Wie wählt man eine Tauchpumpe aus? Ratgeber zur Pumpenauswahl nach Brunnentiefe

Eine Tauchpumpe ist eine mehrstufige Kreiselpumpe, deren Motor und Hydraulikteil dicht gebaut sind, damit sie unter Wasser arbeiten können, und die das Wasser nicht ansaugt, sondern durch Drücken an die Oberfläche fördert. Da sie nicht saugt, unterliegt sie nicht der Saughöhengrenze von 7–8 Metern, die für Oberflächenpumpen gilt; deshalb ist sie in tiefen Brunnen die einzige praktikable Lösung. Eine Brunnentauchpumpe wird zusammen mit ihrem Kabel und der Steigleitung in den Bohrbrunnen abgelassen und so betrieben.

Eine Tauchpumpe darf nicht mit Schmutzwasser- und Fäkalienpumpen verwechselt werden. Tauchpumpen für Brunnen sind für Klarwasser gedacht und können keine Feststoffe fördern; die Grenze für den Sandgehalt variiert je nach Baureihe und liegt typischerweise in der Größenordnung von 50 g/m³. Anwendungen für Drainage und Abwasser erfordern eine andere Laufradgeometrie. Zu Pumpenprogramm und Anwendungsgruppen können Sie sich unsere Produktseite ansehen. (Details: Pumpensysteme)

Der Brunnendurchmesser ist die erste Einschränkung, die allein schon das wählbare Pumpengehäuse begrenzt, und ohne ihn zu messen wird kein Katalog aufgeschlagen. Zu messen ist der Innendurchmesser des Futterrohrs, nicht der Außendurchmesser. Die Angabe „6 Zoll“ der Bohrfirma ist meistens das Nennmaß des Futterrohrs; der Innendurchmesser ist um die Wandstärke kleiner, und die Pumpe muss in diesen Innendurchmesser passen.

Die Zollwerte entsprechen Folgendem: 3 Zoll sind ca. 76 mm, 4 Zoll ca. 102 mm, 6 Zoll ca. 152 mm, 8 Zoll ca. 203 mm. Der Außendurchmesser des Gehäuses einer 4-Zoll-Tauchpumpe liegt je nach Hersteller im Bereich von 95–101 mm. Dieses Maß passt physisch nicht in einen Brunnen mit 76 mm Innendurchmesser; die Regel „In einen 3-Zoll-Brunnen passt keine 4-Zoll-Pumpe“ stammt genau daher und lässt sich durch keine noch so geschickte Montage umgehen. In 3-Zoll-Brunnen können nur Baureihen mit 3-Zoll-Gehäuse eingesetzt werden; Grundfos SQ und Grundfos SQE sind verbreitete Beispiele dieser Klasse.

Auch die Volumenstromkapazitäten der Durchmesserklassen unterscheiden sich, und die Auswahl wird oft genau hier festgelegt. Die ungefähren Bereiche sind: 3-Zoll-Baureihen 0,5–6 m³/h, 4-Zoll-Baureihen 0,5–20 m³/h, Tauchpumpen-Baureihen mit 6 Zoll 10–100 m³/h, 8-Zoll-Baureihen 60–250 m³/h. Die Werte variieren je nach Baureihe und Hersteller. In einem landwirtschaftlichen Bewässerungsbrunnen, der einen Volumenstrom von 40 m³/h benötigt, reicht ein 4-Zoll-Gehäuse nicht aus; wurde der Brunnen mit 4 Zoll gebohrt, liegt die Lösung nicht bei der Pumpe, sondern in einer Überarbeitung des Brunnens.

• 3 Zoll (ca. 76 mm Innendurchmesser) — Volumenstrombereich: 0,5–6 m³/h; typische Verwendung: Einzelwohnhaus, Gartenbewässerung, enge Bohrung; Beispielbaureihe: Grundfos SQ, Grundfos SQE
• 4 Zoll (ca. 102 mm Innendurchmesser) — Volumenstrombereich: 0,5–20 m³/h; typische Verwendung: Villa, kleine Wohnanlage, Tropfbewässerung; Beispielbaureihe: Grundfos SP 4-Zoll-Palette, Lowara 4OS
• 6 Zoll (ca. 152 mm Innendurchmesser) — Volumenstrombereich: 10–100 m³/h; typische Verwendung: Wohnanlagen und Wohnsiedlungen, landwirtschaftliche Bewässerung, industrielle Versorgung; Beispielbaureihe: Grundfos SP 6-Zoll-Palette, Lowara Z6
• 8 Zoll (ca. 203 mm Innendurchmesser) — Volumenstrombereich: 60–250 m³/h; typische Verwendung: kommunale Trinkwasserversorgung, großflächige Bewässerung, Entwässerung; Beispielbaureihe: Grundfos SP 8-Zoll-Palette
• Spielraumregel — Zwischen dem Innendurchmesser des Brunnens und dem Außendurchmesser der Pumpe wird ein Gesamtspiel von mindestens 20–25 mm gelassen; Abweichung, Verengung an den Stößen und Verkrustung zehren dieses Spiel auf
• Messregel — Maßgeblich ist nicht das Nennmaß in Zoll, sondern der tatsächliche Innendurchmesser des Futterrohrs; im Zweifel wird er mit einer Brunnenkamera oder einer Lehre überprüft

Der statische Wasserspiegel ist die Tiefe der Wasseroberfläche in Metern ab Brunnenkopf, wenn die Pumpe nicht läuft und der Brunnen sich erholt hat. Der dynamische Wasserspiegel ist dagegen die Tiefe, auf die die Wasseroberfläche absinkt und sich einpendelt, wenn die Pumpe mit einem bestimmten Volumenstrom dauerhaft läuft. Der Unterschied zwischen beiden heißt Absenkung, englisch Drawdown, und zeigt die Ergiebigkeit des Brunnens. Für die Pumpenauswahl wird immer der dynamische Wasserspiegel verwendet.

Die Messmethode ist einfach und erfolgt mit einem elektrischen Wasserstandsmesser. Zuerst wird die Pumpe mindestens 12 Stunden abgeschaltet und der statische Wasserspiegel abgelesen. Dann wird der Brunnen mit einem konstanten Volumenstrom nahe dem angestrebten Wert betrieben; der Wasserspiegel wird alle 15 Minuten abgelesen. Ändern sich die Messwerte in drei aufeinanderfolgenden Messungen um weniger als 0,2 m, hat sich der Wasserspiegel eingependelt, und dieser Wert ist der dynamische Wasserspiegel. Der Test muss mindestens 4 Stunden dauern und bei saisonal betriebenen Brunnen in der Trockenzeit wiederholt werden.

Der spezifische Volumenstrom des Brunnens ergibt sich aus diesen beiden Messungen. Die Beziehung lautet: spezifischer Volumenstrom gleich entnommener Volumenstrom geteilt durch Absenkung. Beispiel: Hat sich in einem Brunnen mit einem statischen Wasserspiegel von 40 m nach 4 Stunden Betrieb bei einem konstanten Volumenstrom von 8 m³/h der dynamische Wasserspiegel bei 62 m eingependelt, beträgt die Absenkung 62 minus 40 gleich 22 m. Der spezifische Volumenstrom ergibt sich zu 8 geteilt durch 22 gleich 0,36 m³/h/m. Dieser Wert sagt im Voraus, dass die Absenkung bei einer Erhöhung des Volumenstroms auf 12 m³/h ca. 12 geteilt durch 0,36 gleich 33 m betragen wird, der dynamische Wasserspiegel also auf 73 m absinkt.

Die manometrische Gesamtförderhöhe ist die Summe aller Anteile, die die Pumpe überwinden muss, in mWS und besteht aus vier Posten: der Tiefe des dynamischen Wasserspiegels, dem statischen Höhenunterschied vom Brunnenkopf bis zum Behälter, dem Reibungsverlust in Rohren und Armaturen sowie dem am Austritt gewünschten Druck. Die Beziehung lautet: H gleich dynamischer Wasserspiegel plus statische Höhe plus Reibungsverlust plus Förderdruck. Wird einer der vier Posten vergessen, ist die Pumpe entweder zu schwach oder überdimensioniert.

Der erste Posten ist der dynamische Wasserspiegel, der ab Brunnenkopf gemessen wird. Maßgeblich ist nicht die Tiefe, in die die Pumpe eingetaucht ist, sondern die Tiefe, in der sich das Wasser befindet; die Pumpe 20 m tiefer abzulassen erhöht den Förderhöhenbedarf nicht, denn die Wassersäule unter der Pumpe übt mit ihrem Eigengewicht Druck auf die Pumpe aus. Das ist in der Praxis der am häufigsten falsch verstandene Punkt.

Der zweite Posten ist die statische Höhe: der senkrechte Abstand zwischen der Höhe des Brunnenkopfs und der Höhe der Wassereintrittsöffnung des Behälters. Der dritte Posten ist der Reibungsverlust, der sich aus der Länge der vertikalen Steigleitung, der Länge der horizontalen Leitung und den örtlichen Widerständen berechnet. Der vierte Posten ist der Förderdruck am Austritt; läuft das Wasser frei in den Behälter, ist er null, wird in eine unter Druck stehende Leitung oder direkt in den Verteiler einer Druckerhöhungsanlage gefördert, ist es das mWS-Äquivalent des gewünschten bar-Werts. 1 bar entspricht ca. 10,2 mWS.

Bauen wir die Beispielrechnung Schritt für Schritt auf. Nehmen wir an, der dynamische Wasserspiegel liegt bei 62 m, der Höhenunterschied zwischen Brunnenkopf und Behältereintritt beträgt 18 m, die horizontale Leitung ist 90 m lang und aus Stahlrohr DN 50. Der Volumenstrom beträgt 8 m³/h. Zuerst bestimmen wir die Strömungsgeschwindigkeit: Der Innendurchmesser eines Rohrs DN 50 beträgt ca. 53 mm, die Querschnittsfläche ist gleich Pi mal 0,053 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,002206 m². Der Volumenstrom wird auf Sekunden umgerechnet: 8 geteilt durch 3600 gleich 0,002222 m³/s. Die Geschwindigkeit v ergibt sich zu 0,002222 geteilt durch 0,002206 gleich 1,01 m/s und liegt im Zielbereich von 0,8–1,5 m/s.

Für den Reibungsverlust wird die gesamte äquivalente Rohrlänge berechnet. Die vertikale Steigleitung führt von der Pumpe zum Brunnenkopf über 70 m, vom Brunnenkopf horizontal zum Behälter über 90 m und zum Behältereintritt vertikal über 18 m, insgesamt also 178 m Rohr; werden für Bögen, Rückschlagventil und Armaturen 10 Prozent hinzugerechnet, beträgt die äquivalente Länge 196 m. In einem Stahlrohr DN 50 liegt der Verlust je Meter bei einer Geschwindigkeit von 1,0 m/s in der Größenordnung von ca. 0,028 mWS/m. Der Verlust ergibt sich zu 196 mal 0,028 gleich 5,5 mWS.

Als vierten Posten nehmen wir an, dass am Behältereintritt ein Druck von 1,5 bar gewünscht wird; das entspricht 15,3 mWS. Ergebnis: H gleich 62 plus 18 plus 5,5 plus 15,3 gleich 100,8 mWS. Die zu wählende Pumpe muss eine Kennlinie haben, die bei einem Volumenstrom von 8 m³/h mindestens 101 mWS Förderhöhe liefert. Wird für die saisonale Absenkung des Wasserspiegels ein Zuschlag von 5 m addiert, steigt das Ziel auf 106 mWS. Einzelheiten zum Begriff der Förderhöhe und zur Umrechnung von mWS in bar finden Sie in unserem Beitrag zur Pumpenauswahl. (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe)

Der Rohrdurchmesser ist die empfindlichste Größe dieser Rechnung. Wird derselbe Volumenstrom von 8 m³/h in einem Rohr DN 40 gefördert, sinkt der Innendurchmesser auf 41 mm, die Querschnittsfläche auf 0,001320 m², und die Geschwindigkeit steigt auf 1,68 m/s. Der Verlust je Meter beträgt dann ca. 0,095 mWS/m, und der Gesamtverlust springt auf 196 mal 0,095 gleich 18,6 mWS. Eine einzige Verkleinerung des Durchmessers addiert 13 mWS zur manometrischen Gesamtförderhöhe und erhöht die aufgenommene Leistung der Pumpe dauerhaft. Für Rohre und Verbindungselemente können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

Der Volumenstrom ist der kleinere von zwei voneinander unabhängigen Werten: dem Volumenstrom, den die Anlage benötigt, und dem Volumenstrom, den der Brunnen nachhaltig liefern kann. Liefert der Brunnen 6 m³/h, legt eine 10-m³/h-Pumpe für eine Anlage, die 10 m³/h verlangt, den Brunnen trocken und lässt die Pumpe durchbrennen. Deshalb wird die Rechnung immer von beiden Seiten durchgeführt, und die Auswahl wird so begrenzt, dass sie 80 Prozent der Brunnenkapazität nicht überschreitet.

Auf der Bedarfsseite werden für Wohngebäude 150–200 Liter Tagesverbrauch pro Person angesetzt. In einer Wohnanlage mit dreißig Wohnungen und angenommenen 3,5 Personen je Wohnung beträgt der Tagesverbrauch 30 mal 3,5 mal 175 gleich 18.375 Liter, d. h. ca. 18,4 m³/Tag. Wird die Pumpe so ausgewählt, dass sie den Behälter in 8 Stunden Betrieb pro Tag füllt, ergibt sich der erforderliche Volumenstrom zu 18,4 geteilt durch 8 gleich 2,3 m³/h. Das ist nicht der momentane Verbrauchsvolumenstrom, sondern der Füllvolumenstrom des Behälters; die momentane Nachfrage zu decken ist Aufgabe des Behälters und der Druckerhöhungsanlage.

Auf der Brunnenseite ist die Grenze der aus dem Absenkungstest abgelesene spezifische Volumenstrom. In einem Brunnen mit einem spezifischen Volumenstrom von 0,36 m³/h/m und einer Setztiefe der Pumpe von 90 m ergibt sich, wenn der dynamische Wasserspiegel höchstens auf 80 m absinken darf, eine mögliche Absenkung von 80 minus 40 gleich 40 m. Der bei dieser Absenkung entnehmbare Volumenstrom beträgt 40 mal 0,36 gleich 14,4 m³/h. Der sichere Betriebsvolumenstrom sind 80 Prozent dieses Werts, also ca. 11,5 m³/h.

Volumenstrom und Förderhöhe hängen voneinander ab, und ein einzelnes Wertepaar genügt für die Auswahl nicht. Auf der Pumpenkennlinie sinkt die Förderhöhe mit steigendem Volumenstrom; gleichzeitig wird im Brunnen mit steigendem Volumenstrom der dynamische Wasserspiegel tiefer, und die erforderliche Förderhöhe steigt. Da sich beide Kennlinien in entgegengesetzter Richtung bewegen, ist der tatsächliche Betriebspunkt der Schnittpunkt von Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie. Zur ausführlichen Methode der Volumenstromberechnung finden Sie Informationen in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung)

Die Motorleistung ergibt sich, indem das Produkt aus Volumenstrom und Förderhöhe durch den Pumpenwirkungsgrad geteilt wird. Die für Wasser gebräuchliche Beziehung lautet: P gleich Q mal H geteilt durch 367 mal η. Dabei ist P die Wellenleistung in kW, Q der Volumenstrom in m³/h, H die manometrische Gesamtförderhöhe in mWS und η der Pumpenwirkungsgrad als Dezimalbruch. Die Konstante 367 ist der Umrechnungsfaktor für die Einheiten, der sich aus der Dichte des Wassers und der Erdbeschleunigung ergibt.

Rechnen wir mit den Werten aus dem vorigen Abschnitt. Es sei Q gleich 8 m³/h, H gleich 100,8 mWS, und der Wirkungsgrad der gewählten Pumpe in diesem Punkt sei aus dem Katalog mit η gleich 0,62 abgelesen worden. Nenner: 367 mal 0,62 gleich 227,5. Zähler: 8 mal 100,8 gleich 806,4. Ergebnis: P gleich 806,4 geteilt durch 227,5 gleich 3,54 kW Wellenleistung.

Der jährliche Energieverbrauch ergibt sich aus diesem Wert. Läuft die Pumpe 8 Stunden am Tag und 300 Tage im Jahr, sind das 2.400 Stunden. Der Verbrauch beträgt 4,43 mal 2.400 gleich ca. 10.632 kWh/Jahr. Würde in derselben Anlage der Rohrdurchmesser bei DN 40 belassen und die manometrische Gesamtförderhöhe auf 114 mWS steigen, würden die Wellenleistung auf 4,00 kW, die aufgenommene Leistung auf 5,00 kW und der Jahresverbrauch auf 12.000 kWh/Jahr steigen. Die Differenz von 1.368 kWh/Jahr ist der Preis einer einzigen Entscheidung über den Durchmesser. Einzelheiten zur Effizienz finden Sie in unserem Beitrag. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)

Auch die Antwort auf die Frage, wie hoch eine Tauchpumpe fördert, steckt in dieser Rechnung. Die physikalische Grenze sind Stufenzahl und Motorleistung; 4-Zoll-Baureihen erreichen in der Praxis eine Größenordnung von 250–300 mWS, 6-Zoll- und 8-Zoll-Baureihen je nach Baureihe und Stufenzahl bis in die Größenordnung von 600 mWS. Die eigentliche Grenze ist jedoch meistens der Nenndruck von Rohren und Verbindungselementen: Bei Steigleitungen über 100 mWS müssen Rohre und Kupplungen mit Nenndruck PN 25 statt PN 16 verwendet werden.

Die Eintauchtiefe einer Tauchpumpe ist der Bereich, in dem der Sauganschluss der Pumpe mindestens 1–3 m unter dem dynamischen Wasserspiegel und mindestens 1–5 m über dem Brunnenboden bleibt. Die Untergrenze verhindert das Ansaugen von Sand und Schlamm, die Obergrenze Trockenlauf und Wirbelbildung. Lassen sich beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllen, liegt das Problem nicht bei der Pumpe, sondern beim Brunnen.

Die Begründung der Obergrenze ist hydraulisch. Nähert sich der Wasserspiegel dem Sauganschluss, bildet sich an der Oberfläche ein Wirbel, und die Pumpe beginnt, mit dem Wasser Luft anzusaugen. Eine Tauchpumpe, die Luft ansaugt, verliert Volumenstrom und erzeugt zwischen Laufrad und Diffusor einen kavitationsähnlichen Verschleiß. Um das Wirbelrisiko auszuschließen, werden mindestens 1 m, bei Brunnen mit stark saisonal schwankendem Wasserspiegel 3 m Wasserüberdeckung belassen. Zum Mechanismus und zu den Auswirkungen der Kavitation finden Sie Informationen in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Was ist Pumpenkavitation und wie lässt sie sich vermeiden?)

Die Motorkühlung einer Tauchpumpe erfolgt durch das Brunnenwasser, das außen am Motorgehäuse nach oben strömt. Die Geschwindigkeit dieser Strömung muss bei 4-Zoll-Motoren mindestens 0,15 m/s betragen, bei größeren 6-Zoll- und 8-Zoll-Motoren je nach Baureihe 0,30–0,50 m/s. Fällt die Geschwindigkeit unter diesen Wert, steigt die Wicklungstemperatur, und der Motor brennt thermisch durch, auch wenn er elektrisch nicht überlastet ist.

Die Berechnung erfolgt über den Ringquerschnitt zwischen dem Innendurchmesser des Brunnens und dem Außendurchmesser der Pumpe. Die Beziehung lautet: v gleich Q geteilt durch A, wobei A gleich Pi geteilt durch 4 mal Quadrat des Brunneninnendurchmessers minus Quadrat des Pumpenaußendurchmessers ist. Beispiel: Der Brunneninnendurchmesser sei 150 mm, der Pumpenaußendurchmesser 101 mm, der Volumenstrom 8 m³/h. A gleich Pi geteilt durch 4 mal 0,150 zum Quadrat minus 0,101 zum Quadrat gleich Pi geteilt durch 4 mal 0,0225 minus 0,010201 gleich 0,009660 m² ergibt sich.

Der Volumenstrom wird auf Sekunden umgerechnet: 8 geteilt durch 3600 gleich 0,002222 m³/s. Ergebnis: v gleich 0,002222 geteilt durch 0,009660 gleich 0,23 m/s. Dieser Wert liegt über der für einen 4-Zoll-Motor erforderlichen Grenze von 0,15 m/s, und die Kühlung ist ausreichend. Würde dieselbe Pumpe in einen Brunnen mit 200 mm Innendurchmesser abgelassen, stiege die Ringfläche auf 0,023404 m², die Geschwindigkeit sänke auf 0,095 m/s, und die Kühlung würde nicht ausreichen.

Die Lösung bei unzureichender Kühlung ist der Kühlmantel. Der Kühlmantel ist eine Hülse, die den Motor umschließt und das Wasser zwingt, nur durch den engen Ringspalt zwischen Motorgehäuse und Mantel zu strömen. Wird in einem 200-mm-Brunnen ein Mantel mit 130 mm Innendurchmesser verwendet, sinkt die Ringfläche auf Pi geteilt durch 4 mal 0,130 zum Quadrat minus 0,101 zum Quadrat gleich 0,005262 m², und die Geschwindigkeit steigt auf 0,42 m/s. Der Kühlmantel ist günstiger als das Pumpengehäuse und wird bei der Montage angebracht.

Die Brunnenwasserqualität bestimmt die Werkstoffklasse der Pumpe und ist die Eingangsgröße, die bei der Auswahl am häufigsten übersehen wird. Vier Werte müssen gemessen werden: Sandgehalt (g/m³), Chlorid (mg/l), Gesamthärte (französische Härtegrade) und pH-Wert. Eine Gehäuseauswahl ohne diese vier Werte führt selbst bei richtiger Hydraulik in drei bis vier Jahren zu einem werkstoffbedingten Ausfall.

Härte sowie Eisen- und Mangangehalt betreffen dagegen die Seite der Verstopfung. In Wasser mit einer Gesamthärte von über 25 französischen Härtegraden senkt die Verkalkung in den Stufen den Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte pro Jahr. In Wasser, das die Werte Eisen 0,3 mg/l und Mangan 0,05 mg/l überschreitet, führen biologische und chemische Ablagerungen sowohl an der Pumpe als auch in der Installation zu Verstopfungen. In diesen Fällen ist eine Aufbereitungsstufe am Pumpenaustritt wirksamer, als den Werkstoff der Pumpe aufzuwerten. Unsere Lösungen zur Wasseraufbereitung können Sie sich ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

• Sandgehalt unter 50 g/m³ — Erforderliche Maßnahme: Standard-Edelstahlgehäuse reicht aus; erwartete Wirkung: normaler Verschleiß, volle Lebensdauer der Stufen
• Sandgehalt über 50 g/m³ — Erforderliche Maßnahme: Brunnenentwicklung, Anpassung der Kiesschüttung, gegebenenfalls Sandabscheider; erwartete Wirkung: ohne Maßnahmen Verschleiß von Laufrad und Diffusor, Wirkungsgradverlust in 2–4 Jahren
• Chlorid unter 300 mg/l — Erforderliche Maßnahme: Edelstahlgehäuse AISI 304; erwartete Wirkung: geringes Korrosionsrisiko
• Chlorid 300–3.000 mg/l — Erforderliche Maßnahme: Edelstahlgehäuse AISI 316 und Edelstahl-Steigleitung; erwartete Wirkung: Risiko von Lochkorrosion unter Kontrolle
• Gesamthärte über 25 französischen Härtegraden — Erforderliche Maßnahme: Enthärtung oder Antiscalant-Dosierung am Austritt; erwartete Wirkung: Verkalkung in den Stufen verlangsamt sich
• Eisen über 0,3 mg/l oder Mangan über 0,05 mg/l — Erforderliche Maßnahme: Oxidations- und Filtrationsstufe; erwartete Wirkung: Ablagerung und Verstopfung werden verhindert
• pH unter 6,5 — Erforderliche Maßnahme: Neutralisation, kein Einsatz von Gussteilen; erwartete Wirkung: saure Korrosion wird gestoppt

Die Filtrationsstufe wird nach der Pumpe und vor dem Behältereintritt angeordnet. In Anlagen, in denen das Brunnenwasser als Trinkwasser genutzt werden soll, ist zusätzlich eine Desinfektion erforderlich, die in der Regel mit einer Dosierpumpe erfolgt. Zu Filtrationsoptionen und zur Logik der Stufung finden Sie Informationen in unserem Beitrag. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Der Trockenlaufschutz ist die Schutzeinrichtung, die den Motor innerhalb von Sekunden abschaltet, wenn der Wasserspiegel unter den Sauganschluss der Pumpe sinkt. Bei einer Tauchpumpe ist dieser Schutz kein optionaler Komfort, sondern ein zwingendes Sicherheitselement; denn wenn einem Motor, der seine Kühlung vom Wasser bezieht, das Wasser fehlt, überschreitet die Wicklungstemperatur in sehr kurzer Zeit die Grenze der Isolation. Das Durchbrennen eines trocken laufenden Tauchmotors ist keine Frage von Minuten, sondern von Sekunden.

Vier Methoden sind verbreitet, und ihre Zuverlässigkeit ist unterschiedlich. Die erste ist die Niveauelektrode: Zwei oder drei in den Brunnen gehängte Elektroden lassen das Relais abfallen, wenn der Kontakt zum Wasser unterbrochen wird. Die zweite ist der Druckschalter; er schaltet ab, wenn der Austrittsdruck unter den Einstellwert fällt, kann aber bei geschlossenem Ventil ein irreführendes Ergebnis liefern. Die dritte ist ein Strom- bzw. Leistungsüberwachungsrelais. Die vierte ist bei einigen Baureihen ein im Motor integrierter elektronischer Schutz.

Einige Baureihen bringen den Schutz ab Werk mit. Bei den Modellen Grundfos SQ und Grundfos SQE sind Trockenlaufschutz, Sanftanlauf, Über- und Unterspannungsschutz sowie Überlastschutz in der Motorelektronik integriert; ein separater Schaltschrank ist nicht erforderlich. Für netzunabhängige Anwendungen bietet die Baureihe Grundfos SQFlex eine Variante, die mit Solar- und Windenergie betrieben werden kann. In der dreiphasigen Palette Grundfos SP wird der Schutz dagegen als separates Gerät auf der Schaltschrankseite installiert.

Die Einstellwerte sind von entscheidender Bedeutung. Die Zahl der Wiederholungsversuche darf nicht unbegrenzt gelassen werden; üblich ist eine dauerhafte Verriegelung nach 3–5 Versuchen. Die Wartezeit wird im Bereich von 15–60 Minuten so gewählt, dass sich der Brunnen wieder füllen kann. Wird diese Zeit zu kurz gehalten, läuft die Pumpe den ganzen Tag über ständig an; bei einem Tauchmotor verkürzen mehr als 10–15 Anläufe pro Stunde die thermische Lebensdauer, selbst mit Sanftanlasser. Zur Diagnose der Ursachen von Wassermangel finden Sie Informationen in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Tauchpumpe fördert kein Wasser: Die 10 häufigsten Störungen und ihre Lösung)

Ein Sanftanlasser ist ein Gerät, das Anlaufstrom und Drehmoment des Motors beim Anlauf rampenförmig ansteigen lässt; ein Frequenzumrichter betreibt den Motor dagegen auch nach dem Anlauf mit veränderlicher Drehzahl. Der Einsatz eines Frequenzumrichters an einer Tauchpumpe ist in Anlagen sinnvoll, in denen sich der Volumenstrom ändert und der Druck konstant gehalten werden soll. Bei einer Brunnenpumpe, die lediglich einen Behälter füllt und im Ein-Aus-Betrieb läuft, genügt ein Sanftanlasser meistens.

• Anlaufstrom — Direktanlauf: das 5–7-Fache des Nennstroms; Sanftanlasser: das 2–3-Fache; Frequenzumrichter: das 1–1,5-Fache
• Mechanischer Stoß — Direktanlauf: bei jedem Anlauf Drehmomentbelastung von Welle und Kupplung, hohes Wasserschlagrisiko; Sanftanlasser: Rampenanlauf, Stoß deutlich geringer; Frequenzumrichter: kontrollierte Rampe, geringster Stoß
• Einstellung des Volumenstroms — Direktanlauf: keine, konstante Drehzahl; Sanftanlasser: keine, nach dem Anlauf volle Drehzahl; Frequenzumrichter: stufenlose Einstellung bis 100 Prozent
• Energieverbrauch — Direktanlauf und Sanftanlasser: bei konstanter Drehzahl konstanter Verbrauch; Frequenzumrichter: im Teillastbetrieb sinkt die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl, in geeigneten Anlagen 20–40 Prozent Einsparung
• Geeignete Anlage — Sanftanlasser: Brunnenpumpen, die einen Behälter füllen und im Ein-Aus-Betrieb laufen; Frequenzumrichter: Systeme, die direkt in das Netz fördern, konstanten Druck verlangen und deren Volumenstrom sich im Tagesverlauf ändert
• Kostenpositionen — Sanftanlasser: Gerät und Arbeit am Schaltschrank; Frequenzumrichter: Gerät, Ausgangsfilter, geschirmtes Kabel, Inbetriebnahme und Parametrierung
• Zusätzliche Anforderung — Frequenzumrichter: Bei einem Tauchmotor sind ein Sinusfilter oder dU/dt-Filter und die Einhaltung der Mindestfrequenz des Motors zwingend erforderlich

Der Nutzen eines Frequenzumrichters ist in der richtigen Anlage groß. Die Konstantdruckregelung senkt bei sinkendem Volumenstrom die Drehzahl und kappt damit sowohl den überschüssigen Druck als auch den Verbrauch; nach den Affinitätsgesetzen sinkt die Wellenleistung um ca. 49 Prozent, wenn die Drehzahl um 20 Prozent gesenkt wird. In einer Anlage mit 4,43 kW und 2.400 Betriebsstunden pro Jahr kann eine durchschnittliche Drehzahlabsenkung von 25 Prozent nach grober Rechnung eine Einsparung in der Größenordnung von 3.000 kWh/Jahr bringen. Zum Funktionsprinzip finden Sie Informationen in unserem Beitrag. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Der Kabelquerschnitt einer Tauchpumpe wird nicht nach der Strombelastbarkeit, sondern nach dem Spannungsfall gewählt. Wegen der Brunnentiefe ist die Kabellänge immer groß, und ein thermisch ausreichender Querschnitt kann hinsichtlich des Spannungsfalls unzureichend sein. Als Grenze gilt, dass der Spannungsfall an den Motorklemmen im Dauerbetrieb 3 Prozent und beim Anlauf 5 Prozent nicht überschreiten darf.

Die Beziehung für Drehstrom lautet: Delta U gleich Wurzel 3 mal I mal L mal ρ mal cos φ geteilt durch S. Dabei ist I der Leiterstrom in A, L die Kabellänge in m, ρ der spezifische Widerstand von Kupfer mit 0,0175 Ω mal mm² geteilt durch m, cos φ der Leistungsfaktor und S der Leiterquerschnitt in mm². Zuerst wird der Strom bestimmt: I gleich P geteilt durch Wurzel 3 mal U mal cos φ mal η.

Beispielrechnung: Der Motor habe 4,0 kW, das Netz 400 V, cos φ gleich 0,82 und der Motorwirkungsgrad 0,80. Nenner: 1,732 mal 400 mal 0,82 mal 0,80 gleich 454,5. Der Strom ergibt sich zu I gleich 4.000 geteilt durch 454,5 gleich 8,8 A. Die Kabellänge beträgt insgesamt 90 m, davon 70 m im Brunnen und 20 m bis zum Schaltschrank.

Für einen Querschnitt von 2,5 mm²: Delta U gleich 1,732 mal 8,8 mal 90 mal 0,0175 mal 0,82 geteilt durch 2,5. Schritt für Schritt: 1,732 mal 8,8 gleich 15,24; mal 90 gleich 1.371,6; mal 0,0175 gleich 24,00; mal 0,82 gleich 19,68; geteilt durch 2,5 gleich 7,87 V. Der Prozentwert ist 7,87 geteilt durch 400 gleich 1,97 Prozent und liegt unter der Grenze von 3 Prozent. Der Querschnitt von 2,5 mm² ist in dieser Anlage ausreichend.

Würde derselbe Motor über 200 m Kabel versorgt, änderte sich das Ergebnis. Rechnet man im Verhältnis 24,00 mal 200 geteilt durch 90 weiter, ergäbe sich Delta U gleich 43,7 V, also 10,9 Prozent; das liegt weit über der Grenze. Bei 4 mm² beträgt Delta U gleich 27,3 V, also 6,8 Prozent, bei 10 mm² dagegen 10,9 V, also 2,7 Prozent. In dieser Anlage ist 10 mm² die richtige Wahl. Der Querschnitt wächst nahezu linear mit der Kabellänge und erreicht bei tiefen Brunnen einen überraschend hohen Anteil an den Kostenpositionen.

Kabelverbindungen sind ein eigenes Thema. Jede Verbindung im Brunnen muss mit einem wasserdichten Schrumpfmuffen-Set oder einer Gießharzmuffe ausgeführt werden; das Umwickeln mit Band gilt nicht einmal als Provisorium. Auf der Schaltschrankseite wird der Motorschutzschalter nach dem Nennstrom des Motors eingestellt, und ein Phasenausfallschutz ist unbedingt vorzusehen. Ein Motor, der bei Phasenausfall auf zwei Phasen läuft, erleidet innerhalb von Minuten Wicklungsschäden, weil der Strom um den Faktor Wurzel 3 steigt. Für Fälle, in denen die aufgenommene Leistung der Pumpe über dem erwarteten Wert liegt, finden Sie Hinweise in unserem Beitrag. (Details: Warum verbraucht eine Pumpe so viel Strom? 8 Wege, den Energieverbrauch zu senken)

Grundfos SP ist eine überwiegend dreiphasige industrielle Tauchpumpen-Palette mit Edelstahlgehäuse und Gehäuseoptionen von 4 bis 10 Zoll. Grundfos SQ ist dagegen eine kompakte Baureihe mit 3-Zoll-Gehäuse, einphasig, mit permanentmagneterregtem Motor und integriertem elektronischem Schutz. Die Auswahl zwischen beiden beginnt mit Brunnendurchmesser und Volumenstrom und wird durch Versorgungsart und Schutzbedarf abgeschlossen.

Der auffälligste Vorteil der Baureihe Grundfos SQ ist ihre Elektronik. Trockenlaufschutz, Sanftanlauf, Über- und Unterspannungsschutz sowie Überlastschutz sind in den Motor integriert; die Anlage kann ohne einen separaten Schutzschrank in Betrieb genommen werden. Die Variante Grundfos SQE ergänzt dies um eine Konstantdruckregelung und hält zusammen mit der Steuereinheit CU 301 den Druck in einem System mit Membranbehälter konstant. Für Stellen ohne Netzanschluss kann die Baureihe Grundfos SQFlex mit einem Solarpanel oder einer Windquelle in einem weiten Spannungsbereich betrieben werden.

Der Vorteil der Baureihe Grundfos SP liegt dagegen in der Breite der Palette und im Wirkungsgrad. Bei 6-Zoll- und 8-Zoll-Gehäusen erreicht der Bestpunkt des Wirkungsgrads 70–80 Prozent, und bei großen Volumenströmen wird der Energieunterschied entscheidend. Auf der Motorseite werden die Motorreihen MS und MMS verwendet, der Schutz wird auf der Schaltschrankseite mit Motorschutzgeräten wie MP 204 installiert. Der Edelstahl-Stufenaufbau gegen Sandabrasion und die je nach Baureihe vorhandene Sandtoleranz verlängern die Einsatzlebensdauer dieser Palette.

• Gehäusedurchmesser — Grundfos SQ und Grundfos SQE: 3 Zoll (ca. 75 mm), passt in einen 3-Zoll-Brunnen; Grundfos SP: Gehäuseoptionen mit 4, 6, 8 und 10 Zoll
• Volumenstrombereich — Grundfos SQ: ca. 0,5–6 m³/h; Grundfos SP: ca. 0,5–250 m³/h, je nach gewähltem Gehäuse
• Versorgung — Grundfos SQ: einphasig 200–240 V; Grundfos SP: überwiegend dreiphasig 380–415 V, in der kleinen Palette Einphasenoption
• Schutz — Grundfos SQ: Trockenlauf-, Überlast- sowie Über- und Unterspannungsschutz im Motor integriert; Grundfos SP: Schutz wird auf der Schaltschrankseite mit einem separaten Gerät installiert
• Anlauf — Grundfos SQ: integrierter Sanftanlauf serienmäßig; Grundfos SP: wahlweise Direktanlauf, Stern-Dreieck, Sanftanlasser oder Frequenzumrichter
• Wirkungsgrad — Grundfos SQ: dank des permanentmagneterregten Motors hoher Motorwirkungsgrad bei kleinen Volumenströmen; Grundfos SP: in der 6-Zoll- und 8-Zoll-Palette erreicht der hydraulische Wirkungsgrad die Größenordnung von 70–80 Prozent
• Geeignet für — Grundfos SQ: Einzelwohnhaus, enge Bohrung, Garten und einphasige Versorgung; Grundfos SP: Wohnanlagen, landwirtschaftliche Bewässerung, industrielle und kommunale Anwendungen

Das Urteil ist klar. Ist der Brunnen ein 3-Zoll-Brunnen oder steht in der Anlage nur eine Phase zur Verfügung und liegt der Bedarf unter 6 m³/h, sind Grundfos SQ oder Grundfos SQE die richtige Wahl. Hat der Brunnen 4 Zoll oder mehr, übersteigt der Volumenstrom 6 m³/h und ist Drehstrom vorhanden, ist die Palette Grundfos SP sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrads als auch der Flexibilität der Palette überlegen. Alle Marken- und Baureihenalternativen finden Sie auf unserer Seite „Marken“. (Details: unsere Markenseite)

Lowara ist eine Pumpenmarke italienischen Ursprungs unter dem Dach von Xylem und bietet im Bereich der Tauchpumpen sowohl 4-Zoll- als auch 6-Zoll-Gehäuse an. Die Baureihe Lowara 4OS ist eine für 4-Zoll-Brunnen ausgelegte mehrstufige Brunnentauchpumpe mit Edelstahlstufen. Die Baureihe Lowara Z6 ist dagegen eine für 6-Zoll-Brunnen entwickelte Palette, die in einem Bereich mit höherem Volumenstrom und höherem Wirkungsgrad arbeitet.

Die Baureihe Lowara Z6 richtet sich an Wohnanlagen, Wohnsiedlungen und die Größenordnung der landwirtschaftlichen Bewässerung. Ein 6-Zoll-Gehäuse bedeutet einen größeren Laufraddurchmesser je Stufe; dadurch lässt sich dieselbe Förderhöhe mit weniger Stufen und höherem Wirkungsgrad erzeugen. In Zahlen ausgedrückt bedeutet der Wirkungsgradunterschied: In einem System, das 40 m³/h und 90 mWS benötigt, beträgt die Wellenleistung bei einem Wirkungsgrad von 62 Prozent 15,8 kW, bei 74 Prozent 13,3 kW. Bei 2.000 Betriebsstunden pro Jahr liegt der Unterschied in der Größenordnung von 5.000 kWh/Jahr.

Pomeka Mekanik leistet Unterstützung bei Auswahl und Dimensionierung in den Tauchpumpen-Paletten der Marken in seinem Sortiment, allen voran Grundfos und Lowara. Liegen Ihre Brunnenmesswerte vor, ist der Baureihenvergleich in weniger als einer Stunde abgeschlossen. Um die Markenpaletten zu vergleichen, finden Sie Informationen in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Die besten Tauchpumpen-Marken im Vergleich: Grundfos, Lowara, Impo, Vansan und Sumak)

Die Montage ist die zweite Hälfte, die die Lebensdauer einer richtig ausgewählten Pumpe bestimmt. Beim Ablassen in den Brunnen sind vier Arbeiten entscheidend: die Traglast der Steigleitung auf das Sicherungsseil zu übertragen, das Kabel im Abstand von 3–5 m an der Steigleitung festzuklemmen, am Pumpenaustritt ein Rückschlagventil einzubauen und die Ablasstiefe schriftlich festzuhalten. Eine Pumpe, die ohne diese vier Maßnahmen eingebaut wird, lässt sich im Störungsfall nicht diagnostizieren.

Bei der Inbetriebnahme sind fünf Werte zu messen: der Strom jeder Phase, die Spannung zwischen den Phasen, der Druck bei geschlossenem und bei vollständig geöffnetem Ventil, der Austrittsvolumenstrom und der dynamische Wasserspiegel. Der gemessene Strom darf 100 Prozent des Typenschildstroms des Motors nicht überschreiten, die Asymmetrie zwischen den Phasen darf 5 Prozent nicht übersteigen. Der Nullförderdruck, also der Druck bei geschlossenem Absperrorgan, muss nahe am Wert der Pumpenkennlinie bei Volumenstrom null liegen; ist er deutlich niedriger, liegt entweder ein Stufenschaden oder ein Leck in der Steigleitung vor.

Die regelmäßige Kontrolle ist bei einer Tauchpumpe der einzige praktikable Weg, Störungen zu vermeiden, denn die Pumpe ist nicht sichtbar. Einmal im Jahr werden Isolationswiderstand, Strom und dynamischer Wasserspiegel gemessen. Ein Absinken des Isolationswiderstands vom Megaohm-Bereich in den Kiloohm-Bereich kündigt einen Wassereintritt in Kabel oder Wicklung an und gibt die Chance zum Eingreifen, bevor die Pumpe ausfällt. Zu den Wartungspositionen finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Pumpenwartung)

Die Auswahl wird dort festgelegt, wo sich Brunnendurchmesser und Volumenstrombedarf kreuzen; Versorgungsart und Wasserqualität bestimmen dagegen Werkstoff und Schutzstufe. Die folgenden Urteile sind direkt anwendbare Ergebnisse für die sechs Profile, die wir in der Praxis am häufigsten antreffen, und weichen Ihre Messwerte davon ab, wird die Rechnung neu durchgeführt.

• Einzelwohnhaus, 3-Zoll-Brunnen, Bedarf unter 2 m³/h — Auswahl: einphasige Baureihe mit 3-Zoll-Gehäuse, Grundfos SQ; Begründung: Eine 4-Zoll-Tauchpumpe passt nicht in 76 mm Innendurchmesser, der integrierte Schutz erübrigt einen separaten Schaltschrank
• Villa und Garten, 4-Zoll-Brunnen, Bedarf 2–8 m³/h — Auswahl: 4-Zoll-Edelstahlbaureihe, Grundfos SP 4-Zoll-Palette oder Lowara 4OS; Begründung: Die Palette erreicht in diesem Bereich ihren höchsten Wirkungsgradpunkt, die Kosten für Steigleitung und Kabel bleiben überschaubar
• Wohnanlage und Wohnsiedlung, 6-Zoll-Brunnen, Bedarf 10–40 m³/h — Auswahl: Tauchpumpen-Baureihe mit 6 Zoll, Grundfos SP 6-Zoll-Palette oder Lowara Z6; Begründung: Beim 6-Zoll-Gehäuse erreicht der Wirkungsgrad 70–80 Prozent, der Unterschied im Jahresverbrauch beläuft sich auf Tausende kWh
• Landwirtschaftliche Bewässerung, 6-Zoll-Brunnen, Bedarf 20–60 m³/h, saisonaler Betrieb — Auswahl: 6-Zoll-Edelstahlbaureihe plus Trockenlaufschutz mit Leistungsüberwachung; Begründung: Am Ende des Sommers sinkt der dynamische Wasserspiegel um 5–10 m tiefer, ohne Schutz ist das Risiko des Trockenfallens hoch
• Industrieller Prozess, 8-Zoll-Brunnen, Bedarf über 60 m³/h, Dauerbetrieb — Auswahl: 8-Zoll-Palette plus Frequenzumrichter und Sinusfilter; Begründung: Die Drehzahlregelung bei veränderlichem Volumenstrom senkt den Verbrauch um 20–40 Prozent, die Zahl der Anläufe sinkt
• Netzunabhängige Stelle, 3–4-Zoll-Brunnen, Solarenergiequelle — Auswahl: Grundfos SQFlex; Begründung: Sie ist für den Betrieb in einem weiten Spannungsbereich und mit einer Gleichstromquelle ausgelegt
• Jedes Profil mit Chlorid über 300 mg/l — Auswahl: Edelstahlgehäuse AISI 316 und Edelstahl-Steigleitung; Begründung: AISI 304 gerät in diesem Bereich in Lochkorrosion, die Lebensdauer des Gehäuses verkürzt sich, auch wenn die Hydraulik stimmt

Auch die Frage „Behälter oder direkter Druck?“ gehört zu diesen Urteilen. Liegt der Volumenstrom des Brunnens unter dem momentanen Bedarf der Anlage, wird unbedingt ein Zwischenbehälter errichtet, und die Tauchpumpe füllt nur den Behälter; die momentane Druck- und Volumenstromversorgung übernimmt die Druckerhöhungsanlage am Behälterausgang. Diese Anordnung verlängert die Motorlebensdauer, weil sie die Zahl der Anläufe der Tauchpumpe senkt. Zu den Auswahlkriterien auf der Seite der Druckerhöhungsanlage finden Sie Informationen in unserem Beitrag. (Details: Welche sind die besten Marken für Druckerhöhungsanlagen? Grundfos, Wilo, DAB, Lowara, Etna und Sumak im Vergleich)