Punktlandung bei Auswahl und BetriebAbwasserpumpen in der Gebäudetechnik: Einsatzgebiete und Funktionsweise

Das hat entscheidende Auswirkungen auf die Pumpentechnik. Je nach Abwasseranfall in Qualität und Quantität kommen unterschiedliche Abwasserpumpen zum Einsatz. Hier gibt es keine Lösung, die alle Anwendungsfälle gleichermaßen abdeckt. Jede Ausgangslage fordert unterschiedliche Lösungsansätze. Im Folgenden wird auf die unterschiedlichen Einsatzgebiete der Abwasserpumpen, insbesondere in Verbindung mit Energieverbrauch und anfallenden Wartungs- und Servicearbeiten, eingegangen (Bild 1).

Die rechtlichen Rahmenbedingungen und Abwasserinhaltsstoffe
Abwasser ist das durch Gebrauch in seinen Eigenschaften veränderte abfließende Wasser. Als Schmutzwasser gelten auch die aus Anlagen zum Behandeln, Lagern und Ablagern von Abfällen austretenden und gesammelten Flüssigkeiten. In der Bundesrepublik gibt es derzeit – über diesen Rahmen hinaus – keine einheitliche, wasserrechtliche Definition. In einigen Ländergesetzen findet man Definitionen, die sich aber immer an den abgabenrechtlichen Begriff anlehnen.

Bild 2: Freistromlaufräder verfügen über einen großen, freien Durchgang für Feststoffe.

Bild 3: Laufrad mit einem guten Entlüftungsverhalten und geringen Verwirbelungen.

Abwasser ist schwer zu fassen. Die Zusammensetzung, insbesondere der enthaltenen Schmutzstoffe, ist immer anders. Grund hierfür sind in erster Linie die Inhaltsstoffe. Sie liegen in gelöster oder ungelöster Form sowie als organische Verbindung wie Fett, Eiweiß oder Kohlenhydrate vor. Im Allgemeinen unterscheidet man die Abwasserinhaltsstoffe in:
• Zehrstoffe wie etwa Harnsäure oder Glukose. Diese Stoffe sind biologisch abbaubar und führen bei anaeroben Abbauprozessen (Abbauprozesse unter Sauerstoffmangel) zu Geruchsbelästigungen,
• Nährstoffe wie etwa Stickstoff- und Phosphorverbindungen können zur Überdüngung stehender Gewässer führen,
• Schadstoffe sind u. a. Gifte, Schwermetalle, synthetische organische Substanzen, Bakterien, Viren oder Pilze. Sie können zu Erkrankungen von Menschen, Tieren oder Pflanzen führen. Eine Einteilung ist manchmal problematisch, da verschiedene Stoffe in geringen Konzentrationen im Abwasser wünschenswert sind, bei einer höheren Konzentration können sie jedoch toxisch (giftig) wirken,
• Stoffe, die den reibungslosen Betrieb einer Abwasserpumpe stören oder die Vorflut beeinträchtigen und nicht zu den drei bereits genannten Bereichen gehören, werden als Störstoffe bezeichnet. Hierunter fallen Salze, Eisen oder Mangan. Durch diese Stoffe können beispielsweise Rohrleitungen oder Pumpen in Mitleidenschaft gezogen werden.
Weiterhin zählt Sand oder Farbstoff zu den Störstoffen. Hohe Sandfrachten fallen häufig nach Starkregenereignissen an und wirken sich negativ auf alle Abwassersysteme aus. Vereinfacht ausgedrückt kann man alles als Störstoff bezeichnen, was normalerweise im Abwasser nichts zu suchen hat: Steine, Äste, verzopfende Materialien, Textilien usw.

Bild 4: Abwasserpumpe mit Schneidwerk.

Bild 5: Abwasserpumpe mit Spannband für eine schnelle Trennung des Pumpengehäuses von der Motoreinheit.

Weiterleitung des Abwassers
Nur in Ausnahmefällen kann und darf das Abwasser an Ort und Stelle gereinigt und anschließend in die Vorflut abgegeben werden. Im Regelfall müssen innerhalb von Gebäuden teilweise große Distanzen und Höhenunterschiede überwunden werden, bevor das Medium in die Abwasserleitung abgeleitet werden kann. Dies geschieht mithilfe von Abwasserpumpen. Sie müssen in der Lage sein, auch grob verunreinig­tes Wasser mit hohem Feststoffgehalt zu fördern.
Im Regelfall arbeiten die Aggregate nicht selbstsaugend (Vakuumprinzip) sondern die gesamte Pumpe wird in das zu fördernde Medium getaucht. Der Abwassertransport erfolgt über ein Schaufelrad im Pumpeninneren. Hierfür kommen besondere Laufradformen zum Einsatz. Für die Pumpenauslegung ist in erster Linie die zu fördernde Wassermenge und weniger die Förderhöhe entscheidend.

Auswahl des Laufrades
Das Laufrad ist das sich drehende Element in der Pumpe. Es ist direkt mit der Motorantriebswelle verbunden. Bei Eintritt des Abwassers in das Pumpengehäuse drückt das Laufrad mithilfe der Zentrifugalkraft das Medium an den Rand des Pumpengehäuses. Die eingesetzte Energie wird in Förderleistung und Förderhöhe umgewandelt.
Das Laufrad einer Pumpe kann über unterschiedliche Bauvarianten verfügen: offene oder geschlossene, ein- oder mehrkanalige oder axiale oder halbaxiale. Häufig verfügen Abwasserpumpen auch über Freistromlaufräder (Bild 2). Als Faustregel lässt sich festhalten, dass diese Variante weniger störanfällig ist, da sie einen großen, freien Durchgang für Feststoffe bieten. Leider ist das dann mit dem Nachteil verbunden, dass nur relativ niedrige Förderhöhen erreicht werden und der Wirkungsgrad im Vergleich zu Ein- oder Mehrkanalrädern nicht mithalten kann.
Je nach Pumpentyp und Hersteller werden freie Durchgänge zwischen 50 und 100 mm angeboten. Verfügt das zu fördernde Medium über langfaserige, sich verzopfende Bestandteile, Textilfetzen oder andere Feststoffanteile mit entgasenden Bestandteilen, so ist hier das Freistromlaufrad die bessere Wahl. Auf der anderen Seite kommt es unweigerlich zu Verwirbelungen an den Schaufelkanten des Rades. Dies geht einher mit höherem Energieverbrauch. Es gibt jedoch auch für diesen Fall optimierte Laufräder, die ein gutes Entlüftungsverhalten bieten und einen hohen Wirkungsgrad garantieren. Das zu fördernde Medium strömt am Laufrad vorbei, ohne dass störende Verwirbelungen entstehen (Bild 3).
Bei großen Fördermengen von stark verschmutztem Abwasser bieten sich die Ein- oder Mehrkanallaufräder an. Sie zeichnen sich durch einen guten Wirkungsgrad aus. Laufräder in halbaxialer Bauart haben besonders lange, spiralförmige Laufradschaufeln. Diese sorgen für einen hohen Wirkungsgrad. Gleichzeitig verhindern sie, dass sich langfaserige Bestandteile im Laufrad verfangen und Verstopfungen verursachen.
Grundsätzlich kann man festhalten, dass bei Drainage- oder Sickerwasser sowie häuslichem Schmutzwasser freie Durchgänge bis 12 mm benötigt werden. Niederschlagswasser von kleineren Ablaufflächen benötigen bis zu 50 mm. Schmutzwasser mit einem hohen Anteil von Feststoffen, gewerbliches Schmutzwasser und Niederschlagswasser von größeren Ablaufflächen muss je nach Beschaffenheit der Feststoffe mit 50 bis 100 mm kalkuliert werden.
Verfügt das Abwasser über einen sehr hohen Feststoffanteil (Textilien, Kunststoffe etc.), so sind Pumpen mit Schneidwerk sinnvoll. Das Schneidsystem besteht aus einem stationären Schneidring und einem rotierenden Schneidkopf mit einem dahinter angeordneten, halboffenen Laufrad. Die im Medium enthaltenen Feststoffe werden mit dem Schneidsystem so zerkleinert, dass die­se auch durch Rohrleitungen mit geringem Durchmesser zuverlässig gefördert werden können (Bild 4).

Bild 6: Schmutzwasserpumpe für überflutungsgefährdete Kellerräume.

Energiekosten
Fasst man alle Kosten einer Pumpe über die gesamte Lebenszeit zusammen und legt die­se mit 100 % fest, so entfallen auf die Inves­tition rund 5 %. Weitere 10 % entfallen auf Wartung, Servicearbeiten und Reparatur und der große Rest von 85 % entfällt auf die Energiekosten. Das wird sehr häufig falsch eingeschätzt.
Jede Pumpe, die unter- oder überfordert wird, kann nicht am optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Sie kann die zur Verfügung gestellte Energie nicht optimal nutzen. Daher muss vor dem Kauf einer jeden Abwasserpumpe genau ermittelt werden, welche Fördermenge anfällt, wie sich das Schmutzwasser zusammensetzt, welche Förderhöhe vorgegeben ist und welche Laufzeiten, über den Arbeitstag gesehen, erforderlich werden.
Sehr sinnvoll ist es, Abwasserpumpen mit Hocheffizienzmotoren zu verwenden. Diese verbrauchen von Haus aus weniger Energie. In Kombination mit der richtigen Pumpendimensionierung, der optimalen Auswahl des Laufrades und einem eventuellen Betrieb eines Frequenzumrichters lassen sich Kos­ten in erheblicher Höhe einsparen.

Wartung und Service
Jede Abwasserpumpe, völlig unabhängig vom Einsatzort und Laufzeit, muss regelmäßig gewartet werden. Bei Normalbetrieb sind die Pumpen mindestens ein Mal im Jahr oder mindestens nach 3000 Betriebsstunden zu überprüfen. Bei großen Beimengungen von Schlamm oder Sand sollte die Pumpe in kürzeren Zeitabständen kontrolliert werden. Je nach Art des Gebäudes schreibt die DIN 1986-3 Wartungsintervalle von bis zu vier Mal pro Jahr vor. Folgende Bauteile sollten dabei kontrolliert werden:
• Bei einer neuen Pumpe bzw. nach einer Auswechselung der Wellenabdichtung ist der Ölstand nach einer Woche Betrieb zu prüfen. Das Öl wird grau und milchig, wenn es Wasser enthält. Dies kann auf eine schadhafte Wellenabdichtung zurückgeführt werden. Das Öl sollte nach 3000 Betriebsstunden oder einmal im Jahr gewechselt werden. Physiologisch unbedenkliches Öl ist i. d. R. zu verwenden.
• Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die Kabeleinführung wasserdicht ist (visuelle Inspektion ausreichend) und dass das Kabel nicht abgeknickt und/oder verklemmt ist.
• Die Hydraulik, wie insbesondere das Laufrad, das Pumpengehäuse usw. sind auf Verschleiß zu prüfen. Schadhafte Teile sind entsprechend auszuwechseln.
• Die Welle der Pumpe ist auf geräuschlosen und ungehinderten Lauf zu prüfen (leichte Drehbarkeit mit der Hand). Schadhafte Kugellager sind auszuwechseln. Bei schadhaften Kugellagern bzw. schlechter Motorfunktion ist normalerweise eine Generalüberprüfung der Pumpe erforderlich.
• Bei Service bzw. Auswechselung der Teile müssen die Spuren für die O-Ringe und die Dichtungsflächen sorgfältig gerei­nigt werden, bevor die neuen Teile montiert werden. Gebrauchte Gummiteile dürfen keinesfalls wiederverwendet werden.

Hilfreich sind immer Pumpen, die aufgrund ihrer Konstruktion servicefreundlich ausgestattet sind. Das verkürzt die Zeiten für Wartung und Inspektion deutlich (Bild 5). Wichtig ist auch, dass Verschleißteile wie z. B. die Gleitringdichtung vor Ort ausgetauscht werden kann.
Abrasive (schleifende) Bestandteile oder Sand im Abwasser führen zu Verschleißerscheinungen. Der Axialspalt (Spalt zwischen Laufrad und Pumpengehäuse) verändert sich dadurch. Es kommt zu winzigen Blockierungen des Laufrades, die zusätzlich Energie kosten. Wird nicht eingegriffen, kann der Wirkungsgradverlust 3 % ausmachen. Üblicherweise wird in derartigen Fällen die Pumpe generalüberholt, was immer mit erheblichen Kosten verbunden ist. Grundfos ist einen anderen Weg gegangen: Im Rahmen von Wartungsarbeiten kann der Axialspalt ohne Spezialwerkzeug über Schrauben nachgestellt werden. Das Laufrad blockiert nicht mehr und der optimale Wirkungsgrad ist wieder hergestellt.
Eine sehr sinnvolle Investition in die Pumpentechnik sind integrierte Sensoren. Sie melden Motortemperatur, Wassergehalt in der Zwischenölkammer sowie Motorisolationswiderstand. Auf diese Weise kann der Betreiber frühzeitig Verschleiß erkennen und rechtzeitig Wartungsarbeiten einplanen ohne dass es zu einem Pumpenausfall kommt. In Kombination mit einer Busanbindung zur Fernüberwachung via Internet ist eine Fehlerdiagnose mit vorbeugender Instandhaltung möglich. Notwendige Reparaturen lassen sich wesentlich besser einplanen.

Bild 7: Tauchmotorpumpen aus Edelstahl bei aggressiven Abwässern.

Die optimale Abwasserpumpe
Eine Abwasserpumpe für alle denkbaren Einsatzfälle gibt es nicht. Je genauer die Einsatzparameter vorgegeben werden können, umso optimaler kann die Pumpe ihre Arbeit verrichten. Ganz grob gesehen, lässt sich folgende Aufteilung vornehmen:
• Für die Trockenhaltung von überflutungsgefährdeten Kellerräumen, Abpumpen von Grauwasser, für die Hausdrainage und die Entleerung von Schächten bieten sich einstufige, überflutbare Blockaggregate an. Wobei die medienberührten Teile aus Edelstahl oder Chrom–Nickel–Stahllegierungen bestehen sollten (Bild 6).
• Für die Förderung von häuslichem Abwasser mit hohem Feststoffanteil, insbesondere bei Einsatz von Abwasserrohren mit geringen Leitungsquerschnitten, bieten sich Schneidwerkpumpen an. Ein vorgeschalteter, rotierender Schneidkopf zerkleinert die mitgeführten Feststoffe.
• Für häusliches, gewerbliches oder auch industrielles Abwasser mit Fäkalien sind Tauchmotorpumpen die erste Wahl. Je nach Einsatzgebiet kann die Pumpe aus Grauguss oder Grauguss mit Edelstahlmantel bestehen. Ausschlaggebend für die richtige Pumpenwahl sind in erster Linie Förderstrom und Förderhöhe sowie der erforderliche freie Durchgang.
• Bei aggressiven Abwässern kommen Tauchmotorpumpen aus Edelstahl zum Einsatz (Bild 7). Für die Wasserhaltung in Hoch- und Tiefbau sowie zur Entleerung von Sammelbehältern und Schächten werden im Regelfall ein- oder zweistufige, überflutbare Blockaggregate in verschleißfester Ausführung mit Edelstahl eingesetzt.

Alles aus einer Hand
Betrachtet man den nationalen und internationalen Markt, so zeichnet sich ein Trend zur Systemkompetenz ab. Die einzelne Pumpe ist weniger gefragt, es kommt vielmehr auf die Möglichkeit an, komplexe Anlagen und Systeme herzustellen, zu liefern und zu installieren. Das setzt natürlich voraus, dass ein umfangreiches Spektrum an Pumpen für die unterschiedlichsten Aufgaben und Einsatzgebiete zur Verfügung steht. Damit ist es aber nicht getan. Es wird ein genauso umfassendes Programm von Steuerungen, Zubehör und Baugruppen für professionelle Abwasserförderung benötigt. Gerade in der Gebäudetechnik wird nicht ein Pumpenlieferant sondern ein kompetenter Partner auf Dauer gesucht.

Autor: Atilla Yilmaztürk, Produktmanager für Abwasserpumpen bei Grundfos

Bilder: Grundfos GmbH, Erkrath

www.grundfos.de