Temperatur unter Kontrolle

Angesichts der Bedeutung der Wassertemperaturen für das Entstehen und Anhalten von Legionellenkontaminationen in Trinkwasser-Installationen werden einer Auswertung von rund 70 Gefährdungsanalysen zufolge die Temperaturmessungen zu selten, zu unsys­tematisch, fachlich falsch und meist nur schlecht dokumentiert durchgeführt. Welche Anforderungen bei Temperarturmessungen bestehen und wie diese durchzuführen sind, beschreibt der Beitrag.

Der Umgang mit der Legionellenproblematik hat sich mit der Änderung der TrinkwV 2012 [1] in mehreren Bereichen stark verändert, da aufgrund der Untersuchungspflicht für gewerbliche und öffentliche Gebäude und dem Technischen Maßnahmenwert eine Vielzahl von Gefährdungsanalysen erforderlich wurden, die wiederum zu vermehrten Sanierungsaktivitäten bei TW-Installationen führten. Die einschlägige Empfehlung des Umweltbundesamtes zur Durchführung von Gefährdungsanalysen (GFA) von August 2012 [2] führt in Abschnitt 6 „Durchführung und Ablauf der Gefährdungsanalyse“ unter Punkt 3 aus: „Überprüfung wichtiger Betriebsparameter (insbesondere Temperatur an endständigen Entnahmestellen, in der Zirkulation und in der Warmwasserbereitung, siehe auch VDI 6023, DIN EN 806, DIN 1988 und DVGW W 551 sowie W 553).“ Es wird in der Empfehlung somit nicht näher erläutert, welche Anforderungen an die Temperaturmessungen zu stellen sind.
Mit Blick auf das DVGW-Arbeitsblatt W 551 [3] stellt man allerdings auch hier fest, dass keine Angaben zur Durchführung von Temperaturmessungen enthalten sind. Allerdings ist seitens des DVGW geplant, in nächster Zeit ein Beiblatt dazu herauszugeben, in dem u. a. auch die Technik der erweiterten Temperaturmessung im Sanierungsfall thematisiert werden soll.
Es ist zunächst festzustellen, dass Trinkwasser-Installationen mit Trinkwassererwärmern (TWE) im Allgemeinen eine ausgeprägte tägliche Dynamik der Temperaturverläufe aufweisen, die eine entsprechend angepasste Temperaturmesstechnik erfordert. Das kann je nach Region, Bauwerk, Nutzung und Umgebungseinflüssen auch für das nicht erwärmte Trinkwasser gelten. Häufig sind vor Ort keine Bestandspläne oder Bauunterlagen verfügbar. In diesen Fällen können Temperaturmessungen, die bestimmte Abhängigkeiten aufzeigen, sehr hilfreich sein.
Die Temperaturmessung mit anlagenseitig vorhandenen Bimetall-Thermometern an Leitungen und Apparaten wird hier nicht behandelt, da die Ungenauigkeit und begrenzte Anzahl solcher Thermometer sowie das Fehlen aufzeichnender Techniken eine befriedigende Aussagen in der Praxis meist unmöglich machen.

Erfahrungen aus der Praxis
68 GFA aus dem Zeitraum zwischen Februar 2012 und März 2014 wurden vom Autor hinsichtlich der Erfüllung der Anforderungen des UBA ausgewertet [4]. 57 der 68 GFA betrafen TW-Installationen aus Frankfurt am Main, die übrigen stammten aus dem Großraum Köln/Ruhrgebiet. Für die Evaluation wurden auf der Basis der UBA-Empfehlung und des DVGW-Arbeitsblattes W 551 technische und verfahrensbezogene Prüfpunkte definiert und alle GFA zu ihren diesbezüglichen Inhalten überprüft. Hinsichtlich der gutachterlichen Temperaturmessungen ergaben sich die in Tabelle 1 enthaltenen Feststellungen.
In 12 GFA (17,6 %) wurden keine eigenen Temperaturmessungen dokumentiert. Mitunter wurden unter der Überschrift „Temperaturmessungen“ die Temperatur­angaben aus den Legionellenuntersuchungen eingesetzt, was aufgrund der Beschreibungen der Probennahmestellen klar erkannt werden konnte. In diesen Fällen fehlten meist die Temperatur­angaben bei der Dokumentation der orientierenden Untersuchung.
Angesichts der Bedeutung der Wassertemperaturen für das Entstehen und Persistieren von Legionellenkontaminationen in TW-Installationen wurden die Temperaturmessungen zu selten, zu unsystematisch, fachlich falsch und meist nur schlecht dokumentiert durchgeführt.
So haben z. B. nur wenige Gutachter die von ihnen eingesetzte Messtechnik beschrieben. Da aber je nach verwendeter Messtechnik große Ungenauigkeiten entstehen können (z. B. Infrarot-Pistolenmessungen im Vergleich zu temporär fest montierten Thermosensoren mit Wärmeleitfähigkeitspaste) sind diese Ergebnisse fragwürdig.
Häufig werden die sporadisch durchgeführten Temperaturmessungen auch überinterpretiert. So darf die Temperaturdifferenz zwischen dem Warmwasser am Ausgang des TWE und der Zirkulationstemperatur am TWE nach dem technischen Regelwerk [3] 5 Kelvin (K) nicht überschreiten. Die einmalige Bestimmung dieser Temperaturdifferenz zum fast gleichen Zeitpunkt am TWE (am Ausgang des Warmwasser und an der Einführung der Zirkulation), wie es die meis­ten Sachverständigen getan haben, führt zwangsläufig zu Beurteilungsfehlern, da so die spezifische Umlaufzeit der Zirkulation [5] nicht berücksichtigt werden kann. Eine Prüfung der 5-K-Regel ist aufgrund der thermischen Dynamik in Warmwassersystemen nur mittels Datenlogging mindestens über mehrere Tagesstunden möglich.

Welche grundsätzlichen Temperatur-Messtechniken gibt es?
Es sind eine Reihe Thermo-Sensoren unterschiedlicher Funktionsweisen verfügbar, die sich für den mobilen Einsatz hervorragend eignen. Besonders für mobile Einsatzzwecke verbreitet sind Platin-Widerstandsfühler und Thermoelemente des Typs K in den verschiedensten Anwendungsformen [5].

Direktmessungen im Trinkwasser
Direktmessungen der Wassertemperaturen finden in der Trinkwasserhygiene in der Regel als Auslauftemperatur-Messungen an Verbrauchsstellen statt, üblicherweise im Rahmen von Legionellen-Probennahmen. Hierzu werden meist Eintauchthermometer verwendet, die je nach Hersteller verschiedene Sensortypen haben können. Auch Alkohol- oder Quecksilberthermometer werden mitunter noch eingesetzt. Zur Aufzeichnung von Temperaturverläufen eignen sie sich nicht.

Kontaktmessungen
Bei Kontaktmessungen wird der Sensor auf ein vom Trinkwasser durchflossenes Bauteil händisch aufgesetzt („Spotmessung“) oder temporär befestigt („Permanentmessung“) und aus dem Messergebnis auf die Temperatur des strömenden Mediums geschlossen. Solche Sensoren werden auch als „Anlegefühler“ oder „Anlegethermometer“ bezeichnet. Entsprechende Messvorrichtungen gibt es als Hand-Geräte (Bild 1) oder als temporär zu montierende Mess­einheiten (Bild 2). Je nach Hersteller und Einsatzzweck können diese Messvorrichtungen mit auslesbaren Datenspeichern oder mit Datenfernübertragungseinheiten (Telemetrie) ausgestattet sein.

Berührungslose Messtechniken
Oberflächen von Materialien emittieren eine ihrer Eigentemperatur proportionale elektromagnetische Strahlung, zum Teil auch im Infrarotbereich. Diese Strahlung kann im Allgemeinen zur Temperaturmessung verwendet werden. Eine im Praxiseinsatz problematische Größe ist der Emissionsgrad der zu messenden Oberfläche, der von der Oberflächenbeschaffenheit, von der Temperatur, von der Wellenlänge und anderen Faktoren abhängig ist, wobei Metalle in der Regel einen niedrigen, stark von der Oberflächenbeschaffenheit abhängigen und zu längeren Wellenlängen hin abfallenden Emissionsfaktor aufweisen. Die im Laborversuch ermittelten Emissionsfaktoren, die den Messeräten als Tabelle oder Voreinstellung mitgegeben werden, können aber störende Umgebungseinflüsse wie nicht intakte Oberflächen und anderes nicht berücksichtigen, was zu erheblichen Fehlern bei der Messung „vor Ort“ oder zu zeitaufwendigen Validierungen führen kann. Die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung kann in definierten, stets gleich bleibenden Messaufgaben und -umgebungen ihre Berechtigung haben, für die permanent wechselnden räumlichen und werkstoffmäßigen Situationen in der trinkwasserhygienischen Gutachterpraxis aber eher nicht.

Worauf kommt es an?
Temperaturanalysen im Rahmen von Gefährdungsanalysen und Legionellen-Sanierungen erfordern Messsysteme mit den folgenden Eigenschaften:

• Temperaturmessungen über längere Zeiträume (Stunden, Tage),
• hinreichend genaue Messtechnik
• (Gesamtfehler +/- 1 °C),
• an beliebigen Stellen durchführbare Messung,
• einfache Montage und Demontage,
• gut ablesbare Temperatur-Anzeige,
• Messwertspeicherung,
• einfache Datenausgabe und Visualisierung.

Diese Forderungen sind nur durch Permanentmessungen mit Datenloggern, gekoppelt mit entsprechend tauglichen Sensoren, erfüllbar.
Der sichere Kontakt des Sensors mit der Oberfläche des Messobjekts hat eine große Bedeutung für die Genauigkeit der Temperaturmessung. Da man aus der Bauteil­oberflächentemperatur auf die Temperatur des darin befindlichen Wassers schließen will, muss das Wasser im Bauteil turbulent strömen und das Bauteil-Wandmaterial metallisch sein. Wegen der unklaren Wärmeübergänge sind solche Messungen an Verbundrohren und Kunststoffrohren derzeit nicht ohne Weiteres zu empfehlen. An die Sensormontage sind folgende Anforderungen zu stellen:

• Gleichmäßiger und bei jeder Messung möglichst gleicher Anpressdruck des Sensors an der Messobjektoberfläche.
• Schutz vor unbeabsichtigten Bewegungen des Sensors, z. B. durch Vibrationen.
• Leichte Montage und Demontage (z. B. auch bei Über-Kopf-Montage).
• Möglichst geringe Abmessungen (problemlose Montage an Leitungssträngen bei geringem Platzangebot).
• Möglichkeit zum Anbringen einer thermischen Isolation zum Schutz vor Außentemperatureinflüssen (Wärmeableitfehler, Erwärmung).

Zur Befestigung des Sensors auf dem Rohr stehen grundsätzlich drei Varianten zur Verfügung:

• mit Schlauchschelle, Kette oder Klettband,
• mit rohrumschließenden, festen Halterung sowie
• kleben.

Bei den Datenlogger-Systemen kann unterschieden werden in Geräte mit stationärer Datenspeicherung vor Ort und Messwert-Fernübertragung mit Online-Anzeige (Telemetrie). Die Spannbreite der Kosten heute verfügbarer Datenlogger-Systeme liegt derzeit zwischen etwa 100 Euro und mehreren Tausend Euro.
Im Bereich niedriger Kosten sind Kontaktthermometer (Anlegefühler) mit direkter Anzeige vertreten, in einem breiten mittleren Preissegment finden sich Datenlogger mit bis zu vier Anschlüssen für Sensoren, im oberen Preissegment Telemetriesysteme mit bis zu 99 Sensoren pro Mess­einheit, was den Preis stark relativiert. Immer werden Schnittstellen für Berechnungs- und Anzeigeprogrammen mitgeliefert, bei den teureren Systemen auch die entsprechenden Programme.
Der Vorteil von Telemetriesystemen ist, dass von einem beliebigen Arbeitsplatz aus alle Messwerte abgerufen und in Diagrammform direkt online angezeigt werden können. Somit sind die momentanen Effekte von Sanierungsmaßnahmen, z. B. zentrale Temperaturerhöhungen, Dämmungsmaßnahmen oder Änderung der Betriebszeiten der Zirkulationspumpe, sofort kontrollierbar, denn es entfallen der Weg zum lokalen Datenlogger vor Ort, die Entnahme des Speicherchips, dessen Transport ins Büro und die Speicherung und grafische Umsetzung auf dem Arbeitsplatzrechner (Bild 3).

Weitere Einsatzmöglichkeit von Telemetriesystemen
Eine weitere sinnvolle Einsatzmöglichkeit von Telemetriesystemen außerhalb von Gefährdungsanalysen oder Sanierungen ist die Nutzung im Rahmen der dokumentierenden Gebäudeautomation (DGA). Der Begriff DGA wurde gewählt, da sich die mobilen Telemetriesysteme auf die Messung verschiedener Parameter beschränken, Regelungs- oder Steuerungskomponenten aber nicht integriert sind.
DGA kann z. B. im Rahmen der Umsetzung eines Water-Safety-Plans (WSP) für Gebäude [6] oder z. B. zum sicheren Weiterbetrieb einer aufwendig sanierten, anfälligen Trinkwasser-Installation erfolgen. So wird es möglich, die „Critical Checkpoints“ des HACCP-Konzeptes, auf dem der WSP basiert, zu erfassen [7]. Hierunter sind vor allem die Temperaturen des erwärmten und nicht erwärmten Trinkwassers an kritischen Stellen der Installation zu verstehen, die permanent zu überwachen und ggf. zu korrigieren sind, und einen thermisch einwandfreien Betrieb zu erreichen. Gegenüber fest verbauten Elementen der DGA besteht bei Telemetriesystemen der Vorteil, dass die Mess­punkte leicht und kostenfrei lokal verändert werden können und so an neue Fragestellungen anpassbar sind.
Die Anzahl der explizit für Temperaturmessungen an TW-Installationen vorgesehenen Telemetrie-Komplettsystemen in Deutschland dürfte begrenzt sein. Der Autor hat gute Erfahrungen mit einem Telemetriesystem gemacht, das in Finnland zunächst zur Überwachung von Raumtemperaturen in Wohnhäusern entwickelt wurde. Für dieses System wurden Sensorhalterungen entwickelt, die Temperaturmessungen auf metallischen Rohren und anderen Metall-Bauteilwandungen mit nur geringen Messfehlern erlauben [8]. Mit diesem System können im Vollausbau max. 99 Sensoren betrieben werden, wobei jeder Sensor mit zwei voneinander getrennten Thermofühlern ausgestattet ist. Damit können theoretisch 198 Messstellen einer einzigen TW-Installation gleichzeitig vermessen werden. Nach den bisher vorliegenden Erfahrungen sind Systeme mit 10 bis 15 Sensoren, die für 20 bis 30 Messstellen einer einzigen TW-Installation ausreichen, schon sehr gut geeignet.

Praxisbeispiele
Im Folgenden werden einige in der Praxis stammende Temperaturdiagramme vorgestellt und interpretiert.

Fall 1: Rechnerische Überprüfung der 5-K-Regel
Derzeit existiert keine Vorgabe zur Ermittlung der 5-K-Regel im technischen Regelwerk. Mit den Daten aus Permanentmessungen kann man aber sehr leicht zu nachprüfbaren Aussagen kommen, indem man die Mittelwerte der Temperaturen aus dem TWE abgegebenen Trinkwassers und des in den TWE eintretenden Trinkwassers aus der Zirkulation miteinander vergleicht, wobei die Zeiträume einer eventuell. praktizierten Nachtabschaltung oder der Zirkulationspumpe nicht berücksichtigt werden. Die hier vorgestellten Messungen erfolgten mit der Telemetrie-Technik des finnischen Unternehmens SiMAP [8]. Als Sensoren kommen bei diesem System Widerstandsthermometer vom Typ „PT 1000“ zum Einsatz. Mittels eines Tabellenkalkulationsprogramms wurden aus den mit Telemetrie aufgezeichneten Temperaturdaten die Maximalwerte, Minimalwerte und Mittelwerte ermittelt (Tabelle 2). Die Maximal-und Minimalwerte dienen zur Kontrolle der Spannweite der Temperaturdaten, der Mittelwertvergleich zwischen PWH (erwärmtes TW) und PWH-C (erwärmtes TW – Zirkulation) liefert den Wert von ∆T, jeweils bezogen auf den Messtag.

Fall 2: Feststellung der Temperaturniveaus in verschiedenen Bereichen einer TW-Installation
Zur Sanierungsvorbereitung, zum hydraulischen Abgleich, zur Erkennung von Zirkulations- und Dämmungsmängeln und ähnlichen Aufgaben müssen die Temperaturverläufe an den entsprechenden Stellen der Trinkwasser-Installation ermittelt werden. Die aus der Permanentmessung resultierenden Graphen zeigen sehr deutlich den Temperaturgang über die Messdauer (z. B.
1 Tag) und je nach Platzierung der Sensoren auch aufschlussreiche Temperaturdifferenzen in verschiedenen Bereichen oder Strängen der TW-Installation. In letzter Zeit fällt auf, dass es vermehrt zu problematischen Kaltwassertemperaturen kommt, vermutlich durch Erhöhung der zentralen Warmwassertemperatur ohne gleichzeitige Ertüchtigung der Isolation. Aus diesem Grund ist auch die Betrachtung der Kaltwasser-Installation mit Datenlogger-Messungen eine lohnende Informationsquelle im Rahmen der sanierungsbezogenen Messtätigkeit. Die hier vorgestellte Messung erfolgte auch mit der Telemetrie-Technik von SiMAP [8].
Das Beispiel 1 zeigt Temperaturverläufe des Zirkulations-Eingangs am TWE sowie der Zirkulationsleitungen im 2. OG, 4. OG und 5. OG eines Altenpflegeheims über sechs Tage. Die TW-Installation ist mit thermostatischen Regulierventilen ausgestattet (Bild 4). Das Beispiel 2 zeigt einen Anstieg der Kaltwassertemperaturen mit der Stockwerks­höhe (Bild 5).

Fall 3: Bestimmung der Ausstoßzeiten
Die Ausstoßzeit ist die Zeit, bis nach dem vollen Öffnen der Armatur einer Warmwasser-Entnahmestelle die maximale Warmwasser-Temperatur und bei einer Kaltwasserentnahmestelle die niedrigste Kaltwassertemperatur ansteht. In DIN 1988-200 [9] ist festgelegt, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb:

• maximal 30 Sekunden nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle die Temperatur des Trinkwassers kalt 25 °C nicht übersteigen darf und
• maximal 30 Sekunden nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle die Temperatur des Trinkwassers warm mindestens 55 °C betragen muss.

Diese Regel ist auch trinkwasserhygienisch interessant, denn mit ihr kann die Qualität der Zirkulation und des Leitungsnetzes insgesamt hygienisch bewertet werden. Schon mit einfachen Datenloggern und Einstichthermometern, die in den Wasserstrahl des aus der Armatur austretenden Wassers gehalten werden, lassen sich die Ausstoßzeiten leicht bestimmen und, was noch wichtiger ist, kritische Leitungsteile der TW-Installation identifizieren.
In Bild 6 werden Ausstoßzeiten von 13 Entnahmestellen für Warmwasser eines modernen Hotels dargestellt. Bild 7 zeigt Ausstoßzeiten von neun Entnahmestellen für nicht erwärmtes Trinkwasser eines älteren Hotels.

Resümee und Ausblick
Die thermische Dynamik von Trinkwasser-Installationen erfordert Messtechniken, die diese Dynamik auch abbilden können. Wie gezeigt werden konnte, sind hier Permanentmessungen, gekoppelt mit Datalogging, unabdingbar. Insofern ist ein Umlernen vieler mit Trinkwasser-Installationen beschäftigten Experten nötig, denn die hier dargestellten Grundlagen und Methoden sind längst noch nicht überall gängiges Wissen. Notgedrungen erfordern Datalogging-Messungen, gleichgültig ob mit konventionellen Methoden oder in Form von Telemetrie, einen höheren Arbeitsaufwand und höhere Gerätekosten als bisher. Dem stehen aber
bessere und transparente Daten gegenüber, die die Möglichkeit einer kompetenteren Beurteilung und damit die Fokussierung der Sanierungstätigkeit ermöglichen.

Literatur:
[1] Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 2. August 2013 (BGBl. I S. 2977), die durch Artikel 4, Absatz 22, des Gesetzes vom 7. August 2013 (BGBl. I S. 3154) geändert worden ist
[2] UBA-Empfehlung „Systemische Untersuchungen von Trinkwasser-Installationen auf Legionellen nach Trinkwasserverordnung“; Empfehlung des Umweltbundesamtes nach Anhörung der Trinkwasserkommission vom 23. August 2012
[3] DVGW W 551 (A), Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen
[4] Hentschel W.; Heudorf U., Voigt K., Westphal T.: Umsetzung der TrinkwV - Evaluation von 68 Gefährdungsanalysen nach § 16 Abs. 7 der TrinkwV 2001, (Publikation In Vorbereitung, weitere Informationen beim Verfasser)
[5] Hentschel W: Temporäre Temperaturmessungen an Trinkwasser-Installationen, DVGW Energie Wasserpraxis 2014
[6] Water Safety Plans in Public Buildings, 2010, World Health Organization, Geneva
[7] Umweltbundesamt: Das Water-Safety-Plan-(WSP)-Konzept für Gebäude der Weltgesundheitsorganisation – Bewertung des WSP-Konzeptes und seiner Anwendbarkeit für die Trinkwasser-Installation für Gebäude in Deutschland, Oktober 2009
[8] ENERSOR GmbH, www.enersor.com
[9] DIN 1988-200 (Ausgabe Mai 2012): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW, Beuth-Verlag, Berlin

Autor: Dipl.-Ing. Wolfgang Hentschel, Frankfurt a.M.

Bilder: Wolfgang Hentschel