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Fachartikel
29. November 2018

Versorgungssysteme

Erhöhte Trinkwassertemperaturen

Erfahrungen der letzten Jahre aus der Praxis haben gezeigt, dass Trinkwassertemperaturen über 25 °C bereits in den Wasserrohrnetzen auftreten und eine hygienisch einwandfreie Trinkwasserversorgung gefährden können. Mit Messungen in den Bereichen Wassergewinnung, -aufbereitung, -speicherung, -verteilung und Hausanschlüsse sowie der Erfassung von Luft- und Bodentemperaturen geht ein Forschungsprojekt den Ursachen der erhöhten Temperaturen auf den Grund.
Esad Osmancevic, Ralf Friedmann, Matthias Engelfried, 

Im Zuge der Durchführung von regelmässigen Spülungen im Wasserrohrnetz [1] hat der Zweckverband für Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe erhöhte Trinkwassertemperaturen festgestellt. Technische Regeln (DIN EN 806-2:2005) fordern eine maximale Kaltwassertemperatur in Hausinstallationen von 25 °C, dreissig Sekunden nach dem Öffnen einer Entnahmearmatur. Aufgrund tatsächlich gemessener Wassertemperaturen von über 25 °C in den Sommermonaten, bereits im Bereich der Versorgungsleitungen, kann diese Vorgabe nicht ganzjährig erfüllt werden. Negative Auswirkungen auf chemisch-physikalische sowie mikrobiologische Prozesse der Trinkwasserversorgung können letztlich zur Beeinträchtigung der Trinkwasserqualität führen.

Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts (gefördert durch die EnBW) untersucht die Hochschule Rottenburg a. Neckar, in Kooperation mit der Hochschule Esslingen sowie der Universität Stuttgart, die Ursachen für die Erwärmung des Trinkwassers im Versorgungssystem des Zweckverbands. In der fachlichen Betreuung wird sie durch die RBS wave GmbH unterstützt, bei der fachpraktischen Datenermittlung durch den Zweckverband für Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe. Der nachfolgende Fachartikel ist ein Auszug der Bachelorthesis von Benedikt Gottschall (Hochschule Esslingen) und beinhaltet Grundlagen sowie erste Ergebnisse des Forschungsprojekts, das – aufgeteilt in mehrere Projekte – an den jeweiligen Hochschulen und der Uni Stuttgart erarbeitet wird.

Rahmenbedingungen und Regelwerke 

In der alten deutschen Trinkwasserverordnung (Verordnung über Trinkwasser und über Wasser für Lebensmittelbetriebe, Fassung vom 5.12.1990) war ein Grenzwert für die Trinkwassertemperatur von 25 °C (Kaltwasser) festgeschrieben. Seit der Neufassung 2001 ist der Grenzwert nicht mehr Bestandteil der Trinkwasserverordnung [2].

Die DIN 2000 fordert kühles Trinkwasser [3]. Beim Bau von Trinkwasserspeichern ist gemäss DVGW W 300-1 darauf zu achten, dass das gespeicherte Wasser keine unzulässige Veränderung durch Erwärmung oder Abkühlung erfährt [4].

Eine konkrete Angabe zur Trinkwassertemperatur findet sich in der DIN EN 806-2: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen. Dreissig Sekunden nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle soll die Kaltwassertemperatur 25 °C nicht übersteigen [5]. Dieselbe Angabe einer maximalen Kaltwassertemperatur ist zudem in der DIN 1988-200 und der Richtlinie VDI/DVGW 6023: Hygiene in Trinkwasser-Installationen; Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung zu finden [6, 7].

Zusammenfassend besteht derzeit kein rechtlich verbindlicher Grenzwert für eine maximale Trinkwassertemperatur. Der Grenzwert von 25 °C der alten Trinkwasserverordnung findet sich aber in verschiedenen technischen Regeln wieder. Es gibt keine klar definierten Vorgaben über die Trinkwassertemperatur im Trinkwasserversorgungssystem. Abgesehen von üblichen Überdeckungshöhen (vgl. DVGW W 397) und Abständen zu anderen Leitungen (vgl. DVGW W 400-1) sind keine Vorgaben und Empfehlungen vorhanden, wie bei erhöhten Trinkwassertemperaturen massgebende Ursachen festgestellt und Massnahmen abgeleitet werden können.

Ursachen und Folgen erhöhter Trinkwassertemperaturen

Die Grenzen des Temperaturfensters in der Trinkwasserversorgung ergeben sich einerseits aus der Frostsicherheit (Winterfall) und andererseits aus einer unzulässig hohen Erwärmung von über 25 °C (Sommerfall). Die massgebenden Faktoren zur Beeinflussung der Trinkwassertemperatur im gesamten Wasserversorgungssystem sind das Klima, die örtlichen Verhältnisse und betriebliche Rahmenbedingungen.

Klimatische Einflussfaktoren

Klimatische Einflussfaktoren können sich je nach Region unterschiedlich auswirken. Im Zuge des Klimawandels ist mit einer weiteren Erhöhung sowohl der Luft- als auch der Bodentemperaturen für die Zukunft zu rechnen. Auch die Zunahme extremer Wetterereignisse (z. B. Hitze­perioden) kann einen Einfluss auf die Temperatur der Ressource Trinkwasser haben. Zur Bewertung klimatischer Einflussfaktoren wurden Daten umliegender Wetterstationen ausgewertet.

Örtliche Verhältnisse

Massgebende Einflussfaktoren bezüglich der vorhandenen örtlichen Verhältnisse sind die Eigenschaften der Geländeoberflächen. Das vorhandene Rohrmaterial der Versorgungsleitung ist in wärmeleitendes und wärmeisolierendes Material zu unterteilen und beeinflusst die Wärmeübertragung zwischen Erdreich und Trinkwasser. Im Rahmen der Untersuchung wurden Rohrmaterialien und Oberflächenbedeckungen sowie Bodenarten und Strassenaufbau für die jeweiligen Leitungsabschnitte analysiert und dargestellt.

Betriebliche Rahmenbedingungen

Zu den betrieblichen Rahmenbedingungen zählen Fliessgeschwindigkeit, Fliessstrecke, Stagnationszeit, Verweildauer sowie die Art und Bewirtschaftung der Wasserspeicher. Verbesserungen bei den betrieblichen Rahmenbedingungen können einen positiven Einfluss auf die Trinkwassertemperaturen haben. Anhand eines kalibrierten, hydraulischen Rechennetzmodells, umfangreicher Grundlagenermittlung und aktueller Betriebsdaten geben Rohrnetzberechnungen Aufschluss über betriebliche bzw. hydraulische Strömungsbedingungen einzelner Leitungsabschnitte wie z. B. Fliessgeschwindigkeit, laminare oder turbulente Strömung, Verweildauer und Fliessdauer für bestimmte Betriebszustände und Lastfälle.

Bei einer Temperatur > 15 °C schmeckt Wasser fade und bringt keine Abkühlung. Aus chemisch-physikalischer Sicht nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit mit steigender Wassertemperatur zu. Die Wassertemperatur hat Einfluss auf die Viskosität des Wassers und die Löslichkeit von Gasen (z. B. Chlor und Ozon) nimmt mit zunehmender Wassertemperatur ab [10]. Aus mikrobiologischer Sicht führt eine höhere Trinkwassertemperatur zu einem steileren Gradienten des Bakterienwachstums sowohl bei Reinkulturen als auch bei Mischbiozönosen, wie sie beispielsweise im Biofilm vorzufinden sind [11]. Entsprechende Milieubedingungen führen zur Vermehrung. Ein Beispiel dafür sind die Wachstumsbedingungen von Legionellen. Bei Temperaturen unter 20 °C findet keine nennenswerte Vermehrung statt. Die optimalen Wachstumsbedingungen liegen im Temperaturbereich zwischen 25 und 45 °C [12].

 

Messkonzept zur Analyse von Temperaturen im Trinkwasserversorgungssystem 

Der Zweckverband für Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe K.d.ö.R. (WGS) versorgt im Süden von Rheinland-Pfalz insgesamt dreizehn Verbandsgemeinden mit Eigenwasser aus zwei Wasserwerken. Drei Wassertürme stellen die Wasserspeicherung im Trinkwasserversorgungssystem sicher.

Das Messkonzept deckt das gesamte Wasserversorgungssystem ab. Trinkwassertemperaturen werden mit entsprechenden Messgeräten bereits bei der Wassergewinnung (Tiefbrunnen), Aufbereitung (Filterbecken, Reinwasserbehälter) sowie im Bereich der Wasserspeicherung (Wassertürme) erfasst. Messstellen in den Versorgungsleitungen erfassen die Temperaturveränderungen an ausgewählten Stellen der Trinkwasserrohrnetze. Ergänzt wird das Messkonzept durch erfasste Temperaturwerte von Ultraschall-Hauswasserzählern im Bereich der Hausanschlussleitungen. Im Wasserversorgungssystem des Zweckverbandes sind insgesamt 117 Messstellen vorhanden.

Zusätzlich wurden vier Messstellen zur Erfassung der Bodentemperaturen bei verschiedenen Geländeüberdeckungen und Lagetiefen errichtet. Ergänzend werden Klima- bzw. Wetterdaten der drei umliegenden Wetterstationen ausgewertet.

Messwerte und erste Ergebnisse 
Wassergewinnung und Aufbereitung

Die Temperaturmessungen an einem artesischen Tiefbrunnen von 100 m Tiefe (Messstelle in ca. 13 m Tiefe) ergaben für das zweite Halbjahr 2017 leichte tägliche Schwankungen von 0,6 °C. Zudem wurde ein geringer mittlerer Temperaturrückgang (um 0,2 °C) von August bis November festgestellt. Die höchste gemessene Temperatur betrug 13,2 °C, die niedrigste gemessene Temperatur 12,4 °C.

Tägliche Schwankungen sind auf den Betrieb des Tiefbrunnens und den Zustrom von Grundwasser mit geringerer Temperatur zurückzuführen.

Im Anschluss an die Aufbereitung (Belüftung, offene Schnellfilter) liegen die Wassertemperaturen in der Reinwasserkammer zwischen 13,2 °C und 12,3 °C (zweites Halbjahr 2017).

Es wurden keine signifikanten Erwärmungen im Bereich Wassergewinnung und Wasseraufbereitung gemessen. Im betrachteten Zeitraum betrugen die Temperaturen am Ausgang des Wasserwerks durchschnittlich 12,7 °C.

Wasserspeicherung

Zur Wasserspeicherung stehen im Versorgungsgebiet drei Wassertürme zur Verfügung. Zu Beginn der Messung (Februar 2017) lagen die gemessenen Trinkwassertemperaturen im WT 1 bei 7,3 °C, im WT 2 bei 5,5 °C und im WT 3 bei 10,4 °C. In den Sommermonaten erreichen die Temperaturen in den Wassertürmen 1 und 2 19,1 °C, im WT 3 16,0 °C.

Die Temperaturunterschiede zwischen den Wassertürmen sind durch die Lage der Messstelle beeinflusst. Der Wasserturm 2 besitzt eine Wasserkammer. Der Wasserturm 1 besitzt zwei Wasserkammern, die Temperaturmessung findet in der äusseren Wasserkammer statt. Im Wasserturm 3 (zwei Kammern) findet die Temperaturmessung in der inneren Kammer statt. Zwischen der inneren und äusseren Kammer befindet sich nochmals eine Wärmedämmung mit entsprechendem Einfluss auf die Wärmeübertragung. Darin kann die stärkere Dämpfung des Temperaturverlaufes vom WT 3 gegenüber den beiden Wassertürmen 1 und 2 begründet sein. Mitte Juli 2017 wurde aufgrund erhöhter Temperaturen im WT 2 bis 19,1 °C und schlechten Austauschverhaltens bzw. langer Verweildauern die Bewirtschaftung umgestellt. Durch diese Massnahme konnte kurzfristig ein deutlicher Temperaturrückgang auf bis zu 16,4 °C erreicht werden.

Bodentemperaturen

Bodentemperaturen einer Messstelle im Strassenbereich liegen bereits ab August 2015 vor. Gemessen werden die Bodentemperatur in den Tiefen 0,9 m und 1,5 m. Während die Lufttemperatur Tagessschwankungen unterliegt, zeigen die Bodenmessungen, dass in einer Tiefe von 0,9 m keine Tagesschwankungen vorliegen. Mit zunehmender Messtiefe sind eine Phasenverschiebung gegenüber dem jahreszeitlichen Temperaturverlauf und eine flachere Amplitude zu erkennen. Im Zeitraum von August 2015 bis April 2018 lagen die gemessenen Bodentemperaturen in einer Tiefe von 0,9 m zwischen 2,3 und 27,3 °C und in einer Tiefe von 1,5 m zwischen 4,2 und 25,0 °C. Die Lufttemperatur lag in diesem Zeitraum bei maximal 35,1 °C und minimal bei –10,93 °C.

Im Jahr 2016 lag die gemessene Bodentemperatur in einer Tiefe von 0,9 m an 54 Tagen über 25 °C (rot gestrichelte Linie); im Jahr 2017 an insgesamt 46 Tagen.

In einer Tiefe von 1,5 m lag die gemessene Bodentemperatur in den Jahren 2016 und 2017 von Juni bis einschliesslich September kontinuierlich über 20 °C.

Die oben dargestellte Messstelle befindet sich in einer Sackgasse, im Strassenbereich nahe dem Endhydranten in einem Wohngebiet. Das kalibrierte, hydraulische Rechennetzmodell zeigt, dass in diesem Bereich zudem häufig geringe Fliessgeschwindigkeiten und somit hohe Verweildauern auftreten. In Abhängigkeit der Strömungsbedingungen (Strömungsart, Fliessgeschwindigkeit, Verweildauer unter verschiedenen Lastfällen) und den Rohrmaterialeigenschaften erfolgt eine Angleichung der Trinkwassertemperatur an die umgebende Bodentemperatur. Dabei bestehen deutliche Unterschiede zwischen wärmeisolierenden Materialen (PVC, PE, AZ) und wärmeleitenden Materialen (Gusseisen, Stahl).

Fazit und Ausblick

Die ersten Auswertungen der Temperaturmessungen im Wasserversorgungssystem des Zweckverbands für Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe zeigen, dass in der Aufbereitung und Gewinnung des Trinkwassers geringe Temperaturschwankungen vorliegen und das Wasser im Bereich der Netzeinspeisung mit Temperaturen von 12,4 bis 13,2 °C stets frisch und kühl ist. Hingegen wurden in den Wassertürmen bereits Temperaturen zwischen 15,4 und 19,1 °C gemessen. Vor allem im Sommer findet eine deutliche Erhöhung in den Haupt-, Zubringer- und Fernleitungen bzw. den Wasserspeichern statt. Als Folge wurden Trinkwassertemperaturen im Bereich von Versorgungs- und Hausanschlussleitungen von über 25 °C gemessen.

Ziele der Untersuchung sind, die Faktoren für erhöhte Trinkwassertemperaturen für das Wasserversorgungssystem zu bewerten und deren Einfluss qualitativ zu beschreiben. Davon sollen anschliessend sinnvolle Massnahmen abgeleitet werden, die kurz-, mittel und langfristig mit möglichst geringem Aufwand eine wirksame Reduzierung der Temperaturen in entsprechenden Bereichen des Wasserversorgungssystems erzielen können. Dazu zählen z. B. die Anpassung betrieblicher Rahmenbedingungen (Speicherbewirtschaftung), Anpassung der Verlegetiefe, Verwendung wärmedämmender Rohrmaterialien und regelmässige Spülungen des Wasserrohrnetzes.

Im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts werden weiter kontinuierlich Messwerte gesammelt und ausgewertet. Die Auswertung soll in enger Verzahnung mit dem hydraulischen Rechennetzmodell erfolgen, um die kritischen Bereiche im System zu erkennen. Parallel soll eine Methodik zur Überwachung der Trinkwassertemperaturen in Wasserrohrnetzen entwickelt werden. Das Ziel wäre, durch Optimierung des Wasserrohrnetzes die Einflussmassnahmen ableiten zu können.

Bibiliographie

[1] RBS wave GmbH (2011): Erstellung eines Spülplanes für das Versorgungsgebiet des Zweckverbandes Wasserversorgung Germersheimer Südgruppe

[2] Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 10. März 2016 mit letzter Änderung vom 3. Januar 2018

[3] DIN 2000: Leitsätze für Anforderungen an Trinkwasser, Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung der Versorgungsanlagen

[4] DVGW W 300 (2005): Wasserspeicherung – Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserbehältern in der Trinkwasserversorgung

[5] DIN EN 806-2 (2005): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen Teil 2: Planung

[6] DIN 1988-200 (2012): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; Technische Regel des DVGW

[7] VDI/DVGW 6023 (2013): Hygiene in Trinkwasser-Installationen; Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung

[8] Gottschall, B. (2018): Bachelorthesis: Ursachen für die Erwärmung des Trinkwassers im Wassertransportsystem

[9] DVGW W 397 (2004): Ermittlung der erforderlichen Verlegetiefen von Wasseranschlussleitungen

[10] Mutschmann, J.; Stimmelmayr, F. (2014): Taschenbuch der Wasserversorgung

[11] Hambsch, B. (2009): Ursachen des Auftretens coliformer Bakterien in Verteilungsnetzen

[12] Robert Koch-Institut: Merkblätter – Ratgeber Legionellose. https://www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Merkblaetter/Ratgeber_Legionellose (abgerufen am 4.6.2018)

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Kommentare (1)

Siegfried Gendries am 03.12 2018 um 09:09

Klimawandel

Danke für die gut nachvollziehbare Beschreibung einer Entwicklung und ihrer Folgen, auf die wir uns möglicherweise zunehmend einstellen müssen. Wenn die Temperaturen im eher ländlich geprägten Rheinland-Pfalz schon im gemäßigten 2017er Sommer so hoch waren, dann kann man sich ausmalen wie es im 2018er Sommer in den Innenstädten war. Viele Grüsse Siegfried Gendries

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