Wasserversorgung in hohen Gebäuden - Druckerhöhungsanlagen für Trinkwassernetze: Neue Anlagen sind geräuscharm und effizient in jeder Betriebssituation

Es gibt eine ganze Reihe von Kriterien und Vorgaben, die der Planer und der Installateur im Zusammenhang mit der Installation einer Druckerhöhungsanlage (Bild 1) zu beachten haben. Empfehlungen zu Planung, Aufbau und Auslegung von DEA sind in der DIN 1988-500 und in DVGW-Arbeitsblättern dokumentiert (Bilder 2 und 3).
Grundsätzlich ist zu untersuchen, ob die DEA für ein ganzes Gebäude oder nur für einige Etagen erforderlich ist. An der hydraulisch ungünstigsten Entnahmestelle muss ein Mindestfließdruck (0,5 bis 1,5 bar) verfügbar sein. Der maximale Ruhedruck darf an den Entnahmestellen 5 bar nicht überschreiten. Ein höherer Druck ist durch den Einbau von Druckminde­rern zu verringern. Die Anschlussart einer Druck­erhöhungsanlage (unmittelbar oder mittelbar) wird durch das zuständige Wasserversorgungsunternehmen vorgegeben. Was ist jeweils zu beachten?

• Unmittelbarer Anschluss

Dies ist die direkte Verbindung der DEA mit der von der Versorgungsleitung abzweigenden Anschlussleitung. Das hat Vor- und Nachteile.
Vorteil: Da bei dem hier geschlossenen System keine hygienischen Beeinträchtigungen zu befürchten sind, ist der unmittelbare dem mittelbaren Anschluss vorzuziehen. Beim unmittelbaren Anschluss kann zudem der Vordruck aus dem Netz genutzt werden.
Nachteil: Da sich Druckänderungen der DEA, z.B. beim Zu- oder Abschalten von Pumpen, auf das vorlagernde Versorgungsnetz auswirken können, kann es zu einem unzulässigen Druckabfall kommen. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu verhindern:

• Einbau von Membranbehältern auf der Zulaufseite,
• DEA mit stufenloser Drehzahlregelung aller Pumpen.

Eine wichtige Erkenntnis: Der unmittelbare Anschluss ohne Druckbehälter auf der Enddruckseite ist zulässig, wenn die Pumpen druck- oder durchflussabhängig gesteuert werden, ohne störende Druckstöße zu erzeugen.

Mittelbarer Anschluss

Dies ist die indirekte Verbindung zwischen DEA und dem öffentlichen Wassernetz. Als Netztrennbehälter werden Vorlaufbehälter oder stationäre Trinkwasserbehälter verwendet. Aufgrund der Entkopplung der DEA mit dem Versorgungsnetz wird das Wasser zunächst auf Umgebungsdruck entspannt (pvor = 0 bar). Auftretende Vordruckschwankungen werden nicht an die DEA weitergegeben. Ist der drucklose Vorbehälter tiefer als die DEA angeordnet, muss die DEA für Saugbetrieb ausgelegt sein.
Bei mittelbarem Anschluss werden keine Membrandruckbehälter auf der Vordruckseite installiert, da es zu keiner rückwärtigen Auswirkung der DEA auf das Versorgungsnetz kommen kann. Der mittelbare Anschluss ist nur zulässig bei:

• Unterschreitung des Mindestfließdruckes benachbarter Entnahmestellen bei maximaler Wasserentnahme an der Versorgungsleitung,
• Zusammenführen und Einleiten einer Eigenwasserversorgungsanlage (Entkopplung),
• wenn ein Kontakt des Trinkwassers mit anderen Stoffen zulässig ist.

Problemfelder im Vorfeld diskutieren

Bei der Planung der Wasserversorgung von Gebäuden mit mehreren Stockwerken oder Versorgungsbereichen mit unterschiedlichen Fließdruckanforderungen ist immer zu prüfen, ob die Versorgung mit einer einzigen DEA technisch sinnvoll ist. Denn es kann wirtschaftlicher sein, die Versorgung in unterschiedliche Druckzonen aufzuteilen oder mehrere DEA zu planen (Bild 4).
Starke Schwankungen des Wasserdruckes vor der DEA können erhebliche Auswirkungen auf die Komponenten der DEA selbst oder auf den Versorgungsdruck haben. Dies kann zu einer drastischen Erhöhung der Pumpenschalthäufigkeit (Flatterschaltungen) oder zu unerwünschten Druckschwankungen/-stößen des Versorgungsdruckes beim Verbraucher führen (Heiß-Kalt-Effekt). Möglichkeiten für Abhilfe sind:

• sinnvolle Aufteilung der Wasserversorgung in Druckzonen,
• Aufteilung der Fördermenge auf eine größere Anzahl Pumpen mit kleinerer Pumpenförderleistung und größere Membrandruckbehälter,
• Druckminderer/Druckregler, DEA mit Pumpen variabler Drehzahl.

Schnelle und häufige Verbrauchsänderungen nach einer DEA können zu Druckstößen, Geräuschen, höheren Belastungen der DEA-Komponenten sowie der nachfolgenden Anlagenteile führen. Im ungünstigsten Fall kann der zulässige Nenndruck von Anlagenteilen überschritten werden, Sicherheitsausrüstungen können auslösen. Die Druckstöße können zu Anlagen- und Rohrleitungsschäden führen. In jedem Fall ist von einem erhöhten Verschleiß für die Pumpen und alle Anlagenteile auszugehen. Abhilfe schaffen kann:

• Änderung der Verbrauchsdynamik (keine schnell schließenden Verbraucher, Armaturen) oder
• Auslegung der Pumpenförderströme im Vergleich zu den erwarteten Verbrauchsänderungen oder
• Verwendung von Membrandruckbehältern als dynamische Pufferspeicher so nah wie möglich am Verbraucher oder
• Verwendung von DEA mit einer oder mehrerer in der Drehzahl variablen Pumpen. Dies ist mit Abstand die effektivste und ökonomischste Art der Wasserversorgung bei hochdynamischen Anforderungen.

Im Wohnungsbau wird ein möglichst geräuscharmer Betrieb der gesamten Sanitärinstallation erwartet. Die DIN 4109-5 definiert hier die Grenzwerte. Überwiegende Geräuschquelle für Luftschall einer DEA sind die Lüftergeräusche der Motoren. Schwingungs- und Strömungsgeräusche können eine weitere Quelle bilden. Bereits bei Planung und Auslegung von Wasserversorgungseinheiten sollte deshalb Wert gelegt werden auf:

• Pumpen und Motoren mit hohem hydraulischen/elektrischen Wirkungsgrad (kleinere Lüfterdurchmesser möglich),
• nach Möglichkeit DEA mit Pumpen variabler Drehzahl,
• ausreichende Dimensionierung der Rohrquerschnitte, Armaturen mit vollem Durchgang, keine unnötigen Querschnittsveränderungen, keine Drosselstellen, Rohre in moderner Aushalstechnik gefertigt, optimale Krümmungsradien bei Rohrbögen, keine Materialauftragungen, moderne Schweißverfahren (Orbitalschweißen),
• optimale Auslegung der Pumpenförderleistung zur Minimierung der Ein-/Aus-Schaltspiele der Pumpen,
• Abschalten der Pumpen in Schwachlastphasen (Nacht, Wochenende, Feiertage),
• Entkoppeln der Rohrleitungen zwischen DEA und weiterführender Rohrleitung durch Kompensatoren,
• Schwingungsgedämpfte Aufstellung der Pumpen sowie der DEA auf dem Boden oder Fundament.

Eine sekundäre Maßnahme kann die Teil- oder Vollverkleidung von Pumpen oder der gesamten DEA mit schalldämmenden Materialien sein. Nachteilig ist der größere Platzbedarf, ein höheres Risiko hinsichtlich kritischer Temperaturen, des schlechteren Zugangs bei der Wartung der DEA und ein höherer Preis. Geräusche sollten deshalb immer primär – bereits am Entstehungsort – verhindert werden, damit sie später nicht durch zusätzliche Hilfsmaßnahmen bekämpft werden müssen.

Ermittlung des Förderstromes

Für reine Trinkwasserversorgungssysteme ist der notwendige Förderstrom (V_max, p = Spitzendurchfluss VS) nach DIN EN 806-3 und DIN 1988-300 zu ermitteln. Bei Wohnhäusern kann man eine überschlägige Ermittlung des Summendurchflusses mit V_R = 2,0 l/s je Wohneinheit vornehmen.
Für reine Feuerlöschzwecke ergibt sich der notwendige Förderstrom aus den vorhandenen Brandschutzeinrichtungen (Wandhydranten) und deren Anzahl. Die Gleichzeitigkeit der Versorgungsanforderungen ist mit der jeweils zuständigen Brandschutzbehörde (Feuerwehr) abzustimmen. Bei einer Feuerlöschversorgung wird der Spitzendurchfluss VS ausschließlich über den Berechnungsdurchfluss je Wandhydrant x Gleichzeitigkeitsfaktor (f) berechnet.
Für kombinierte Trinkwasser- und Feuerlöschsysteme ist der jeweils höhere Förderstrom anzusetzen. Bei wesentlich höherem Löschwasserbedarf sollte aus wirtschaftlichen Gründen eine gesonderte Feuerlösch-DEA vorgesehen werden.

Ermittlung des Förderdruckes

Der erforderliche Förderdruck für die DEA ergibt sich aus der Summe aller Höhenunterschiede, Druckverluste und dem zu erzeugenden Fließdruck. Davon abgezogen werden muss der ggf. saugseitig an der Pumpe anstehende minimale Versorgungsdruck.

Integration in die Leittechnik

DEA werden in aller Regel an die zentrale Gebäudeleittechnik angeschlossen. Dafür verfügbare Datenbus-Kommunikationsschnittstellen (Einsteckplatinen oder externe Kommunikationsmodule) ermöglichen die Datenbuskommunikation über offene und interoperable Datenbussysteme. Zu nennen sind hier Profibus DP, Modbus RTU, LON-Works, BACnet MS/TP, drahtlos über GSM/GPRS oder über unternehmensspezifische Remote-Management-Systeme. Die Datenbusmodule basieren auf Standard-Funktionsprofilen, um den Datenaustausch im Netzwerk und die Inbetriebnahme so einfach wie möglich zu gestalten. Die Verwendung von Standard-Funktionsprofilen sorgt für ein benutzerfreundliches, einfaches Verständnis der übertragbaren Daten.

Vom Asynchron- zum Permanentmagnet-Motor

Während sich Planer und Betreiber um die hydraulischen Kennzahlen wie Fördervolumen und Förderdruck zumeist ausreichend Gedanken machen, wird der Motor häufig als eine Art „black box“ angesehen – häufig allein über die verfügbare Leis­tung in kW beschrieben. Das ist zu kurz gedacht, bieten doch moderne Antriebe mehr als nur das schiere Drehmoment, um eine Welle rotieren zu lassen. Nach wie vor Standard und am weitesten verbreitet sind Drehstrom-Asynchronmotoren (Normmotor). Daneben etablieren sich auch Permanentmagnet-Synchronmaschinen.
Permanentmagnetmotoren zeichnen sich generell durch einen sehr hohen Motorwirkungsgrad aus. Denn dieser Motor benötigt für die Magnetisierung seines Rotors keine zusätzliche Energie. Temperaturstabile Hochleistungsmagnete sorgen für die permanente Magnetisierung. Durch die hohe Energiedichte des Rotors kann zudem der Kupfer-Stator wesentlich kleiner ausgeführt werden.
So werden gerade bei kleineren Antriebsleistungen gegenüber dem herkömmlich verwendeten Asynchronmotor enorme Wirkungsgradsteigerungen erreicht. Als weitere Besonderheit ist herauszuheben, dass diese Motoren gerade im meist beanspruchten Teillastbereich kaum an Wirkungsgrad einbüßen – anders als ältere Asynchronmotoren, die hier einbrechen. Permanentmagnet-Motoren verbrauchen aufgrund dieser Besonderheiten bis zu 30% weniger Antriebsenergie als ein herkömmlicher Asynchronmotor. Darüber hinaus arbeitet dieser Motor äußerst leise.

Hygienesicherheit: Konstruktive Gestaltung der Pumpen

Trinkwasser muss gemäß Trinkwasserverordnung an der Entnahmestelle mikrobiologisch und chemisch so beschaffen sein, dass es bei lebenslangem Genuss und Gebrauch die menschliche Gesundheit nicht beeinträchtigt. Was hat der Pumpenhersteller bei einer hygienisch sicheren Konstruktion zu bedenken? Grundsätzlich ist zu beachten, dass es im Anlagenaufbau sowie durch die Betriebsweise der DEA zu keiner Stagnation des Trinkwassers mit der Gefahr einer Verkeimung kommt. Um dies zu verhindern, sollten die einzelnen Pumpen der Druckerhöhungsanlagen einem Pumpentausch nach dem FiFo-Prinzip (First in/First out) unterliegen. Dadurch ist sichergestellt, dass alle beteiligten Pumpen die gleiche Betriebszeit aufweisen und das Wasser nicht stagniert.
Auch die Werkstoffwahl ist von Bedeutung: Edelstahl besitzt von Hause aus eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und hat besonders glatte Oberflächen. Das Edelstahl-Feinguss-Verfahren (Lost wax, Wachs­ausschmelzverfahren) erhöht den Hygieneschutz weiter: Die Pumpen weisen dann eine extrem glatte, spaltenfreie Oberfläche auf.
Eine entsprechend gestaltete Hydraulik vermeidet Stagnationszonen, die unter Hygienegesichtspunkten immer kritisch sind. Vorteil: Glatte, strömungsgünstige Oberflächen und ein optimales Design der hydraulischen Bauteile wirken einer Biofilmbildung entgegen.
Wichtig bei der Beurteilung von Pumpen ist das Kriterium „Low Thermal Impact“ (geringer Wärmeeintrag in das Trinkwasser). Je effizienter eine Pumpe arbeitet, desto weniger (Reibungs-)Verluste werden in Wärme umgewandelt. Das Trinkwasser wird weniger erwärmt (reduziertes Verkeimungsrisiko) und die Wirtschaftlichkeit einer Druckerhöhungsanlage ist höher (geringere Betriebskosten).

Fazit

Aus den unterschiedlichsten Erwägungen ist für DEA der Einsatz drehzahlregelbarer Pumpen die beste Empfehlung, um zum einen Betriebsproblemen aus dem Weg zu gehen und zum anderen, um Betriebskosten zu sparen. Druckerhöhungsanlagen nach dem Stand der Technik sind nicht nur energieeffizient, sie sind auch hygienisch sicher und arbeiten vollautomatisch. Der Planer wie der Installateur ist gehalten, grundsätzliche Überlegungen bei der Planung bzw. Aufstellung einer DEA zu beachten.

Klassische Fehler bei der Planung einer DEA

• Es fehlen notwendige Planungsdaten hinsichtlich
  - des Versorgungsnetzes: Netzdruck, Druckschwankungen, Anschlussnennweiten, Besonderheiten und
  - hinsichtlich der Verbraucher: Was soll tatsächlich alles „versorgt“ werden? Feuerlöschbedarf, Anschlussnennweiten, ausreichend genaue Berechnung des Spitzendurchflusses, Gleichzeitigkeitsfaktor, Art der zu versorgenden Einheiten, Bedarfsprofil, Spitzenlastanteil, Schwachlastphasen.

• Aufstellort der DEA ist nicht genügend hinterfragt: Platzbedarf, Zugänglichkeit, Abflussmöglichkeiten, Lärmbelästigungen, weil Raum nicht ausreichend von bewohnten Räumen entfernt ist oder nicht genügend schallisoliert ist.
• Art der Druckkonstanz ist nicht definiert (Regelgüte des Druckes): Reicht eine einfache Kaskadenschaltung aus oder ist ein Druck hoher Konstanz erforderlich („ungeregelte“ oder „geregelte“ DEA erforderlich), das Verbrauchs-Anforderungsprofil liegt nicht vor.
• Investitions- und Betriebskosten einer Wasserversorgungsanlage: Sehr häufig wird die Entscheidung zum Kauf einer DEA ausschließlich nach dem vorhandenen Budget getroffen. Die späteren Betriebskosten werden nicht berücksichtigt, da diese Mittel meist aus einem „anderen Topf“ kommen.

Autor: Dipl.-Ing. André Schweitzer, Vertriebs­direktor Projektgeschäft, Grundfos GmbH, Erk­rath

Bilder: Grundfos
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