SANITAIR
Install Magazine 956 – december 2018
Optimalisatie van thermische desinfectie tegen Legionella
Energiebesparing door een simulatiemodel
De ontwikkeling van Legionella in functie van de temperatuur: een sterke groei tussen 35 en 42°C, boven de 60°C sterft de bacterie echter snel af.
Legionellaconcentratie. Als men de temperatuur verhoogt zodra de concentratie de 100 KVE/l overschrijdt, kan de bacteriegroei binnen veilige grenzen houden.
Combinatie van temperatuurverhoging met verbruikspieken: als men de temperatuursverhoging laat samenvallen met piekverbruik, verloopt de spoeling efficiënter, wat energie bespaart.
Een schematische voorstelling van het simulatiemodel. Door optimalisatie zijn er grote energiewinsten mogelijk.
Een hoge watertemperatuur is een efficiënte manier om Legionella in leidingen voor sanitair warm water te bestrijden. Vanuit energetisch standpunt kleven daar echter nadelen aan. Meestal worden er immers temperaturen aangehouden van 60°C of meer, wat duidelijk hoger is dan de gewenste temperatuur van 45°C. Dat betekent niet alleen energieverspilling, het hoge temperatuurniveau maakt het ook moeilijker om duurzame verwarmingstechnieken toe te passen voor SWW-productie, zoals warmtepompen. De vraag is dus of men het desinfectieregime zou kunnen optimaliseren zodat het energieverbruik daalt, terwijl de gezondheid gegarandeerd blijft. Elisa Van Kenhove ontwikkelde aan de UGent een dergelijk systeem dat aanzienlijke besparingen mogelijk maakt. Dit onderzoek werd uitgevoerd onder een doctoraatsbeurs van VLAIO, project 141608.
Legionellagroei voorspellen
Om Legionella gericht te kunnen bestrijden, moet men nagaan wat er zich in de leidingen afspeelt. Als eerste stap ontwikkelde Elisa Van Kenhove een simulatiemodel. Daarbij beperkte ze zich in de eerste plaats tot een SWW-installatie; de studie had immers tot doel om mogelijkheden voor energiebesparing na te gaan. Bij koudwaterleidingen is dat laatste om evidente redenen niet aan de orde.
Het basismechanisme van Legionellagroei is eenvoudig. De bacterie is van nature aanwezig in het water en is niet detecteerbaar. Als het water de juiste temperatuur heeft, worden de sporen actief en begint de bacterie zich te vermenigvuldigen. Hoe snel dat gaat, hangt af van de temperatuur; het meest gunstige temperatuurregime is 35-42°C. Wordt het water echter te warm, begint de bacterie af te sterven. Bij 60°C sterft 90% van de bacteriën na een half uur, op 70°C is dat al na minder dan een minuut. Men kan er dus van uitgaan dat er zich altijd Legionella zal ontwikkelen, zolang water binnen zekere temperatuurgrenzen blijft.
Met de temperatuur is echter niet alles gezegd. Om te kunnen groeien, heeft Legionella rustig water nodig. Als het water regelmatig ververst wordt, worden de bacteriën immers weggespoeld nog voor ze een gevaarlijke concentratie kunnen bereiken. Blijft het water echter lang genoeg stagneren, zullen de bacteriën zich vestigen in de biofilm op de buiswand, van waaruit ze het leidingnet kunnen blijven koloniseren. Dat laatste is een belangrijk mechanisme van besmetting. Er is namelijk een wisselwerking tussen stagnatie en de biofilm. Stilstaand water maakt het gemakkelijker voor de bacteriën om van het water naar de biofilm te gaan. Als het water dan opnieuw in beweging komt, zullen er stukjes van de biofilm worden meegespoeld naar andere delen van de installatie, wat daar dan weer tot verdere besmettingen aanleiding zal geven.
Het model van Elisa Van Kenhove heeft dus twee aspecten: enerzijds een thermohydraulisch, met debieten, stroomsnelheden en temperaturen, en anderzijds een biologisch, met groei en afsterven van de bacteriekolonies, zowel in het water als in de biofilm, en met migratie van de bacteriën vanuit de waterstroom naar de biofilm en omgekeerd. Het hydraulisch model houdt er ook rekening mee dat de stroming in sommige gevallen kan omkeren, gebaseerd op reële drukverschillen. Dat maakt het mogelijk om de besmetting vanuit weinig gebruikte aftakkingen naar de rest van de installatie te simuleren.
Validering en resultaten
Het simulatiemodel werd gevalideerd aan de hand van de proefstand van die het WTCB in Limelette gebouwd had in het kader van Instal2020. Daar bleek het een zeer goede verklaring te bieden voor de biologische processen die gemeten werden. Op basis hiervan werden dan simulaties gemaakt om tot een optimaal temperatuurregime te komen. Daarbij gaat men uit van een standaard warmwatertemperatuur aan het tappunt op 45°C, voldoende voor SWW-comfort. Als het model vaststelt dat er risico bestaat dat de Legionellaconcentratie boven de 100 kolonievormende eenheden (KVE) per liter uitkomt, wordt de temperatuur aan het tappunt naar 65°C gebracht, tot de concentratie weer onder 25 KVE/l zakt. Gezien men over het algemeen uitgaat van een veiligheidsgrens van 1.000 KVE/l, blijven deze concentraties binnen een aanvaardbaar risico. Uit deze simulaties bleek dat men zo een energiebesparing van ongeveer 30% kon bereiken.
Door de thermische desinfectie af te stemmen op pieken in het verbruik, kon men nog hogere energiebesparingen realiseren, tot 38%. Dat leidde wel tot iets hogere concentraties van de bacterie, tot 160 KVE/l. Daar stond echter tegenover dat de thermische desinfectie veel efficiënter kon verlopen. Door de hogere debieten door het piekverbruik, hoefde men minder lang de hoge temperatuur aan te houden om de hele installatie te doorspoelen, terwijl de bacterieconcentraties nog ver onder de gevaargrens bleven.
Het gaat hier telkens om berekende Legionellaconcentraties. Er bestaat nog geen methode om de werkelijke concentraties continu te meten. We weten echter al genoeg over de biologie van deze bacteriën om betrouwbare modellen te maken.
En de praktijk?
Een volgende stap was om installaties in de praktijk te analyseren om het model optimalisatiemogelijkheden te laten berekenen. Een eerste conclusie hieruit was dat er geen pasklare oplossing is. ‘Aan het begin van mijn onderzoek had ik gedacht om tot een soort standaardaanpak te kunnen komen,’ aldus Elisa Van Kenhove. ‘Zo dachten we aan richtlijn voor exploitanten, met een standaardpatroon van verlaagde temperatuur, afgewisseld met thermische schokken. In de realiteit is elke installatie echter anders, en moet men een specifiek regime uitwerken voor elk individueel geval. In een goede installatie met voldoende doorstroming kan men misschien wel tien dagen zonder desinfectie, in andere is een cyclus al om de twee dagen nodig.’
Hierbij is het ook handig dat het model probleemgebieden kan identificeren. Zo kan de exploitant zien welke maatregelen het meest effect hebben. Kan men volstaan met het temperatuurregime aan te passen, moeten er dode aftakkingen verwijderd worden, of moet men de warmteverliezen reduceren door leidingisolatie? De analyse van de installatie geeft hier een antwoord zodat men gericht kan ingrijpen.
Risicofactoren
Het goede nieuws is in elk geval dat er in een goed ontworpen installatie nauwelijks Legionellaproblemen zijn. In een goede installatie kan men de temperatuur aan het tappunt het grootste deel van de tijd reduceren tot 45°C, met af en toe een spoeling aan 65°C.
Als het echter mis gaat, dan heeft dat hoofdzakelijk te maken met drie factoren: te grote warmteverliezen, slechte hydraulische inregeling en dode aftakkingen. Oudere installaties vertonen soms een combinatie van deze drie, wat tot erg bedenkelijke resultaten kan leiden. In een praktijkgeval werden Legionellaconcentraties van 71.000 KVE/liter gemeten, ver boven de grens van 1.000 KVE/liter. Hierbij ging het om een oud complex van woontorens dat verbonden was met een centrale stookplaats. Hoewel de vertrektemperatuur in de stookplaats zelf op 70°C lag, haalde men slechts 36°C aan het tappunt in de woontoren in kwestie. Er ging namelijk veel energie verloren tussen de stookplaats en de toren zelf door een gebrekkige isolatie, en bovendien bleek de hydraulische inregeling ondermaats, zodat de toren in kwestie een te laag debiet had. Het slechte hydraulische evenwicht zorgde er ook voor dat de retourtemperatuur aan de stookplaats hoger lag dan de retourtemperatuur van de minst begunstigde toren. In een dergelijke situatie zijn ingrepen aan de installatie noodzakelijk. Geen enkele methode van desinfectie, hetzij thermisch hetzij chemisch, zal iets uithalen, als de installatie niet voldoende doorspoeld wordt.
Tevens moet men dode aftakkingen vermijden Die bieden een veilige schuilplaats voor bacteriën, van waaruit de besmetting zich steeds weer kan verspreiden. Dat is zeker een aandachtspunt bij verbouwingen of functiewijzigingen. Over het algemeen is het aangeraden om het tracé van een installatie zo eenvoudig mogelijk te houden en ervoor te zorgen dat alles vlot doorspoeld kan worden. Manuele of automatische spoelingen kunnen een enorme invloed op de bacteriegroei hebben.
Praktische toepassingen
De volgende stap in het project is om op basis van dit simulatiemodel een reeks algoritmes te maken, waarmee dan een sturing voor een installatie kan worden gecreëerd. Men hoeft dan alleen de eigenschappen van de installatie in de controller in te voeren, die dan volledig automatisch een temperatuurregime en de frequentie van de desinfectiecycli zal bepalen. Dit moet dan leiden tot een oplossing die commercieel verkrijgbaar is. Of dat zal gaan om een puur softwarematige aanpak, waarbij fabrikanten van beheersystemen het pakket integreren in hun eigen sturingen, dan wel of men tot een apart toestel komt, moet nog uitgemaakt worden. Tevens worden de nodige stappen gezet om het systeem te laten erkennen als Best Beschikbare Techniek voor Legionellabestrijding.
Bij het ontwerp van het model dacht Elisa Van Kenhove al aan de verdere ontwikkeling. Bij alle parameters ging ze immers uit van de meest ongunstige scenario’s: voor de biofilm werden de slechtste bekende gevallen genomen, de gegevens voor bacteriegroei slaan ook op de meest gevaarlijke Legionellavariant, kortom er zitten heel wat veiligheidsfactoren in het systeem. Daarom is de simulatie modulair opgebouwd. Als een gebruiker van het systeem over preciezere gegevens beschikt dan de standaardwaarden, dan is er de mogelijkheid om die in te voeren. Het maakt de simulatie ook meer toekomstbestendig. Naarmate verder onderzoek tot betere inzichten leidt in de groei en gedrag van de bacteriën, kan men het simulatiemodel updaten.
Waterhygiëne wordt al te vaak in tegenspraak gezien met energiebesparing. Dit onderzoeksproject toont dat de tegenstelling niet zo scherp hoeft te zijn. Als men een duidelijk beeld heeft wat hoe de installatie zich gedraagt, zijn er heel wat mogelijkheden voor optimalisatie.
Door Alex Baumans
Grafieken: Elisa Van Kenhove (UGent)
