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Technische Ratgeber

Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung

Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? Die Beziehungen Q gleich V geteilt durch t und Q gleich A mal v, die Umrechnung zwischen m³/h und l/min sowie Beispiele aus Wohngebäuden, Heizung, Bewässerung und Brandschutz.

PMIngenieurteam von Pomeka Mekanik26. August 202630 min Lesezeit
Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung

Der Pumpenvolumenstrom ist das pro Zeiteinheit geförderte Wasservolumen und lässt sich auf zwei Wegen berechnen: indem man ein bekanntes Volumen durch die Füllzeit teilt, also Q gleich V geteilt durch t, oder indem man die Rohrinnenquerschnittsfläche mit der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert, also Q gleich A mal v. Das Ergebnis wird in m³/h, l/min oder l/s angegeben; es gilt 1 m³/h gleich 16,67 l/min gleich 0,278 l/s.

Der Volumenstrom ist die erste und entscheidendste Eingangsgröße der Pumpenauswahl. Förderhöhe, Motorleistung, Rohrdurchmesser, Ausdehnungsvolumen und jährlicher Energieverbrauch werden alle aus dem Volumenstrom abgeleitet. Dennoch besteht die in der Praxis häufigste Vorgehensweise darin, den Volumenstrom zu schätzen, statt ihn zu berechnen. Ein falsch geschätzter Volumenstrom kommt zurück als eine doppelt so große Pumpe wie nötig, als unnötiger Stromverbrauch, als Geräuschentwicklung und als kurze Lebensdauer der Bauteile. Dieser Ratgeber gliedert die Volumenstromberechnung nach Anwendungstyp, nennt für jeden Typ die Formel und ein Zahlenbeispiel und zeigt anschließend den Weg zur Überprüfung durch Messung.

In diesem Ratgeber finden Sie:

Was Sie in diesem Ratgeber erwartet

  • Volumenstromeinheiten und die exakten Umrechnungsfaktoren zwischen ihnen, die Antwort auf die Frage, wie viel l/min 1 m³/h sind
  • Die schrittweise Anwendung der Beziehungen Q gleich V geteilt durch t und Q gleich A mal v
  • Volumenstromberechnung nach Rohrdurchmesser: Förderkapazität von DN25, DN32, DN40 und DN50 bei den Geschwindigkeitsgrenzen 1,0 und 2,0 m/s
  • Bestimmung des Pumpenvolumenstroms für Wohngebäude und Mehrfamilienhäuser: Gleichzeitigkeitsbeziehung nach DIN 1988-300 und Belastungseinheiten der Armaturen
  • Volumenstromberechnung für Heizkreise: Anwendung der Beziehung Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T bei Heizkörpern und Fußbodenheizung
  • Jeweils einzeln durchgerechnete Volumenstrombeispiele für Bewässerung, Brandschutz und Brunnentauchpumpen
  • Volumenstrommessung mit der Eimermethode und Genauigkeitsvergleich der Messmethoden
  • Der Unterschied zwischen Pumpenvolumenstrom und Druck, der Schnittpunkt von Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie und das Ablesen des Betriebspunkts

01Was ist der Pumpenvolumenstrom und warum wird er in m³/h angegeben?

Der Pumpenvolumenstrom ist das Volumen des Fördermediums, das die Pumpe pro Zeiteinheit fördert, und wird mit dem Symbol Q bezeichnet. In der Gebäudetechnik ist die Standardeinheit m³/h, also Kubikmeter pro Stunde. Der Grund für diese Wahl ist die Größenordnung: Eine Druckerhöhungsanlage für ein Wohngebäude arbeitet im Bereich 1–6 m³/h, eine Anlage für ein Mehrfamilienhaus im Bereich 5–25 m³/h, eine Feuerlöschpumpe im Bereich 30–180 m³/h. Dieselben Werte in l/s angegeben ergäben zu viele Nachkommastellen, in l/min dagegen vierstellige Zahlen.

Es gibt zwei verschiedene Volumenstrombegriffe, die nicht verwechselt werden dürfen. Der Volumenstrom ist das pro Zeiteinheit durchströmende Volumen und wird in m³/h gemessen. Der Massenstrom ist dagegen die pro Zeiteinheit durchströmende Masse, wird in kg/h gemessen und ist gleich dem Volumenstrom multipliziert mit der Dichte. Die Dichte von Wasser beträgt bei 20 °C 998 kg/m³, bei 80 °C ca. 972 kg/m³. Bei Heizungsberechnungen liegt dieser Unterschied in der Größenordnung von 3 Prozent und wird im Wohnungsbau vernachlässigt; bei Heißwasser- und Dampfsystemen wird er nicht vernachlässigt.

Im Katalog finden Sie drei verschiedene Volumenstromwerte. Der Nennvolumenstrom ist der auf dem Typenschild der Pumpe angegebene und in der Baureihenbezeichnung verwendete Referenzwert. Der maximale Volumenstrom ist der Endpunkt, an dem sich die Förderhöhe null nähert, und wird in der Praxis nicht genutzt. Der Volumenstrom im Punkt des besten Wirkungsgrads, also im BEP, ist der Volumenstrom, bei dem der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe seinen Höchstwert erreicht. Die richtige Auswahl liegt vor, wenn der berechnete Betriebsvolumenstrom in den Bereich von 70 bis 110 Prozent des BEP-Werts fällt.

Das Verlassen dieses Bereichs führt zu zwei verschiedenen Störungsarten. Bei einer Kreiselpumpe, die dauerhaft unter 50 Prozent des BEP läuft, bilden sich am Laufradeintritt Rückströmwirbel, die radiale Belastung steigt, und die Lebensdauer von Wellendichtung und Lager verkürzt sich. Bei einer Pumpe, die über 120 Prozent des BEP arbeitet, nimmt dagegen der Druckabfall auf der Saugseite zu, und man nähert sich der Kavitationsgrenze. Zur Funktionsweise der Kreiselpumpe und zum Verhalten des Laufrads lesen Sie unseren eigenen Ratgeber. (Details: Was ist eine Kreiselpumpe? Funktionsprinzip und Einsatzbereiche)

Die richtige Berechnung des Volumenstroms ist zugleich eine Frage der Kosten. Eine um 50 Prozent größer als nötig gewählte Pumpe arbeitet bei gleicher Aufgabe hinter einem Drosselventil; die überschüssig aufgewendete Energie wird in Wärme umgewandelt und ist nutzlos. Zu Pumpensortiment und Unterstützung bei der Dimensionierung können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Pumpensysteme)

02Wie rechnet man zwischen den Volumenstromeinheiten um?

Die Umrechnung zwischen den Volumenstromeinheiten beruht auf einer einzigen Kette: 1 m³ gleich 1000 l und 1 Stunde gleich 60 Minuten gleich 3600 Sekunden. Daraus ergibt sich 1 m³/h gleich 1000 geteilt durch 60 gleich 16,67 l/min, ebenso 1 m³/h gleich 1000 geteilt durch 3600 gleich 0,278 l/s. In Gegenrichtung gilt 1 l/s gleich 3,6 m³/h, und dieser Faktor ist in der Praxis die am häufigsten verwendete Umrechnung.

Die folgende Liste fasst alle in der Installationspraxis benötigten Umrechnungen an einer Stelle zusammen. Jeder Punkt nennt den Umrechnungsfaktor von einer Einheit in die andere.

  • Von m³/h in l/min – Wert mit 16,67 multiplizieren; Beispiel: 4,5 m³/h gleich 75 l/min
  • Von m³/h in l/s – Wert mit 0,278 multiplizieren oder durch 3,6 teilen; Beispiel: 18 m³/h gleich 5,0 l/s
  • Von l/min in m³/h – Wert durch 16,67 teilen oder mit 0,06 multiplizieren; Beispiel: 25 l/min gleich 1,5 m³/h
  • Von l/s in m³/h – Wert mit 3,6 multiplizieren; Beispiel: 2,5 l/s gleich 9,0 m³/h
  • Von l/min in l/s – Wert durch 60 teilen; Beispiel: 90 l/min gleich 1,5 l/s
  • Von m³/h in m³/s – Wert durch 3600 teilen; Beispiel: 7,2 m³/h gleich 0,002 m³/s
  • Von m³/h in Gallonen pro Minute – Wert mit 4,403 multiplizieren; Beispiel: 10 m³/h gleich 44,0 gpm
  • Von m³/h in kg/h – Für Kaltwasser den Wert mit 1000 multiplizieren; Beispiel: 3 m³/h gleich ca. 3000 kg/h

Das erste durchgerechnete Beispiel stammt vom Typenschild einer Tauchpumpe. Auf dem Typenschild steht ein maximaler Volumenstrom von 60 l/min, und Sie möchten ihn mit dem m³/h-Wert aus dem Katalog einer Druckerhöhungsanlage vergleichen. Die Rechnung lautet: Q gleich 60 geteilt durch 16,67 gleich 3,6 m³/h. Wenn Sie denselben Wert in l/s angeben möchten, ergibt sich 60 geteilt durch 60 gleich 1,0 l/s. Alle drei Einheiten beschreiben dieselbe physikalische Strömung; nur der Maßstab ändert sich.

Das zweite durchgerechnete Beispiel verläuft in Gegenrichtung. In einem Heizungsprojekt wurde ein Kreisvolumenstrom von 6,88 m³/h berechnet, und der Durchflussmesser vor Ort zeigt l/min an. Die Entsprechung ist 6,88 mal 16,67 gleich 114,7 l/min. Lesen Sie am Durchflussmesser 95 l/min ab, beträgt der tatsächliche Volumenstrom 95 geteilt durch 16,67 gleich 5,70 m³/h, und Sie liegen ca. 17 Prozent unter dem Sollwert. Diese Abweichung zeigt sich darin, dass entfernte Heizkreise nicht warm werden.

Es gibt keinen Faktor, der bar in m³/h umrechnet, und das ist eine der am häufigsten falsch gestellten Fragen. Bar ist eine Druckeinheit, m³/h eine Volumenstromeinheit; beides sind getrennte physikalische Größen. Der Zusammenhang zwischen ihnen lässt sich nur für eine bestimmte Anlage über die Anlagenkennlinie herstellen. Zu Förderhöhe und dem Begriff mWS lesen Sie unseren entsprechenden Ratgeber. (Details: Was ist mWS bei Pumpen? Wie viel bar sind 10 mWS?)

03Wie berechnet man den Volumenstrom mit Q gleich V geteilt durch t?

Die grundlegendste Definition des Volumenstroms lautet Q gleich V geteilt durch t: durchgeströmtes Volumen geteilt durch verstrichene Zeit. Diese Beziehung enthält keinerlei Annahmen, sie ist die reine Definition und liefert bei korrekter Messung immer ein richtiges Ergebnis. Deshalb ist dieselbe Formel die Grundlage sowohl der Messung vor Ort als auch der Laborkalibrierung. Die einzige Bedingung der Formel ist, dass Volumen und Zeit innerhalb desselben Strömungszustands gemessen werden.

Das dritte durchgerechnete Beispiel ist das Füllen eines Behälters. Ein Wasserbehälter mit 5 m³ Volumen füllt sich bei laufender Pumpe in 1 Stunde 15 Minuten. Wir rechnen die Zeit in Stunden um: 1 Stunde 15 Minuten gleich 1,25 Stunden. Rechnung: Q gleich 5 geteilt durch 1,25 gleich 4,0 m³/h. In l/min ergibt das 4,0 mal 16,67 gleich 66,7 l/min. Gibt es am Behälter keinen anderen gleichzeitigen Verbrauch, ist dieser Wert der tatsächliche Volumenstrom der Pumpe in diesem Betriebspunkt.

Dieselbe Methode lässt sich auch über die Füllstandsänderung anwenden, und man muss nicht abwarten, bis der Behälter vollständig gefüllt ist. Ist in einem Behälter mit einer Grundfläche von 2,0 m mal 1,5 m gleich 3,0 m² der Wasserstand in 12 Minuten um 40 cm gestiegen, beträgt das gefüllte Volumen 3,0 mal 0,40 gleich 1,2 m³. Die Zeit beträgt 12 geteilt durch 60 gleich 0,2 Stunden. Ergebnis: Q gleich 1,2 geteilt durch 0,2 gleich 6,0 m³/h. Diese Methode ist in der Praxis die pragmatischste Antwort auf die Frage, wie man den Volumenstrom einer Tauchpumpe berechnet.

04Wie ermittelt man den Volumenstrom aus dem Rohrquerschnitt mit Q gleich A mal v?

Die zweite grundlegende Beziehung ist Q gleich A mal v: Der Volumenstrom ist die Rohrinnenquerschnittsfläche mal die mittlere Strömungsgeschwindigkeit. Dabei wird A in Quadratmetern, v in Metern pro Sekunde und Q in Kubikmetern pro Sekunde angegeben. Möchten Sie m³/h, multiplizieren Sie das Ergebnis mit 3600. Diese Beziehung ermöglicht eine Abschätzung des Volumenstroms, ohne die Strömung zu unterbrechen und ohne etwas zu befüllen; im Gegenzug verlangt sie, dass die Strömungsgeschwindigkeit bekannt ist oder angenommen wird.

Die Berechnung der Querschnittsfläche erfolgt mit der Formel A gleich Pi mal d zum Quadrat geteilt durch 4, wobei d nicht der Außen-, sondern der Innendurchmesser ist. Dieser Unterschied wird am häufigsten übersehen. Bei einem Stahlrohr DN 25 beträgt der Außendurchmesser 33,7 mm, der Innendurchmesser dagegen ca. 27,3 mm; die Fläche mit dem Außendurchmesser zu berechnen zeigt den Volumenstrom um 52 Prozent zu hoch an. Bei PP-R- und PEX-Rohren ist der Unterschied noch größer, weil sich die Wandstärke mit dem Nenndruck ändert und es bei gleicher Nennweite unterschiedliche Innendurchmesser gibt.

Das vierte durchgerechnete Beispiel betrifft ein Stahlrohr DN 32. Der Innendurchmesser beträgt ca. 36,0 mm, also 0,036 m. Fläche: A gleich 3,1416 mal 0,036 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 3,1416 mal 0,001296 geteilt durch 4 gleich 0,001018 m². Wird eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 m/s angenommen, ergibt sich der Volumenstrom: Q gleich 0,001018 mal 1,5 gleich 0,001527 m³/s. Zur Umrechnung in Stunden multiplizieren wir mit 3600: 0,001527 mal 3600 gleich 5,50 m³/h.

Wird in demselben Rohr die Geschwindigkeit auf 1,0 m/s gesenkt, ergibt sich ein Volumenstrom von 3,66 m³/h, bei 2,0 m/s erreicht er 7,33 m³/h. Volumenstrom und Geschwindigkeit stehen in linearem Zusammenhang; eine Verdopplung der Geschwindigkeit verdoppelt den Volumenstrom. Der Reibungsverlust wächst jedoch mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, d. h. eine Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht den Druckverlust ungefähr. Deshalb ist die Geschwindigkeit bei der Volumenstromberechnung nach Rohrdurchmesser keine freie Variable, sondern ein begrenzter Bereich.

Die für sauberes Wasser angenommenen Geschwindigkeitsbereiche hängen von der Anwendung ab. In Trinkwasser- und Druckerhöhungs-Steigleitungen sind 1,0–2,0 m/s, in Saugleitungen 0,7–1,2 m/s, in geschlossenen Heizleitungen 0,5–1,0 m/s und in Feuerlösch-Hauptleitungen 3,0–6,0 m/s typische Bereiche. Der Grund für niedrige Geschwindigkeiten auf der Saugseite ist das Kavitationsrisiko; jeder zusätzliche Reibungsverlust in der Saugleitung senkt den NPSHa-Wert unmittelbar. (Details: Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört)

05Volumenstromberechnung nach Rohrdurchmesser: Grenzen von DN25, DN32, DN40 und DN50

Der Volumenstrom, den ein Rohr führen kann, ist das Produkt aus Innenquerschnittsfläche und der angenommenen Geschwindigkeitsgrenze. Die folgende Liste gibt für gängige Nennweiten von Stahlrohren den zugehörigen Volumenstrom bei drei verschiedenen Geschwindigkeiten an. Die Werte sind nach den Innendurchmessern üblicher Stahlrohre berechnet und gelten für sauberes Wasser; bei Schmutzwasser, Glykolmischungen oder PP-R-Rohren ist wegen der abweichenden Innendurchmesser und Viskosität eine Neuberechnung erforderlich.

  • Rohr DN 20 – Innendurchmesser ca. 21,7 mm, Fläche 0,00037 m²; bei 1,0 m/s 1,33 m³/h, bei 1,5 m/s 2,00 m³/h, bei 2,0 m/s 2,66 m³/h
  • Rohr DN 25 – Innendurchmesser ca. 27,3 mm, Fläche 0,000585 m²; bei 1,0 m/s 2,11 m³/h, bei 1,5 m/s 3,16 m³/h, bei 2,0 m/s 4,21 m³/h
  • Rohr DN 32 – Innendurchmesser ca. 36,0 mm, Fläche 0,001018 m²; bei 1,0 m/s 3,66 m³/h, bei 1,5 m/s 5,50 m³/h, bei 2,0 m/s 7,33 m³/h
  • Rohr DN 40 – Innendurchmesser ca. 41,9 mm, Fläche 0,001379 m²; bei 1,0 m/s 4,96 m³/h, bei 1,5 m/s 7,45 m³/h, bei 2,0 m/s 9,93 m³/h
  • Rohr DN 50 – Innendurchmesser ca. 53,1 mm, Fläche 0,002214 m²; bei 1,0 m/s 7,97 m³/h, bei 1,5 m/s 11,96 m³/h, bei 2,0 m/s 15,94 m³/h
  • Rohr DN 65 – Innendurchmesser ca. 68,9 mm, Fläche 0,003728 m²; bei 1,0 m/s 13,4 m³/h, bei 1,5 m/s 20,1 m³/h, bei 2,0 m/s 26,8 m³/h
  • Rohr DN 80 – Innendurchmesser ca. 80,9 mm, Fläche 0,005140 m²; bei 1,0 m/s 18,5 m³/h, bei 1,5 m/s 27,8 m³/h, bei 2,0 m/s 37,0 m³/h
  • Rohr DN 100 – Innendurchmesser ca. 105,3 mm, Fläche 0,008708 m²; bei 1,0 m/s 31,3 m³/h, bei 1,5 m/s 47,0 m³/h, bei 2,0 m/s 62,7 m³/h

Diese Liste wird in zwei Richtungen gelesen. Die erste Richtung ist die Durchmesserwahl: Sie suchen den berechneten Volumenstrom in der Liste und wählen den kleinsten Durchmesser, der im Bereich 1,0–2,0 m/s bleibt. Für eine Steigleitung, die 6,0 m³/h führen soll, ist DN 40 geeignet, denn die Geschwindigkeit ergibt sich zu 6,0 geteilt durch 4,96 mal 1,0 gleich ca. 1,21 m/s. Denselben Volumenstrom mit DN 32 zu führen erhöht die Geschwindigkeit auf 1,64 m/s; das ist akzeptabel, nähert sich aber der Geräuschgrenze.

Bei Schmutzwasser- und Klärgrubenanwendungen ist die Untergrenze des Geschwindigkeitsbereichs zusätzlich kritisch. In feststoffführenden Leitungen setzen sich die Feststoffe ab, wenn die Geschwindigkeit unter 0,7 m/s fällt, und das Rohr verstopft mit der Zeit. Deshalb ist es bei Klärgrubenleitungen nicht immer eine gute Idee, den Durchmesser zu vergrößern; um die Transportgeschwindigkeit zu halten, wird der Durchmesser bewusst klein gehalten. Zu Installations- und Verrohrungselementen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

06Wie bestimmt man den Pumpenvolumenstrom für Wohngebäude und Mehrfamilienhäuser?

Der Pumpenvolumenstrom für Wohngebäude und Mehrfamilienhäuser wird bestimmt, indem die Nennvolumenströme aller Armaturen addiert und mit einer Gleichzeitigkeitsbeziehung reduziert werden. Die Logik lautet: In einem Gebäude werden nicht alle Zapfstellen gleichzeitig geöffnet. Die DIN 1988-300 liefert für die Wohnnutzung eine Beziehung, die den Gesamtnennvolumenstrom in einen Berechnungsvolumenstrom umrechnet, und diese Beziehung vergrößert das Reduktionsverhältnis, je mehr Wohnungen es gibt. Das grobe Aufsummieren ist die häufigste Ursache für Überdimensionierung bei Druckerhöhungsanlagen für Mehrfamilienhäuser.

Der erste Schritt ist die Summierung der Belastungseinheiten der Armaturen, also der LU-Werte. Allgemein anerkannte Nennvolumenströme sind: Waschtischarmatur 0,07 l/s, Küchenspüle 0,07 l/s, Dusche 0,15 l/s, Badewanne 0,15 l/s, WC-Spülkasten 0,13 l/s, Waschmaschine 0,15 l/s, Geschirrspüler 0,07 l/s, Gartenwasserhahn 0,50 l/s. Die typische Summe für eine Wohnung liegt bei einer Wohnung mit zwei Bädern im Bereich 0,60–0,90 l/s.

Das fünfte durchgerechnete Beispiel ist ein Mehrfamilienhaus mit 24 Wohnungen. In jeder Wohnung gibt es Waschtisch, Spüle, Dusche, WC und Waschmaschine; die Summe je Wohnung beträgt 0,07 plus 0,07 plus 0,15 plus 0,13 plus 0,15 gleich 0,57 l/s. Kommt noch ein Geschirrspüler hinzu, sind es 0,64 l/s. Gebäudesumme: 24 mal 0,64 gleich 15,36 l/s. Dieser Wert ist die Rohsumme ohne Gleichzeitigkeit, und umgerechnet ergibt sie 15,36 mal 3,6 gleich 55,3 m³/h.

Der zweite Schritt ist die Reduktion. Die Beziehung der DIN 1988-300 für Wohngebäude hat die Form: Berechnungsvolumenstrom gleich 1,48 mal die 0,19-te Potenz des Gesamtnennvolumenstroms minus 0,94, und sie gilt zwischen 0,2 und 500 l/s. Setzen wir die Werte ein: Die 0,19-te Potenz von 15,36 beträgt ca. 1,680. Daraus ergibt sich 1,48 mal 1,680 gleich 2,487 und 2,487 minus 0,94 gleich 1,547 l/s.

Ergebnis: Der Berechnungsvolumenstrom beträgt 1,547 mal 3,6 gleich ca. 5,6 m³/h. Ein Gebäude mit einer Rohsumme von 55,3 m³/h wird also tatsächlich mit einer Druckerhöhungsanlage von 5,6 m³/h versorgt; das Reduktionsverhältnis beträgt etwa das Zehnfache. In diesem Gebäude eine Druckerhöhungsanlage mit 15 m³/h zu wählen führt dazu, dass die Pumpen ständig ein- und ausschalten (takten), der Membranbehälter vorzeitig ermüdet und unnötig Strom verbraucht wird. Auswahlkriterien für Druckerhöhungsanlagen in Mehrfamilienhäusern finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Druckerhöhungsanlage für ein Mehrfamilienhaus? Wie viele HP bei wie vielen Wohnungen?)

07Wie berechnet man den Volumenstrom eines Heizkreises?

Die Volumenstromberechnung eines Heizkreises wird aus der Heizlast abgeleitet, und ihre Beziehung lautet Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T. Dabei ist Q in m³/h, P die Heizlast in Kilowatt und Delta T die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf (Spreizung). Der Faktor 1,163 stammt aus der spezifischen Wärme des Wassers: 4,186 kJ/kgK geteilt durch 3,6 gleich 1,163 Wh/kgK. Diese eine Beziehung gilt für alle Wasserkreise, vom Heizkörper bis zur Fußbodenheizung.

Das sechste durchgerechnete Beispiel ist der Heizraum eines Mehrfamilienhauses. Die gesamte Heizlast beträgt 120 kW, die Auslegungstemperaturen für Vor- und Rücklauf betragen 70 und 55 °C, also Delta T gleich 15 °C. Rechnung: Bestimmen wir zunächst den Nenner, 1,163 mal 15 gleich 17,445. Dann teilen wir: Q gleich 120 geteilt durch 17,445 gleich 6,879 m³/h. Gerundet sind es 6,88 m³/h, in l/min 114,7 l/min.

Was passiert, wenn die Auslegungstemperaturdifferenz im selben Gebäude auf 10 °C verringert wird? Der Nenner wird 1,163 mal 10 gleich 11,63, und es ergibt sich Q gleich 120 geteilt durch 11,63 gleich 10,32 m³/h. Der Volumenstrom ist um 50 Prozent gestiegen. Da der Reibungsverlust mit dem Quadrat des Volumenstroms wächst, steigt der Druckverlust auf etwa das 2,25-Fache und die Wellenleistung der Pumpe auf etwa das 3,4-Fache. Die Verringerung der Temperaturdifferenz ist die teuerste stille Entscheidung in der Heizungsanlage.

Das siebte durchgerechnete Beispiel ist die Fußbodenheizung, und der Delta-T-Bereich ist ein anderer. Fußbodenheizkreise arbeiten typischerweise mit 35–45 °C Vorlauftemperatur und einer Temperaturdifferenz von 5–10 °C. Für ein Wohngebäude mit einer Heizlast von 12 kW und Delta T von 7 °C gilt: Der Nenner beträgt 1,163 mal 7 gleich 8,141. Es ergibt sich Q gleich 12 geteilt durch 8,141 gleich 1,474 m³/h. Wird dieser Volumenstrom auf sechs Heizkreise mit je 100 m Länge aufgeteilt, entfallen auf jeden Heizkreis ca. 0,246 m³/h, also 4,1 l/min.

Dieser auf einen Heizkreis entfallende Wert ist das Ziel der Rotameter-Einstellung am Verteiler. Rotameter zeigen in der Regel l/min an; ist Ihre Berechnung in m³/h angegeben, müssen Sie mit 16,67 multiplizieren, um in die Ableseeinheit zu wechseln. Sind die Kreislängen unterschiedlich, ist eine gleichmäßige Aufteilung des Volumenstroms falsch; der Volumenstrom jedes Kreises wird proportional zu der Heizlast verteilt, die dieser Kreis trägt. Zur Funktionsweise des Fußbodenheizungssystems finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat)

Nachdem der Kreisvolumenstrom berechnet wurde, wird die Umwälzpumpe nach diesem Wert ausgewählt. Bei elektronisch geregelten Baureihen wie Grundfos MAGNA3 und Wilo Stratos MAXO passt die Pumpe die Soll-Förderhöhe selbst an den Volumenstrom an; dadurch gleicht sich das System um den berechneten Volumenstrom herum selbst ab. Beim Abgleich halten druckunabhängige Strangregulierventile wie das Danfoss AB-QM den Kreisvolumenstrom auf dem Einstellwert konstant und erleichtern es, dass die Berechnung vor Ort auch eingehalten wird. Zur Auswahl der Umwälzpumpe haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Umwälzpumpe aus? Was bedeuten 25/4, 25/6, 25/8?)

Bei Kühlkreisen wird dieselbe Beziehung verwendet, aber es sind zwei Korrekturen erforderlich. Erstens beträgt Delta T bei der Kühlung typischerweise 5–7 °C, und das bedeutet bei gleicher Leistung einen zwei- bis dreimal höheren Volumenstrom als bei der Heizung. Zweitens sinkt bei Kreisen mit Glykolmischung die spezifische Wärme; bei einer Mischung mit 30 Prozent Ethylenglykol verringert sich der Faktor um ca. 8–10 Prozent, und der berechnete Volumenstrom wird im selben Verhältnis erhöht. Unser Sortiment an Heiz- und Kühlungsausrüstung können Sie sich ansehen. (Details: Heizung)

08Wie berechnet man den Volumenstrom bei einer Bewässerungsanlage?

Der Bewässerungsvolumenstrom wird aus dem täglichen Wasserbedarf der Pflanzen und dem Bewässerungszeitfenster abgeleitet. Die Beziehung lautet: Tägliches Wasservolumen gleich Fläche mal täglicher Wasserbedarf; der momentane Volumenstrom ist das tägliche Volumen geteilt durch die Bewässerungsdauer. Der Wasserbedarf wird in Millimetern angegeben, und 1 mm bedeutet 1 Liter pro Quadratmeter. Diese Umrechnung ist der einfache, aber häufig übersehene Punkt, auf dem die gesamte Bewässerungsberechnung beruht.

Das achte durchgerechnete Beispiel ist eine Rasenfläche von 800 m². Für den Monat Juli wurde ein täglicher Wasserbedarf von 6 mm angenommen. Tägliches Volumen: 800 mal 6 gleich 4800 Liter, also 4,8 m³. Das Bewässerungszeitfenster liegt nachts zwischen 03.00 und 06.00 Uhr, also bei 3 Stunden. Könnte die gesamte Fläche gleichzeitig bewässert werden, läge der erforderliche Volumenstrom bei 4,8 geteilt durch 3 gleich 1,6 m³/h.

In der Praxis wird die Fläche in Stationen unterteilt, und die Pumpe versorgt jeweils nur eine Station. Teilen wir die Fläche in 4 Stationen, läuft jede Station 3 geteilt durch 4 gleich 0,75 Stunden und gibt 4,8 geteilt durch 4 gleich 1,2 m³ Wasser ab. Stationsvolumenstrom: 1,2 geteilt durch 0,75 gleich 1,6 m³/h. Das Ergebnis ändert sich nicht, denn das gesamte Wasser und die gesamte Zeit sind gleich. Der Zweck der Aufteilung in Stationen ist nicht, den Volumenstrom zu senken, sondern Rohrdurchmesser und Pumpenleistung zu verkleinern.

Der Prüfschritt besteht darin, dass der Stationsvolumenstrom mit den Regnerkapazitäten übereinstimmt. Hat jede Station 4 Rotor-Regner und liefert jeder Regner bei 6 bar Betriebsdruck 0,40 m³/h, beträgt der Stationsvolumenstrom 4 mal 0,40 gleich 1,60 m³/h. Dieser Wert stimmt mit den berechneten 1,6 m³/h überein, und die Auslegung ist schlüssig. Wird die Regnerzahl auf 6 erhöht, beträgt der Stationsvolumenstrom 2,4 m³/h; in diesem Fall wird entweder die Pumpe größer gewählt oder die Zahl der Stationen erhöht.

Auch die Quellenseite muss in die Berechnung einbezogen werden. Kommt das Bewässerungswasser aus einem Brunnen, muss die nachhaltige Ergiebigkeit des Brunnens über dem berechneten Volumenstrom liegen. Bei einem Gelände mit einer Brunnenergiebigkeit von 3,0 m³/h senkt eine Anlage, die 4,8 m³/h entnimmt, den dynamischen Wasserspiegel unter den Sauganschluss der Pumpe, und die Pumpe läuft trocken. In diesem Fall ist es die einzig richtige Lösung, einen Zwischenbehälter einzurichten und aus dem Behälter zu fördern. (Details: Wie wählt man eine Tauchpumpe aus? Ratgeber zur Pumpenauswahl nach Brunnentiefe)

09Wie berechnet man den Volumenstrom einer Feuerlöschpumpe?

Die Antwort auf die Frage, wie der Volumenstrom einer Feuerlöschpumpe berechnet wird, hängt anders als bei Komfortinstallationen von der Gefahrenklasse ab. Nach der Logik der TS EN 12845 ergibt sich der Sprinklervolumenstrom aus der Auslegungsdichte der Wasserbeaufschlagung multipliziert mit der angenommenen Wirkfläche. Für die mittlere Gefahrenklasse OH beträgt die Auslegungsdichte 5,0 mm/min, die bei Nassanlagen angenommene größte Wirkfläche 72 m². Diese beiden Werte liefern den Ausgangspunkt der Berechnung.

Das neunte durchgerechnete Beispiel ist ein Lager der Klasse OH. Die Auslegungsdichte beträgt 5,0 mm/min, also 5 Liter pro Quadratmeter und Minute. Die Wirkfläche beträgt 72 m². Rechnung: 5,0 mal 72 gleich 360 l/min. In m³/h ergibt das 360 geteilt durch 16,67 gleich 21,6 m³/h. Dies ist der theoretische Untergrenzwert, der in die Berechnung eingeht, und der tatsächliche Bedarf der Anlage liegt darüber.

Der Unterschied ergibt sich aus der hydraulischen Berechnung. Während die am weitesten entfernten Sprinkler in der Wirkfläche mit dem Auslegungsdruck arbeiten, liegt an den näher an der Pumpe befindlichen Sprinklern ein höherer Druck an, und sie geben mehr Wasser ab. Diese Mehrmenge vergrößert den berechneten Volumenstrom der Wirkfläche typischerweise um 30–60 Prozent. Der theoretische Wert von 21,6 m³/h steigt nach der hydraulischen Berechnung bei den meisten OH-Projekten auf eine Größenordnung von 30–35 m³/h.

Hinzu kommt der Schlauch- und Hydrantenzuschlag. Sollen Wandhydranten im Gebäude und Außenhydranten gleichzeitig genutzt werden, wird der je nach Gefahrenklasse festgelegte zusätzliche Volumenstrom zum Sprinklervolumenstrom addiert. Der typische Berechnungsvolumenstrom beträgt je Wandhydrant 100–150 l/min und je Außenhydrant 500–1000 l/min und variiert je nach Projektspezifikation. Die gleichzeitige Annahme von zwei Wandhydranten bedeutet 2 mal 120 gleich 240 l/min, also eine Zusatzlast von ca. 14,4 m³/h.

Der gesamte Anlagenvolumenstrom beträgt in diesem Beispiel 30 plus 14,4 gleich ca. 44,4 m³/h, und die Feuerlöschpumpe wird so ausgewählt, dass sie diesen Volumenstrom beim erforderlichen Druck liefert. Bei Feuerlöschpumpen gibt es eine zweite Regel: Die Pumpe muss bei 150 Prozent des Nennvolumenstroms mindestens 65 Prozent der Nennförderhöhe erzeugen können. Eine Pumpe mit einem Nennvolumenstrom von 44,4 m³/h muss bei 66,6 m³/h noch einen akzeptablen Druck liefern.

Auch das Volumen des Löschwasserbehälters wird aus dem Volumenstrom abgeleitet. Die für die Klasse OH erforderliche Betriebsdauer beträgt 60 Minuten; bei einem Volumenstrom von 44,4 m³/h muss das Behältervolumen 44,4 mal 1 gleich ca. 44,4 m³ betragen. Das Behältervolumen unabhängig vom Volumenstrom zu wählen, macht die Zertifizierung der Anlage unmittelbar ungültig. Zur Auslegungslogik von Sprinkleranlagen und zu unserem Sortiment an Brandschutzausrüstung sehen Sie sich die entsprechenden Seiten an. (Details: Wie funktioniert eine Sprinkleranlage? Wie hängt sie mit der Feuerlöschpumpe zusammen?) (Details: Brandschutz)

10Wie berechnet man den Volumenstrom einer Tauchpumpe? Brunnenergiebigkeit und dynamischer Wasserspiegel

Bei einer Brunnentauchpumpen-Anwendung bestimmt nicht die Kapazität der Pumpe den Volumenstrom, sondern die Ergiebigkeit des Brunnens. Der nachhaltig aus dem Brunnen entnehmbare Volumenstrom wird mit dem Pumpversuch gemessen und als spezifische Ergiebigkeit ausgedrückt: der pro Einheit Absenkung erzielte Volumenstrom. Wird die Pumpe über diesem Wert ausgewählt, sinkt der dynamische Wasserspiegel unter den Sauganschluss, und die Pumpe nimmt durch Trockenlauf innerhalb weniger Stunden Schaden.

Das zehnte durchgerechnete Beispiel ist ein Testbrunnen. Der statische Wasserspiegel liegt 28 m unter der Oberfläche. Wird die Pumpe mit 6,0 m³/h betrieben, ist der Spiegel auf 46 m gesunken und hat sich dort stabilisiert. Absenkung: 46 minus 28 gleich 18 m. Spezifische Ergiebigkeit: 6,0 geteilt durch 18 gleich 0,333 m³/h pro Meter Absenkung. Das bedeutet, dass jeder zusätzliche 1 m Absenkung 0,333 m³/h zusätzlichen Volumenstrom bringt.

Der Betriebsvolumenstrom ist nicht der gesamte dieser Wert. Für die Lebensdauer des Brunnens und den Zustand des Filters wird der nachhaltige Betriebsvolumenstrom im Bereich von 60–75 Prozent des Testvolumenstroms gewählt. Bei einem Testvolumenstrom von 6,0 m³/h wird der Betriebsvolumenstrom mit 0,70 mal 6,0 gleich 4,2 m³/h angesetzt. Die zugehörige Absenkung beträgt 4,2 geteilt durch 0,333 gleich 12,6 m, und der dynamische Wasserspiegel liegt bei 28 plus 12,6 gleich 40,6 m.

Die Förderhöhe wird über diesen dynamischen Wasserspiegel berechnet, nicht über den statischen. Die von der Pumpe aufzubringende Gesamtförderhöhe: dynamischer Wasserspiegel 40,6 m plus Behälterhöhe an der Oberfläche 8 m plus Rohrreibungsverlust 5 m plus gewünschter Ausgangsdruck 10 mWS gleich ca. 63,6 mWS. Würde mit dem statischen Wasserspiegel gerechnet, ergäben sich 51 mWS, und die Pumpe würde um 12 mWS zu klein ausgewählt. Zur Leistungsauswahl von Brunnenpumpen finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Wie viele HP muss eine Brunnentauchpumpe haben? Berechnung nach Tiefe und Volumenstrom)

Bei Brunnentauchpumpen-Baureihen ist der Volumenstrom auch durch den Brunnendurchmesser begrenzt. Die Grundfos SP-Baureihe bietet in 4-Zoll-Brunnen typischerweise einen Volumenstrombereich von 1–16 m³/h, in 6-Zoll-Brunnen in der Größenordnung von 17–60 m³/h; die genauen Werte variieren je nach Modell und Stufenzahl. In derselben Baureihe bestimmt die Stufenzahl die Förderhöhe, der Laufraddurchmesser dagegen den Volumenstrom; beides wird unabhängig gewählt.

11Wie führt man die Volumenstrommessung mit der Eimermethode vor Ort durch?

Die Volumenstrommessung mit der Eimermethode beruht darauf, die Füllzeit eines Gefäßes mit bekanntem Volumen mit der Stoppuhr zu messen, und liefert bei korrekter Anwendung eine Genauigkeit von 3–5 Prozent. Die Methode benötigt kein Gerät, ist an jeder Leitung mit offenem Ende anwendbar und ist die unmittelbar auf die Baustelle übertragene Form der Beziehung Q gleich V geteilt durch t. Bei kleinen Volumenströmen ist sie die zuverlässigste Methode.

Der erste Schritt ist die Wahl des Gefäßes. Das Volumen des Gefäßes muss so groß sein, dass der gemessene Volumenstrom es in mindestens 10 Sekunden füllt. Bei einer Leitung mit erwarteten 3 m³/h beträgt das in 10 Sekunden gefüllte Volumen ca. 8,3 Liter; deshalb ist ein 10-Liter-Eimer geeignet. Bei einer Leitung mit erwarteten 1 m³/h genügt ein Gefäß mit 5 Litern. Das tatsächliche Volumen des Gefäßes muss vorab mit einem geeichten Messgefäß überprüft werden; das auf dem Eimer angegebene Nennvolumen ist häufig falsch.

Der dritte Schritt ist die Messung. Starten Sie die Stoppuhr in dem Moment, in dem Sie das Gefäß unter den Strahl halten, und stoppen Sie sie, sobald das Gefäß gefüllt ist. Beim Wegziehen des Gefäßes aus dem Strahl darf das Wasser nicht über die Zielmarkierung steigen. Wiederholen Sie den Vorgang dreimal. Bilden Sie den Mittelwert der drei Zeiten; weichen sie um mehr als 5 Prozent voneinander ab, sind die Messbedingungen instabil, und die Messung muss wiederholt werden.

Das elfte durchgerechnete Beispiel: 10-Liter-Eimer, gemessene Zeiten 11,8 Sekunden, 12,1 Sekunden und 12,1 Sekunden. Die mittlere Zeit beträgt 12,0 Sekunden. Volumenstrom: Q gleich 10 geteilt durch 12,0 gleich 0,833 l/s. In m³/h ergibt das 0,833 mal 3,6 gleich 3,0 m³/h. In l/min sind es 0,833 mal 60 gleich 50 l/min. Dieselbe Strömung wurde damit in drei Einheiten angegeben.

12Vergleich der Volumenstrom-Messmethoden

Für die Volumenstrommessung gibt es sechs gängige Methoden, und die Wahl richtet sich nach Genauigkeit, Installationsaufwand und Art des Fördermediums. Die folgende Liste nennt jede Methode mit typischer Genauigkeit, Anwendungsbedingung und Grenze. Dauerüberwachung und einmalige Kontrolle vor Ort erfordern unterschiedliche Methoden; die eine durch die andere zu ersetzen verursacht unnötige Kosten.

  • Eimer und Stoppuhr – Genauigkeit ca. 3–5 Prozent; erfordert kein Gerät, wird nur an Leitungen mit offenem Ende und unterhalb von 6–8 m³/h eingesetzt; ideal für eine einmalige Kontrolle vor Ort
  • Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser – Genauigkeit ca. 1–3 Prozent; wird von außen angebracht, ohne das Rohr zu durchtrennen, erfordert ein vollgefülltes Rohr und eine gerade Einlaufstrecke; bei verschmutzten und blasenhaltigen Fluiden geht die Messung verloren
  • Elektromagnetischer Durchflussmesser – Genauigkeit ca. 0,2–0,5 Prozent; erfordert ein leitfähiges Fördermedium, verursacht keinen Druckverlust, arbeitet in verschmutztem Wasser und Abwasser zuverlässig; nicht einsetzbar bei reinem Wasser und Öl
  • Turbinen- und Schaufelrad-Durchflussmesser – Genauigkeit ca. 1–2 Prozent; enthalten mechanische Teile, erfordern sauberes Wasser, Feststoffe und faserige Partikel blockieren die Turbine; die einzige Gruppe, die Wartung erfordert
  • Blende und Differenzdruckmessung – Genauigkeit ca. 2–4 Prozent; erzeugt einen bleibenden Druckverlust und ist über einen weiten Volumenstrombereich nicht linear; bei sehr großen Durchmessern bleibt sie wirtschaftlich
  • Ablesung über Rotameter und Strangregulierventil – Genauigkeit ca. 2–5 Prozent; bei Fußbodenheizungsverteilern und Strangregulierventilen eingebaut, zeigt l/min an; die Strömung muss vertikal und stabil sein
  • Indirekte Schätzung über die Strommessung der Pumpe – Genauigkeit ca. 10–15 Prozent; erfordert keinerlei Eingriff, der aufgenommene Strom wird mit der Pumpenkennlinie abgeglichen; wird nur zur groben Überprüfung verwendet

Bei der Methodenwahl ist das praktische Urteil klar. Führen Sie eine einmalige Kontrolle vor Ort durch und hat die Leitung ein offenes Ende, genügt die Eimermethode; sie verursacht keinerlei Kosten. Im geschlossenen Kreislauf und wenn Sie das Rohr nicht durchtrennen können, ist das Clamp-on-Ultraschallgerät das richtige Werkzeug. Werden Dauerüberwachung, Abrechnung oder eine Rückmeldung an die Automatisierung benötigt, wird ein elektromagnetischer Durchflussmesser gewählt. Das Rotameter dient nur dem Abgleich vor Ort; für die Messung des Anlagenvolumenstroms wird es nicht verwendet.

13Was ist der Unterschied zwischen Pumpenvolumenstrom und Druck?

Der Unterschied zwischen Pumpenvolumenstrom und Druck ist der Unterschied zwischen den beiden am häufigsten verwechselten Größen. Der Volumenstrom gibt an, wie viel Wasser pro Zeiteinheit durchströmt, und wird in m³/h gemessen. Der Druck bzw. die Förderhöhe gibt an, wie hoch das Wasser gefördert und gegen wie viel Widerstand es geschoben werden kann; er wird in bar oder mWS gemessen. Eine Pumpe kann nicht gleichzeitig ihren maximalen Volumenstrom und ihren maximalen Druck liefern.

Der Unterscheidungstest ist einfach. Öffnen Sie den Wasserhahn vollständig und messen Sie den Volumenstrom mit der Eimermethode; lesen Sie gleichzeitig das Manometer der Leitung ab. Ist der Druck bei geschlossenem Wasserhahn hoch, fällt aber beim Öffnen schnell ab, liegt der Engpass auf der Volumenstromseite; Rohr, Filter oder Armatur drosseln. Ist der Druck auch bei geschlossenem Wasserhahn niedrig, reicht die Förderhöhe der Pumpe nicht aus, oder der Höhenunterschied der Anlage wurde nicht berücksichtigt.

Beide Größen verbinden sich erst über die Leistung. Die hydraulische Leistung ergibt sich aus Volumenstrom mal Förderhöhe mal Dichte mal Erdbeschleunigung, und ihre praktische Formel lautet: P in Kilowatt gleich Q mal H geteilt durch 367 mal Wirkungsgrad. Dabei ist Q in m³/h und H in mWS angegeben. Für eine Pumpe, die 6 m³/h auf 40 mWS fördert und einen Gesamtwirkungsgrad von 0,60 hat: P gleich 6 mal 40 geteilt durch 367 mal 0,60 gleich 240 geteilt durch 220,2 gleich ca. 1,09 kW Wellenleistung nimmt sie auf.

14Wie liest man Volumenstrom und Förderhöhe an der Pumpenkennlinie ab?

Die Pumpenkennlinie ist das Diagramm, das die Förderhöhe zeigt, die eine Pumpe bei jedem Volumenstrom erzeugen kann. Auf der horizontalen Achse steht der Volumenstrom in m³/h, auf der vertikalen Achse die Förderhöhe in mWS. Die Kennlinie fällt von links nach rechts: Mit steigendem Volumenstrom sinkt die Förderhöhe. Das ist keine Entscheidung der Pumpe, sondern die natürliche Folge der Kreiselpumpenhydraulik und gilt für alle Kreiselpumpen.

Die Anlagenkennlinie zeigt dagegen den Widerstand der Anlage und hat die Form H gleich Hst plus k mal Q zum Quadrat. Hst ist die statische Höhe und vom Volumenstrom unabhängig; der Term k mal Q zum Quadrat ist der Reibungsverlust und wächst mit dem Quadrat des Volumenstroms. In geschlossenen Heizsystemen ist Hst null, weil das angehobene Wasser zurückfließt. In offenen Systemen ist Hst der Höhenunterschied zwischen Saugspiegel und Förderspiegel.

Das zwölfte durchgerechnete Beispiel ist eine Druckerhöhungsanlage. Die statische Höhe beträgt 25 mWS. Der bei 6 m³/h gemessene Reibungsverlust beträgt 8 mWS; daraus ergibt sich k gleich 8 geteilt durch 6 zum Quadrat gleich 8 geteilt durch 36 gleich 0,222. Die Anlagenkennlinie lautet damit H gleich 25 plus 0,222 mal Q zum Quadrat. Erforderliche Förderhöhe bei 8 m³/h: H gleich 25 plus 0,222 mal 64 gleich 25 plus 14,2 gleich 39,2 mWS.

Der Betriebspunkt ist der Punkt, an dem sich Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie schneiden. Kann die Pumpe in diesem Beispiel bei 8 m³/h 39,2 mWS erzeugen, liegt der Betriebspunkt genau dort. Erzeugt die Pumpe beim selben Volumenstrom nur 34 mWS, verschiebt sich der Betriebspunkt nach links, und der tatsächliche Volumenstrom liegt unter 8 m³/h, im Bereich von etwa 6,5–7,0 m³/h. Der einzige Weg, den berechneten Volumenstrom zu erhalten, ist, dass die Pumpenkennlinie die Anlagenkennlinie beim gewünschten Volumenstrom schneidet.

Der Frequenzumrichter verändert dieses Bild. Wird die Drehzahl gesenkt, verschiebt sich die Pumpenkennlinie nach unten; nach den Affinitätsgesetzen ändert sich der Volumenstrom proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe mit dem Quadrat der Drehzahl und die Wellenleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl. Eine Senkung der Drehzahl auf 80 Prozent senkt den Volumenstrom auf 80 Prozent, die Förderhöhe auf 64 Prozent und die Leistung auf 51 Prozent. Bei Systemen mit variablem Volumenstrom kommt der größte Energiegewinn von hier. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

15Wie wählt man die Pumpe anhand des berechneten Volumenstroms aus? Welche Lösung passt zu wem?

Nachdem der Volumenstrom berechnet wurde, ist die Pumpenauswahl in drei Schritten abgeschlossen: Berechnen Sie die zum Volumenstrom gehörende Förderhöhe, wählen Sie die Baureihe, die den Schnittpunkt dieser beiden Werte nahe am BEP abdeckt, und prüfen Sie anschließend die Saugbedingungen anhand des NPSH. Dem Volumenstrom einen Sicherheitszuschlag hinzuzufügen ist eine verbreitete Gewohnheit, sie sollte aber 10 Prozent nicht überschreiten; ein Zuschlag von 30 Prozent schiebt die Pumpe rechts vom BEP und senkt den Wirkungsgrad.

  • 1–6 m³/h und einzelnes Wohngebäude – Kompakte Einheiten mit konstantem Druck sind geeignet; die Grundfos SCALA2 deckt diesen Bereich typischerweise bis zu einer Größenordnung von 45 mWS ab, die Installation besteht aus einem Teil, ein separates Ausdehnungsgefäß und ein Druckschalter sind nicht erforderlich
  • 5–25 m³/h und Mehrfamilienhaus – Vertikale mehrstufige Gruppen mit Frequenzumrichter sind geeignet; Lowara e-SV und gleichwertige Baureihen werden als Gruppe mit zwei oder drei Pumpen installiert, im Teillastbetrieb läuft eine Pumpe
  • 1–16 m³/h und Brunnen – 4-Zoll-Tauchpumpen-Baureihen sind geeignet; die Grundfos SP-Baureihe bestimmt die Förderhöhe über die Stufenzahl und den Volumenstrom über die Laufradwahl jeweils einzeln, die Strömungsgeschwindigkeit zur Motorkühlung muss überprüft werden
  • 0,5–15 m³/h und geschlossener Heizkreis – Elektronische Nassläufer-Umwälzpumpen sind geeignet; die Baureihen Grundfos MAGNA3 und Wilo Stratos MAXO arbeiten mit einem EEI-Wert unter 0,20 und stellen den Volumenstrom entsprechend der Regelungsart selbst ein
  • 30–180 m³/h und Brandschutz – Zertifizierte Feuerlöschpumpenaggregate sind Pflicht; die Anforderung, bei 150 Prozent des Nennvolumenstroms mindestens 65 Prozent des Nenndrucks zu erzeugen, bestimmt die Auswahl, eine Komfortpumpe darf für diese Aufgabe nicht verwendet werden
  • Jede Anwendung mit variablem Volumenstrom – Eine Lösung mit Frequenzumrichter ist geeignet; sinkt der Volumenstrombedarf im Tagesverlauf unter 40 Prozent, amortisiert sich die Investition über die Energieseite, bei konstantem Volumenstrom ist sie nicht erforderlich
  • Schmutzwasser und Klärgruben – Tauchpumpen mit offenem oder halboffenem Laufrad sind geeignet; bei der Volumenstromberechnung haben der freie Kugeldurchgang und die Mindest-Transportgeschwindigkeit von 0,7 m/s Vorrang vor dem Wirkungsgrad

Der zweite Vergleich bei der Auswahl betrifft die einzelne große Pumpe und die parallele Mehrpumpengruppe. Eine einzelne Pumpe ist die günstigere Investition, benötigt weniger Platz und ist einfacher zu regeln; bei einer Störung steht die Anlage jedoch komplett still, und im Teillastbetrieb sinkt der Wirkungsgrad. Die Parallelgruppe teilt den berechneten Volumenstrom auf zwei oder drei Pumpen auf; fällt eine Pumpe aus, läuft die Anlage mit Teilkapazität weiter, und bei geringem Bedarf arbeitet eine einzelne Pumpe nahe am BEP.

Das Urteil lautet: In Anwendungen in Mehrfamilienhäusern, Hotels, Krankenhäusern und Gewerbegebäuden, in denen eine Unterbrechung nicht akzeptabel ist, wird eine Parallelgruppe gewählt. Bei Anwendungen wie einzelnen Wohngebäuden, Villen und Gartenbewässerung, in denen eine kurze Unterbrechung toleriert wird, genügt eine einzelne Pumpe. Im Parallelbetrieb addieren sich die Volumenströme, die Förderhöhen addieren sich nicht; zwei parallel geschaltete Pumpen mit je 6 m³/h liefern 12 m³/h, die Förderhöhe bleibt beim Wert einer einzelnen Pumpe. Alle Schritte der Pumpenauswahl finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe)

Alternativen bei Marke und Sortiment finden Sie auf unserer Seite „Marken“. (Details: unsere Markenseite)

16Die 5 häufigsten Fehler

Die folgenden fünf Fehler sind diejenigen, die wir bei Projekten, für die eine Volumenstromberechnung gefordert ist, am häufigsten antreffen und deren Folgen am teuersten sind. Alle fünf entstehen dadurch, dass die Berechnung ausgelassen oder mit falschen Eingangswerten durchgeführt wird.

  • Fehler 1 – Armaturenvolumenströme ohne Gleichzeitigkeit addieren: In einem Gebäude mit 24 Wohnungen ergibt sich eine Rohsumme von 55,3 m³/h, während die Reduktion nach DIN 1988-300 5,6 m³/h liefert. Wer die Pumpe nach der Rohsumme auswählt, erhält eine zehnmal zu große Druckerhöhungsanlage, ständiges Ein- und Ausschalten (Takten) und einen vorzeitig ermüdenden Membranbehälter.
  • Fehler 2 – Die Querschnittsfläche mit dem Außendurchmesser berechnen: Der Außendurchmesser eines Rohrs DN 25 beträgt 33,7 mm, der Innendurchmesser 27,3 mm. Die Berechnung mit dem Außendurchmesser zeigt die Fläche um 52 Prozent zu hoch an und verleitet dazu, die Rohrkapazität größer einzuschätzen, als sie ist. Die Fläche wird immer mit dem Innendurchmesser bestimmt, nach A gleich Pi mal d zum Quadrat geteilt durch 4.
  • Fehler 3 – Delta T bei der Heizungsberechnung willkürlich wählen: Dieselbe Last von 120 kW erfordert bei 15 °C Differenz einen Volumenstrom von 6,88 m³/h, bei 10 °C Differenz von 10,32 m³/h. Eine Verringerung der Temperaturdifferenz vergrößert Volumenstrom, Druckverlust und Pumpenleistung gemeinsam; der Auslegungswert für Delta T wird dem Projekt entnommen und nicht geschätzt.
  • Fehler 4 – Eine Tauchpumpe nach dem statischen Wasserspiegel dimensionieren: Bei einem Brunnen, dessen statischer Wasserspiegel 28 m und dessen dynamischer Wasserspiegel 40,6 m beträgt, führt die Berechnung mit dem statischen Wert dazu, dass die Pumpe um 12 mWS zu klein ausgewählt wird. Die Folge ist eine Anlage, die den Ziel-Volumenstrom nie erreicht, sowie das Risiko des Trockenlaufs. Die Berechnung erfolgt immer mit dem dynamischen Wasserspiegel beim Betriebsvolumenstrom.
  • Fehler 5 – Volumenstrom und Druck miteinander verwechseln: Kommt im Obergeschoss kein Wasser an, liegt das Problem bei der Förderhöhe, und eine Pumpe mit größerem Volumenstrom löst es nicht; fließt am Wasserhahn zu wenig Wasser, liegt das Problem meist auf der Volumenstromseite, und eine Druckerhöhung löst es nicht. Beide Größen werden getrennt gemessen und getrennt korrigiert.

17Checkliste: vor der Übergabe der Volumenstromberechnung

Wenn Sie die folgende Liste von Anfang bis Ende ausfüllen, sind sowohl die Eingangswerte als auch das Ergebnis Ihrer Berechnung geprüft. Wenn Sie die Punkte notieren, verhindern Sie außerdem, dass das Team, das das Projekt übernimmt, dieselbe Berechnung von Grund auf neu durchführen muss.

  • Mit welcher Beziehung wurde die Berechnung durchgeführt? Q gleich V geteilt durch t, Q gleich A mal v oder Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T?
  • Wurde die Rohrquerschnittsfläche mit dem Innendurchmesser berechnet? Wurde der verwendete Innendurchmesser der Rohrnorm entnommen?
  • Wie hoch ist die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr beim berechneten Volumenstrom in m/s? Liegt der Wert bei sauberem Wasser im Bereich 1,0–2,0 m/s?
  • Liegt die Geschwindigkeit in der Saugleitung unter 1,2 m/s? Liegt der NPSHa-Wert mit einer Reserve von mindestens 0,5 mWS über dem NPSHr?
  • Wurde bei der Wohnanwendung die Gleichzeitigkeitsreduktion angewendet? Ist das Verhältnis zwischen Rohsumme und Berechnungsvolumenstrom angemessen?
  • Ist das in der Heizungsberechnung verwendete Delta T der Projektwert oder eine Annahme? Wurde bei Glykol die Korrektur des Faktors vorgenommen?
  • Wurde bei der Bewässerungsberechnung der tägliche Wasserbedarf in Millimetern angesetzt? Stimmt der Stationsvolumenstrom mit der Summe der Regnerkapazitäten überein?
  • Wurden bei der Brandschutzberechnung Gefahrenklasse, Auslegungsdichte und Wirkfläche der Projektspezifikation entnommen? Wurde der Schlauchzuschlag hinzugefügt?
  • Wurde bei der Brunnenanwendung die spezifische Ergiebigkeit gemessen? Wurde der Betriebsvolumenstrom im Bereich von 60–75 Prozent des Testvolumenstroms gewählt?
  • Wurde die Förderhöhe über den dynamischen Wasserspiegel berechnet? Wurden Reibungsverlust und Ausgangsdruck gesondert hinzugefügt?
  • Wurde die Anlagenkennlinie aufgestellt? Wurde der Wert k in der Beziehung H gleich Hst plus k mal Q zum Quadrat aus einem gemessenen Punkt abgeleitet?
  • Schneidet die Kennlinie der gewählten Pumpe die Anlagenkennlinie beim Ziel-Volumenstrom? Liegt der Betriebspunkt im Bereich von 70–110 Prozent des BEP?
  • Überschreitet der dem Volumenstrom zugeschlagene Sicherheitszuschlag 10 Prozent? Wenn ja, wurde die Begründung festgehalten?
  • Wurde die hydraulische Leistung berechnet? Wurde die Motorleistung anhand der Beziehung P gleich Q mal H geteilt durch 367 mal Wirkungsgrad überprüft?
  • Wurde nach der Inbetriebnahme der tatsächliche Volumenstrom gemessen? Wurde eine Messung mit der Eimermethode oder eine Clamp-on-Ultraschallmessung durchgeführt?
  • Liegt die Abweichung zwischen gemessenem und berechnetem Wert unter 10 Prozent? Wenn nicht, wurde nach der Ursache der Abweichung gesucht?

Nach dem Ausfüllen dieser Punkte fällt das Ergebnis meist in eine von drei Gruppen: Eingabefehler, Einheitenfehler oder fehlende Messbestätigung. Wenn Sie die Werte schriftlich festhalten, müssen Sie bei späteren Beschwerden die Berechnung nicht neu durchführen. Weitere Antworten finden Sie auf unserer Seite „Häufig gestellte Fragen“. (Details: häufig gestellte Fragen)

18Häufig gestellte Fragen

Wie viel l/min entsprechen 1 m³/h?
1 m³/h gleich 16,67 l/min. Die Umrechnung ergibt sich so: 1 m³ gleich 1000 Liter und 1 Stunde hat 60 Minuten; 1000 geteilt durch 60 gleich 16,67. Derselbe Wert beträgt in Sekunden 0,278 l/s. In Gegenrichtung gilt 1 l/s gleich 3,6 m³/h und 1 l/min gleich 0,06 m³/h. Diese drei Faktoren decken sämtliche Installationsberechnungen ab.
Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom, und welche Methode ist die praktischste?
Die praktischste Methode ist die Beziehung Volumen geteilt durch Zeit. Sie füllen ein Gefäß mit bekanntem Volumen und messen die Zeit mit der Stoppuhr; füllt sich ein 10-Liter-Eimer in 12 Sekunden, beträgt der Volumenstrom 0,833 l/s, also 3,0 m³/h. Ist im Projekt noch keine Installation vorhanden, richtet sich die Berechnung nach dem Anwendungstyp: im Wohnungsbau nach der Gleichzeitigkeit, bei der Heizung nach der Heizlast, bei der Bewässerung nach Fläche mal Wasserbedarf.
Wie berechnet man den Volumenstrom anhand des Rohrdurchmessers?
Es wird die Beziehung Q gleich A mal v verwendet. Zuerst bestimmen Sie aus dem Innendurchmesser die Querschnittsfläche: A gleich Pi mal d zum Quadrat geteilt durch 4. Anschließend multiplizieren Sie mit der angenommenen Strömungsgeschwindigkeit und für m³/h mit 3600. Bei einem Rohr DN 32 beträgt der Innendurchmesser 36 mm und die Fläche 0,001018 m²; bei einer Geschwindigkeit von 1,5 m/s ergibt sich ein Volumenstrom von 5,50 m³/h. Die Fläche wird unbedingt mit dem Innendurchmesser berechnet.
Welche Formel wird für die Volumenstromberechnung eines Heizkreises verwendet?
Es wird die Beziehung Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T verwendet. P ist die Heizlast in Kilowatt, Delta T die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf (Spreizung), das Ergebnis erscheint in m³/h. Für 120 kW Last und 15 °C Differenz ergibt sich 120 geteilt durch 17,445 gleich 6,88 m³/h. Da Delta T bei der Fußbodenheizung typischerweise 5–10 °C beträgt, steigt der Volumenstrom bei gleicher Last deutlich an.
Warum fällt der Pumpenvolumenstrom für ein Mehrfamilienhaus so viel niedriger aus als die Summe der Armaturen?
Weil nicht alle Armaturen gleichzeitig genutzt werden. Die Beziehung der DIN 1988-300 für Wohngebäude reduziert den Gesamtnennvolumenstrom auf den Berechnungsvolumenstrom: Berechnungsvolumenstrom gleich 1,48 mal die 0,19-te Potenz der Summe minus 0,94. Bei einem Gebäude mit 24 Wohnungen sinkt die Rohsumme von 15,36 l/s auf einen Berechnungsvolumenstrom von 1,55 l/s, also auf ca. 5,6 m³/h. Das Reduktionsverhältnis wächst mit der Zahl der Wohnungen.
Wie genau ist die Volumenstrommessung mit der Eimermethode?
Bei korrekter Anwendung liefert sie eine Genauigkeit von 3–5 Prozent. Die Bedingungen lauten: Das Gefäß muss sich in mindestens 10 Sekunden füllen, die Strömung muss vor der Messung 30 Sekunden stabil fließen, die Messung muss dreimal wiederholt und der Mittelwert gebildet werden, und das tatsächliche Volumen des Gefäßes muss vorab überprüft werden. Bei Volumenströmen oberhalb von ca. 6–8 m³/h verliert die Methode ihre Genauigkeit; dann wechselt man zum Clamp-on-Ultraschallgerät.
Wie berechnet man den Volumenstrom einer Feuerlöschpumpe?
Je nach Gefahrenklasse werden die Auslegungsdichte der Wasserbeaufschlagung und die Wirkfläche multipliziert. In der mittleren Gefahrenklasse OH ergeben 5,0 mm/min Dichte und 72 m² Fläche 360 l/min, also 21,6 m³/h. Die Mehrmenge in der hydraulischen Berechnung vergrößert diesen Wert um 30–60 Prozent, und der Schlauchzuschlag kommt gesondert hinzu. Das Behältervolumen ergibt sich ebenfalls aus der Multiplikation dieses Volumenstroms mit der erforderlichen Betriebsdauer.
Wie berechnet man den Volumenstrom einer Tauchpumpe, und warum ist die Brunnenergiebigkeit wichtig?
Den Volumenstrom bestimmt nicht die Kapazität der Pumpe, sondern die Ergiebigkeit des Brunnens. Aus Testvolumenstrom und Absenkung ergibt sich die spezifische Ergiebigkeit: Bei einer Entnahme von 6,0 m³/h und 18 m Absenkung beträgt sie 0,333 m³/h pro Meter. Der Betriebsvolumenstrom wird mit 60–75 Prozent des Testvolumenstroms gewählt, also 4,2 m³/h. Wird diese Grenze überschritten, sinkt der dynamische Wasserspiegel unter den Sauganschluss und führt zum Trockenlauf.
Warum sinkt der Druck, wenn der Volumenstrom steigt?
Das Laufrad einer Kreiselpumpe gibt eine bestimmte Energie ab; diese Energie wird zwischen Volumenstrom und Förderhöhe aufgeteilt. Mit steigendem Volumenstrom verkürzt sich die Verweilzeit des Fördermediums im Laufrad, und der übertragene Druck nimmt ab. Deshalb fällt die Pumpenkennlinie von links nach rechts. Der tatsächliche Betriebspunkt liegt dort, wo sich die Pumpenkennlinie und die Anlagenkennlinie in der Form H gleich Hst plus k mal Q zum Quadrat schneiden.
Wie viel Sicherheitszuschlag sollte auf den berechneten Volumenstrom aufgeschlagen werden?
Er sollte 10 Prozent nicht überschreiten. Größere Zuschläge schieben die Pumpe rechts vom Punkt des besten Wirkungsgrads; der Wirkungsgrad sinkt, der Stromverbrauch steigt, und das Kavitationsrisiko auf der Saugseite wächst. Statt den Zuschlag zu vergrößern, sollten die Eingangswerte der Berechnung verbessert werden: tatsächliche Armaturenzahl, tatsächliches Delta T, gemessene Brunnenergiebigkeit. Ist die Unsicherheit hoch, ist eine Lösung mit Frequenzumrichter die richtigere Antwort als ein fester Zuschlag.

Wenn Sie Ihre Volumenstromberechnung von unabhängiger Seite überprüfen lassen oder die zum berechneten Wert passende Pumpenbaureihe gemeinsam mit uns bestimmen möchten, können Sie uns Ihre Projektdaten übermitteln. Das Ingenieurteam von Pomeka Mekanik erstellt, ausgehend von Heizlast und Armaturenliste, die Berechnung von Volumenstrom, Förderhöhe und Jahresverbrauch. Sie erreichen uns über unsere Seite „Kontakt“. (Details: unsere Kontaktseite)

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