125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 14/1997, Seite 35 ff.
SANITÄRTECHNIK
Zirkulationssysteme
Bemessung unter Berücksichtigung der Probleme durch Legionellen
Prof. Dipl.-Ing. Klaus Rudat* Teil 1
Das DVGW-Arbeitsblatt W 553 "Bemessung von Zirkulationssystemen in zentralen Trinkwasser-Erwärmungsanlagen" ist als Entwurf erschienen. Diese Regel ist vor allem deshalb notwendig geworden, weil mit dem Rechenverfahren der maßgebenden Norm DIN 1988 Teil 3 [1] nicht nachgewiesen werden kann, ob der von den Hygienikern geforderte und im DVGW-Arbeitsblatt W 551 [2] sanktionierte Temperaturabfall von 5 K oder weniger im gesamten Zirkulationskreislauf eingehalten wird. Zudem wurde die Gelegenheit genutzt, eine schon im Kommentar zu DIN 1988 [3] angedeutete Berechnungsmethode auf thermodynamischer Grundlage zu entwickeln, die auch die wichtigen wirtschaftlichen und betriebstechnischen Aspekte berücksichtigt. Der folgende Beitrag erläutert die Zusammenhänge und zeigt anhand von praxisnahen Beispielen die Berechnungsmethode.
Einleitung
Um an den Entnahmearmaturen relativ schnell erwärmtes Trinkwasser mit der gewünschten Temperatur und hygienisch einwandfrei - also ohne nachweisbare Kontaminationen mit Legionellen - entnehmen zu können, muß in Anlagen mit zentraler Trinkwassererwärmung die Temperatur auf einem gewünschten Niveau gehalten werden. Eine Möglichkeit ist die ständige Zirkulation des erwärmten Trinkwassers, wobei zentral im Wassererwärmer nachgeheizt wird, um die Wärmeverluste der Umlaufleitungen zu decken.
Bei der Systemauslegung von Zirkulations-Anlagen sind hygienische, wirtschaftliche und betriebstechnische Gesichtspunkte zu berücksichtigen [5].
Bild 1: Bemessungsverfahren für Zirkulationssysteme.
Hygiene
Damit sich Legionellen im System nicht vermehren, darf nach dem DVGW-Arbeitblatt W 551 die Abkühlung im gesamten Wasserumlauf nicht größer als 5 K sein, wobei in Großanlagen davon ausgegangen wird, daß am Warmwasseraustritt eine Temperatur von 60°C eingehalten wird.
Wichtig für die Systemauslegung sind also die Temperaturen des umlaufenden Warmwassers (rechnerisch zwischen 55 und 60°C; sie beeinflussen die Wärmeverluste) und die maximale Abkühlung von 5 K für den gesamten Umlauf. Sie wird benötigt, um die Volumenströme in allen Systemabschnitten berechnen zu können.
Wirtschaftlichkeit
Optimierungsrechnungen [5] weisen nach, daß es bei den hygienisch bedingten kleinen Temperaturdifferenzen von kleiner als 5 K wirtschaftlich sinnvoll ist, die volle - eine praxisgerechte Sicherheit einkalkuliert - Temperaturdifferenz auszunutzen mit dem Ziel, die Gesamtkosten der Zirkulationsanlage zu minimieren.
Betriebstechnik
Das System ist so zu bemessen, daß die rechnerisch ermittelten Volumenströme bei den jeweiligen Druckdifferenzen mit den derzeit erhältlichen Drosselventilen eingestellt werden können (Einregulierung). Dabei zeigt sich, daß wirtschaftlich ausgelegte Durchmesser für die Zirkulationsleitungen aus betriebstechnischen Gründen vielfach nicht realisiert werden können. Aus diesen Gründen wird für die Zirkulationsleitungen eine Geschwindigkeit von 0,2 bis 0,5 m/s empfohlen, obwohl das wirtschaftliche Optimum darüber liegt.
Von der Praxis werden Rechenverfahren gewünscht, die ohne großen Aufwand eine funktionsgerechte Bemessung der Bauteile ermöglicht. Die Theorie fordert - insbesondere bei größeren Anlagen - umfangreiche Rechnungen, um die Zirkulationspumpe sowie die Leitungen sicher zu berechnen und die Voreinstellungen der Drosselventile für die Baustelle vorzugeben. Ziel muß es in jedem Fall sein, die Systemkomponenten praxisgenau und zuverlässig auszulegen. Das wird - zum Teil abhängig von der Anlagengröße - mit drei Bemessungsverfahren (siehe Bild 1) erreicht:
Kurzverfahren
Bei kleinen Anlagen, beispielsweise in Ein- und Zweifamilienhäusern, führt auch eine detaillierte Berechnung - insbesondere aufgrund der Nennweitenabstufungen - immer zu den gleichen Abmessungen für das Zirkulationssystem. Deshalb werden von vornherein die Nennweiten für die Pumpe und die Leitungen angegeben.
Vereinfachtes Verfahren
Diese Methode kann für jede Anlagengröße angewendet werden. Sie hat den Vorteil, daß bei einiger Übung auch ohne EDV die Größe der Systembauteile schnell und praxisnah bestimmt werden kann. Vor allem der Verzicht auf die differenzierte Berechnung der Wärmeströme und Druckverluste vereinfacht die gesamte Rechnung.
Differenziertes Verfahren
Auch dieses Verfahren ist für jede Anlagengröße geeignet, insbesondere für die Fälle, in denen mit Hilfe der EDV die Systemparameter bemessen werden. Es unterscheidet sich vom vereinfachten Verfahren dadurch, daß hier die Wärmeverluste und die Druckverluste differenziert ermittelt werden, somit auch die Voreinstellungen der Drosselventile relativ genau berechnet werden - allerdings immer auf der Grundlage der Annahmen!
Die einzelnen Rechenschritte der beiden letztgenannten Verfahren sind in folgender Reihenfolge durchzuführen:
1. Ermittlung der Wärmeverluste der TWW-Leitungen
Das Wasser in den vom Umlauf betroffenen Warmwasserleitungen (TWW = Trinkwasser, warm) gibt Wärme an die Raumluft ab. Der Wärmestrom wird von der Übertemperatur (Warmwasser - Raumluft) und der Wärmedurchgangszahl der gedämmten Rohre beeinflußt.
2. Berechnung des Förderstromes der Zirkulationspumpe
Der Wärmeverlust der in den Zirkulationskreislauf eingebundenen TWW-Leitungen - nicht die Stichleitungen! - und die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen Wassererwärmer und Abgang der Zirkulationsleitung von der Warmwasserleitung bestimmen den Förderstrom der Zirkulationspumpe.
3. Berechnung der Teilströme
Mit dem Startwert Förderstrom der Zirkulationspumpe und den Wärmeverlusten in den Abzweig- und Durchgangswegen der Warmwasserverteilung können - beginnend am Wassererwärmer - die Teilströme an jedem Knotenpunkt des Verteilungssystems berechnet werden.
4. Bestimmung der Nennweiten für die Zirkulationsleitungen
Mit einer empfohlenen Geschwindigkeit von 0,2 bis 0,5 m/s können bei bekanntem Volumenstrom die Nennweiten für die Zirkulationsleitungen und deren Druckgefälle für die Rohrreibung mit Hilfe von R-Wert-Tabellen ermittelt werden.
5. Berechnung des Förderdruckes der Zirkulationspumpe
Für den ungünstigsten Leitungsweg muß die Pumpe die Druckverluste durch Reibung und Einzelwiderstände überwinden. Dabei sind insbesondere die teilweise hohen Ansprechdrücke der Rückflußverhinderer zu beachten.
6. Wahl der Zirkulationspumpe
Die Kennlinie der Pumpe sollte im rechnerischen Betriebspunkt (Wertepaar berechneter Förderstrom und berechneter Förderdruck) oder darüber liegen. Im letztgenannten Fall ist sicherzustellen, daß Geschwindigkeitsgrenzen nicht überschritten werden.
7. Ermittlung der Voreinstellungen für die Drosselventile
Alle Kreisläufe müssen bei den berechneten Volumenströmen die gleichen Druckverluste aufweisen. Dies kann bei hydraulisch günstiger gelegenen Strängen durch kleinere Nennweiten erreicht werden. Im Regelfall wird allerdings der überschüssige Druck durch Drosseln im Zirkulationsstrang abgebaut.
Regeln der Technik
Folgende Regeln der Technik sind bei der Bemessung von Zirkulationssystemen zu beachten:
Energieeinsparungsgesetz [6]
Dieses Gesetz schafft die Grundlage für damit zusammenhängende Verordnungen, beispielsweise der Heizungsanlagen-Verordnung.
Heizungsanlagen-Verordnung [7]
In dieser Verordnung zum Energieeinsparungsgesetz werden im § 6 die Dicken für die Wärmedämmung von Wärmeverteilungsanlagen und damit auch für die vom Umlauf betroffenen Warmwasser- und Zirkulationsleitungen (siehe § 8 der gleichen Verordnung) festgelegt und zwar bezogen auf eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit. Bei den o.g. Berechnungsmethoden wird davon ausgegangen, daß die Umlaufleitungen nach den Angaben dieser Verordnung gedämmt sind.
DIN 1988 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI)
Im Teil 3 [1] wird ein Rechenverfahren angegeben, daß vom Ansatz her nicht für den Nachweis einer maximal zulässigen Abkühlung geeignet ist. Im Kommentar [3] zu dieser Norm wird zudem darauf hingewiesen, daß der Aspekt "Legionellen" noch außer Betracht bleibt. Weiter wird freigestellt, differenzierte Berechnungsmethoden auf thermodynamischer Grundlage anzuwenden.
Die in der Einleitung genannten Rechenverfahren basieren auf den Grundgleichungen der Thermodynamik und berücksichtigen das Problem Legionellen in Trinkwassersystemen.
DVGW-Arbeitsblatt W 551 [2]
Dieses Arbeitsblatt gilt für Neuanlagen. Hinsichtlich der Auslegung von Zirkulationssystemen ist der Punkt 5.2 wichtig. Danach sind die Systeme so zu betreiben, daß die Wassertemperatur im System um nicht mehr als 5 K gegenüber der Austrittstemperatur des Trinkwassererwärmers unterschritten wird. Voraussetzung dafür ist, daß die Systeme auch so bemessen werden, daß rechnerisch die zulässige Abkühlung nicht überschritten wird.
DVGW-Arbeitsblatt W 552 [8]
Dieses Arbeitsblatt gilt im wesentlichen für die Sanierung von mit Legionellen kontaminierten Altanlagen. Auch hier wird bei der Sanierung durch betriebstechnische Maßnahmen gefordert, daß sich das zirkulierende Warmwasser um höchstens 5 K abkühlt.
DIN 4701 Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden [9]
In dieser Norm werden die Lufttemperaturen für beheizte und unbeheizte Räume angegeben. Sie werden benötigt, um beim differenzierten Rechenverfahren die Wärmeverluste der Umlaufleitungen für den Auslegungsfall (bei der größten Übertemperatur, das heißt der kleinsten Raumlufttemperatur) ermitteln zu können.
| Bild 2: Maximale Längen beim Kurzverfahren. |
Kurzverfahren
Für nahezu alle kleineren Zirkulationsanlagen, beispielsweise in Ein- und Zweifamilienhäusern, ist es nicht notwendig und auch praxisfern, die Abmessungen nach der vereinfachten oder differenzierten Rechenmethode zu ermitteln. Vielmehr ist für diese Fälle das Kurzverfahren geeignet, wobei die Anlage bestimmte Voraussetzungen erfüllen muß:
Die Länge aller vom Umlauf betroffenen Warmwasserleitungen (Trinkwasser warm, TWW) darf 40 m nicht überschreiten (siehe Bild 2). Die Länge der Zirkulationsleitung (TWZ) wird nicht mitgerechnet! Es werden nur die Warmwasserleitungen berücksichtigt, weil bei allen Rechenansätzen sinnvollerweise nur die Temperaturdifferenz entlang der Warmwasserwege als Bemessungsgröße verwendet wird (siehe Abschnitt "Berechnung des Förderstromes der Zirkulationspumpe"). Bei der üblichen unteren Verteilung darf beim Kurzverfahren demnach die Gesamtlänge der Umlaufleitungen (TWW und TWZ) nicht größer als 100 m sein.
Der längste Fließweg für eine Zirkulationsleitung darf höchstens 20 m betragen (siehe Bild 2). Als ein Fließweg gilt der Weg des Wassers vom Abgang der Zirkulationsleitung von der Warmwasserleitung bis zum Eintritt in den zentralen Wassererwärmer. Diese Grenze muß vorgegeben werden, damit der Förderdruck der Zirkulationspumpe mit der Nennweite DN 15 ausreicht, die Druckverluste zu überwinden.
Werden diese Grenzen beachtet, dann haben die einzelnen Bauelemente mindestens folgende Innendurchmesser oder Nennweiten:
Zirkulations-Einzelleitung: DN 10 mm
Zirkulations-Sammelleitung: DN 10 mm
Zirkulationspumpe: DN 15 (Förderdruck mind. 120 mbar bei 200 l/h)
Dabei versteht man unter einer Zirkulations-Einzelleitung die von einer (in der Regel) Warmwasser-Steigleitung abzweigende Zirkulationsleitung, unter einer Zirkulations-Sammelleitung einen Leitungsabschnitt, zu dem mindestens zwei Zirkulations-Einzelleitungen führen.
Ist als Rohrwerkstoff Kupfer vorgesehen, muß nach DIN 1988 sichergestellt sein, daß wegen möglicher Erosionskorrosionsschäden an keiner Stelle in den Zirkulationsleitungen die Geschwindigkeit mehr als 0,5 m/s beträgt. Da mit dem Kurzverfahren die Strömungsgeschwindigkeiten nicht berechnet werden, ist für diesen Fall eine Überprüfung nur mit einem der beiden anderen Rechengänge möglich. Werden andere Rohrwerkstoffe eingesetzt, kann auf diesen Nachweis verzichtet werden.
| Bild 3: Strangschema Beispiel 1 (Zweifamilienhaus). |
Beispiel 1: Zweifamilienhaus
Berechnungsgrundlagen
In Bild 3 ist das Strangschema für die zentrale Trinkwasser-Erwärmungsanlage (TEA) in einem Zweifamilienhaus dargestellt. Das Trinkwasser wird in einem gemeinsamen Speichersystem erwärmt und über Rohre aus nichtrostendem Stahl den Zapfstellen zugeführt. Die Nennweiten der Verbrauchsleitungen sind nach DIN 1988 Teil 3 berechnet worden; die Nennweite, Länge und Lage der TWW-Teilstrecken sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1: Nennweite, Lage und Länge der TWW-Leitungen (Trinkwasser, warm) für Beispiel 1
TWW-Teilstrecke | DN | l in m | Lage | |
Teillänge in m | Keller oder Schacht | |||
TS 1 | 25 | 3,0 | 3,0 | Keller |
TS 2 | 20 | 2,0 | 1,0 | Keller |
TS 3 | 20 | 3,0 | 3,0 | |
TS 4 | 20 | 1,0 | 1,0 | Keller |
TS 5 | 12 | 2,0 | 1,0 | Keller |
TS 6 | 20 | 6,5 | 6,5 | Keller |
TS 7 | 20 | 2,5 | 1,5 | Keller |
TS 8 | 20 | 3,0 | 3 | |
TS 9 | 12 | 3,5 | 2,5 | Keller |
Gesamtlänge der TWW-Umlaufleitungen | 26,5 | 26,5 | ||
Bemessung des Zirkulationssystems
Auch die Zirkulationsleitungen sollen aus nichtrostendem Stahl bestehen. Zunächst ist zu prüfen, ob das Kurzverfahren angewendet werden darf. Dazu wird die Gesamtlänge aller vom Umlauf betroffenen TWW-Leitungen ermittelt. Sie beträgt 26,5 m und ist damit kleiner als die maximal zulässige Länge von 40 m. Weiterhin darf der längste Fließweg wegen der Druckverluste höchstens 20 m betragen, im vorliegenden System ist er 16 m (TS Z3, Z5, Z6 und Z7). Damit darf das System mit dem Kurzverfahren bemessen werden.
Für die Zirkulationsleitungen werden folgende Nennweiten gewählt:
Teilstrecke TS | Nennweite DN |
Z1 | 12 |
Z2 | 12 |
Z3 | 12 |
Z4 | 12 |
Z5 | 12 |
Z6 | 12 |
Z7 | 12 |
Die Zirkulationsleitungen erhalten alle die Nennweite DN 12.
Die Zirkulationspumpe hat die Nennweite DN 15. Wegen der stark differierenden Längen der Fließwege vom Zirkulationsabgang zum Wassererwärmer [z.B. ist die Länge beim Strang 1 (TS Z1 und Z7) 8 m, dagegen beim Strang 3 (TS Z3, Z5, Z6 und Z7) 16 m] ist es ratsam, Drosseln vorzusehen, um kleinere Volumenströme für die kürzeren Stränge einzustellen. Mit einiger Erfahrung können für diesen Fall ohne Berechnung der Voreinstellung der Durchfluß an den Ventilen reguliert werden. Die Kontrolle sollte über einen Anlegefühler erfolgen, mit dem die Temperatur an der Rohroberfläche erfaßt wird.
Muß bei einem anderen Rohrwerkstoff nachgewiesen werden, daß in allen Teilstrecken eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschritten wird (beispielsweise wegen möglicher Schäden durch Erosionskorrosion), dann ist das vereinfachte Rechenverfahren anzuwenden. Mit ihm lassen sich dann auch die "exakten" Voreinstellungen bestimmen, wie sie im zweiten Teil dieses Beitrages im Abschnitt "Vereinfachtes Verfahren" beschrieben werden. (Fortsetzung folgt)
*Der Autor der vorliegenden Veröffentlichung ist Mitglied des DVGW-Arbeitskreises "Ermittlung der Rohrdurchmesser für Zirkulationssysteme" und Verfasser grundlegender Arbeiten [4,5] zur Zirkulation in zentralen Trinkwasser-Erwärmungsanlagen.
L i t e r a t u r :
[1] DIN 1988 Teil 3: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen; Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW. Berlin: Beuth Verlag, 1988.
[2] DVGW-Arbeitsblatt W 551: Trinkwassererwärmungs- und Leitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums. Eschborn: DVGW, März 1993.
[3] Boger, G., Heinzmann, H., Otto, H., Radscheit, W.: Kommentar zu DIN 1988 Teile 1 bis 8. Berlin: Beuth, 1989.
[4] Rudat, K.: Berechnungsverfahren für Zirkulationssysteme in zentralen Trinkwasser-Erwärmungsanlagen. Teil 1: Gesundheitsingenieur (GI) 1991, H.6, S.296-305; L Teil 2: GI 1992, H. 1, s. 24-30; Teil 3: GI 1992, H. 3, S. 137-142.
[5] Rudat, K.: Bemessung von Zirkulationssystemen unter Beachtung wirtschaftlicher, betriebstechnischer und hygienischer Anforderungen. IKZ-HAUSTECHNIK 49 (1994), Teil 1: H. 16, S. 26-34, Teil 2: H. 18, S. 21-36, Teil 3: H. 19, S. 28-31, Teil 4: H. S. 38-48.
[6] Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden (Energieeinsparungsgesetz-EnEG) vom 22. Juli 1976 geändert durch Erstes Gesetz zur Änderung des Energieeinsparungsgesetzes vom 20. Juni 1980.
[7] Verordnung über energiesparende Anforderungen an heizungstechnische Anlagen und Brauchwasseranlagen (Heizungs-Anlagen-Verordnung-HeizAnlV) vom 22. März 1994 (BGBl. I S. 613), in Kraft getreten am 1. Juni 1994.
[8] DVGW-Arbeitsblatt W 552: Trinkwassererwärmungs- und Leitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Sanierung und Betrieb. Eschborn: DVGW, April 1996.
[9] DIN 4701 Teil 1 bis 3: Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden. Berlin: Beuth Verlag 1983 (Teil 1 und 2) und 1989 (Teil 3).
[10] Bösch, K., Fux, O.: Warmwasserversorgungsanlagen heute. Aarau (Schweiz): AT-Verlag 1984.
[11] Feurich, H.: Sanitärtechnik. 7 erw. Auflage. Düsseldorf: Krammer Verlag, 1995.
[12] Diehl, E.: Zirkulationsleitungen kurz und bündig. IKZ-HAUSTECHNIK 18 (1993), S. 72-78.
[13] DIN 1988 Teil 4: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen; Schutz des Trinkwassers, Erhaltung der Trinkwassergüte; Technische Regel des DVGW. Berlin: Beuth Verlag, 1988.
[14] kabelmetal: WICU-Arbeitsbroschüre Teil III. Osnabrück: kabelmetal, 1986.
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