21. Juli 2022

So gelingt die Planung und Ausführung von Druckerhöhungsanlagen

Dass Trinkwasser an jeder Stelle einer Liegenschaft ausreichend zur Verfügung steht, ist keine Selbstverständlichkeit, die der Wasserversorger erfüllen muss. Vielmehr ist es eine planerische Herausforderung. Was bei der Planung und Ausführung von Druckerhöhungsanlagen zu beachten ist, beleuchten wir in diesem Gastbeitrag.

Der Wasserversorger garantiert einen Mindest-Versorgungsdruck (SPLN … lowest normal service pressure). Ist dieser zu niedrig, um dem Komfortanspruch der Nutzerinnen und Nutzer gerecht zu werden, kommt eine Druckerhöhungsanlage (kurz: DEA) zum Einsatz. Sie hat die Aufgabe, den Wasserdruck so zu erhöhen, dass auch an der hydraulisch ungünstigsten Zapfstelle ein – für die Funktion dieser Zapfstelle – ausreichender Wasserdruck vorhanden ist. Übrigens: Die hydraulisch ungünstigste Zapfstelle ist nicht unbedingt die am weitesten entfernte Zapfstelle. Hier ist die Mischung aus Entfernung und damit verbundenem Druckverlust, geodätischem Höhenunterschied sowie dem notwendigen Mindestfließdruck an der Zapfstelle entscheidend.

Welche technischen Regeln gelten für Druckerhöhungsanlagen?
Auf europäischer Ebene befasst sich die EN 806-2 u. A. mit DEAs (Deutsche Fassung: DIN EN 806-2:2005-06). Außerdem gilt für DEAs in Deutschland als allgemein anerkannte Regel der Technik die DIN 1988-500 (DIN 1988-500:2021-05).

Die EN 806-2 beschreibt auch DEAs unabhängig von der Drehzahl, wie zum Beispiel ungeregelte DEAs (alle Pumpen laufen mit konstanter Maximaldrehzahl) sowie grundlastgeregelte DEAs (eine Pumpe innerhalb der Anlage wird drehzahlgesteuert, alle anderen Pumpen laufen mit konstanter Maximaldrehzahl). In Deutschland haben sich seit der Jahrtausendwende jedoch DEAs mit drehzahlgesteuerten Pumpen (jede Pumpe in der Anlage läuft mit variabler Drehzahl) in Trinkwasser-Installationen (kurz: TRWI) durchgesetzt.

Warum Druckerhöhungsanlagen mit drehzahlgesteuerten Pumpen?
Wird eine Anlage auf Basis konstanter Maximaldrehzahl der Pumpen gesteuert, hat das eine große Schalthysterese zur Folge. Damit ist die Differenz zwischen Ein- und Ausschaltpunkt der Pumpe gemeint. Durch diese hohe Differenz kommt es zu Druckschwankungen im System. Das wiederum macht Membrandruckbehälter notwendig: Erstens vor der DEA, um die benachbarten TRWI vor zu niedrigen Fließdrücken beim Anlaufen der Pumpen zu schützen. Und zweitens nach der DEA, um die Schalthäufigkeit der Pumpen zu reduzieren. Das Problem: Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass beim Einsatz von großflächigen Membrandruckbehältern in TRWI nicht auszuschließen ist, dass die Trinkwasserhygiene beeinträchtigt wird. Steuerdruckbehälter hingegen sind, aufgrund ihrer geringen Größe, weiter einsetzbar. Sie dienen dazu, kleinste systembedingte Druck- und Volumenschwankungen zu kompensieren und so die Regelgüte konstant zu halten.

Tipp: Detaillierte Hinweise zur Planung und Ausführung gibt der aktuelle Kommentar zur DIN 1988-500, der über den Beuth Verlag und, für Verbandsmitglieder, über den ZVSHK bezogen werden kann.

Durch den Einsatz von DEAs mit drehzahlgesteuerten Pumpen werden die Ansprüche hinsichtlich Komfort (erhöhte Regelgüte: Sollwertabweichungen ≤ 0,015 MPa) und Energieeffizienz (variable Drehzahl der Pumpen: Anpassung der Leistungsaufnahme der Anlage an den Wasserverbrauch der TRWI) erfüllt. Außerdem führt der Verzicht auf vor- und nachgeschaltete Membrandruckbehälter dazu, dass hygienische Risiken reduziert werden – ganz abgesehen vom erheblich geringeren Platzbedarf am Aufstellort.

Über Förderstrom und Förderdruck
Der ausschlaggebende Förderstrom für die Auslegung einer DEA ist der – auf den Versorgungsbereich der DEA bezogene – Spitzendurchfluss. Dieser wird mithilfe des Summendurchflusses sowie der Nutzungsart der Liegenschaft nach DIN 1988-300 ermittelt. Der zu erbringende Förderdruck der DEA (ΔP_p) spiegelt die Differenz zwischen benötigtem Fließdruck am Ausgang (P_FL,nach) und vorhandenem Fließdruck am Eingang der DEA (P_FL,vor) bei Spitzendurchfluss wider. Die Druckverluste müssen gemäß DIN 1988-300 differenziert berechnet werden.

Zunächst der Fließdruck am Eingang der DEA: Dieser ergibt sich aus der Differenz zwischen dem vom Wasserversorger garantierten Mindest-Versorgungsdruck (SPLN) und der Summe aus dem Höhenunterschied von der Anschlussvorrichtung bis zum Aufstellort der DEA (ΔP_e,vor), dem Druckverlust im Wasserzähler (ΔP_WZ), der Summe der Druckverluste aus Rohrreibung und Einzelwiderständen im Fließweg von der Anschlussvorrichtung bis zum Eingangsstutzen der DEA (Σ(l · R + Z)_vor) sowie dem Druckverlust in eventuell der DEA vorgeschalteten Apparaten (ΔP_Ap,vor).

Liegen die Angaben zu Anschlussleitung und Wasserzählanlage seitens des Wasserversorgers zum Zeitpunkt der Planung noch nicht vor, muss zunächst der pauschale Ansatz für den Druckverlust nach DIN 1988-300 berücksichtigt werden. Er liegt bei 850 hPa. Der Fließdruck P_FL,vor unmittelbar vor der DEA muss ≥ 0,1 MPa betragen. Bei der Verwendung eines offenen Vorbehälters wird der Mindest-Versorgungsdruck am Eingang des Vorbehälters vollständig vernichtet.

Der benötigte Fließdruck am Ausgang der DEA (P_FL,nach) wiederum ergibt sich aus der Summe vom Höhenunterschied zwischen dem ausgangsseitigen Anschlussstutzen der DEA bis zur höchstgelegenen Entnahmearmatur (ΔP_e,nach), dem Mindestfließdruck an der hydraulisch ungünstigsten Entnahmearmatur (P_{min FL}), den Druckverlusten aus Rohrreibung und Einzelwiderständen im Fließweg vom ausgangsseitigen Anschlussstutzen der DEA bis zur hydraulisch ungünstigsten Entnahmearmatur (Σ(l · R + Z)_nach) sowie den Druckverlusten in eventuell der DEA nachgeschalteten Apparaten, z. B. in Wohnungs-Wasserzählern (ΔP_Ap,nach).

Anschlussart „unmittelbar“ oder „mittelbar“
Der Anschluss einer Druckerhöhungsanlage an die TRWI wird in „unmittelbar“ oder „mittelbar“ unterschieden. Bei unmittelbarem Anschluss wird die DEA direkt mit der Versorgungsleitung verbunden. Bei mittelbarem Anschluss wird ein atmosphärisch verbundener Vorbehälter vor die DEA geschaltet.

Vorbehälter sind gemäß DIN 1988- 500 mit der Sicherheitseinrichtung Freier Auslauf AB nach DIN EN 1717 (DIN EN 1717:2011-08) auszustatten. Diese Sicherheitseinrichtung führt zum Kontakt des Mediums mit der Atmosphäre und erhöht so das Risiko der Verunreinigung des Wassers – und das wiederum den Aufwand bei der Einhaltung der Trinkwasserhygiene in Wartung und Betrieb.

Welche Kriterien gelten bei der Wahl der Anschlussart? Zum Beispiel der Fließdruck am Eingang der DEA (P_FL,vor), eingeschränkte Möglichkeiten des Wasserversorgers den gesamten Spitzendurchfluss zur Verfügung zu stellen und so weiter. Sollte etwa der Fließdruck P_FL,vor 0,1 MPa (= 1 bar) unterschreiten, sind Alternativen zu prüfen, die das verhindern können (zum Beispiel andere Apparate mit geringeren Druckverlusten, Verlegung der vorgeschalteten Apparate hinter die DEA, Druckverlustoptimierungen, Rücksprache mit dem Wasserversorger bzgl. kleineren Werten als 0,1 MPa usw.). Erst wenn alle realisierbaren Alternativen nicht die gewünschte Wirkung zeigen, ist ein druckloser Vorbehälter und damit ein mittelbarer Anschluss zu wählen. Ein druckloser Vorbehälter sollte aus trinkwasserhygienischen Gründen als letztes Mittel in Betracht gezogen werden.

Druckzonen sinnvoll planen
Das Trinkwassernetz in verschiedene Druckzonen einzuteilen ist sinnvoll, weil so unter Umständen Energie gespart werden kann. Für die Planung von Druckzonen spricht außerdem, dass aus Gründen des Schallschutzes der Ruhedruck an keiner Entnahmestelle 0,5 MPa (= 5 bar) überschreiten darf.

Die Höhenausdehnung einer Druckzone ist, neben dem oben genannten Grenzwert von 0,5 MPa, weiterhin abhängig von den Fließdruckanforderungen der hydraulisch ungünstigsten Entnahmearmatur innerhalb der Druckzone sowie von den Druckverlusten eventueller Armaturen, durch Rohrreibung und Einzelwiderstände. Je kleiner die Fließdruckanforderungen und Druckverluste, umso größer wird die maximal zulässige Höhenausdehnung der Druckzone.

Die DIN 1988-500 beschreibt in ihrer Fassung aus 2021 folgende vier Ausführungsarten:

• Ausführungsart A: Teilbereiche der TRWI, die mit dem Mindest-Versorgungsdruck ausreichend versorgt werden können, werden nicht an die DEA angeschlossen.
• Ausführungsart B: Jede Druckzone wird durch eine eigene DEA versorgt. Die verwendeten DEAs sind hydraulisch in Parallelschaltung angeordnet.
• Ausführungsart C: Eine DEA versorgt mehrere Druckzonen, wobei, bis auf die hydraulisch ungünstigste Druckzone, alle Druckzonen jeweils einen zentralen Druckminderer erhalten.
• Ausführungsart D: Jede Druckzone wird durch eine eigene DEA versorgt. Die verwendeten DEAs sind hydraulisch in Reihenschaltung angeordnet.

Um Energie zu sparen, die Versorgungssicherheit im Betrieb nicht zu gefährden und den Wartungsaufwand verhältnismäßig zu halten, sollte der Einsatz von Druckminderern minimiert werden. Dies ist auch der Grund, warum die Ausführungsart mit dezentralen Druckminderern an den Abzweigen in der aktuellen Fassung der DIN 1988-500 keine Erwähnung mehr findet.

Bei zentraler Trinkwassererwärmung muss diese, inklusive der eigenen Zirkulation, je Druckzone errichtet werden (Bild 3). Ansonsten kommt es unter Umständen zu spürbaren Fließdruckunterschieden zwischen Kalt- und Warmwasser. So sind konstante Mischtemperaturen in der Regel nicht mehr möglich.

Reservepumpe stets erforderlich
DEAs müssen gemäß DIN 1988-500 mindestens mit einer Reservepumpe ausgestattet sein, damit die Förderung des Spitzendurchflusses weiterhin gewährleistet ist, sollte eine Betriebspumpe ausfallen. Ausnahme: Bei Kleinobjekten wie Ein- und Zweifamilienhäusern zu Wohnzwecken, kann auf die Reservepumpe verzichtet werden. Die kurzzeitige Nichtversorgung würde immerhin nur einen kleinen privaten Personenkreis betreffen.

Für den Schallschutz müssen in Wohngebäuden die Schalldruckpegel der DIN 4109 eingehalten werden. Dies kann, etwa bezogen auf den wahrnehmbaren Luftschall, durch die Lage bzw. Schallisolierung des Aufstellraumes sowie auch durch den Einsatz von geräuscharmen Pumpen erreicht werden.

Hygienische Einbringung der DEA
DEAs werden vor Auslieferung vom Hersteller hydrostatisch und hydraulisch nassgeprüft. Und natürlich muss auch diese Prüfung den hygienischen Anforderungen gerecht werden, zum Beispiel durch entsprechende Desinfektionsmaßnahmen. So ist gewährleistet, dass DEAs das Werk in einem hygienisch unbedenklichen Zustand verlassen. Dieser Zustand muss auch bei Lieferung, Lagerung und Montage der DEA aufrechterhalten werden. Der Eintrag von Fremdstoffen ist also zu verhindern, zum Beispiel durch trockene Lagerung, durch regelmäßige Prüfung der DEA und ihrer Verpackung auf Unversehrtheit und hygienische Montagebedingungen. Des Weiteren wird empfohlen, vor, während und nach Anschluss der DEA schrittweise mikrobiologische Beprobungen (Hausanschluss, Anschlussleitung, DEA) durchzuführen.

Der bestimmungsgemäße Betrieb startet mit der Wasserbeaufschlagung der DEA. Sollte eine bestimmungsgemäße Nutzung noch nicht möglich seine, etwa wegen weiteren Baumaßnahmen in der TRWI, kann die Nutzung auch anderweitig simuliert werden – zum Beispiel durch Spülen nach Spülplan.

Wie lässt sich eine DEA fernüberwachen?
Es gibt bei DEAs keine normativen Regeln, die das Weiterleiten von Alarm- und Störmeldung, etwa an eine ständig besetzte Stelle, fordern – anders als bei Löschwasseranlagen. Nichtsdestotrotz ist eine Fernüberwachung je nach Ausstattung der DEA und den planerischen bzw. betreiberseitigen Anforderungen in verschiedenen Ausstattungsgraden möglich. Die einfachste Variante ist das Zusammenfassen von Störmeldungen innerhalb der DEA zu einer Sammelstörmeldung. Diese kann dann als potenzialfreies Signal an die Gebäudeleittechnik weitergeleitet werden. Die Sammelstörmeldung kann aber auch erweitert werden: zu Einzelbetriebs- und Einzelstörmeldungen je Pumpe.

Alternativ ist es möglich, Daten über standardisierte Bus-Systeme zu übermitteln, zum Beispiel BACnet, ProfiBus, LON-Bus, CAN-Bus, Modbus und andere. Diese Daten enthalten weitaus mehr Informationen als die potenzialfreien Meldungen. Somit können zum Beispiel auch die Betriebsstunden, die Drehzahl und die Störmeldehistorie an die Gebäudeleittechnik übermittelt und dort verarbeitet werden. Eine weitere Möglichkeit: das Visualisieren des Zustandes der DEA auf einer Weboberfläche, die jederzeit live und in Echtzeit auf PC, Tablet oder Smartphone abrufbar ist. Dies kann innerhalb der übergeordneten Gebäudeleittechnik zusammen mit anderen Komponenten des Gebäudes realisiert werden, aber auch als autarke Lösung nur für die DEA (Bild 5).

Literatur:

[1] DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (2005): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 2: Planung; Deutsche Fassung EN 806-2:2005; Technische Regeln des DVGW (DIN EN 806-2:2005-06), Beuth Verlag: Berlin.

[2] DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (2021): Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 500: Druckerhöhungsanlagen mit drehzahlgesteuerten Pumpen (DIN 1988-500:2021-05), Beuth Verlag: Berlin.

[3] DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (Hrsg.), ZVSHK Zentralverband Sanitär Heizung Klima (Hrsg.) (2022): Druckerhöhungsanlagen mit drehzahlgesteuerten Pumpen: Kommentar zur DIN 1988-500, Beuth Verlag: Berlin.

Autor: Dirk Böttcher, Produkt-Portfolio-Manager für Wasserversorgungspumpen und -systeme für den deutschsprachigen Vertrieb bei WILO. Er ist außerdem Teilnehmer des Normen- Arbeitskreises zur Überarbeitung der DIN 1988-500 sowie Co-Autor des Kommentars zur DIN 1988-500.