DE102020204839A1

DE102020204839A1 - Verfahren zur Vorhersage einer Legionellendesinfektion

Info

Publication number: DE102020204839A1
Application number: DE102020204839.8A
Authority: DE
Inventors: Stephanie Kaschewski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-21
Also published as: WO2021209489A1; CN115427358A; EP4136058A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Ermitteln einer voraussichtlichen Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom nach einer Wasserbehandlung mit einem UV LED Modul durch ein Steuergerät, wobei der Wasserstrom durch das UV LED Modul geleitet wird, wobei mindestens ein Leistungsparameter des UV LED Moduls ermittelt oder empfangen wird, eine voraussichtliche Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul anhand des ermittelten oder empfangenen Leistungsparameters durch ein mathematisches Modell berechnet wird. Des Weiteren sind ein Steuergerät und eine Anordnung offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer voraussichtlichen Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom nach einer Wasserbehandlung mit einem UV LED Modul durch ein Steuergerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät und eine Anordnung.
Stand der Technik
Warmwasserleitungen in der Gebäudetechnik bieten gute Voraussetzungen für die Vermehrung von Mikroorganismen. Wenn beispielsweise warmes Trinkwasser stagniert, können die sich dort vermehrenden Legionellen eine Gefahr für Hausbewohner darstellen. Trinkwarmwassergeräte müssen sich an hygienische Auflagen zur Bereitstellung von Trinkwarmwasser halten. In Deutschland sind hierfür die Anforderungen an die Trinkwasserhygiene durch die TrinkwV2001, DIN EN1717, DIN1988, DVGW-Arbeitsblatt W551 und W553 sowie VDI 6023 geregelt.
Es sind bereits Lösungen des Hygieneproblems von Trinkwarmwassergeräten bekannt, welche Präventivmaßnahmen zur Desinfektion des Trinkwarmwassers durch regelmäßiges Erhitzen auf über 60°C oder chemische Desinfektionsmittel einsetzen. Problematisch bei diesen Lösungsansätzen ist jedoch, dass die thermische Desinfektion energieaufwendig ist und die Verbraucher durch schädliche Desinfektionsnebenprodukte bei der chemischen Desinfektion belastet werden.
Des Weiteren sind herkömmlichen UV Niederdruckdampflampen bekannt, welche Mikroorganismen durch eine kontinuierliche UV-Bestrahlung abtöten können. Nachteilig an derartigen UV Niederdruckdampflampen sind das unbekannte Desinfektionsergebnis und der hohe Energieverbrauch aufgrund der dauerhaft eingeschalteten UV Niederdruckdampflampen. Des Weiteren können bei bekannten Lösungen Risikozustände der Trinkwasserversorgung und insbesondere die Legionellenkonzentration im Vorfeld für den laufenden Betrieb und das gesamte Warmwasserleitungssystem nicht abgeschätzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Vorhersagen einer Desinfektionsleistung mittels UV LED vorzusch lagen.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer voraussichtlichen Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom nach einer Wasserbehandlung mit einem UV LED Modul bereitgestellt. Das Verfahren kann beispielsweise durch ein Steuergerät ausgeführt werden. Der Wasserstrom wird hierbei durch mindestens ein UV LED Modul geleitet und mit UV-Strahlen bestrahlt. Das UV LED Modul kann beispielsweise als eine Desinfektionseinheit ausgestaltet sein, durch welche der Wasserstrom kontrolliert geführt werden kann.
In einem Schritt wird mindestens ein Leistungsparameter eines UV LED Moduls ermittelt oder empfangen. Anschließend wird eine voraussichtliche Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul anhand des ermittelten oder empfangenen Leistungsparameters durch ein mathematisches Modell berechnet.
Durch das Verfahren kann die Desinfektionsleistung, insbesondere von UV LEDs, im Warmwassersystem vorhergesagt werden. Hierdurch kann ein gezieltes Risikomanagement ermöglicht und bei gewährender Sicherheit der Energieverbrauch gesenkt werden.
Insbesondere durch den Einsatz von UV LEDs kann im Gegensatz zu den klassischen UV Niederdruckdampflampen der Stromverbrauch gesenkt werden, da UV LEDs bei Bedarf schnell ein- und ausschaltbar sind. Durch das mathematische Modell kann die voraussichtliche Legionellenkonzentration beim Betrieb von UV LEDs im Vorfeld abgeschätzt werden. Des Weiteren können Desinfektionsnebenprodukten vermieden werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann dabei ein externes Steuergerät sein, welches mit einem oder mehreren UV LED Modulen verbindbar ist. Alternativ kann das Steuergerät als ein internes Steuergerät ausgestaltet sein, welches in mindestens einem UV LED Modul integriert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum Behandeln eines Wasserstroms mit UV-Strahlen bereitgestellt. Die Anordnung weist mindestens ein UV LED Modul mit UV-LEDs und mindestens ein erfindungsgemäßes Steuergerät auf.
Die Anordnung kann überall dort eingesetzt werden, wo Warmwasser erzeugt wird und mittels UV LEDs desinfiziert wird. Beispielsweise kann die Anordnung bei Gas-Thermen bzw. Boilern, elektrischen Durchlauferhitzern, Wärmepumpen und in der Solarthermie bzw. Solarsyphon Systemen mit integriertem Temperatursensor und Durchflusssensor verwendet werden.
Im Gegensatz zur thermischen Desinfektion entstehen bei der Desinfektion mit UV LEDs vergleichsweise niedrige Temperaturen. Da Wärmepumpen bei hohen Temperaturen eine beeinträchtigte Effizienz aufweisen, ist der Einsatz von UV LED zur Desinfektion vor allem bei Warmwassersystemen mit Wärmepumpen vorteilhaft.
Insbesondere kann Verfahren ohne zusätzliche Sensorik eine Detektion bzw. Risikoeinschätzung der Trinkwasserqualität bzgl. Mikroorganismen erstellen. Hierdurch ist eine besonders kosteneffiziente Umsetzung möglich.
Als mathematisches Modell kann ein theoretisches oder ein empirisch ermitteltes Modell herangezogen werden, um eine voraussichtliche Reduzierung der voraussichtlichen Legionellenkonzentration durch den Einsatz des UV LED Moduls zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der mindestens eine Leistungsparameter des UV LED Moduls in Form einer Wellenlänge des UV LED Moduls und/oder einer Strahlungsenergie pro Fläche des UV LED Moduls ermittelt oder empfangen. Durch diese Maßnahme kann die Desinfektion von Legionellen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der UV Dosis des UV LED Moduls bzw. der im UV LED Modul verwendeten UVLEDs charakterisiert werden. Anhand der Verweildauer des Wasserstroms in im UV LED Modul kann eine Vorhersage über die verbleibende Legionellenkonzentration bestimmt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein Leistungsparameter des UV LED Moduls über eine Kommunikationsverbindung von dem UV LED Modul empfangen, durch Auswerten von Messdaten von mindestens einem Sensor ermittelt oder von einer Datenbank des Steuergeräts empfangen. Hierdurch können die relevanten Leistungsparameter des UV LED Moduls bereits im Vorfeld in einer Datenbank hinterlegt werden, sodass eine technisch besonders einfache Berücksichtigung der Leistungsparameter durch das mathematische Modell möglich ist.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Leistungsparameter durch den Einsatz eines oder mehrerer Sensoren ermittelt werden. Dies ermöglicht eine präzise Ermittlung von Leistungsparametern durch Auswerten der Messdaten der Sensoren. Beispielsweise können Spektrometer oder Dioden zum direkten oder indirekten Messen der Leistungsparameter eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die voraussichtliche Legionellenkonzentration in dem Wasserstrom nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul durch ein als ein konventionelles vereinfachtes Multi Target Modell ausgestaltetes mathematisches Modell gemäß der folgenden Formel berechnet: $N = \frac{N_{t}}{N_{0}} = 10^{- k \cdot F}$
Dabei entspricht N₀ der Legionellenanzahl vor der Wasserbehandlung, N_t der Legionellenanzahl nach der Wasserbehandlung, N der voraussichtlichen Legionellenkonzentration nach der Wasserbehandlung, k einer wellenlängenabhängigen Inaktivierungskonstante und F der Bestrahlung bzw. Strahlungsenergie pro Fläche des verwendeten UV LED Moduls.
Somit ist der Anteil der verbleibenden Legionellen bzw. der Legionellenanzahl N_t zum Zeitpunkt t ist abhängig von der Wellenlänge in Form der wellenlängenabhängigen Inaktivierungskonstante k und von der der UV Dosis F mit der Einheit mJ/cm².
Die wellenlängenabhängigen Inaktivierungskonstante k kann für unterschiedliche Wellenlängen bestimmt werden und ist beispielsweise für Wellenlängen von 280 nm und 254 nm wie folgt: $k_{280 n m} = (4,53 \pm 0,13) \cdot 10^{- 1} c m^{2} / m J$
$k_{254 n m} = (6,62 \pm 0,26) \cdot 10^{- 1} c m^{2} / m J$
Hierzu kann auf bereits bekannte Desinfektionskinetik zugegriffen werden, um die voraussichtliche Desinfektionsleistung des UV LED Moduls abzuschätzen.
Die Desinfektionsrate von Legionellen ergibt sich aus der Wellenlänge der UV LEDs und der UV Dosis, dem die Legionellen ausgesetzt sind, während sie das UV LED Modul passieren. Aus dem technischen Datenblatt des Herstellers von UV LEDs des UV LED Moduls können die Wellenlänge und die UV Dosis entnommen werden.
Anhand der bekannten Leistungsparameter kann die Desinfektionsleistung errechnet werden und die voraussichtliche Legionellenkonzentration nach Desinfektion durch das UV LED Modul mit dem mathematischen Modell vorhergesagt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die voraussichtliche Legionellenkonzentration in dem Wasserstrom nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul im Vorfeld durch einen Benutzer in Form einer manuellen Einstellung angepasst. Bevorzugterweise wird mindestens ein UV LED Modul durch das Steuergerät entsprechend der manuellen Einstellung des Benutzers angesteuert. Durch diese Maßnahme kann die Desinfektionsleistung des UV LED Moduls direkt durch den Benutzer beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Desinfektionsleistung dahingehend eingestellt werden, dass 90%, 95% oder 99% der möglichen Legionellen durch die Bestrahlung des UV LED Moduls beseitigt werden.
Dies kann durch eine variierbare Strahlungsenergie pro Fläche der eingesetzten UV LEDs oder durch eine erhöhte Verweildauer des Wassers innerhalb des UV LED Moduls realisiert werden. Die Verweildauer kann insbesondere durch eine Geometrie und eine zulässige Durchflussmenge des Wassers durch das UV LED Modul festgelegt sein.
Dabei können die Verweildauer und/oder die Strahlungsenergie pro Fläche alternativ oder zusätzlich durch Zuschalten von zusätzlichen UV LEDs im UV LED Modul erhöht werden.
Eine manuelle Einstellung durch den Benutzer kann beispielsweise direkt am UV LED Modul oder dem Steuergerät erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine App-gesteuerte Vornahme von manuellen Einstellungen durch den Benutzer erfolgen, welche über ein Smartphone an das Steuergerät übermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die voraussichtliche Legionellenkonzentration in dem Wasserstrom nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul dem Benutzer visuell und/oder akustisch ausgegeben.
Durch diese Maßnahme kann der Betrieb bzw. die Desinfektion mittels UV LEDs zielgerichtet erfolgen. Statt die UV LEDs des Moduls kontinuierlich zu betreiben und auf eine gute Wasserqualität zu hoffen, wird die Konzentration der Legionellen im Vorfeld abgeschätzt. Gleichzeitig kann der Energieverbrauch gesenkt werden, da die UV LEDs bei Bedarf und entsprechend den Benutzereinstellungen betrieben werden.
Der Benutzer kann somit zusätzliche Information über den Zustand seines Trinkwassers erhalten. Dies hat einen positiven Einfluss auf das „Peace-of-Mind“ des Benutzers bzw. Verbrauchers.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Trinkwasserversorgung mit mehreren Entnahmestellen und einer Anordnung zum Behandeln eines Wasserstroms mit UV-Strahlen gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung einer Trinkwasserversorgung mit mehreren Entnahmestellen und mehreren Anordnungen zum Behandeln eines Wasserstroms mit UV-Strahlen gemäß einer weiteren Ausführungsform und
3 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Trinkwasserversorgung 1 als ein System mit mehreren Entnahmestellen 2 und einer zentral angeordneten Anordnung 4 zum Behandeln eines Wasserstroms 6 mit UV-Strahlen gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Einbauort der Anordnung 4 ist zentral direkt hinter einem Warmwasserspeicher 8.
Die Legionellenkonzentration an einem Entnahmepunkt bzw. Entnahmestelle 2 hängt vom Installationsort der Anordnung 4 ab. Durch eine zentrale Positionierung der Anordnung 4 kann die Trinkwasserversorgung besonders kosteneffizient aufgebaut werden. Dabei ist je nach Entnahmestelle 2 eine größere Wassermenge in Leitungen 10 der Trinkwasserversorgung 1 vorhanden, welche je nach Benutzung längere Zeit ungenutzt verbleibt.
Die Anordnung 4 gemäß der dargestellten Ausführungsform weist ein Steuergerät 12 und ein UV LED Modul 14 auf. Das Steuergerät 12 kann dazu eingesetzt werden, das UV LED Modul 14 gemäß Benutzereinstellungen anzusteuern und eine Rückmeldung zu erzeugen. Die Rückmeldung kann hierbei in Form einer Benachrichtigung 16 erfolgen, welche ein Benutzer empfangen oder wahrnehmen kann.
Beispielsweise kann die Rückmeldung des Steuergeräts 12 in Form einer Smartphone-Benachrichtigung oder über ein Display 18 realisiert werden. Dabei kann das Steuergerät 12 die voraussichtlich verbleibende Legionellenkonzentration nach einer Behandlung des Wassers durch das UV LED Modul 14 anzeigen bzw. attestieren.
In der 2 ist eine schematische Darstellung einer Trinkwasserversorgung 1 mit mehreren Entnahmestellen 2 und mehreren Anordnungen 4 zum Behandeln eines Wasserstroms in den Leitungen 10 mit UV-Strahlen gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zum in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hier mehrere dezentral angeordnete Anordnungen 4 vorgesehen, welche an den entsprechenden Entnahmestellen 2 positioniert sind. Durch eine derartige dezentrale Positionierung der Anordnungen 4 kann eine erhöhte Sicherheit durch die Desinfektion des Wasserstroms unmittelbar vor dem Gebrauch realisiert werden.
Die 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens 20 gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 20 dient zum Ermitteln einer voraussichtlichen Legionellenkonzentration nach einer Wasserbehandlung durch UV-Strahlen und kann vorzugsweise durch das Steuergerät 12 durchgeführt werden.
In einem Schritt 22 wird mindestens ein Leistungsparameter eines UV LED Moduls 14 ermittelt oder empfangen. Dies kann beispielsweise durch eine nicht dargestellte Sensorik oder durch Empfangen von Herstellerdaten des UV LED Moduls 14 realisiert werden.
In einem weiteren Schritt 24 werden die Leistungsparameter des UV LED Moduls 14 einem mathematischen Modell zugeführt. Das mathematische Modell kann beispielsweise ein vereinfachtes Multi Target Modell sein.
Durch das mathematische Modell wird anschließend in einem Schritt 26 eine voraussichtliche Legionellenkonzentration in einem Wasserstrom 6 nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul 14 der Anordnung 4 anhand des ermittelten oder empfangenen Leistungsparameters berechnet.
Die voraussichtliche Legionellenkonzentration kann dabei auch durch einen Benutzer vorgegeben werden. Dies kann durch eine Benutzereinstellung 28 realisiert werden, welche auf die Ansteuerung des UV LED Moduls 14 durch das Steuergerät 12 Einfluss nimmt.
In einem weiteren Schritt 30 kann die voraussichtliche Legionellenkonzentration in dem Wasserstrom 6 nach der Wasserbehandlung durch das mindestens eine UV LED Modul 14 dem Benutzer visuell und/oder akustisch ausgegeben werden. Die Ausgabe kann beispielsweise über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 16 auf ein tragbares Gerät, wie beispielsweise Smartphone, oder über ein optionales Display 18 technisch umgesetzt werden.

Claims

Verfahren (20) zum Ermitteln einer voraussichtlichen Legionellenkonzentration (N) in einem Wasserstrom (6) nach einer Wasserbehandlung mit einem UV LED Modul (14) durch ein Steuergerät (12), wobei der Wasserstrom (6) durch das UV LED Modul (14) geleitet wird, wobei - mindestens ein Leistungsparameter (k, F) eines UV LED Moduls (14) ermittelt oder empfangen wird, - eine voraussichtliche Legionellenkonzentration (N) in einem Wasserstrom (6) nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul (14) anhand des ermittelten oder empfangenen Leistungsparameters (k, F) durch ein mathematisches Modell berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Leistungsparameter (k, F) des UV LED Moduls (14) in Form einer Wellenlänge des UV LED Moduls und/oder einer Strahlungsenergie pro Fläche des UV LED Moduls (14) ermittelt oder empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Leistungsparameter (k, F) des UV LED Moduls (14) über eine Kommunikationsverbindung von dem UV LED Modul (14) empfangen, durch Auswerten von Messdaten von mindestens einem Sensor ermittelt oder von einer Datenbank des Steuergeräts (12) empfangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die voraussichtliche Legionellenkonzentration (N) in dem Wasserstrom (6) nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul (14) durch ein als ein vereinfachtes Multi Target Modell ausgestaltetes mathematisches Modell gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $N = 10^{- k \cdot F}$
mit N, voraussichtliche Legionellenkonzentration k, wellenlängenabhängige Inaktivierungskonstante F, Bestrahlung bzw. Strahlungsenergie pro Fläche des UV-Wasserfilters
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die voraussichtliche Legionellenkonzentration (N) in dem Wasserstrom (6) nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul (14) im Vorfeld durch einen Benutzer in Form einer manuellen Einstellung angepasst wird, wobei mindestens ein UV LED Modul (14) durch das Steuergerät (12) entsprechend der manuellen Einstellung des Benutzers angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die voraussichtliche Legionellenkonzentration (N) in dem Wasserstrom (6) nach der Wasserbehandlung durch das UV LED Modul (14) dem Benutzer visuell und/oder akustisch ausgegeben wird.
Steuergerät (12), wobei das Steuergerät (12) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Anordnung (4) zum Behandeln eines Wasserstroms (6) mit UV-Strahlen, aufweisend mindestens ein UV LED Modul (14), durch welchen der Wasserstrom (6) geführt ist, und mindestens ein Steuergerät (12).