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Technik zur Förderung von Grundwasser im Saugverfahren

Befindet sich ein zu planendes Projekt innerhalb eines  Grundwasserhorizontes, müssen zusätzliche Maßnahmen aufgewendet werden, die das Bauwerk entweder  temporär vom Grundwasser freihalten oder den Grundwasserleiter so verändern, dass kein Wasser mehr das Bauwerk und den dazugehörigen Gründungsbereich berührt oder schädigt. Die Entscheidung, welche Maßnahme sinnvoll ist und umgesetzt wird, ist abhängig vom Bauwerk selbst, dem anstehenden Grundwasserleiter, unter Berücksichtigung der natürlichen Schwankungen, der vorhandenen Geologie, der ökologischen Auswirkungen und der Gesamtkosten. Die Gesamtkosten wiederum werden im Wesentlichen bestimmt durch die eingesetzte Technik, die Energiekosten und die eventuellen Einleitgebühren des geförderten Grundwassers.

In den weiteren Ausführungen beschränken wir uns auf Grundwasserabsenktechnik im Vakuumverfahren. Hierbei wird unterschieden zwischen dem Gravitations- und Schwerkraftverfahren. Das durch verschiedene Pumpentechnik produzierte Vakuum dient im Schwerkraftverfahren zum Heben des Grundwassers auf das gewünschte Niveau und zum Überwinden vorhandener Reibungsverluste. Im Gravitationsverfahren wird das aufgebrachte Vakuum zusätzlich dazu genutzt, Adhäsionskräfte zu überwinden. Bildlich formuliert soll der Wassertropfen sich besser vom Feststoff (Sandkorn) trennen. Insgesamt sind diesen Verfahren natürliche Grenzen gesetzt. Aufgrund der uns umgebenden Atmosphäre von gerundet 1 bar und der Möglichkeit fast absolutes Vakuum zu erzeugen, kann theoretisch das Wasser maximal 10 m angehoben werden. Reibungsverluste und Lufteinschlüsse bleiben bei dieser vereinfachten Betrachtung unberücksichtigt. Es ist weiterhin theoretisch möglich mit diesem Verfahren mit sogenannten Staffelabsenkungen tiefere Absenkungen zu ermöglichen, jedoch sind diesen Überlegungen teilweise aus räumlichen Beschränkungen oder durch günstigere Alternativen Grenzen gesetzt.

Klassische Vakuumabsenkung

 

Historie

Rückblickend kann man sagen, dass die Entwicklung der Gerätetechnik für den interessierten Anwender schon eine lange Entwicklungsphase hinter sich hat. Angefangen mit den Kolbenpumpen im altehrwürdigen römischen Reich, also vor gut 2000 Jahren, über die Entwicklung von Kreiselpumpen im Mittelalter (z. B. für den Bergbau) haben allgemein Pumpen in den unterschiedlichsten Variationen und Leistungen, mit der erreichten Zuverlässigkeit entscheidend zur industriellen Revolution beigetragen. Selbstverständlich wird es auch weiterhin Verbesserungen geben, aber man kann schon sagen, dass die Pumpentechnik in vielen Bereichen als ausgereift betrachtet werden kann.

 

Selbstansaugende Kreiselpumpen (Diesel- und Elektroantrieb)

In der Applikation Grundwasserabsenkung sind Aggregate bis V = 1000 m³/h lieferbar. Dem Einsatz einer selbstansaugenden Kreiselpumpe sind enge Grenzen gesetzt. Vor der Inbetriebnahme muss der Pumpenkörper mit Wasser gefüllt werden. Ferner besitzen die Pumpen je nach Betriebspunkte teilweise hohe NPSH Werte. Dies bedeutet ein eingeschränktes Saugvermögen der Pumpe gegenüber konventionellen Grundwasserabsenkanlagen. Vor dem Hintergrund, dass bei einem abgesenkten Grundwasserspiegel von den Aggregaten ein größeres Vakuum erbracht werden muss und dass bereits bei kleineren Leckagen auf der Saugseite dies zum Zusammenbruch des erforderlichen Vakuums führen kann, ist die Anwendung sehr eingeschränkt. Längere Perioden im sogenannten Trockenlauf vertragen selbstansaugende Pumpen nicht. In der Vakuumabsenkung führt fehlendes Wasser bei dieser Art von Pumpen zum Zusammenbruch des Vakuums. Die Aggregate gelten aus diesen Gründen in dieser Applikation als unzuverlässig und werden in Nordeuropa so gut wie nicht mehr eingesetzt.

Darstellung einer normal saugenden Kreiselpumpe mit Elektroantrieb

 

Membranpumpen (Diesel- und Elektroantrieb)

Die meisten verkauften Aggregate besitzen aufgrund der vielseitigen Einsetzbarkeit einen Dieselmotor als Antrieb. Folglich sind die Aggregate unabhängig vom Stromnetz. Dieses Argument mit der vorhandenen Verschleißfestigkeit stellen die wesentlichen Vorteile für diesen Pumpentyp dar. Es wurden Aggregate für diesen Bereich mit einem Volumenstrom bis V = 90 m³/h gebaut. Heute haben sich Einheiten bis zu einem Volumenstrom bis 60 m³/h durchgesetzt. Neben der Schmutzwasserförderung auf Baustellen eignen sich diese Aggregate für kleinere temporäre Vakuumabsenkungen. Aggregate mit Dieselantrieb sind durch die Verwendung von gut isolierten Schalldämmhauben auch in Wohngebieten einsetzbar. Der Standzeit sind auf Grund der Beständigkeit der Membranen Grenzen gesetzt.

Membranpumpe Typ WM 35

 

Kolbenpumpen (Diesel- und Elektroantrieb)

In den 60er und Anfang der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurden Kolbenpumpen häufig auf den Grundwasserabsenkbaustellen eingesetzt. Dieser Aggregattyp wurde jedoch in den 70er Jahren durch die fortschreitende Entwicklung von professionellen Grundwasserabsenkanlagen verdrängt. Hauptargumentation ist die größere Leistungsfähigkeit von Grundwasserabsenkanlagen gegenüber Kolbenpumpen bei ähnlicher Gerätegröße, den Investitionskosten und dem Wartungsaufwand. Kolbenpumpen haben nach wie vor ihre Berechtigung bei bindigen oder verdichteten Böden und bei sogenannten Linebaustellen (z. B. Pipelinebau). In den erst genannten Fällen verhindert das Pulsieren der Kolbenpumpen ein Zusetzen der Filter. Bei Pipelinebaustellen werden in der Regel Drainagerohre in das Erdreich eingebracht und diese dann nach einer Strecke von z. B. 50 m nach oben ausgeführt und an Kolbenpumpen angeschlossen. Die Förderleistungen sind im Verhältnis gering, in der Praxis kaum größer als 25 bis 30 m³/h. Der Vorteil liegt hierbei in der Unabhängigkeit vom Strom, verbunden mit dem relativ geringen Wartungsaufwand der Motore bei der heute eingesetzten Gerätetechnik.

Einfräsen einer Drainage 

 

Pseudoargumentation

An dieser Stelle möchten wir klarstellen: in der Regel gibt es für jedes Produkt seine Rechtfertigung, so auch für die Kolbenpumpe in der Applikation bei Grundwasserabsenkungen. Auf der anderen Seite gibt es Argumentationen, seitens Anbietern und Herstellern, die Nachteile als Vorteile präsentieren und Leistungen angeben, die einer Prüfung nicht standhalten.

  • Da werden Vergleiche zwischen Dieselvakuumaggregaten und Elektro-Vakuumaggregaten hergestellt, die einem suggerieren, dass eine Diesel- Kolbenpumpe gegenüber einem Elektrovakuumaggregat mit einem zusätzlichen Stromerzeuger die bessere Wahl ist. Abgesehen davon, dass in dieser Art der Darstellung keine Förderleistungen vergleichsweise herangezogen werden erscheint hier schon nicht professionell. Es müssen wieder einmal die Äpfel und die Birnen herhalten, die, wie wir alle wissen, unterschiedlich schmecken. Grundsätzlich gilt, wenn Strom zur Verfügung steht, verwendet man in der Regel Elektroaggregate. Wenn eine Kolbenpumpe mit Dieselantrieb  verglichen wird,  soll hier dann auch ein entsprechendes Diesel- Vakuumpumpaggregat gegenüber gestellt werden.
  • Wirkungsgrad von Kolbenpumpaggregaten
    Auch hier werden irreführende Informationen verbreitet. Aus einer Prospektvorlage     zitieren wir: „Für Grundwasserabsenkungen im Vakuumverfahren kommen Kolbenpumpen zum Einsatz, die ca. 80 % der eingesetzten Energie in Förderleistung umsetzen“. Neue Elektromotoren nach IE3 erreichen fantastische Wirkungsgrade bis hin zu 94 %. Einzylindrige Dieselmotore kommen aber kaum über einen Wirkungsgrad von 20 % hinaus. Gesamtwirkungsgrade, wie dargestellt von 80 %, sind auch nicht annähernd erreichbar.
  • Förderleistungen
    Auch die in veröffentlichten Datenblättern notierten Saug- und Druckhöhen sind nicht realisierbar! Die Saughöhe beträgt bei der 90er Größe 8,1 mWS und nicht wie teilweise angegeben 9,2 oder 9,5 mWS. Dem Fachmann ist klar, dass diese Unterschiede entscheidend sein können, ob das Absenkziel erreicht wird oder nicht. Bei einer manometrischen Förderhöhe des beschriebenen Aggregats von 13,0 mWS geht der Motor aus. Die im Datenblatt angegebene Förderhöhe von 20 mWS ist nicht realisierbar.

Nachteile im Vergleich zu professionellen Grundwasserabsenkanlagen sind:

  • Kolbenpumpen sind vor Sand- bzw. Feststoff behafteter Förderung zu schützen. Wird dies nicht beachtet, sind hohe Wartungskosten und Stillstandszeiten die Folge! Bei Verschleiß fällt die Saugfähigkeit rapide ab.

  • Die Konzeption der Kolbenpumpe beschränkt sich auf die Förderung von einem flüssigen, einem gasförmigen (Luft) Medium oder einem Gemisch von beidem. Eine zusätzliche Förderung von Luft zur Vakuummierung, also zur Erhöhung der Ansaugleistung ist nicht möglich. Reicht also ein Aggregat nicht aus, so muss ein weiteres Aggregat installiert werden. Dass dies mit Kosten verbunden ist, versteht sich von selbst.

  • Der Kraftstoffverbrauch von 16 l / Tag entspricht einem Energiebedarf von ca. 160 kW! Dieser Kraftstoffverbrauch stellt sich quasi nur im Leerlaufbetrieb ein. In dieser Betriebsweise wird der Motor nicht innerhalb der Abgasnorm betrieben (Nenndrehzahl) 1500 1/min!

 

Der besondere Tipp

Bei Einleitung des geförderten Grundwassers fallen in einigen Städten sogenannte Einleitgebühren an, die über einen Nachweis per Wasserzähler berechnet werden. In solchen Fällen ist darauf zu achten, dass die angesaugte Luft nicht über den Wasserzähler geführt wird.


Moderne HÜDIG Kolbenpumpe Typ HC 271/11

 

Vakuumaggregate (Diesel- und Elektroantrieb)

Der große Unterschied gegenüber den zuvor beschrieben Pumpenarten ist, dass auf den Vakuumaggregaten eine oder mehrere zusätzliche Vakuumerzeuger installiert sind. Diese dienen zum einen zur zusätzlichen Vakuumunterstützung, um z. B. das Grundwasser tiefer absenken zu können und um die Luftleistung zu erhöhen. Dadurch wird die Grundwasserabsenkung schneller, effizienter und ökoligischer durchgeführt. Mit dem Adjektiv ökologisch ist gemeint, dass bei einem Vakuumaggregat das Vakuum individuell auf die real erforderliche Saughöhe eingestellt werden kann. Dadurch wird der Grundwasserleiter als Ressource geschont, Energie gespart und der Auftraggeber muss in Fällen, in denen Einleitgebühren erhoben werden, weniger bezahlen. Diese Regelmöglichkeit ist bei Kolben- und Membranpumpen nicht gegeben.

In der Praxis haben sich Leistungsgrößen zwischen 60 und 350 m³/ h bewährt. Es gibt auch größere Aggregate, die im Betrieb auch bei größeren Gesamtfördermengen aus verschiedenen Gründen nicht unbedingt wirtschaftlicher betrieben werden können. Es sind Diesel- und Elektroaggregate lieferbar. In Nordeuropa haben sich auf Grund des relativ dichten vorhandenen Stromnetzes die Elektroversionen durchgesetzt. Für Baustellen mit kurzen Laufzeiten sind auf dem Markt kleine und effiziente Aggregate lieferbar.

HÜDIG als führender deutscher Hersteller für Vakuumaggregate hat in den einzelnen Entwicklungsphasen streng darauf geachtet, dass die Aggregate den hohen Anforderungen der Betreiber gerecht werden. Man bedenke, die Aggregate sind Einsatz 24 h am Tag und diese über Wochen im Betrieb. Dabei ist die Zuverlässigkeit oberstes Gebot. Effizienz, Servicefreundlichkeit und Langlebigkeit werden vorausgesetzt.

Wodurch wird das erreicht?

Großer Vakuumkessel: mit großem Nutzvolumen, geringe Einschalthäufigkeit der Wasser- und Vakuumpumpen.

Schmutzwasserpumpen: Verwendung von Qualitätsschmutzwasser-Tauchpumpen (bei Elektro-) und von selbstansaugenden Schmutzwasserpumpen (bei Dieselantrieb). Resistent gegenüber sandbehafteter Förderung.

Vakuumerzeuger als Trockenläufer: (Kein Ölwechsel oder Wasserstandskontrolle) erforderlich. Neben der Filterkontrolle und gegebenenfalls Wechsel ist ein Austausch der Schieber erst nach 10.000 Stunden erforderlich!

Sonstiges: Verzinkung der Wasser führenden Teile, inklusive großzügig dimensionierten Abscheiderkessel. Verwendung von hochwertigen Bauteilen, wie Rückschlagklappen, Elektrobauteile usw.         

 HÜDIG Elektro-Aggregat HC 488 (hier montiert in einem Schalldämmgehäuse)

 

HÜDIG Diesel-Aggregat HC 551 

 

HÜDIG Diesel-Aggregat HC 522

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