Trinkwasserhygiene sicher planen

Anforderungen an die Technik

Fakultative, opportunistische Krankheitserreger, wie Legionellen, atypische Mykobakterien, Pseudomonas aeruginosa und eine wachsende Zahl weiterer Bakterien finden speziell in Trinkwasserinstallationen von Gebäuden optimale Lebens- und Vermehrungsbedingungen, sowohl im Warm- als auch im Kaltwasser [2]. Bei Personen mit prädisponierenden Faktoren, wie hohes Alter, Immunschwäche, Immunsuppression oder chronischen Grunderkrankungen können diese Erreger sehr schwere Erkrankungen auslösen. Dies macht deutlich, dass gezielte und wirksame Präventivstrategien weiterentwickelt werden müssen, die insbesondere die für Mikroorganismen essenziellen Faktoren Nahrungsangebot, Temperatur des Trinkwassers, Wasseraustausch und Durchströmung umfassen müssen.

Nahrungsangebot begrenzen

Eine Kombination aus schlechter Werkstoffqualität, Stagnation und Wasserbeschaffenheit kann zu starker Biofilm-Entwicklung führen, in dessen Schutz sich auch fakultative Krankheitserreger zu hohen Konzentrationen vermehren können [3].

Kritische Temperaturbereiche vermeiden

Niedrige Temperaturen bieten den Erregern schlechte oder keine Wachstumsbedingungen. Temperaturen nahe des Wachstumsoptimums ermöglichen ein schnelles Wachstum. Bei Legionellen, atypischen Mykobakterien, aber auch bei Pseudomonas aeruginosa sind Temperaturbereiche zwischen > 25 °C und < 55 °C – insbesondere aber zwischen 30 und 40 °C – strikt zu vermeiden.

Vermeidung von Stagnation

Stagnation ist der wohl kritischste Faktor für die Vermehrung fakultativ-pathogener Krankheitserreger. Dies wird durch eine große Vielzahl nationaler und internationaler Regelungen (WHO, ECDC, HSE GB, ISSO NL) bestätigt, in denen der Stagnation die primäre Rolle für eine Verschlechterung der Wasserqualität in Gebäuden beigemessen wird.

Qualität der Durchströmung verbessern

Die Hydraulik der Trinkwasseranlage beeinflusst in erster Linie nicht die Arten-Zusammensetzung der Biofilme, hat aber einen entscheidenden Einfluss auf deren mechanische Stabilität. EPS (Schleim) bietet Schutz und eine gewisse physikalische Stabilität gegenüber Scherkräften. Bei Stagnation oder geringen Fließgeschwindigkeiten des Trinkwassers erfolgt das Biofilmwachstum sehr unregelmäßig mit Bildung von Poren und Kanälen, mit der Folge geringer mechanischer Stabilität und damit der Gefahr einer infektionsrelevanten Ablösung. Bei hohen konstanten Scherkräften wird der Biofilm in seiner Mächtigkeit begrenzt und wächst kompakt und fest auf den Grenzflächen, was ein Abreißen stark erschwert.

Aufbau der Rohrnetze

Damit die Vermehrung von Krankheitserregern in Trinkwasserinstallationen nicht gefördert wird, müssen daher bei der Planung von Trinkwasserinstallationen mindestens folgende maßgebliche Zielsetzungen verfolgt werden:

Bei vergleichbarer Funktionalität sind Installationskonzepte zu bevorzugen, die zu einem möglichst geringen Wasserinhalt führen.

Der konstruktive Aufbau einer Trinkwasserinstallation muss dafür sorgen, dass ein möglichst regelmäßig, über den Tag verteilter, intensiver Wasseraustausch in allen Teilstrecken stattfindet, insbesondere in den Stockwerks- und Einzelzuleitungen.

In zu erwartenden Stagnationsphasen sollte das kalte Trinkwasser sowohl in den Winter- als auch in den Sommermonaten keine Temperaturen über 25 °C annehmen [4].

Im laufenden Betrieb sollte die Temperatur des Kaltwassers 20 °C nicht überschreiten.

Bau- und verlegetechnische Maßnahmen zur thermischen Entkopplung (passive Maßnahmen) müssen so weit wie möglich umgesetzt werden [5].

Zur Vermeidung einer Wärmeübertragung über wandmontierte Mischarmaturen, müssen die Warmwasser-Stockwerksleitungen oberhalb der Armaturenanschlüsse verlegt und warmwasserseitig mit einer Einzelzuleitung von ca. 10 cm von oben angeschlossen werden. Der Kaltwasseranschluss muss von unten erfolgen! [6]

Es müssen Entnahmearmaturen verwendet werden, die werkstoff- und betriebsseitig eine Biofilmbildung nicht begünstigen [7].

Durch ergänzende aktive Maßnahmen (temperaturgeführtes Spülen bzw. eine Zirkulation des kalten Trinkwassers über einen Kühler) muss bei plan- oder außerplanmäßigen Betriebsunterbrechungen, ein für die Sicherstellung der Hygiene ausreichender Wasseraustausch in allen Teilstrecken sichergestellt sein [8].

Im zirkulierenden Warmwasser muss die Temperatur an jeder Stelle über 55 °C gehalten werden [9].

Der Wasserinhalt einer Warmwasserinstallation, der nicht auf Temperaturen > 55 °C gehalten werden kann, muss minimiert werden.

Die Bereitschaftsverluste durch die Zirkulation des Warmwassers sollten so gering wie möglich sein.

Die Bemessung der Rohrleitungen muss so erfolgen, dass durch den laufenden Betrieb mehrmals am Tag Fließgeschwindigkeiten auftreten, die zu hohen Scherkräften an den Rohrwandungen führen [10].

Regelbasierte Bewertungen durch Rohrnetzberechnung

Je nach Gebäudetyp, Gebäudegröße und Gebäudenutzung werden unterschiedliche Erschließungskonzepte für die Versorgung von Gebäuden mit Trinkwasser verwirklicht. In hochinstallierten Zweckgebäuden, wie z.B. in Krankenhäusern, werden überwiegend horizontal orientierte Leitungskonzepte realisiert. Der konstruktive Aufbau der Stockwerksinstallationen ist dabei für die Sicherstellung der Trinkwasserhygiene in allen Fällen von besonderer Bedeutung, da er maßgeblichen Einfluss auf den Wasseraustausch und die Temperaturhaltung im kalten und im erwärmten Trinkwasser und auch auf die Qualität der Durchströmung hat!

Zur Einschätzung und Bewertung des Betriebsrisikos und zur Vermeidung grundsätzlicher Fehler, sollte bereits im Verlauf des Planungsprozesses, auf der Grundlage hygiene- und betriebstechnisch relevanter Rohrnetzparameter, eine Überprüfung und Bewertung des gewählten Verteilungskonzepts und des konstruktiven Aufbaus der Stockwerksinstallation erfolgen.

Die Risikobewertung einer Trinkwasserinstallation auf der Grundlage einer Rohrnetzberechnung ermöglicht z. B. die Software Dendrit Studio [11], dies unter Berücksichtigung der Faktoren „Temperaturhaltung“, „Durchströmung“, „Wasseraustausch“ und „Nährstoffangebot“ (Bild 1). Sofern das digitale Dendrit-Raumbuch Grundlage der Planung ist, können betriebliche Belange direkt in die Bewertung einfließen.

Begrenzt auf den „Wasseraustausch“ in horizontal orientierten Leitungskonzepten für Zweckgebäude, sollen an dieser Stelle beispielhaft die Ergebnisse einer regelbasierten Bewertung für das kalte Trinkwasser erläutert und miteinander verglichen werden.

Anforderungen an den Wasseraustausch

Wasseraustausch [12] und Temperaturhaltung sind unmittelbar miteinander verknüpft. So führt ein hoher Wasseraustausch, neben der Abfuhr von Wasserinhaltsstoffen (Verdünnungseffekt), tendenziell zu niedrigeren Kaltwassertemperaturen. Stagnationsphasen, die länger andauern als die Temperaturerhöhungszeit [13], führen immer zu maximal hohen Temperaturen des kalten Trinkwassers.

Im Technischen Regelwerk für Planung, Bau und Betrieb von Trinkwasserinstallationen gibt es dazu eine Vielzahl von Anforderungen, wie z.B.:

„Um Stagnation zu vermeiden, ist die Installation so zu planen, dass unter normalen Betriebsbedingungen eine regelmäßige Erneuerung des Trinkwassers erfolgt.“ [14]

„Die Planung hat so zu erfolgen, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb ein für die Hygiene ausreichender Wasseraustausch stattfindet.“ [15]

„In nach dieser Norm geplanten Trinkwasserinstallationen ist ein bestimmungsgemäßer Wasseraustausch sicherzustellen, damit die Temperatur des Trinkwassers in Trinkwasserleitungen kalt in Technikzentralen sowie Installationsschächten und -kanälen mit Wärmequellen möglichst nicht auf eine Temperatur von über 25 °C erwärmt wird.“ [16]

„Einzelzuleitungen zu Entnahmearmaturen müssen so kurz wie möglich sein.“ [17]

„Die Leitungsführung und die Anordnung der Entnahmestellen sind so zu planen, dass ein höchstmöglicher Wasseraustausch erreicht wird. Einzelzuleitungen sollen auch im Hinblick auf Ausstoßzeiten so kurz wie möglich sein.“ [18]

Wasseraustausch durch Wasserentnahme

Stockwerks- und Einzelzuleitungen mit geringem Innendurchmesser (DN 12/DN 15) sind besonders temperaturkritisch, da hier die Stagnationszeit zwischen zwei Wasserentnahmen i.d.R. erheblich länger ist als die Temperaturerhöhungszeit. Neben Maßnahmen zur thermischen Entkopplung kann hier eine kritische Temperaturerhöhung, sowohl in den Winter- als auch in den Sommermonaten, nur durch eine erhebliche Erhöhung des Wasseraustausches vermindert bzw. gänzlich vermieden werden. Die Sicherstellung eines intensiven Wasseraustausches in allen Teilstrecken ist daher ein substanzielles Planungsziel für eine Trinkwasserinstallation! Die Rohrleitungsführung muss aus diesem Grunde so erfolgen, dass ein bestmöglicher Austausch durch regelmäßig, über den Tag verteilte, Wasserentnahmen bereits mit dem laufenden Betrieb erfolgt. Der konstruktive Aufbau der Trinkwasserinstallation – insbesondere der Stockwerksinstallationen – hat hier einen entscheidenden Einfluss.

Die hier beispielhaft aufgeführte Softwarelösung „Dendrit“ überprüft im Rahmen der Rohrnetzberechnung in einem ersten Schritt, wie viele Entnahmearmaturen am Wasseraustausch in den jeweiligen Teilstrecken beteiligt sind. Für einen Gesamtüberblick werden die Ergebnisse der Überprüfungen in Kreisdiagrammen dargestellt (Bild 1). Sie können in einer Detailanalyse bis auf Teilstreckenebene zurückverfolgt werden. Die Einfärbung der Teilstrecken liefert auch hier einen schnellen Überblick über Risikopotenziale in der geplanten Anlage (Bilder 2 bis 4).

Rote Einfärbungen = Konstruktionen mit erhöhtem Betriebsrisiko

Bild 4 in Verbindung mit Bild 5 zeigt, dass bei der Ringleitungsinstallation einer Beispielberechnung der Wasseraustausch bei 90% des gesamten Wasserinhalts der Trinkwasserinstallation durch mehr als 20 Entnahmearmaturen sichergestellt wird. Bei einer Stichleitungsinstallation (Bild 2) sind es nur noch 78% und bei einer Reihenleitungsinstallation (Bild 3) 70%.

In der Ringleitungsinstallation gibt es keine Teilstrecke, deren Wasseraustausch nicht durch mindestens 6 Entnahmestellen gewährleistet wird! Bei der vergleichbaren Reihenleitungsinstallation erfolgt der Wasseraustausch von 11% des Wasserinhalts durch 2 bis 4 und bei 10% des Wasserinhalts nur noch durch einen Verbraucher (Einzelzuleitungen). In einer Stichleitungsinstallation ist der besonders hygienekritische Wasserinhalt von Einzelzuleitungen mit 9% vom Gesamtwasserinhalt ebenfalls sehr hoch. Dieser Anteil wird im betreffenden Kreisdiagramm rot eingefärbt. Die Qualitätsunterschiede, die sich aus dem Aufbau der Rohrnetze ergeben, werden aus der entsprechenden Farbgebung in den Kreisdiagrammen sofort ersichtlich (Bilder 2 bis 4). Durch Tooltipps kann auch der jeweilige Anteil in absoluten Werten (Volumen in Liter) und auch als prozentualer Anteil am Gesamtwasserinhalt angezeigt werden.

Wie die Bilder 2 bis 4 zeigen, werden in Stich- und Reihenleitungsinstallationen nur die Hauptverteilungsleitungen intensiv und regelmäßig durchströmt. Die eher selten durchströmten Stockwerks- und Einzelzuleitungen liefern dagegen ein hohes Gefährdungspotential und führen zu einem erhöhten Betriebsrisiko, da zu erwarten ist, dass selbst bei bestimmungsgemäßem Betrieb ein für die Hygiene ausreichender Wasseraustausch nicht mehr stattfindet. [19]

Wasseraustausch durch Induktion

Wird eine Ringleitung über einen Strömungsteiler an die Verteilungsleitung angeschlossen, fließt in der Ringleitung zusätzlich noch ein signifikanter Volumenstrom, wenn in Fließrichtung hinter dem Strömungsteiler eine Entnahmearmatur betätigt wird. Der auf diese Weise in der Ringleitung erzeugte Volumenstrom wird als Induktionsvolumenstrom bezeichnet. Die Entnahmevolumenströme in Kombination mit den Induktionsvolumenströmen führen bei bestimmungsgemäßem Betrieb bereits zu einem wesentlich intensiveren Wasseraustausch in der Ringleitung. Im Vergleich zu anderen Installationsarten führt die hohe Anzahl an Verbrauchern, die am Wasseraustausch beteiligt sind, zu einer nennenswerten Temperaturabsenkung von ca. 3 bis 5 K in den Stockwerksleitungen.

Wasseraustausch durch Spülmaßnahmen

Kommt es durch Teil- oder Nichtnutzung einzelner Nasszellen oder ganzer Rohrnetzstrukturen zu länger andauernden Stagnationsphasen, folgt die Temperatur des stagnierenden kalten Trinkwassers – unabhängig vom Aufbau des Rohrnetzes – der Umgebungslufttemperatur. Ist die Umgebungslufttemperatur bei fehlender thermischer Entkopplung oder in den Sommermonaten > 25 °C, wird die kritische Kaltwassertemperatur regelmäßig und langandauernd überschritten. Damit in solchen Fällen ein Wasseraustausch gemäß DIN 1988-300 [20] zur Temperaturhaltung stattfindet, muss flankierend temperaturgeführt gespült oder alternativ im Kreislauf gekühlt werden.

Werden Spülmaßnahmen zur Temperaturhaltung eingesetzt, muss zur Minimierung des Wasserverbrauchs bedarfsabhängig gespült werden. Das heißt, es wird mit möglichst geringem Spülvolumenstrom nur dann gespült, wenn die Temperaturhaltung es erfordert. Zeitgesteuerte Spülmaßnahmen, die ganzjährig immer nur zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit einem relativ hohen Spülvolumenstrom spülen, haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Temperaturhaltung, führen zu hohen Wasserverlusten und dienen „nur“ dem Wasseraustausch.

Spätestens im Sommer, bei hohen Eintrittstemperaturen des Trinkwassers in das Gebäude (> 15 °C), werden temperaturgeführte Spülmaßnahmen unwirtschaftlich. Eine bedarfsabhängige Temperaturhaltung durch eine modulierende Kreislaufkühlung ist hier wirtschaftlicher. Mit der definierten Durchströmung aller Leitungsteile kann im Kühlkreislauf zu jeder Zeit – auch in den Sommermonaten – eine vorgegebene Temperatur des kalten Trinkwassers (z. B. < 20 °C) vor jedem Armaturenanschluss sichergestellt werden, ohne dass Wasserverluste durch Spülmaßnahmen entstehen. In der „Dendrit“-Analyse wird in diesem Fall das Kreisdiagramm zur Temperaturhaltung grün eingefärbt (Bild 4).

Nur mit einem automatisierten aktiven Prozess zur Temperaturhaltung, wie der Kreislaufkühlung oder dem temperaturgeführten Spülen, können Schwächen und Fehler in der Betriebsführung weitestgehend kompensiert werden.

Ohne einen aktiven Prozess zur Temperaturhaltung kommt es in nicht klimatisierten Gebäuden in jedem Fall, spätestens in den Sommermonaten, zu länger andauernden Temperaturüberschreitungen des kalten Trinkwassers (> 25 °C). Das Betriebsrisiko ist in diesem Fall erheblich erhöht! Das betreffende Segment im zugehörigen Kreisdiagramm wird rot eingefärbt (z. B. Bild 1).

Fazit

Zur Reduzierung der Bau- und Betriebskosten werden häufig bewusst oder unbewusst höhere Kaltwassertemperaturen toleriert bzw. in Kauf genommen als in Regelwerken zugelassen sind. Damit ist immer eine erhebliche Erhöhung des betrieblichen Risikos und die Gefahr der Schädigung der Gesundheit der Nutzer verbunden. Damit sich aus einer bewusst getroffenen Entscheidung zur Reduzierung der Erstellungskosten das Risiko des Planers bzw. des ausführenden Unternehmens nicht unkalkulierbar erhöht, sollten spätestens in solchen Fällen eindeutige Vereinbarungen zur Abgrenzung zwischen Planer- und Betreiberverantwortung getroffen werden.

Es gilt die Regel: Je geringer die mittlere Kaltwassertemperatur und je höher der Wasseraustausch sind, desto besser ist die mikrobiologische Qualität und Stabilität des Trinkwassers und desto geringer ist das Betriebsrisiko.

Mit Realisierung traditioneller Bau- und Anlagentechnik, ohne wirksame Maßnahmen zur Temperaturbegrenzung, sollte der Planer der Trinkwasserinstallation den Auftraggeber/Betreiber darüber in Kenntnis setzen, dass zur Sicherstellung einwandfreier trinkwasserhygienischer Verhältnisse eine häufige Nutzung aller Entnahmearmaturen (mehrmals am Tag) erforderlich ist. Kann das durch den Betreiber nicht durchgehend gewährleistet werden, können ggfs. reaktive Maßnahmen zum Regelbetrieb gehören, wie z. B. die personalintensive Durchführung von manuellen Spülmaßnahmen gemäß Spülplan, der dauerhafte Einsatz von endständigen Filtern an den Entnahmearmaturen und/oder die Durchführung von chemischen Desinfektionsmaßnahmen auch außerhalb von Hoch-Risikobereichen.

Planern und ausführenden Unternehmen wird empfohlen, mit dem Auftraggeber/Betreiber zweifelsfrei zu vereinbaren, welche Temperaturen für das kalte Trinkwasser an der Entnahmestelle eingehalten werden müssen. Erst auf Grundlage einer solchen Festlegung kann ein geeignetes Rohrnetz für die Trinkwasserinstallation entworfen und die betrieblich erforderlichen Maßnahmen zur dauerhaften Sicherstellung der Trinkwassergüte entwickelt werden.

Eine regelbasierte Überprüfung und Bewertung hygiene- und betriebstechnisch relevanter Rohrnetzparameter bereits im Verlauf einer Rohrnetzberechnung, ist zur Einschätzung und Bewertung des Betriebsrisikos und zur Aufdeckung von hygienerelevanten Schwachstellen bzw. Fehlern, welche die Gesundheit der Nutzer beeinträchtigen können, für den Planer außerordentlich hilfreich und liefert wichtige Informationen zur Erstellung des Hygieneplans [21].

Die Ergebnisse einer regelbasierten Überprüfung hygiene- und betriebstechnisch relevanter Rohrnetzparameter können in Verbindung mit einem Hygieneplan ein präventives Maßnahmenpaket und elementarer und wichtiger Bestandteil eines Water Safety Plans (WSP) in Gebäuden sein, mit dem Ziel des Schutzes der menschlichen Gesundheit vor wasserbürtigen Gefährdungen. Gerade bei der Trinkwasserversorgung von Gebäuden ist hier der Nachholbedarf besonders hoch, die Umsetzung der WHO-Richtlinien sowie der Empfehlungen der EU sehr lückenhaft [22].