Überdimensionierung von Trinkwasserinstallationen in Krankenhäusern DIN 1988, Lösungsansätze für die Praxis

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1 Überdimensionierung von Trinkwasserinstallationen in Krankenhäusern DIN 1988, Lösungsansätze für die Praxis Seipp, H.-M. 1 ; Simon, P.Z. 1 ; Roth, D. 1 ; Bepler, S. 2 1 Studiengang KrankenhausTechnikManagement, Fh Gießen-Friedberg 2 Referenz-Institut am Zentrum für Medizin- und Krankenhaus-Technik, Fh-Gießen Zusammenfassung Im Rahmen einer Diplomarbeit wurden Durchflusswerte in der Trinkwasserinstallation eines Krankenhauses messtechnisch erfasst. Es wurde untersucht, ob und inwieweit sich die gemessenen Spitzendurchflusswerte von den nach dem Berechnungsgang der DIN ermittelten Werten unterscheiden. In den jeweiligen Rohrleitungen der drei Messstellen war der messtechnisch erfasste Spitzendurchfluss deutlich geringer als der nach DIN theoretisch berechnete Spitzendurchfluss. Die gemessenen Werte lagen 61%, 66% und 56% unter den berechneten Werten. Der Großteil der gemessenen Durchflusswerte lag deutlich unter dem Spitzendurchfluss. So lagen bereits 99,7% der gemessenen Durchflusswerte in einem Bereich bis maximal 70%. Mittels moderner Ultraschall-Durchflussmessung lassen sich Überdimensionierungen und Installationsfehler erkennen. Schlagwörter Trinkwasserinstallation, DIN 1988, Legionellen Einleitung In der Regel wird darauf vertraut, dass man durch Trinkwasser aus der Leitung keine gesundheitlichen Schäden zu befürchten hat. In vielen Trinkwasserinstallationen kam es aber immer wieder zu hygienischen Beeinträchtigungen durch Keime wie Legionellen oder Pseudomonaden. Besonders betroffen sind komplexe, weit verzweigte Installationssysteme wie sie in Krankenhäusern, Altenheimen und Hotels zu finden waren. Für Krankenhäuser muss dieser Umstand aufgrund des Immundefizites von Patienten besonders kritisch betrachtet werden, da die Letalität einer nosokomial erworbenen Legionelleninfektion signifikant höher als eine ambulant erworbene ist, was sich auf die deutlich anfälligere Risikopopulation im Krankenhaus zurückführen lässt [1]. Generell unterliegen die Qualitätsanforderungen an die Trinkwasserinstallation der Trinkwasserverordnung, wodurch die Verantwortung für die Anlage, insbesondere bei Auftreten von Erkrankungen durch im Trinkwasser auftretende Keime, beim Betreiber liegt [2]. Allgemein hängt das Auftreten von trinkwasserpathogenen Keimen eng mit der Bildung von Biofilmen in wasserführenden Leitungen zusammen. Diese schleimförmigen Biofilme bestehen aus Bakterien, Pilzen oder Algen sowie Eisen- und Kalkablagerungen. Um die Bildung von Biofilmen einzuschränken, wird für die Planung, die Ausführung, den Betrieb und die Instandhaltung von trinkwasserführenden Systemen unter anderem Folgendes gefordert: Vermeidung von Überdimensionierung, Vermeidung von Stagnation des Trinkwassers und Vermeidung von Temperaturbereichen, bei denen Bakterienwachstum, insbesondere das von Krankheitserregern, gefördert wird [3]. Generell sind die geforderten Punkte maßgeblich abhängig von der Auslegung der Rohrnennweiten. Aus einer zu großen Rohrnennweite ergibt sich, einhergehend mit der Überdimensionierung, eine längere Verweilzeit des Trinkwassers in den Leitungen bis hin zur Stagnation. Es kann davon ausgegangen werden, dass durch lange Verweilzeiten und schlechte Dämmung sowie eventuell parallel verlegte Warmwasserleitungen die Temperatur des kalten Trinkwassers bis auf ein für das mikrobiologische Wachstum begünstigendes Temperaturniveau ansteigt. Die Vermeidung von Stagnation und unnötiger Speicherung von Trinkwasser hängt maßgeblich von einer bestimmungsgemäßen Wasserentnahme und den Rohrnennweiten des trinkwasserführenden Systems ab. Die Auslegung der Rohrnennweiten unter den o.g. hygienisch-relevanten Aspekten wurde in der DIN 1988 beschrieben. Die DIN 1988 ist ein umfangreiches Regelwerk für die Planung, die Errichtung, die Änderung, die Instandhaltung und den Betrieb von Trinkwasserinstallationen. Neben Vorgaben zu Sicherungseinrichtungen und Materialien wird in Teil 3 der Norm der Berechnungsgang zur Ermittlung der Rohrdurchmesser vorgegeben. Entstehung des Berechnungsgangs zur Ermittlung des Spitzendurchflusses Anfang der 1980er Jahre startete das vom damaligen Bundesministerium für Forschung und Technologie geförderte DVGW-Forschungsprogramm Ermittlung des Wasserbedarfs als Planungsgrundlage zur Bemessung von Wasserversorgungsanlagen dessen Ergebnisse später in die DIN 1988 Teil 3 einfließen sollten. Ziel des Forschungsprogramms war es, eine bundesweit gültige Planungsgrundlage zur Bemessung von technischen Anlagen der Wasserversorgung und Richtlinien zur Dimensionierung von Rohrleitungen, Armaturen und Messgeräten zu erarbeiten.

2 Für das DVGW-Forschungsprogramm Krankenhäuser wurden Messungen an insgesamt 69 Krankenhäusern vorgenommen, wovon abschließend 43 berücksichtigt werden konnten. Die Messobjekte waren Krankenhäuser für Allgemeinmedizin sowie Spezialkliniken, verteilt über das damalige West-Deutschland einschließlich Westberlin. Für die Planung der Hausinstallation von Krankenhäusern sollte der Bezug des Wasserverbrauchs zu den installierten Verbrauchseinrichtungen untersucht und dargestellt werden. Über einen Zeitraum von 14 Tagen wurden mit einem für die damalige Zeit hohen gerätetechnologischen Aufwand die Wasserbedarfswerte an 69 Krankenhäusern erfasst und anschließend mit elektronischer Datenverarbeitung ausgewertet.im Einzelnen wurden untersucht: Krankenhäuser mit 46 bis 685 Betten, Krankenhäuser mit 49 bis 792 Verbrauchern und Krankenhäuser mit installierten Summendurchflüssen von 29 l/s bis 560 l/s. Im Bettenhaus C waren vier verschiedene, bettenführende Stationen mit insgesamt 76 Betten und eine Endoskopieabteilung untergebracht. In der Endoskopieabteilung befanden sich drei Endoskopie-Reinigungsautomaten, welche auf den Wasserbedarf Einfluss nahmen. Das Bettenhaus wurde ab 1989 geplant und 1992 fertiggestellt. Die Trinkwasserverteilung durch das Leitungssystem wurde in vertikaler Bauweise ausgelegt. Das PortaSonic 7000 der Firma Badger Meter ist ein tragbares Durchflussmessgerät das mit dem Ultraschall- Laufzeit-Durchflussverfahren arbeitet. Die Sensoren konnten von außen auf der Rohrleitung montiert und somit der Durchfluss berührungslos gemessen werden. Dazu werden Ultraschallwellen diagonal durch einen Strömungspfad gesendet und empfangen. Aus der Differenz der Laufzeiten wird die Fließgeschwindigkeit berechnet, mit der die weiteren Messgrößen bestimmt werden. Als Ergebnis des Forschungsprogrammes wurden Korrelationen zwischen installiertem Summendurchfluss und dem messtechnisch erfassten Spitzendurchfluss erstellt. Diese wurden dann im Jahre 1988 in die derzeit gültige Fassung der DIN aufgenommen Spitzendurchfluss [l/s] Installierter Summendurchfluss [l/s] 1 2 Krankenhäuser Hüllkurve Krankenäuser mit Wäscherei Krankenhäuser ohne Wäscherei Alle Krankenhäuser Hüllkurve Abbildung 1: Regressionskurven der Krankenhäuser (mit Großwäscherei, ohne Großwäscherei und gesamt) und Hüllkurve Material Bei dem untersuchten Krankenhaus handelte es sich um ein Krankenhaus der Regelversorgung mit 14 Fachabteilungen und 427 Betten. Die Station 4 beherbergte die Geburtshilfestation und die gynäkologische Bettenstation mit insgesamt 34 Betten. Die Station lag im vierten Obergeschoss des Bettenhauses C und wurde in diesem Bereich im Jahr 2003 saniert, die sanitärtechnische Anlage neu geplant und in horizontaler Bauweise ausgeführt. Die Station 5 war eine unfallchirurgische Bettenstation mit insgesamt 33 Betten. Die Station lag im Gebäudeteil D und wurde im Jahr 2007 saniert. Die sanitärtechnische Anlage wurde neu geplant und in horizontaler Bauweise ausgeführt. Abbildung 2: Funktionsweise des Ultraschall-Laufzeit- Verfahrens Mit der integrierten Datenlogger-Funktion konnten u.a. Datum, Uhrzeit, der momentane Durchfluss, die Fließgeschwindigkeit und die Gesamtsumme im (minimal) 10-Sekunden-Takt auf einer SD-Speicherkarte über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet werden. Für die vorhandenen Rohrleitungen wurde der Ultraschallsensor FLD22 ausgewählt, der für Nennweiten von DN 13 bis DN 100 geeignet ist. Methode Die Durchflussmessgeräte wurden an den vertikalen Stockwerkszuleitungen (kalt) der beiden Stationen 4 und 5 sowie an der Haupttrinkwasserzuleitung (kalt) des Bettenhauses installiert. Die Sensoren wurden dabei auf die jeweiligen Leitungen parametriert (Außendurchmesser, Wandstärke, Material) und Durchfluß sowie Fließgeschwindigkeit über einen Zeitraum von 262 Stunden im 10-Sekunden- Takt aufgezeichnet. Die Daten wurden anschließend aufgearbeitet, in MS Excel 2007 importiert und statistisch ausgewertet. Der Wertebereich der gesamten Messreihen wurde in 100 gleich große Klassen unterteilt, wobei die untere Intervallgrenze der ersten Klasse dem kleinsten, aufgetretenen Durchflusswert Qmin und die obere Intervallgrenze der 100. Klasse dem im Messzeitraum einmalig

3 aufgetretenen Spitzenwert Qmax entsprach. Jeder der 100 Klassen wurde die Anzahl der vorkommenden Durchflusswerte zugeordnet und in einem Diagramm dargestellt. Dazu wurden Perzentilgrenzen festgelegt und dargestellt, nach wie vielen Klassen die jeweilige Perzentilgrenze erreicht wurde. Zudem erfolgte eine wochentagsbezogene Auswertung, dazu wurde der an jedem Tag aufgetretene Spitzendurchfluss ermittelt und mit dem insgesamt höchsten Wert vergleichend dargestellt. Desweiteren wurde die Tageszeit des Auftretens der Spitzenwerte und eine eventuell vorhandene zeitliche Häufung ermittelt. Zudem wurden Kennwerte für den Verbrauch pro Patient und pro Bett ermittelt, indem der tägliche Wasserbedarf der Station durch die Anzahl der Patienten geteilt wurde. Für die theoretische Berechnung des auftretenden Spitzendurchflusses wurde das Verfahren der DIN verwendet. Dazu wurden die Rohrnetzberechnungen mit der Software Dendrit computerunterstützt durchgeführt und die Ergebnisse mit den gemessenen Ergebnissen verglichen. So wurde das installierte Systemvolumen sowie die daraus resultierende Rohroberfläche sowohl für den Auslegungsfall nach DIN als auch für eine alternative Auslegung auf der Grundlage der im Klinikbetrieb ermittelten Spitzendurchflüsse errechnet. Ergebnisse Tabelle 1: Station 4 Perzentilgrenzen der Häufigkeitsverteilung der Durchflusswerte Klasse Perzentilgrenze Durchflusswert Reduktion Tabelle 3: Bettenhaus Perzentilgrenzen der Häufigkeitsverteilung der Durchflusswerte Klasse Perzentilgrenze Durchflusswert Qmax 100 1,1857 l/s Reduktion 99,73% 64 0,8321 l/s 29,8% 95,45% 37 0,5670 l/s 52,1% 68,27% 12 0,3214 l/s 72,8% Tabelle 4: Spitzendurchflusswerte und Reduktionsfaktoren der drei Messstellen Q T Q DIN Q max Q 99,73% Q 95,45% [l/s] Station 4 4,73 1,39 0,53 0,31 0,18 f R 38% 22% 13% Station 5 5,04 1,44 0,48 0,32 0,18 f R 33% 22% 12% Bettenhaus 17,58 2,80 1,22 0,87 0,60 f R 43% 31% 21% Qmax 100 0,5313 l/s 99,73% 54 0,3091 l/s 41,8% 95,45% 28 0,1835 l/s 65,4% 68,27% 2 0,0579 l/s 89,9% Tabelle 2: Station 5 Perzentilgrenzen der Häufigkeitsverteilung der Durchflusswerte Klasse Perzentilgrenze Durchflusswert Qmax 100 0,4888 l/s Reduktion 99,73% 62 0,3255 l/s 33,4% 95,45% 29 0,1838 l/s 62,3% 68,27% 5 0,0807 l/s 83,4% Systemvolumen [l] Ist-Zustand (Auslegung Soll-Zustand (Auslegung Auslegung nach Qmax nach DIN 1988) nach DIN 1988) Volumen Reihe2 Rohroberfläche Auslegung Auslegung nach Q99,73% nach Q95,45% Abbildung 3: Station 4 Systemvolumen und Rohroberfläche in Abhängigkeit von der Rohrnetzberechnung Rohroberfläche [m²]

4 Tabelle 5: Station 4 Tägliche Spitzendurchflusswerte, zeitliches Auftreten und Dauer der Spitzendurchflüsse und der Stagnation Tag Q max [l/s] Dauer pro Tag Q > 99,73%-Perzentil [Minuten] Dauer pro Tag Q > 95,45%-Perzentil [hh:mm] Dauer pro Tag Q = 0 l/s [hh:mm] Fr 0, :43 10:26 Sa 0, :30 11:02 So 0, :56 13:23 Mo 0, :42 11:27 Di 0, :26 11:42 Mi 0, :14 10:22 Do 0, :57 10:34 Fr 0, :05 11:23 Sa 0, :47 13:51 So 0, :28 11:37 Min: 0, :56 10:22 Max: 0, :14 13:51 Mittelwert: 0, ,4 2:40 11:34 Standardabweichung Variationskoeffizient 0,0556 5,5 0:22 1:10 12,7% 48,2% 13,9% 10,2% Diskussion Die 99,73%-Perzentilgrenze der Häufigkeitsverteilung der Durchflusswerte für Station 4 lag bei 0,31 l/s (Klasse 54) und damit 42% niedriger als der maximal auftretende Spitzendurchfluss von 0,53 l/s. Allerdings befand sich das 68,27%-Perzentil anhand der großen Anzahl der Null-Werte bereits in der zweiten Klasse, d.h. 67% der Werte lagen bei Null oder knapp darüber (Tabelle 1). Eine vergleichbare Verteilung ergab sich auch für die Station 5 ( Tabelle 2), während die Perzentilgrenzen bei den Durchflusswerten des gesamten Bettenhauses durchweg in höheren Klassen lagen (Tabelle 3). Dies deutet bereits auf niedrigere Stagnationszeiten hin, bedingt durch die höhere Zahl der Entnahmestellen sowie die differenzierte Nutzung (Endoskopie-Reinigungsautomaten). Die Stagnationszeiten im Leitungssystem der Station 4 lagen im Mittel bei 11,5 h, d.h. 48% der Zeit erfolgte kein Durchfluss durch die Steigleitungen zur Station 4 (Tabelle 5). Die tägliche Stagnationsdauer für das gesamte Bettenhaus lag dabei bei 8,85 h. Deutliche Unterschiede gab es bei der Berechnung des Wasserbedarfes pro Patient. Dieser lag bei 125 l/tag*patient auf der gynäkologischen Station (Altersdurchschnitt 36 Jahre) und bei 87 l/tag*patient auf der unfallchirurgischen Station (Altersdurchschnitt 66 Jahre). Bezogen auf das gesamte Bettenhaus ergab sich ein Wert von 120 l/tag*patient, der damit in der Größenordnung des aktuellen häuslichen Wasserbedarfs pro Person pro Tag in Deutschland liegt aber deutlich unter den während des DVGW-Forschungsprogramms ermittelten Wasserbedarfswerten von durchschnittlich 341 l/tag und Verbraucher [4]. Die Ergebnisse des Vergleichs zwischen theoretischem und messtechnisch erfasstem Spitzendurchfluss zeigten deutlich, dass die gemessenen Spitzendurchflüsse in den Rohrleitungsteilstücken der drei Messstellen deutlich geringer waren als die Spitzendurchflüsse, für die die Rohrleitungen ausgelegt worden waren. Die gemessenen Spitzendurchflüsse waren um 61% (Station 4), 66% (Station 5) und 56% (Bettenhaus) geringer als die theoretisch berechneten. Die Durchflusswerte des 99,73%- Perzentils waren um weitere 16% (Station 4), 11% (Station 5) und 12% (Bettenhaus) geringer als die berechneten Durchflüsse (Tabelle 4). Auf der Grundlage der gemessenen Spitzendurchflusswerte und der Perzentil-Werte wurden die Rohrnennweiten der Station 4 und 5 neu ausgelegt. Dazu wurden die für jedes Teilstück der Installation vorliegenden Spitzendurchflüsse mit dem jeweiligen Reduktionsfaktor multipliziert. Durch die Neuauslegung änderten sich die rohrnetzspezifischen Parameter wie das Systemvolumen und die Rohroberfläche erheblich (Abbildung 3) und auch die Verteilung der unterschiedlichen Nennweiten verschob sich hin zu kleineren Nennweiten. Allgemein kann gesagt werden, dass die Hauptverteilungsleitungen, Steigleitungen und Stockwerksleitungen, die üblicherweise in größeren Nennweiten ausgeführt sind, den Großteil des Volumens einer Trinkwasserinstallation eines Krankenhauses beinhalten. Eine Optimierung hinsichtlich geringerer Nennweiten kann sinnvoll sein und den Durchfluss positiv begünstigen. In der Peripherie einer Rohrnetzinstallation werden hingegen bereits kleinere Nennweiten verbaut. Hierbei

5 kommt es auf eine sinnvolle Planung an, in der die Rohrleitungen günstig verlegt werden und beispielsweise die Zuleitungen zu den Entnahmestellen in Reihe ausgelegt werden. Zudem wäre eine sinnvolle Planungsvariante, am Ende der Installation eine hochfrequentierte Entnahmestelle, wie beispielsweise einen Steckbeckenspülautomaten oder eine Personaltoilette, einzuplanen. Literatur [1] Robert-Koch-Institut: Legionellose im Jahr 2006, In: Epidemiologisches Bulletin, Nr. 50, [2] Kemper GmbH + Co. KG / Geberit International AG: Trinkwasserhygiene, Zirkulationssysteme in der Trinkwasserinstallation, 4. Aufl., Olpe, [3] VDI 6023 Hygiene in Trinkwasser-Installationen, Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung, Beuth Verlag, Berlin, [4] Drasdo, G., Kowalewski, P. (Hrsg.): Ermittlung des Wasserbedarfs als Planungsgrundlage zur Bemessung von Wasserversorgungsanlagen: Schlussbericht; DVGW-Forschungsprogramm; Krankenhäuser; 02-WT- 956, Eschborn, 1987.

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