heizwasser-Rücklauftemperatur differiert erheblich in Abhängigkeit zur jeweiligen Betriebssituation. Wird die Anlage im Zirkulationsbetrieb betrieben, so müssen nur die Zirkulationswärmeverluste ausgeglichen werden. Die Heizwasser-Rücklauftemperatur beträgt dann ca. 57 °C. Wird dagegen bei Warmwasser-Entnahme kaltes Trinkwasser mit einer Temperatur von ca. 10 °C auf eine Wassertemperatur (PWH) von 60 °C erhitzt, kühlt das Rücklaufwasser bis auf eine Temperatur von ca. 28 °C aus. Um eine ungewollte Durchmischung des Heizungswassers im Pufferspeicher bestmöglich zu verhindern, muss demnach das Rücklaufwasser aus dem Zirkulationsbetrieb im mittleren Bereich des Pufferspeichers eingeschichtet werden. Das deutlich kühlere Rücklaufwasser bei Entnahmebetrieb wird über das temperaturgesteuerte 3-Wege-Ventil in den unteren Bereich des Pufferspeichers eingeschichtet.

Maßgeschneiderte Kaskadenschaltung

Um hohe Entnahmevolumenströme abdecken zu können, besteht die Möglichkeit, bis zu vier ThermoBox-Module zu einer Kaskade zusammenzuschalten (Bild 5). Durch die Kaskadenschaltung wird bei einer großen Bandbreite des Trinkwasserbedarfs (PWH) – von der Benutzung nur einer Entnahmestelle bis hin zum Spitzenvolumenstrom – eine ­hohe Regelgüte erreicht. Es kann so ein Entnahmevolumenstrom von bis zu 240 l/min. sichergestellt werden.

In längeren Zirkulationsbetriebsphasen wird die patentierte Kaskadenrotation aktiviert. Hierbei werden die einzelnen ThermoBox-Module in einer zeitlichen Abfolge nacheinander betrieben. Durch diesen permanenten Wechsel im Zirkulationsbetrieb werden alle Module zur Vermeidung von Stagnation regelmäßig durchströmt. Die Trinkwasser­hygiene ist auch an dieser Stelle gewährleistet. Außerdem werden die Betriebsstunden im Zirkulationsbetrieb gleichmäßig auf die Module verteilt. Die notwendige Kommunikation der ThermoBox-Module untereinander erfolgt über ein BUS-System.

Die Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip ist die optimale Lösung für Großobjekte (z.B. Krankenhäuser, Hotels, Sportstätten usw.), bei denen eine hohe Trinkwasserhygiene zu gewährleisten ist und eine große Variation im Nutzungsverhalten vorhanden ist.

Wichtig für Planer, Anlagenbauer und Bauherren

TGA-Planer: Das kaskadierbare zentrale Trinkwassererwärmungssystem nach dem Durchflussprinzip ThermoSystem KTS von Kemper kann im Sinne der Trinkwasserhygiene während der tatsächlichen Nutzung nicht überdimensioniert sein. Eine KTS ThermoBox kann eine einzelne Zapfstelle mit konstanter Temperatur versorgen, mehrere KTS ThermoBoxen wechseln sich zur Vermeidung von Stagnation ab.

Anlagenbauer: Sollen Speicher-Trinkwassererwärmer in größeren Neubauten eingesetzt oder in bestehenden Gebäuden erneuert/überprüft werden, ist dazu eine exakte Dimensionierung erforderlich. Unter hygienischen Aspekten ist eine Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip vorteilhaft.

Bauherren: Bei älteren Speicher-Trinkwassererwärmern, die noch nie an ihre Leistungsgrenze gestoßen sind, ist aufgrund der Auslegungspraxis in der Vergangenheit damit zu rechnen, dass sie überdimensioniert sind. Mit dem Über­dimensionierungsgrad erhöht sich die Gefahr unhygienischer Zustände.

Wissenswertes im ­Überblick

­Systembedingt ist in Speicher-Trinkwassererwärmer die Aufenthaltszeit des erwärmten Trinkwassers hoch; sie verlängert sich bei einer Überdimen­sionierung – durch Sicherheitszuschläge oder Nutzungsänderung. Trinkwasserhygienisch ist das ungünstig bis kritisch.

Durch die Entwicklung von Trinkwassererwärmungssystemen nach dem Durchflussprinzip kann auf die Speicherung großer Mengen erwärmten Trinkwassers verzichtet werden.

Bei der Kaskadierung von Trinkwassererwärmungssystemen nach dem Durchflussprinzip muss gewährleistet sein, dass keine Stagnationsbereiche entstehen, beispielsweise im Zirkula­tionsbetrieb.

Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt ist Leiter Produktmanagement bei der Gebr. Kemper GmbH + Co. KG, Olpe, Telefon (0 27 61) 89 12 60, upetzolt@kemper-olpe.de, http://www.kemper-olpe.de