Webbasierte Auslegung von Abwasserhebeanlagen

Die Digitalisierung von Planungs- und Bauprozessen ändert nicht nur die Arbeitsweise in der Planung, sondern hat auch massiven Einfluss auf Produktentwicklung und –herstellung. Für den digitalisierten Planungs- und Bauprozess müssen Produktdaten heute auch digital zur Vefügung stehen.

In Grenzsituationen kann es durch die Einleitung eines Pumpenvolumenstroms aus einer Abwasserhebeanlage zu einer Überlastung der nachfolgenden Sammel- bzw. Grundleitungen kommen. Dadurch besteht die Gefahr, dass das Sperrwasser nahegelegener Geruchverschlüsse abgesaugt oder bei Überdruck auch in die Entwässerungsgegenstände zurückgedrückt werden kann. Der unzulässige Austritt von Kanalgasen in das Gebäude ist dann möglich, verbunden mit Geruchsbelästigungen und einer Gesundheitsgefährdung der Bewohner.

Zur Vermeidung kritischer Abflussverhältnisse in diesem Bereich müssen Abwasserhebeanlagen und die nachfolgenden Freispiegelleitungen auf Grundlage der allgemein anerkannten Regeln der Technik (a. a. R. d. T.) bemessen werden.

Grundsätzliches

Öffentliche Misch- und Regenwasserkanäle werden aus funktionalen und wirtschaftlichen Gründen nur für ein mittleres Regenereignis bemessen und können daher nicht jeden Starkregen aufnehmen und unmittelbar drucklos ableiten. Bei starken Niederschlägen muss aus diesem Grund planmäßig mit einer Überlastung der Kanäle der Ortsentwässerung und mit einem Rückstau in die Grundstücksentwässerungsanlage gerechnet werden. Auch in den Schmutzwasserkanälen der Ortsentwässerung kann es durch Fehleinleitungen, durch Ausfall von Pumpstationen oder durch unplanmäßige Querschnittsverengungen zum Rückstau in die Grund- und Sammelleitungen der Gebäude- und Grundstücksentwässerungsanlage kommen.

Der höchste durch Rückstau in einer Gebäude- und Grundstücksentwässerungsanlage zu erwartende Wasserstand wird durch die Rückstauebene definiert. Sofern von der für die Abwasserbeseitigung zuständigen Behörde nichts anderes festgelegt wird, muss gemäß DIN EN 12056-4 die Rückstauebene mit der Straßenoberfläche an der Anschlussstelle der Gebäude- und Grundstücksentwässerung an die öffentliche Abwasseranlage angenommen werden (Bild 1). Unter Straßenoberfläche ist die Fahrbahn einschließlich Gehwege, Seitenstreifen usw. zu verstehen /1/.

Werden Entwässerungsgegenstände ohne Sicherungsmaßnahmen unterhalb der Rückstauebene an die Entwässerungsanlage angeschlossen, kann mit Auftreten eines Rückstaus über diese Anschlüsse Abwasser ungehindert in das Gebäude austreten. Die damit verbundenen Überflutungen gefährden Menschen und verursachen wirtschaftliche Schäden an Gebäuden und Einrichtungen /2/.

Ablaufstellen, deren Wasserspiegel in den Geruchverschlüssen unterhalb der Rückstauebene liegen, z. B. Bodenabläufe, Waschbecken, Toiletten oder Abwasserbehandlungsanlagen, müssen aus diesem Grund wirksam gegen Rückstau aus der öffentlichen Kanalisation geschützt werden. Dazu muss das unterhalb der Rückstauebene anfallende Abwasser in der Regel über eine Abwasserhebeanlage rückstaufrei in die öffentliche Abwasseranlage eingeleitet werden. Damit die Anforderung rückstaufrei erfüllt ist, muss sich die Rohrsohle der Rückstauschleife oberhalb der Rückstauebene befinden (Bild 1).

Je nach Aufgabenstellung werden folgende Ausführungen von Abwasserhebeanlagen für die Gebäude- und Grundstücksentwässerung unterschieden:

• DIN EN 12050-1, Fäkalienhebeanlagen
• DIN EN 12050-2, Abwasserhebeanlagen für fäkalienfreies Abwasser
• DIN EN 12050-3, Fäkalienhebeanlagen zur begrenzten Verwendung.

In Abhängigkeit von der Größe des Bauobjektes und seiner Nutzung sind bei Neu- und Umbauten oder auch bei Sanierungsmaßnahmen Entwässerungspläne aufzustellen, die auch Antragsgegenstand bei der zuständigen Behörde sein können. Mit Planung einer Entwässerungsanlage muss die Bemessungsgrundlage für die komplette Entwässerungsanlage unter Berücksichtigung eventuell vorhandener Abwasserhebeanlagen nachgewiesen werden.

Die Bemessung der Abwasserhebeanlagen und der Pumpendruckleitungen muss dabei auf Grundlage der DIN EN 12056-4 und die der nachfolgenden Grund- bzw. Sammelleitungen auf Grundlage der DIN EN 12056-2 in Verbindung mit 1986-100 erfolgen (a. a. R. d. T.) /3/, /4/.

Auslegung einer Fäkalienhebeanlage

Wie die nachfolgenden Ausführungen deutlich machen, sind die Anforderungen an eine normgerechte Bemessung einer Abwasserhebeanlage komplex und umfangreich. Sie werden daher in realen Planungsprozessen für Gebäude- und Grundstücksentwässerungsanlagen häufig nicht konsequent berücksichtigt bzw. vollständig umgesetzt. Gemäß DIN EN 12056-4 erfolgt die normativ vorgesehene Auslegung einer Abwasserhebeanlage in folgenden Schritten:

• Ermittlung des Spitzenabflusses Q_tot in die Abwasserhebeanlage und der Pumpendruckdifferenz ∆p_P
• Berechnung der Rohrnetzkennlinie
• Auswahl einer geeigneten Abwasserhebeanlage
• Berechnung des realen Betriebspunktes im Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der Rohrnetzkennlinie
• Nachweis einer Fließgeschwindigkeit > 0,7 m/s bzw. < 2,3 m/s in der Pumpendruckleitung.

Für die Auswahl einer geeigneten Abwasserhebeanlage müssen zunächst Pumpenvolumenstrom und Pumpendruckdifferenz bekannt sein. Die Pumpendruckdifferenz, auch Förderhöhe genannt, muss durch eine differenzierte Druckverlustberechnung für die Pumpendruckleitung, unter Berücksichtigung der geodätischen Druckdifferenz zwischen Pumpendruckstutzen und Rückstauschleife (Bild 1), ermittelt werden.

∆p_P = ∑(l∙R+Z)+ ∆p_geoGl. (1)

2 - Ausschnitt aus dem Berechnungsstrangschema des Beispiels Bild: Dendrit Studio 2021

Im Beispielsfall (Bild 2) ergeben sich die Auslegungseckdaten wie folgt:

• Spitzenabfluss Q_tot = 2,19 l/s in die Abwasserhebeanlage (Bild 2)
• Pumpendruckdifferenz ∆p_P = 3,6 mWS.

Mit diesen Daten kann die Rohrnetzkennlinie der Druckleitung berechnet und eine Produktauswahl vorgenommen werden. Bei der Auswahl müssen die folgenden hydraulisch relevanten Mindestanforderungen an Fäkalienhebeanlagen ohne Zerteilung der Fäkalien berücksichtigt werden:

• Mindestnennweite der Druckleitung: DN 80.
• Mindestfließgeschwindigkeit in der Druckleitung: v_min = 0,7 m/s.

Produktsuche und Produktauswahl

Bei der Vielzahl der Daten, die einem Produkt in der Regel zugeordnet sind, ist das Informationsinteresse bei jedem Nutzer anders fokussiert. So benötigt der Planer einer haustechnischen Anlage in erster Linie Informationen zur Funktion und zur Bemessung sowie Texte für die Ausschreibung der Leistungen, das ausführende Unternehmen eher Informationen zur Kostenkalkulation, Montage, Inbetriebnahme und Reparatur, sowie der Betreiber Wartungs- und Instandhaltungsunterlagen.

Mit der fortschreitenden Digitalisierung der Bauprozesse wird es von immer größerer Bedeutung, dass die am Bau Beteiligten Zugriff auf einen digitalen Zwilling der realen Produkte haben. Bislang gab es für die diversen Aufgabenstellungen keinen zentralen Service, der für ein Produkt herstellerübergreifend all diese Daten – jeweils nur mit einem Zugriff – bereitstellen konnte. Durch den neuen Webservice pdod wird dieses nun ermöglicht /5/. Die Produktanzeige kann sowohl über Desktop-Computer als auch über mobile Geräte, wie Laptops, Smartphones oder Tablets erfolgen.

Computerprogramme zur Modellierung und Berechnung von Rohrnetzen der Sanitär- und Heizungstechnik können direkt auf pdod zugreifen.

3 - Produktsuche und Produktauswahl über den Webservice pdod Bild: Dendrit Studio 2021

In Dendrit Studio 2021 /6/ erfolgt z. B. die gesamte Produktanzeige für das vorgegebene Rohrleitungssystem, einschließlich der Form- und Verbindungsstücke, für die Dämmung, für Absperr- und Regelorgane, für eingebaute Apparate sowie für die angeschlossenen Verbraucher bzw. sanitären Einrichtungsgegenstände usw. im Verlauf der Rohrnetzberechnungen über pdod. Die Bemessung erfolgt damit immer automatisch auf Grundlage der vom Hersteller aktuell veröffentlichten Produktdaten. Die Produktauswahl kann vom Planer oder der Planerin individuell beeinflusst und auch nachträglich verändert werden (Bild 3).

Mit den berechneten Auslegungseckdaten Q_tot = 2,19 l/s und ∆p_P = 3,6 mWS aus dem Berechnungsbeispiel (Bild 2), können über pdod automatisch Abwasserhebeanlagen gefunden werden, die die gestellten Anforderungen grundsätzlich erfüllen können (Bild 3).

Mit Auswahl eines Produktes wird über den Webservice auch die zugehörige Pumpenkennlinie bereitgestellt (Bild 3). Mit der bereits bekannten Rohrnetzkennlinie kann jetzt der reale Betriebspunkt der Abwasserhebeanlage im Schnittpunkt der beiden Kennlinien ermittelt werden (Bild 4).

4 - Realer (gewählter) Betriebspunkt im Schnittpunkt zwischen Pumpen- und Rohrnetzkennlinie mit Nachweis einer Fließgeschwindigkeit >0,7 m/s in der Druckleitung DN 80 (Dendrit Studio 2021) Bild: Dendrit Studio 2021

Ist der reale Betriebspunkt bekannt, kann auch überprüft werden, ob sich in der Druckleitung DN 80 eine Fließgeschwindigkeit > 0,7 m/s einstellt (Bilder 2, 4 und 5). Es fällt auf, dass der reale Pumpenvolumenstrom mit Q_P = 6,02 l/s deutlich größer ist als der Spitzenabfluss Q_tot = 2,19 l/s in die Abwasserhebeanlage (Bild 2). Das Ergebnis ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass eine Mindestfließgeschwindigkeit (v_min = 0,7 m/s) in einer Druckleitung mit rel. großem Strömungsquerschnitt (> DN 80) zur Sicherstellung der Selbstreinigungsfähigkeit erreicht bzw. überschritten werden muss.

5 - Auszug aus einem Fließwegdatenblatt mit den Bemessungsergebnissen für die Freispiegelleitungen hinter dem Anschluss einer Abwasserhebeanlage (Dendrit Studio 2021) Bild: Dendrit Studio 2021

Bemessungsgrundsätze für Freispiegelleitungen

Neben der Forderung nach Selbstreinigungsfähigkeit gilt bei der Bemessung von Freispiegelleitungen gleichrangig, dass das anfallende Abwasser ohne wesentliche Druckschwankungen in der Entwässerungsanlage transportiert werden muss. Diese Forderung kann nur erfüllt werden, wenn - zusätzlich zum Abwasser – Luft für den Druckausgleich in allen Teilstrecken der Leitungsanlage ungehindert strömen kann. Die Durchlüftung der Entwässerungsanlage wird über die Teilfüllung der mit Rohrsohlengefälle verlegten Leitungen und über die Weiterführung der Fallleitungen als Lüftungsleitungen über Dach sichergestellt.

Mit Anlaufen der Pumpe wird aus dem Sammelbehälter der Abwasserhebeanlage ein sehr hoher Pumpenvolumenstrom schwallartig in eine mit Gefälle verlegte Freispiegelleitung eingeleitet. Das Einleiten des Pumpenvolumenstroms darf dabei nicht zum Zuschlagen des Leitungsquerschnitts der nachfolgenden Schmutzwasserleitungen führen. Bei Fehleinschätzungen besteht die Gefahr, dass das Sperrwasser nahegelegener Geruchverschlüsse abgesaugt oder bei Überdruck auch in die Entwässerungsgegenstände zurückgedrückt wird. Der unzulässige Austritt von Kanalgasen oder auch von Abwasser in das Gebäude, verbunden mit Geruchsbelästigungen und einer Gesundheitsgefährdung der Bewohner, ist dann möglich. Ein derartiges Betriebsverhalten müsste als schwerwiegender funktionaler Mangel einer Gebäude- und Grundstücksentwässerungsanlage eingestuft werden.

Die zuvor beschriebene aufwändige Ermittlung des realen Pumpenvolumenstroms einer Abwasserhebeanlage muss vor dem Hintergrund verstanden werden, dass das Zuschlagen des Leitungsquerschnitts der Freispiegelleitungen sicher verhindert werden muss. Für die Bemessung der Grund- und Sammelleitungen hinter dem Anschluss einer Abwasserhebeanlage sind daher noch folgende Bemessungsanforderungen aus DIN 1986-100 zu berücksichtigen:

• Zur Ermittlung der Abflussspitze Q_tot in einer Teilstrecke müssen Pumpenvolumenströme Q_P ohne Abzug zum Schmutzwasserabfluss Q_WW hinzugezählt werden.
• Hinter der Einleitung eines Pumpenvolumenstroms kann die Grund- bzw. Sammelleitung innerhalb des Gebäudes für einen Füllungsgrad von h/d_i = 0,7 bemessen werden.
• In den Freispiegelleitungen muss im Bemessungsfall eine Fließgeschwindigkeit größer 0,5 m/s nachgewiesen werden.

Der erforderliche Innendurchmesser einer Entwässerungsleitung wird daher von der Abflussspitze Q_tot, dem gewählten Rohrsohlengefälle J und dem zulässigen Füllungsgrad h/d_i,zul bestimmt.

Für den Nachweis einer Bemessung der Abwasserleitungen auf Grundlage der allgemein anerkannten Regeln der Technik (a. a. R. d. T.) muss in allen Teilstrecken explizit ausgewiesen werden, dass mit Auftreten der Abflussspitze Q_tot der Füllungsgrad h/d_i zulässige Werte nicht überschreitet und dass die Fließgeschwindigkeit v im Bemessungsfall noch hoch genug ist, dass die Selbstreinigungsfähigkeit der mit Gefälle verlegten Leitungen sichergestellt ist (Bild 2 und Bild 5).

Fazit

Die Anforderungen an eine normgerechte Bemessung einer Abwasserhebeanlage und der nachfolgenden Freispiegelleitungen werden aktuell in realen Planungsprozessen nicht immer konsequent berücksichtigt bzw. vollständig umgesetzt. Ein störungsfreier Betrieb der Entwässerungsanlage kann allerdings nur erwartet werden, wenn die Bemessung aller Apparate und Rohrleitungen konsequent auf Grundlage der a. a. R. d. T. erfolgt.

Eine unkomplizierte Lösung ergibt sich aus der Kombination von webbasierter Produktauswahl in Verbindung mit der Umsetzung aller normativ geforderten rechnerischen Nachweise und Dokumentationen für die Druck- und Freispiegelleitungen im Verlauf der hydraulischen Berechnungen eines leistungsfähigen Computerprogramms (Bild 5).

Literaturhinweise

• /1/ DIN EN 12056-4:2001-01 Schwerkraftentwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden – Teil 4 Abwasserhebeanlagen; Planung und Bemessung

• /2/ F.-J. Heinrichs, B. Rickmann, K.-D. Sondergeld, K.-H. Störrlein, BEUTH KOMMENTAR: DIN 1986-100 und DIN EN 12056-4 Gebäude- und Grundstücksentwässerung – Planung und Ausführung, Herausgeber: DIN – 2016-12

• /3/ DIN EN 12056-2:2001-01 Schwerkraftentwässerungssysteme innerhalb von Gebäuden – Teil 2, Sanitäre Rohrleitungen, Layout und Berechnung; Deutsche Fassung EN 12056-2:2000

• /4/ DIN 1986-100:2016-12 Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke – Teil 100: Bestimmungen in Verbindung mit DIN EN 752 und DIN EN 12056

• /5/ pdod im Planungsprozess, www.youtube.com/watch?v=OZK8MpEURJk

• /6/ Dendrit Studio 2021 – Dendrit Haustechnik-Software GmbH, Dülmen