Abwasserhydraulik: Entwässerungsleitungen in DN 90 statt DN 100

Bei allen Diskussionen um Schall- und Brandschutz ist die Hauptaufgabe eines Entwässerungssystems in der Gebäudetechnik etwas in den Hintergrund geraten. Tatsächlich ist für den Nutzer oder Betreiber – egal in welchem Gebäudetyp – eine Funktion besonders wichtig: Das anfallende Schmutzwasser muss störungsfrei in die öffentliche Kanalisation abgeleitet werden. Störungsfrei bedeutet, dass es zu keinen Verstopfungen kommt und keine Geruchsverschlüsse an den Einrichtungsgegenständen abgesaugt werden – also eine hydraulische Aufgabenstellung.

Deshalb muss insbesondere bei der Sanierung von Bestandsanlagen das gesamte Abwassersystem betrachtet werden. Bestehende Grundleitungen werden oftmals bei der Sanierung vernachlässigt. Dabei sind diese bei Änderungen in Bestandsanlagen unbedingt zu berücksichtigen. Wird der Füllungsgrad von mindestens der Hälfte des Rohrdurchmessers nicht mehr eingehalten, kann es in den bestehenden Grundleitungen zu Verstopfungen kommen.

Gefälle allein macht kein gutes Abwassersystem

Das Gefälle wird’s schon richten – wer sich bei Planung und Installation einer Entwässerungsanlage von dieser Daumenregel leiten lässt, kann mit negativen Überraschungen konfrontiert werden. Neben unangenehmen Gerüchen aus leer gesaugten Siphons sind laute Fließgeräusche oder ein Rückstau samt Austritt von Fäkalien aus einem falsch installierten Entwässerungssystem weitere negative Nebenwirkungen und sorgen für höchst unzufriedene Nutzer. Damit es nicht zu Störungen oder sogar Schäden kommt, ist eine sorgfältige Planung des Entwässerungssystems erforderlich.

• Mit welchen Wassermengen ist beim häuslichen Abwasser und bei Niederschlag am Gebäude oder auf dem Grundstück zu rechnen?
• Welche Abflusskennzahl für die gleichzeitige Belastung des Systems kommt in Betracht?

Das sind nur zwei von mehreren Fragestellungen, die zu berücksichtigen sind.

Zuerst die Rahmenbedingungen prüfen

Wer sich auf die Suche nach passenden Antworten macht, muss die komplette Bauaufgabe im Blick haben. Welche Spülmengen sind erforderlich? Geht es um die auf Wassersparen ausgelegten häuslichen Sanitärapparate einer neuen Wohnanlage oder um die Teilsanierung einer betagten Immobilie mit etlichen Unbekannten hinter der Wand bzw. im Untergrund? Im Bestand kann es vorkommen, dass der störungsfreie Abtransport im alten System nur dann funktioniert, wenn eine erhöhte Spülmenge schwallweise den überdimensionierten Leitungsquerschnitt ausspült. Zur Erinnerung: 1960 war eine WC-Spülmenge von 14 Litern noch üblich. Heute können bereits 4 Liter ausreichen, die durchschnittliche Spülwassermenge liegt bei 6 Litern.

Für den TGA-Fachplaner und den SHK-Betrieb ist es deshalb wichtig, die Rahmenbedingungen zu kennen, wenn eine Entwässerungsanlage nicht in gesamter Länge neu geplant und gebaut werden soll.

Weiterentwicklungen und Trends in der Gebäudetechnik beachten

Fachplaner und Fachhandwerk stehen in der Verantwortung, ihren Kunden ein funktionsfähiges Entwässerungssystem zu installieren, das den allgemein anerkannten Regeln der Technik entspricht. Vor mehreren Jahrzehnten lag der Fokus auf der Ablaufleistung. Heute stehen weitere Funktionen im Mittelpunkt, wie beispielsweise der Schall- und Brandschutz.

Mit der Sanierung eines jahrzehntealten Bades vollzieht sich heute ein Meilenstein in der Haus- und Gebäudetechnik. Mit einer modernen und zeitgemäßen Vorwandinstallation ziehen unter anderem wassersparende Spültechniken und bodenebene Lösungen ins neue Bad ein. Dies erfordert ein Umdenken in der Dimensionierung und Leitungsführung.

Hydraulik als maßgebende Größe

Welcher Hydraulik bedarf es, um Schmutzwasser möglichst geräuscharm aus der Etage über die Fallleitung und weiter bis in den öffentlichen Kanal zu führen? Um hier zu optimalen Ergebnissen zu kommen, hat der Hersteller Geberit über Jahre hinweg zahlreiche Laborversuche für Hydraulik und Akustik mit dem Entwässerungssystem Geberit Silent-db20 durchgeführt. Längst ist bekannt und in üblicher Planungssoftware (z.B. Geberit ProPlanner) hinterlegt, mit welchen normativen Vorgaben zu rechnen ist. Dazu zählen Faktoren wie z.B. Durchfluss, Gleichzeitigkeit der Benutzung, Gefälle und Rohrinnendurchmesser.

Doch das ist bei Weitem nicht alles: Entwässerungsspezialisten wie Geberit entwickeln neue Formteile durch aufwendige Strömungsberechnungen bzw. -simulationen in eigenen Sanitärlabors. Dabei ist erwiesen (siehe Abbildung 1), dass die Strömungsverhältnisse in die Fallleitung ungünstig sind, wenn Abzweige zwischen 87° und 88,5° ohne Bogenradius eingesetzt werden. Die Auswirkungen: Der Querschnitt der Fallleitung wird größtenteils verschlossen und behindert so das Nachströmverhalten der Luft im Fallstrang. Die Ablaufleistung bleibt hinter den Möglichkeiten zurück.

So wird die Ablaufleistung erheblich gesteigert

Günstiger sieht es beim 45°-Abzweig in die Fallleitung aus, jedoch ist dieser nur bei gleicher Dimension normativ zulässig. Es kommt hinzu, dass die Belüftung in die Anschlussleitung beeinträchtigt wird. Daher liegt das Optimum klar bei einem Bogenabzweig von 88,5°. Hier bewirkt der Innenradius eine erhebliche Steigerung der Ablaufleistung um ca. 30 Prozent. Ein weiterer Vorteil: Im Fallstrang sowie in der Einzel- und Sammelanschlussleitung ergibt sich ein möglichst günstiges Wasser-/Luft-Verhältnis.

Doppelabzweig für effiziente Montage

Mit Doppelabzweigen können gegenüberliegende Sanitärapparate auf gleicher Höhe ohne gegenseitige Beeinflussung angeschlossen werden. Auch hier spielt der Bogenradius (mindestens die Größe des halben Durchmessers) die entscheidende Rolle, denn nur so lassen sich die Anwendungsgrenzen erweitern. Durch Spülversuche mit transparenten Formteilen lässt sich nachweisen, dass selbst dann kein Überspülen stattfindet, wenn nur auf einer Seite fäkalienhaltiges Abwasser einströmt. Eine mögliche Störung im System für den gegenüberliegenden Anschluss ist dadurch nicht zu befürchten.

Normative Grundlage

Die Grundlage für die Bemessung von Schmutzwasserleitungen innerhalb von Gebäuden stellen folgende Normen dar: DIN EN 12056-1 bis 5 [2001-01] in Verbindung mit der nationalen Ergänzungsnorm DIN 1986-100 [2016-12]. DIN EN 12056-2, Abschnitt 4.2 beschreibt vier unterschiedliche Typen von Entwässerungssystemen, die in Europa angewandt werden. In Deutschland gilt System I – die Einzelfallleitungsanlage mit teilbefüllten Anschlussleitungen mit einem Füllungsgrad von h/di = 0,5. Maßgebend für Planer und Installateure ist die Abwassernorm DIN 1986-100 [2016-12]. Darin sind die erforderlichen Vorgaben zur Planung und Ausführung von Entwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden geregelt.

Entwässerungsleitungen häufig überdimensioniert

Noch immer werden viele WC-Anschlussleitungen in Gebäuden mit Rohren in DN 100 verlegt, wie es früher üblich war. Dabei reicht heute in aller Regel die Nennweite DN 90 aus, um auch mehrgeschossige Gebäude sicher und störungsfrei zu entwässern – vom Einzelanschluss am WC über die Fallleitung bis hin zur Grundleitung. Die Vorzüge der kleineren Dimension sind überzeugend: Abflusswasserleitungen DN 90 sind kostengünstiger und einfacher zu montieren. Dazu bieten sie bessere hydraulische Eigenschaften und verringern Schacht- und Vorwandtiefen. Tatsache ist: Sind Abwasserleitungen zu groß dimensioniert, können die Feststoffe in den horizontalen Leitungen aufgrund des zu geringen Füllungsgrads nicht abtransportiert werden – Verstopfungen sind vorprogrammiert.

In horizontalen Entwässerungsleitungen muss eine bestimmte Schwemmtiefe gegeben sein, um die Fäkalien und andere Stoffe abtransportieren zu können. Die Schwemmtiefe wird durch den Füllungsgrad definiert. Dieser bezeichnet bei liegenden Abwasserleitungen das Verhältnis der Wassertiefe (h) in der Wasserströmung zum Rohrinnendurchmesser (d_i). Um Fäkalien schwimmend abtransportieren zu können, wird ein Füllungsgrad h/d_i von 0,5 benötigt. Das Rohr sollte also während des Entwässerungsvorgangs zur Hälfte mit Wasser gefüllt sein.

Einzelanschlussleitung

Bestimmend für die Dimensionierung der Anschlussleitung am WC ist der Anschlusswert DU (Design Unit). Dieser Wert definiert die Wassermenge, die vom Sanitärobjekt pro Sekunde abfließt. Für die heute üblichen Spülkästen mit einer Spülwassermenge von 6 Litern beträgt der Anschlusswert DU = 2 l/s. Gemäß 1986-100, Tab. 6, ist bei diesem Wert die Anschlussleitung mit DN 90 richtig dimensioniert.

Viele Verbraucher entscheiden sich jedoch aus Wasserspargründen für WC-Keramiken, die mit 4 oder 4,5 Litern Wasser gespült werden. Der Anschlusswert beträgt bei diesen WCs dann nur noch 1,8 l/s. Eine Anschlussleitung mit Nennweite DN 90 ist in diesem Fall passend, denn mit einer herkömmlichen Leitung DN 100 wird der notwendige Füllungsgrad h/d_i von 0,5 nicht mehr erreicht.

Sammelanschlussleitung

In Wohnhäusern können gemäß DIN 1986-100, Tab. 7, die Sammelanschlussleitungen ebenfalls in DN 90 dimensioniert werden. Bedingung ist, dass die Ablaufleistung aller Sanitärobjekte 13 l/s (DU) nicht überschreitet und dass nicht mehr als zwei WCs angeschlossen sind.

Auch in Gebäuden mit einer höheren Gleichzeitigkeit der Benutzung (Abflusskennzahl K= 0,7 oder 1,0), wie beispielsweise Schulen, Krankenhäuser oder auch öffentliche Anlagen, können Sammelanschlussleitungen in der Nennweite DN 90 ausgeführt werden, sofern die Begrenzungsparameter nach DIN 1986-100, Tab. 7, nicht überschritten werden.

Achtung: Werden die Anwendungsgrenzen für unbelüftete Einzel- oder Sammelanschlussleitungen – wie Leitungslänge, Höhendifferenz oder Anzahl der Bögen – überschritten, muss die Leitung belüftet werden, um eine störungsfreie Ableitung des Abwassers zu gewährleisten. Der Wechsel zu einer größeren Dimension, also zum Beispiel von DN 90 auf DN 100, ist nicht zielführend.

Fallleitung

Um die Nennweite einer Fallleitung mit Hauptlüftung zu bestimmen, muss der Schmutzwasserabfluss Q_ww berechnet werden. Dazu müssen, wie bei den Sammelanschlussleitungen, die Anzahl und die Anschlusswerte der Sanitärobjekte sowie der Gebäudetyp bekannt sein. Aus dem Gebäudetyp ergibt sich die Abflusskennzahl K. Es gilt:

Die Bemessung der Fallleitungen erfolgt nach DIN 1986-100, Tab. 8. Darin werden zwei unterschiedliche Belastungsgrade von Fallleitungen unterschieden: Die Verwendung von Abzweigen mit Bogenradius und ohne Bogenradius. Die Steigerung der Ablaufleistung eines Abzweigs mit Bogenradius beläuft sich auf ca. 30 Prozent gegenüber einem Abzweig ohne Bogenradius. Deshalb kann beim Einsatz von Abzweigen mit Bogenradius eine Fallleitung DN 90 mit Hauptlüftung mit Q_WW = 3,5 l/s belastet werden, während ein scharfkantiger Abzweig die max. zulässige Grenze bei Q_WW = 2,7 l/s setzt.

Abzweige mit Bogenradius ermöglichen günstigere Einströmverhältnisse in die Fallleitung und bewirken eine optimale Luftströmung in der Fall- und Anschlussleitung, was wiederum den erforderlichen Druckausgleich sicherstellt.

Beispiel mehrgeschossiges Wohnhaus

Ein Rechenbeispiel zeigt, welchen Spielraum Planer und Installateure heute beim Einsatz von Abwasserleitungen DN 90 haben: Ein typisches Badezimmer in einem Mehrfamilienwohnhaus (Abflusskennzahl K = 0,5) ist mit einem WC, einem Waschtisch und einer Dusche oder Badewanne ausgestattet. Die Entwässerungsgegenstände sind an eine Sammelanschlussleitung angeschlossen. Das Abwasser der übereinanderliegenden Bäder wird über eine gemeinsame Fallleitung abgeleitet. Es werden Abzweige mit Innenradius eingesetzt.

Der Anschlusswert der Sammelanschlussleitung ∑DU_SAL errechnet sich wie folgt:

∑DU_SAL = DU_WC + DU_WT + DU_Du

= (2,0 + 0,5 + 0,6) l/s = 3,1 l/s

Zur Berechnung, wie viele Geschosse an diese Fallleitung DN 90 angeschlossen werden können, muss zunächst der maximale Anschlusswert der Fallleitung ∑DU_FL bekannt sein:

Der Quotient ∑DU_FL / ∑DU_SAL ergibt dann die maximale Anzahl an Geschossen, die an eine Fallleitung DN 90 angeschlossen werden können:

Das Ergebnis im vorliegenden Rechenbeispiel lautet: 15 Geschosse.

Die Vorzüge von DN 90 liegen auf der Hand:

• Die Kosten für Rohre, Formstücke, Befestigungen und Brandschutzmaßnahmen sinken.
• Das Endprodukt – das Entwässerungssystem – wird letztlich optimiert, denn die hydraulischen Eigenschaften einer Abwasserinstallation mit passender Rohr-Nennweite sind deutlich besser als die Eigenschaften einer überdimensionierten Abwasserleitung.
• Der höhere Füllungsgrad der Nennweite DN 90 bedingt eine höhere Schwemmtiefe und garantiert damit den schwimmenden Abtransport der Fäkalien.
• Die Fließgeschwindigkeit wird beim Einsatz der kleineren Dimension erhöht und damit eine bessere Selbstreinigungsfähigkeit des Entwässerungssystems erreicht.
• Die Gefahr von Rohrverstopfungen sinkt.

Fazit: Hydraulik ist keine Gleichung mit mehreren Unbekannten

Ein häusliches Entwässerungssystem muss die erforderliche Luftströmung für den Druckausgleich gewährleisten und Wasser mit Feststoffen störungsfrei abtransportieren können – und zwar ohne Druck, nur mit Gefälle.

Das Motto „Hauptsache es läuft“ passt heute keineswegs mehr.

Eine einwandfreie Funktion des Entwässerungssystems kann nur realisiert werden, wenn die Dimensionierung der Leitung mit den entsprechenden Spülmengen harmoniert. Moderne Bauteile innerhalb eines Systems sind so abgestimmt, dass sich ein möglichst günstiger Füllungsgrad sowie ein rückstandsloses Ausspülverhalten ergeben. Abschließend darf festgehalten werden: Mit dem Einsatz von Abwasserleitungen in DN 90 statt DN 100 verbessern sich nicht nur die hydraulischen Eigenschaften. Gleichzeitig ist diese Dimension kostengünstiger und einfacher zu montieren. Zusätzlich verringern sich Schacht- und Vorwandtiefen.

Philipp Claus ist Produktmanager ­Competence Center ­Haustechnik bei der Geberit Vertriebs GmbH.