TRINKWASSER-INSTALLATION
Qualität maßgeblich beeinflussen
Die Qualität des Trinkwassers wird in erheblichem Maße vom konstruktiven Aufbau der Trinkwasserinstallation, von der Auswahl der Rohrwerkstoffe, von der handwerklichen Ausführung, von der Bemessung der Leitungsanlage im Gebäude und auch von der Betriebsführung beeinflusst. Bei festgestellten trinkwasserhygienischen Problemen im laufenden Betrieb einer Trinkwasserinstallation muss damit gerechnet werden, dass von den Verantwortlichen der Nachweis geführt werden muss, dass die Planung und die Bemessung sowie der Bau der gesamten Trinkwasserinstallation zum Zeitpunkt der Abnahme und der nachfolgende Betrieb den allgemein anerkannten Regeln der Technik (a.a.R.d.T.) entsprochen hat. Die Ermittlung der erforderlichen Rohrdurchmesser der Verbrauchs- und Zirkulationsleitungen einer Trinkwasserinstallationen muss durch eine Rohrnetzberechnung auf Grundlage der technischen Regeln für die Trinkwasserinstallation nachgewiesen werden
Planen mit Sicherheit
Das Ergebnis einer Dendrit-Berechnung liefert nicht nur die Dimensionierung aller Komponenten einer Trinkwasserinstallation unter Berücksichtigung der a.a.R.d.T., sondern auch eine umfangreiche Dokumentation der Ergebnisse sowohl in tabellarischer Form als auch in Grafiken sowie Analysen zu den zu erwartenden Betriebsverhältnissen in der Leitungsanlage und an den Entnahmestellen. (siehe Planung mit Sicherheit).
Verbrauchsleitungen
Es können beliebige Kalt- und Warmwasserrohrnetze mit Verästelungsstruktur für die vertikale oder horizontale Erschließung eines Gebäudes mit oberer oder unterer Verteilung bzw. in Kombination dargestellt und berechnet werden. Ein Rohrnetz kann durch Druckerhöhungsanlagen und/oder Druckminderer in Druckstufen unterteilt werden. Stockwerksinstallationen können mit Stich-, Reihen- oder Ringleitungen bzw. mit Ringleitungen im Anschluss an Strömungsteiler ausgestattet werden. Die Ermittlung der Rohrdurchmesser von Verbrauchsleitungen sowie die Bemessung der eingebauten Armaturen, Apparate, Pumpen usw. erfolgt auf hydraulischer Grundlage (Stromfadenmodell) unter Berücksichtigung der maßgeblichen Normen, Arbeitsblätter und Richtlinien.
Die Druckverluste in den Rohrleitungen werden unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Stoffwerte des Wassers differenziert berechnet, d. h. getrennt nach Druckverlusten in geraden Rohrleitungen und in Form- und Verbindungsstücken. Für die Berechnung der Druckverluste in Einzelwiderständen werden die vom Hersteller eines Rohrsystems auf Grundlage des Arbeitsblattes W 575 messtechnisch ermittelten Widerstandsbeiwerte verwendet. Alle Herstellerangaben werden über die VDI-3805-Schnittstelle in CALHYDRA integriert. Für produktneutrale Ausschreibungen können die Referenzrohrreihen der DIN 1988-300 (Kupfer, verzinktes Stahlrohr und nichtrostender Stahl, stoffschlüssige Kunststoffsysteme (PP, PB, PVC-C), Metall-Kunststoff-Verbund und PEX-Systeme) mit den dort angegebenen Referenzwerten verwendet werden. Die Druckverluste in Wasserzählern, Filtern, Wasseraufbereitungsanlagen usw. werden aus Hersteller- bzw. Referenzdaten berechnet.
Fließwegdokumentation
Alles im Blick
Nach einer hydraulischen Berechnung wird mit Anklicken einer Entnahmearmatur in der CAD-Zeichnung der entsprechende Fließweg markiert. Die zugehörigen Ergebnislisten für den Fließweg und die darin enthaltenen Teilstrecken mit ihren Merkmalen können entsprechend angezeigt werden.
In einem Diagramm wird zusätzlich die Summe der Druckkomponenten im Fließweg dargestellt, jeweils berechnet für das Ende einer Teilstrecke. Diese Summen entsprechen an jedem Berechnungspunkt dem Mindestversorgungsdruck (Bernoullische Gleichung). Am Ende des Fließwegs darf der Fließdruck im Auslegungsfall bei Spitzendurchfluss den Mindestfließdruck an der Entnahmearmatur nicht unter und einen Ruhedruck von 5000 hPa aus Schallschutzgründen nicht überschreiten.
In Verbindung mit der Kennlinie der Entnahmearmatur ermöglicht die grafische Darstellung des Druckverlaufs eine schnelle Beurteilung der Berechnungsergebnisse.
Damit eine Kontrolle der Hygiene- und Komfortanforderungen des DVGW-Arbeitsblattes W 551 und der VDI-Richtlinie 6003 an Entnahmearmaturen bereits im Planungsprozess erfolgen kann, werden für jede Entnahmearmatur sowohl der Fließ- als auch der Ruhedruck und die möglichen Durchflüsse an den Entnahmearmaturen berechnet. Der Betriebsbereich der Entnahmearmatur wird auf der Armaturenkennlinie farblich markiert.
Zur Vermeidung gravierender Fehlfunktionen ist es erforderlich, dass bereits im Planungsprozess für Warmwasser-Entnahmestellen die Ausstoßzeit für das nicht zirkulierende Wasservolumen im Fließweg und für Kaltwasser-Entnahmestellen die Ausstoßzeit für Stagnationswasser mit Temperaturen ≥ 25 °C bekannt ist.Mit dieser Kenntnis können Temperatur-Zapfprofile berechnet und die Einhaltung der 30-Sekunden-Regel bzw. von Komfortkriterien überprüft werden.
Warmwasser-Zirkulation berechnen
Optimale Temperaturerhaltung
Zur Sicherstellung der hygienischen Anforderungen an das Trinkwasser wird der Warmwassertemperatur im Speicher und in der Leitungsanlage besondere Bedeutung beigemessen. Durch ein geeignetes Zirkulationssystem muss dafür gesorgt werden, dass die Temperatur in Verteilungs- und Steigleitungen nicht unter 55 °C absinkt. Nur Stockwerks- oder Einzelzuleitungen in Wohngebäuden mit einem Wasservolumen ≤ 3 Liter dürfen ohne Zirkulation realisiert werden.
Im Wohnungsbau umfasst die Zirkulation des Warmwassers in der Regel nur die Verteilungs- und Steigleitungen. Hier können beliebig aufgebaute Zirkulationssysteme mit unten- oder obenliegendem Zirkulationssammler oder mit einer Inliner-Zirkulation realisiert werden.
In Gebäuden des Gesundheitswesens ist bei Planung, Bau und Betrieb von Trinkwasser-Installationen zusätzlich die „Richtlinie für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention“ des Robert Koch-Instituts zu beachten. Danach soll eine Zirkulation des Warmwassers über die Stockwerksleitungen bis möglichst nahe an die Entnahmestelle angestrebt werden.
Eine Warmwasser-Zirkulation bis zu den Entnahmestellen kann konventionell oder material- und energiesparend über Warmwasser-Ringleitungen mit Strömungsteilern in vertikalen oder horizontalen Rohrnetzstrukturen dargestellt und berechnet werden. Die Wärmeverluste der von der Zirkulation betroffenen Rohrleitungen werden unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren differenziert berechnet. Die Zirkulationsvolumenströme können durch Vorgabe eines Beimischfaktors in den normativ vorgesehenen Grenzen variiert werden. Damit sich die berechneten Zirkulationsvolumenströme im laufenden Betrieb tatsächlich einstellen können, muss mindestens jedem Anschluss einer Zirkulation an die Warmwasserleitung ein Regulierventil zugeordnet werden, indem zusätzlich Druckverlust für den sogenannten hydraulischen Abgleich erzeugt werden muss. Zur Sicherstellung dieses hydraulischen Gleichgewichtszustands kann das Zirkulationssystem durch eine Kombination von statischen und thermostatischen Zirkulationsregulierventilen in mehrere Regulierebenen eingeteilt und einreguliert werden.
Warmwasser-Zirkulation simulieren
Physikalische Ergebnisse mit realen Produktdaten
Mit einer Rohrnetzberechnung nach DIN 1988-300 für die Bemessung von Zirkulationssystemen wird das Ziel verfolgt, für eine ideale Volumenstromverteilung ein ideales Rohrnetz zu gestalten. Im Zirkulationssystem soll damit sichergestellt werden, dass mit einem minimalen Einsatz an Energie die Temperaturen des Warmwassers oberhalb der geforderten 55 °C gehalten werden können. Aus den Ergebnissen einer solchen Rohrnetzberechnung werden ein tatsächlicher Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie und ebenso tatsächliche Betriebspunkte für die Regulierventile ermittelt.
Bereits bei Neuplanungen können die idealisiert ermittelten Betriebspunkte sowohl mit den auf dem Markt verfügbaren Zirkulationspumpen als auch mit realer Reguliertechnik nur annähernd erreicht werden. Es ist daher bereits für Neuplanungen sinnvoll, sich die Auswirkungen dieser Abweichungen auf den zu erwartenden Betrieb des Zirkulationssystems in einer Simulation unter Berücksichtigung der realen hydraulischen und thermischen Verhältnisse anzeigen zu lassen.
Bei der Sanierung von Zirkulationssystemen ist die Simulation des Zusammenwirkens von eingebauter Zirkulationspumpe und dem realen Rohrnetz unverzichtbar.
So wird u. a. der Einfluss geänderter Pumpentechnik, der Umbau des Rohrnetzes, die Verbesserung der Rohrleitungsdämmung und die immer erforderliche Nachrüstung von Reguliertechnik auf den Rohrnetzbetrieb realitätsnah dargestellt.
Ringleitung
Berechnung ohne Grenzen
Für die differenzierte Berechnung der Druckverluste in Ringleitungen wird das Spöler-Cross-Verfahren¹) verwendet. Dabei handelt es sich um ein modifiziertes Verfahren nach Hardy Cross²) für die Berechnung von Ringleitungen und vermaschten Netzen, das zusätzlich die Berechnung von Spitzendurchflüssen in den jeweiligen Teilstrecken eines Ringes nach den Regeln der DIN 1988-300 ermöglicht. Dadurch können auch größere Ringleitungsstrukturen für die Versorgung von mehreren Nutzungseinheiten oder von Reihenduschanlagen usw. gebildet werden. Eine Ringleitung wird dadurch nicht nur, wie normativ vorgesehen, auf eine Nutzungseinheit beschränkt. Die Ringleitungen werden immer für einen konstanten Durchmesser bemessen, damit eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Ringes erfolgt.
Werden Ringleitungen an Strömungsteiler angeschlossen, stellt sich hier mit laufendem Betrieb ein intensiver Wasserwechsel bei abgesenkten Temperaturen des kalten Trinkwassers in der Stockwerksinstallation ein.
Der Vergleich von Volumenstrom- und Temperaturmessdaten aus Strömungsteiler-Installationen mit vergleichbaren Daten konventioneller Verteilungssysteme hat gezeigt, dass der Wasserwechsel hier deutlich intensiver ist und sich gleichmäßiger über den Tag verteilt. Der intensivere und gleichmäßigere Wasserwechsel ist darauf zurückzuführen, dass durch Wasserentnahmen an beliebiger Stelle eine Zwangsdurchströmung in allen im Fließweg vorgelagerten Ringleitungen erfolgt (Induktion). Gegenüber dem aktuellen Installationsstandard (Reihenleitung) liegt die mittlere Wasserwechselrate pro Tag bei Strömungsteiler-Installationen bis zu vierzigfach höher. Von den im Betrachtungszeitraum aufgetretenen Stagnationsphasen waren mehr als 90 % kürzer als 30 Minuten. Stagnationsphasen, die länger als zwei Stunden andauerten, wurden bei den untersuchten Strömungsteiler-Installationen im gesamten Messzeitraum nicht nachgewiesen. Aus dem über den Tag gleichmäßig verteilten Wasserwechsel ergibt sich für die untersuchten Strömungsteiler-Installationen gegenüber dem aktuellen Installationsstandard ein erheblich niedrigeres Temperaturniveau³).
1) Spöler, Thomas – Entwicklung eines Berechnungsverfahrens zur Dimensionierung von vermaschten Trinkwassernetzen in Gebäuden unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit der Entnahme. Fachhochschule Münster 2015
2) Cross, Hardy – x–Analysis of flow in networks of conduits or conductors, University of Illinois, Bulletin No. 286, 1936
3) Rickmann, Lars – Einfluss neuer Konzepte bei Planung und Konstruktion von Trinkwasserinstallationen in Großgebäuden auf die hygienische Qualität des Trinkwassers, UMIT, September 2014
Spültechnik simulieren
Alles in Bewegung
Automatisierter Wasserwechsel
Zur Vermeidung der Stagnation von Trinkwasser kalt in entnahmeschwachen Zeiten müssen automatisierte Wasserwechsel- und Spülmaßnahmen durchgeführt werden. Wasserwechsel- und Spülmaßnahmen sind auch dann erforderlich, wenn Trinkwasser-Installationen nur periodisch genutzt werden, mit Leerstand an Wochenenden oder in Ferienzeiten und Stagnationsphasen über mehrere Tage bzw. Wochen.
Die vom kalten Trinkwasser aufgenommene Wärme kann im Stagnationsfall nicht mehr abgeführt werden und verursacht eine Temperaturerhöhung bis zur Umgebungstemperatur. Liegen in den Installationsbereichen Umgebungstemperaturen > 25 °C vor, ergeben sich Bedingungen, die das Wachstum von Bakterien in den überwärmten Leitungen fördern.
Ein erforderlicher Wasserwechsel kann in solchen Fällen nur durch Spülmaßnahmen erreicht werden. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen, bei denen Wasserwechselmaßnahmen dezentral an jeder Entnahmestelle bzw. in jeder Nasszelle vorgenommen werden müssen, reichen bei Strömungsteiler-Installationen lediglich einige zentral angeordnete Spülventile/-stationen aus. Zentrale Spüleinrichtungen ermöglichen eine zeit-, volumen- oder temperaturgesteuerte Durchströmung temperaturkritischer Leitungsteile. Dabei wird entweder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder mit Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes eine Spülmaßnahme ausgelöst.
Die Simulation für die in einer Trinkwasser-Installation planmäßig etablierten Spülprozesse liefert alle notwendigen Einstellparameter, sodass mit minimalem Spülvolumen der maximale Effekt zur Verbesserung der Trinkwasserhygienisch relevanten Randbedingungen erzielt werden kann.
Spültechniksysteme
Bei der Simulation der Spülung werden manuelle Spülungen ebenso unterstützt wie die automatische Spülung mittels KEMPER Hygienesystem KHS. In dem simulierten Spülplan ist auch eine Mischung der Systeme abbildbar. So können endständige Spüleinheiten (Hygienespülung/C-Ventil-Technik) mit kaskadierten Spülungen (A-B-Ventil-Technik) kombiniert werden.
Kaltwasser-Zirkulation berechnen
Heute schon sicher für die Zukunft
In der DVGW-Wasserinformation 90 wird als sichere Temperatur des kalten Trinkwassers eine Temperatur unter 20 °C angesehen. Dies entspricht auch vielen internationalen Vorgaben und ist durch bisherige Maßnahmen fast nicht realisierbar. Zur Einhaltung hygienisch unbedenklicher Kaltwassertemperaturen hat die Gebr. Kemper GmbH + Co. KG daher das Kaltwasser-Zirkulationssystem KEMPER KHS CoolFlow entwickelt.
Dabei ist das System nicht nur für Neubauten geeignet, sondern kann auch in Bestandsgebäuden mit geringem Aufwand nachgerüstet werden. Durch minimalen baulichen Aufwand kann die Zirkulationssammlung zum Hauseingangspunkt und Aufstellungsort des Kaltwasserkühlers geführt werden. Optimale Temperierung des Kaltwassers in Verbindung mit einem schlank bemessenen Rohrnetz führen zu kostengünstigen und wirtschaftlichen Lösungen. Zirkulierende Kaltwasserleitungen werden nun identisch zu den zirkulierenden Warmwasserleitungen nach EnEV und ÖNORM Standard gedämmt um den Wärmeeintrag so gering wie möglich zu halten.
Neuerdings werden Stagnationsstrecken als Lösungsmöglichkeit in Betracht gezogen, um den Wärmeeintrag durch zirkulierende Warmwasserleitung in die Vorwandinstallationen zu vermeiden. In diesem Fall muss jedoch die Sicherstellung der Temperaturhaltung und des Wasseraustauschs kostspielig über Entnahmearmaturen oder Hygienespülungen sichergestellt werden. Da die Spülvorgänge nicht vom Nutzer unbemerkt durchgeführt werden können, sind sie für Hotels und Gebäude des Gesundheitswesens nicht geeignet.
Die „innovative“ Lösung: Kaltwasser-Zirkulation mit aktiver Temperaturhaltung. Es wurde daher in enger Zusammenarbeit mit der Gebr. Kemper GmbH + Co. KG die Berechnung und Simulation von Kaltwasser-Zirkulationsnetzen mit dem KEMPER KHS CoolFlow in CALHYDRA integriert. Zeichnen, berechnen und analysieren Sie in CALHYDRA die Vorteile des Systems und ermitteln Sie mit der physikalischen Simulation der Zirkulationstechnik den Temperaturverlauf und somit die reale Betriebssituation bereits in der Planungsphase.
Die bewährte Berechnung und Simulation der innovativen KEMPER-Produkte ermöglicht den planerischen Nachweis der Temperaturhaltung bis an die Entnahmestelle. Durch die mögliche Annahme von realistischen Umgebungslufttemperaturen in der Berechnung und der Simulation wird die Planungssicherheit nochmals deutlich erhöht. Sinnvolle Umgebungslufttemperaturen werden auf Basis von gemessenen realen Temperaturen vorgeschlagen.
Die Kaltwasser-Zirkulation wird in CALHYDRA wie die bekannte Warmwasser-Zirkulation auf einem eigenen Layer aufgebaut. Die Berechnungsergebnisse, wie z. B. die Leistung, der Volumenstrom oder die Pumpendruckdifferenz werden in CALHYDRA in gewohnter Weise übersichtlich ausgegeben und können entsprechend dokumentiert werden.
Kaltwasser-Zirkulation simulieren
Bewährte Berechnung und Simulation
Schon seit Jahren ist die Simulation der Warmwasser-Zirkulation ein fester Bestandteil der Trinkwasser-Rohrnetzberechnung und Planung. Die Überführung der Berechnung aus der Norm hin zu den physikalischen Eigenschaften mit entsprechenden Ergebnissen ist auch für die Kaltwasser-Zirkulation möglich.
Nach der Berechnung wird simuliert, Einstellwerte der Ventile werden ermittelt und Pumpen auf den Ist-Betriebspunkt eingestellt. Die physikalische Simulation zeichnet sich durch die Simulation der thermischen Regulier- und Spülventile sowie die Spülsimulation zur Berechnung von Spülzeiten und Spülvolumina aus. Ein Dendrit- Standard, der auch für die Kaltwasser-Zirkulation entwickelt wurde.
Der KEMPER KHS CoolFlow Kaltwasserkühler mit integrierter Pumpe und Wärmetauscher sowie das KEMPER KHS CoolFlow Kaltwasser-Regulierventil mit den drei Funktionalitäten Absperren, Spülen und thermisch Regulieren steht auch in der Simulationsperspektive zur Verfügung. Die reale physikalische Simulation ermittelt den Temperaturverlauf im Netz und gibt die hierfür benötigten Einstellungen zurück.
Darüber hinaus sind die Berechnung und Simulation von GEBERIT-Inlinersystemen, Strangzirkulationen und Strömungsteiler-Installationen ebenfalls unschlagbare Argumente, die Kaltwasser-Zirkulations-Planung mit CALHYDRA durchzuführen.
Die Ergebnisse der Simulation für die Kaltwasser-Zirkulation werden in gewohnter Weise in einem eigenständigen Simulationsreport mit zahlreichen Exportformaten ausgegeben.