Thermische Desinfektion im Durchflussprin­zip für zentrale Trinkwasserer­wärmungsanlagen

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Bernd Müller 
Telefon: 03 51 / 4 63 3 23 08
Fax: 03 51 / 4 63 3 70 76

Forschungs-/ Kooperationspartner:
STS Energietechnik GmbH,
TUD- Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene

Gefördert durch

• AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
  "Otto von Guericke" e.V. (Förderprogramm ProInno)
• Förderkennzeichen: KF 0100805KBB3
• Laufzeit: 01.05.2004 - 31.07.2006

Ziel der Arbeit ist die Schaffung einer Versuchseinrichtung (Prototyp) einer Anlage zur thermischen Trinkwasserdesinfektion unter Anwendung hoher Desinfektionstemperaturen bei drastisch gesenktem Reaktionsvolumen und hoher energetischer Effizienz.
Die thermische Desinfektion des Trinkwassers erfolgt dabei im Durchflussprinzip. In der zu entwickelnden Anlage muss aufgrund der geringen Verweilzeit des Wassers die Desinfektion bei deutlich höheren Temperaturen als in bisher bekannten Anlagen erfolgen. Um die Energieeffizienz des zu entwickelnden Produktes zu erhöhen, ist eine intensive Wärmerückgewinnung erforderlich. Zusätzlich muss das Trinkwasser wieder aktiv auf 60 °C rückgekühlt werden. Im Rahmen der hier durchzuführenden Untersuchungen sollen Wärmepumpenlösungen diese Rückkühlung übernehmen. Die Wärmequelle (WQ) der Wärmepumpe (WP) ist das zu kühlende Trinkwasser. Als Wärmesenke (WS) dient der Desinfektionsbereich.

Im Schaltbild sind die genannten Verhältnisse dargestellt. Der Nachweis der wirksamen Legionellenabtötung (Absterbekinetik) für extrazellulär und intrazellulär gewachsene Legionellen wurde im mikrobiologischen Labor der Medizinischen Akademie der TU Dresden durchgeführt.

Besondere Schwerpunkte der Bearbeitung bildeten folgende zu klärende Probleme (Risikofaktoren):
Desinfektionssicherheit: Verweilzeit bisher ca. 6 Minuten bei einer Desinfektionstemperatur von 60 bis 70 °C
Neu. Verweilzeit im Sekundenbereich bei einer Desinfektionstemperatur von 80 bis 85 °C

• Risikofaktor 1: keine ausreichende Desinfektion für intrazellulär gewachsene Legionellen in der kurzen Verweilzeit.
• Risikofaktor 2: Anlagenverkalkungsrisiko; die angedachte Betriebsweise darf zu keinen Kalkbelägen führen.
• Risikofaktor 3: Kältemittel für die Kompressions-WP; sind geeignete Kältemittel und Komponenten (Verdichter) für die hohen Temperaturen sowohl der WQ als auch der WS verfügbar?
• Risikofaktor 4: Peltier-WP; sind geeignete Peltier-Elemente verfügbar und in welcher Weise lässt sich eine WP-Schaltung realisieren?
• Risikofaktor 5: Ergibt die Strömung durch den Reaktionsbehälter eine hinreichend homogene Verweilzeitverteilung?

Grundlage der durchzuführenden Untersuchungen ist die „Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch“ (Trinkwasserverordnung – TrinkwV 2001). Im Sinne dieser Verordnung ist „Wasser für den menschlichen Gebrauch“ „Trinkwasser“ und „Wasser für Lebensmittelbetriebe“.
Unter „Trinkwasser“ versteht man alles Wasser, im ursprünglichen Zustand oder nach Aufbereitung, das zum Trinken, zum Kochen, zur Zubereitung von Speisen  und Getränken oder insbesondere zu den folgenden anderen häuslichen Zwecken bestimmt ist:

• Körperpflege und -reinigung
• Reinigung von Gegenständen, die bestimmungsgemäß mit Lebensmitteln in Berührung kommen,
• Reinigung von Gegenständen, die bestimmungsgemäß nicht nur vorübergehend mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen.

Hausinstallationen sind die Gesamtheit der Rohrleitungen, Armaturen und Geräte, die sich zwischen dem Punkt der Entnahme von Wasser für den menschlichen Gebrauch und dem Punkt der Übergabe aus einer Wasserversorgungsanlage befinden.
Zur Beschaffenheit des Wassers für den menschlichen Gebrauch schreibt das Gesetz neben allgemeinen Anforderungen auch Grenzwerte für mikrobiologische, chemische und Indikatorparameter vor.
Allgemeine Anforderungen:  Wasser für den menschlichen Gebrauch muss frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein.
Mikrobiologische Parameter: Im Wasser für den menschlichen Gebrauch dürfen Krankheitserreger im Sinne des § 2 Nr.1 des Infektionsschutzgesetzes nicht in Konzentrationen enthalten sein, die eine Schädigung der menschlichen Gesundheit verursachen können. Z. B. dürfen keine E. coli, Enterokokken und Coliforme Bakterien vorhanden sein.

Einbindung in das Warmwassersystem des Gebäudes
Die Einbindung in das Warmwassersystem kann wie im Bild erfolgen. Dabei kann bei einer Nachrüstung z. B. die vorhandene Zirkulationsbaugruppe durch das neue System ersetzt werden.

Aufbau der Versuchsanlage
Der Aufbau der Versuchseinrichtung erfolgte in Auswertung der Dynamik und bisheriger Erfahrungen von Trinkwasserzirkulationssystemen.
Grundlage bildeten Lastprofile unterschiedlicher Verbraucher, die Technischen Anschlussbedingungen von Wärmeversorgern und eigene Messungen. Die hydraulische Schaltung ist in vereinfachter Weise im Bild unten dargestellt. Alle Rohrleitungen wurden in CrNi-Stahl ausgeführt, ebenso die Behälter. Fittings sind entweder aus Messing oder Rotguss. Die Plattenwärmeübertrager sind mit Kupfer gelötete Edelstahlplatten. Durch Einsatz eines Plattenwärmeübertragers mit großer thermischer Länge wird die zur thermischen Desinfektion aufgewendete Energie, die in der ersten Versuchsphase über einen Elektroheizstab zugeführt wird, zum großen Teil zurück gewonnen. Die große thermische Länge wird dadurch erreicht, dass drei Wärmeübertrager in Reihenschaltung aneinander gelötet wurden. Diese Konstruktionsweise führte zu erheblichen Problemen, da sich die Seite mit dem Anschluss unten nicht entlüften ließ. Luft sammelte sich im oberen Teil des Wärmeübertragers und konnte auch bedingt wegen der durch die Plattenprägung vorgegebenen Strömung nicht nach unten ausströmen.

Es wurden daher nachträglich Entlüfter eingebaut. Im Bild ist der beschriebene WÜ schematisch für einen Strömungskanal dargestellt.

Die beschriebene Lösung hat sich bestens bewährt. Durch die installierten automatischen Entlüfter (auch an anderen Hochpunkten der Versuchsanlage) konnte bei den versuchsbedingten häufigen Füll- und Entleervorgängen die Anlage restlos entlüftet bzw. entleert werden. Die Eintrittstemperatur (TEWÜ) des Zirkulationswassers in den Wärmeübertrager wird im Wärmeübertrager auf die Eintrittstemperatur (TEB) in den Reaktionsbehälter aufgewärmt. Im Reaktionsbehälter wird durch den regelbaren Elektroheizstab die Desinfektionstemperatur den Versuchsbedingungen angepasst. Das Zirkulationswasser tritt aus dem Reaktionsbehälter aus und wird im Platten-WÜ von (TAB) auf (TAWÜ) abgekühlt.
Um die Funktionstüchtigkeit der Versuchseinrichtung noch vor den mikrobiologischen Untersuchungen zu testen, wurden Analogieversuche zur Verweilzeit durchgeführt. Die Verweilzeit ist die Zeit, der die einzelnen Teilchen (Legionellen) im Reaktionsbehälter beim Durchlauf einer entsprechenden Temperatur ausgesetzt sind.
Als Analogie diente die Zunahme der Leitfähigkeit des umlaufenden Zirkulationsvolumenstromes am Reaktionsbehälteraustritt, wenn eine Zugabe von NaCl- Lösung vor dem Reaktionsbehälter erfolgte.
Die folgenden Bilder zeigen Details des dargestellten Schaltschemas. Vor den Messungen mit Legionellen am Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene wurde die Versuchsanlage noch weiter messtechnisch untersucht und mehreren konstruktiven und messtechnischen Änderungen unterzogen.
Der konstruktive Aufbau wurde auch auf die räumlichen und anschlusstechnischen Verhältnisse am Institut für Mikrobiologie und Hygiene der TUD abgestimmt.

Die Probenbehälter sind so gestaltet, dass in diese die Legionellenproben definiert ein- und ausgebracht werden können. Der gesamte Probenbehälter kann über Kugelhähne abgesperrt und über flach dichtende Verschraubungen heraus genommen werden.

Sowohl mit dem Sensor als auch mit der Erfassung der Leitfähigkeitswerte gab es Probleme, die nach Fehlmessungen durch Ersatz beider Geräte behoben werden konnten.
Weiterhin musste die Versuchsanlage nach einigen Messreihen umgebaut werden. In dem Bestreben, möglichst viele Varianten von Messaufgaben durchführen zu können, war die Installation so umfangreich geworden, dass ein zu hoher Druckverlust auftrat. Für die Messungen sollten die Volumenströme von ca. 0,5 m3/h bis ca. 3,0 m3/h variiert werden können. Die Anlage wurde mehrfach umgebaut.
Das vereinfachte Anlagenschema ist hier dargestellt.

Der Abschlussbericht des Forschungsvorhabens kann über die Professur Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft (Sekretariat) als CD-Rom bestellt werden.