IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 4/1997, Seite 40 ff.
SANITÄRTECHNIK
Regenwassernutzung in der Zukunft
Die neuen Technik-Komponenten - Wirtschaftlichkeit durch neuentwickelte Bauteile
Dipl.-Ing. Klaus W. König · Teil 2
Die Steigerungsraten beim Wasserpreis führen von Jahr zu Jahr zu einer höheren Attraktivität der Sparmaßnahmen. Die Abwassertechnische Vereinigung (ATV) prognostiziert für die Zukunft jährliche Steigerungsraten im Westen von 5% und im Osten gar von 20%! Gewerbe- und Industriebetriebe rechnen unter diesen Voraussetzungen mit einer Amortisationszeit von weniger als 15 Jahren im Westen, weniger als zehn Jahre im Osten (Bild 11) und in Anbetracht der Langlebigkeit von Anlagenteilen mit einer Nutzungsdauer, die weit darüber hinausgeht.
Bild 11: Amortisation für ein Gewerbeobjekt, dynamisch gerechnet für die Finanzierung mit verbilligten Krediten aus dem Umweltförderprogramm der deutschen Ausgleichsbank. Die Wartungskosten beinhalten eine kurzfristige Abschreibung der Pumpentechnik. Quelle: Planungsgemeinschaft König/Krames
Ideal, wenn durch ein und dieselbe Maßnahme die Investition gesenkt, der Wartungsaufwand verringert und auch noch die Wasserqualität verbessert werden kann! Bei Verzicht auf den bis dato üblichen Feinfilter in der Regenwasser-Hausinstallation ist das möglich. Ihn wegzulassen wird aus hygienischen Gründen empfohlen u.a. in der Stellungnahme der Verwaltung zum Gutachten der Stadt Hannover [5] und in der Auswertung der neuesten Hamburger Untersuchung [6].
| Bild 12: Mit Preßfittings verbundene Rohrleitungen aus nichtrostendem Stahl - ein System, das bereits vor 25 Jahren entwickelt wurde. |
Für das Leitungsnetz innerhalb von Gebäuden sind sämtliche Werkstoffe geeignet, die auch für Trinkwasser benutzt werden und hinreichend korrosionsbeständig sind. In Zukunft werden sich die Werkstoffe durchsetzen, die wie Edelstahl mit Preßfittings lohnkostensparend zu verlegen sind und durch hohe Stabilität mit wenig Befestigungspunkten bei der Wand- und Deckenmontage auskommen (Bild 12).
Die Verfeinerung der Pumpen- und Steuertechnik in den letzten Jahren hat zu einer effektiveren Betriebsweise geführt (z.B. Frequenzumrichter zur automatischen Anpassung der Pumpendrehzahl, z.B. membranfreie Druckerhöhungsanlage, z.B. elektronische Meß- und Regeltechnik für Speichervorrat und Nachspeisung), auch wenn in den Betriebspausen ein "Stand-By"-Stromverbrauch hingenommen werden muß. Dies ist vom Prinzip her unerwünscht, doch geht es nicht um nennenswerte Beträge. Bedeutender in diesem Zusammenhang ist nachfolgender Aspekt:
Ein- und mehrstufige Kreiselpumpen
Die preiswerten selbstansaugenden "Jet"-Pumpen sind einstufig, d.h. mit nur einem Laufrad ausgestattet. Sie nutzen neben der Zentrifugalkraft auch das Strahlpumpenprinzip. Ein aus der Druckkammer abgezweigter Bypass-Strom wird zurückgeführt und im Ansaugstutzen vor dem Laufrad durch eine Injektordüse gepreßt. Der an der Düse austretende Strahl erzeugt den zur Selbstansaugung nötigen Unterdruck. Der Volumenstrom wird durch einen Ringspalt begrenzt, so daß mit steigender Saughöhe die Förderleistung abrupt abnimmt. Der optimale Wirkungsgrad solcher Jetpumpen ist daher bei kleinen Förderhöhen und großen Fördermengen gegeben und wird auf 30 bis 40% geschätzt, d.h. 60 bis 70 % der aufgenommenen Energie gehen durch Hydraulikverluste verloren, z.B. durch den internen Bypass-Volumenstrom. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit ist verantwortlich für die beachtliche Geräuschentwicklung der Jet-Pumpen; das pfeifende Düsengeräusch ist das typische Erkennungsmerkmal.
| Bild 13: Unterwasserpumpe Multigo mit SAFF an beweglichem Schlauch. Werkzeichnung: Wisy |
Die bei gleicher Stromaufnahme leistungsfähigeren und leiseren Kreiselpumpen sind mehrstufig, d.h. sie haben mehrere Laufräder. Bei großen Förderhöhen und kleinen Fördermengen kann der Wirkungsgrad 60 bis 70 % betragen. Mit der Anzahl der Laufräder steigen neben der Leistungsfähigkeit aber auch die Stromaufnahme und die Anschaffungskosten. Um unnötig große Leistungsreserven zu vermeiden, sollte die Pumpenleistung bei größeren Leitungsnetzen rechnerisch ermittelt werden. Mehrstufige Kreiselpumpen gibt es sowohl für die Aufstellung außerhalb als auch innerhalb des Wasserspeichers. Für die letztgenannte Variante, die sog. Unterwassermotorpumpe, spricht der Schallschutz, die höhere Nutzungsdauer und der höhere Wirkungsgrad, dagegen sprechen nur die etwas höheren Anschaffungskosten (Bild 13).
Filtersysteme und Speicherzulauf
Dachrinnen, Fallrohre und Grundleitungen sind nach DIN 1986, Teil 2 für eine Regenspende von ³ 300 l/(s x ha) entsprechend 0,03 l/(m²s) zu bemessen. Üblich sind DN 100-Fallrohre aus Metall, die einen maximalen Abfluß von Qr = 4,5 l/s zulassen. Damit kann je Abflußrohr eine Dachgrundfläche von 150 m² angeschlossen werden. Vorfilter im Zulauf zum Speicher dürfen den Durchlaß nicht vermindern, daher sind nur bestimmte Filtersysteme geeignet, die eine rückstaufreie Entwässerung gewährleisten. (Herstellerangaben beachten!) Beispiele:
Filter aus Metallgewebe, 0,2 mm Filterfeinheit
Filtersammler, an jedem Fallrohr erforderlich. Material: Filtersieb Edelstahl, Gehäuse in Werkstoff und Abmessung passend zum geplanten oder vorhandenen Fallrohr lieferbar, Abwasseranschluß erforderlich, mit stärkerem Regen zunehmender Wasserverlust, dadurch Selbstreinigung, sehr wartungsarm, bei wenigen Fallrohren und viel Niederschlag besonders sinnvoll.
Wirbelfeinfilter für die Grundleitung, Funktionsweise wie Filtersammler, daher fast wartungsfrei. Material: Metallsieb in Kunststoffgehäuse, bei Ertragsüberschuß und ausreichendem Gefälle im Gelände besonders empfehlenswert (Bild 14).
Bild 14: Anwendungsbeispiel Wirbelfeinfilter und Außenspeicher (auch für Innenspeicher geeignet bei entsprechender Höhenlage).
SAFF Schwimm-Ansaug-Fein-Filter, für die Entnahmeleitung in der Zisterne. (Bild 13) Material: Filtergewebe - Edelstahl, Schwimmkugel - Kunststoff. Eine flexible Entnahmeleitung innerhalb des Speichers ist Voraussetzung für das Schwimmen des SAFF in der saubersten Wasserschicht ca. 10 cm unterhalb des Wasserspiegels.
Comfort-Filterkorb, zwischen Betonspeicher und Konus, umschließt als zylindrisch stehender Korb den Durchstieg der Beton-Trägerplatte. Material: Edelstahlsieb mit Kunststoffwanne.
Der Wasserverlust für Selbstreinigung bei Filtersammler und Wirbelfeinfilter sollte bei der Berechnung des Regenertrages durch einen variablen, von der Niederschlagsintensität abhängigen Minderungsfaktor berücksichtigt werden. Gute Softwareprogramme zur Ertragssimulation und Anlagendimensionierung beziehen solche ertragsabhängigen Korrekturfaktoren mit ein. Soll der Speicherüberlauf versickern, z.B. damit keine Niederschlagsgebühr anfällt, so sind auch diese Filterabläufe einzubeziehen. Doch Vorsicht: Damit die Sickerstrecke nicht allmählich verstopft, müssen die abgeschwemmten Stoffe vor der Sickereinrichtung abgefangen werden.
Filter aus Porenbeton, 0,2 mm Filterfeinheit
Filterplatte für Betonzisternen als großflächige liegende Scheibe zwischen Speicherbehälter und Konus (Bild 15). Material: Stahlbeton; einfache Montage, austauschbare Filtereinsätze aus Porenbeton, flächige Berieselung der Wasseroberfläche durch die ringförmig angeordneten Filtersegmente. Wasser von, im Sommer, warmen Dachflächen wird durch den Filtervorgang im Erdspeicher abgekühlt. Bei maximalem Füllstand tritt ein Selbstreinigungseffekt ein, indem das aufgestaute Wasser den Filter von unten nach oben rückwärts durchströmt und schwimmfähige Ablagerungen in den Abfluß schwemmt.
Bild 15: Anwendungsbeispiel Filterplatte. Beruhigter Zulauf durch großflächiges Abtropfen aus den Filtereinsätzen.
Filterschacht. Material: Stahlbeton; Filtereinsatz aus Porenbeton, vertikal stehende Filterfläche mit austauschbaren Einsätzen, Freispüleffekt durch die Zulaufströmung; bei vielen Zuläufen, großen Wassermengen und besonderer Nutzung sinnvoll.
Filterkörbchen im Dachrinnenablauf sind nicht zu empfehlen. Sie stecken unter Umständen jahrelang unbemerkt oben im Fallrohr und sind mit Laub verstopft. Die Folge ist, daß in der Frostwechselperiode Wasser überläuft und hinter dem Fallrohr Frostschäden an der Außenwand verursacht.
Beruhigter Zulauf
Trotz guter Vorfilter lagert sich allmählich feines Sediment am Speicherboden ab. Damit dieses bei Niedrigwasser nicht durch den Zulaufstrahl aufgewühlt wird und den Wasservorrat trübt, sollte das Zulaufrohr bis zum Speicherboden heruntergeführt und mit doppeltem 180°-Bogen bzw. Prallring montiert werden (Bild 14). Auch die Filterplatte aus Porenbeton dient der Zulaufberuhigung durch flächige Berieselung der Wasseroberfläche (Bild 15).
Speicherbehälter
Den aktuellen Untersuchungen zufolge [5+6+7], läßt sich kein signifikanter Zusammenhang zwischen Speicherart und Wasserqualität feststellen. Je nach Art des Speichers sollte aber folgendes beachtet bzw. verglichen werden:
Innenspeicher: Aus korrosionsfestem Metall oder lichtundurchlässigem Kunststoff (Recycling-PE), ansonsten Aufstellungsort dunkel und nach Möglichkeit kühl. Kellerräume bieten dafür die besten Voraussetzungen. Bei Innenspeichern im Dachgeschoß mit direktem Zulauf von den Dachrinnen könnten theoretisch alle Verbrauchsstellen ohne Pumpe versorgt werden. In der Praxis stehen dem eine zu große statische Belastung, Frostgefahr bzw. zu große Wärme sowie Wasserschäden bei Undichtigkeit und ein für Waschmaschinen unzureichender Leitungsdruck (1 bar = 10,2 m Wassersäule) entgegen.
Außenspeicher aus Kunststoff: Alterungsbeständigkeit, statische Belastbarkeit (ist trotz Erdüberdeckung in der Regel nicht befahrbar), Kosten.
Außenspeicher aus Metall: Kosten, Korrosionsschutz.
Außenspeicher aus Beton: Abdeckung ohne Lüftungslöcher (Lichteinfall vermeiden). Preiswerte Zusatzausstattung bei Fertigteil-Behältern: Befahrbare Abdeckungen, Einbau von Hebeanlagen oder Trennwänden, Lage der Zu- und Ablauföffnungen nach Angabe, bei Bedarf mit Dichtungsmanschetten, Bodenkranz außen als Auftriebssicherung, Abdeckung mit kleinem separatem Einsatzdeckel für Saugschlauch oder Brunnenständer, integrierte Filterplatte.
Schachtringe und Ortbeton
Natürlich gibt es sie noch, die Schachtringe, aus denen große runde Behälter in die Erde gebaut werden. Nach jedem Betonring wird erneut Mörtel aufgelegt, für jeden Rohranschluß wird ein Loch gebrochen und mühsam wieder abgedichtet. Leckagen sind kaum zu vermeiden. Ein Hamburger Unternehmer sah die Lösung dieses Problems in der Verwendung von PU-Montageschaum. Dies ist ein chemisches Produkt, das sich im Fensterbau durchgesetzt hat. Es übernimmt gleichzeitig die Funktion der Befestigung und der Abdichtung. Der aus den Fugen quellende Schaum bildet beim Aushärten Wülste, die abgeschnitten werden. So fällt eine Menge frisch produzierter Kunststoffabfall an. Bei einer Baumaßnahme, die ökologischen Zwecken dienen soll, ist das nicht angemessen!
Für großes Fassungsvermögen wurden bisher Speicher in Ortbeton hergestellt. Statische Berechnungen sind vorab erforderlich und, wie bei Schachtringen, eine nachträgliche Auskleidung als Schutz vor Reaktionen des Baustoffes mit dem sauren Wasser. Durch den Auftrag rein mineralischer Dichtungsschlämme, z.B. auf der Basis von Trasszement, kann ohne Einsatz chemischer Zusatzstoffe ein hochwertiger Behälter hergestellt werden. Doch zeit- und lohnaufwendige Arbeitsweisen, wie diese, werden einem modern geplanten Bauablauf nicht mehr gerecht. Mörtelfreies schnelles Versetzen von Betonzisternen mit trocken steckbaren Anschlußleitungen ist gefragt; im Innenausbau sind Montagewände für "Trockenbau" und Leitungen mit Preßfittings das Pendant.
Einteilige und verschraubbare Betonbehälter
Als einteilige Behälter werden solche Speicher bezeichnet, bei denen Wandung und Boden in einer Form gegossen wird. Die eingelegte Bewehrung und eine hohe Betongüte (B 45) kennzeichnen solche Produkte, die auch gegen die Carbonisationsreaktionen mit saurem Wasser von innen her resistent sind und stabil bei Erddruck von außen. Behälter bis etwa 12 m³ Fassungsvermögen können vom Lieferfahrzeug direkt in die Baugrube abgelassen werden, eine gute Befahrbarkeit der Baustelle vorausgesetzt.
| Bild 16: Kindergarten Kümmersbruck. Rohrverbindungen aus PE zwischen zwei Behältern. Werkseitige Bohrungen mit Dichtungsmanschetten ermöglichen vor Ort eine mörtelfreie Montage. |
Die oberen Schachtbauteile wie Konus und Abdeckung mußten bisher auch bei einteiligen Behältern noch aufgemörtelt werden. Mittlerweile gibt es hier Systeme, die Behälter, Konus und bei Bedarf die dazwischen liegende Filterplatte als verschraubbare Einheit anbieten. Die Durchgänge für Zu- und Überlaufleitungen sind bereits so eingegossen, daß die Rohre nur durchgesteckt werden müssen. Eine zuverlässige Abdichtung auf Dauer ist gewährleistet, denn die Durchgänge entsprechen den gleichen Kriterien wie die bereits seit Jahren bewährten Rohrdurchführungen der Benzin- und Ölabscheider. Sie können in Lage und Durchmesser vom Hersteller mit wenig Aufwand nach individuellen Wünschen eingebaut werden. Schließt man mehrere Behälter zu einer Speicheranlage zusammen, so entstehen kommunizierende Gefäße durch die Verbindung mit den stabilen schwarzen PE-Rohren (Bild 16).
| Bild 17-19: Versetzen eines Großbehälters mit 73 m³ Inhalt. |
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Die Elementbauweise mit verschraubbaren Fertigteilen läßt sich mit weniger Aushub und Flächenanspruch noch kompakter für beliebig große Fassungsvermögen anwenden: Aus zwei Hälften zusammengesetzte Speicher in Rundbauweise gibt es bis zu einem Volumen von 75 m³ (Bild 17 - 19). Darüber hinaus sind U-förmige Zwischenstücke als Verlängerung möglich, so daß eine ovale Behälterform in beliebiger Länge entsteht (Bild 20). Flache Abdeckplatten werden in der gleichen Teilung, passend zu den Zwischenstücken, aufgeschraubt. Wenn Lieferung und Montage durch den Hersteller erfolgt, ist die Zuständigkeit für die Gewährleistung klar, Bauherrschaft und Bauleiter profitieren davon.
Bild 20: Verlängerung eines Großbehälters durch U-förmige Zwischenstücke. Werkzeichnung: Mallbeton
Methoden zur Speicherbemessung
Die anfallende Regenmenge kann nicht bis auf den letzten Tropfen gespeichert werden. Das Ziel muß sein, das Speichervolumen so zu wählen, daß ein hoher Deckungsgrad bei möglichst geringer Investition erreicht wird (max. 100 %, falls der Regenwasservorrat nie erschöpft wäre). Ein Behälter ist zu groß, wenn gegenüber der nächst kleineren Baugröße nur noch eine geringe Deckungsgrad-Steigerung eintritt, diese aber mit enormer Kostensteigerung erkauft werden muß. Für die überschlägige Dimensionierung werden sowohl bedarfsorientierte als auch ertragsorientierte Formeln angewandt.
"Faustformel" für grobe Bemessung: Für einen 4-Personen-Haushalt im Einfamilienhaus sind 3,5 m³ bei Innentanks und 6 m³ bei Außenzisternen eine sinnvolle und wirtschaftliche Größe.
Software-Simulation
Eine Speicheroptimierung per Computer verwendet die Niederschlagsdaten des betreffenden Ortes als Grundlage; Ertrag und Verbrauch werden in der Regel in Tages- oder Wochenschritten für einen Jahreszyklus ermittelt, wobei die zu erwartenden Niederschläge mit den zugehörigen Schwankungen aus mindestens zehn aufeinanderfolgenden Jahren berücksichtigt werden sollten. Dieses Verfahren ist bei großen Projekten, bei schwankendem Bedarf oder bei gleichzeitiger Auslegung von Versickerungs- und Teichanlagen die ideale Methode.
Bedarf-Deckungsgrad-Diagramm
Die Regenwasser-Broschüre des Hessischen Umweltministeriums enthält für dieses Bundesland Kurven, aus denen unter Berücksichtigung von Bedarfsmenge und Dachgröße die Behältergröße mit dem zugehörigen Deckungsgrad abgelesen werden kann, - differenziert nach Klimazonen und Gebäudeart.
Prozentpauschale mit Jahresertrag
Als sinnvolles Speichervolumen kann 5% des jährlichen Regenwasser-Ertrages angesetzt werden. Für Kunststoffspeicher ist dies eine wirtschaftlich sinnvolle Größe. 7 % des Jahresertrages gilt für Betonbehälter, da die Anschaffungskosten entsprechend geringer ausfallen. Bei anfangs vollem Speicher kann damit eine fast vierwöchige Trockenperiode überbrückt werden (7 % von 365 Tagen = 26 Tage). Sind Ertrag und Bedarf deutlich verschieden, so wird bei mehr als 20 % Differenz der Speicher kleiner dimensioniert: 3 % bei Kunststoffspeichern, 5 % bei Betonbehältern. Das kleinere Volumen ist preiswerter und reicht aus, da bei Regenertragsüberschuß die Speicher ohnehin ständig voll sind und bei deutlichem Ertragsmangel genügend Speicherkapazität regelmäßig frei ist, um neue Niederschläge aufzunehmen.
Kolb [4] berechnet die erforderliche Speichergröße mit 10 % des Jahresertrages, wenn ein relativ großer Anteil für die Grünflächenbewässerung verwendet wird. Er empfiehlt allgemein größere Volumina, um Niederschlagsspitzen zur Entlastung des Abwasserkanals puffern zu können. Die Notwendigkeit dafür dürfte in Süddeutschland durch heftigere Regenereignisse und stärkere Verbreitung der Mischkanalisation eher gegeben sein als im Norden.
Regenwassernutzung mit Versickerung bzw. verzögerter Ableitung
Eine wirkungsvolle Abwasserentlastung ist auch schon bei kleinen Behältern zu erzielen: Durch Versickerung des Überlaufes oder, wo dies nicht möglich ist, durch einen zusätzlichen Rückhaltespeicher mit verzögerter Ableitung dieses Zusatzvolumens. Baukastenartig kompakt bietet ein Beton-Fertigteil-Hersteller bundesweit nun diese Kombination zum Aufsetzen auf Regenbehälter verschiedener Baugrößen an. So können Kosten für Material, Aushub und Arbeitszeit beim Versetzen eingespart werden.
Beispiel 1: SICO-Speicher. Die Regenwasser-Zisterne ist nicht nur Vorratsspeicher, sondern auch Pufferspeicher und Sedimentations-Behälter für die Versickerung (Bild 21). Durch die Nutzung des Zisternenwassers entsteht regelmäßig ein freies Rückhaltevolumen im Speicherbehälter, insbesondere dann, wenn das Wasser ganzjährig im Haus genutzt wird, z.B. zum Wäschewaschen und zur Toilettenspülung. Die Versickerungseinheit wird damit entlastet, d.h. der nächste Niederschlag muß nicht vollständig versickert werden. Die Sedimentations-Vorgänge in der Zisterne bewirken als zusätzlichen positiven Effekt die weitgehende Vorreinigung des zur Versickerung abfließenden Regenwassers (Bild 23). Das Sediment am Zisternenboden kann bei einer Reinigung des Speichers auf dem eigenen Grundstück entsorgt werden, wenn der Gehalt an zurückgehaltenen Stoffen, wie bei den untersuchten Anlagen in Hannover, den zulässigen Werten der Klärschlammverordnung entspricht, vgl. [5]. Die anfallenden Mengen sind jedoch bei guter Filterung im Zulauf so gering (die Untersuchung von Hannover hat dies bestätigt), daß nur in großen Zeitabständen, wenn überhaupt, eine Reinigung erforderlich ist. In Gemeinden, die eine separate Abwassergebühr für die Ableitung von Niederschlägen erheben, spart die Bauherrschaft doppelt: Trinkwassergebühren durch die Nutzung von Regenwasser, Niederschlagsgebühren durch die Versickerung!
Bild 21: Kombinierte Zisterne für Regenwassernutzung und Versickerung, Prinzip des Mall-Sico-Regenspeichers.
Bild 22: Kombinierte Zisterne für Regenwassernutzung und verzögerte Ableitung, Prinzip des Mall-Kombi-Regenspeichers.
Bild 23: Sedimentation als selbsttätiger Reinigungsvorgang. Quelle: [1]
Beispiel 2: Wird für den Überlauf anstatt Versickerung ein Kanalanschluß gewählt, kann selbst bei vollem Speicher eine Retention mit verzögerter Ableitung garantiert werden, wenn der Kombi-Speicher mit doppeltem Ablauf zum Einsatz kommt, vgl. Bild 22. Das Zusatzvolumen VS wird nach Starkregenereignissen innerhalb 24 Stunden gedrosselt in den Kanal abgegeben und steht dann wieder als Niederschlagspuffer zur Verfügung. Die Stadt Zweibrücken in Rheinland-Pfalz fördert den Einsatz dieser Zisternen zusammen mit anderen ökologischen Maßnahmen im Baugebiet Beckerswäldchen. Fortsetzung folgt.
Zeichnungen, wenn nicht angegeben: Dipl.-Ing. Klaus W. König
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