Druckstoß- und Strömungssimulation für effiziente und sichere Trinkwassersysteme

Wie Sie mit Simulationen Ihre Anlagen schützen und Energiekosten senken

In Musterhausen, einer Gemeinde mit 2.000 Einwohnern in Süddeutschland, führt das versehentliche Abreißen der Stromzuleitung zum Hauptpumpwerk zu dessen sofortigem Stopp. Die Netzersatzanlage mit Dieselmotor und Generator, die eigentlich den Ausfall hätte überbrücken sollen, wurde schon seit Jahren nicht mehr getestet. Sie versagt, als sie so dringend benötigt wird. Kein Strom, keine Trinkwassernachfüllung in den Hochbehälter, und dazu ein plötzlicher, ruckartiger Druckabfall im 50 Jahre alten Rohrleitungssystem.

Zwei Stunden später: die Stromversorgung wird schnellstens wieder hergestellt, der Wassermeister der Gemeinde Musterhausen fährt die Pumpen wieder an. Doch der erwartete Förderdruck will sich nicht einstellen, stattdessen zeigen sich plötzlich an zwei Stellen im Netz große Rohrbrüche mit viel Wasserverlust. Die Ursache: Der Druckstoß beim plötzlichen Stopp des Pumpwerks war kritisch für das alte Verteilnetz, in dem keine „elastischen Elemente“ zum Auffangen von Druckstößen vorhanden waren.

Warum sind ältere Verteilnetze besonders anfällig für Schäden durch Druckstöße?

• Sie weisen oftmals Verschleiß und Korrosionsschäden auf.
• Die Verlegung ist oftmals nicht spannungs- und setzungsfrei.
• Bautätigkeiten, Schwinden des Untergrundes und weitere äußere Einflüsse setzen die Funktion der Rohrumhüllung herab.
• Die Bemessung der Netze ist i. d. R. ohne Optimierung hinsichtlich Druckstoßvermeidung erfolgt; zudem sind alte Netze ein „gewachsener Bestand“, der immer wieder erweitert und umgebaut wurde.
• Hochpunkte werden nicht zuverlässig entlüftet, Gasdruckpolster in der Leitung provozieren Druckstöße.
• Es besteht kaum eine tiefere Erkenntnis über die Leistungsfähigkeit des Netzes an den Entnahmepunkten, was beim Öffnen eines Hydranten (Feuerlöschfall) zum Druckstoß führt.
• Druckregeleinrichtungen und generell Druckzoneneinteilungen sind nicht optimal gewählt.
• Pumpen im System schalten nicht druckstoßfrei zu und zurück.
• Elastische Elemente, z. B. Druckbehälter, fehlen ganz oder sind nicht richtig ausgewählt oder falsch bemessen.

„Der Druckstoß – der unsichtbare Feind im Leitungssystem, der jährlich für Schäden in Millionenhöhe an den Netzen verantwortlich ist“

Dass sich der Druck in Rohrleitungen eines Wasserversorgers in bestimmten Maßen ändert, ist normal und passiert planmäßig, z.B. durch das Anfahren oder Abstellen von Pumpen oder öffnende/schließende Armaturen.

Druckveränderungen in bestimmten Maßen sind deshalb vom System ohne Schäden zu tolerieren.

Tritt eine Druckveränderung jedoch zu rasch ein oder fällt zu hoch aus, können Rohrschäden oder die Zerstörung von Armaturen und anderen Einbauten die Folge sein.

Ist hingegen zu wenig Druck im System, kann das zu Implosionsschäden im Netz führen, die je nach Rohrwerkstoff charakteristisch ganz unterschiedlich ausfallen. Bei Trinkwasserleitungen besteht zudem die Gefahr, dass an ungeeigneten Verbindungsstellen Verunreinigungen, Schmutzwasser oder kontaminierte Luft eingezogen wird.

Auch typischerweise im Netz vorhandene Rohrleitungsbeläge lösen sich bei dynamischen Druckänderungen und führen zu Trübungen und Färbungen im Wasser sowie ggf. Verletzungen von Grenzwerten bei der Trinkwasserqualität.

Nach dem Stromausfall mit gravierenden Folgen für die Wasserversorgung in der besagten Gemeinde Musterhausen hat die Bürgermeisterin genug – sie beauftragt ein Ingenieurbüro mit der Risikoanalyse ihrer Trinkwasserversorgung. Denn Sie möchte wissen, warum die Wasserversorgung sich so anfällig gezeigt hat und was man dagegen tun kann.

Als es dann an die Aufstellung der Sofortmaßnahmen und die Planung der weiteten Rehabilitation der Wasserversorgung geht, wird schnell klar, dass im Bereich des ausgefallenen Hauptpumpwerks dringend Abhilfe zu schaffen ist.

Hier liefert die digitale Druckstoß- und Strömungssimulation wichtige Hinweise darauf, was z. B. bei der Sanierung des Pumpwerks zu beachten ist, in welcher Höhe und Länge Trinkwasserrohre zu planen sind und wie sämtliche Einbauten wie Armaturen, elastische Elemente oder Rückflussverhinderer beschaffen sein müssen, um Probleme durch Druckschwankungen in Zukunft zu vermeiden. Auch werden wertvolle Hinweise für die künftige Betriebsweise des Pumpwerks gewonnen, um ein möglichst netzschonendes Schaltverhalten der Pumpen künftig steuerungstechnisch umsetzen zu können.

Doch wie funktioniert Druckstoß- und Strömungssimulation im Detail?

Ablauf einer Druckstoßsimulation

Trinkwasserveteilnetze sind in den allermeisten Fällen vollgefüllte Systeme. Da Wasser als gefördertes Medium „inkompressibel“ ist, gibt es Druckstöße praktisch ungefiltert und so gut wie verzögerungsfrei an die Umgebung weiter, entsprechend v. a. als Belastung für das Rohrleitungsmaterial des Verteilnetzes.

Druckstöße sind deshalb besonders schädlich für die Langzeit-Standfestigkeit der Verteilnetze, und deshalb durch technische Maßnahme effektiv und wirksam zu unterbinden.

Um Druckstöße präzise zu berechnen und ihre Auswirkungen zu simulieren, muss man die Entstehung mit Blick auf die verschiedenen Ursachen gut verstehen. Flankierend zu unserem tiefen Verständnis für die Physik des Druckstoßes nutzen wir als spezialisiertes Ingenieurbüro moderne, hochspezialisierte Software.

Der erste Schritt ist dabei die Erstellung eines digitalen Zwillings Ihrer Anlage. Dieses virtuelle Modell bildet alle Komponenten detailgetreu ab:

• Pumpen und Armaturen
• Rohrleitungen und (Druck-)Behälter sowie Speichergebäude
• sowie alle weiteren relevanten Bauteile

Anhand dieses digitalen Zwillings simulieren wir das Verhalten des gesamten Systems bei plötzlichen Druckveränderungen.

Dabei kann zuallererst der bestehende betriebliche Ablauf in einem Pumpwerk wie im o. g. Beispiel „nachgespielt“ werden, etwa beim Stromausfall. Hier zeigen sich sogleich die beobachteten schädlichen Druckstoßeffekte.

Grund genug, dieses Wissen und Verständnis bei Sanierungs- und Neubauplanungen zu nutzen: Wir erkennen Risiken und Schwachstellen im Förder(druck)system, noch bevor sie in der Realität auftreten. Das schafft eine ideale Grundlage, um Sanierungen oder Neubauten sicher und effizient zu planen.

Schritt 1: Erstellen eines digitalen Modells

Alle relevanten Bestandteile des Versorgungssystems werden in der Software möglichst präzise erfasst. Dazu gehören:

• Bemessungsdaten von Pumpen im System, bzgl. Kennlinie und Betriebspunkt
• Detailwissen um das Zu- und Rückschaltverhalten von Pumpen, z. B. Parameter der An- und Abfahrrampen
• Weitere, den Versorgungsdruck beeinflussende Einrichtungen, z. B. Druckminderer-Einrichtungen
• Daten zu den eingesetzten Absperr- und Sicherheitseinrichtungen (z. B. Absperrarmaturen, Hydranten, Rückflussverhinderer, Netzbe- und Entlüfter),
• Längen und Höhenverläufe der betreffenden Rohrleitungen,
• Materialien zum Rohrleitungssystem und weitere Faktoren, wie z. B. Nennweiten, Rohrrauigkeiten uvm.

Die Software unterstützt hier den Menschen und ermöglicht anschließend eine Visualisierung des bestehenden (oder geplanten) Systems als digitalen Zwilling:

Abbildung: Darstellung eines Pumpwerks in der Software „Flomaster“. Bei sämtlichen Komponenten ist eine Vielzahl an relevanten Parametern hinterlegt. Hier sind noch keine speziellen Bauteile für einen Druckstoßausgleich integriert, um den Ausgangszustand der Anlage zu ermitteln und potenzielle Probleme aufzudecken.

Schritt 2: Erstellen eines digitalen Modells

Alle relevanten Bestandteile des Versorgungssystems werden in der Software möglichst präzise erfasst. Dazu gehören:

Bemessungsdaten vSchritt 2: Modellierung / Planung von Veränderungen am Modell

Nach Erstellung eines funktionsfähigen Modells simulieren wir verschiedene, grundsätzlich maßgebliche und realitätsnahe Szenarien:

Zum Beispiel einen plötzliche Pumpenstopp, dynamisch unter Festlegung unterschiedlicher Randbedingungen, wie z. B. die Anzahl der Berechnungsgänge, Zeitschritte, Gesamtdauer oder Eintritt von Ereignissen.

Mit Hilfe der Softwareunterstützung simulieren nun zahlreiche Auswertungen und Grafiken pro Szenario, die vom bearbeitenden Ingenieur interpretiert und bewertet werden.

Nun passen wir das System digital anhand verschiedener Maßnahmen an (z. B. unter Einbau verschiedener Dimensionen einer Rohrleitung, oder dem Hinzufügen elastischer Elemente wie Druckstoßbehälter mit unterschiedlichen Größen und Einbindepositionen).

Damit nähern wir uns mit praxisnahen Lösungsmöglichkeiten immer mehr einem hydraulischen Optimum an, das wir dann als ausgewähltes wirtschaftliches Szenario vorschlagen. on Pumpen im System, bzgl. Kennlinie und Betriebspunkt

Detailwissen um das Zu- und Rückschaltverhalten von Pumpen, z. B. Parameter der An- und Abfahrrampen

Weitere, den Versorgungsdruck beeinflussende Einrichtungen, z. B. Druckminderer-Einrichtungen

Daten zu den eingesetzten Absperr- und Sicherheitseinrichtungen (z. B. Absperrarmaturen, Hydranten, Rückflussverhinderer, Netzbe- und Entlüfter),

Längen und Höhenverläufe der betreffenden Rohrleitungen,

Materialien zum Rohrleitungssystem und weitere Faktoren, wie z. B. Nennweiten, Rohrrauigkeiten uvm.

Die Software unterstützt hier den Menschen und ermöglicht anschließend eine Visualisierung des bestehenden (oder geplanten) Systems als digitalen Zwilling:

Abbildung: Hier wurden aufgrund im Ausgangszustand festgestellter starker Druckwellen Druckbehälter (Windkessel) ergänzt und dimensioniert, um die starken Druckwellen nach dem Pumpenstopp ausreichend zu dämpfen.

Welchen Nutzen bietet die Strömungssimulation?

Auf der Suche nach Energieverlusten: Neben der Druckstoßsimulation lohnt es sich, auch die Strömungen in wasserführenden Leitungen im System genauer unter die Lupe zu nehmen. Mit einer digitalen Strömungssimulation lassen sich Schwachstellen in der Strömungsführung aufdecken und der Wirkungsgrad des gesamten Systems gezielt optimieren. Dabei kommt eine spezielle Software zur Strömungssimulation zum Einsatz – bekannt als Computational Fluid Dynamics (CFD).

Die Strömungssimulation zeigt im Detail, wo (unerwünschte) Strömungs- oder Druckverluste auftreten. Erst durch diese Analyse können Schwachstellen präzise identifiziert und behoben werden. Das Ergebnis? Ein effizienteres System, das Energie spart und einen Beitrag zu einer nachhaltigen Zukunft leistet.

„Strömungsdruckverluste als schleichende Energiefresser“

Alle Anlagen, in denen Wasser fließt – seien es Pumpen, Rohrleitungen oder Armaturen – verursachen Strömungsverluste. Diese Verluste wirken sich nicht nur auf den Energieverbrauch einer Anlage, sondern auch auf den Wasserdruck an Entnahmestellen aus. Ein niedriger Wasserdruck kann beispielsweise in Haushalten an Wasserhähnen spürbar sein.

Übrigens: Erhöhte Druckverluste in durchströmten Systemen „kosten“ nicht nur Energie, sondern schädigen Anlageneinbauten wie Armaturen und verursachen z. T. erhebliche Geräuschemissionen – ein Punkt beim Thema Arbeitsschutz!

Die Strömungssimulation ist daher ein entscheidendes Hilfsmittel für die energetische Optimierung von Anlagen. Sie sorgt nicht nur für eine wirtschaftliche und effiziente Arbeitsweise, sondern macht Anlagen auch fit für die Zukunft – mit weniger CO2-Emissionen und mehr Nachhaltigkeit. So wird es möglich, die Balance zwischen modernem Komfort, Energieeffizienz und Umweltbewusstsein zu finden.

Moderne Planungen im Anlagenbau, gerade dort, wo es vorrangig um energetische Effizienz geht – also beispielsweise in Hauptpumpwerken – sollten heute durch Strömungssimulation ergänzt werden.

Was passiert physikalisch bei einem Strömungsverlust?

Ein Strömungs- oder Druckverlust entsteht durch Strömungsablösungen, auch Rezirkulationen genannt, bis hin zu einem vollständigen Strömungsabriss. Diese Ablösungen werden unter anderem durch scharfe Umlenkungen, plötzliche Querschnittserweiterungen oder störende Bauteile in der Strömungsführung verursacht. Dabei „platzt“ der Strahl regelrecht auf, was den Strömungsverlauf massiv beeinträchtigt.

Besonders gravierend bei hohen Druckverlusten ist dann auch die Bildung von dampfförmigem Wasser, genannt Kavitation. Ein Effekt, der besonders schädlich ist für Rohrleitungseinbauten und v. a. Pumpen. Die Auswirkungen sind hör- und spürbar und können im Versuchsstand sogar optisch wahrnehmbar gemacht werden!

Mithilfe einer CFD-Simulation lassen sich solche ungünstigen Strömungsverläufe unter Zuhilfenahme einer Computer-gestützten Darstellung sichtbar machen. Damit können durch den planenden Ingenieur strömungsführende Bauteile gezielt optimiert und der Verlust minimiert werden.

Welche Möglichkeiten bietet CFD-Software zur Strömungssimulation?

Der Blick in das geschlossene, unsichtbare System: Mit der Unterstützung durch eine CFD-Software wird es dem Planungsingenieur ermöglicht, eine präzise Modellierung und Analyse von Flüssigkeitsströmen in Rohrleitungssystemen vorzunehmen.

Dank eines optimierten Workflows können Strömungsgeschwindigkeit und Druckverluste in einer 1D-Umgebung berechnet und visualisiert werden. Dies geschieht durch die automatische Erstellung eines Simulationsmodells aus 3D-Geometrien. Mit diesen Funktionen lassen sich Rohrleitungssysteme bereits in der Entwurfsphase dimensionieren, abgleichen und verschiedene Betriebsbedingungen simulieren, um maximale Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten.

Das Strömungsverhalten des Fluids wird visuell dargestellt, und sämtliche relevanten Parameter wie Fließgeschwindigkeit, Druck oder Druckverluste können detailliert analysiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, einzelne Anlagenteile gezielt zu optimieren, etwa durch Reduzierung des Strömungswiderstands, um die Energieeffizienz der gesamten Anlage zu maximieren.