Re-Engineering des „Drehbogen 4.0“ als hindernisfreies Regelorgan für Abwassermengen in Kanälen zur dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung für den Gewässerschutz
Projektdurchführung
HST Systemtechnik GmbH & Co. KG
Heinrichsthaler Str. 8
59872 Meschede
Zielsetzung
Mischwasserkanäle werden durch Starkregen zunehmend hydraulisch überlastet. Gleichzeitig sinken die Trockenwetterabflüsse, sodass sich in den Haltungen Sedimente ablagern, die beim nächsten Regen ausgespült werden. Die novellierte EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) begrenzt die Entlastungen aus Mischsystemen künftig auf 2 % der Jahrestrockenwettermenge. Feste Wehrschwellen ohne Regelfunktion können diesen Wert nicht einhalten, dafür braucht es steuerbare Stau- und Regelorgane in einer dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung.
Ein solches Organ ist der Drehbogen nach Dipl.-Ing. Günter Kupczik, entwickelt in einem früheren DBU-Vorhaben und 1996 in Dresden-Leuben gebaut. Drei verbundene Rohrbögen werden über ein Torsionsgelenk zwischen 0° und 90° gedreht. So wird Stauraum im Kanal aktiviert und beim Absenken eine Spülwelle erzeugt, ohne den Fließquerschnitt einzuengen. Die Anlage läuft seit über 25 Jahren störungsfrei, blieb aber ein Einzelfall: Herstellung und Platzbedarf waren aufwendig, digitale Steuerungselemente und Auslegungswerkzeuge fehlten.
Ziel des Teilprojekts 1 war eine Machbarkeits- und Anforderungsanalyse als Grundlage für ein Reengineering. Stauraumaktivierung und Spülwirkung sollten mit heutigen Simulationswerkzeugen nachgebildet und gegen Labor- und Betriebsdaten geprüft werden. Außerdem waren eine günstigere Geometrie samt Bemessungslasten zu ermitteln, die Anforderungen des Marktes zu erheben und ein Lastenheft für Pilotvorhaben zu erstellen.
Arbeitsschritte
Die Bearbeitung folgte sechs Arbeitspaketen. Zu Beginn wurden die Unterlagen des Erstvorhabens aus den Jahren 1994 bis 1996 ausgewertet, darunter der Forschungsbericht der TU Dresden mit den Messprotokollen des Labormodells. Zwei Expertengespräche mit dem Erfinder und zwei Ortsbegehungen in Dresden-Leuben ergänzten diese Grundlage um unveröffentlichte Betriebserfahrungen. Das physikalische Labormodell ging von der TU Dresden an die Hochschule Hof über, konnte aber aufgrund von Transportschäden nicht eingesetzt werden. Die Simulation erfolgte auf drei Maßstabsebenen. In EPA SWMM 5.2.4 wurde der Dresdner Laborversuchsstand nachgebildet, um die historischen Messwerte zu reproduzieren. Ein hydrodynamisches Netzmodell in InfoWorks ICM mit rund 46 km Haltungen und 486 ha Einzugsgebiet bildete das Dresdner Kanalnetz ab. Der Drehbogen wurde darin als Wehr mit variabler Kronenhöhe und echtzeitnaher Steuerung (RTC) modelliert. Gerechnet wurden eine Referenzsimulation sowie Szenarien zur Speicheraktivierung, zur Spülung und zur Überlaufsteuerung bei einem synthetischen Regen mit zwei Intensitätsspitzen. In Autodesk CFD wurden fünf Geometrievarianten (Durchmesser 0,8 m, 1,2 m und 1,5 m, bei 1,2 m zusätzlich mit abgeflachter und steilerer Kontur) in den Stellungen 0°, 45° und 90° stationär berechnet, zusammen 15 Rechenfälle. Aus den Simulationen wurden die konstruktiven Anforderungen abgeleitet. Das Design wurde in Einzelkomponenten zerlegt, die über eine Marktrecherche bepreist wurden. Die Marktanalyse bestand aus einem Vergleich mit verfügbaren Regelorganen, einer Conjoint-Analyse im Rahmen einer Bachelorarbeit, Mentimeter-Abfragen in Fachseminaren, Befragungen bei Betreibern, auf Messen und Fachtagungen in Deutschland, Luxemburg und der Schweiz sowie der ergänzenden, themenbezogenen Auswertung einer Marktbefragung aus dem BMBF-Vorhaben InSchuKa4.0. Die Ergebnisse gingen in ein Lastenheft ein, parallel wurden kommunale Testkunden gesucht.
Ergebnisse
Das SWMM-Modell gab die im Labor gemessenen Speichervolumina bei 90° wieder; der berechnete Vollfüllungsabfluss wich um weniger als 5 % vom theoretischen Wert ab. Für die Spülwirkung war SWMM ungeeignet, da innerhalb von Knoten keine Geschwindigkeit berechnet wird. Die Untersuchung wurde daher mit InfoWorks ICM und CFD fortgeführt.
Im Netzmodell erzeugte das Anheben der Bogenkrone auf 1,80 m ein Stauvolumen von 809 m³ bei vollständiger Sperrung bis 1.464,5 m³ bei stationärem Überfall. In Dresden sind etwa 720–1.500 m³ dokumentiert. Das schnelle Absenken erzeugte eine Spülwelle mit bis zu 1,86 m/s gegenüber 0,75 m/s im Ausgangszustand; in Dresden wurden rund 1,75 m/s gemessen. Im Regenszenario beherrschte der Drehbogen die erste Abflussspitze. Bei der zweiten waren Kronenhöhe und Speicherraum ausgeschöpft; erst ein zusätzlicher virtueller Absperrschieber hielt den Wasserstand im Modell im Bereich der früheren Versuche. Der Drehbogen ist daher mit weiteren Regelorganen zu betreiben.
Die CFD-Analyse zeigte einen starken Geometrieeinfluss. Die 0,8-m-Variante erzeugte Strahlgeschwindigkeiten bis 2,89 m/s und hohe Turbulenz, die 1,5-m-Variante das ruhigste Strömungsbild, benötigt jedoch mehr Material und Einbauraum. Als Vorzugsvariante ergab sich der 1,2-m-Bogen mit abgeflachter Kontur: gleichmäßige Geschwindigkeiten, mäßige Turbulenz und nahezu konstante Kräfte. Maßgebend ist die 90°-Stellung mit Druckkräften von rund 507–1.113 N. Offen bleibt ein dichtes, fugen- und verlegungsfreies Rohrdrehgelenk, da konventionelle Gelenke eine störanfällige Fuge erfordern.
Die Befragung von über 250 Teilnehmenden zeigte, dass rund 64 % der Entlastungsanlagen feste Wehrschwellen ohne Regelfunktion besitzen. 76 % sehen zusätzlichen Stauraumbedarf, 68 % planen eine Nachrüstung. In der Conjoint-Analyse erreichte der Drehbogen mit Schieber 3,7 %, das ASA-Wehr 67,4 %. Referenzen, Investitionspreis und Platzbedarf machten zusammen rund 41 % der Gewichtung aus. Als zukünftige Anwendungsfälle wurden eine Machbarkeitsstudie der Wirtschaftsbetriebe Hagen an vier Stauraumkanälen und ein Steuerungsbauwerk in der Gemeinde Jemgum identifiziert, wo im Zuge des Kläranlagenneubaus ein Drehbogen vorgesehen ist. Alle technischen Ergebnisse beruhen auf Simulationen. Mangels ausreichender Betriebsdaten erfolgte keine formale Kalibrierung, sondern eine Plausibilisierung anhand von Labor- und Betriebsbeobachtungen. Die CFD-Druckniveaus sind vor der Umsetzung zu prüfen. Die Wirkung auf Sedimente ist bislang nur qualitativ belegt.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Stauraumbewirtschaftung ist Teil des Zertifikatslehrgangs „Fachingenieur/Fachexperte für Digitalisierung in der Wasserwirtschaft“ des Bundesverbands KOMMUNAL 4.0 e. V. und des Kurses „Smart Water“ im Master „Sustainable Water Management and Engineering“ der Hochschule Hof. Der Drehbogen wurde auf der RIGI 2024/2025, der IFAT 2024, dem Luxemburger Wasser-Informationstag 2025, in HST-Fachseminaren und am Hofer Wassersymposium vorgestellt. Dazu kommen eine Bachelorarbeit und eine Promotion, die den Drehbogen als wissenschaftliche Untersuchung zum Thema haben.
Fazit
Das Teilprojekt 1 hat gezeigt, dass ein Reengineering des Drehbogens technisch machbar ist. Erstmals liegt für dieses Regelorgan eine Nachweiskette auf drei Modellebenen vor, vom Laborversuch über das Kanalnetz mit RTC bis zum Bauteil. Die Simulationen bestätigen Stauraumaktivierung und Spülwirkung in der Größenordnung der Dresdner Betriebswerte. Mit dem 1,2-m-Bogen in abgeflachter Kontur steht eine Vorzugsgeometrie fest, deren Bemessungslasten bekannt sind. Alle sechs Arbeitspakete wurden im Berichtszeitraum abgeschlossen.
Die Ergebnisse sind rein numerisch und nicht kalibriert. Das Drehgelenk ist als konstruktive Kernaufgabe erkannt, aber noch nicht final gelöst. Die Marktanalyse hat zudem gezeigt, dass der technische Nachweis allein nicht zur Verbreitung führt, solange Referenzen fehlen und die Wirkungsweise für Betriebspersonal und kommunale Entscheider schwer nachvollziehbar bleibt.
Im Teilprojekt 2 sollen die Simulationsergebnisse deshalb im halbtechnischen Versuchskanal der Universität Duisburg-Essen gemessen werden, und parallel in Demonstratoren an Pilotstandorten eingebaut werden. Hinzu kommen die Entwicklung ein dichtes, fugenfreies Rohrdrehgelenk, FEM-Nachweise auf Basis der CFD-Lasten, die Nachrechnung der Drallströmung mit einem Löser für freie Oberflächen, ein Drehbogen-Modul für SWMM und eine interaktive Visualisierung der Wirkmechanismen. Bereits identifizierte Realprojekte mit Drehbögen DN 250 und DN 600 sollen erste Betriebserfahrungen liefern.