Wie wählt man eine Fäkalienpumpe aus? Schneidwerk- oder Vortex-Tauchpumpe?

Eine Fäkalienpumpe ist eine Pumpe in Tauchbauweise, die Abwasser aus Toiletten, Küche und Bad dort, wo es nicht im freien Gefälle abfließen kann, aus dem Sammelschacht aufnimmt und auf die Höhe der Kanalisation fördert. Von Klarwasserpumpen unterscheidet sie sich in drei Punkten: Das Laufrad ist so ausgelegt, dass es Feststoffe durchlässt, der Motor ist für häufiges Ein- und Ausschalten dimensioniert, und das Gehäuse besteht wegen des korrosiven Abwassers aus Guss. Die Begriffe Schmutzwasser-Tauchpumpe und Abwasser-Tauchpumpe bezeichnen dieselbe Produktfamilie.

Die Einsatzbereiche ergeben sich aus den Höhenverhältnissen. Toiletten und Duschen im Kellergeschoss liegen unterhalb der Anschlusshöhe der Kanalisation und können deshalb nicht im freien Gefälle entwässern; hier sind ein Sammelschacht und eine Fäkalienpumpe zwingend erforderlich. Die zweite häufige Anwendung ist die Entleerung einer dichten Sammelgrube über eine Druckleitung in einen entfernten Sammelkanal in Siedlungen ohne städtische Kanalisation, und zwar in bestimmten Abständen. Die dritte sind Hebeanlagen von Kläranlagen und Pumpstationen.

Fäkalienpumpe und Entwässerungspumpe dürfen nicht verwechselt werden. Eine Entwässerungspumpe fördert klares oder leicht verschmutztes Wasser, typischerweise mit Körnern unter 10 mm; eine Fäkalienpumpe fördert dagegen Abwasser mit Fäkalien, Toilettenpapier und Feuchttüchern. Eine Entwässerungspumpe in einen Fäkaliensumpf zu setzen, endet unweigerlich mit einer Verstopfung, auch wenn sie in den ersten Wochen zu funktionieren scheint. Die eigenen Auswahlkriterien für Entwässerungsanwendungen finden Sie in unserem eigenen Ratgeber. (Details: Auswahl von Entwässerungspumpen)

Die Zusammensetzung des Abwassers ist der Ausgangspunkt der Auswahl. Bei häuslichem Abwasser ist der größere Teil der mitgeführten Feststoffe weich, doch faserige Stoffe überwiegen; Feuchttücher, Haare, Stoffreste und Hygieneartikel wickeln sich um die Laufradschaufeln und lösen die Verstopfung aus. Bei industriellem Abwasser treten dagegen harte Körner, Fett und chemische Belastung in den Vordergrund. Auch die Temperatur ist eine Grenze: Standard-Tauchpumpen arbeiten bis zu einer Mediumtemperatur von 40 °C im Dauerbetrieb und 60 °C kurzzeitig. Zum Pumpensortiment und zur Unterstützung bei der Dimensionierung sehen Sie sich unsere Produktgruppe an. (Details: Pumpensysteme)

Die Antwort auf die Frage Schneidwerk oder Vortex liegt in zwei unterschiedlichen Strategien: Das Vortex-Laufrad lässt den Feststoff passieren, das Schneidwerk-Laufrad schneidet ihn. Bei der Vortex-Pumpe, also der Pumpe mit Wirbellaufrad, ist das Laufrad in das Spiralgehäuse zurückgesetzt und erzeugt einen freien Wirbel, ohne unmittelbar mit dem Fördermedium in Kontakt zu kommen; Feststoffe werden von diesem Wirbel mitgenommen, ohne das Laufrad zu berühren. Bei der Schneidwerkpumpe, also der Zerkleinerungspumpe, sitzen dagegen am Sauganschluss ein rotierendes Messer und ein feststehender Schneidring; der Feststoff wird zuerst auf Millimetergröße zerkleinert und dann gefördert.

Der freie Kugeldurchgang ist die zahlenmäßige Entsprechung dieses Unterschieds. Der freie Kugeldurchgang ist der Durchmesser des größten kugelförmigen Teils, das die Pumpe ohne Verstopfung passieren lassen kann, und wird im Katalog meist als freier Durchgang oder Free Passage angegeben. Bei Schmutzwasser-Tauchpumpen mit Vortex-Laufrad liegt dieser Wert typischerweise im Bereich von 50-80 mm. Bei ein- oder mehrkanaligen geschlossenen Laufrädern liegt er bei 35-50 mm. Bei der Schneidwerk-Tauchpumpe gibt es den Begriff des freien Durchgangs nicht; die Teile werden auf 6-10 mm zerkleinert und so durch die enge Leitung geführt.

Der Preis dafür ist der Wirkungsgrad. Das Vortex-Laufrad hat einen niedrigen hydraulischen Wirkungsgrad, weil ein Teil der Strömungsenergie für die Wirbelbildung aufgewendet wird; typische Werte liegen im Bereich von 35-50 %. Ein mehrkanaliges geschlossenes Laufrad erreicht im gleichen Betriebspunkt 60-75 % Wirkungsgrad. Bei der Schneidwerkpumpe verbraucht die Schneidarbeit eine eigene Leistung; der Gesamtwirkungsgrad bleibt bei den meisten Modellen im Bereich von 25-40 %. Deshalb nimmt eine Schneidwerkpumpe für denselben Volumenstrom und dieselbe Förderhöhe deutlich mehr kW auf als eine Vortex-Pumpe.

Bei der Förderhöhe kehrt sich das Bild um. Schneidwerkpumpen sind mit engem Austritt und hoher Drehzahl ausgelegt und können deshalb Förderhöhen im Bereich von 20-50 mWS erzeugen; ihr Volumenstrom ist dafür gering und liegt typischerweise im Bereich von 2-10 m³/h. Pumpen mit Vortex-Laufrad arbeiten im Bereich von 5-25 mWS, liefern aber Volumenströme von 10-100 m³/h. Einen kleinen Volumenstrom über eine lange, dünne Leitung nach oben zu fördern, ist Sache der Schneidwerkpumpe; einen großen Volumenstrom über eine kurze, dicke Leitung auf geringe Höhe zu fördern, ist Sache der Vortex-Pumpe.

Die Entscheidungsregel ist eindeutig. Wird die Druckleitung neu gebaut und lässt sich DN80 oder DN100 verlegen, ist eine Pumpe mit Vortex-Laufrad vorzuziehen; sie ist langfristig die Lösung mit dem geringsten Wartungsaufwand. Gibt es in einem bestehenden Gebäude eine durch die Wand geführte Leitung DN32 oder DN40 und sind keine Stemmarbeiten möglich, wird eine Schneidwerkpumpe zwingend. Übersteigt die Förderhöhe 25 mWS und liegt der Volumenstrom unter 10 m³/h, ist die Schneidwerkpumpe ebenfalls die richtige Wahl. Trifft keine dieser drei Bedingungen zu, wird Vortex gewählt.

Der folgende Vergleich stellt die drei Laufradtypen anhand derselben Kriterienliste nebeneinander. Die Werte variieren je nach Baureihe; die angegebenen Bereiche sind typische Spannen, wie sie bei Wohngebäuden und kleinen Gewerbeanwendungen anzutreffen sind. Bei der Entscheidung betrachtet man nicht eine einzelne Zeile, sondern das Gesamtbild aus Durchmesser der Druckleitung und Feststoffgehalt.

• Freier Kugeldurchgang – Vortex: 50-80 mm freier Durchgang; Mehrkanal: 35-50 mm; Schneidwerk: kein freier Durchgang, Teile werden auf 6-10 mm zerkleinert
• Hydraulischer Wirkungsgrad – Vortex: ca. 35-50 %; Mehrkanal: 60-75 %; Schneidwerk: 25-40 %, Schneidleistung wird zusätzlich verbraucht
• Typischer Volumenstrombereich – Vortex: 10-100 m³/h; Mehrkanal: 15-150 m³/h; Schneidwerk: 2-10 m³/h
• Typische Förderhöhe – Vortex: 5-25 mWS; Mehrkanal: 8-40 mWS; Schneidwerk: 20-50 mWS
• Geeignete Druckleitung – Vortex: DN80-DN100 und größer; Mehrkanal: DN80 und größer; Schneidwerk: DN32-DN50
• Beständigkeit gegen faserige Abfälle – Vortex: hoch, Feuchttücher passieren meist; Mehrkanal: mittel, Fasern können sich an der Schaufelkante aufwickeln; Schneidwerk: am höchsten, Fasern werden durch Schneiden beseitigt
• Energieverbrauch – Vortex: mittel für dieselbe Aufgabe; Mehrkanal: am niedrigsten, deutlicher Wirkungsgradvorteil; Schneidwerk: am höchsten, das Schneidwerk zieht ständig Last
• Wartungspositionen – Vortex: Kontrolle von Laufrad und Dichtung; Mehrkanal: Einstellung des Laufradspalts; Schneidwerk: Verschleißreserve von Messer und Schneidring, regelmäßige Nachstellung oder Austausch
• Passt zu wem – Vortex: Toilette im Keller, Sammelschacht eines Mehrfamilienhauses, neu gebaute Leitung; Mehrkanal: Hebeanlage mit hohem Volumenstrom und Gewerbegebäude; Schneidwerk: einzelne Toilette, die über eine dünne Leitung weit gefördert wird, Villa mit großem Höhenunterschied, bestehende enge Leitung

Der Volumenstrom einer Fäkalienpumpe wird aus dem Spitzenwert des im Pumpensumpf anfallenden Abwassers berechnet, nicht aus dem Tagesmittel. In Wohngebäuden liegt der Abwasseranfall pro Person typischerweise in der Größenordnung von 100-150 l/Tag, doch dieses Wasser verteilt sich nicht gleichmäßig über den Tag. Es konzentriert sich auf die Morgen- und Abendstunden. Die Pumpe wird so ausgewählt, dass sie den Zulauf in der verkehrsreichsten Stunde bewältigt; andernfalls läuft der Pumpensumpf über.

Die einfache Methode geht so: Multiplizieren Sie die tägliche Abwassermenge mit der Personenzahl, multiplizieren Sie mit dem Spitzenfaktor und teilen Sie durch die tägliche Betriebsstundenzahl. Beispiel: In einem Mehrfamilienhaus mit 24 Wohnungen und angenommenen 3,5 Personen pro Wohnung beträgt die Personenzahl 84. Bei 130 l/Tag pro Person ergibt sich ein tägliches Abwasser von 84 mal 130 gleich 10.920 l, also ca. 10,9 m³/Tag. Bei einem Spitzenfaktor von 2,5 und einer effektiven Zuflusszeit von 12 Stunden ergibt sich der Spitzenvolumenstrom zu 10,9 mal 2,5 geteilt durch 12 gleich ca. 2,27 m³/h.

Die zweite Methode betrachtet die Belastung durch die Sanitärarmaturen und arbeitet nach der Logik von TS EN 12056-2. Jedem Entwässerungsgegenstand wird eine Abflusskennzahl zugeordnet; der gleichzeitige Volumenstrom ergibt sich, indem die Quadratwurzel der Summe der Kennzahlen mit einem Beiwert multipliziert wird. In Wohngebäuden liegt der Beiwert in der Größenordnung von 0,5. Bei einer Kellergruppe mit einer Summe der Abflusskennzahlen von 60 beträgt der gleichzeitige Volumenstrom 0,5 mal Quadratwurzel aus 60 gleich 0,5 mal 7,75 gleich ca. 3,9 l/s, also 14 m³/h. Dieser Wert ist größer als der der ersten Methode, und von beiden wird der größere gewählt.

Der gewählte Volumenstrom hat auch eine Untergrenze, und diese Grenze ergibt sich aus der Rohrgeschwindigkeit. In der Druckleitung darf die Strömungsgeschwindigkeit nicht unter 0,7 m/s sinken; diese Bedingung legt den kleinsten wählbaren Volumenstrom fest. Der Volumenstrom wird also nicht nur nach dem anfallenden Abwasser geprüft, sondern auch nach der Mindestgeschwindigkeit, die die Leitung sauber hält. Der Bereich, in dem sich diese beiden Bedingungen überschneiden, ist der Arbeitsbereich der Pumpe. Die allgemeinen Schritte der Pumpenauswahl finden Sie in unserem zugehörigen Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Umwälzpumpe aus? Was bedeuten 25/4, 25/6, 25/8?)

Die Förderhöhenberechnung einer Fäkalienpumpe ist die Summe dreier Terme: geodätische Höhe, Rohrreibungsverlust und Einzelwiderstandsverluste. Die Beziehung lautet: Hm gleich Hgeo plus Hf plus Hy. Dabei ist Hgeo der senkrechte Abstand zwischen dem niedrigsten Wasserstand im Pumpensumpf und dem höchsten Punkt der Druckleitung; maßgebend ist der Scheitelpunkt der Leitung, nicht die Anschlusshöhe der Kanalisation.

Gehen wir ein Beispiel durch. Das Einschaltniveau des Pumpensumpfs im Keller liege auf Kote minus 3,20 m, der höchste Punkt der Druckleitung vor dem Eintritt in den Schacht im Garten auf Kote plus 0,60 m. Die geodätische Höhe beträgt 3,20 plus 0,60 gleich 3,80 mWS. Die Druckleitung ist 45 m lang, besteht aus Gusseisen DN80 und enthält 1 Rückschlagventil, 1 Absperrschieber und 4 Bogen von 90 Grad.

Der Reibungsverlust ergibt sich aus dem spezifischen Verlust beim gewählten Volumenstrom. In einer Leitung DN80 liegt der spezifische Reibungsverlust bei einem Volumenstrom von 14 m³/h in der Größenordnung von ca. 0,010 mWS/m. Für 45 m ergibt sich Hf gleich 45 mal 0,010 gleich 0,45 mWS. Für die Einzelverluste besteht der praktische Ansatz darin, 20-30 % des Rohrverlusts aufzuschlagen oder die Armaturen als äquivalente Länge anzusetzen. Wenn ein Rückschlagventil ca. 8 m, ein Absperrschieber 1 m und jeder Bogen 2,5 m äquivalente Länge ergibt, beträgt die gesamte äquivalente Länge 8 plus 1 plus 10 gleich 19 m, was 19 mal 0,010 gleich 0,19 mWS entspricht.

Ergebnis: Hm gleich 3,80 plus 0,45 plus 0,19 gleich ca. 4,44 mWS. Zu diesem Wert wird ein Sicherheitszuschlag von 10 % addiert und auf 5,0 mWS aufgerundet. Das heißt, bei einem Volumenstrom von 14 m³/h genügt eine Pumpe mit Vortex-Laufrad, die 5 mWS fördert. Wie man sieht, bleibt der Reibungsverlust in der dicken Leitung unter 15 % der Summe; maßgebend ist der Term der geodätischen Höhe.

Hätten wir dieselbe Aufgabe mit einer Schneidwerkpumpe DN40 gelöst, sähe das Bild völlig anders aus. In einer Leitung DN40 liegt der spezifische Verlust bei einem Volumenstrom von 4 m³/h in der Größenordnung von ca. 0,055 mWS/m; für 45 m sind das 2,48 mWS, mit den Äquivalenten der Armaturen zusammen 3,0 mWS. Die Gesamtförderhöhe steigt auf 3,80 plus 3,00 gleich 6,80 mWS. In der dünnen Leitung macht der Reibungsverlust 44 % der Summe aus. Deshalb darf bei der Auswahl einer Schneidwerkpumpe die Länge der Leitung niemals vernachlässigt werden.

Der Durchmesser der Druckleitung ist bei der Auswahl einer Fäkalienpumpe eine Einschränkung, die sogar noch vor dem Laufradtyp kommt. Der Grund ist einfach: Die Leitung nachträglich zu vergrößern bedeutet Wand-, Estrich- oder Gartenaufbruch; die Pumpe auszutauschen ist dagegen eine Arbeit von wenigen Stunden. Nach der Logik von TS EN 12056-2 beträgt die Mindest-Nennweite bei Leitungen, die fäkalienhaltiges Abwasser fördern, DN80; wird eine Schneidwerkpumpe eingesetzt, sinkt diese Grenze bis auf DN32, weil der Feststoff bereits zerkleinert ist.

• Nennweite und Innendurchmesser – DN32: ca. 35,9 mm Innendurchmesser; DN50: ca. 54,5 mm; DN80: ca. 82,5 mm; DN100: ca. 107,1 mm
• Kleinster erforderlicher Volumenstrom für 0,7 m/s – DN32: ca. 2,6 m³/h; DN50: ca. 5,9 m³/h; DN80: ca. 13,5 m³/h; DN100: ca. 22,7 m³/h
• Erforderlicher Pumpentyp – DN32 und DN40: nur Schneidwerk; DN50: Schneidwerk oder Laufrad mit begrenztem Durchgang; DN80 und größer: Vortex und Mehrkanal mit freiem Durchgang
• Reibungsverlust in einer 45 m langen Leitung – bei DN32 und 4 m³/h: ca. 4,5 mWS; bei DN50 und 8 m³/h: ca. 1,8 mWS; bei DN80 und 14 m³/h: ca. 0,45 mWS
• Verstopfungsrisiko – DN32: hoch, fällt das Schneidwerk aus, verstopft die Leitung sofort; DN50: mittel; DN80-DN100: gering, der Durchgangsdurchmesser ist kleiner als die Leitung
• Schwierigkeit der Ausführung – DN32: flexibel, durch die Wand führbar, kleiner Biegeradius; DN80-DN100: dick, braucht Auflager und Platz
• Energieverbrauch – DN32: Die Pumpenleistung wächst wegen der hohen Reibung; DN80-DN100: geringe Reibung, dieselbe Aufgabe wird mit weniger kW erledigt
• Passt zu wem – DN32-DN40: einzelne Kellertoilette, nachträglich eingebautes Bad, bestehendes Gebäude, in dem keine Stemmarbeiten möglich sind; DN80-DN100: Sammelschacht eines Mehrfamilienhauses, Großküche, Hebeanlage

Die zweite Zeile der Liste erklärt die unsichtbare Falle der engen Leitung. Wird in eine Leitung DN80 nur ein Volumenstrom von 5 m³/h gefördert, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit auf 0,19 m/s; bei dieser Geschwindigkeit können Feststoffe nicht transportiert werden, sie setzen sich auf der Rohrsohle ab, und die Leitung verengt sich innerhalb weniger Monate. Das heißt, ein dickes Rohr ist nicht immer sicher. Ein dickes Rohr ist nur zusammen mit einem ausreichenden Volumenstrom sicher. Fördern Sie denselben Volumenstrom von 5 m³/h in eine Leitung DN50, beträgt die Geschwindigkeit 0,60 m/s, in eine Leitung DN40 dagegen 1,04 m/s.

Auch der Rohrwerkstoff fließt in die Auswahl ein. In Abwasser-Druckleitungen sind Rohre aus PE100 SDR17, Gusseisen und Edelstahl verbreitet; PVC-Druckrohre werden ebenfalls verwendet, haben aber eine geringe Schlagzähigkeit. Bei PE-Leitungen ist die Nennweite der Außendurchmesser, der Innendurchmesser ändert sich mit der Wandstärke; deshalb wird in der Geschwindigkeitsberechnung stets der tatsächliche Innendurchmesser verwendet. Der Innendurchmesser eines Rohrs PE100 SDR17 mit 63 mm Außendurchmesser beträgt ca. 55,4 mm und verhält sich ähnlich wie ein Stahlrohr DN50. Zu Rohren und Verbindungselementen sehen Sie sich unsere Produktgruppe an. (Details: Installationstechnik)

In einer Abwasser-Druckleitung ist die Strömungsgeschwindigkeit die einzige Größe, die dafür sorgt, dass Feststoffpartikel transportiert werden, ohne sich auf der Rohrsohle abzusetzen. Die akzeptierte Untergrenze beträgt 0,7 m/s, das Auslegungsziel 1,0 m/s. Unterhalb dieser Geschwindigkeit können schwere Partikel nicht in der Schwebe bleiben, auf der Rohrsohle bildet sich ein Sedimentbett, der Querschnitt wird enger, und der verengte Querschnitt beschleunigt die nächste Ablagerung. Der Vorgang nährt sich selbst, und die Leitung ist innerhalb weniger Monate vollständig verschlossen.

Die Berechnung erfolgt mit einer einzigen Formel: v gleich Q geteilt durch A. Dabei ist Q der Volumenstrom in m³/s, A die innere Rohrquerschnittsfläche in m² und v die Geschwindigkeit in m/s. Wird der Volumenstrom in m³/h angegeben, teilt man durch 3600. Beispiel: In einem Stahlrohr DN80 beträgt der Innendurchmesser 82,5 mm, die Querschnittsfläche Pi mal 0,0825 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,005346 m². Bei einem Volumenstrom von 14 m³/h ergibt sich, in Sekunden umgerechnet, 14 geteilt durch 3600 gleich 0,003889 m³/s.

Ergebnis: v gleich 0,003889 geteilt durch 0,005346 gleich 0,73 m/s. Dieser Wert liegt knapp über der Untergrenze von 0,7 m/s und ist akzeptabel. Sinkt der Volumenstrom in derselben Leitung auf 10 m³/h, beträgt die Geschwindigkeit 0,52 m/s, und die Grenze wird nach unten durchbrochen; in diesem Fall wird entweder der Durchmesser auf DN65 verkleinert oder der Pumpenvolumenstrom vergrößert. In einer Leitung DN65 beträgt der Innendurchmesser 70,3 mm, die Fläche 0,003882 m² und die Geschwindigkeit bei 10 m³/h 0,72 m/s. Mit einer einzigen Durchmesserverkleinerung ist das Problem gelöst.

Bei langen Leitungen gilt eine weitere Regel: Die Leitung muss mindestens einmal täglich mit vollem Volumenstrom und ununterbrochen von Anfang bis Ende durchgespült werden. Dafür wird verlangt, dass das Volumen, das die Pumpe in einem Arbeitszyklus fördert, größer ist als das Leitungsvolumen. Das Volumen der 45 m langen Leitung DN80 beträgt 45 mal 0,005346 gleich 0,24 m³, also 240 Liter. Ein System, das in einem Zyklus 300 Liter fördert, erneuert die Leitung vollständig; ein System, das 80 Liter fördert, bewegt nur ein Drittel der Leitung, und im übrigen Teil beginnt die Ablagerung.

Diese Regel ist der Punkt, an dem Pumpensumpfvolumen und Rohrdurchmesser miteinander verknüpft sind. Ein kleiner Pumpensumpf bedeutet häufiges Anlaufen und kurze Laufzeiten; kurze Laufzeiten wiederum bedeuten, dass der hintere Teil der Leitung nie erneuert wird. Deshalb wird der Pumpensumpf bei langen Druckleitungen so groß gehalten, wie es die zulässige Zahl der Schaltspiele erlaubt. Zu den Entsprechungen von Kavitation, Ablagerung und Problemen durch niedrige Geschwindigkeit auf der Pumpenseite finden Sie Informationen in unserem zugehörigen Ratgeber. (Details: Was ist Pumpenkavitation und wie lässt sie sich vermeiden?)

Die Antwort auf die Frage, wie das Volumen des Pumpensumpfs berechnet wird, ergibt sich aus der Motorgrenze: Das Nutzvolumen des Pumpensumpfs wird nach der Zahl der Anläufe bestimmt, die der Motor pro Stunde verkraften kann. Tauchpumpenmotoren ziehen bei jedem Anlauf einen Anlaufstrom in Höhe des 4-7-Fachen des Nennstroms, und die Wicklung kann diese Wärme nur eine begrenzte Anzahl Mal wiederholt aufnehmen. Deshalb wird das Nutzvolumen nicht aus dem Zulaufvolumenstrom, sondern aus der zulässigen Zahl der Schaltspiele berechnet.

Die zulässige Zahl der Schaltspiele variiert mit der Motorleistung. Bei kleinen Motoren unter 1,5 kW sind 15-20 Schaltspiele pro Stunde, im Bereich 1,5-11 kW 10-15 Schaltspiele pro Stunde und über 11 kW 6-10 Schaltspiele pro Stunde die typische Obergrenze. Der genaue Wert steht im Herstellerkatalog und variiert je nach Baureihe. In der Berechnung wird dieser Wert mit Z bezeichnet.

Die Beziehung lautet: Vf gleich Qp geteilt durch vier mal Z. Dabei ist Vf das Nutzvolumen in m³, Qp der Volumenstrom der Pumpe in m³/h und Z die maximal zulässige Zahl der Schaltspiele pro Stunde. Die Teilung durch vier rührt daher, dass der ungünstigste Fall dem Moment entspricht, in dem der Zulauf genau die Hälfte des Pumpenvolumenstroms beträgt; in diesem Punkt ist die Zykluszeit am kürzesten. Beispiel: Für eine Pumpe, die 14 m³/h fördert und höchstens 12 Schaltspiele pro Stunde ausführen kann, gilt Vf gleich 14 geteilt durch 4 mal 12 gleich 14 geteilt durch 48 gleich 0,29 m³, also ca. 290 Liter.

Das Nutzvolumen ist das Volumen zwischen den Aus- und Einschaltniveaus der Schwimmerschalter; es ist nicht das Gesamtvolumen des Pumpensumpfs. Zum Gesamtvolumen kommen noch drei Dinge hinzu: das Totvolumen, das dafür sorgt, dass die Pumpe überdeckt bleibt, das Sicherheitsvolumen zwischen dem Alarmniveau und dem Zulaufrohr und die freie Höhe unterhalb des Zulaufrohrs. In der Praxis ergibt sich das Gesamtvolumen als das 2,5-4-Fache des Nutzvolumens. Für 290 Liter Nutzvolumen ist ein Pumpensumpf von 800-1.100 Litern geeignet.

Die Entlüftung des Pumpensumpfs ist eine eigene Position. Ein Pumpensumpf mit dichter Abdeckung muss die Luft, die sich beim Füllen darin befindet, irgendwohin abgeben; gibt es keine eigenständige Entlüftungsleitung, drückt die Luft über die Siphons der Toiletten zurück, und der Geruch gelangt ins Gebäude. Die Entlüftungsleitung wird vom Pumpensumpf bis zur Dachhöhe mit einem Querschnitt von mindestens DN70 geführt. Wird zur Geruchskontrolle eine chemische Dosierung benötigt, finden Sie Informationen in unserem Dosierpumpen-Ratgeber. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Die Antwort auf die Frage, wie der Niveau-Schwimmerschalter eingestellt wird, besteht aus vier Niveaus: Ausschalten, Einschalten, Zuschaltung der zweiten Pumpe und Hochwasseralarm. Die Schwimmerschalter werden auf diesen Höhen aufgehängt, und ihre Kabellängen bestimmen den Abstand zwischen den Niveaus. Eine falsche Einstellung führt entweder zum Trockenlauf der Pumpe oder zur Überschreitung der Grenze der Schaltspiele pro Stunde.

• Ausschaltniveau – mindestens 5-10 cm oberhalb der Oberkante des Pumpengehäuses; weil die Kühlung des Nassläufermotors vom Fördermedium kommt, darf das Gehäuse niemals frei liegen
• Einschaltniveau – um die berechnete Nutzhöhe oberhalb des Ausschaltniveaus; im Beispiel 26 cm bei einem Pumpensumpf mit 1,20 m Durchmesser
• Niveau der zweiten Pumpe – 10-15 cm oberhalb des Einschaltniveaus; schaltet sich bei Spitzenzuflüssen zu, denen eine einzelne Pumpe nicht gewachsen ist
• Alarmniveau – mindestens 10 cm unterhalb der Unterkante des Zulaufrohrs; wenn der Alarm ertönt, darf der Rückstau noch nicht begonnen haben
• Schwimmerschalter-Typ – Ein Kabel-Schwimmerschalter ist im Schmutzwasser die robusteste Lösung; Drucksensor und Elektrodenstab werden in fetthaltigem Abwasser belegt und messen falsch
• Freie Kabellänge – Damit der Schwimmerschalter kippen und den Kontakt wechseln kann, werden 8-15 cm freies Kabel gelassen; ein zu kurzes Kabel lässt den Schwimmerschalter gar nicht kippen
• Positionierung – Die Schwimmerschalter werden abseits der Strömungslinie des Zulaufrohrs und geschützt vor den Strömungsunruhen am Pumpensaugstutzen aufgehängt; es wird ein Abstand gelassen, damit sie sich nicht ineinander verfangen

Beim Doppelpumpen-Wechselbetrieb schalten sich zwei Pumpen abwechselnd zu und gleichen so ihre Betriebsstunden an, und fällt eine aus, übernimmt die andere ihre Aufgabe. Bei Fäkalienanwendungen ist das kein Komfort, sondern eine Notwendigkeit; denn der Stillstand einer einzelnen Pumpe bedeutet, dass das Abwasser in den Keller zurückdrückt. Die Toleranz gegenüber Unterbrechungen ist null.

Der Wechselbetrieb hat drei Funktionen. Die erste ist die Lastteilung: Beide Pumpen übernehmen je die Hälfte der gesamten Betriebsstunden, sodass nicht beide gleichzeitig das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Die zweite ist die Redundanz: Fällt eine Pumpe aus, lässt der Steuerschrank die andere mit voller Last laufen und gibt einen Störkontakt aus. Die dritte ist die Spitzenleistung: Übersteigt der Zulaufvolumenstrom die einzelne Pumpe, schaltet sich auch die zweite Pumpe zu, und beide laufen parallel.

Im Parallelbetrieb addieren sich die Volumenströme nicht. Werden zwei baugleiche Pumpen parallel geschaltet, steigt der Widerstand in der gemeinsamen Leitung, und der Gesamtvolumenstrom beträgt deshalb nicht das Doppelte des Volumenstroms einer Pumpe, sondern typischerweise das 1,5-1,8-Fache. Zwei Pumpen, die je 14 m³/h fördern, liefern im Parallelbetrieb ca. 22-25 m³/h. Die Förderhöhe steigt dagegen nicht; auf der Anlagenkennlinie entsteht ein neuer Schnittpunkt. Deshalb dient der Parallelbetrieb dazu, den Volumenstrom zu vergrößern, nicht die Förderhöhe.

Die im Steuerschrank zu suchenden Funktionen sind klar: automatischer Wechsel der Reihenfolge, je Pumpe ein eigener Motorschutzschalter, Phasenfolge- und Phasenausfallrelais, Betriebsstundenzähler, Trockenlaufsperre, Hochwasseralarm und ein Wahlschalter Hand-Automatik-Aus. Wird bei Drehstrommotoren das Phasenausfallrelais vernachlässigt, dreht sich ein Motor mit ausgefallener Phase zwar weiter, zieht aber Überstrom und verbrennt in kurzer Zeit die Wicklung.

Der Wechselbetrieb hat noch einen verborgenen Nutzen: Wird die wartende Pumpe mindestens einmal pro Woche kurz betrieben, verhindert das Austrocknen und Festkleben an Laufrad und Dichtung. In Systemen ohne automatischen Wechsel steht die Reservepumpe monatelang still und springt in dem Moment, in dem man sie wirklich braucht, nicht an. Die in den Steuerschränken vorhandene Funktion für den regelmäßigen Test beseitigt dieses Risiko. Zu den Positionen der regelmäßigen Wartung finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Pumpenwartung)

Der Trockenlaufschutz einer Tauchpumpe ist die Einrichtung, die den Motor abschaltet, wenn der Flüssigkeitsstand unter das Pumpengehäuse sinkt, und ihn gesperrt hält, bis wieder aufgefüllt ist. Weil bei Abwasser-Tauchpumpen die Kühlung des Motors durch das umgebende Fördermedium erfolgt, führt Trockenlauf innerhalb weniger Minuten dazu, dass die Wicklungstemperatur über 150 °C steigt und die Isolierung zerstört wird. Die Gleitringdichtung nimmt dagegen schon innerhalb von Sekunden Schaden.

Die erste Schutzebene ist die Niveauüberwachung. Der unterste Schwimmerschalter oder die unterste Elektrode wird etwas unterhalb des Ausschaltniveaus angeordnet, und wenn ihr Kontakt öffnet, sperrt der Schaltschrank die Pumpe. Die Sperre wird nicht automatisch, sondern so eingestellt, dass sie nach der Rückkehr des Niveaus zum Normalwert mit kurzer Verzögerung aufgehoben wird; andernfalls schaltet die Pumpe an der Sperrgrenze ständig ein und aus.

Die zweite Ebene ist der thermische Wicklungsschutz. Bimetall-Thermoschalter, die an den Wickelköpfen von Tauchmotoren angebracht sind, unterbrechen typischerweise bei 130-140 °C den Kontakt und schalten den Motor über den Schaltschrank ab. Das Kabel des Thermoschalters muss gesondert zum Schaltschrank geführt werden; an vielen Einsatzorten bleiben diese beiden Enden unangeschlossen, und der Schutz funktioniert überhaupt nicht. Bei Modellen mit PTC-Thermistor ist zusätzlich ein Auswerterelais erforderlich.

Die dritte Ebene ist der Motorschutzschalter. Der Schalter wird auf den Typenschildstrom des Motors eingestellt und löst bei Überlast aus. Der Einstellwert wird im Bereich von 100-110 % des Nennstroms auf dem Typenschild gewählt. Maßgebend ist nicht der auf den Schalter geschriebene Werkswert, sondern der Typenschildwert des Motors selbst; bei einem Motor, der in ein anderes Gehäuse eingebaut wird, stimmen diese beiden Werte häufig nicht überein.

Nassaufstellung bedeutet, dass die Pumpe im Pumpensumpf in das Fördermedium eingetaucht betrieben wird; bei der Trockenaufstellung wird die Pumpe dagegen in einem gesonderten Raum neben dem Pumpensumpf aufgestellt und saugt aus dem Pumpensumpf an. Bei Wohngebäuden und kleinen Gewerbeanwendungen ist die Nassaufstellung Standard; bei großen Hebeanlagen und Anlagen, die ständig zugänglich sein müssen, wird die Trockenaufstellung bevorzugt. Die Wahl hängt vom Gleichgewicht zwischen Wartungszugang und den Positionen der Anfangsinvestition ab.

• Zugang – Nassaufstellung: Die Pumpe wird an der Führungsschiene nach oben herausgezogen, man muss nicht in den Pumpensumpf hinabsteigen; Trockenaufstellung: Die Pumpe ist im trockenen Raum direkt erreichbar, der Ausbau ist am einfachsten
• Kühlung – Nassaufstellung: Der Motor wird durch das Fördermedium gekühlt, keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich; Trockenaufstellung: Kühlmantel oder externer Kühlkreis erforderlich
• Geräusch und Schwingung – Nassaufstellung: Das Wasser sorgt für Schalldämmung, außen kaum hörbar; Trockenaufstellung: Das Maschinengeräusch ist im Raum hörbar, Dämmung erforderlich
• Saugbedingung – Nassaufstellung: Die Pumpe steht stets unter Wasser, kein Saugproblem; Trockenaufstellung: Die Saugleitung muss berechnet, das Kavitationsrisiko bewertet werden
• Platzbedarf – Nassaufstellung: nur der Pumpensumpf; Trockenaufstellung: zusätzlich zum Pumpensumpf ein gesonderter Maschinenraum
• Kostenpositionen – Nassaufstellung: Führungsschienen-Set, Fußkrümmer, Kette; Trockenaufstellung: zusätzlicher Baukörper, Saugleitung, zusätzliche Armaturen und Kühlausrüstung
• Passt zu wem – Nassaufstellung: Mehrfamilienhaus, Villa, kleines Gewerbegebäude; Trockenaufstellung: im Dauerbetrieb arbeitende Hebeanlage, Industrieanlage, Station mit großer Kapazität

Das Führungsschienensystem ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Nassaufstellung. Es besteht aus einem auf dem Boden des Pumpensumpfs befestigten Fußkrümmer, einem darauf aufsetzenden selbsttätig einrastenden Pumpenfuß und zwei nach oben reichenden Führungsrohren. Wird die Pumpe an der Kette nach oben gezogen, löst sich der Druckanschluss von selbst; beim Absenken sitzt sie durch ihr Eigengewicht dicht auf. Ohne dieses System muss man für die Wartung in den Pumpensumpf hinabsteigen und Rohre demontieren; das ist sowohl gefährlich als auch zeitaufwendig.

Der Gehäusewerkstoff bestimmt die Festigkeit. Bei Abwasser-Tauchpumpen ist der Standard-Gehäusewerkstoff Grauguss der Klasse EN-GJL-250; bei korrosivem Abwasser werden Gehäuse aus Kugelgraphitguss EN-GJS-500 oder Edelstahl verwendet. Der Laufradwerkstoff ist meist Guss; bei Wasser mit hoher Sandfracht wird gehärteter Guss oder ein Edelstahl-Laufrad gewählt. Bei Schneidwerkpumpen besteht das Schneidwerkzeug aus gehärtetem Edelstahl oder Werkzeugstahl, und seine Härte liegt typischerweise über 55 HRC.

Die Gleitringdichtung ist das kritische Element, das den Motor vom Wasser trennt. Die richtige Lösung sind zwei in Reihe geschaltete, voneinander unabhängige Gleitringdichtungen mit einer Ölkammer dazwischen. Die Dichtung auf der Mediumseite besteht aus der Gleitflächenpaarung Siliziumkarbid gegen Siliziumkarbid; diese Paarung ist die widerstandsfähigste Kombination gegen abrasive Körner. Die Dichtung auf der Motorseite kann Kohle gegen Keramik sein. Preiswerte Modelle mit nur einer Dichtung und Lippendichtring sind bei Fäkalienanwendungen kurzlebig.

Auch Schutzart und Tauchtiefe werden geprüft. Bei Abwasser-Tauchpumpen sollte die Motorschutzart IP68 und die Isolationsklasse F oder H betragen; die maximale Tauchtiefe liegt typischerweise in der Größenordnung von 10-20 m. In Pumpensümpfen mit Explosionsgefahr werden Modelle mit ATEX-Zertifikat eingesetzt; weil sich in geschlossenen Sammelgruben Methan ansammeln kann, darf diese Bewertung nicht übersprungen werden. Zu den Optionen für Ventile und Armaturen sehen Sie sich unsere Produktgruppe an. (Details: Ventile & Armaturen)

Die Frage, wie viel kW eine Fäkalienpumpe haben sollte, wird nicht anhand des Katalogs, sondern durch Berechnung beantwortet. Die Wellenleistung ergibt sich aus der folgenden Beziehung: P gleich Q mal H geteilt durch 367 mal Eta. Dabei ist P in kW, Q der Volumenstrom in m³/h, H die Förderhöhe in mWS und Eta der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe. Die Zahl 367 ist die Konstante aus Wasserdichte und Einheitenumrechnungen. Die Motorleistung wird aus der ersten Standardstufe oberhalb der ermittelten Wellenleistung gewählt.

Vortex-Beispiel: Für 14 m³/h Volumenstrom, 5,0 mWS Förderhöhe und 42 % Wirkungsgrad ergibt sich P gleich 14 mal 5,0 geteilt durch 367 mal 0,42 gleich 70 geteilt durch 154,1 gleich 0,45 kW. Als Motorleistung wird die nächsthöhere Stufe von 0,75 kW gewählt. Der Unterschied ist nicht willkürlich; im Abwasser ist die Dichte höher als bei Klarwasser, und am Laufrad anhaftendes Material erhöht das Drehmoment.

Schneidwerk-Beispiel: Für 4 m³/h Volumenstrom, 30 mWS Förderhöhe und 30 % Wirkungsgrad ergibt sich P gleich 4 mal 30 geteilt durch 367 mal 0,30 gleich 120 geteilt durch 110,1 gleich 1,09 kW. Hinzu kommt die vom Schneidwerkzeug aufgenommene Leistung, und es wird ein Motor mit 1,5 kW gewählt. Dass für den Transport des Abwassers im selben Gebäude bei der Vortex-Lösung 0,75 kW und bei der Schneidwerk-Lösung 1,5 kW erforderlich sind, zeigt unmittelbar den Energieunterschied der beiden Konstruktionen.

Der Jahresverbrauch ergibt sich aus den Betriebsstunden. Eine Pumpe, die täglich 10,9 m³ Abwasser mit 14 m³/h fördert, läuft täglich 10,9 geteilt durch 14 gleich 0,78 Stunden, pro Jahr ca. 284 Stunden. Die aus dem Netz aufgenommene Leistung beträgt bei angenommenen 80 % Motorwirkungsgrad 0,45 geteilt durch 0,80 gleich 0,56 kW. Der Jahresverbrauch beträgt 284 mal 0,56 gleich ca. 159 kWh/Jahr. Dieselbe Aufgabe erledigt die Schneidwerkpumpe mit 4 m³/h in 2,73 h/Tag, also 996 h/Jahr, und verbraucht mit 1,09 geteilt durch 0,80 gleich 1,36 kW 1.355 kWh/Jahr.

Der Unterschied von mehr als dem Achtfachen macht die Schneidwerkpumpe nicht schlecht; er zeigt nur den wirklichen Preis der engen Leitung. Dass für dieselbe Aufgabe die Förderhöhe auf das Sechsfache steigt und der Wirkungsgrad sinkt, vervielfacht den Verbrauch. In einem Projekt, in dem die Leitung auf DN80 vergrößert werden kann, amortisiert sich die zur Anfangsinvestition hinzukommende Rohrposition innerhalb weniger Jahre durch die Verbrauchsdifferenz. Den allgemeinen Ansatz der Energieeffizienzberechnungen finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)

Die Ursachen für Verstopfungen von Fäkalienpumpen lassen sich in vier Gruppen zusammenfassen: faserige Abfälle, Fett, Sand und niedrige Strömungsgeschwindigkeit. Keine davon ist ein Herstellungsfehler der Pumpe; alle vier haben ihre Ursache in Betrieb und Planung. Selbst eine richtig ausgewählte Pumpe verstopft regelmäßig in einem Pumpensumpf, in dem sich diese vier Einflüsse häufen.

Faserige Abfälle stehen an erster Stelle. Feuchttücher, Putztücher, Hygieneartikel und Haare bilden, weil sie sich im Wasser nicht auflösen, am Laufradeintritt ein Knäuel; je größer das Knäuel wird, desto mehr verengt sich der Durchgangsquerschnitt, und der Pumpenvolumenstrom sinkt. Das Vortex-Laufrad ist die Bauart mit der höchsten Chance, diese Abfälle durchzulassen; die Schneidwerkpumpe beseitigt sie dagegen durch Schneiden. Mehrkanalige geschlossene Laufräder sind gegenüber faserigen Abfällen die schwächste Gruppe und in Wohngebäude-Pumpensümpfen der Typ, der als erster verstopft.

Fett steht an zweiter Stelle. Das Fett im Küchenabwasser kühlt an der Oberfläche des Pumpensumpfs ab, erstarrt und überzieht mit der Zeit die Schwimmerschalter; ein überzogener Schwimmerschalter kann nicht kippen, und die Pumpe springt entweder gar nicht an oder schaltet gar nicht mehr ab. Bei Gewerbeküchen ist vor dem Pumpensumpf ein Fettabscheider zwingend. Bei Wohngebäuden genügt es, die Oberfläche des Pumpensumpfs einmal im Jahr zu reinigen. Zu Lösungen für Vorbehandlung und Filtration finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Die vierte Ursache ist die niedrige Strömungsgeschwindigkeit, und sie ist die heimtückischste, weil sich die Leitung langsam verengt, während die Pumpe ganz gesund aussieht. Bleibt die Geschwindigkeit in der Druckleitung unter 0,7 m/s, setzt sich der Feststoff auf der Rohrsohle ab; die Ablagerung erhöht den Reibungsverlust, der steigende Verlust senkt den Volumenstrom weiter, und die Geschwindigkeit sinkt noch mehr. Wird dieser Kreislauf bemerkt, ist die Leitung meist nicht mehr durch chemische Reinigung freizubekommen.

Die vorbeugenden Maßnahmen lassen sich in fünf Punkten zusammenfassen. Erstens: den Laufradtyp nach der Abfallzusammensetzung wählen. Zweitens: den Bereich von 0,7-1,0 m/s in der Druckleitung bereits in der Planungsphase nachweisen. Drittens: am Zulauf des Pumpensumpfs einen groben Rechen oder Korb anbringen und ihn regelmäßig entleeren. Viertens: Pumpensumpf und Leitung in einen regelmäßigen Reinigungsplan aufnehmen. Fünftens: ein dauerhaftes Warnschild, das die Nutzer über Feuchttücher und feste Abfälle informiert; das ist die preiswerteste und wirksamste Maßnahme.

Die Entscheidung lässt sich auf drei Szenarien zurückführen. Das erste Szenario ist der Sammelschacht eines neu gebauten Mehrfamilienhauses oder Gewerbegebäudes, in dem sich eine Leitung DN80 verlegen lässt; hier wird eine Vortex-Tauchpumpe gewählt und ein Doppelpumpen-Wechselbetrieb eingerichtet. Das zweite Szenario ist die einzelne Kellertoilette in einem bestehenden Gebäude, die über eine enge Leitung weit gefördert wird; hier ist eine Schneidwerk-Tauchpumpe zwingend. Das dritte Szenario ist die Hebeanlage mit hohem Volumenstrom; hier tritt das Mehrkanal- oder Einkanalrad durch seinen Wirkungsgradvorteil in den Vordergrund.

• Kellertoilette, einzelne Stelle mit Leitung DN32-DN40, Höhenunterschied über 8 m – Es wird Schneidwerk gewählt; Bereich 1,1-1,5 kW, 2-6 m³/h, 25-40 mWS; Grundfos SEG und Lowara GL sind typische Beispiele dieser Klasse
• Sammelschacht eines Mehrfamilienhauses, Leitung DN80, 20-40 Wohnungen – Es wird Vortex gewählt; Bereich 0,75-2,2 kW, 10-25 m³/h, 5-12 mWS; Grundfos SL und Ebara DW passen in diesen Bereich
• Villa, lange Gartenleitung, 40-80 m Entfernung – Die Entscheidung fällt nach der Berechnung; bei einer Leitung DN63 PE Schneidwerk, bei DN90 PE Vortex; maßgebend ist der Term des Reibungsverlusts
• Gebäude mit Gewerbeküche, hohe Fett- und Faserbelastung – Es wird Vortex oder Einkanalrad gewählt, davor ist ein Fettabscheider zwingend; die Baureihe Wilo Rexa wird bei dieser Anwendung häufig eingesetzt
• Hebeanlage, Volumenstrom über 50 m³/h – Es wird ein mehrkanaliges geschlossenes Laufrad gewählt, Trockenaufstellung wird geprüft; der Wirkungsgradunterschied zahlt sich im Jahresverbrauch deutlich aus
• Industrielles Abwasser, abrasive Körner und chemische Belastung – Gefordert werden Kugelgraphitguss- oder Edelstahlgehäuse, doppelte Gleitringdichtung SiC/SiC und ein Leckagesensor
• Priorität für inländische Lieferung und Servicezugang – Die Abwasser-Tauchpumpen-Baureihen im Sortiment von Standart Pompa werden geprüft; die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und die Servicezeit werden in die Auswahlkriterien einbezogen

Diesen Urteilen ist Folgendes gemeinsam: Wenn Leitungsdurchmesser und Pumpensumpfvolumen nicht stimmen, ändert die Pumpenmarke am Ergebnis nichts. Die Baureihen Grundfos SL, Grundfos SEG, Wilo Rexa, Lowara GL, Ebara DW und Standart Pompa sind allesamt in ihrem eigenen Arbeitsbereich zuverlässige Produkte; der größere Teil der gescheiterten Installationen besteht aus richtigen Pumpen, die in den falschen Bereich gesetzt wurden. Auf unserer Seite „Marken“ finden Sie Alternativen bei Marken und Baureihen. (Details: unsere Markenseite)

Eine letzte Kontrolle wird noch vorgenommen: Liegt der Betriebspunkt der gewählten Pumpe in der Nähe des Bestpunkts (Punkt des besten Wirkungsgrads)? Auf der Pumpenkennlinie ist der Bereich von 70-120 % des Bestpunkts der sichere Bereich für den Dauerbetrieb. Eine Auswahl außerhalb dieses Bereichs verkürzt wegen der zunehmenden Radialkräfte die Lebensdauer von Lager und Dichtung. Im Katalog nur auf Volumenstrom und Förderhöhe zu schauen und die Wirkungsgradkennlinie zu überspringen, ist der am häufigsten wiederholte Auswahlfehler.