Was ist ein Wasserschlag (Druckstoß)? Wie verhindert man Schlaggeräusche in Rohren?

Ein Wasserschlag ist ein hydraulischer Stoß, der entsteht, wenn eine bewegte Wassermasse in einer Rohrleitung abrupt gestoppt wird und sich als Hochdruckwelle ausbreitet. Der Mechanismus hinter der Welle hängt mit dem momentanen Überschuss an Trägheitskraft des Wassers zusammen: Wenn das Ventil schließt, will das Wasser nicht stehen bleiben; es baut mit der Kraft einer Wand hohen Druck auf und prallt zurück. Der Schall wird auf die Rohrwände und das Bauwerk übertragen und ist als Dröhnen, Klacken oder Knall wie ein Gewehrschuss zu hören.

Physikalisch beträgt die Wellengeschwindigkeit in Stahlrohren ca. 1200 m/s, in Kupferrohren 1000–1100 m/s und in Kunststoffrohren aus PP-R und PEX etwa 300–500 m/s. Die Welle läuft im Rohr hin und her und klingt ab; die Abklingdauer hängt von der Rohrlänge und der Elastizität der Leitung ab. Weil die Wellengeschwindigkeit in Kunststoffrohren niedrig ist, fällt auch der Druckstoß geringer aus; das ist ein natürlicher Vorteil von Kunststoffrohren gegenüber Stahl oder Kupfer und trägt dazu bei, dass sie in kurzen Leitungen ohne Druckstoßdämpfer sicherer arbeiten.

Die Antwort auf die Frage, warum ein Wasserschlag entsteht, beruht auf dem zweiten Newtonschen Gesetz: Masse mal Beschleunigung gleich Kraft. Strömt eine Wassermasse mit einer bestimmten Geschwindigkeit, ist eine große Kraft nötig, um diese Masse zu stoppen, und diese Kraft wirkt als Druck auf die Rohrwände. Auslösend ist die abrupte Geschwindigkeitsänderung; je schneller die Änderung, desto größer der Druck. Ein langsam schließendes Ventil erzeugt keinen Stoß, weil es die Geschwindigkeitsänderung auf eine lange Zeitspanne verteilt; ein Magnetventil, das schlagartig schließt, vollzieht dagegen die gesamte Änderung innerhalb von Millisekunden.

Systematisch betrachtet gibt es auf die Frage, warum ein Wasserschlag entsteht, vier Grundantworten. Erstens schlagartig schließende Armaturen: Dazu gehören Magnetventile, schnelle Membran-Regelventile und Sicherheitsventile mit Federrücklauf. Zweitens das plötzliche Stoppen oder Anlaufen der Pumpe: Wird der Stromkreis der Pumpe unterbrochen, versucht das Wasser in der Rohrleitung aufgrund seiner Trägheit weiterzuströmen; es prallt in Richtung Pumpe zurück, erzeugt Unterdruck und löst anschließend am schließenden Rückschlagventil einen positiven Stoß aus. Drittens hohe Strömungsgeschwindigkeit: Mit steigender Geschwindigkeit wächst Delta v, und nach der Joukowsky-Formel steigt der Druckstoß proportional. Viertens Lufteinschlüsse: Sind Luftbereiche im Rohr vorhanden, trifft das Wasser beim Wiederanströmen auf ein hartes Hindernis, weil ihm der komprimierbare Puffereffekt der Luft fehlt.

Historisch wurde der Begriff des Wasserschlags im 18. Jahrhundert mit der Verbreitung hydraulischer Maschinen beschrieben und 1900 von Nikolay Joukowsky mathematisch formuliert. Joukowskys Messungen am Moskauer Wassernetz bilden die Grundlage der nach ihm benannten Formel. Heute übernehmen die Normen TS EN 806-3 und DIN 1988-300 diese Formel als zwingenden Schritt der Rohrauslegung.

Die Joukowsky-Formel für den Druckanstieg ist das Grundwerkzeug der Wasserschlagtechnik und lässt sich in einem Satz so ausdrücken: Delta P gleich Rho mal a mal Delta v. Dabei ist Rho die Dichte des Wassers in kg/m³, a die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle im Rohr in m/s und Delta v die Geschwindigkeit der gestoppten Strömung in m/s. Werden alle Einheiten der Formel konsistent verwendet, ergibt sich das Ergebnis in Pascal; 1 bar gleich 100.000 Pa.

Formelwerte: Für Wasser bei 20 °C wird Rho mit 998 kg/m³ angesetzt, für Stahlrohr a mit ca. 1200 m/s; Delta v ist die Strömungsgeschwindigkeit am schlagartig schließenden Ventil. Beispielrechnung 1: In der Rohrleitung beträgt die Strömungsgeschwindigkeit 1,0 m/s, das Rohr ist aus Stahl, das Ventil schließt schlagartig. Berechnung: Delta P gleich 998 mal 1200 mal 1,0 gleich 1.197.600 Pa, d. h. ca. 12,0 bar. Dieser Wert entspricht dem 1,2-Fachen des Nenndrucks der Rohrklasse PN 10, und bei wiederholten Stößen setzt die Rohrermüdung ein.

Beispielrechnung 2: Dieselbe Leitung, die Geschwindigkeit wurde auf 0,6 m/s gesenkt. Delta P gleich 998 mal 1200 mal 0,6 gleich 718.560 Pa, d. h. ca. 7,2 bar. Als die Geschwindigkeit um 40 Prozent sank, sank auch der Druckstoß um 40 Prozent; denn die Joukowsky-Beziehung ist linear und proportional zu Delta v. Diese Berechnung zeigt unmittelbar, warum die Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit die günstigste Schutzmaßnahme ist.

Beispielrechnung 3: PP-R-Rohr, a ca. 400 m/s, Geschwindigkeit 1,0 m/s. Delta P gleich 998 mal 400 mal 1,0 gleich 399.200 Pa, ca. 4,0 bar. Unter denselben Bedingungen erzeugt ein Kunststoffrohr nur ein Drittel des Druckstoßes eines Stahlrohrs. Dennoch ermüden in Leitungen der Sanitärinstallation mit hochfrequenten Betriebszyklen auch wiederholte Stöße von 4,0 bar mit der Zeit Verbindungsstellen und Dichtungen; deshalb gilt die Geschwindigkeitsgrenze auch für Kunststoffrohre.

Die Grenze der Strömungsgeschwindigkeit im Rohr ist ein technischer Bereich, der sowohl im Hinblick auf Wasserschlag als auch auf Geräusche sowie Erosionskorrosion festgelegt wurde. Während TS EN 806-3 und DIN 1988-300 für Innenleitungen der Sanitärinstallation 3,0 m/s als absolute Obergrenze definieren, liegt der in der Praxis akzeptierte Bereich für leisen und langlebigen Betrieb bei 0,5–1,5 m/s. In Heizkreisen wird für den leisen Betrieb, der eine Δp-v-Regelung erfordert, der engere Bereich von 0,5–1,0 m/s angestrebt. Auch die Untergrenze ist wichtig: Wasser, das mit weniger als 0,3 m/s strömt, kann Luftblasen nicht mitreißen; die Blasen sammeln sich im Rohr und führen sowohl zu Lufteinschlüssen als auch zu Geräuschen. Deshalb ist 0,5 m/s als untere Zielgröße ein sicherer Ausgangspunkt hinsichtlich Stoß und Luft.

Überschreitet die Geschwindigkeit die Obergrenze von 1,5 m/s, hat das drei Folgen. Erstens kann der momentane Druckstoß nach der Joukowsky-Formel 18 bar überschreiten; bei Stahl- und Kupferrohren sind Schweißstellen und Bögen die schwächsten Glieder gegenüber diesem Druck. Zweitens trägt Wasser, das mit hoher Geschwindigkeit an der Rohroberfläche strömt, die schützende Oxidschicht auf Kupfer und Edelstahl ab; dieser Mechanismus der Erosionskorrosion verkürzt die Lebensdauer eines Rohrs, die im Katalog mit 30 Jahren angegeben ist, auf 10–15 Jahre. Drittens steigt die Druckdifferenz an Thermostatventilen und Magnetventilen, die Dichtflächen verhärten und die Lebensdauer der Ventile verkürzt sich. Da bei allen drei Effekten der nächste beginnt, bevor der vorherige abgeklungen ist, fällt der kombinierte Schaden größer aus als die Summe der Einzelberechnungen.

Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit der Formel v gleich Q geteilt durch A berechnet. Q ist der Volumenstrom in m³/h, A die innere Querschnittsfläche des Rohrs in m²; teilt man Q durch 3600, erhält man m³/s. Beispiel: DN 20 Kupferrohr, Innendurchmesser 19 mm, Querschnittsfläche Pi mal 0,019 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,000284 m², Volumenstrom 1,5 m³/h gleich 0,000417 m³/s, Geschwindigkeit gleich 0,000417 geteilt durch 0,000284 gleich 1,47 m/s. Das liegt knapp unter der Grenze. Steigt der Volumenstrom auf 2,0 m³/h, erreicht die Geschwindigkeit 1,96 m/s und die Grenze wird überschritten; die Lösung ist der Wechsel auf DN 25.

Ein Magnetventil ist eine Armatur, die den Kolben mit Federkraft innerhalb von 20–80 Millisekunden schließt, wenn die elektromagnetische Spule stromlos wird. Diese Schließzeit schafft in der Praxis die Bedingung, die der Annahme eines ‚momentanen Schließens‘ der Joukowsky-Formel am nächsten kommt. In Abhängigkeit von der Rohrlänge lässt sich die kritische Schließzeit berechnen: T kritisch gleich 2L geteilt durch a, wobei L die Rohrlänge in Metern und a die Wellengeschwindigkeit in m/s ist. Für 20 Meter Stahlrohr ergibt sich T kritisch gleich 2 mal 20 geteilt durch 1200 gleich 0,033 Sekunden, also 33 Millisekunden. Ein Magnetventil, das in 80 ms schließt, bleibt oberhalb dieser Grenze und erzeugt daher nicht den vollen Joukowsky-Stoß; Ventile, die in 20 ms schließen, erzeugen dagegen den vollen Stoß.

Magnetventile in Waschmaschinen, Geschirrspülern, Bewässerungsanlagen und in der Versorgung medizinischer Geräte sind die häufigsten Beispiele dieser Gruppe. Das Ventil einer Waschmaschine öffnet und schließt bei jedem Füllzyklus 2–5 Mal; drei Waschgänge am Tag erzeugen 6–15 Stöße. Die Summe der Stöße ergibt über das Jahr eine erhebliche Ermüdungsakkumulation, insbesondere die Anschlussstellen werden von diesen wiederholten Stößen beeinträchtigt.

Thermostatische Heizkörperventile schließen für sich genommen nicht schnell, doch die Ventilbaugruppe, die sich durch das Schmelzen der thermischen Brücke bewegt, kann mehrmals pro Stunde einen vollständigen Auf-Zu-Zyklus durchlaufen; ein unverhältnismäßig groß gewähltes Heizkörperventil beschleunigt diese Zyklen, und jedes Schließen erzeugt einen Mini-Stoß. Rückschlagventile wiederum erzeugen bei abruptem Abreißen des Volumenstroms durch das Aufschlagen der Klappe einen Stoß. (Details: Was ist ein Rückschlagventil? Unterschiede zwischen federbelasteten, Klappen- und Wafer-Rückschlagventilen)

Ein Water Hammer Arrestor, also ein Druckstoßdämpfer, ist ein Gerät mit kleinem Volumen, das plötzliche Druckwellen in der Rohrleitung durch die Kompression eines inneren Gases dämpft. Sein Aufbau ist einfach: Ein Kolben- oder Balgraum mit Stickstoff oder Luft wird komprimiert, wenn der Druckstoß eintrifft, und nimmt die Energie auf; sinkt der Druck, öffnet er sich wieder. Anders als ein Kompensator zielt er nicht auf die thermische Ausdehnung, sondern ausschließlich auf kurzzeitige Druckstöße.

Die Auswahl beruht auf drei Kriterien. Erstens die Größenklasse nach ASSE 1010: Die Norm definiert sechs Größenklassen von A bis F, und jede Klasse entspricht einem bestimmten Rohrdurchmesser und Volumenstrombereich. In Leitungen DN 15–20 für Wohngebäude genügt meist die Klasse A oder B; Gewerbegebäude und große Bewässerungsanlagen erfordern die Klassen C–E. Zweitens der maximale Betriebsdruck; der Nenndruck des Geräts muss mindestens das 1,5-Fache des Betriebsdrucks der Leitung betragen. Drittens die Anschlussgröße und Einbaulage; die vertikale Montage ist zu bevorzugen, weil das Kolbengewicht unterstützt.

Die Antwort auf die Frage, wo ein Druckstoßdämpfer eingebaut wird, lautet: so nah wie möglich an der Stoßquelle, idealerweise 150–600 mm vor dem Magnetventil oder dem schnell schließenden Ventil und an einer zugänglichen Stelle. Mit wachsendem Abstand zur Quelle sinkt seine Wirksamkeit; in langen Leitungen kann es nötig sein, an jeder Abzweigstelle ein eigenes Element zu setzen. Das Element sollte regelmäßig von Hand gerüttelt und der Gasdruck geprüft werden; geht das Gas im Laufe der Jahre ins Wasser über, sinkt die Stoßaufnahmekapazität auf null. In Gewerbegebäuden werden Druckstoßdämpfer üblicherweise in den jährlichen Wartungsplan aufgenommen; so lassen sich die regelmäßige Gasnachfüllung und die Dichtheitsprüfung gleichzeitig durchführen.

Ein Kompensator ist ein elastomeres oder metallisches Element, das in die Rohrleitung eingefügt wird und sowohl die thermische Ausdehnung als auch Schwingungen und Stoßwellen aufnimmt. Im Zusammenhang mit dem Wasserschlag besteht die Rolle des Kompensators darin, dem Ausbreitungsweg der Welle Elastizität hinzuzufügen und einen Teil der Stoßenergie durch die Verformung des Werkstoffs zu dämpfen. EPDM-Balgkompensatoren haben typischerweise eine Temperaturklasse von 100–110 °C und einen Nenndruck von 10–16 bar; metallische Kompensatoren aus Edelstahl kommen dagegen in Anwendungen mit höherer Temperatur und höherem Druck zum Einsatz.

Eine flexible Verbindung ist ein Element, das an Pumpen- und Armaturenausgängen die Übertragung von Schwingungen und Stößen über kurze Distanzen unterbricht. Sie nutzt dasselbe physikalische Prinzip wie der Kompensator, nimmt aber kleinere Bewegungen auf. Eine flexible Verbindung nahe dem Pumpenausgang dämpft den Mini-Stoß, der beim Anlauf und Stillstand der Pumpe entsteht, ohne ihn an die Rohrleitung weiterzugeben; zugleich unterbricht sie die Übertragung von Strukturschwingungen.

Bei der Auswahl des Kompensators werden zuerst vier Parameter festgelegt: Betriebstemperatur, Betriebsdruck, Rohranschlussdurchmesser und Betrag der axialen Bewegung. Der Kompensatortyp wird nach der erwarteten axialen und winkligen Bewegung der Leitung gewählt; ein EPDM-Gehäuse wird bis etwa 100 °C in Sanitärinstallationen und Heizkreisen eingesetzt, ein PTFE-beschichtetes Gehäuse in Leitungen, die chemische Beständigkeit erfordern. Die Einbauregel lautet: Das Rohr an beiden Enden des Kompensators muss an unabhängigen Punkten befestigt werden; andernfalls trägt das Element die axiale Last allein und seine Lebensdauer verkürzt sich.

Ein Druckminderer ist eine Armatur, die den stromaufwärts anliegenden, veränderlichen Netzdruck auf einen konstanten, niedrigeren Ausgangsdruck reduziert. Zur Vermeidung von Wasserschlag trägt er über zwei getrennte Mechanismen bei. Erstens verringert er den Eingangsdruck und damit die Strömungsenergie bei hoher Geschwindigkeit; in einer Leitung, die mit niedrigerem statischem Druck arbeitet, bleibt auch der Joukowsky-Druckstoß niedriger. Zweitens wirken Druckminderer guter Klasse dank der Pilotmembran als Puffer gegenüber plötzlichen Strömungsänderungen und verlangsamen den Durchgang der Stoßwelle in stromaufwärtiger Richtung.

Für Haus- und Wohnungsinstallationen empfiehlt TS EN 806-3, den Ausgangsdruck des Druckminderers am Netzanschluss auf 3,0 bar einzustellen. In der Istanbuler Infrastruktur, in der der Netzdruck 6–8 bar beträgt, arbeitet eine Wohnung ohne Druckminderer, wenn das Magnetventil schließt, sowohl mit einem Joukowsky-Stoß von 12 bar als auch mit einer statischen Höhe, die über dem Grunddruck von 6 bar liegt. Wird mit dem Druckminderer das statische Niveau auf 3 bar gesenkt, sinkt auch der Joukowsky-Stoß proportional; hinzu kommen Wassereinsparung und eine längere Lebensdauer der Armaturen. (Details: https://www.pomeka.com/basinc-dusuruculer)

Bei der Auswahl des Druckminderers ist der Kvs-Wert entscheidend: Der Kvs-Wert, der beim maximalen Volumenstrom den festgelegten Druckabfall sicherstellt, wird den Herstellerkennlinien entnommen. Ein zu kleiner Kvs-Wert führt bei Spitzenvolumenstrom zu übermäßigem Druckabfall und sogar zu einer Unterversorgung; ein zu großer Kvs-Wert führt zu schwingendem Betrieb und hohen Strömungsgeräuschen. Für die Dimensionierung sollte die Volumenstrom-Druck-Kennlinie vom Hersteller bezogen und die Leitungsauslegung danach vorgenommen werden. (Details: Wie wählt man einen Honeywell/Resideo Druckminderer aus?) Außerdem muss der Ausgangsdruck des Druckminderers so gewählt werden, dass er auch den statischen Druck am höchsten Punkt des Gebäudes deckt; dabei werden Rohrdurchmesser, Geschosshöhe und Spitzenvolumenstrom gemeinsam bewertet. (Details: Wie hoch sollte der Wasserdruck sein? Idealer Netzdruck in Wohnung, Mehrfamilienhaus und Gewerbe)

Die Diagnose eines Wasserschlags erfolgt, indem Zeitpunkt und Quelle des Geräuschs gemeinsam bewertet werden. Das typische Bild ist: Das Geräusch ist abrupt und besteht aus einem einzelnen Schlag oder Klacken, fällt zeitlich mit einer bestimmten Handlung zusammen und ist entlang der Rohrleitung spürbar. Jede der folgenden Situationen erzeugt einen Wasserschlag, und die Zuordnung von Symptom und Quelle beschleunigt die Diagnose.

• Das Füllventil der Waschmaschine schließt — Geräusch: einzelner, scharfer Schlag, der sich mit der Zeit wiederholt; Quelle: Schließstoß des Magnetventils
• Der WC-Spülkasten ist fertig gefüllt — Geräusch: Schlag am Ende der Füllung; Quelle: abruptes Schließen des Schwimmerventils
• Der Heizkreis der Kombitherme schaltet zu oder ab — Geräusch: Moment des Schließens des Motorventils; Quelle: schnell schließendes Motorventil
• Das Testventil der Feuerlöschinstallation schließt schnell — Geräusch: einzelner Stoß von hoher Intensität; Quelle: hohe Geschwindigkeit in einer Leitung mit großem Durchmesser und abruptes Schließen
• Das Bewässerungsventil schließt zeitgesteuert — Geräusch: Schlag zu einer bestimmten Nachtstunde; Quelle: Schließzeitpunkt des Magnetventils
• Die Pumpe stoppt oder startet abrupt — Geräusch: Anlauf- und Stillstandsstoß; Quelle: Start-Stopp-Schock der trägen Wassermasse
• Klacken in Kupferrohren in der Nacht — Geräusch: vereinzelte einzelne Klacken; Quelle: Zusammenwirken von Wärmeausdehnung und Stoß, Reibung an den Rohrschellen

Die Diagnosemethode ist folgende: Notieren Sie zunächst, mit welcher Handlung das Geräusch zeitlich zusammenfällt. Wiederholen Sie dann diese Handlung bewusst und beobachten Sie, ob das Geräusch erneut auftritt. Sobald der Zusammenhang hergestellt ist, konzentrieren Sie die Suche nach der Quelle auf diese Armatur bzw. diese Stelle. Lässt sich die Quelle nicht finden, führen Sie eine Druckmessung durch: Zeigt ein Manometer nahe der Strömungsleitung im Moment des Stoßes kurzzeitig einen hohen Wert, ist der Wasserschlag bestätigt. (Details: Was ist ein Druckschalter? Wie stellt man Danfoss KP35 und KP36 ein?)

Ein langsam schließendes Ventil ist die direkteste und dauerhafteste Lösung, damit kein Joukowsky-Stoß entsteht. Die entscheidende Regel lautet, dass die Schließzeit über dem nach der Rohrlänge berechneten Wert T kritisch liegen muss: T kritisch gleich 2L geteilt durch a. Für eine 30 Meter lange Stahlrohrleitung ergibt sich T kritisch gleich 2 mal 30 geteilt durch 1200 gleich 0,05 Sekunden, also 50 ms. Für diese Leitung genügt ein Ventil mit einer Schließzeit von 100 ms und mehr; Ventile mit 200–500 ms gelten als vollständig sicher.

Motorventile erfüllen diese Anforderung von Natur aus: Bei den meisten Kugelhähnen oder Absperrklappen mit Motorantrieb ist die Schließzeit zwischen 15 und 120 Sekunden einstellbar. Das druckunabhängige Abgleich- und Regelventil Danfoss AB-QM hält die Strömung kontinuierlich ausgeglichen und verringert dadurch auch den Geschwindigkeitsunterschied im Moment eines abrupten Schließens. Wird anstelle des schnellen Schließens ein langsames Schließen gewählt, verlängert sich zugleich die Lebensdauer der Thermostatventildichtungen und des Stellantriebsmechanismus. (Details: Motorventil-Ratgeber)

Bei Magnetventilen lässt sich die Schließzeit nicht direkt verändern; hier besteht die Lösung darin, das Magnetventil als Pilotventil einzusetzen und den eigentlichen Volumenstrom über eine langsam schließende Motorklappe zu führen. Alternativ können Magnetventile des durchströmten Typs gewählt werden, die langsam schließen; bei ihnen gibt es einen Dämpfungskanal, der die Kolbenbewegung begrenzt. In Gewerbegebäuden und bei Anwendungen mit hoher Zyklusfrequenz sollte dieser Typ bevorzugt werden. (Details: Was sind 0–10 V, 2–10 V und Ein/Aus-Regelung? Grundlagen zu Ventilstellantrieben)

Die Zahlenziele der Wasserschlagvermeidung lassen sich in drei Punkten zusammenfassen. Erstens der statische Leitungsdruck: 2,5–3,0 bar in der Sanitärinstallation, 1,0–1,5 bar im Heizkreis. Zweitens die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr: in der Sanitärinstallation maximal 2,0 m/s (vorzugsweise unter 1,5 m/s), in Heizkreisen 0,5–1,0 m/s. Drittens die Obergrenze des Druckstoßes: 50 Prozent des Rohrnenndrucks, d. h. bei einer Leitung PN 10 maximal 5 bar Stoßreserve.

• Statischer Netzdruck — Ziel: 2,5–3,0 bar; bei Überschreitung: mit Druckminderer begrenzen; bei Unterschreitung: mit Druckerhöhungsanlage oder Pumpe anheben
• Strömungsgeschwindigkeit im Rohr — Ziel: 0,5–1,5 m/s; bei Überschreitung: ein DN größeres Rohr oder Volumenstrom verringern; bei Unterschreitung: Untergrenze 0,3 m/s, darunter sammelt sich Luft
• Schließzeit des Magnetventils — Ziel: über T kritisch; bei zu kurzer Zeit: Druckstoßdämpfer ergänzen oder Magnetventil mit langsamer Schließung wählen
• Betriebsdruck des Kompensators — Ziel: das 1,25-Fache des Betriebsdrucks der Leitung; Temperatur: EPDM Grenze 110 °C, metallisch Grenze 200 °C
• Klasse des Druckstoßdämpfers — Ziel: der Leitung entsprechende Standardklasse nach ASSE 1010; Prüfung: jährliche Gasdruckprüfung
• Ausgangsdruck des Druckminderers — Ziel: 3,0 bar in der Sanitärinstallation; Kvs-Prüfung: durch Berechnung des Druckabfalls bei Spitzenvolumenstrom verifizieren

Alle diese Zahlenziele lassen sich durch Messung verifizieren. Der statische Druck wird mit dem Manometer, die Strömungsgeschwindigkeit mit einem Durchflussmesser oder per Bernoulli-Berechnung, die Schließzeit mit einer Stoppuhr oder durch Überwachung des elektrischen Signals bestimmt. Wer ohne Messung nach Gefühl eingreift, verursacht unnötige Kosten und verdeckt die eigentliche Quelle. (Details: Wie wählt man ein Manometer aus? Unterschiede zwischen 0–6, 0–10 und 0–16 bar)

Wichtig ist, die Lösungen gegen Wasserschlag in der richtigen Reihenfolge anzuwenden: Die günstigste und am breitesten wirksame Maßnahme kommt zuerst, Speziallösungen werden danach ergänzt. Die folgende Liste bewertet jede Methode nach Umsetzungsgeschwindigkeit, Wirkungsbereich und Kostenposition.

• Strömungsgeschwindigkeit verringern (DN vergrößern oder Volumenstrom begrenzen) — Wirkungsbereich: gesamte Leitung; Kosten: Rohrtausch; Wirkung: Joukowsky-Stoß sinkt proportional; Dauerhaftigkeit: dauerhaft
• Schließzeit des Ventils verlängern — Wirkungsbereich: Quellstelle; Kosten: Armaturenaustausch; Wirkung: es entsteht kein Stoß; Dauerhaftigkeit: dauerhaft
• Druckstoßdämpfer (Water Hammer Arrestor) — Wirkungsbereich: Quellstelle; Kosten: niedrig; Wirkung: Absorption der Stoßenergie; Dauerhaftigkeit: jährliche Kontrolle erforderlich
• Kompensator — Wirkungsbereich: Quelle und Leitung; Kosten: mittel; Wirkung: Wellendämpfung und Schwingungsunterbrechung; Dauerhaftigkeit: 10–20 Jahre
• Druckminderer — Wirkungsbereich: gesamte nachgeschaltete Leitung; Kosten: mittel; Wirkung: statischer Druck und Obergrenze des Stoßes sinken; Dauerhaftigkeit: dauerhaft, jährliche Wartung
• Windkessel oder Ausdehnungsgefäß — Wirkungsbereich: Quellstelle; Kosten: niedrig; Wirkung: Volumen wirkt als Puffer; Dauerhaftigkeit: jährliche Gasdruckprüfung
• Pumpen-Sanftanlauf oder Frequenzumrichter — Wirkungsbereich: Pumpenseite; Kosten: hoch; Wirkung: Anlauf- und Stillstandsstoß werden eliminiert; Dauerhaftigkeit: dauerhaft

Bei Wohngebäuden werden die meisten Fälle in zwei Schritten gelöst: Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit und bei Bedarf eine Nennweite größer, anschließend ein Druckstoßdämpfer vor dem Magnetventil. In Gewerbe- und Industriegebäuden werden zusätzlich Kompensator und Druckminderer gemeinsam eingesetzt. Da es in Feuerlöschinstallationen um Leitungen mit großem Durchmesser und hohem Volumenstrom geht, werden Pumpen-Sanftanlauf und Motorregelung ebenfalls als Standardausstattung verlangt. (Details: Wie funktioniert ein Feuerlöschpumpensystem? Was sind Hauptpumpe, Reservepumpe und Jockeypumpe?)

In der Leitungsplanung lässt sich das Wasserschlagrisiko durch die an der Zielgeschwindigkeit ausgerichtete Wahl des Rohrdurchmessers weitgehend beseitigen. Das Prinzip ist einfach: In der Beziehung Q gleich A mal v wird bei konstantem Q die Fläche A aus der Zielgeschwindigkeit berechnet und daraus die DN gewählt. Dieser Ansatz bietet sowohl für Geräusche als auch für die Vermeidung von Wasserschlag in einem einzigen Schritt eine grundlegende Lösung. (Details: Wie berechnet man den Durchmesser von Installationsrohren? Ratgeber zu DN15, DN20, DN25, DN32 und DN50)

Beispiel: Wird in einer Trinkwasserleitung mit einem Volumenstrom von 3,0 m³/h eine Geschwindigkeit von 1,0 m/s angestrebt, beträgt die erforderliche Fläche A gleich Q geteilt durch v gleich 0,000833 geteilt durch 1,0 gleich 0,000833 m². Daraus ergibt sich der Innendurchmesser d gleich 2 mal Wurzel aus (0,000833 geteilt durch Pi) gleich 0,0326 m, also ca. 33 mm. Die Wahl eines Rohrs DN 32 oder DN 40 bringt die Geschwindigkeit bei diesem Volumenstrom in den Bereich von 0,5–1,0 m/s. Mit dem vorhandenen Rohr DN 20 steigt die Geschwindigkeit bei diesem Volumenstrom auf 2,95 m/s und wird sowohl zur Geräusch- als auch zur Stoßquelle.

Auch die Rohrlänge muss berücksichtigt werden. Lange, gerade Leitungen lassen die Stoßwelle eine große Strecke zurücklegen, ohne dass sie abklingt; in kurzen Leitungen endet dieselbe Stoßwirkung schneller. Deshalb ist es bei langen Leitungen gute Ingenieurpraxis, einen Kompensator in der Leitungsmitte oder einen Druckstoßdämpfer zu ergänzen. Jeder Bogen, jedes T-Stück und jedes Ventil in der Leitung dämpft die Welle ebenfalls teilweise; deshalb haben L-förmige oder vielfach umgelenkte Leitungen gegenüber geraden Leitungen einen natürlichen Vorteil.

Ein Ausdehnungsgefäß ist zwar dafür ausgelegt, die thermische Ausdehnung in geschlossenen Heizkreisen aufzunehmen, dämpft aber dank des Puffereffekts seiner inneren Luft auch kleine Stöße. Diese Zusatzfunktion ist ein Nebeneffekt, und die Hauptaufgabe, die Druckstabilität zu gewährleisten, hat Vorrang. Speziell für die Stoßdämpfung ausgelegte Windkessel (Surge Vessel) oder offene Ausdehnungsgefäße zielen dagegen auf größere Stöße und wirken insbesondere beim Anlauf und Stillstand der Pumpe.

Das Funktionsprinzip des Windkessels ist folgendes: Trifft der Druckstoß ein, wird die Luft komprimiert und nimmt die Energie auf; sinkt der Druck, dehnt sich die Luft aus und stützt die Wassersäule. Der Innenluftdruck muss so eingestellt werden, dass er dem kalten statischen Druck des Systems entspricht; zu hoher Druck verringert die Aufnahmekapazität, zu niedriger Druck erlaubt es dem Wasser, die gesamte Luft zu komprimieren, und die Pufferfunktion geht verloren. Deshalb erfordert der Windkessel eine jährliche Prüfung. (Details: Berechnung des Ausdehnungsgefäßes)

Der Schmutzfänger als eine der Komponenten der Rohrleitung verengt, wenn sich das Filterelement mit der Zeit füllt, den freien Querschnitt und erhöht die lokale Strömungsgeschwindigkeit. Das erzeugt zwei getrennte Probleme: Erstens wächst die Druckdifferenz vor und hinter dem verstopften Filter und kann statt der üblichen 0,2–0,5 bar bis auf 1,5–2,0 bar ansteigen; zweitens vergrößert der abrupte Geschwindigkeitsanstieg nach dem verengten Querschnitt den Druckstoß, wenn eine Armatur schließt. Die regelmäßige Reinigung des Schmutzfängers ist deshalb nicht nur Pumpenschutz, sondern auch Teil des Stoßmanagements. (Details: Was ist ein Schmutzfänger? Wo und warum wird ein Y-Schmutzfänger eingesetzt?)

Um den lokalen Geschwindigkeitsanstieg bei verstopftem Filter zu berechnen, wird die Kontinuitätsgleichung verwendet: Q gleich A1 mal v1 gleich A2 mal v2. Verengt das Filterelement die Querschnittsfläche um 50 Prozent, verdoppelt sich die Geschwindigkeit bei gleichem Volumenstrom. Eine Leitung mit einer Auslegungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s erreicht beim Durchströmen des verstopften Filters 1,6 m/s; bei dieser Geschwindigkeit ist der Druckstoß, den das Schließen eines Magnetventils erzeugt, doppelt so hoch wie der Nennwert. Über die Differenzdruckanzeige oder den Sondenanschluss des Schmutzfängers lässt sich die Verstopfung frühzeitig erkennen.

Bei der Pumpenauswahl wird das Wasserschlagrisiko über zwei Parameter kontrolliert: Strömungsgeschwindigkeit beim Anlauf und Auslaufzeit der Pumpe. Da Pumpen mit Frequenzumrichter die Drehzahl mit einer linearen Rampe von 0 auf die Betriebsdrehzahl erhöhen, verteilt sich die Geschwindigkeitsänderung beim Anlauf über die Zeit; Delta v bleibt klein und der Druckstoß ist vernachlässigbar. Drehzahlkonstante Pumpen, die direkt eingeschaltet werden, erreichen dagegen die volle Drehzahl in 0,3–0,8 Sekunden; bei Leitungen mit großem Durchmesser erzeugt das einen beachtlichen Anlaufstoß. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Beim Stillstand der Pumpe kann dagegen eine riskantere Situation als beim Anlauf auftreten. Wenn die Pumpe stoppt, versucht die Wassermasse in der Rohrleitung aufgrund ihrer Trägheit weiterzuströmen; sie fließt in Richtung Pumpe zurück und bildet einen Niederdruckbereich. Das Rückschlagventil schließt, um diesen Rückfluss zu unterbinden, und erzeugt im Moment des Schließens einen Wasserschlageffekt. Dieser Effekt ist besonders bei langen und steilen Leitungen ausgeprägt: In einer vertikalen Rohrsäule von 20 m kann der nach dem Stillstand mögliche Druckstoß Werte von 10–15 bar erreichen. Bei Feuerlöschpumpensystemen ist die Berechnung dieses Risikos im Rahmen von NFPA 20 zwingend. (Details: Was ist eine Jockeypumpe? Warum wird sie in der Feuerlöschpumpenanlage eingesetzt?)

In großen und Hochdrucksystemen ist die Wasserschlaganalyse mit Simulationssoftware ingenieurtechnischer Standard. Das mit der MOC-Methode (Method of Characteristics) gelöste instationäre Strömungsmodell liefert die zeitliche Verteilung der Druckwelle entlang der Leitung. Diese Analyse bestimmt unmittelbar die Wahl von Rohrwerkstoff und -wandstärke, Position und Anzahl der energiedämpfenden Elemente sowie die Rampenparameter der Pumpenregelung. Bei mittleren und großen Projekten kommt es durch Schadensbehebung und Produktionsausfall in der Betriebsphase wesentlich teurer, diesen Schritt auszulassen.

Die günstigste und wirksamste Phase der Wasserschlagvermeidung ist die Projektplanung; nachträglich ergänzte Lösungen sind immer kostspieliger. In der Planungsphase bestimmen vier Grundentscheidungen das Wasserschlagrisiko. Erstens der Rohrdurchmesser: Ein ohne Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit gewähltes Rohr mit kleinem Durchmesser erhöht sowohl die Obergrenze des Druckstoßes als auch den Schallpegel. Zweitens Ventiltyp und Schließgeschwindigkeit: Statt schnell schließender Magnetventile sollten von Anfang an langsam schließende oder Pilotsysteme eingeplant werden. Drittens die Anlaufmethode der Pumpe: Ist ein Frequenzumrichter Teil der Planung, wird der Anlaufstoß weitgehend vermieden. Viertens die Position des Druckminderers: Für ein System, das mehrere Geschosse oder eine lange Leitung versorgt, steuert eine Druckzonierung den Leitungsdruck und damit die Obergrenze des Druckstoßes.

Auch wenn bei bestehenden Installationen die Planungsphase vorbei ist, bleibt das systematische Vorgehen dasselbe: erst messen, dann die Quelle ermitteln, anschließend mit der Lösung beginnen, die den geringsten Aufwand erfordert. In einem Gebäude mit Wasserschlag-Geräuschbeschwerden besteht der erste Schritt darin, zu lokalisieren, an welcher Armatur und in welcher Rohrleitung das Geräusch entsteht. Liegt ein Rohrleitungsplan vor, schärft das Markieren der Stoßquellen auf dem Plan die Prioritäten der Maßnahmen. Für die Dimensionierung der Installation und die Berechnung des Rohrdurchmessers können Sie auch unseren ausführlichen Ratgeber heranziehen. (Details: Wie berechnet man den Durchmesser von Installationsrohren? Ratgeber zu DN15, DN20, DN25, DN32 und DN50) Außerdem beeinflussen Gebäudealter und vorhandener Rohrwerkstoff die Wahl der Maßnahme: Bei verzinkten Stahlinstallationen, die älter als 30 Jahre sind, rücken durch Korrosion geschwächte Rohrwände neben dem Wasserschlagmanagement auch die Sanierungsplanung auf die Tagesordnung.

Auch die Wahl zwischen Axial- und Lateralkompensator gehört zur Planungsphase. Der Axialkompensator nimmt nur die Bewegung in der Rohrachse auf; der laterale Typ absorbiert auch seitliche Bewegungen. In Anwendungen mit Wasserschlag genügt meist der axiale Typ, da sich die Stoßwelle in der Rohrachse ausbreitet. Weil jedoch am Pumpenausgang beide Richtungen kombinierte Bewegungen erzeugen können, wird an diesen Stellen ein Universalkompensator bevorzugt. Bei der Werkstoffwahl ist die Temperatur maßgeblich: Unter 110 °C wird EPDM, bis 200 °C ein metallischer Wellbalg aus Edelstahl, für höhere Temperaturen werden Sonderlegierungen verwendet. Auch die Einbaulänge ist wichtig: Eine zu kurze Montage überschreitet die axiale Kapazität des Elements und halbiert seine Lebensdauer; der im Herstellerhandbuch angegebene Mindestwert der freien Länge muss unbedingt eingehalten werden. Zu Installationsausrüstung können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)