Bedarfsgerechte Leistung spart Geld Pumpentausch: Volumenstrom- und Druckmessung bei größeren Heizungsanlagen sinnvoll

Das Krankenhaus Salem der Evangelischen Stadtmission Heidelberg gGmbH ist eine 238-Betten-Klinik mit sechs Fachabteilungen, die seit 1978 auch als Akademisches Lehrkrankenhaus der Universität Heidelberg fungiert. 1970 wurde der Neubau des heutigen Gebäudes im Stadtteil Handschuhsheim in Betrieb genommen. Im Zuge der Auftragserteilung über das Energiecontracting des Krankenhauses stand auch der Austausch älterer Pumpen in Heizkreisen, Brauchwasserzirkulation und Kältetechnik an. Ein Teil des Bestandes stammte noch aus der Zeit des Neubaus 1970, andere Pumpen waren in den frühen 90er-Jahren ausgetauscht worden. Im Hinblick auf eine energetische Optimierung sollten die ungeregelten Altpumpen durch geregelte Hocheffizienzpumpen ersetzt werden, dabei war im Leis­tungsverzeichnis zunächst ein Austausch mit gleicher Auslegung vorgesehen.

Bei der Bauberatung zog das mit der Ausführung beauftragte Unternehmen Schulz Versorgungstechnik GmbH (Heidelberg) nach dem Vertrieb auch den Technischen Service von Grundfos hinzu. Der ursprünglich vorgesehene 1:1-Austausch wurde hinterfragt, zumal die vorhandenen Bestandsunterlagen keine verlässlichen Aussagen zur Hydraulik zuließen. Gemeinsam mit dem Auftraggeber wurde daraufhin beschlossen, dass Grundfos zunächst Volumenstrom- und Differenzdruckmessungen an der Anlage durchführt und auf der Basis der Ergebnisse die Austauschpumpen dimensioniert. Grundfos bietet zur Betriebskostenoptimierung von Pumpen eine Lebenszykluskosten-(LCC-)Analyse an, bei der relevante Systemparameter wie Fördermenge, Förderhöhe, Energieverbrauch und Differenztemperatur zwischen Vor- und Rücklauf im laufenden Betrieb gemessen werden. Auf Basis der Messdaten lässt sich die Leistung der Pumpen bedarfsgerecht auslegen und eine uneffiziente Überdimensionierung vermeiden.

Messung im laufenden Betrieb
Die Messung im Krankenhaus Salem erfolgte an zwei Tagen mit kühlen Außentemperaturen. Als Voraussetzung sollte die Anlage an geeigneten Messpunkten gut zugänglich sein und die Wasserzirkulation in den einzelnen Kreisen möglichst ungedrosselt mit vollem Förderstrom arbeiten. Vor Ort stand seitens des Krankenhauses der Technische Leiter als Ansprechpartner zur Verfügung, der bereits in Vorgesprächen Auskunft über die Nutzung der Anlage geben konnte und sicherstellte, dass veränderte Einstellungen während der Messung den Betrieb im Krankenhaus nicht beeinträchtigten. Gemessen wurden Fördermenge und Förderhöhe bei 18 Bestandspumpen in Heizkreisen, Brauchwasserkreislauf und im Rücklauf der Kältemaschinen. Die Fördermenge konnte mithilfe eines intelligenten Ultraschall-Messverfahrens ohne Eingriff ins Rohrsystem ermittelt werden. Dabei wird eine Schallwelle von einem Transducer (gleichzeitig Sender und Empfänger) durch das Rohr und wieder zurück geschickt. Durch die Differenz der Laufzeit mit und gegen die Strömung lässt sich die Fließgeschwindigkeit und in Verbindung mit dem Rohrdurchmesser auch die Fördermenge bestimmen.

Kleinere Dimensionierung nach Messungen an der Anlage: Heizkreis-Verteiler mit Hocheffizienzpumpen vom Typ Grundfos Magna.  Bild: Grundfos/Schulz Versorgungstechnik

Die Vorgehensweise ist einfach: Zunächst wird das Messgerät parametriert, dazu sind Angaben zu Durchmesser, Wandstärke und Material der Rohrleitung sowie zu Medium und Medientemperatur erforderlich. Auf Basis dieser Angaben errechnet das Messgerät den erforderlichen Abstand der Sensoren, in der Regel etwa das 20-fache des Rohrdurchmessers. In dieser Länge braucht man zur Messung eine gut zugängliche, gerade Rohrleitungsstrecke, die waagerecht oder senkrecht verlaufen kann. Die beiden Sensoren werden im errechneten Abstand von außen an die Rohrleitung geklemmt, die Oberfläche muss dazu möglichst glatt sein und wird mit einem Schmiermittel bestrichen. Die eigentliche Messung dauert nur wenige Minuten, zur Kontrolle ist eine zweite Messung bei veränderter Belastung sinnvoll.

Die Förderhöhe wird über den Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf ermittelt. Das Ablesen von Werten an vorhandenen Manometern wäre – insbesondere bei älteren Pumpen – zu ungenau, deswegen wurden auch beim Krankenhaus Salem getrennte Einzelmessungen in Vor- und Rücklauf vorgenommen. Der Zugang zum Rohrsystem erfolgte über Entleerungshähne, ansonsten kann bei Flanschenpumpen der Messpunkt genutzt werden.

Schulz Versorgungstechnik GmbH

Die 1959 gegründete Schulz Versorgungstechnik GmbH in Heidelberg plant und realisiert Versorgungslösungen für Privathaushalte, Industrie, öffentliche Einrichtungen und Wohnungsbau. Die Kompetenz reicht von klassischen Gas- und Ölfeuerungsanlagen über Wärmepumpen, Geo- und Solarthermie, Photovoltaik und Blockheizkraftwerke bis zu Kälte- und Klimatechnik, Sanitärtechnik und Versorgungslösungen für die Industrie. Schulz Versorgungstechnik, langjähriger Grundfos-Vertriebspartner, ist Mitglied in namhaften Fachorganisationen, darüber hinaus engagiert sich Dipl.-Ing. Günter Schulz als Inhaber und treibende Kraft des Unternehmens in zahlreichen Fachgremien der Industrie.

Kleinere Pumpen ausreichend
Die in der Anlage ermittelten Werte lagen zum Teil erheblich unter den Nennwerten, auf denen die ursprüngliche Planung für den Austausch basierte. Es zeigte sich, dass in den meisten Fällen die Bestands­pumpen deutlich überdimensioniert waren und ein Austausch mit gleicher Auslegung keinen Sinn machen würde. Einsparungen wurden somit nicht nur durch den Einsatz geregelter Hocheffizienzpumpen möglich, sondern auch durch geringere Nennweiten. Anhand der errechneten Pumpenleistung, eines Belastungsprofils und der Investitionskosten konnte Grundfos für jede Pumpe Einsparungen und Amortisationszeit in einer Lebenszykluskosten-Analyse darstellen. So ergab die Messung bei einem typischen Heizkreis einen Förderstrom von 7,0 m³/h und eine Förderhöhe von 4,2 m. Die ungeregelte Bestandspumpe mit Nennweite DN 50 und einer Leistungsaufnahme von 370~650 W konnte durch eine Grundfos MAGNA 32-120 F mit Nennweite DN 32 ersetzt werden, deren Leistungsaufnahme am Auslegungspunkt 168 W beträgt, also bereits erheblich weniger als die Bestands­pumpe bei niedrigster Drehzahlstufe. Bei einem realistischen Belastungsprofil konnte allein für diesen Heizkreis ein Einsparpotenzial von rund 2900 kWh pro Jahr ermittelt werden. Ähnlich war die Situation auch an Standorten mit anderen Pumpengrößen. Für den Heizkreis der Entbindungsstation er­gab die Auslegung auf Basis der Messwerte eine MAGNA 25-100, die die benö­tigte Förderleistung bei 80 W erbringt, während die Bestandspumpe eine Leistungsaufnahme von 230~420 W hat. Bei einem entsprechenden Belastungsprofil errechnete sich ein Einsparpotenzial von über 1800 kWh pro Jahr. Die großen Pumpen im Rücklauf der Kältemaschinen mit Nennweite DN 80 bzw. DN 65 konnten durch elektronisch geregelte Blockpumpen der Baureihe NBE mit integriertem Frequenzumrichter und mit Nennweite DN 50 ersetzt werden, auch hier mit erheblichen Einsparungen bei den Ener­giekosten.

Insgesamt ergaben die Berechnungen der LCC-Analyse für die meisten Standorte eine Reduzierung der Energiekosten in der Größenordnung von 70 bis 80 %. Absolut summierten sich die errechneten Einsparungen auf über 40 000 kWh jährlich, je nach Strompreis also deutlich über 5000 Euro pro Jahr. Weil aufgrund der Messungen die Austauschpumpen kleiner dimensioniert werden konnten, waren auch die Investitionskosten geringer. Für die meisten Standorte ergab die LCC-Analyse eine Amortisationszeit zwischen zwei und vier Jahren.

Auf die Amortisation wirkte sich auch positiv aus, dass bei der Sanierungsmaßnahme Verteiler, Regelventile sowie Mess-, Steuer- und Regelungstechnik komplett erneuert werden sollten, der Einbau von Pumpen mit kleineren Nennweiten also keine zusätzlichen Kosten durch eigens ausgetauschte kleinere Regelventile nach sich zog. Die Sanierungsmaßnahme wurde Ende 2008 durchgeführt, der Austausch der Pumpen erfolgte dabei entsprechend der Auslegung auf Basis der Messergebnisse. Die neuen Pumpen wurden im Januar 2009 in Betrieb genommen. Zwar ist noch keine Langzeitbetrachtung an Hand des Energieverbrauchs über mehrere Betriebsjahre möglich, aber bereits die ersten Monate haben gezeigt, dass das errechnete Einsparpotenzial realistisch ist.

Elektronisch geregelte Blockpumpen vom Typ Grundfos NBE mit integriertem Frequenzumrichter im Kälterücklauf: Nennweite DN 50 statt DN 65/DN 80. Bild: Grundfos/Schulz Versorgungstechnik

Kein Einzelfall
„Die Sanierungssituation beim Krankenhaus Salem ist durchaus typisch“, urteilt Dipl.-Ing. Günter Schulz, Geschäftsführer der Schulz Versorgungstechnik GmbH, die seit langem Projekte im Bereich Heizungsbau, Klima-/Kältetechnik, Sanitärtechnik und Industrieversorgung betreut. „Bestands­pumpen sind oft sehr großzügig ausgelegt und weniger leistungsfähig als heutige Hocheffizienzpumpen. Deswegen sollte man vor dem Austausch die Dimensionierung genau prüfen, denn kleinere Pumpen bedeuten auch geringere Investitionskosten und eine schnellere Amortisation. Wenn die vorhandenen Informationen nicht ausreichen, ist die Messung vor Ort sehr hilfreich.“

Die Sanierungssituation beim Krankenhaus Salem ist laut Dipl.-Ing. Günter Schulz, Geschäftsführer der Schulz Versorgungstechnik GmbH, durchaus typisch. Bild: Schulz Versorgungstechnik

Im Falle des Krankenhauses Salem mit ungeregelten Bestandspumpen reichte eine Sofortmessung von Volumenstrom und Differenzdruck aus, um verlässliche Aussagen über die Anlagenverhältnisse treffen zu können. Bei geregelten Pumpen und komplexen Anlagen empfiehlt sich eine Langzeitmessung, bei der weitere Parameter wie Energieverbrauch oder Differenztemperatur zwischen Vor- und Rücklauf erhoben und alle Daten über einen längeren Zeitraum protokolliert werden. In beiden Fällen sind bei der Datenerhebung vor Ort und bei der späteren Analyse erfahrene, speziell geschulte Mitarbeiter erforderlich. Bei angemessener Vorgehensweise macht sich der zusätzliche Aufwand, wie auch beim Krankenhaus Salem, bereits nach kurzer Zeit über die Einsparungen bei Energie- und Investitionskos­ten bezahlt.

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