Druckstoßverhalten von Einhebelmischern: Nicht zuschlagen!

SBZ / Jäger
 
 

Druckstöße in Trinkwasser-Installationen sind ein seit Langem bekanntes Phänomen. Sie führen zu starken Schwingungen der Rohrwandung und von beweglichen Einbauteilen, wie z.B. Rückflussverhinderern. Diese Schwingungen werden über die Rohrbefestigungen als Körperschall auf die Wand oder Decke übertragen und von dort als störender Luftschall abgestrahlt. Druckstöße können ursächlich verantwortlich sein für Schäden an der Trinkwasseranlage, wenn positive oder negative Druckspitzen unzulässige Werte überschreiten. So können u.a. Rohrleitungen, Rohrhalterungen, Armaturen, Plattenwärmeübertrager oder Filtertassen beschädigt werden.

Während es für elektrisch betätigte Sanitärarmaturen (wie sie beispielsweise an Wasch- und Geschirrspülmaschinen vorkommen), bei berührungslosen Armaturen von Urinalen oder Waschbecken und bei Druckspülern und Spülkästen bereits Prüfverfahren zur Ermittlung des Druckstoßverhaltens gibt, ist dies bei handbetätigten Einhebelmischern für Waschbecken, Dusche, Badewanne oder Küchenspüle nicht der Fall. Um herauszufinden, ob auch solche Armaturen beim schnellen Schließen hohe Druckstöße verursachen, wurden im Gas-Wasserlabor der Fakultät Gebäude Energie Umwelt an der Hochschule Esslingen 32 Waschtisch-Einhebelmischer verschiedener Hersteller auf ihr Druckstoßverhalten geprüft.

Um es gleich vorwegzunehmen: die Ergebnisse des SBZ-Praxistest „Einhebelmischer“ zeigen, dass so gut wie alle getesteten Armaturen bei unsachgemäßer Bedienung – also dem schnellen Schließen, sprich: Zuschlagen – einen Druckstoß (oder auch: Wasserschlag) in der Trinkwasser-Installation erzeugen, der sämtliche zulässigen Werte für Belastungsspitzen überschreitet. Aber der Reihe nach:

Grundlagen zum Druckstoß

Als Druckstoß – auch als Druck- oder Wasserschlag bekannt – bezeichnet man die dynamische Druckänderung eines Fluids; wobei damit sowohl eine Druckerhöhung als auch eine Druckabsenkung verbunden ist (auch der Punkt Druckabsenkung ist wichtig für die Belastungen, die eine Installation aushalten muss, dazu im späteren Beitrag mehr). Ausgelöst wird ein Druckstoß in der Regel durch das schnelle Schließen einer Armatur oder durch den plötzlichen Ausfall einer Pumpe.

So entstehen Druckstöße

Bedingt durch die Massenträgheit der Flüssigkeitssäule in einer Rohrleitung wird durch das schnelle Abbremsen beim Schließen der Armatur eine Kraft auf diese ausgeübt. Stark vereinfacht kann man den Vorgang des Druckstoßes mit dem Gleiten einer schweren Stahlfeder durch eine Rohrleitung vergleichen. Wird diese abrupt gestoppt, verformt sich die Feder elastisch beginnend an der Stelle, an der sie plötzlich abgebremst wurde. Die Verformungsfront läuft dabei entgegengesetzt zur ursprünglichen Bewegungsrichtung. Die ursprüngliche Bewegungsenergie der Feder wird bei diesem Gedankenmodell also in die Energie der gespannten Feder umgewandelt. Übertragen auf die Strömung des Wassers in einer Trinkwasserleitung löst das schnelle Schließen der Armatur eine Druckerhöhung aus, die beginnend an der Armatur entgegen der Strömungsrichtung läuft. Die ursprüngliche Bewegungsenergie des Wassers wird dabei in Verformungsarbeit der Flüssigkeit und der Rohrwand umgewandelt. Reicht die Druckwelle bis zum Ende der Rohrleitung, wird sie dort reflektiert und läuft wieder zurück Richtung Armatur. Bedingt durch die Reibung innerhalb der Flüssigkeit sowie zwischen Flüssigkeit und Rohrwand klingt die Druckschwingung erst nach mehrmaligen Reflexionen ab.

Bild: SBZ / Jäger

Ein Beispiel: Für eine Kupferleitung d 15 mm mit einem Innendurchmesser von 13 mm liegt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwelle z.B. bei 1284 m/s, was knapp 4622 km/h bedeutet. Hierbei ist jedoch Voraussetzung, dass der Gasanteil in der Flüssigkeit (z.B. gelöster Sauerstoff) sehr gering ist. Dies ist üblicherweise in Trinkwasserleitungen der Fall. Bei einem angenommenen Volumenstrom durch die Kupferleitung von 18 l/min, was einer Fließgeschwindigkeit von 2,26 m/s entspricht, kann im theoretischen Fall bei schlagartigem Schließen der Armatur mit Gleichung 1 ein maximaler Druckstoß von 2,9 MPa (29,0 bar) berechnet werden.

Ist die Schließzeit größer als die doppelte zur Rohrleitungslänge gehörende Laufzeit, kommt die am Rohrende reflektierte Entspannungswelle wieder an der Armatur an, bevor der komplette Druckaufbau stattgefunden hat. Der Druckstoß wird somit abgeschwächt.

Welche sind die normativen Anforderungen an das Druckstoßverhalten?

Für Trinkwasseranlagen im Sinne der DIN 1988 bzw. der DIN EN 806 gelten für die zulässigen Drücke in Trinkwasser-Installationen folgende Regelungen:

● Nach DIN 1988-200: Die Summe aus Druckstoß und Ruhedruck darf den zulässigen Betriebsüberdruck nicht übersteigen. Die Höhe des positiven Druckstoßes darf

● 0,2 MPa (2 bar) nicht überschreiten, der negative Druckstoß darf 50 % des sich einstellenden Fließdrucks nicht unterschreiten.

● Nach DIN EN 806-2 gilt: Sofern nicht durch nationale oder örtliche Regelungen vorgeschrieben, soll die Summe aus Betriebsüberdruck und Druckstoß den Prüfdruck der Installation nicht überschreiten.

● Für Druckspüler nach DIN EN 12541 darf die Abweichung ΔP zwischen dem aufgezeichneten Höchstdruck während des Schließvorgangs und dem Ruhedruck nach dem Schließen maximal 0,2 MPa
(2 bar) betragen. 

● Auch bei Spülkästen nach DIN EN 14124 darf die Amplitude der Druckkurve (Druckstoß) den Ausgangsdruck von 0,5 MPa um nicht mehr als 0,2 MPa übersteigen.

Für Sanitärarmaturen mit elektronischer Öffnungs- und Schließfunktion gelten nach DIN EN 15091:2014 folgende Anforderungen: Der Mittelwert der Druckspitzen in jeder Stellung (warm, kalt, mittel) bei den 3 Prüfungen zwischen dem während des Schließens aufgezeichneten Maximaldruck und dem Ruhedruck von 0,5 MPa (5 bar) muss geringer oder gleich 0,3 MPa (3 bar) sein.

Für elektrisch betriebene Wasserventile, einschließlich mechanischer Anforderungen gilt außerdem IEC 60730-2-8:2000, Deutsche Fassung DIN EN 60730-2-8 (2004). Hier wird gefordert, dass ausgehend von einem Ruhedruck von 0,6 MPa das Ventil geöffnet wird und nach Einstellen eines konstanten Durchflusses wieder geschlossen wird. Dabei darf der Druck zu keiner Zeit den Wert von 0,9 MPa übersteigen. Die Fließgeschwindigkeit bei geöffnetem Ventil darf dabei 2 m/s nicht übersteigen.

Keine Produkt-Norm für Einhebelmischer

Für handbetätigte Hebelmischer gibt es derzeit keine einschlägige Prüfnorm zur Bestimmung des Druckstoßverhaltens. Mit DIN 3448 „Einhandmischer; Druckstoßverhalten; Anforderung und Prüfung (1991)“ war eine solche Norm früher zwar als Entwurf vorhanden, dieser wurde jedoch 2005 ersatzlos zurückgezogen. Darin war gefordert, dass beim Schließen der zu prüfenden Armatur aus der Stellung „voll auf“ und in der Stellung „kalt“ oder „warm“ bei einer Schließzeit von 200 ms der Ruhedruck, der sich nach dem Schließen des Prüflings einstellt, um nicht mehr als 2 bar überschritten werden darf.

So  war der Prüfstand für den SBZ-Praxistext zu Einhebelmischern aufgebaut

Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurde im Gas-Wasserlabor an der Hochschule Esslingen ein Prüfstand in Anlehnung an DIN EN 15091 aufgebaut. Der Versuchsstand ist an die Wasserversorgung des Labors angeschlossen. Dazu wird der Saugseite einer Pumpe über einen Schlauchanschluss das Wasser zugeleitet. Von der Druckseite der Pumpe fließt das Wasser über einen Druckminderer in eine 9 m lange Kupferleitung mit einem Innendurchmesser von 13 mm. An diesem Druckminderer kann der für den jeweiligen Versuch gewünschte Fließdruck von 3 bzw. 5 bar eingestellt werden. Am Beginn der Kupferleitung ist ein Ausdehnungsgefäß mit einem Inhalt von 5 Liter eingebaut. Dieses kann mittels eines Ventils auch abgesperrt werden um die Versuche auch ohne dieses Gefäß durchführen zu können. Das Gefäß bzw. das zusätzliche Volumen dient der Simulation eines „umfangreicheren“ Installationssystems. Unmittelbar vor der zu prüfenden Armatur ist ein Drucktransmitter eingebaut.

Um den Einfluss der Rohrleitungslänge auf den Druckstoß näher untersuchen zu können, kann in Abweichung zur Prüfnorm DIN EN 15091 durch verschiedene Ventilstellungen die Rohrleitungslänge – zusätzliche Rohrspirale – vergrößert werden. Der Schließvorgang an der Armatur wird mittels eines Druckluftstößels vorgenommen. Dabei werden die Hebelstellungen „ganz auf“ und „ganz zu“ über die Kontakte einer Lichtschranke bestimmt.

Das waren die Prüfbedingungen

In den Prüfnormen für elektrisch betätigte Sanitärarmaturen sowie für Druckspüler und Füllventile von Spülkästen ist der Ausgangszustand für die Prüfung des Druckstoßverhaltens ein Ruhedruck von 5 bar vorgesehen. Für einen Vergleich unterschiedlicher Armaturen verschiedener Hersteller ist dieser Ausgangszustand unpraktisch, da der Druckabfall an der Armatur konstruktionsbedingt bei den einzelnen Produkten sehr unterschiedlich sein kann und damit der Fließdruck bei geöffneter Armatur sowie der Volumenstrom ebenfalls unterschiedlich und somit nicht vergleichbar ist. Aus diesem Grund werden bei den Tests sämtliche Armaturen bei voll geöffnetem Ventil auf einen Fließdruck von 3 bar eingestellt. Dieser Druck entspricht auch den Prüfbedingungen für die Messung des Geräuschverhaltens von Sanitärarmaturen nach DIN EN ISO 3822-2. Bei diesem „kennzeichnenden Fließdruck“ werden außerdem die Armaturen in die jeweiligen Durchflussklassen eingeteilt.

Vor Beginn der Messung des Druckstoßverhaltens wird der Volumenstrom durch Auslitern bestimmt. Dazu wird über einen Zeitraum von 25 Sekunden das ausfließende Wasser in einem Behälter aufgefangen und anschließend gewogen. Aus aufgefangener Wassermasse, Dichte des Wassers und gemessener Zeit wird der Volumenstrom und die Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Kupferleitung berechnet.

Bei Vorversuchen an mehreren Armaturen konnte festgestellt werden, dass die Volumenströme in den Stellungen „warm“ und „kalt“ jeweils identisch waren, Unterschiede gab es jedoch in der Stellung „mittel“. Deshalb wurden die Versuche lediglich in den Hebelstellungen „kalt“ und „mittel“ durchgeführt. Die Wassertemperatur lag bei sämtlichen Versuchen im Bereich von 15 °C ± 5K.

Nach Entlüften der Rohrleitung und Einstellen einer stationären Strömung bei voll geöffneter Armatur wird diese mit einer Schließzeit von 100 ms und danach 20 ms mittels einer pneumatischen Betätigung geschlossen. Die gewählten Schließzeiten lehnen sich an die Angaben der VDI 6006 an. Diese gibt für Einhebelmischer mit Keramikscheiben bei langsamem Schließen 100 ms an; bei schnellem Schließen 10 bis 20 ms. Zusätzlich wird das Druckstoßverhalten der Armaturen auch bei einem Fließdruck von 5 bar jeweils mit Schließzeiten von 20 ms und 100 ms durchgeführt. Die Aufzeichnung der Messdaten erfolgt mit einer Frequenz von 10 kHz.

Diese Produkte wurden geprüft

Für die Tests wurden die Armaturen verschiedener Markenhersteller verwendet. Außerdem wurden in diversen Baumarktketten Handelsmarken-Hebelmischer eingekauft und zwei No-Name-Exemplare aus Fernost in Onlineshops bestellt. Der komplette und ausführliche Prüfbericht mit allen Ergebnissen in eindeutiger Zuordnung liegt der SBZ vor. Da das Druckstoß-Problem jedoch erkennbar so gut wie jeden Hersteller betrifft, haben wir die Darstellung der Anbieter und ihrer Produkte in der SBZ anonymisiert.

Erkenntnisse aus dem Praxistext zum Druckstoßverhalten von Einhebelmischern

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Maximaldrücke bei Fließdruck 5 bar:

Vergleicht man die Messergebnisse mit den Anforderungen z.B. an selbstschließende Armaturen wie Druckspüler oder Füllventile von Spülkästen, so darf ausgehend von einem Ruhedruck von 5 bar und einem zulässigen Druckstoß von 2 bar der Gesamtdruck während des Schließvorganges von 7 bar nicht überschritten werden. Obwohl bei den durchgeführten Messungen nicht der Ruhedruck von 5 bar eingestellt war, sondern ein Fließdruck von 3 bar, kann der zulässige Druck von 7 bar bei einer Schließzeit von 100 ms nur von wenigen Armaturen eingehalten werden. Bei einer Schließzeit von 20 ms wird der zulässige Wert von keiner Armatur eingehalten. Bei den Messungen mit einem Fließdruck von 5 bar wird der zulässige Druck bei allen Armaturen sowohl bei 100 ms als auch bei 20 ms Schließzeit überschritten. Hier werden Spitzenwerte bis über 20 bar erreicht.

Maximaldrücke bei Fließdruck 3 bar:

Vergleicht man die Messergebnisse mit den Anforderungen für Sanitärarmaturen mit elektronischer Öffnungs- und Schließfunktion, so dürfen ebenfalls ausgehend von einem Ruhedruck von 5 bar und einem zulässigen Druckstoß von 3 bar Maximaldrücke von 8 bar auftreten. Dieser Wert wird von einigen Herstellern bei 100 ms Schließzeit unterschritten; bei 20 ms Schließzeit jedoch von keiner Armatur. Der zulässige Höchstdruck aus Ruhedruck und Druckstoß darf nach DIN 1988-200 den zulässigen Betriebsüberdruck nicht überschreiten. Dieser beträgt nach DIN EN 808-2 10 bar. Die Messergebnisse zeigen hier bei 3 bar Fließdruck und 100 ms Schließzeit nur wenige Überschreitungen. Bei 20 ms Schließzeit werden die 10 bar überwiegend überschritten.

Einfluss des Volumenstroms:

Der bei einigen Armaturen erkennbare höhere Volumenstrom bei gleichem Fließdruck führt zu einer ebenfalls höheren Fließgeschwindigkeit. Da gemäß Gleichung 1 der Druckstoß auch von der Änderung der Fließgeschwindigkeit abhängt, fällt bei diesen Armaturen der gemessene Druckstoß vor allem bei der kurzen Schließzeit von 20 ms deutlich höher aus, als bei Armaturen mit geringerem Volumenstrom.

Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass bei einigen Armaturen mit hohem Durchfluss der Druckstoß bei der längeren Schließzeit von 100 ms deutlich niedriger ausfällt als bei anderen Armaturen mit hohem Durchfluss. Dies ist sicher auf die unterschiedlichen Schließcharakteristiken zurückzuführen. Bei einigen Armaturenherstellern ist der Unterschied bei 3 bar Fließdruck zwischen der Schließzeit von 100 ms und 20 ms zwar erkennbar, jedoch deutlich geringer als bei anderen Produkten. Auch dies ist ein Hinweis auf spezielle Schließcharakteristiken dieser Hersteller. Auffallend: Bei den Druckverlaufsdiagrammen sämtlicher Armaturen (bei 3 bar Fließdruck und jeweils 100 ms und 20 ms Schließzeit) ist erkennbar, dass bei einigen Armaturen der Druck zudem unter 0 bar abfällt.

Negativer Druckstoß/Unterdruck im System:

Da der Drucktransmitter nur positive Drücke messen kann, hört die Aufzeichnung bei 0 bar auf, obwohl der tatsächliche Druck ins Negative geht. Bei diesem Vorgang ist es möglich, dass Hohlräume von Wasserdampf und ausgegaster Luft entstehen. Beim Zurückschwingen der Druckwelle fallen diese Gasblasen wieder zusammen, das Wasser strömt mit Schallgeschwindigkeit an die Stelle hin, an der sich die Gasblasen befunden haben; es entstehen gut zu hörende unangenehme Kavitationsgeräusche und partiell hohe Drücke. Dieser Vorgang wird als Mikrokavitation bezeichnet.

Die zulässigen negativen Druckstöße nach der genannten 1988-200 dürfen 50% des sich einstellenden Fließdruckes nicht unterschreiten. Bei einem Fließdruck von 3 bar bedeutet dies, dass 1,5 bar nicht unterschritten werden dürfen. Die Druckverlaufsdiagramme im SBZ-Praxistest zeigen aber, dass bei den meisten Armaturen dieser Wert bereits bei 100 ms Schließzeit unterschritten wird. Bei der kurzen Schließzeit von 20 ms wird sogar bei vielen Armaturen der Wert von 0 bar unterschritten; dies bedeutet, dass der Druck unter den Umgebungsdruck abfällt, was zu Mikrokavitation führen kann mit Auswirkungen auf die Trinkwasseranlage.

Bild: shk agentur / Böhland

Fazit

Für Einhand-Hebelmischer ist derzeit keine gültige Produkt-Prüfnorm vorhanden, gleichwohl haben diese jedoch die Vorgaben der DIN 1988-200 hinsichtlich der zulässigen positiven und negativen Druckstöße im Installationssystem zu erfüllen. Da in dem genannten Regelwerk jedoch keine konkreten Schließzeiten genannt sind, muss davon ausgegangen werden, dass die zulässigen Grenzwerte bei den für diese Armaturenart „üblichen“ Schließzeiten einzuhalten sind. Aus diesem Grund wurden bei dieser Testreihe Schließzeiten gewählt, die nach VDI 6006 typisch sind. Schließzeiten von 20 ms oder kürzer stellen sicherlich nicht den Regelfall dar, können jedoch durchaus auftreten. Ebenso sind Fließdrücke von 5 bar in Trinkwasser-Installation zwar eher selten, da nach DIN 4109-36 (2016) der Ruhedruck der Trinkwasser-Installation nach Verteilung in den Stockwerken vor den Armaturen nicht mehr als 0,5 MPa betragen darf. Daher sind die Testergebnisse mit einem Fließdruck von 5 bar eher als Grenzfall anzusehen, der trotzdem vorkommen kann. In solch einem Fall können nach den Testergebnissen Druckstöße von über 20 bar auftreten, die störende Geräusche (z.B. Schlagen der Rohre) übertragen bzw. zu Schäden an der Trinkwasser-Installation führen können.

Als Ergebnis der Messreihen ist festzustellen, dass Maßnahmen zur Reduzierung der Druckstöße in Einhebelmischern nötig sind. Hier sind die Hersteller gefordert, dies durch entsprechende Armaturenkonstruktionen umzusetzen. Eine Produkt-Prüfnorm analog z.B. zu den Prüfnormen für Druckspüler oder Füllventilen wäre auch für diese Armaturenart im Zusammenhang mit der Druckstoßproblematik sicherlich hilfreich.

Beiträge zum SBZ-Praxistest:
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