Praxisgerechtes Prüfverfahren Messverfahren zur Zeta-Wert-Ermittlung von Rohrfittings liefert präzise Daten für die Rohrnetzberechnung

Als Ursache dieser Temperaturschwankungen wird in der Fachpresse das Zusammentreffen mehrerer technischer Faktoren beschrieben:

• Ein vereinfachtes Dimensionierungsverfahren für Trinkwasserinstallationen mittels Belastungswerten, bei dem keine größeren Sicherheitsreserven in Form von ausreichenden Gleichzeitigkeitsfaktoren zugrunde gelegt oder verfügbare Druckgefälle unzureichend berücksichtigt werden.

• Ein Installationssystem, dessen Verbindungstechnik zu erhöhten Druckverlusten führt.
• Die Verwendung von modernen Verbrauchseinrichtungen mit erhöhten Berechnungsdurchflüssen und Mindestfließdrücken (z.B. Wellness-Duschen).
• Ein verändertes Gebrauchsverhalten des Benutzers der Trinkwasserinstallation (Gleichzeitigkeit).

Da vereinfachte Dimensionierungsverfahren die Druckverluste durch Einzelwiderstände wie Rohrfittings nur pauschal berücksichtigen, ergeben sich gerade aus den kleinen Rohrabmessungen (DN 12 bis DN 20) überproportionale Einflüsse auf die gesamte Druckbilanz. Hieraus resultieren intensive Diskussionen über vereinfachte oder differenzierte Berechnungsverfahren, aber auch über verschiedene Verbindungstechniken auf dem Markt. Es wird davon ausgegangen, dass auch die im Jahre 1988 überarbeitete DIN 1988, hier insbesondere der Teil 3, und die dort unabhängig von der Verbindungstechnik abgebildeten Zeta-Werte veraltet sind und den heutigen, modernen Trinkwasserinstallationssystemen nicht mehr gerecht werden.

QUERSCHNITTSVERMINDERUNGEN IM FITTING ERHÖHEN DRUCKVERLUSTE
Grund hierfür sind die bei einigen Mehrschicht-Verbundrohr-Systemen konstruktiv erforderlichen Querschnittsverminderungen innerhalb des Fittings. Die von Rehau verwendete Verbindungstechnik "Schiebhülse" verfügt dagegen über eine spezielle Aufweittechnik, die einen optimalen Fittingquerschnitt ermöglicht und so stark eingeschränkte Innendurchmesser als eine der Ursachen für Druckschwankungen konsequent vermeidet.

Bild 2: Volumenstrom-Druckverlust-Diagramm eines Rohrprüflings.

Pauschale Zuschläge für Einzelwiderstände, wie sie die vereinfachte Dimensionierung nach DIN EN 806-3 beinhaltet, werden somit weniger stark in Anspruch genommen und kommen der Druckbilanz und damit der Anlagenfunktion zugute.

ÜBERPRÜFUNGEN DURCH DEN SVGW
Der Schweizerische Verein des Gas- und Wasserfaches (SVGW) nahm die geschilderte Ausgangsproblematik zum Anlass, die bis heute veröffentlichten Zeta-Werte von zertifizierten Systemherstellern zu überprüfen. So sind alle Hersteller von in der Schweiz zertifizierten Trinkwasser-Rohrsystemen vom SVGW aufgefordert worden, die Druckverlustmessung und Zeta-Wert-Bestimmung eines repräsentativen Fittingprogramms in Anlehnung an die Norm SN EN 1267 durchzuführen. Diese Norm ist zwar ursprünglich für die Druckverlustmessung von Armaturen mit Wasser als Prüfmedium vorgesehen, wurde aber auf die Druckverlustmessung an Fittings übertragen und angepasst. Bei diesen Messungen stellten sich zum Teil erhebliche Differenzen zwischen den bisher in den technischen Informationen veröffentlichten Zeta-Werten einzelner Hersteller und den tatsächlich ermittelten Zeta-Werten heraus. Die von Rehau verwendete Schiebehülsentechnik schnitt bei den Überprüfungen der Hochschule Luzern, die im Auftrag des SVGW stichprobenartige Kontrollmessungen durchführte, und bei externen Messungen des Technologiezentrums Wasser in Karlsruhe (TZW), einer Prüfanstalt des DVGW, positiv ab und fand sich unter den strömungsgünstigsten Verbindungstechniken der überprüften Hersteller wieder.

MESSAUFBAU - DER WEG ZU KORREKTEN ZETA-WERTEN
Angeregt durch laufende Fachdiskussionen haben sich auch das Deutsche Institut für Normung (DIN) und die Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW) der Problematik angenommen. Im Rahmen der Neuerstellungen der DIN 1988-30 (nationale Restnorm zur DIN EN 806-3) und des DVGW-Arbeitsblattes W 534 wird derzeit eine entsprechende Methodik für die Bestimmung von Zeta-Werten erarbeitet, um eine einheitliche Prüfgrundlage unterschiedlicher Verbindungstechniken sicherzustellen. Eine Verabschiedung wird jedoch nicht vor Ende 2010 erwartet.
Für die aktuellen Anforderungen aus der Schweiz stellte sich zunächst die Aufgabe, das Prüfverfahren gemäß SN EN 1267 beziehungsweise DIN EN 1267 so zu präzisieren und weiterzuentwickeln, dass auf Armaturenprüfständen, die in vielen wassertechnischen Prüfinstituten bereits seit Jahrzehnten vorhanden sind, auch Druckverlustmessungen an Fittings möglich werden. Dies ist in Zusammenarbeit mit dem TZW in Karlsruhe gelungen. Dabei verwendet das TZW auf den Armaturenprüfständen definierte Messköpfe nach DIN 3546-1 für die Druckmessung. Durch den Einsatz je eines Messkopfes in der Einlaufstrecke vor einem Prüfling und nach der Auslaufstrecke wird ein Differenzdruck ermittelt. Die normalerweise in den Prüfstand eingebaute Armatur wird durch einen definierten Rohrprüfling ersetzt. Um verfälschende Einflüsse durch unzureichend ausgebildete Strömungsprofile, beispielsweise Verwirbelungen auszuschließen, sind ausreichend lange Einlauf- und Auslaufstrecken vor und nach den Messköpfen, aber auch vor und nach dem zu prüfenden Fitting vorgesehen worden. Sie entsprechen mindestens dem Zehnfachen des Innendurchmessers des Prüfrohres. In Bild 1 sind die Prüfstrecke mit Prüfköpfen und Rohrprüfling sowie der Blindprüfling schematisch dargestellt.

Bild 3: Querschnittsverminderungen im Bereich des Fittings erhöhen den Druckverlust im Rohrnetz. Die von Rehau verwendete Schiebehülsen-Verbindungstechnik vermeidet diese Engpässe durch Aufweitung.

Anhand dieser Prüfanordnung wird nun der Druckverlust aller Bauteile, die zwischen den beiden Messköpfen liegen, ermittelt. Um daraus den Druckverlust des Fittings zu generieren, muss der Druckverlust aller anderen Bauteile subtrahiert werden. Dies erfolgt durch Vermessung eines Blindprüflings (Rohr ohne Fitting), der abgesehen vom fehlenden Fitting analog des oben dargestellten Rohrprüflings aufgebaut ist. Mit dieser Prüfmethodik - dem sogenannte Differenzmessverfahren - lassen sich exakte Volumenstrom-Druckverlust-Messpaare sowohl für den Rohrprüfling als auch für den Blindprüfling aufzeichnen. Das geschlossene System des Prüfstands, dessen Volumenstrom mittels frequenzgesteuerter Pumpe stufenlos einstellbar ist und etwa 100 Differenzdruckwerte je Sekunde aufzeichnet, ermöglicht die Generierung von durchgehenden, exakten Druckverlustkurven. Diese sind beispielhaft in Diagramm 2 dargestellt.

ERMITTLUNG DER ZETA-WERTE
In Zusammenarbeit mit dem TZW wurden Fließgeschwindigkeiten definiert, für deren gemessene Druckverluste der einzelnen Prüflinge die Widerstandsbeiwerte ermittelt wurden. Dies erfolgte bei den Fließgeschwindigkeiten von 1,0 m/s, 1,5 m/s, 2,0 m/s, 2,5 m/s, 3,5 m/s und 5,0 m/s. Eine Ermittlung bei 0,5 m/s erschien aufgrund des ungünstigen Verhältnisses zwischen Messwert und Messfehler und der Gefahr des Messens bei laminarer Strömung als ungeeignet, was sich nach Abschluss der Messreihen bestätigte. Für die weiteren Berechnungen ist festzuhalten, dass der Druckverlust der einzelnen Prüfkörper mehrmals je Fließgeschwindigkeit an den Messdosen gemessen wurde, um ihn anschließend in die Berechnungsformeln einzubinden.

Aus den beiden Druckverlustkurven für das Prüfrohr mit Fitting und für den Blindprüfling ohne Fitting errechnet sich die Druckverlustdifferenz, die dem Druckverlust des zu prüfenden Fittings entspricht:

Diese Berechnung kann bei beliebig vielen Volumenströmen erfolgen, wodurch eine ausreichend große Basis für eine Mittelwertbildung des Widerstandsbeiwertes oder die Erstellung von entsprechenden Diagrammen gegeben ist. Die Umrechnung des ermittelten Druckverlustes in den Zeta-Wert erfolgt anhand folgender Gleichung:

MESSERGEBNISSE
Auf Grundlage des oben beschriebenen Messverfahrens und des aufgezeigten Berechnungsganges wurden Zeta-Wert-Ermittlungen für die Rehau-Produktreihe "Rautitan" durchgeführt. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass sich die spezielle Aufweittechnik bzw. die Verbindungstechnik "Schiebehülse" auf die Zeta-Werte eines einzelnen Fittings und damit auf die gesamte Druckbilanz einer Trinkwasserinstallation positiv auswirken.

Bild 4: Berechnungsgang zur Ermittlung des Zeta-Wertes anhand einer "Rautitan"-Kupplung 16 mm.

Nach Abschluss der Messreihen stellte sich zudem heraus, dass es erhebliche Unterschiede innerhalb der Einzelwiderstände unterschiedlicher Hersteller gibt. So ergab die Messung der Kupplung 16-16 beim TZW einen Zeta-Wert von 0,3, während andere Hersteller die Zeta-Werte vergleichbarer 16-mm-Kupplungen teilweise mit 3,0 und höher in ihren technischen Informationen angeben. Auch wenn hier nur Einzelwerte verglichen werden, wird deutlich, dass den Zeta-Werten bei der Dimensionierung eines Rohrleitungssystems besondere Bedeutung zukommt.

Bild 5: Übersichtstabelle von Zeta-Werten des Produkts "Rautitan" von Rehau: Die Widerstandsbeiwerte sind bei reduzierten bzw. erweiterten Fittings und bei Fittings mit Stromtrennung bzw. Stromvereinigung dem Teilstrom zugeordnet, dessen rechnerische Fließgeschwindigkeit im grafischen Symbol mit "v"gekennzeichnet ist.

FAZIT
Das beschriebene Mess- und Berechnungsverfahren ist geeignet, die Zeta-Werte unterschiedlicher Rohr-Fittings zu ermitteln. Mit ihrer Veröffentlichung durch die Hersteller und das Einpflegen in Dimensionierungsprogramme können den Planern, ausführenden Firmen und Betreibern von Trinkwasserinstallationen sinnvolle Dimensionierungsgrundlagen für differenzierte Berechnungsverfahren bereitgestellt werden. Die Messungen des TZW haben gezeigt, dass die in vielen Prüfinstituten bereits vorhandenen Prüfstände und Druckmessköpfe problemlos hierfür verwendet werden können. Alle Grundlagen, Voraussetzungen und Normen ( z.B. DIN EN 1267 und DIN 3546-1) sind bereits seit Jahrzehnten vorhanden und müssen nur zu einem sinnvollen Ganzen kombiniert werden. Abschließend lässt sich festhalten, dass die zurzeit vom SVGW und DVGW, aber auch beim DIN angestrebte und in der Fachwelt kontrovers diskutierte Überarbeitung und Erstellung von Messmethoden für die Ermittlung von Zeta-Werten sinnvoll ist, um sichere und präzise Berechnungsmethoden für Trinkwasserinstallationen zu erhalten.
Eine Verunsicherung des Marktes und der Planer und Installateure ist jedoch im Hinblick auf die zukünftige Einbindung von differenzierteren Zeta-Werten und der voraussichtlich in 2010 neu erscheinenden DIN 1988-30 unnötig, da sich an den vorhandenen, grundlegenden Berechnungsmethoden nichts ändert.

Autor: Ottmar Lunemann, Rehau AG + Co., Technischer Leiter Hausinstallationssystem und Mitglied im DIN Arbeitskreis zur DIN 1988-30

Bilder: Rehau AG & Co. Erlangen

www.rehau.de/gebaeudetechnik