Eine neue DIN 1986-100 und doch nichts Neues

Im Folgenden wird auf wassersparende Sanitärgegenstände, auf sich daraus angeblich entstehende Probleme in der Selbstreinigungsfähigkeit der Schmutzwasserleitungen sowie auf erhebliche Einsparungsmöglichkeiten eingegangen, die mit kleineren Rohrweiten als nach dem Stand der Normung vorgegeben, realisiert werden können.

Der Stand der Entwässerungsnormen [1, 2, 3]

Nach dem Stand der Normung errechnet sich der Schmutzwasserabfluss in einem Teil oder der gesamten Entwässerungsanlage nach Gleichung (1) aus der Summe der Anschlusswerte DU aller angeschlossenen Entwässerungsgegenstände in Tabelle 1.

Q_WW = K x ÞΣDU in [l/s] (1)

Q_WW - Schmutzwasserabfluss in [l/s]

K – Abflussbeiwert nach Tabelle 2

ΣDU – Summe der Anschlusswerte in [l/s] nach Tabelle 1

Die typischen Abflusskennzahlen K nach Tabelle 2 verknüpfen abhängig von der Gebäudeart die unterschiedliche Häufigkeit in der Benutzung der Entwässerungsgegenstände.

Der Gesamtschmutzwasserabfluss Q_to in einem Teil oder der gesamten Entwässerungsanlage, der Dauerabflüsse Q_C und Pumpenförderströme Q_P berücksichtigt, ist nach Gleichung (2) zu ermitteln.

Q_tot = Q_WW + Q_C + Q_P in [l/s] (2)

Q_tot – Gesamtschmutzwasserabfluss in [l/s]

Q_C – Dauerabfluss in [l/s]

Q_P – Pumpenförderstrom in [l/s]

Dabei muss der zulässige maximale Schmutzwasserabfluss eines Rohres Q_max mindestens den größten Wert

a) des berechneten Schmutzwasserabflusses Q_WW oder des Gesamtschmutzwasserabflusses Q_tot oder

b) des Schmutzwasserabflusses des Entwässerungsgegenstandes mit dem größten Anschlusswert entsprechen.

Bei der hydraulischen Dimensionierung der Abwasserleitungen geht man nach den Bestimmungen des ATV-Arbeitsblattes A 110 [4] von der vereinfachenden Annahme eines stationär gleichförmigen Abflusses aus, bei dem – entsprechend der Darstellung in Bild 1 – Energielinie und Wasserspiegellinie parallel zur Rohrsohle verlaufen. Man geht also von einem konstant verlaufenden Füllungsgrad und Volumenstrom aus.

Der Faktor Gleichzeitigkeit

Bei der Ermittlung des Schmutzwasserabflusses werden nach dem Stand der Normung die Anschlusswerte aller Entwässerungsgegenstände addiert. Mit der Abflusskennzahl K soll abhängig von der Gebäudeart die unterschiedliche Häufigkeit in der Benutzung der Entwässerungsgegenstände berücksichtigt werden.

Anstelle der Abflusskennzahl K ist es angebracht, wie in der DIN 1988-3 [5] und dem Kommentar zur DIN 1988 [6] die so genannten „zusätzlichen“ Sanitäreinrichtungsgegenstände, die nach Art der Benutzung keine höhere Gleichzeitigkeit erwarten lassen, nicht zu berücksichtigen.

Befinden sich in einem großen Badezimmer ein Waschtisch mit zwei Waschbecken, zusätzlich zur Badewanne noch eine Brausewanne sowie zu einem WC noch ein Bidet, so dürfen diese Sanitäreinrichtungs­gegenstände bei der Berechnung außer Acht gelassen werden. Gleiches gilt für ein WC, wenn sich ein Urinal zusammen mit einem Klosett in einem Raum befindet; hier ist nur der höhere Durchfluss von beiden zu berücksichtigen.

Bei dieser Maßnahme reduziert sich der Schmutzwasserabfluss vergleichsweise auf weniger als die Hälfte. Das Ergebnis sind entsprechend kleinere Rohrweiten und geringere Investitionskosten.

Anschlusswerte nach dem tatsächlichen Abflussverlauf

Festzustellen ist, dass die Anschlusswerte DU nach der Norm in Tabelle 1, die für die Bemessung der nachfolgenden Abwasserleitungen maßgebend sind, nicht das Geringste mit dem tatsächlichen Abflussverlauf zu tun haben.

Nach dem vorliegenden Kenntnisstand aus der Praxis, aus Untersuchungen und Forschungsarbeiten, die durch Veröffentlichungen bis auf das Jahr 1976 zurückgehen [7], unterliegt der Spülstrom auf dem Wege von der Spüleinrichtung bis zum Klosettabgang in den durchflossenen Anlagenbereichen einer starken Drosselung. Diese Drosselung des Spülstromes wird durch die relativ großen Einzelwiderstände des Spülwasserverteilers und des Geruchverschlusses sowie die sich ändernden Strömungsarten in den verschiednen Strömungsabschnitten – Spülrohr, Spülwasserverteiler, Spülrand, Klosettschüssel, Geruchverschluss, Klosettabgang (Bild 2) – bewirkt. Die für die Beurteilung maßgebenden Kenngrößen sind in Bild 3 dargestellt.

Karl Bösch geht in dem Beitrag „Wassersparen mit dem Spülkasten“ [7] auf das Verhalten des Spülstromes Q₂ am Spülrohraustritt (ohne angeschlossenes Klosett) bis zum Spülstrom Q₃ bei Austritt aus dem Spülrand des angeschlossenen Klosetts ein. Es wurden drei Tiefspül- und zwei Flachspülklosetts bei abgestuften Spülströmen von Q₂ = 1,0 – 1,5 – 2,0 – 2,5 l/s untersucht. Die Tabelle 3 enthält die Mittelwerte, die sich aus den Messungen bei jeweils 30 Spülversuchen pro Klosett und pro Spülstrom Q₂ ergeben haben. Bei Q₂ = 1,0 l/s ist der Spülstrom Q₃ um durchschnittlich 5 % größer, d.h. es tritt keine Drosselung ein. Bei einer Zunahme des Spülstromes auf Q₂ = 1,5 – 2,0 – 2,5 l/s tritt dagegen eine Verringerung des Spülstromes infolge Drosselung um 6 bis 33 % ein.

Widerspruch zur Spülkastennorm und zur Druckspülernorm

Die genormten Spülströme Q₂ für Spülkästen nach DIN 19 542 [8] nach Bild 4 liegen abhängig von der Prüfhöhe in einem Bereich von 1,7 bis 2,9 l/s und beim Druckspüler DN 20 nach DIN 3265-1 [9] bei 1,0 bis 1,3 l/s. Diese Werte gelten für den Spülstrom Q₂ bei Austritt aus dem Spülrohr ohne angeschlossenes Klosett. Sie entsprechen also nicht dem Abfluss-Volumenstrom Q₄ bei Austritt aus dem Klosettabgang, der für den effektiven Anschlusswert maßgebend ist.

Alleine hieraus geht hervor, dass die Anschlusswerte für Klosettbecken nach Tabelle 1 mit 1,8 – 2,0 – 2,5 l/s bewusst zu hoch ausgelegt wurden.

Effektiver Abflussverlauf und daraus abgeleitete Anschlusswerte und Nennweiten für Einzelanschlussleitungen

Der Autor dieses Beitrags bringt in seinem Forschungsbericht „Untersuchungen zur Wassereinsparung bei der Klosettspülung und zu kleineren Rohrweiten bei der hydraulischen Dimensionierung der Zufluss- und Abwasserleitungen“ [10] den Nachweis, dass der in der Abfluss-Einzelanschlussleitung auftretenden Abflussvolumenstrom Q₅ so gut wie ausschließlich von der Rohrweite, vom Rohrsohlengefälle und von dem sich einstellenden Wasserspiegelgefälle abhängig ist. Tabelle 4 bringt hierzu eine Zusammenstellung der mittels Ultraschallfüllhöhenmessung durch die TU Dresden ermittelten Mittelwerte von Fließgeschwindigkeit v₅ und Volumenstrom Q₅ mit den danach festgelegten Anschlusswerten DU₅ und DU₆. Erreicht wurde dabei für die Nennweiten DN 60, 70, 80 und 100 im Mittel ein Füllungsgrand von h/d_i = 0,495.

Der Volumenstrom verringert sich weiter bis zum Anschluss an die Fall-Leitung um durchschnittlich 0,3 l/s, z. B. bei Abfluss-Einzelanschluss­leitungen DN 70 mit einem Rohrsohlengefälle von 10 mm/m von Q₅ = 0,692 l/s auf Q₆ = 0,392 l/s. Das bedeutet, dass die Schmutzwasser-Fall-Leitung, die nachfolgende Sammel- und Grundleitung nach einem Volumenstrom von Q₆ = 0,392 l/s und nicht von 1,8 l/s für ein Wassersparklosett nach der Norm zu bemessen sind.

Dimensionierung der Schmutzwasserleitungen

Die hydraulische Dimensionierung von teilgefüllten Abwasserleitungen erfolgt nach dem ATV-Arbeitsblatt A 110 [4] und den Bestimmungen der DIN EN 12 056-2 [2] unter der vereinfachenden Annahme, einer stationär gleichförmig verlaufenden Strömung, d.h. in horizontal verlegten Gefälleleitungen mit einem konstant verlaufenden Füllungsgrad und Volumenstrom (Bild 1).

Der tatsächliche Abflussverlauf entspricht jedoch entsprechend der Darstellung in Bild 5 einer stationär ungleichförmigen Strömung mit einem durch die Strömungsverluste sind ständig verringernden Füllungsgrad und Volumenstrom. Daraus, wie aus den gegenüber dem Stand der Normung effektiv klei­ne­ren Anschlusswerten für Entwässerungsgegenstände (Tabelle 5), ergeben sich gegenüber dem Stand der Normung kleinere Rohrweiten und damit geringere Investitionskosten für die Abflussinstallation.

Selbstreinigungfähigkeit der Schmutzwasserleitungen

Die Beurteilung der Selbstreinigungsfähigkeit von Schmutzwasserleitungen erfolgt entsprechend den Prüfbestimmungen für Klosettbecken in der DIN EN 997 „Klosettbecken mit angeformtem Geruchverschluss“ [11] und speziell für wassersparende Klosettanlagen mit 4,0/4,5 l Spülwasservolumen nach der LGA-Prüfrichtlinie IGS/5/2001 [12].Der Verwendungsnachweis für wassersparende Klosettbecken wird in diesem Zusammenhang nach der Selbstreinigungsfähigkeit von Entwässerungsleitungen nach dem Ausspülverhalten von Prüfkörpern beurteilt. Ausgang dieser Bewertung ist die vom Zentralverband Sanitär Heizung Klima beauftragte Forschungsarbeit an die Fachhochschule Münster unter den Projektträgern Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler und Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann zu dem Thema „Selbstreinigungsfähigkeit von Entwässerungsleitungen bei Verwendung von wassersparenden Klosettanlagen“ [13]. In dem Beitrag „Selbstreinigungsfähigkeit von Entwässerungsleitungen II – Versuche und Lösungsansätze“ [13] werden hierzu folgende Ergebnisse mitgeteilt: „Es wurden Messreihen für 8 l-, 6 l- und 4,5-Spülungen bei Anschlussleitungen in den Nennweiten DN 100, 80 und 70 aufgenommen. Bei der 8 l-Spülung erfolgte in der Regel eine vollständige Ausspülung der Versuchsstrecke (10 m lange Sammelleitung DN 100 mit einem Gefälle von 10 mm/m) mit maximal zwei Spülvorgängen. Bei der 6 l-Spülung verschlechtern sich die Abflussbedingungen deutlich. Die Transportweite nimmt bereits mit der ersten Spülung deutlich ab, so dass mehrere Nachspülvorgänge erforderlich werden, um die Versuchsstrecke vollständig auszuspülen. Diese kann aber im Rahmen der gesetzten Prüfbedingungen mit maximal zehn Spülvorgängen vollständig ausgespült werden.

Bei einer 4,5 l-Spülung wird das Spülgut in der Sammelleitung im Mittel 4 bis 5 m weit transportiert. Danach werden die Prüfkörper abgelagert. Je nach Anordnung der Prüfkörper in der Rohrsohle erfolgt der weitere Transport entweder noch spontan oder überhaupt nicht mehr. Bei ungünstiger Positionierung – d.h. die Prüfkörper liegen hintereinander parallel zur Rohrachse – ist das nachfolgende geringe Spülwasservolumen aus weiteren Spülvorgängen nicht mehr in der Lage, eine Strömung mit ausreichendem Füllungsgrad und entsprechendem Strömungsimpuls zu erzeugen. Das Wasser fließt seitlich an den Prüfkörpern vorbei.

Einmal in der Prüfstrecke abgelagerte Prüfkörper konnten bei einem Abwasservolumenstrom < 10 l/min (0,166 l/s) nicht mehr nennenswert transportiert werden. Damit leisten Einzelabflussvorgänge aus Handwaschbecken, Waschmaschinen, Spülmaschinen und auch aus Duschen in der Versuchsanlage keinen Beitrag zur Ausspülung von Feststoffen.

Erst ein konstanter Dauerabfluss von rund 20 l/min (0,333 l/s) ließ abgelagerte Prüfkörper mit Papierzugaben aufschwimmen und weiter transportieren. Die Entleerung der Badewanne führte in jedem Fall zu einer spontanen Ausspülung der betroffenen Leitungsteile.“

Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann, Obmann des Normenausschusses Wasserwesen, kommt in seinem oben genannten Beitrag [13] schließlich zu folgender Stellungnahme: „Die Grenzen der konventionellen Schwerkraftentwässerung sind nach Einschätzung der für die Projektdurchführung Verantwortlichen mit der 4,5 l-Spülung erreicht. Eine weitere Reduzierung des Spülwasservolumens mach in jedem Fall eine neue Entwässerungstechnik erforderlich, die als Schwerkraftentwässerung nur mit dem Einsatz von Abflussverstärkern oder Fremdenergie funktionieren kann.“

Diese Beurteilung ist falsch und lässt seit langem vorliegende Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet und Praxiserfahrungen vermissen. Die tatsächlichen Abflussverhältnisse können auf dem Prüfstand mit Prüfkörpern als Ersatzfäkalien nur eingeschränkt für eine Bewertung des Ausspülverhaltens von Klosetts (Grassmeier [14]) gelten. Für eine Bewertung des Abflussverhaltens bei der Ausspülung von Fäkalien und Toilettenpapier aus Entwässerungsleitungen und deren Selbstreinigungsfähigkeit sind sie jedoch vollkommen ungeeignet.

Auf den Einsatz von Abflussverstärkern (für das in diesem Zusammenhang für die Firma Spinx Gustavsberg mit der 4,0/2,5 l-Spülung durch die Landesgewerbeanstalt Bayern, Zweigstelle Würzburg erteilte allgemeine bauaufsichtliche Prüfzeugnis) kann grundsätzlich verzichtet werden, da sie nur eine Alibifunktion haben.

Bei einem in Berlin von der GSW im Jahre 2000 ausgeführten Bauvorhaben wurde die Abflussinstallation von jeweils 24 Wohnungen mit Abflussverstärkern und von 24 Wohnungen ohne Abflussverstärker ausgeführt. Die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungen bestehen darin, dass die Abflussverstärker neben den dafür erforderlichen Investitionskosten mit regelmäßigen Wartungskosten verbunden sind und die Anlagen ohne Abflussverstärker problemlos mit der 4,0/2,5 l-Spülung funktionieren.

Zu vermerken ist auch, dass in den Ausführungsunterlagen „Wasser-Spar-System“ der Firma Spinx-Gustavsberg die Angabe „Beim Leerlaufen des Abflussverstärkers beträgt der Füllungsgrad der Abflussleitung maximal 70 %“ nicht stimmt. Nach eigenen Untersuchungen wird in der Anschlussleitung DN 100 des Abflussverstärkers ein Füllungsgrad von maximal 20 % erreicht, der sich mit der anschließenden Fließstrecke kontinuierlich verringert.

Karl Grasmeyer trifft in seinem Forschungsbericht „Einschränkung des Wasserverbrauchs (Spülwasserverbrauch von Klosettanlagen)“ [14] dazu folgende Feststellungen:

„Durch den Kontakt mit dem Jenaer Glaswerk Schott & gen, ergab sich der Umstand, das Verhalten echter Abwässer aus Klosetts in einer Leitung in die Untersuchungen einzubeziehen. Das Unternehmen hat am 28. November 1977, also vor mehr als zwei Jahren im Keller eines Gebäudes der Universitätskliniken Mainz einen Teil der Sammelleitung in einer Länge von 10 m in Borosist-Glasrohren der DN 70, 100 und 150 verlegen lassen, um deren Verhalten im Langzeitbetrieb zu erforschen. Etwaige Ablagerungen von Papier oder unzerkleinerten Fäkalstoffen sind nach zwei Jahren noch nicht zu finden. Obwohl mit DN 150 überdimensioniert, hat diese mit zwölf Klosettbecken, Wannen, Duschen usw. aus den Geschossen versehene Leitung während des Beobachtungszeitraumes keine beeinträchtigenden Ablagerungen. Die Lang­zeit­beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die für die Forschung gewählte Prüfleitung einen extrem ungünstigen Fall darstellt und sowohl mit Anschluss einer Fall-Leitung oder Sturzstrecke als auch mit Anschluss anderer Ablaufstellen sogar gestattet, auf eine bestimmte Nachlaufwassermenge ganz zu verzichten. In diesem Fall bliebe nur noch die Ausspülung der Feststoffe aus dem Klosett als einzige Einflussgröße übrig.“

Schmutzwasser-Gefälleleitungen erfordern für die Selbstreinigung, d.h. für das Ausspülen im Abwasser mitgeführter Feststoffe in Form von Schwebstoffen, Fäkalien, Toilettenpapier und Sand eine ausreichende Schwemmwirkung. Für deren Beurteilung sind die Fließgeschwindigkeit und der Füllungsgrad die maßgebenden Größen.

Von Interesse ist in diesem Zusammenhang die Angabe kritischer Geschwindigkeiten und kritischer Gefälle in dem ATV-Arbeitsblatt A 110 [4], die in Tabelle 6, ergänzt durch eigene Untersuchungen, wiedergeben sind. Die Grenzwerte beziehen sich auf eine Fließgeschwindigkeit bei Halbfüllung h/d_i = 0,5.

Sie sind im Rahmen üblicher Genauigkeit auch auf den Leistungsnachweis für Teilfüllungszustände h/d_i > 0,3 anwendbar. Für den Teilfüllungsbereich von h/d_i = 0,1 bis 0,3 sind die Werte für v_krit in Tabelle 6 um rund 10 % zu erhöhen. Bestätigt wird damit eine hydraulische Gesetzmäßigkeit, dass nämlich kleinere Rohrweiten vergleichsweise kleinere Grenzwerte der kritischen Fließgeschwindigkeit und größere Grenzwerte des kritischen Rohrsohlengefälles ergeben.

Dieser Voraussetzung wird mit der Forderung in der DIN 1986-100 [1], dass bei der Bemessung der Sammelleitungen eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,5 m/s und bei der Bemessung von Grundleitungen eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,7 m/s zu berücksichtigen ist, nicht entsprochen.

Ablagerungen werden vermieden, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit beim Abfluss des Abwassers nicht unterschritten wird. Unter der Annahme einer Betriebsrauheit k_b = 1,0 mm und einer Volumen­konzentration an absetzbaren Stoffen von c_T = 0,05 0/₀₀ ergeben sich Grenzwerte v_krit der Fließgeschwindigkeit für die verschiedenen Nennweitenbereich.

Wassersparende Sanitäreinrichtungen

Wassersparende Sanitäreinrichtungen sind Klosettanlagen, die mit einem Spülwasservolumen von 2,0 l für die Vollspülung (Fäkalien und Toilettenpapier) und Waschanlagen mit, die für das Waschen unter fließendem Wasser mit Entnahmearmaturen mit einem konstanten Durchfluss von 3,5 l/min in Anlehnung an die Arbeitsstätten-Richtlinien [15] betrieben werden.

a) Wassersparklosett

Im Rahmen einer von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geför-derten Forschungsarbeit „Wassereinsparung bei der WC-Spülung und kleine Rohrweiten bei der Zufluss- und Abflussinstallation“ [16] wurde das wandhängende Tiefspülklosett „WSA/HUGO“ entwickelt (Bild 6). Dafür wurde das Deutsche Bundespatent Nr. 195 11 127 erteilt.

Das Wassersparklosett „WSA/HUGO“ ist mit einem sich verjüngenden Rohrgeruchverschluss ausgestattet. Der Geruchverschluss-Eintrittsquer­schnitt mit 79 x 79 mm verringert sich bis zu Geruchverschlussausgang auf einen Durchmesser von 48 mm. Die Vollspülung (Fäkalien und Toilettenpapier) wird mit einem Spülwasservolumen von 2,0 l erreicht.

Der Ablaufanschluss wird nach Bild 7 mit Lippendichtung DN 70 flach (Hersteller Dallmer), einem geraden Anschluss-Stück DN 80/180 mm und einem reduzierten WC-Anschlussbogen 90° DN 80/70 (beides Hersteller Sanit), d.h. abgangseitig auf die Nennweite DN 70 reduziert, ausgeführt. Klosett-Einzel- und Sammelanschlussleitungen, z. B. für ein Wohnungsbad, sind in der Nennweite DN 70 und Schmutzwasser-Fall-Leitungen ebenfalls in der Nennweite DN 70 auszuführen.

b) Selbstschluss-Mischbatterie

Grundlage für einen begrenzten Durchfluss bei Zuflussarmaturen für Waschreihen und Waschtische ist die Arbeitsstätten-Richtlinie [15], nach der für das Waschen unter fließendem Wasser so ausgelegt werden soll, dass sie die Entnahme von 3,5 l Wasser pro Minute ermöglicht.

Dieser Durchfluss hat sich bereits seit Jahrzehnten als notwendig und ausreichend erwiesen [17], da der auf die Hand auftreffende Wasserstrahl sich inTropfen auflöst, die spritzfrei nach unten in die Waschreihe fallen. Ein Durchfluss von 4,5 l/min und mehr lässt dagegen einen horizontal spritzenden Strahlenkranz entstehen, der bis in den Nachbarstand reicht.

Abgesehen von dem mit 3,5 l/min (0,0585 l/s) geringen Berechnungsdurchfluss für die Dimensionierung der Zuflussleitungen ergibt dieser Wert für die Abflussinstallation mit DU = 0,0585 l/s gegenüber einem Anschlusswert von DU = 0,5 l/s nach DIN 1986-100 für Waschbecken eine erhebliche Minderung des Berechnungsabflusses und damit kleinere Rohrweiten für die Abflussinstallation.

Fazit

Die in den Entwässerungs-Normen nachweislich zu hoch bewerte­ten­den Anschlusswerte der Entwässerungsgegenstände entsprechen nicht dem tatsächlichen Abflussverlauf mit erheblich kleineren Werten.

Dabei haben wir es mit einem stationär ungleichförmigen Strömungsverlauf zu tun, d.h. mit einem mit der Fließstrecke kontinuierlich kleiner werdenden Füllungsgrad und Volumenstrom.

Im Ergebnis sind bei der praktischen Anwendung dieses Kenntnis-Standes kleinere Rohrweiten bei der Schmutzwasser-Abflussinstallation und damit wesentliche Kosteneinsparungen gegenüber dem Stand der Normung zu erreichen.

Zu beachten ist, dass die Bestimmungen der Arbeitsstätten-Richtlinien und der Schallschutznorm DIN 4109 einen übergreifenden Einfluss auf die Ausführung haben. Sie sind daher nicht nur für Arbeitsstätten oder Wohnungsbäder, sondern auch für die Sanitärinstallation bei allen Gebäudearten anzuwenden.

Die Literaturhinweise zu diesem Beitrag finden Sie im Internet unter www.tab.de unter dem Beitragstite