Rainwater harvesting
According to the European Drinking Water Directive <ref name="Europäische Trinkwasserverordnung">European Drinking Water Directive</ref>water in households, which is not used for drinking or bodily hygiene, can be replaced with so-called non-potable water. This non-potable water can be relatively easily collected from roof runoff water. Roof runoff is rainwater that has come from roof surfaces. At minimum non-potable water can be used for toilet flushing, laundry washing or for irrigation purposes. In this way a savings-conscious household can save up to 50 L of drinking water per person every day. Considering the usage in Germany, this constitutes around 50% of the total usage.
With today’s technology, e.g. the PURAIN rainwater filter and AQUALOOP ultrafiltration and UV disinfection, the possibilities for using rainwater for new usages, i.e. with some treatment so that drinking water quality is achieved and can therefore be used for bodily hygiene or drinking water. The compliance and validation of the water quality is ordinarily the obligation of the individual operator.
Usage possibilities:
- Toilet flushing
- Garden irrigation
- Washing machines
- Showering
- Drinking
- Cleaning purposes
- Cooling
- Process water
Advantages for the end-user
- Savings from increasing drinking and wastewater fees
- Soft rainwater is optimal for irrigation of plants
- Reduction of laundry detergent up to 50%
- No hard water buildup in washing machines and softeners are unnecessary
- Soft rainwater protects clothing
- Low-ion rainwater reduces the incidence of kidney stones
- Independence from the water provider
- No anthropogenic trace substances and medical residues
Advantages for communities
- Expenditure reduction for flood protection and avoidance
- Cost reduction for sewer construction, renewal and operation of treatment plants
- Savings potential by connection costs for new construction areas
- Secure the groundwater reservoir and therefore the drinking water supply
Basic principles
Precipitation
The precipitation <ref name="WIKI">Wikipedia</ref> is the amount of flowing water (rainwater) that has been collected in a closed basin during a specific time span from precipitation (rain, snow, hail, fog, etc.). The information is measured in litres and is correlated to square meters.
The average yearly rainfall amount
Information on average rainfall values can be obtained from the online service of weather bureaus. The average rainfall amount, e.g. in Germany is about 830 mm / year. In alpine countries 2000 mm of precipitation is very common.
average annual precipitation <ref name="DW">Wetterkontor</ref> of selected areas in Germany in mm/year
| Location | mm/year | Location | mm/year | Location | mm/year | Location | mm/year |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Aachen | 806 | Erfurt | 528 | Kassel | 696 | Neubrandenburg | 569 |
| Augsburg | 824 | Essen | 893 | Kempten | 1275 | Nuremberg | 627 |
| Bayreuth | 675 | Flensburg | 816 | Kiel | 752 | Passau | 934 |
| Berlin | 593 | Frankfurt/M. | 655 | Cologne | 804 | Regensburg | 643 |
| Bonn | 670 | Freiburg | 933 | Konstanz | 839 | Saarbrücken | 812 |
| Bremen | 713 | Gera | 608 | Leipzig | 586 | Schwerin | 625 |
| Chemnitz | 726 | Görlitz | 673 | Lübeck | 658 | Siegen | 1008 |
| Cottbus | 573 | Greifswald | 552 | Magdeburg | 521 | Stuttgart | 675 |
| Dortmund | 840 | Halle | 476 | Mainz | 587 | Uelzen | 616 |
| Dresden | 668 | Hamburg | 744 | Mannheim | 642 | Ulm | 744 |
| Düsseldorf | 757 | Hanover | 644 | Munich | 920 | Wittenberg | 576 |
| Emden | 778 | Karlsruhe | 740 | Münster | 747 | Würzburg | 597 |
Seasonal distribution of precipitation
In addition to the average amount of precipitation, the seasonal distribution of precipitation is an important input parameter for tank dimensioning.
Source <ref name="Wiki-media">commons Wikimedia</ref>
Peak precipitation of rain events
In addition to the average annual precipitation and the seasonal distribution the consideration of short-term rain events is important for optimal dimensioning, particularly for pipes, rainwater filters and rainwater retention systems. Heavy rain events that occur approximately 4 to 10 times in a year, hardly contribute to water yield in most regions. For instance, heavy rain events contribute only about 3% of the total water yield in Germany. By contrast, light rain events provide about 97% of the water quantity. This knowledge is particularly important for the selection of an appropriate filter system.
Evaluation of rainfall<ref name="Uni Siegen">Siegen Forschungsstelle Wasserwirtschaft fwu Universität Siegen</ref> data for the years 1993 to 1997 by Siegen Research Center for Water Management, Research Institute for Water and Environment, University of Siegen
| Rainfall | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | Average | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mm/5min | % | % | % | % | % | % | % |
| 0.1 | 64.11 | 64.03 | 67.74 | 69.47 | 68.25 | 66.72 | 66.7 |
| 0.2 | 19.78 | 20.93 | 18.40 | 16.93 | 18.94 | 18.99 | 85.7 |
| 0.3 | 8.24 | 8.64 | 7.39 | 6.84 | 6.51 | 7.52 | 93.2 |
| 0.4 | 3.55 | 2.7 | 2.96 | 2.84 | 2.74 | 2.96 | 96.2 |
The table shows that more than 96% of rainfall occurs with an intensity of up to 0.4 mm / 5 min. With a roof area of 150 m², a rainfall of 0.4 mm / 5 min corresponds to an inflow of 0.2 L / s maximum.
This precipitation characteristic, that light rain events deliver > 96% of the rainfall amount – is similar worldwide. Also refer to the values of heavy precipitation values for the USA
Catchment areas
The rainwater yield depends on the size and type of the connected roof surfaces and the precipitation amount. If possible, all existing sealed surfaces and roof areas should be connected to achieve the highest possible yield. Different types of roofing materials differ in both their flow characteristics as well as in the potential contamination of the gathered water gathered.
House and garage roofs are the most suitable catchment areas for rainwater harvesting. Particularly suited are the roofs with smooth surfaces such as tiles, slate or glass. Tile and slate roofs also increase the pH value of acidic rain.
Courtyard or parking areas With connection to courtyard or parking areas additional preliminary cleaning must be done depending on the accumulation of pollutants and separators may be required in case of risk of oil contamination.
Green roofs offer a significantly lower yield due to their natural retention effect. Here particular attention must be paid to the organic load and water discolouration. With a reasonable yield and professional construction, green roofs are quite suitable as collection areas.
Bitumen roofs cause, as with all new roofs, in the beginning a yellow discolouration in the captured rainwater. In order to prevent this colour in laundry, for the first months at least, the washing machine should not be connected.
Asbestos cement roofs The asbestos cement roof must be refurbished before the water is used for example for garden irrigation, in order to avoid the danger of loose asbestos fibres.
Metal roofs Copper, zinc and lead, depending on the runoff concentration, are not suitable for irrigating crop plants. If in doubt, a water sample should be tested. This water can be readily used however without problem for watering ornamental plants, toilet flushing and for washing machines.
Components of a rainwater harvesting system
Filtration
See also Online Planner
With the following measures a good non-potable water quality can be achieved from rainwater:
- Self-cleaning fine filter
- Protection from backwater and small animals
- Skimmer overflow
- Floating suction filter
- Disinfection
- Sedimentation and biological cleaning
- Storage
If the water needs to reach drinking water quality, further treatment steps are required such as ultrafiltration and UV disinfection.
Self-cleaning fine filter
A self-cleaning, fine filter is today recognized as an important component of modern rainwater harvesting. Best results are obtained with a sieve width of about 0.8 mm. Entry of contaminants into the rainwater storage and maintenance intervals are minimized. Particular care should be taken that the sieve used is arranged in a trough, as demonstrated by the test results of some rainwater filters. There are self-cleaning rainwater filters on the market, with which about 50% of the precious water discards into the overflow, a catastrophic loss!
Collecting
It is especially important to make sure that light precipitation, which provides 97 % of water quantity, is 100% collected. With a PURAIN filter for instance, this takes place in a single collection area. Only in this way can an effective overall efficiency of > 98% be achieved. In filters without such a collection area, light precipitation always flows though the same sieve area. As a result the area quickly becomes clogged and further light rain precipitation flows into the overflow.
Selbstreinigen
Für die Selbstreinigung (Austrag von Blättern etc. aus dem Sammelbereich) werden geeigneterweise die Starkregenereignisse verwendet. Die großen Niederschlagsereignisse, die ca. 4- bis 10-mal im Jahr (Deutschland) auftreten und nur zu ca. 3 % zur Wasserausbeute beitragen, reinigen beim PURAIN Filter z.B. durch einen Strömungswirbel, dem sogenannten Wechselsprung, den Sammelbereich.
Schutz vor Rückstauwasser und Kleintieren
Sauberes Wasser bedeutet nicht nur das zufließende Regenwasser zu reinigen, sondern auch dafür Sorge zu tragen, dass kein Schmutz oder Kleintiere aus dem angeschlossenen Entwässerungssystem in den Überlauf des Speichers gelangen. Dies lässt sich einfach mit einer Rückstauklappe gewährleisten. Einige Filter, wie der PURAIN 100 enthalten diese bereits. In einigen Ländern, wie Deutschland ist die Rückstauklappe Bestandteil der Norm (DIN 1989 Teil 1 vorgeschriebene Rückstauklappe für den Anschluss des Überlaufes an ein Trennsystem).
Skimmerüberlauf
Ein Überlaufskimmer saugt bei jedem Überlaufvorgang des Speichers den schwimmenden Oberflächenschmutz ab und leitet ihn automatisch in den Schmutzwasserablauf. Dies ist eine sinnvolle und praktische Maßnahme Fette, Blütenpollen etc. regelmäßig aus dem Speicher auf einfache Art zu entfernen. Beim PURAIN 100 Filter ist der Skimmer bereits integriert.
Schwimmende Ansaugfilterung
Eine schwimmende Entnahme mit Ansaugfilterung gewährleistet, dass die Pumpe immer das sauberste Wasser des Speichers entnimmt. Falls doch einmal gröbere Schmutzpartikel in den Speicher gelangt sind, hält die schwimmende Entnahme diese zurück und schützt die Pumpe. Der Ansaugfilter sollte nicht zu feinmaschig sein, um eine Verblockung durch Biobewuchs zu verhindern. Die Verblockung führt wiederum zu einem schnellen Pumpendefekt. Die ideale Maschenweite der Ansaugfilterung liegt bei 1 mm.
Feinstfilter
Durch den Einsatz der beschriebenen Filter- und Reinigungstechniken wird der Einsatz von Feinstfiltern mit Maschenweiten < 0,8 mm für den Betrieb von WC, Waschmaschine und Bewässerung überflüssig.
Für besondere Anforderungen an Prozesswasser können Feinstfilter gefordert sein. Ein solcher Filter ist dann unbedingt auf der Druckseite hinter der Pumpe zu installieren. Im Betrieb ist auf die regelmäßige Wartung zu achten, da Feinstfilter den Schmutz zurückhalten. Sie sind lichtundurchlässig auszuführen und es sollte auf eine einfache Wartungsmöglichkeit durch vorgesehene Absperrhähne und eine Entlüftung geachtet werden.
Hygienisierung
Siehe INTEWA WIKI Leitfaden zur Wasseraufbereitung und Grauwassernutzung
Sedimentation
Das zulaufende Wasser enthält noch feine Stoffe, die vom Filter nicht zurück gehalten werden. Diese Sedimentationsbestandteile setzen sich mit der Zeit am Boden des Speichers ab, wo z.T. zusätzlich biologische Selbstreinigungseffekte wirksam werden. Um ein Aufwirbeln der entstehenden Sedimentationsschicht zu vermeiden, soll der Zufluss in die Zisterne über eine Einlaufberuhigung erfolgen.
Speicherung des Wassers
Um eine optimale Wasserqualität sicherzustellen, spielt die fachgerechte Lagerung des Regenwassers eine entscheidende Rolle. Das Wasser sollte am besten kühl und lichtgeschützt gelagert werden, um Algen- und Bakterienwachstum so gering wie möglich zu halten. Außerdem muss der Speicher frostsicher aufgestellt werden.
Dem Speicher kommt bei der Regenwassernutzung allein schon aufgrund seiner Baugröße besondere Bedeutung zu. In tropischen Ländern mit täglichen Niederschlägen reicht bereits ein Speicher mit wenigen hundert Litern zur Deckung des täglichen Wasserbedarfs eines Einfamilienhaushaltes aus. In einigen Gegenden Spaniens gibt es heute noch Wasserzisternen mit mehreren hundert m3 Speicherinhalt, um langanhaltende Trockenperioden zu überbrücken. Wenn sich die Niederschlagsereignisse relativ gleichmäßig über das Jahr verteilen (z.B. Deutschland) und auch noch gut dem Bedarf der angeschlossenen Verbraucher entsprechen, sind die sinnvollen Speichergrößen viel kleiner, als häufig angenommen. Um eine sinnvolle Speichergröße ermitteln zu können, müssen also Informationen über die Menge und Verteilung der Niederschläge sowie des Bedarfes vorhanden sein. Zu beachten ist, dass durch die anhaltende Klimaveränderung die Trockenperioden länger und somit die erforderlichen Speichervolumina größer werden.
Grundsächlich werden folgende Speicherarten unterschieden:
Oberirdische Speicher
Frei aufstellbare, oberirdische Speicher können im Garten, im Keller oder auf dem Dach eines Hauses aufgebaut werden. Häufig werden Sie verwendet, wenn keine Möglichkeiten für den Erdeinbau eines Speichers vorhanden sind, wie bei der Nachrüstung, bei felsigem Untergrund oder bei zu enger Bebauung.
Die Speicher müssen statisch so dimensioniert sein, dass sie dem Wasserdruck dauerhaft ohne Verformungen standhalten. Hinweis: Die meisten Erdspeicher können nicht frei aufgestellt werden.
Weiterhin ist es wichtig, dass diese Speicher absolut lichtundurchlässig ausgeführt sind, um ein biologisches Wachstum zu vermeiden. Frei aufstellbare, oberirdische Speicher werden aus zahlreichen Materialien produziert, die gängigsten sind: PE, PP, GFK, Beton, beschichtete Metalle, aber auch Holz und Lehm kommen zum Einsatz.
Erdspeicher
eignen sich bei vielen Neubauten, wenn ohnehin Ausschachtungsarbeiten anfallen. Sie können unter Parkflächen oder Einfahrten platzsparend untergebracht werden.
Erdspeicher müssen für eine jahrzehntelange Standzeit und die Aufnahme von Erd- sowie Verkehrslasten dimensioniert sein. Erdspeicher werden aus zahlreichen Materialien produziert, die gängigsten sind: PE, PP, GFK, Beton.
PE oder HDPE Kunststofftanks
Kunststofftanks werden in verschiedenen Herstellungsverfahren produziert. Beim gängigsten Verfahren, dem sogenannten Rotations-Sinter-Verfahren wird PE (recyclebares Polyethylen) in einer hohlen Form geschmolzen, gedreht und abgekühlt. Nach der Entformung können die Hohlkörper (Tanks) entnommen werden. Da die Werkzeugkosten nicht besonders hoch sind, sind viele verschiedene Geometrien auf dem Markt verfügbar. Die Stabilität und Qualität der Speicher wird durch die geeignete Geometrie, Wandstärke und die Rippenstruktur bestimmt. Meistens werden diese Speicher in der sogenannten begehbaren Ausführung (keine Verkehrslast) angeboten und sind mit Volumina von 1000 bis max. 10.000 Litern für den Einfamilienhausbereich geeignet. Um größere Speichervolumina zu erzielen, können auch mehrere Speicher gekoppelt werden. Ihr geringes Gewicht ermöglicht einen günstigeren Transport als Betonspeicher und ein einfaches Absetzen in die Baugrube ohne Kran. Die meisten Kunststofferdspeicher sind nicht geeignet bei hohem Grundwasserstand oder bindigen Böden (Lehm). Die gleichmäßige Verfüllung und Verdichtung mit geeignetem Füllmaterial ist bei Kunststoffzisternen eine Voraussetzung, um die notwendige Stabilität zu erzielen.
GFK Speicher (glasfaserverstärkter Kunststoff)
Für große Speichervolumina bis ca. 250 m³, meist im gewerblichen Bereich, sind GFK Speicher zu empfehlen. Sie können aus einem Stück gefertigt werden. Die Produktion ist relativ flexibel, so dass auf die Anforderungen größerer Bauvorhaben eingegangen werden kann, wie z.B. hohe Belastungen bis SLW60 (60 t LKW-Befahrbarkeit), flexible Anschlusswahl, Integration weiterer Einstiegsschächte, Einbauten, Rohre, Zwischenwände etc.. Diese Speicher eignen sich auch als Retentionsspeicher oder Löschwasserbehälter.
Betonzisternen
Viele Betonwerke produzieren heute monolithische Zisternen (ohne Fugen im Wasserbereich) für die Regenwassernutzung in Größen von bis zu 20 m³. Aufgrund des Gewichtes der Zisternen und der entsprechend hohen Transportaufwendungen für spezial LKW mit Heckkränen finden sie meist wenige 100 km regional Ihren Einsatz um das Herstellwerk. Da die Zisternen am geeignetsten vom Heckkran aus direkt in die Baugruben eingesetzt werden, müssen diese für den LKW gut zugänglich sein. Die meisten Betonzisternen sind in der Regel mindestens PKW befahrbar und mit entsprechender Abdeckung auch LKW befahrbar. Bei entsprechender Erdüberdeckung können Betonspeicher auch bei hohem Grundwasser verwendet werden. Bindiger Boden ist zumeist ebenfalls unproblematisch. Größere Volumina lassen sich durch Koppelung mehrerer Zisternen oder in Ortbeton Bauweise realisieren. Die Qualität einer Betonzisterne bestimmt sich durch die Betongüte (z.B. Druckfestigkeitsklasse C45/55), die Armierung (Stahlbewehrung mind. in Zisternenboden und Deckel) und der Wandstärke (mind. 8 cm).
Ehemalige Öltanks und Klärgruben
Manchmal können auch ehemalige Klärgruben oder alte Öltanks als Regenwasserspeicher umgerüstet werden. Die alten Tanks sollten jedoch noch gut in Schuss sein, ansonsten ist die Umrüstung teurer und aufwendiger, als gleich einen neuen Speicher zu verwenden. Eine Beschichtung für einen Stahlspeicher kann schnell teurer sein, als ein neuer Regenwasserspeicher.
Tunnelsystem
Sind besondere Bauformen und Größen für die Regenwasserspeicherung gefragt, kann es sinnvoll sein, Kunststoffelemente aus der Regenwasser- Versickerung und Retention zu verwenden. DRAINMAX Tunnelelemente z.B. können dazu in eine Folienwanne installiert werden. Das Speichervolumen setzt sich dann zusammen aus dem Hohlraumvolumen im Füllmaterial und dem Speichervolumen der Tunnel.
Planung und Dimensionierung
Für die Dimensionierung einer Regenwassernutzungsanlage sind folgende Online Tools hilfreich:
Dimensionierung von Zisternen
Für größere Projekte lässt sich die Berechnung einer optimalen Speichergröße mit langjährigen Regendaten mit der Rainplaner Software durchführen.
Um eine optimale Speichergröße berechnen zu können, ist das Verhältnis von Regenwasserertrag und Betriebswasserbedarf zu ermitteln.
Regenwasserertrag
Für eine überschlägige Rechnung, die meist zur Dimensionierung der Speichergröße ausreichend ist, hat sich die folgende Berechnung des mittleren jährlichen Regenwasserertrags bewährt:
| Regenwasserertrag = Dachfläche x Niederschlagsmenge x Abflussbeiwert x Filterwirkungsgrad |
|---|
Dachfläche: Als Dachfläche ist die projizierte Dachfläche einschließlich aller Überhänge in m² einzusetzen.
Niederschlagsmenge: Die durchschnittliche jährliche Niederschlagsmenge in mm/Jahr ist der Übersichtskarte zu entnehmen. Genauere Angaben sind beim jeweiligen Wetteramt zu erfragen.
Abflussbeiwert: Der Abflussbeiwert bestimmt den Anteil der Niederschläge an den Gesamtniederschlägen, der tatsächlich vom Dach abläuft. Hierbei handelt es sich um eine stark vereinfachte Nachbildung des Rückhalteverhaltens unterschiedlicher Dachmaterialien, die sich in der Praxis bewährt hat.
Abflussbeiwert verschiedener Dachbedeckungen gemäß DIN 1989 Teil1:
| Dachbedeckung | Abflussbeiwert |
|---|---|
| geneigtes Hartdach | 0,8 |
| Flachdach bekiest / unbekiest | 0,6 / 0,8 |
| Gründach intensiv / extensiv | 0,3 / 0,5 |
Filterwirkungsgrad: Bei Verwendung der PURAIN Filter kann mit einem effektivem Wirkungsgrad des Filters von 0,98 gerechnet werden.
Beispiel 1
| Berechnung des Regenwasserertrags |
|---|
| * Einfamilienhaus mit 100 m² Dachgrundfläche und Ziegelsteindach |
| * jährlicher Niederschlag = 750 mm/Jahr |
| * Abflussbeiwert = 0,8 |
| * Filterwirkungsgrad = 0,98 |
| =>Regenwasserertrag = 100 m² x 750 mm/Jahr x 0,8 x 0,98 x 10-3 = 59 m³/Jahr |
Betriebswasserbedarf
Quelle <ref name="Uni OL">DIN 1989-1</ref>
Der Betriebswasserbedarf hängt von den angeschlossenen Verbrauchseinheiten und deren Nutzung ab. Für den Bedarf pro Person und Tag sind in der folgenden Tabelle einige Durchschnittswerte zusammen gefasst:
| Tägl. durchschn. Verbrauch / Person | ||
|---|---|---|
| Wohnhaus | Toilettenspülung | 30 Liter |
| Waschmaschine | 10 Liter | |
| Gartenbewässerung | 60 l/m² Jahr | |
| Reinigungszwecke | 6 Liter | |
| Dusche, Baden, Handwaschbecken | 59 Liter | |
| Trinkwasser | 1 Liter | |
| Bürogebäude | Reinigungszwecke | |
| Toilettenspülung | 12 Liter | |
| Schule / Sportanlage | Toilettenspülung | 6 Liter |
| Beregnungsanlage | 200 l/m² |
Beispiel 2
| Berechnung des Betriebswasserbedarfs | ||
|---|---|---|
| * täglicher Betriebswasserbedarf 4-Personen-Haushalt: | ||
| * Toilettenspülung | 30 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 120 Liter |
| * Waschmaschine | 10 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 40 Liter |
| * Gartenbewässerung | 1 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 4 Liter |
| => Gesamter Betriebswasserbedarf pro Tag: | 164 Liter | |
| => Jahresbedarf: | 164 Liter/Tag x 365 Tage = | 60 m³ |
Bei einem Vergleich mit dem in Beispiel 1 ermittelten Regenwasserertrag von 60 m³ für ein Einfamilienhaus zeigt sich, dass nahezu der gesamte Bedarf von Toilette, Waschmaschine und Garten durch den mittleren Regenwasserertrag gedeckt werden könnte.
Speichergrößen
Ertrag = Bedarf
Decken sich Regenwasserertrag und Regenwasserbedarf, so hat sich als einfacher Auslegungswert ein Speichervolumen von 5 % des durchschnittlichen jährlichen Regenwasserertrages bewährt. Dabei ist ein nicht nutzbares Tankvolumen (zum Beispiel 300 Liter bei einem 3000 Liter Tank) zu berücksichtigen, das aus dem Raum zwischen Ansaugstelle und Speicherboden resultiert:
Ertrag << Bedarf
Bei einem Regenwasserertrag, der dauerhaft wesentlich geringer als der Betriebswasserbedarf ist, sind kleiner dimensionierte Zisternen vorzuziehen. In diesem Fall ist ein Speichervolumen von 3 % des durchschnittlichen jährlichen Regenwasser-Ertrages ausreichend. Bei zu geringem Ertrag sollte zunächst geprüft werden, ob weitere Dachflächen (z. B. Nachbargebäude) an die Anlage angeschlossen werden können. Falls dies nicht möglich ist, kann es u. U. sinnvoll sein, nur einen Teil der Verbrauchsstellen an die Regenwassernutzung anzuschließen, um so die notwendige Menge nachgespeisten Trinkwassers gering zu halten.
Ertrag >> Bedarf
In diesem Falle richtet sich die Dimensionierung vorwiegend nach dem Regenwasserbedarf und kann mit etwa 5 % des jährlichen Bedarfes grob abgeschätzt werden.
Beispiel 3
| Ermittlung des benötigten Speichervolumens für ein Einfamilienhaus. | |
|---|---|
| Die Daten hierzu werden aus Beispiel 1 und Beispiel 2 übernommen. | |
| * Dachfläche (Ziegel): | 100 m² |
| * Jährlicher Niederschlag: | 750 mm |
| * Abflussbeiwert inkl. Filterwirkungsgrad: | 78,4 % |
| => Regenwasserertrag: | 59 m³ pro Jahr |
| Anzahl der Nutzer: | 4 Personen |
| Angeschlossene Verbraucher: | WC, Waschmaschine, Gartenbewässerung |
| =>Betriebswasserbedarf: | 60 m³ pro Jahr |
| * Die Dimensionierung des Speichervolumens erfolgt nach der 5%-Regel: | |
| Speichervolumen: 0,05 x 59 m³ + 300L = | 3,25m³ |
Speichersimulation mit Software
Bei größeren Bauobjekten und gewerblicher Betriebswassernutzung sollte eine genaue Bedarfsanalyse vorgenommen werden, um z. B. den Einfluss von saisonalen Schwankungen, von Urlaubszeiten etc. zu untersuchen. Hier kann z.B. die Simulationssoftware RAINPLANER eingesetzt werden.
Dabei werden statt des mittleren Niederschlagswertes konkrete Regenereignisse für jeden Tag berücksichtigt. Außerdem können das Ablaufverhalten unterschiedlicher Dachmaterialien sowie der Überlauf des Speichers bei Starkregenereignissen genau nachgebildet werden.
In der dargestellten Verlaufskurve sind die saisonalen Schwankungen zu erkennen. Im optimalen Fall pendelt sich der Füllstand im Speicher über das ganze Jahr gesehen um einen mittleren Wert ein. Einige Speicherüberläufe im Jahr sorgen für die Entfernung von eingetragenem Oberflächenschmutz von der Wasseroberfläche.
Wirtschaftliche Speichergröße
Simulationen, die schwankende Niederschlagsmengen und die Menge des Überlaufwassers berücksichtigen, belegen, dass der Speicher nicht zu groß gewählt werden sollte. Der Deckungsgrad beschreibt dabei den Anteil am Betriebswasserbedarf, der durch Regenwasser gedeckt werden kann. Für das Beispiel 3 ist dieser Wert in der folgenden Grafik in Abhängigkeit vom Speichervolumen dargestellt. Der maximal zu erzielende Deckungsgrad beträgt 94 %. Um diesen Wert zu erreichen, wäre jedoch ein äußerst großer Speicher notwendig. In der Praxis würde hier ein Speicher mit 3,5 m³ Inhalt eingesetzt, mit dem fast 80 % des Betriebswasserbedarfs durch Regenwasser gedeckt werden kann. Eine weitere Vergrößerung des Speichervolumens erhöht die Investitionskosten unnötig.
Um auch in Trockenjahren ein 3 bis 5-maliges Fortspülen der Oberflächenverschmutzung durch Überlauf des Speichers zu gewährleisten, sollte der Speicher nicht zu groß gewählt werden.
Anders verhält es sich bei reiner Gartenbewässerung. Hier kann es durchaus sinnvoll und gewünscht sein, das Regenwasser aus einer Regenperiode aufzufangen, um es in der kommenden Trockenzeit zu verwenden. Dies führt zu sehr großen Speichervolumina.
Ähnlich ist es in Gegenden mit ausgeprägten Trockenzeiten und Regenzeiten. Wird der gesamte Wasserbedarf für die Trockenperiode in der Regenperiode aufgefangen, so müsste der Regenwasserspeicher für das genannte Beispiel etwa die 6-fache Größe haben. Alternativ kann überlegt werden, ob die Regenwasseranlage aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nur während der Regenzeit und ggfls. mit einem noch kleineren Speicher betrieben wird.
Einbauhinweise für Regenwasserspeicher
Für die Installation der Zisterne und Durchführung der Erdarbeiten ist es wichtig, die Höhe der Anschlüsse und die Einbautiefe zu ermitteln. Die hierzu benötigten Anschlussmaße der jeweiligen Speicher sind den technischen Datenblättern zu entnehmen. Die Ablaufrohre müssen frosttief mit etwa 1% Gefälle verlegt werden (in vielen Gegenden in Deutschland z.B. mit 80 cm).
Die Einbautiefe setzt sich demnach wie folgt zusammen:
| frosttiefe Rohrverlegung F | z.B. 80 cm |
| + notwendiges Rohrgefälle G | z.B. 10 cm |
| + Zulaufhöhe am Tank Z | z.B. 162 cm |
| = Einbautiefe des Speichers E | z.B. 252 cm |
Je nach Bodenbeschaffenheit sind beim Ausheben noch zusätzlich ca. 10 cm für die Vorbereitung des Untergrunds vor dem Einsetzen der Zisterne zu berücksichtigen.
Hoher Grundwasserstand
Bei einem hohen Grundwasserstand können nur speziell dafür ausgewiesene Zisternen verwendet werden. Zusätzlich muss eine Berechnung des Auftriebes erfolgen. Viele Betonzisternen können durch ihr Eigengewicht je nach Erdüberdeckung, im Grundwasser ohne zusätzliche Auftriebssicherung stehen. Zusätztliche Auftriebssicherungen können z.B. mit Bodenankern erstellt werden.
Einstiegsöffnung
Die Einstiegsöffnung des Speichers muss für spätere Reinigungs- und Wartungsarbeiten zugänglich gehalten werden. Zum Angleich an das Erdniveau können verschiebbare Domschächte oder Ausgleichsringe aus Beton eingesetzt werden. Zur Unfallvermeidung muss der Einstieg mit einem sicher verschließbaren Deckel versehen werden oder so schwer sein, dass Kleinkinder ihn nicht öffnen können.
Speicherüberlauf und Rückstauebene
Die Höhe des Speicherüberlaufs ergibt sich aus den Anschlussmaßen der Zisterne. An folgende Entwässerungseinrichtungen kann der Speicherüberlauf angeschlossen werden:
- Versickerungseinrichtung
- Regenwasserkanal bei Trennsystem
- Mischwassersystem
Wo immer möglich, sollte der Speicherüberlauf an eine Versickerung angeschlossen werden, um das überschüssige Wasser vor Ort dem Grundwasser zuzuführen. Kommt eine Versickerung nicht in Frage, ist ein Kanalanschluss für den Überlauf vorzusehen. Bei vorhandenem Trennsystem wird das Wasser dem Regenwasserkanal zugeführt. Anderenfalls erfolgt ein Anschluss an das Mischwassernetz.
Selten auftretende Starkregenereignisse können zu einer Überlastung der jeweiligen Entwässerung führen. Das anfallende Wasser kann nicht mehr geordnet abgeführt werden und ein Rückstau des Wassers in die Zisterne tritt ein. Wegen seiner möglichen Rückwirkung auf den Speicher ist in diesem Fall bei der Planung einer Regenwasseranlage diesem Punkt besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Es muss, insbesondere bei Anschluss an das Mischwassersystem, verhindert werden, dass Schmutzwasser aus der Kanalisation in den Speicher gelangen kann.
Die Rückstauebene gibt an, bis zu welcher Höhe sich das Wasser in der Kanalisation maximal anstauen kann. Die Lage der Rückstauebene wird zumeist von der örtlichen Behörde festgelegt. Anderenfalls gilt als Rückstauebene die Höhe der Straßenoberkante (DIN 1986).
Speicherüberlauf oberhalb der Rückstauebene
Im günstigsten Fall liegt der Überlauf oberhalb der Rückstauebene. In diesem Fall kann das Überlaufwasser mit dem vorhandenen Gefälle direkt zum Kanal geleitet werden. Dabei muss sich der Überlauf an der Zisterne mindestens 20 cm oberhalb der Rückstauebene befinden. Der Überlauf muss unterhalb der Zulaufleitung liegen, sein Durchmesser größer oder gleich dem der Zuleitung sein.
Speicherüberlauf unterhalb der Rückstauebene an Regenwasserkanal oder Versickerungssystem
Kann der Überlauf nicht rückstausicher an die Entwässerungseinrichtung angeschlossen werden, so ist nach DIN1989-1 über eine einfache [[Selbstreinigende Feinfilter|Rückstauklappe] sicherzustellen, dass bei einem Rückstau kein Wasser in die Zisterne gelangen kann.
Speicherüberlauf an Mischwassersystem unterhalb der Rückstauebene oder zu höher liegender Versickerungseinrichtung
Vorgabe nach Norm DIN1989-1
Bei einem Anschluss des Speicherüberlaufes an einen Mischwasserkanal oder an eine höher liegende Versickerungseinrichtung sollte nach DIN1989-1 eine Hebeanlage zum Einsatz kommen. Mit einer Hebeanlage wird das Wasser bei Erreichen des maximalen Wasserstandes durch eine Tauchpumpe über die Rückstauebene gefördert. Es ist darauf zu achten, dass die Druckleitung auch im Bereich der erhöhten Rückstauschleife frostsicher verlegt ist. Die Rückstauschleife kann dazu auch im Haus verlegt sein. Die Dimensionierung der Pumpe erfolgt nach DIN 1986-100 mit r(5,100). Die Pumpe kann dabei im Regenwasserspeicher untergebracht werden, wodurch ein zusätzlicher Pumpschacht entfällt.
Ausführung in der Praxis
Wogegen beim Anschluss an die höher gelegene Versickerung und Retention eine Hebeanlage auch technisch unbedingt erforderlich ist, ist mit dem Kunden bei Anschluss an das Mischwassersystem abzusprechen, ob nicht doch die Installation einer einfachen Rückstauklappe ausreichend ist. Das Risiko einer fäkalen Verschmutzung durch Rückstau aus dem Mischwasserkanal kann relativiert werden, da in der Regel die Zisterne ohnehin voll Wasser steht, wenn es zu einem Überlaufen des Kanalsystems kommt. Weiterhin sind die Verschmutzungen bei diesen Regenereignissen sehr stark verdünnt.
In der Praxis werden solche Hebeanlagen fast nie verwendet.
Ebenso verhält es sich mit der Dimensionierung der Hebeanlage, da bei der Berechnung nach DIN 1986-100 mit r(5,100) sehr große Volumenströme errechnet werden. Die Volumenströme können reduziert werden, wenn ein zusätzliches Puffervolumen geschaffen wird, um das maßgebende Starkregenereignis zu reduzieren.
Erforderliche Tauchmotorpumpenleistung bei Einsatz als Hebeanlage im Regenwasserspeicher am Beispiel der Starkniederschlagsreihen von Köln mit und ohne Puffervolumen:
| Regenspende r5, 100 = 648,5 l/(s-ha) Dachfläche A = 100 m² | |||
|---|---|---|---|
| V = 0 | V = 1 m³ | ||
| Pumpenleistung [l/min] | Pumpentyp | Pumpenleistung [l/min | Pumpentyp |
| 389 | BIOX 400/12 | 195 | DRENOX 250/10 |
Die Pumpenempfehlung berücksichtigt eine Gesamtförderhöhe (Hgeo + HVerlust) von max. 2 m.
Sowohl Hebeanlagen als auch Rückstauklappen unterliegen im Betrieb der Wartungspflicht und müssen daher über Revisionsöffnungen zugänglich gehalten werden. Außerdem ist der Fall zu beachten, dass wegen eines Pumpendefekts oder anstehendem Rückstau kein Wasser aus dem Speicher abgeführt werden kann, obwohl weiter Wasser zuläuft. Bei Außenzisternen ist dann ausnahmsweise ein unkontrollierter Wasseraustritt aus einem Notüberlauf, welcher im Zisternendeckel sein kann, zu akzeptieren. Ein Eindringen des Wassers in das Gebäude z.B. über das Leerrohr muss jedoch sicher ausgeschlossen werden.
Pumpen, Betriebs- und Regenwasserwerke
Für die Dimensionierung einer Betriebswasserpumpe ist folgendes Online Tool hilfreich:
Leitungsnetz und Zubehör
Auf seinem Weg zum Verbraucher durchläuft das Regenwasser unterschiedliche Leitungen. Die Versorgung der Entnahmestellen einer Regenwassernutzungsanlage erfolgt über ein eigenes sogenanntes Betriebswassernetz. Das Betriebswassernetz muss aus korrosionsbeständigen, lichtundurchlässigen Materialien bestehen. Die Saugleitung zur Pumpe sollte, um Undichtigkeiten vorzubeugen, in einem Stück verlegt werden. Optimal ist der Einsatz von hochwertigem, knickfestem EPDM Gummimaterial (PVC-Schlauch ist aufgrund der Weichmacher nicht geeignet!). Er kann sich beim Ansaugen der Pumpe nicht zusammenziehen, gewährleistet aber trotzdem durch seine Flexibilität die schwimmende Entnahme und eine einfache Verlegung durch ein Leerrohr. Bei Unterwassermotorpumpen dämpft ein EPDM Druckschlauch zudem die Druckstöße beim Einschalten der Pumpe ab. Bei Saugpumpen ist zur Isolierung als Übergang zwischen Pumpe und starrem Betriebswasserleitungssystem ein Panzerschlauch einzusetzen. Bei besonders schnellschließenden Verbrauchern oder ungünstig verlegten Leitungssystemen kann zwischen Verbraucher und Steuereinheit ein Ausdehnungsgefäß erforderlich werden.
Leitungen und Leerrohre sollten zum Haus hin mittels einer Mauerdurchführung sicher abgedichtet werden.
| 1. Regenwasserwerk RAINMASTER Eco | 8. Regenwasserfilter PURAIN |
| 2. Trinkwasseranschluss | 9. schwimmende Ansaugfilterung |
| 3. Druckanschlussset mit Ausdehnungsgefäß | 10. Zulaufberuhigung |
| 4. Druckleitung zu den Verbrauchern | 11. Schutzrohr für Saugleitung und Sensorkabel |
| 5. Schwimmschalter | 12. Regenwasserzuleitung |
| 6. Saugleitung | 13. Mauerdurchführung MD-100 |
| 7. Notüberlauf |
Rechtliches
Bei der Installation einer Regenwassernutzungsanlage sind einige Vorschriften zu beachten. Hier sind die Deutschen Richtlinien und Normen aufgezeigt.
DIN- und internationale Normen:
| Regelungsbereich | Regelwerk | Inhalt |
|---|---|---|
| Wasserversorgung | DIN 1989 | Norm für Regenwassernutzungsanlagen |
| DIN 1989 Teil 1 | Planung, Ausführung, Betrieb und Wartung | |
| DIN 1989 Teil 2 | Regenwasserfilter | |
| DIN 1989 Teil 3 | Regenwasserspeicher | |
| DIN 1989 Teil 4 | Bauteile zur Steuerung und Überwachung | |
| DIN EN1717 | Schutz des Trinkwassers vor Verunreinigung ... | |
| DIN 4034 Teil 1 | Schächte aus Beton | |
| DIN 1986-100 | Restnorm: Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke | |
| DIN EN 12056 | Entwässerung innerhalb von Gebäuden ... | |
| DIN EN 752 | Entwässerung außerhalb von Gebäuden ... | |
| ARCSA/ASPE/ANSI 63-2013 | Rainwater Catchment Systems |
Anzeige- und Genehmigungspflichten:
| Regelungsbereich | Regelwerk | Inhalt |
|---|---|---|
| Baugenehmigung | Landesbauordnung | I.d.R. werden Zisternen in der gängigen Größe für Ein- und Zweifamilienhäuser nicht als genehmigungspflichtig angesehen. Eine Darstellung des Anteils der Regenwasseranlage an der Grundstücksentwässerung im Rahmen des Entwässerungsgesuchs reicht aus. Die Nutzung von vorhandenen Behältern als Regenwasserspeicher bedarf einer Genehmigung |
| Wasserversorgung | AVBWasserV §3 | Antrag auf Teilbefreiung vom Anschluss- und Benutzungszwang + Anzeigepflicht vor Errichtung der Anlage beim kommunalen Wasserversorger |
| AVBWasserV §14 | kommunaler Wasserversorger ist berechtigt, Kundenanlage nach ihrer Inbetriebnahme zu überprüfen | |
| Trinkwasserverordnung | Mitteilungspflicht an das Gesundheitsamt bei Inbetriebnahme, Stilllegung oder baulichen Veränderungen Kennzeichnungspflicht der Betriebswasserleitungen, strikte Trennung von Trink- und Betriebswassernetz. | |
| örtliche Trinkwassersatzung | evtl. Anzeigepflicht bei Inbetriebnahme der Anlage |
Die Aussagen zu Anzeige- und Genehmigungspflichten sind als Regelwerte anzusehen. Einzelheiten sind bei den entsprechenden Behörden zu erfragen.
Quellen
<references />
