Vollgefüllt und ohne Gefälle

Gemäß Abschnitt 5.3.2 der DIN 1986-100 „Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke“, Ausgabe Mai 2008 kann die Regenentwässerung über Freispiegelsysteme oder planmäßig vollgefüllt betriebene Regenwasserleitungen mit Druckströmung (Bild 1) erfolgen. Freispiegelentwässerungen und Dachentwässerungen mit Druckströmung funktionieren nach dem Schwerkraftprinzip, das heißt, sie benötigen keine Fremdenergie. Der gravierende Unterschied besteht darin, dass bei Dachentwässerungen mit Druckströmung wesentlich mehr Druckhöhe (Δh) zur Überwindung der Strömungsverluste durch Rohrreibung und Einzelwiderstände zur Verfügung steht. Bei Freispiegelentwässerungen resultiert die Druckhöhe (Δh) lediglich aus dem Rohrsohlengefälle. Die wesentlich größere Druckhöhe (Δh) bei Dachentwässerungen mit Druckströmung ergibt sich aus der Höhendifferenz zwischen der Wasserlinie über dem Dachablauf und dem Übergang auf die weiterführende Freispiegelentwässerungsanlage. Bedingt durch die große Druckhöhe, die zur Überwindung der Rohrreibungs- und Einzelwiderstände zur Verfügung steht, ergeben sich bei Dachentwässerungen mit Druckströmung kleinere Rohrdurchmesser und hohe Wassergeschwindigkeiten, die zu einem Selbstreinigungseffekt führen (Bild 2). Aufgrund der hohen Selbstreinigungsfähigkeit darf eine Verlegung von Regen-Abwasserrohren ohne Gefälle vorgenommen werden. Planmäßig vollgefüllt betriebene Dachentwässerungsanlagen mit Druckströmung werden in der DIN 1986-100 wie folgt definiert: „Dachentwässerungsanlage, in der die Abläufe und Leitungen unter Planungsbedingungen vollgefüllt betrieben werden, und die Strömung durch das Ausnutzen der gesamten Druckhöhe zwischen den Abläufen und dem Übergang auf die Freispiegelströmung aufrechterhalten wird.“

Freispiegelentwässerungen

Dachabläufe: Nach Abschnitt 5.7.3.1 der DIN 1986-100 dürfen nur Dachabläufe verwendet werden, die den Anforderungen der DIN EN 1253-1 „Abläufe für Gebäude – Anforderungen“ entsprechen, außer es liegt ­eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (ABZ) bzw. ein allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis (ABP) vor. Der Hersteller muss für Dachabläufe das Abflussvermögen in Abhängigkeit von der Druckhöhe in Form einer Tabelle oder eines Diagramms angeben. Die Festlegungen für Dachabläufe gelten sinngemäß auch für Attika-, Rinnen- und Notabläufe sowie Notüberläufe.

Bemessung von Regenwasserleitungen: Die Bemessungsgrundlagen für Regenentwässerungsanlagen im Freispiegelsystem sind in DIN 1986-100, Abschnitt 14.2.7 enthalten. Einzel-Anschlussleitungen sind wie Sammelleitungen zu bemessen, wobei die Nennweite nicht geringer sein darf als die Nennweite des Dachablaufs. Sammelanschlussleitungen müssen wie Sammelleitungen bemessen werden. Somit ist bei Einzel- und Sammelanschlussleitungen ein maxi­maler Füllungsgrad von h/d_i = 0,7 und ein Mindestgefälle von J = 0,5 cm/m zu berücksichtigen. Fallleitungen dürfen bis zu einem maximalen Füllungsgrad von f = 0,33 bemessen werden. Die Fallleitung darf keine geringere Nennweite aufweisen als die Anschlussnennweite des angeschlossenen Dachablaufs bzw. der Sammelanschlussleitung.

Fallleitungsverzüge ≥ 10° brauchen bei der Dimensionierung nicht berücksichtigt werden. Bei Verzügen ≤ 10° müssen die Fallleitungen mit dem Gefälle des Verzuges bei einem Füllungsgrad von h/d_i = 0,7 bemessen werden (Bild 3). Innerhalb von Gebäuden sind Sammel- und Grundleitungen für einen maximalen Füllungsgrad von h/d_i = 0,7 unter Berücksichtigung eines Mindestgefälles von 0,5 cm/m zu bemessen. Außerhalb des Gebäudes muss bei Grundleitungen eine Mindestgeschwindigkeit von 0,7 m/s und eine Maximalgeschwindigkeit von 2,5 m/s berücksichtigt werden. Das Mindestgefälle beträgt 1 : DN und der maximale Füllungsgrad h/d_i = 0,7. Hinter einem Schacht mit offenem Durchfluss darf auf Vollfüllung (h/d_i = 1,0) ohne Überdruck bemessen werden.

Dachentwässerungen mit Druckströmung

Dachabläufe: Zu Dachabläufen für Druckströmung schreibt die DIN 1986-100 in Abschnitt 5.7.3.2 folgendes vor: „Die Dachabläufe müssen für planmäßig vollgefüllt betriebene Dachentwässerungsanlagen geeignet sein. Das Abflussvermögen des Dachablaufes muss ohne Lufteintrag ermittelt werden. Der Einzelwiderstandsbeiwert für den Dachablauf ist nach DIN EN 1253-2 zu ermitteln und vom Hersteller anzugeben.“

Verlegen von Leitungen: Planmäßig vollgefüllt betriebene Regenwasserleitungen dürfen ohne Gefälle verlegt werden (Bild 4). Die verwendeten Bauteile einer Dachentwässerungsanlage mit Druckströmung müssen aufeinander abgestimmt sein (Rohr-System) und den im Betrieb auftretenden Über- und Unterdrücken sowie den daraus resultierenden Kräften standhalten. Systemspezifische Herstellerangaben sind unbedingt einzuhalten. Im Übergangsbereich von der Druckströmung auf die Freispiegelentwässerung entstehen durch die hohe kinetische Energie der Druckströmung große Reaktionskräfte (Bild 5). Eine entsprechende Lagesicherung der Freispiegelentwässerung in diesem Bereich ist unbedingt vorzunehmen. Das Material der Leitungen der Freispiegelentwässerung muss besonders abriebfest sein.

Über eine Regenentwässerungsanlage mit Druckströmung sollt Abwasser von maximal 5000 m2 Dachfläche entwässert werden. Bei größeren Dachflächen sollten mehrere Anlagen vorgesehen werden. Bei einem Druckentwässerungssystem ist die Kombination von Dachflächen mit unterschiedlichen Abflussverzögerungen, wie zum Beispiel von Intensiv- mit Extensivbegrünungen oder unbekiesten mit bekiesten Dachflächen, zu vermeiden. Mehrere Druckentwässerungssysteme, die jeweils Dachflächen mit gleicher Abflussverzögerung entwässern, sind die optimale Lösung. Dachflächen mit stark unterschiedlichem Höhenniveau oder Gefälle (≥ 1 m) sollten über separate Fallleitungen entwässert werden (Bild 6). Bei Dachflächen mit stark unterschiedlichem Höhenniveau, die an eine gemeinsame Fallleitung angeschlossen sind, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass bei einem Starkregenereignis oder anderen Betriebszuständen das Regenwasser von höher gelegenen Dachflächen auf tiefer angeordneten Dachflächen zur Überflutung führen kann.

Bemessungsgrundsätze und Anwendungsgrenzen

Grundlage für die Bemessung einer Dachentwässerungsanlage mit Druckströmung ist eine stationäre Wasserströmung mit konstanter Dichte ohne Lufteintrag. Als verfügbare Höhe Δh_verf zur Überwindung der Rohrreibungs- und Einzelwiderstände in einem Fließweg kann maximal die Differenz zwischen der Wasserlinie über dem Dachablauf und dem Übergang auf Teilfüllung verwendet werden. Eine Berechnungsregenspende r_5,5 ist für alle Dachflächen maßgebend. Die Abflussbeiwerte C befinden sich in Tabelle 9 der DIN 1986-100. Ziel der Rohrnetzberechnung ist es, beim Berechnungsregen möglichst die Vollfüllung der Anlage und eine gute Wassermengenverteilung in den einzelnen Teilstrecken durch hydraulischen Abgleich zu erreichen. Hierzu wird für die einzelnen Fließwege (Stromfäden) die Bernoulli-Gleichung (stationäre Strömung bei inkompressiblem Fluid) angewendet (Bild 7).

Aus wirtschaftlichen Gründen sollte je Meter verfügbarer Höhendifferenz Δh_verf die waagerechte Längenausdehnung des längsten Fließweges (10 • Δh_verf) nicht überschreiten; in Ausnahmefällen ist maximal (20 • Δh_verf) möglich. Die Fallhöhe einer Dachentwässerung mit Druckströmung sollte mindestens 3 m betragen. Eine Reduzierung der Nennweite in Fließrichtung ist zulässig, sollte aber in der Regel nur in Fallleitungen vor­genommen werden. Eine Vergrößerung der Nennweite im Verlauf von Fallleitungen ist zu vermeiden, da dies erfahrungsgemäß zum Abriss der Strömung führt. Die kleinste zulässige Nennweite bei planmäßig vollgefüllten Regenentwässerungsanlagen beträgt d_i = 32 mm. Zur Sicherstellung der Selbstreinigungsfähigkeit von Dachentwässerungsanlagen mit Druckströmung sollte eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,5 m/s nicht unterschritten werden.

Druckverlustberechnung

Bei Dachentwässerungsanlagen mit Druckströmung wird mit Erreichen der Berechnungsregenspende die geodätische Druckdifferenz zwischen Dachablauf und dem Übergang auf Teilfüllung zur Erzeugung einer leistungsfähigen Strömung genutzt. Folgende Gleichungen gelten für jeden einzelnen Fließweg (Stromfaden):

Δp_verf = Δh_verf • ρ • g

Δp = (R • l + Z)

Hierin bedeuten:

Δh_verf = Höhendifferenz zwischen Dachablauf und Übergang auf Teilfüllung

ρ = Dichte des Wassers (1000 kg/m³ bei +10 °C)

g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s²

Δp_verf = verfügbarer Druck für den Fließweg (Stromfaden)

R = Druckverlust durch Rohrreibung pro Meter Abwasserrohr

l = Länge der Teilstrecke

Z = Druckverlust durch Einzelwiderstände in der Teilstrecke

Der Druckverlust durch Einzelwiderstände (Z) errechnet sich wie folgt:

Z = ζ • v² • ρ • 0,5

Hierin bedeuten:

ζ = Einzelwiderstandsbeiwert (1)

v = Fließgeschwindigkeit (m/s)

Der Druckverlust in geraden Rohrleitungen ist nach der Prandtl-Colebrook-Gleichung für eine Betriebsrauhigkeit von 0,1 mm zu ermitteln. Die Einzelwiderstandsbeiwerte ζ befinden sich in der Tabelle 11 der DIN 1986-100.

Ermittlung des Innendrucks

Zusätzlich zur Rohrdimensionierung muss eine rechnerische Kontrolle des Innendrucks durchgeführt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Anlage ohne Kavitation (Gasblasenbildung durch zu hohen Unterdruck = Strömungsabriss) betrieben werden kann und die maximalen Betriebsdrücke des Rohrwerkstoffes nach den jeweiligen Herstellerangaben nicht überschritten werden. Der Innendruck an jedem beliebigen Punkt der Anlage kann nach folgender Formel bestimmt werden:

p_x = Δh_x • ρ • g - v_x² • ρ • 0,5 - (R • l + Z) ...x

Hierin bedeuten:

p_x = Innendruck an der Stelle x

Δh_x = Höhenunterschied zwischen Dachablauf und der Stelle x

ρ = Dichte des Wassers (1000 kg/m³ bei +10 °C)

g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s2

v_x = Wassergeschwindigkeit an der Stelle x

R = Druckverlust pro Meter Rohr

l = Länge der Teilstrecke

Z = Druckverlust der Teilstrecke durch Einzelwiderstände

Eingeschränkte Fallleitungshöhe

Bei sehr hohen Gebäuden steht eine ent­sprechend große Druckhöhe zur Verfügung, wobei sich sehr kleine Rohrdurchmesser und somit extrem hohe Geschwindigkeiten und Druckverluste ergeben können. Bedingt durch die hohen Druckverluste lässt sich bei der Rohrnetzberechnung mitunter eine Überschreitung der zulässigen Unterdrücke (Strömungsabriss durch Kavitation) in der Fallleitung nicht vermeiden. Zusätzlich erhöht sich der Schallpegel mit steigender Geschwindigkeit. In solchen Fällen ­besteht die Möglichkeit, den Übergang auf Teilfüllung (Expan­sionspunkt) bereits im Verlauf der Fallleitung vorzunehmen und somit den zur Verfügung stehenden Druck an die jeweiligen Verhältnisse anzupassen. Durch diese Vorgehensweise können dann die Vorteile der Dachentwässerung mit Druckströmung im oberen Bereich des Gebäudes ausgenutzt werden (Bild 8).

Notentwässerungen

Für Notentwässerungen können Notüberläufe (zum Beispiel rechteckige bzw. runde Öffnungen in der Attika) oder Notabläufe (Attikaabläufe bzw. Notabläufe mit Rohrsystemen) eingesetzt werden (Bild 9). Rohrsysteme zur Notentwässerung sind als Freispiegelsysteme oder als planmäßig vollgefüllt betriebene Systeme mit Druckströmung zu bemessen. Die Notentwässerung darf nicht an die Entwässerungsanlage angeschlossen werden, sondern muss mit freiem Auslauf auf schadlos überflutbare Grundstücksflächen abgeleitet werden. Die Regenentwässerungsanlage und das Notentwässerungssystem müssen gemeinsam mindestens den am Gebäudestandort über fünf Minuten zu erwartenden Jahrhundertregen (r_5,100) entwässern können. Ist ein außergewöhnliches Maß an Schutz für ein Gebäude erforderlich, sollte die Notentwässerungsanlage allein den Jahrhundertregen (r_5,100) sicher ableiten können. Die Unterkante der Notentwässerung muss oberhalb der erforderlichen Druckhöhe für den gewählten Dachablauf liegen. In der DIN 1986-100 sind die erforderlichen Berechnungsformeln und Diagramme für die Bemessung von Notentwässerungen enthalten.

Überflutungsnachweise

Entwässerungsanlagen zur Ableitung des Regenwassers von kleinen Grundstücken können in der Regel ohne Überflutungsprüfung bemessen werden. Kleine Grundstücke haben eine abflusswirksame Fläche (A * C) von bis zu 800 m2, für die ein Anschlusskanal von DN 150 ausreichend ist. Grundleitungen von Grundstücken bis 200 ha, die größere schadlos überflutbare Hof- bzw. Parkflächen oder andere Außenanlagen entwässern, können gemäß DWA-A 118 „Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen“ bemessen werden. Die Jährlichkeit des Berechnungsregens darf einmal in zwei Jahren nicht unterschreiten. Nachweise der Sicherheit dieser Grundleitungen gegen Überflutung bzw. einer kontrollierten schadlosen Überflutung sind in Anlehnung an DIN EN 752 „Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden“ durchzuführen. Alle erforderlichen Berechnungsformeln zur Durchführung von Überflutungsnachweisen sowie für das Regenrückhaltevolumen sind in der DIN 1986-100 enthalten. Entsprechende Berechnungsbeispiele befinden sich im Kommentar zur Norm.

Fazit

Aufgrund der vielfältigen Vorteile hat sich die Dachentwässerung mit Druckströmung in den letzten Jahrzehnten in Deutschland durchgesetzt. Der vermeintlich höhere Berechnungsaufwand wird durch entsprechende Computerprogramme kompensiert. Einige Systemhersteller bieten einen kostenlosen Beratungs- und Berechnungsservice an. Der Planer oder auch Installateur erhält innerhalb kürzester Zeit die Rohrdimensionierung einschließlich der Leitungsschemen sowie den kompletten Materialauszug. Zur Sicherstellung der Gewährleistung müssen die Planungs- und Verlegerichtlinien der Systemanbieter unbedingt beachtet werden.

DIN 1986-100 Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke – Bestimmungen in Verbindung mit DIN EN 752 und DIN EN 12056, Ausgabe Mai 2008

DIN 1986-3 Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke – Regeln für Betrieb und Wartung, Ausgabe November 2004

DIN EN 752 Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden, Ausgabe April 2008

DIN EN 12056-3 Schwerkraftentwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden – Dachentwässerung, Planung und Bemessung, Ausgabe Januar 2001

DIN EN 1253-1 Abläufe für Gebäude – Anforderungen, Ausgabe September 2003

DIN EN 1253-2 Abläufe für Gebäude – Prüfverfahren, Ausgabe März 2004

DWA-A 118 Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen, Ausgabe März 2006

Flachdachrichtlinie, Ausgabe Oktober 2008

FLL – Richtlinie für Dachbegrünungen, Ausgabe April 2008

Zehn gute Gründe für die Druckströmung

Rohrdimensionen werden erheblich kleiner

Rohrleitungen werden ohne Gefälle verlegt

Hervorragende Selbstreinigung durch hohe Fließgeschwindigkeit

Rohrgräben, Schächte und Grund­leitungen können teilweise entfallen

Sohlplatte kann frühzeitiger gegossen werden

Isolierkosten geringer durch kleinere Rohrdimensionen

Konstruktive Zwischendeckenhöhe kann verringert werden

Einsparungen beim Rammschutz ­bedingt durch weniger Fallleitungen

Preisvorteile durch Material- und Lohneinsparung

Weniger Wartungs- und Montage­aufwand