Technische Information

Die neue Norm DIN 1986-100

Planmäßig vollgefüllt betriebene Regenwasserleitungen mit Druckströmung

Nach DIN 1986-100, Ausgabe Mai 2008 kann die Regenentwässerung über Freispiegelsysteme oder planmäßig vollgefüllt betriebene Regenwasser-leitungen mit Druckströmung erfolgen. Die gesamten Ausführungs- und Bemessungsgrundsätze für planmäßig vollgefüllt betriebene Regen-wasserleitungen mit Druckströmung, die bisher nur in der VDI-Richtlinie 3806 zusammengefasst waren, sind nunmehr in der Neufassung der
DIN 1986-100 enthalten.

Entwicklung

Die Entwicklung von Dachentwässerungssystemen mit Druckströmung erfolgte vor mehr als 30 Jahren in Skandinavien. In Deutschland wurde diese Technik vor 25 Jahren als UV-System eingeführt (UV ist die finnische Bezeichnung für geschlossene Strömung). Technische Weiterent-wicklungen sind zum Beispiel das HDE-System oder das Aquaperfect DSS-System.

Vorteile Dachentwässerung mit Druckströmung

Funktionsprinzip

Planmäßig vollgefüllt betriebene Dachentwässerungsanlagen mit Druck-strömung werden in der DIN 1986-100, Abschnitt 3.12 wie folgt definiert: “Dachentwässerungsanlage, in der die Abläufe und Leitungen unter Planungsbedingungen vollgefüllt betrieben werden, und die Strömung durch das Ausnutzen der gesamten Drückhöhe zwischen den Abläufen und dem Übergang auf die Freispiegelströmung aufrechterhalten wird“.

Bei Dachentwässerungssystemen mit Druckströmung handelt es sich
wie bei Freispiegelsystemen um Regenentwässerungsanlagen nach dem Schwerkraftprinzip. Der gravierende Unterschied gegenüber den Frei-
spiegelentwässerungsanlagen besteht darin, dass bei Dachentwässerungen mit Druckströmung wesentlich mehr Druckhöhe (Δh) zur Überwindung der Strömungsverluste durch Rohrreibung und Einzelwiderstände zur Ver-
fügung 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.

Verfügbare Druckhöhe bei Freispiegelentwässerung

Verfügbare Druckhöhe bei Druckströmung

Dachabläufe

Generell dürfen nach DIN 1986-100, Abschnitt 5.7.3.1 nur Dachabläufe verwendet werden, die den Anforderungen der DIN EN 1253-1 (Abläufe für Gebäude – Anforderungen) entsprechen oder Dachabläufe, für die eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung bzw. ein allgemeines bau-
aufsichtliches Prüfzeugnis vorliegt.

Der Hersteller muss das Abflussvermögen des Dachablaufes in Ab-
hängigkeit von der Druckhöhe in Form einer Tabelle oder eines Diagramms angeben.

Zu den Dachabläufen für Druckströmung schreibt die DIN 1986-100 in Abschnitt 5.7.3.2 noch 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 (Abläufe für Gebäude – Prüfverfahren) zu ermitteln und vom Hersteller anzugeben“.

Verlegen von Leitungen

Planmäßig vollgefüllt betriebene Regenwasserleitungen dürfen ohne Gefälle verlegt werden.

Die verwendeten Bauteile einer Dachentwässerungsanlage mit Druck-strömung müssen aufeinander abgestimmt sein 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 Freispiegelent-
wässerung entstehen durch die hohe kinetische Energie der Druck-
strömung große Reaktionskräfte. Eine entsprechende Lagesicherung der Freispiegelentwässerung in diesem Bereich ist unbedingt vorzunehmen. Das Rohrmaterial der Freispiegelentwässerung muss besonders abriebfest sein.

Über eine Regenentwässerungsanlage mit Druckströmung sollten 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 (›1 m), sollten über separate Fallleitungen entwässert werden. 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

Grundlage für die Bemessung einer Dachentwässerungsanlage mit Druck-strömung ist eine stationäre Wasserströmung mit konstanter Dichte ohne Lufteintrag.

Als verfügbare Höhe Δhverf 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.

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.

Aus wirtschaftlichen Gründen sollte je Meter verfügbarer Höhendifferenz Δhverf die waagerechte Längenausdehnung des längsten Fließweges
(10 • Δhverf) nicht überschreiten; in Ausnahmefällen ist maximal
(20 • Δhverf) möglich.

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 Regen-entwässerungsanlagen beträgt di = 32mm.

Zur Sicherstellung der Selbstreinigungsfähigkeit von Dachentwässerungs-anlagen mit Druckströmung sollte eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,5 m/s nicht unterschritten werden.


Definitionen bei Dachentwässerungen mit Druckströmung

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):

       Δpverf = Δhverf • ρ • g

       Δp = Σ (R • l + Z)

hierin bedeuten:

Δhverf = Höhendifferenz zwischen Dachablauf und Übergang auf              Teilfüllung

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

g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s²

Δpverf = verfügbarer Druck für den Fließweg (Stromfaden)

R = Druckverlust durch Rohrreibung pro Meter Rohr

l = Länge der Teilstrecke

Z = Druckverlust durch Einzelwiderstände in der Teilstrecke

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

       Z = Σ 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. In der DIN 1986-100 (Anhang A) befinden sich Diagramme zur Ermittlung des Rohrreibungsgefälles R in mbar/m bei einer Betriebsrauhigkeit kb von
0,1 mm für die verschiedenen Rohrwerkstoffe.

Die Einzelwiderstandsbeiwerte Σ befinden sich in der Tabelle 11 der Norm.

Zusätzlich zur Rohrdimensionierung muss eine rechnerische Kontrolle des Innendrucks durchgeführt werden. Hierdurch wird sichergestellt, das die Anlage ohne Kavitation (Gasblasenbildung durch zu hohen Unterdruck = Strömungsabriss) betrieben werden kann und die maximalen Betriebs-drücke des Rohrwerkstoffes nach den jeweiligen Herstellerangaben nicht überschritten werden.

Der Innendruck an jedem beliebigen Punkt der Anlage kann nach folgender Formel bestimmt werden:

    px = Δhx • ρ • g  -  vx² • ρ • 0,5  -  Σ (R • l + Z) ...x

hierin bedeuten:

px = Innendruck an der Stelle x

Δhx = Höhenunterschied zwischen Dachablauf und der Stelle x

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

g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s²

vx = Wassergeschwindigkeit an der Stelle x

R = Druckverlust pro Meter Rohr

l = Länge der Teilstrecke

Z = Druckverlust der Teilstrecke durch Einzelwiderstände

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.

Gemäß DIN 1986-100 darf bei der Vorplanung die Abweichung zwischen dem verfügbaren Druck Δpverf und dem errechneten Druckverlust
Σ (R • l + Z) für einen Fließweg maximal ±100 mbar betragen. Positive und negative Abweichungen der einzelnen Stromfäden einer Anlage sollten sich in der Summe in etwa aufheben.

Bei der Ausführungsplanung müssen dann die Veränderungen des Abflussvermögens der einzelnen Dachabläufe – bedingt durch die hydraulischen Abweichungen – iterativ mittels Computerprogramm nachgewiesen werden.

Hierbei ist folgendes zu beachten:

• nach der iterativen Berechnung darf das maximal zulässige Abflussvermögen der einzelnen Dachabläufe nicht überschritten werden;

• Abweichungen zwischen Ist- und Sollabfluss der einzelnen Dachabläufe müssen sich in einem gemeinsamen linearen Tiefpunkt ausgleichen können;

• befinden sich Dachabläufe in eigenen Tiefpunkten, muss das Abflussvermögen jedes Dachablaufs mindestens dem jeweiligen Sollabfluss entsprechen.
  

Bei einer geringen Höhendifferenz ΔhA zwischen dem Dachablauf und der Sammelanschlussleitung ist zu prüfen, ob die Druckentwässerungsanlage sicher anläuft. Die Anlagen sind so zu konstruieren, dass die Fallleitung bereits bei geringen Regenspenden zuschlägt. Erst dann kann sich der bestimmungsgemäße Betrieb der Regenentwässerungsanlage mit Druck-strömung einstellen.

Zunächst muss festgestellt werden, bei welchem Volumenstrom es bei der vorgegebenen Nennweite zum Zuschlagen der Fallleitung kommt. In Bild 28 der DIN 1986-100 sind Messwerte enthalten, welcher Mindest-volumenstrom QA,min einer Fallleitung (Fallleitungslänge ›4,0 m) zugeführt werden muss, damit sich eine Druckströmung ausbilden kann.

Mindestvolumenstrom für Fallleitungen

Zusätzlich muss festgelegt werden, welcher Volumenstrom bei einer Anlaufhöhe ΔhA über die Sammelanschlussleitung der Fallleitung zugeführt werden kann. Wenn der Gesamtvolumenstrom Qr der Anlage sowie die verfügbare Höhendifferenz Δhverf und die Anlaufhöhe ΔhA bekannt sind, lässt sich mit Hilfe der Affinitätsgesetze (Proportionali-tätsgesetze) der realisierbare Anlaufvolumenstrom QA,vorh wie folgt berechnen:

      QA,vorh = Qr • (ΔhA / Δhverf )^0,5

Hierin bedeuten:

QA,vorh = der realisierbare Anlaufvolumenstrom in der Anlage, in Liter pro
Sekunde (l/s);

QA,min = der Volumenstrom, bei der die Fallleitung zuschlägt, in Liter pro
Sekunde (l/s);

ΔhA = die Anlaufhöhe (Höhendifferenz zwischen Dachablauf und Mitte
Sammelanschlussleitung.

Damit die bestimmungsgemäße Funktion der Druckströmungsanlage in jedem Fall gewährleistet ist, muss der Mindestvolumenstrom der Fallleitung QA,min gemäß Bild 28 der Norm noch mit einem Sicherheitsfaktor von 1,2 multipliziert werden.

     QA,vorh › 1,2 • QA,min

Bei handschriftlicher Berechnung von Dachentwässerungen mit Druck-strömung sollte die Festlegung der maximal zulässigen Nennweite der Fallleitung bereits unmittelbar vor der eigentlichen Rohrnetzberechnung durchgeführt werden. Dadurch können aufwendige Nachberechnungen vermieden werden.

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