Rainwater harvesting
According to the European Drinking Water Directive <ref name="Europäische Trinkwasserverordnung">European Drinking Water Directive</ref>water in households, which is not used for drinking or bodily hygiene, can be replaced with so-called non-potable water. This non-potable water can be relatively easily collected from roof runoff water. Roof runoff is rainwater that has come from roof surfaces. At minimum non-potable water can be used for toilet flushing, laundry washing or for irrigation purposes. In this way a savings-conscious household can save up to 50 L of drinking water per person every day. Considering the usage in Germany, this constitutes around 50% of the total usage.
With today’s technology, e.g. the PURAIN rainwater filter and AQUALOOP ultrafiltration and UV disinfection, the possibilities for using rainwater for new usages, i.e. with some treatment so that drinking water quality is achieved and can therefore be used for bodily hygiene or drinking water. The compliance and validation of the water quality is ordinarily the obligation of the individual operator.
Usage possibilities:
- Toilet flushing
- Garden irrigation
- Washing machines
- Showering
- Drinking
- Cleaning purposes
- Cooling
- Process water
Advantages for the end-user
- Savings from increasing drinking and wastewater fees
- Soft rainwater is optimal for irrigation of plants
- Reduction of laundry detergent up to 50%
- No hard water buildup in washing machines and softeners are unnecessary
- Soft rainwater protects clothing
- Low-ion rainwater reduces the incidence of kidney stones
- Independence from the water provider
- No anthropogenic trace substances and medical residues
Advantages for communities
- Expenditure reduction for flood protection and avoidance
- Cost reduction for sewer construction, renewal and operation of treatment plants
- Savings potential by connection costs for new construction areas
- Secure the groundwater reservoir and therefore the drinking water supply
Basic principles
Precipitation
The precipitation <ref name="WIKI">Wikipedia</ref> is the amount of flowing water (rainwater) that has been collected in a closed basin during a specific time span from precipitation (rain, snow, hail, fog, etc.). The information is measured in litres and is correlated to square meters.
The average yearly rainfall amount
Information on average rainfall values can be obtained from the online service of weather bureaus. The average rainfall amount, e.g. in Germany is about 830 mm / year. In alpine countries 2000 mm of precipitation is very common.
average annual precipitation <ref name="DW">Wetterkontor</ref> of selected areas in Germany in mm/year
| Location | mm/year | Location | mm/year | Location | mm/year | Location | mm/year |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Aachen | 806 | Erfurt | 528 | Kassel | 696 | Neubrandenburg | 569 |
| Augsburg | 824 | Essen | 893 | Kempten | 1275 | Nuremberg | 627 |
| Bayreuth | 675 | Flensburg | 816 | Kiel | 752 | Passau | 934 |
| Berlin | 593 | Frankfurt/M. | 655 | Cologne | 804 | Regensburg | 643 |
| Bonn | 670 | Freiburg | 933 | Konstanz | 839 | Saarbrücken | 812 |
| Bremen | 713 | Gera | 608 | Leipzig | 586 | Schwerin | 625 |
| Chemnitz | 726 | Görlitz | 673 | Lübeck | 658 | Siegen | 1008 |
| Cottbus | 573 | Greifswald | 552 | Magdeburg | 521 | Stuttgart | 675 |
| Dortmund | 840 | Halle | 476 | Mainz | 587 | Uelzen | 616 |
| Dresden | 668 | Hamburg | 744 | Mannheim | 642 | Ulm | 744 |
| Düsseldorf | 757 | Hanover | 644 | Munich | 920 | Wittenberg | 576 |
| Emden | 778 | Karlsruhe | 740 | Münster | 747 | Würzburg | 597 |
Seasonal distribution of precipitation
In addition to the average amount of precipitation, the seasonal distribution of precipitation is an important input parameter for tank dimensioning.
Source <ref name="Wiki-media">commons Wikimedia</ref>
Peak precipitation of rain events
In addition to the average annual precipitation and the seasonal distribution the consideration of short-term rain events is important for optimal dimensioning, particularly for pipes, rainwater filters and rainwater retention systems. Heavy rain events that occur approximately 4 to 10 times in a year, hardly contribute to water yield in most regions. For instance, heavy rain events contribute only about 3% of the total water yield in Germany. By contrast, light rain events provide about 97% of the water quantity. This knowledge is particularly important for the selection of an appropriate filter system.
Evaluation of rainfall<ref name="Uni Siegen">Siegen Forschungsstelle Wasserwirtschaft fwu Universität Siegen</ref> data for the years 1993 to 1997 by Siegen Research Center for Water Management, Research Institute for Water and Environment, University of Siegen
| Rainfall | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | Average | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mm/5min | % | % | % | % | % | % | % |
| 0.1 | 64.11 | 64.03 | 67.74 | 69.47 | 68.25 | 66.72 | 66.7 |
| 0.2 | 19.78 | 20.93 | 18.40 | 16.93 | 18.94 | 18.99 | 85.7 |
| 0.3 | 8.24 | 8.64 | 7.39 | 6.84 | 6.51 | 7.52 | 93.2 |
| 0.4 | 3.55 | 2.7 | 2.96 | 2.84 | 2.74 | 2.96 | 96.2 |
The table shows that more than 96% of rainfall occurs with an intensity of up to 0.4 mm / 5 min. With a roof area of 150 m², a rainfall of 0.4 mm / 5 min corresponds to an inflow of 0.2 L / s maximum.
This precipitation characteristic, that light rain events deliver > 96% of the rainfall amount – is similar worldwide. Also refer to the values of heavy precipitation values for the USA
Catchment areas
The rainwater yield depends on the size and type of the connected roof surfaces and the precipitation amount. If possible, all existing sealed surfaces and roof areas should be connected to achieve the highest possible yield. Different types of roofing materials differ in both their flow characteristics as well as in the potential contamination of the gathered water gathered.
House and garage roofs are the most suitable catchment areas for rainwater harvesting. Particularly suited are the roofs with smooth surfaces such as tiles, slate or glass. Tile and slate roofs also increase the pH value of acidic rain.
Courtyard or parking areas With connection to courtyard or parking areas additional preliminary cleaning must be done depending on the accumulation of pollutants and separators may be required in case of risk of oil contamination.
Green roofs offer a significantly lower yield due to their natural retention effect. Here particular attention must be paid to the organic load and water discolouration. With a reasonable yield and professional construction, green roofs are quite suitable as collection areas.
Bitumen roofs cause, as with all new roofs, in the beginning a yellow discolouration in the captured rainwater. In order to prevent this colour in laundry, for the first months at least, the washing machine should not be connected.
Asbestos cement roofs The asbestos cement roof must be refurbished before the water is used for example for garden irrigation, in order to avoid the danger of loose asbestos fibres.
Metal roofs Copper, zinc and lead, depending on the runoff concentration, are not suitable for irrigating crop plants. If in doubt, a water sample should be tested. This water can be readily used however without problem for watering ornamental plants, toilet flushing and for washing machines.
Components of a rainwater harvesting system
Filtration
See also Online Planner
With the following measures a good non-potable water quality can be achieved from rainwater:
- Self-cleaning fine filter
- Protection from backwater and small animals
- Skimmer overflow
- Floating suction filter
- Disinfection
- Sedimentation and biological cleaning
- Storage
If the water needs to reach drinking water quality, further treatment steps are required such as ultrafiltration and UV disinfection.
Self-cleaning fine filter
A self-cleaning, fine filter is today recognized as an important component of modern rainwater harvesting. Best results are obtained with a sieve width of about 0.8 mm. Entry of contaminants into the rainwater storage and maintenance intervals are minimized. Particular care should be taken that the sieve used is arranged in a trough, as demonstrated by the test results of some rainwater filters. There are self-cleaning rainwater filters on the market, with which about 50% of the precious water discards into the overflow, a catastrophic loss!
Collecting
It is especially important to make sure that light precipitation, which provides 97 % of water quantity, is 100% collected. With a PURAIN filter for instance, this takes place in a single collection area. Only in this way can an effective overall efficiency of > 98% be achieved. In filters without such a collection area, light precipitation always flows though the same sieve area. As a result the area quickly becomes clogged and further light rain precipitation flows into the overflow.
Self-cleaning
Heavy rain events are suitably used for self-cleaning (discharge of leaves, etc. from the collection area). Heavy precipitation events, which occur about 4 to 10 times a year (Germany) and contribute only approximately 3% of the total water yield, clean out the collection areas of for instance the PURAIN filter using turbulence, the so-called "hydraulic jump".
Protection from backwater and small animals
Clean water does not mean only to clean flowing rainwater, but also to assure that no pollution or small animals from the drainage system can enter the storage through the overflow. This is easily ensured by a non-return valve. Some filters, such as the PURAIN 100 already include these. In some countries such as Germany, the non-return valve is a requirement of the standard (DIN 1989 Part 1 prescribed non-return valve for connection of overflow to a separate system).
Skimmer overflow
An overflow skimmer removes with every storage overflow the floating surface contaminants and automatically transports them to the polluted water discharge. This is a sensible and practical measure to easily and regularly remove grease, pollen, etc. from the storage. The skimmer is already integrated in the PURAIN 100 filter.
Floating suction filter
Floating extraction with suction filtration ensures that the pump always draws the cleanest water from the storage. If however, coarse particles entered the tank, then the floating extraction retains them and protects the pump. The suction filter should not be too fine-meshed to prevent blocking by biofouling. This blocking can rapidly develop to defects in the pump. The ideal mesh size of the suction filter is around 1 mm.
Feinstfilter
Durch den Einsatz der beschriebenen Filter- und Reinigungstechniken wird der Einsatz von Feinstfiltern mit Maschenweiten < 0,8 mm für den Betrieb von WC, Waschmaschine und Bewässerung überflüssig.
Finer filters may be needed for special requirements with process water. Then such a filter is to be installed on the pressure side behind the pump. During operation it is important to pay attention to regular maintenance as fine filters retain dirt. They should be opaque and care should be taken to ensure simple maintenance with provided stopcocks and ventilation.
Disinfection
See INTEWA WIKI guidelines for [Wasseraufbereitung_und_Grauwassernutzung/en|water treatment and greywater recycling]
Sedimentation
The inflowing water may still contain fine substances, which are not retained by the filter. These sedimentation constituents gradually settle down on the bottom of the storage with time, where some additional biological self-cleaning effects are active. To avoid dispersion of the accruing sedimentation layer, the inflow into the cistern should be done through an inlet calmer.
Storage of water
In order to ensure optimal water quality proper storage of the rainwater plays a deciding role. The water is best stored cool and protected from light to prevent as little algae and bacterial growth as possible. Further the storage must be frost-protected.
The storage has a special importance in rainwater harvesting simply due to the construction size. In tropical countries with daily precipitation a tank with only a few hundred litres covers the daily needs of a single-family house. In some areas of Spain there are cisterns today with several hundred m³ of volume in order to last through prolonged dry-periods. When precipitation events are in general uniformly distributed throughout the year (e.g. Germany) and correspond well to the needs of the users, then the useful storage volumes are much smaller than often assumed. In order to determine a useful storage volume information about the quantity and distribution of precipitation as well as the needs is required. Attention must be given to continuing climate change which is resulting in longer dry-periods and accordingly larger required storage volumes.
Generally the following storage types are distinguished:
Above-ground tank
Freely erectable, above-ground tanks can be assembled in the garden, basement or on the roof of a house. They are often used when there is no possibility for underground installation of a tank, such as retrofitting in rocky ground or too narrow construction areas.
The tank must be statically dimensioned in such a way that it can withstand the water pressure permanently without deformation. "Note:" Most underground tanks cannot be freely erected.
Furthermore, it is important that these tanks are absolutely opaque to prevent biological growth. Freely erectable above-ground tanks are made of several materials, the most common of which are PE, PP, GRP, concrete, coated metals, but also wood and clay.
Underground tank
They are suitable for many new buildings if excavation has already been done. They can be housed under parking areas or driveways to save space.
Underground tanks must be dimensioned for decades of useful life and for soil and traffic loads. Underground tanks are made of several materials, the most common of which are PE, PP, GRP, and concrete.
PE or HDPE plastic tank
Plastic tanks are produced by various manufacturing processes. The most common method is called rotational moulding through which PE (recyclable polyethylene) is melted in a hollow form, rotated and cooled. After demoulding, the hollow body (tank) is obtained. Since the machinery costs are not particularly high, several different shapes are available on the market. The stability and quality of the storage is determined by the suitable shape, wall thickness and ribbed-structure. Most of these tanks are offered in the walkable design (no traffic loads) and with volumes from 1000 to max. 10,000 litres suitable for single-family houses. In order to obtain greater storage volumes, several tanks can be coupled together. Their low weight makes transportation cheaper than concrete tanks and easy placement in the excavation pit without a crane. Most underground plastic tanks are not suitable for high groundwater levels or cohesive soils (clay). The uniform filling and compaction with a suitable filling material for plastic tanks is a prerequisite to achieve the necessary stability.
GRP tank (glass-reinforced plastic)
Glass-reinforced plastic tanks are recommended for large storage volumes up to about 250 m³ mostly in the commercial sector. They can be made of one piece. Production is relatively flexible, so that requirements of larger construction projects can be catered to, for example heavy loads of up to SLW60 (60 t truck trafficability), flexible connection choices, integration of additional manhole shafts, fittings, pipes, internal partitions etc. These tanks are also suited as retention tanks or fire-fighting water tanks.
Concrete tank
Several concrete factories now produce monolithic concrete tanks (without junctions in water area) for rainwater harvesting in sizes of up to 20 m³. Due to the weight of tanks and the corresponding high transportation costs on special trucks with rear-mounted cranes, they are usually used within a range of a few 100 km around the production factory. Since the tanks can be directly installed in the excavation pit most suitably by the rear crane, it must be well accessible by the truck. Most concrete tanks are usually trafficable by passenger cars and with the appropriate cover even by trucks. With appropriate soil cover, the concrete tank can also be used with high groundwater. Cohesive soils are usually unproblematic. Larger volumes can be realized by coupling multiple tanks or with in-situ concrete construction. The quality of a concrete cistern is determined by the concrete quality (e.g. compressive strength class C45/55), the concrete reinforcement (steel reinforcement at least in the base and cover) and wall thickness (min. 8 cm).
Former oil and septic tanks
Sometimes even former septic tanks or old oil tanks can be retrofitted for rainwater storage. The old tanks should still be in good condition otherwise the retrofit is more expensive and elaborate than using a new tank. A coating for a steel tank can quickly become more expensive than a new rainwater tank.
Tunnel system
If special designs and sizes are requested for rainwater storage, then it may be appropriate to use plastic elements for rainwater infiltration and retention. DRAINMAX tunnel elements for instance can be installed in an enclosed sheet basin. The storage volume is then made up of the void volume in the backfill material and the storage volume of the tunnel.
Planung und Dimensionierung
Für die Dimensionierung einer Regenwassernutzungsanlage sind folgende Online Tools hilfreich:
Dimensioning cisterns
For larger projects, perform a calculation for optimal storage sizes utilizing long-term rain data with the Rainplaner Software.
In order to calculate the optimal storage size, the relationship between rainwater yield and non-potable water requirement needs to be determined.
Rainwater yield
For a rough calculation that is enough for most storage size dimensioning, the following calculation is reliable for an average yearly rainwater yield:
| Rainwater yield = roof area x precipitation amount x runoff coefficient x filter efficiency |
|---|
Roof area: The roof area includes the projected roof area in m² including all overhangs.
Precipitation amount: The average annual precipitation in mm/year is shown in the overview map. More detailed information can be obtained from the respective weather bureau.
Runoff coefficient: The runoff coefficient determines the proportion of rainfall from the total precipitation that is actually released by the roof. Described here is a very simplified simulation of the retention in different roofing materials, which have been tested in practice.
Runoff coefficients for different roof materials according to DIN 1989 Part 1:
| Roof material | Runoff coefficient |
|---|---|
| Pitched hard roof | 0.8 |
| Gravel / non-gravel flat roof | 0.6 / 0.8 |
| Intensive / extensive green roof | 0.3 / 0.5 |
Filter efficiency: An effective filter efficiency around 0.98 is calculated with use of a PURAIN filter.
Beispiel 1
| Berechnung des Regenwasserertrags |
|---|
| * Einfamilienhaus mit 100 m² Dachgrundfläche und Ziegelsteindach |
| * jährlicher Niederschlag = 750 mm/Jahr |
| * Abflussbeiwert = 0,8 |
| * Filterwirkungsgrad = 0,98 |
| =>Regenwasserertrag = 100 m² x 750 mm/Jahr x 0,8 x 0,98 x 10-3 = 59 m³/Jahr |
Betriebswasserbedarf
Quelle <ref name="Uni OL">DIN 1989-1</ref>
Der Betriebswasserbedarf hängt von den angeschlossenen Verbrauchseinheiten und deren Nutzung ab. Für den Bedarf pro Person und Tag sind in der folgenden Tabelle einige Durchschnittswerte zusammen gefasst:
| Tägl. durchschn. Verbrauch / Person | ||
|---|---|---|
| Wohnhaus | Toilettenspülung | 30 Liter |
| Waschmaschine | 10 Liter | |
| Gartenbewässerung | 60 l/m² Jahr | |
| Reinigungszwecke | 6 Liter | |
| Dusche, Baden, Handwaschbecken | 59 Liter | |
| Trinkwasser | 1 Liter | |
| Bürogebäude | Reinigungszwecke | |
| Toilettenspülung | 12 Liter | |
| Schule / Sportanlage | Toilettenspülung | 6 Liter |
| Beregnungsanlage | 200 l/m² |
Beispiel 2
| Berechnung des Betriebswasserbedarfs | ||
|---|---|---|
| * täglicher Betriebswasserbedarf 4-Personen-Haushalt: | ||
| * Toilettenspülung | 30 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 120 Liter |
| * Waschmaschine | 10 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 40 Liter |
| * Gartenbewässerung | 1 Liter / Pers. x 4 Pers. = | 4 Liter |
| => Gesamter Betriebswasserbedarf pro Tag: | 164 Liter | |
| => Jahresbedarf: | 164 Liter/Tag x 365 Tage = | 60 m³ |
Bei einem Vergleich mit dem in Beispiel 1 ermittelten Regenwasserertrag von 60 m³ für ein Einfamilienhaus zeigt sich, dass nahezu der gesamte Bedarf von Toilette, Waschmaschine und Garten durch den mittleren Regenwasserertrag gedeckt werden könnte.
Speichergrößen
Ertrag = Bedarf
Decken sich Regenwasserertrag und Regenwasserbedarf, so hat sich als einfacher Auslegungswert ein Speichervolumen von 5 % des durchschnittlichen jährlichen Regenwasserertrages bewährt. Dabei ist ein nicht nutzbares Tankvolumen (zum Beispiel 300 Liter bei einem 3000 Liter Tank) zu berücksichtigen, das aus dem Raum zwischen Ansaugstelle und Speicherboden resultiert:
Ertrag << Bedarf
Bei einem Regenwasserertrag, der dauerhaft wesentlich geringer als der Betriebswasserbedarf ist, sind kleiner dimensionierte Zisternen vorzuziehen. In diesem Fall ist ein Speichervolumen von 3 % des durchschnittlichen jährlichen Regenwasser-Ertrages ausreichend. Bei zu geringem Ertrag sollte zunächst geprüft werden, ob weitere Dachflächen (z. B. Nachbargebäude) an die Anlage angeschlossen werden können. Falls dies nicht möglich ist, kann es u. U. sinnvoll sein, nur einen Teil der Verbrauchsstellen an die Regenwassernutzung anzuschließen, um so die notwendige Menge nachgespeisten Trinkwassers gering zu halten.
Ertrag >> Bedarf
In diesem Falle richtet sich die Dimensionierung vorwiegend nach dem Regenwasserbedarf und kann mit etwa 5 % des jährlichen Bedarfes grob abgeschätzt werden.
Beispiel 3
| Ermittlung des benötigten Speichervolumens für ein Einfamilienhaus. | |
|---|---|
| Die Daten hierzu werden aus Beispiel 1 und Beispiel 2 übernommen. | |
| * Dachfläche (Ziegel): | 100 m² |
| * Jährlicher Niederschlag: | 750 mm |
| * Abflussbeiwert inkl. Filterwirkungsgrad: | 78,4 % |
| => Regenwasserertrag: | 59 m³ pro Jahr |
| Anzahl der Nutzer: | 4 Personen |
| Angeschlossene Verbraucher: | WC, Waschmaschine, Gartenbewässerung |
| =>Betriebswasserbedarf: | 60 m³ pro Jahr |
| * Die Dimensionierung des Speichervolumens erfolgt nach der 5%-Regel: | |
| Speichervolumen: 0,05 x 59 m³ + 300L = | 3,25m³ |
Speichersimulation mit Software
Bei größeren Bauobjekten und gewerblicher Betriebswassernutzung sollte eine genaue Bedarfsanalyse vorgenommen werden, um z. B. den Einfluss von saisonalen Schwankungen, von Urlaubszeiten etc. zu untersuchen. Hier kann z.B. die Simulationssoftware RAINPLANER eingesetzt werden.
Dabei werden statt des mittleren Niederschlagswertes konkrete Regenereignisse für jeden Tag berücksichtigt. Außerdem können das Ablaufverhalten unterschiedlicher Dachmaterialien sowie der Überlauf des Speichers bei Starkregenereignissen genau nachgebildet werden.
In der dargestellten Verlaufskurve sind die saisonalen Schwankungen zu erkennen. Im optimalen Fall pendelt sich der Füllstand im Speicher über das ganze Jahr gesehen um einen mittleren Wert ein. Einige Speicherüberläufe im Jahr sorgen für die Entfernung von eingetragenem Oberflächenschmutz von der Wasseroberfläche.
Wirtschaftliche Speichergröße
Simulationen, die schwankende Niederschlagsmengen und die Menge des Überlaufwassers berücksichtigen, belegen, dass der Speicher nicht zu groß gewählt werden sollte. Der Deckungsgrad beschreibt dabei den Anteil am Betriebswasserbedarf, der durch Regenwasser gedeckt werden kann. Für das Beispiel 3 ist dieser Wert in der folgenden Grafik in Abhängigkeit vom Speichervolumen dargestellt. Der maximal zu erzielende Deckungsgrad beträgt 94 %. Um diesen Wert zu erreichen, wäre jedoch ein äußerst großer Speicher notwendig. In der Praxis würde hier ein Speicher mit 3,5 m³ Inhalt eingesetzt, mit dem fast 80 % des Betriebswasserbedarfs durch Regenwasser gedeckt werden kann. Eine weitere Vergrößerung des Speichervolumens erhöht die Investitionskosten unnötig.
Um auch in Trockenjahren ein 3 bis 5-maliges Fortspülen der Oberflächenverschmutzung durch Überlauf des Speichers zu gewährleisten, sollte der Speicher nicht zu groß gewählt werden.
Anders verhält es sich bei reiner Gartenbewässerung. Hier kann es durchaus sinnvoll und gewünscht sein, das Regenwasser aus einer Regenperiode aufzufangen, um es in der kommenden Trockenzeit zu verwenden. Dies führt zu sehr großen Speichervolumina.
Ähnlich ist es in Gegenden mit ausgeprägten Trockenzeiten und Regenzeiten. Wird der gesamte Wasserbedarf für die Trockenperiode in der Regenperiode aufgefangen, so müsste der Regenwasserspeicher für das genannte Beispiel etwa die 6-fache Größe haben. Alternativ kann überlegt werden, ob die Regenwasseranlage aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nur während der Regenzeit und ggfls. mit einem noch kleineren Speicher betrieben wird.
Einbauhinweise für Regenwasserspeicher
Für die Installation der Zisterne und Durchführung der Erdarbeiten ist es wichtig, die Höhe der Anschlüsse und die Einbautiefe zu ermitteln. Die hierzu benötigten Anschlussmaße der jeweiligen Speicher sind den technischen Datenblättern zu entnehmen. Die Ablaufrohre müssen frosttief mit etwa 1% Gefälle verlegt werden (in vielen Gegenden in Deutschland z.B. mit 80 cm).
Die Einbautiefe setzt sich demnach wie folgt zusammen:
| frosttiefe Rohrverlegung F | z.B. 80 cm |
| + notwendiges Rohrgefälle G | z.B. 10 cm |
| + Zulaufhöhe am Tank Z | z.B. 162 cm |
| = Einbautiefe des Speichers E | z.B. 252 cm |
Je nach Bodenbeschaffenheit sind beim Ausheben noch zusätzlich ca. 10 cm für die Vorbereitung des Untergrunds vor dem Einsetzen der Zisterne zu berücksichtigen.
Hoher Grundwasserstand
Bei einem hohen Grundwasserstand können nur speziell dafür ausgewiesene Zisternen verwendet werden. Zusätzlich muss eine Berechnung des Auftriebes erfolgen. Viele Betonzisternen können durch ihr Eigengewicht je nach Erdüberdeckung, im Grundwasser ohne zusätzliche Auftriebssicherung stehen. Zusätztliche Auftriebssicherungen können z.B. mit Bodenankern erstellt werden.
Einstiegsöffnung
Die Einstiegsöffnung des Speichers muss für spätere Reinigungs- und Wartungsarbeiten zugänglich gehalten werden. Zum Angleich an das Erdniveau können verschiebbare Domschächte oder Ausgleichsringe aus Beton eingesetzt werden. Zur Unfallvermeidung muss der Einstieg mit einem sicher verschließbaren Deckel versehen werden oder so schwer sein, dass Kleinkinder ihn nicht öffnen können.
Speicherüberlauf und Rückstauebene
Die Höhe des Speicherüberlaufs ergibt sich aus den Anschlussmaßen der Zisterne. An folgende Entwässerungseinrichtungen kann der Speicherüberlauf angeschlossen werden:
- Versickerungseinrichtung
- Regenwasserkanal bei Trennsystem
- Mischwassersystem
Wo immer möglich, sollte der Speicherüberlauf an eine Versickerung angeschlossen werden, um das überschüssige Wasser vor Ort dem Grundwasser zuzuführen. Kommt eine Versickerung nicht in Frage, ist ein Kanalanschluss für den Überlauf vorzusehen. Bei vorhandenem Trennsystem wird das Wasser dem Regenwasserkanal zugeführt. Anderenfalls erfolgt ein Anschluss an das Mischwassernetz.
Selten auftretende Starkregenereignisse können zu einer Überlastung der jeweiligen Entwässerung führen. Das anfallende Wasser kann nicht mehr geordnet abgeführt werden und ein Rückstau des Wassers in die Zisterne tritt ein. Wegen seiner möglichen Rückwirkung auf den Speicher ist in diesem Fall bei der Planung einer Regenwasseranlage diesem Punkt besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Es muss, insbesondere bei Anschluss an das Mischwassersystem, verhindert werden, dass Schmutzwasser aus der Kanalisation in den Speicher gelangen kann.
Die Rückstauebene gibt an, bis zu welcher Höhe sich das Wasser in der Kanalisation maximal anstauen kann. Die Lage der Rückstauebene wird zumeist von der örtlichen Behörde festgelegt. Anderenfalls gilt als Rückstauebene die Höhe der Straßenoberkante (DIN 1986).
Speicherüberlauf oberhalb der Rückstauebene
Im günstigsten Fall liegt der Überlauf oberhalb der Rückstauebene. In diesem Fall kann das Überlaufwasser mit dem vorhandenen Gefälle direkt zum Kanal geleitet werden. Dabei muss sich der Überlauf an der Zisterne mindestens 20 cm oberhalb der Rückstauebene befinden. Der Überlauf muss unterhalb der Zulaufleitung liegen, sein Durchmesser größer oder gleich dem der Zuleitung sein.
Speicherüberlauf unterhalb der Rückstauebene an Regenwasserkanal oder Versickerungssystem
Kann der Überlauf nicht rückstausicher an die Entwässerungseinrichtung angeschlossen werden, so ist nach DIN1989-1 über eine einfache [[Selbstreinigende Feinfilter|Rückstauklappe] sicherzustellen, dass bei einem Rückstau kein Wasser in die Zisterne gelangen kann.
Speicherüberlauf an Mischwassersystem unterhalb der Rückstauebene oder zu höher liegender Versickerungseinrichtung
Vorgabe nach Norm DIN1989-1
Bei einem Anschluss des Speicherüberlaufes an einen Mischwasserkanal oder an eine höher liegende Versickerungseinrichtung sollte nach DIN1989-1 eine Hebeanlage zum Einsatz kommen. Mit einer Hebeanlage wird das Wasser bei Erreichen des maximalen Wasserstandes durch eine Tauchpumpe über die Rückstauebene gefördert. Es ist darauf zu achten, dass die Druckleitung auch im Bereich der erhöhten Rückstauschleife frostsicher verlegt ist. Die Rückstauschleife kann dazu auch im Haus verlegt sein. Die Dimensionierung der Pumpe erfolgt nach DIN 1986-100 mit r(5,100). Die Pumpe kann dabei im Regenwasserspeicher untergebracht werden, wodurch ein zusätzlicher Pumpschacht entfällt.
Ausführung in der Praxis
Wogegen beim Anschluss an die höher gelegene Versickerung und Retention eine Hebeanlage auch technisch unbedingt erforderlich ist, ist mit dem Kunden bei Anschluss an das Mischwassersystem abzusprechen, ob nicht doch die Installation einer einfachen Rückstauklappe ausreichend ist. Das Risiko einer fäkalen Verschmutzung durch Rückstau aus dem Mischwasserkanal kann relativiert werden, da in der Regel die Zisterne ohnehin voll Wasser steht, wenn es zu einem Überlaufen des Kanalsystems kommt. Weiterhin sind die Verschmutzungen bei diesen Regenereignissen sehr stark verdünnt.
In der Praxis werden solche Hebeanlagen fast nie verwendet.
Ebenso verhält es sich mit der Dimensionierung der Hebeanlage, da bei der Berechnung nach DIN 1986-100 mit r(5,100) sehr große Volumenströme errechnet werden. Die Volumenströme können reduziert werden, wenn ein zusätzliches Puffervolumen geschaffen wird, um das maßgebende Starkregenereignis zu reduzieren.
Erforderliche Tauchmotorpumpenleistung bei Einsatz als Hebeanlage im Regenwasserspeicher am Beispiel der Starkniederschlagsreihen von Köln mit und ohne Puffervolumen:
| Regenspende r5, 100 = 648,5 l/(s-ha) Dachfläche A = 100 m² | |||
|---|---|---|---|
| V = 0 | V = 1 m³ | ||
| Pumpenleistung [l/min] | Pumpentyp | Pumpenleistung [l/min | Pumpentyp |
| 389 | BIOX 400/12 | 195 | DRENOX 250/10 |
Die Pumpenempfehlung berücksichtigt eine Gesamtförderhöhe (Hgeo + HVerlust) von max. 2 m.
Sowohl Hebeanlagen als auch Rückstauklappen unterliegen im Betrieb der Wartungspflicht und müssen daher über Revisionsöffnungen zugänglich gehalten werden. Außerdem ist der Fall zu beachten, dass wegen eines Pumpendefekts oder anstehendem Rückstau kein Wasser aus dem Speicher abgeführt werden kann, obwohl weiter Wasser zuläuft. Bei Außenzisternen ist dann ausnahmsweise ein unkontrollierter Wasseraustritt aus einem Notüberlauf, welcher im Zisternendeckel sein kann, zu akzeptieren. Ein Eindringen des Wassers in das Gebäude z.B. über das Leerrohr muss jedoch sicher ausgeschlossen werden.
Pumpen, Betriebs- und Regenwasserwerke
Für die Dimensionierung einer Betriebswasserpumpe ist folgendes Online Tool hilfreich:
Leitungsnetz und Zubehör
Auf seinem Weg zum Verbraucher durchläuft das Regenwasser unterschiedliche Leitungen. Die Versorgung der Entnahmestellen einer Regenwassernutzungsanlage erfolgt über ein eigenes sogenanntes Betriebswassernetz. Das Betriebswassernetz muss aus korrosionsbeständigen, lichtundurchlässigen Materialien bestehen. Die Saugleitung zur Pumpe sollte, um Undichtigkeiten vorzubeugen, in einem Stück verlegt werden. Optimal ist der Einsatz von hochwertigem, knickfestem EPDM Gummimaterial (PVC-Schlauch ist aufgrund der Weichmacher nicht geeignet!). Er kann sich beim Ansaugen der Pumpe nicht zusammenziehen, gewährleistet aber trotzdem durch seine Flexibilität die schwimmende Entnahme und eine einfache Verlegung durch ein Leerrohr. Bei Unterwassermotorpumpen dämpft ein EPDM Druckschlauch zudem die Druckstöße beim Einschalten der Pumpe ab. Bei Saugpumpen ist zur Isolierung als Übergang zwischen Pumpe und starrem Betriebswasserleitungssystem ein Panzerschlauch einzusetzen. Bei besonders schnellschließenden Verbrauchern oder ungünstig verlegten Leitungssystemen kann zwischen Verbraucher und Steuereinheit ein Ausdehnungsgefäß erforderlich werden.
Leitungen und Leerrohre sollten zum Haus hin mittels einer Mauerdurchführung sicher abgedichtet werden.
| 1. Regenwasserwerk RAINMASTER Eco | 8. Regenwasserfilter PURAIN |
| 2. Trinkwasseranschluss | 9. schwimmende Ansaugfilterung |
| 3. Druckanschlussset mit Ausdehnungsgefäß | 10. Zulaufberuhigung |
| 4. Druckleitung zu den Verbrauchern | 11. Schutzrohr für Saugleitung und Sensorkabel |
| 5. Schwimmschalter | 12. Regenwasserzuleitung |
| 6. Saugleitung | 13. Mauerdurchführung MD-100 |
| 7. Notüberlauf |
Rechtliches
Bei der Installation einer Regenwassernutzungsanlage sind einige Vorschriften zu beachten. Hier sind die Deutschen Richtlinien und Normen aufgezeigt.
DIN- und internationale Normen:
| Regelungsbereich | Regelwerk | Inhalt |
|---|---|---|
| Wasserversorgung | DIN 1989 | Norm für Regenwassernutzungsanlagen |
| DIN 1989 Teil 1 | Planung, Ausführung, Betrieb und Wartung | |
| DIN 1989 Teil 2 | Regenwasserfilter | |
| DIN 1989 Teil 3 | Regenwasserspeicher | |
| DIN 1989 Teil 4 | Bauteile zur Steuerung und Überwachung | |
| DIN EN1717 | Schutz des Trinkwassers vor Verunreinigung ... | |
| DIN 4034 Teil 1 | Schächte aus Beton | |
| DIN 1986-100 | Restnorm: Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke | |
| DIN EN 12056 | Entwässerung innerhalb von Gebäuden ... | |
| DIN EN 752 | Entwässerung außerhalb von Gebäuden ... | |
| ARCSA/ASPE/ANSI 63-2013 | Rainwater Catchment Systems |
Anzeige- und Genehmigungspflichten:
| Regelungsbereich | Regelwerk | Inhalt |
|---|---|---|
| Baugenehmigung | Landesbauordnung | I.d.R. werden Zisternen in der gängigen Größe für Ein- und Zweifamilienhäuser nicht als genehmigungspflichtig angesehen. Eine Darstellung des Anteils der Regenwasseranlage an der Grundstücksentwässerung im Rahmen des Entwässerungsgesuchs reicht aus. Die Nutzung von vorhandenen Behältern als Regenwasserspeicher bedarf einer Genehmigung |
| Wasserversorgung | AVBWasserV §3 | Antrag auf Teilbefreiung vom Anschluss- und Benutzungszwang + Anzeigepflicht vor Errichtung der Anlage beim kommunalen Wasserversorger |
| AVBWasserV §14 | kommunaler Wasserversorger ist berechtigt, Kundenanlage nach ihrer Inbetriebnahme zu überprüfen | |
| Trinkwasserverordnung | Mitteilungspflicht an das Gesundheitsamt bei Inbetriebnahme, Stilllegung oder baulichen Veränderungen Kennzeichnungspflicht der Betriebswasserleitungen, strikte Trennung von Trink- und Betriebswassernetz. | |
| örtliche Trinkwassersatzung | evtl. Anzeigepflicht bei Inbetriebnahme der Anlage |
Die Aussagen zu Anzeige- und Genehmigungspflichten sind als Regelwerte anzusehen. Einzelheiten sind bei den entsprechenden Behörden zu erfragen.
Quellen
<references />
