SANITAIR
Install Magazine 957 – februari 2019

Hygiënespoelingen, zeer zeker, maar...

Hoe dikwijls, bij welke temperatuur en welke kosten brengt dat met zich mee?

Om een drinkwaterinstallatie naar behoren te laten werken, moeten er aan een aantal voorwaarden voldaan worden. Zo moeten gebruikers, ontwerpers en installateurs de passende maatregelen nemen om stagnatie te vermijden, en ervoor zorgen dat de temperaturen binnen de veilige zones blijven. Automatische spoelsystemen zijn een efficiënte manier om de drinkwaterkwaliteit te bewaken. Bij het ontwerp van de verdeelinstallatie is het echter belangrijk om de functies en instelwaarden te analyseren om tot een passend systeem te komen.

Regelmatig onderhoud en controle op de goede werking zijn noodzakelijke voorwaarden voor een correct functionerende drinkwaterinstallatie. Er zijn tal van richtlijnen over de maximale duur van stagnatieperioden en limieten qua temperatuur. Als men die niet respecteert, kan het tot bacteriegroei komen, waardoor mensen ziek kunnen worden. In dat geval moet de installatie worden stilgelegd.

Als er stagnatie optreedt in de installatie, bijvoorbeeld omdat delen van het gebouw niet of slechts in bepaalde periodes gebruikt worden, dan kan de hygiëne gegarandeerd worden door een gecontroleerde spoeling. We zien daarvoor meer en meer automatische systemen verschijnen, die stagnatie vermijden en ervoor zorgen dat de temperaturen binnen de veilige grenzen. Een correcte instelling van de werkingsparameters is nodig voor een zuinige werking zonder veiligheidsrisico’s.

Men kan zich daarvoor baseren op richtwaarden over hoe lang bepaalde installatiedelen buiten gebruik mogen blijven. Volgens de Duitse norm DIN 1988-200 2012-05 mogen drinkwaterinstallaties niet langer dan zeven dagen buiten gebruik blijven, vooraleer ze tot een veiligheidsrisico worden. De richtlijn VDI/FVGW 6023 is nog strenger en spreekt van een maximaal toelaatbare stilstand van drie dagen. Als bewezen kan worden dat de waterkwaliteit er niet onder lijdt, mag deze periode tot zeven dagen verlengd worden. Om de hygiëne te garanderen, is een regelmatige spoeling in elk geval nodig.

Uitvoeringseisen voor hygiënespoelingen

In een onderzoeksproject van de hogeschool FH Münster werden parameters voor automatische spoelingen bepaald, waarbij zowel gelet werd op de hygiëne als op een zuinig gebruik van water. Er moet gezorgd worden voor een turbulente stroming, zodat alle hoeken en kanten van de installatie effectief doorstroomd worden. Daarnaast is een berekening van het spoelvolume zeer belangrijk, om te garanderen dat de volledige waterinhoud ververst wordt. Duurt de spoeling te lang, dan stijgen de kosten voor het waterverbruik, en verhoogt de slijtage van de spoelinstallatie. Met een te korte spoeling, daarentegen, is het niet zeker dan de al het water in de installatie ververst is.

Om richtwaarden te bepalen, werd een rekenvoorbeeld op basis van een ziekenhuiskamer gemaakt. Aan de hand hiervan werden de spoelvolumes voor de gevallen ‘stagnatie’ en ‘ongewenste temperatuurverandering’ berekend. In dit voorbeeldgebouw werd een 20 m lange koudwatertoevoerleiding met een inhoud van 2,69 l in het vals plafond onderzocht. Men bekeek daarbij aanvankelijk alleen stagnatie, waarbij er geen rekening werd gehouden met opwarming. Bij verder onderzoek werd echter aangenomen dat er een continu opwarmeffect op de leiding is, door warmtewinsten uit verlichtingsarmaturen, elektronica, maar ook warmwaterleidingen voor SWW en verwarming. Hoe dat laatste in zijn werk zou gaan werd afgeleid van gangbare installatiemethoden. Daarbij werd de opwarmsnelheid bepaald bij verschillende omgevingstemperaturen. Figuur 1 toont het leidingtracé van de aansluitleiding in DN 12 in het testgebouw. Hierbij is ook een warmwaterleiding getekend, zonder aansluiting op een circulatieleiding, voor die voor de berekening van temperatuurverliezen werd gebruikt. De dimensionering en het tracé van het voorbeeld zijn typisch voor de dagelijkse praktijk en stellen een representatieve installatie voor. Op basis van deze gegevens kunnen we besluiten dat de volgende criteria belangrijk zijn voor een correcte werking van de spoeling:

- turbulente stroom tijdens de spoeling

- lengte en inhoud van de waterleiding evenals wanddikte en isolatie.

- omgevingstemperaturen die inwerken op de buis.

Berekeningen om de werkingsparameters te bepalen

Bij de berekening van de minimale spoeltijd bij stagnatie zijn er twee varianten mogelijk. De eerste variant gebruikt de waarden van DIN 1988-300 en is alleen van toepassing als de eigenschappen van de installatie niet bekend zijn. Het gaat immers hier om standaardwaarden, waarvan in de praktijk dikwijls wordt afgeweken. Na een schatting van de leidinginhoud berekent men de spoeltijd aan de hand van formule 1

Formule 1

Daarbij is

t = spoeltijd in seconden

V= leidinginhoud in liter

V_R = standaarddebiet volgens DIN 1988-300 in l/s

Zijn de eigenschappen van de installatie bekend, kan men de tweede variant toepassen. De spoeltijd wordt dan berekend aan de hand van de leidinglengte en de gemiddelde stromingssnelheid.

Formule 2

Daarbij is

t = spoeltijd in seconden

l = leidinglengte in meter

c = gemiddelde stroomtijd in l/s

De spoelduur voor een gegeven leidinglengte is ook afhankelijk van de diameter en het debiet. Als men beide varianten vergelijkt in het berekeningsmodel, dat leidt een preciezere kennis van de installatieparameters tot een zuinigere hygiënespoeling. In de eerste variant duurt een spoeling namelijk 38 seconden, nemen we de tweede variant, dan daalt de spoelduur tot 8 seconden. Volgens deze vergelijking zou spoelen volgens variant 1 tot een meerverbruik van 1.205 liter per jaar leiden, uitgaande van een waterverversing om de drie dagen.

Is er risico op ongewenste temperatuurschommelingen, dan is een meer uitgebreide berekening nodig. Dan moet men onder meer vaststellen op welk tijdstip de watertemperatuur boven of onder de grenswaarde komt. Men gaat er daarbij van uit dat de koudwatertemperatuur niet boven de 25°C mag uitkomen en dat de warmwatertemperatuur aan de uitgang van de boiler niet onder 60°C mag liggen. Deze temperatuur mag dan hooguit 5 K dalen in de circulatieleiding.

Als er nu stagnatie optreedt, dan kan dat leiden tot een verandering in de temperatuur. Dat rijst de vraag op welk tijdstip een van de bovenvermelde grenzen overschreden wordt. Voor de berekening hiervan gaan we uit van de volgende aannames: behalve constante eigenschappen voor het water en de materialen veronderstelt men een continu warmtestroom. Tevens ging men uit van constante omgevingstemperaturen van 25°C, 30°C en 35°C om het effect van verschillende groottes van warmtetoevoer op de opwarmsnelheid na te gaan. Een analyse van de warmtestromen leidde tot een vergelijking waarmee men de snelheid van het opwarmproces kan bepalen.

Formule 3

Voor het opwarmen van het water kan men deze formule omvormen tot

Formule 4

De afkoeling van deze leiding wordt dan berekend door

Formule 5

Daarbij is

θ_mod: Gewijzigde drinkwatertemperatuur in °Celsius

θ∞: Omgevingstemperatuur in °Celsius

θ_PWC: Koudwatertemperatuur in °Celsius

θ_PWH: Warmwatertemperatuur in °Celsius

t_P= duur van het proces in seconden

C: Overkoepelende constante voor de warmtecapaciteiten

k: warmtetransmissiecoëfficient in W/m²K

A: oppervlakte van de warmte-uitwisseling in m²

In de formules 4 en 5 beschouwen we de duur van het proces als een variabele grootte om het temperatuurverloop te kunnen weergeven. Daarbij wordt de parameter θ_mod ingevoerd om de temperatuuroverschrijding te beschrijven. Met al deze elementen kunnen we door tabellen en grafieken alle parameters voor de temperatuurverandering bepalen. Uit het verloop van de temperatuur kunnen we dan conclusies trekken voor de instelwaarden van een automatische spoeling. Zo kunnen we berekenen wanneer de toegelaten temperatuurgrenzen overschreden worden, en wanneer het water de omgevingstemperatuur heeft aangenomen. Figuur 2 toont het temperatuurverloop van het koud water in verschillende buisdiameters in een warme omgeving.

Voor de voorbeeldinstallatie zien we dan dat de grens van 25°C overschreden wordt na 1 uur 19 minuten. Na 9 uur en 32 minuten heeft het water de omgevingstemperatuur van 30°C aangenomen. De conclusie is dan ook dat het water duidelijk sneller opwarmt, dan dat er weer koud water kan worden toegevoerd door antistagnatiespoelingen. Zo krijgen ziektekiemen zoals legionella de kans om zich te ontwikkelen. Hierdoor ontstaat er in de periode tussen twee spoelingen de kans op besmetting met ernstige longontstekingen. Om de watertemperatuur te garanderen moet er dus duidelijk vaker gespoeld worden dan wanneer men alleen stagnatie wil vermijden.

Om het theoretisch vereiste spoelvolume te berekenen, wordt de mengvergelijking van Richmann gebruikt. Die eeft ons een afkoelcurve waarmee we het spoelvolume kunnen afleiden. Hierbij kunnen we minstens twee afkoelprocessen onderscheiden. Bij de eerste variant wordt ernaar gestreefd om de oorspronkelijke koudwatertemperatuur opnieuw te bereiken door middel van de spoeling. Dit is een theoretisch ideaalgeval dat in de praktijk nauwelijks te bereiken valt. Daarom gaan we in rest van deze bijdrage uit van een afkoeling tot 16°C. Bij de tweede variant wordt de temperatuur maar een paar graden verlaagd. We streven hier naar een temperatuur van 20°C, wat nog voldoende laag is om te beantwoorden aan de eisen voor koud water.

Figuur 3 toont de afkoelcurve voor variant 1 van 30°C tot 16°C, in functie van de spoeling. Volgt men de rode lijn van links naar rechts, dan tonen de snijpunten de vereiste waarden. Men kan ook andere stroomsnelheden gebruiken, die zullen leiden tot een steilere of vlakkere curve. Gezien een afkoelfase normaal gezien weer gevolgd wordt door een opwarmfase, kunnen we een temperatuurprofiel voor de voorbeeldinstallatie opstellen. Figuur 4 toont een dergelijk verloop over 24 uur, waarbij er geen watername plaatsvindt, alleen een regelmatige spoeling om de temperatuur te verlagen. We zien hier dat de automatische spoeling regelmatig in werking treedt om de temperatuur op 20°C te brengen, volgens spoelvariant 2.

Een vergelijking tussen beide varianten toont dat er minder spoelcycli nodig zijn om lage temperaturen te bereiken, maar daarentegen wel grotere spoelvolumes. Voor onze voorbeeldinstallatie kwamen we tot de cijfers in tabel 1, wat meteen ook het verschil in kosten duidelijk maakt.

Aanbevelingen voor de praktijk

Om de drinkwaterkwaliteit te verzekeren, moet men zowel rekening houden met de parameters ‘temperatuur’ als ‘tijdsinterval’. Bij de keuze voor een systeem moet men er zich van bewust zijn welk doel men wil bereiken. Retrofitsystemen, bijvoorbeeld voor toiletspoeling, hebben technische beperkingen en kunnen alleen een tijdgestuurde hygiënespoeling verzekeren. Temperaturen worden niet gemeten; de spoeling gebeurt pas na een zekere periode. Ook in andere configuraties moet men erop letten dat de spoeling niet tot onnodig hoge kosten leidt. Als de problemen in een drinkwaterinstallatie te maken hebben met temperaturen, dan moet men ervoor zorgen dat die temperaturen gemeten kunnen worden, en dat de spoeling in functie daarvan gebeurt. Bij dergelijke systemen wordt de tappunttemperatuur bij spoeling anders geëvalueerd door de verschillende fabrikanten. In functie van de systeemtemperatuur kan men een bepaalde waarde kiezen voor de watertemperatuur aan het tappunt, zodat de kosten binnen de perken blijven. Vaker spoelen maar met kleinere volumes leidt tot een zuinigere werking. Minder vaak spoelen maar dan met grotere volumes om tot lage watertemperaturen te komen, zorgt dan weer voor hogere kosten.

De positie van het spoelsysteem in de installatie is ook belangrijk. Bij het ontwerp kan men kiezen voor een ringleiding of voor een opstelling in serie. Het voordeel van een opstelling in serie is dat alle leidingsdelen doorstroomd worden, telkens wanneer het tappunt aan het eind van de serie gebruikt wordt. Dat kan dan een veelgebruikt tappunt zijn, of een automatisch spoelsysteem. Bij een ringleiding heeft de onderlinge positie van de gebruikers of tappunten geen invloed. Door de constante circulatie blijft stagnatie tot een uiterst minimum beperkt. Figuur 5 toont dat een serie-opstelling tot hogere materiaalkosten kunnen leiden (bovenste geval). Bij het ontwerp moeten installatiefirma’s daar rekening mee houden.

Men mag ook niet vergeten dat een spoelsysteem aan het einde van een leiding hoofdzakelijk voor een spoeling in de aftakking in kwestie zorgt. Bij installaties met een horizontake opbouw, kan een juist geplaatst spoelsysteem dan ook voor voldoende waterverversing zorgen. Verticale installaties vereisen een andere aanpak, in functie van de positie en gebruiksfrequentie van de tappunten. Als men bijvoorbeeld een spoelsysteem aanbrengt aan het einde van een stijgleiding, zorgt dat voor een verversing in grote delen van de installatie, zonder dat daarom effect heeft op de aparte tappunten. Een ringleiding, daarentegen (Figuur 5 onder) waarin alle tappunten zijn aangesloten en verbonden met de stijgleiding, zorgt ervoor dat er bij een spoeling het water in alle installatiedelen ververst wordt.

Conclusie

Een economisch verantwoord gebruik van spoelsystemen veronderstelt een gedetailleerde kennis van de installatie in kwestie. Alle factoren die voor stagnatie of temperatuurverandering kunnen zorgen, moeten bekend zijn. Vanuit deze globale visie kan men passende oplossingen vinden voor een onberispelijke hygiëne en zuinige werking. Uit dit onderzoek blijkt dat het streven naar een zo laag mogelijke koudwatertemperatuur tot waterverspilling leidt. Bovendien worden dergelijke lage temperaturen nergens aangeraden; een daling met enkele graden volstaat.

Warmwaterleidingen die niet direct zijn aangesloten op circulatieleidingen, maar die regelmatig gespoeld worden, hebben eveneens baat bij een temperatuurregime zonder al te grote schommelingen. Veelvuldige spoelingen met kleine temperatuurverschillen zijn een meer verantwoorde manier van werken, omdat zo het waterverbruik beperkt blijft. Als men ervoor zorgt dat het water bij alle tappunten voldoende ververst wordt, heeft men minder stagnatiespoelingen nodig.

Tijdens de ontwerpfase moet men erop letten of het spoelsysteem past bij de drinkwaterinstallatie in kwestie en of de spoelinstellingen passen bij het verwachte gebruik van het gebouw. Het is aan te raden om dergelijke parameters op te nemen in ontwerpsoftware, zodat men al in een vroeg stadium van de planning over voldoende informatie beschikt om snel een passend spoelsysteem te vinden. De formules in dit artikel bieden een eerste houvast om tabellen op te stellen die de selectie van een systeem kunnen ondersteunen.

door Christian Röser (FH Münster)

Illustraties: FH Münster