Pumpensysteme optimal einbinden „Kommunikative“ Systemlösungen ermöglichen größere Energieeinsparungen und Wirtschaftlichkeit

Pumpen verbrauchen viel Energie - je nach Gebäudegröße liegt der Verbrauch zwischen 10 und 20% des Gesamtverbrauchs elektrischer Energie: Sie arbeiten in der Heiz- und Dampfzentrale, in der Klimatechnik, sie erhöhen den Wasserdruck für höher gelegene Geschosse oder fördern das Abwasser in die Kanalisation.
Das breite Einsatzspektrum in der Gebäudetechnik addiert sich zu beeindruckend großen Zahlen. So sind in Deutschland schätzungsweise allein rund 20 Mio. Heizungsumwälzpumpen installiert.

Richtige Dimensionierung ist entscheidend
Die Industrie stellt mittlerweile Pumpen zur Verfügung, deren Energiebedarf 80% unter dem von Pumpen älterer Bauart liegt. Der erheblich geringere Energiebedarf von Hocheffizienzpumpen ist dabei im Wesentlichen auf drei Punkte zurückzuführen:

• Permanentmagnetmotor-Technik,
• Drehzahlregelung,
• korrekte Sollwert-Einstellung.

Diese Parameter werden maßgeblich durch den Pumpenhersteller (Technik) und den Installateur (Inbetriebnahme) beeinflusst. Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt in der Verantwortung des Planers: Die Auslegung und Auswahl der Pumpe, denn die richtige Dimensionierung ist entscheidend für den Energieverbrauch innerhalb ihres Nutzungszeitraums. Nachfolgend werden die technologischen Vorteile moderner Pumpensysteme kurz erläutert.

Permanentmagnetmotor-Technik
Charakteristisch für Permanentmagnetmotoren (PM-Motoren), bei denen es sich um elektronisch kommutierte Synchronmotoren handelt, ist deren hoher Wirkungsgrad – sie verbrauchen bis zu 30% weniger Antriebsenergie als ein herkömmlicher Asynchronmotor. Diese Motoren werden beispielsweise für Heizungsumwälzpumpen der Energieeffizienzklasse A verwendet.

Regelungsmethoden wie die Drossel- oder Bypass-Regelung senken deutlich den Wirkungsgrad eines Pumpensystems.

Aber wie funktioniert das? In einem Permanentmagnet-Motor wird der Elektromagnetismus des Stators, wie er auch in herkömmlichen Elektromotoren angewendet wird, mit dem Permanentmagnetismus des Rotors kombiniert. Dieser spezielle Motor benötigt also für die Magnetisierung seines Rotors keine Energie. Nur der Stator benö­tigt elektrische Energie. Der PM-Motor weist deshalb im Vergleich zu konventionellen Motoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf. Darüber hinaus erzeugt der Motor ein ungewöhnlich hohes Drehmoment.
Auch der Einsatz von Asynchronmotoren der Hocheffizienzklasse „EFF1“ – also der höchsten Effizienzklasse des Europäischen Herstellerverbandes für Elektromaschinen (EMEP) – macht sich zumeist schnell bezahlt und gilt heute als Stand der Technik bei großen Inline-Pumpen (Klimatisierung und Heizung), Druckerhöhungsanlagen und Normpumpen. Sie entsprechen der Klasse 2 auf der vierstufigen IE-Skala (International Energy Efficiency Class) und eignen sich zusätzlich aufgrund ihrer geringen Geräuschentwicklung: Das Motorengeräusch – und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches insgesamt – wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. EFF1-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, sodass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motor-Lager, weil die Standzeit der Lagerschmierung stark temperaturabhängig ist.
Somit zeigt sich, dass Maßnahmen zur Energieeffizienz sich auch positiv auf die Verfügbarkeit eines Pumpensystems auswirken.

E-Solutions: Drehzahlregelung
Bei konventioneller Pumpentechnik läuft die Pumpe kontinuierlich mit einer festen Drehzahl. Drehzahlgeregelte Pumpen kommen in Anlagen mit betrieblich bedingten Lastschwankungen zum Einsatz und bei Anwendungen, wo eine Anlagenregelung wichtig ist: beispielsweise in raumlufttechnischen Anlagen (Heizungs- und Klimaanlagen) und in Druckerhöhungsanlagen.
Hier ist selbst ein deutliches Absenken der Pumpenförderleistung – mit dem Vorteil einer erheblich reduzierten Pumpenantriebsleistung – ohne jegliche Komforteinbuße möglich.

Eine der Hauptverteilungen in der Medienzentrale einer Messehalle mit Inline-Pumpen der Baureihe „TP/TPE“. Lastanforderungen werden über „kommunizierende“ Frequenzregler ausgeregelt.

Der physikalische Zusammenhang ist schnell erklärt: Da die Leistungsaufnahme einer Kreiselpumpe nach dem Affinitätsgesetz mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, macht sich eine unnötig hohe Pumpendrehzahl beim Energieverbrauch deutlich bemerkbar.
Der besondere Vorteil frequenzgeregelter Pumpen ist aber, dass mit ihnen Lastbedarfs-Profile aufgenommen und exakt abgefahren werden können. Konventionelle Pumpen können hingegen auf wechselnde Betriebsbedingungen nicht selbsttätig reagieren und keine automatische Drehzahlanpassung vornehmen.

Korrekte Sollwert-Einstellung
Die Drehzahlregelung allein ist jedoch noch kein Garant für optimalen Betrieb. Bei jeder Drehzahlregelung ist der Sollwert zunächst korrekt einzustellen, ansonsten arbeitet die Pumpe zwar geregelt, aber möglicherweise auf zu hohem oder zu niedrigem Drehzahlniveau. Insbesondere in Bestandsanlagen, bei denen häufig weder der Sollwert für die Förderhöhe, noch der erforderliche Förderstrom bekannt sind, ist das exakte Einstellen der Pumpe oft nicht möglich.
Heizungsumwälzpumpen wie die Grundfos-Baureihen „Magna“ und „Alpha2“ lösen dieses Problem mithilfe einer sich selbsttätig auf die Anlage adaptierenden Regelung. Diese Technologie analysiert permanent die Anlagenverhältnisse und findet die optimale Einstellung zwischen hohem Komfort und minimalem Energieverbrauch.

Pumpen-Energiekonzept für Messehalle
Das nachfolgend vorgestellte Energiekonzept für eine Messehalle zeigt, welches Einsparpotenzial moderne Pumpensysteme ermöglichen können. Das Konzept musste berücksichtigen, dass über das Jahr gesehen die Lastzustände extrem schwanken – während einer Ausstellung wird von der Technik das Maximum gefordert, zu anderen Zeiten geht der Bedarf gegen null. Auf diese Extreme muss die Technik vorbereitet sein. Die Planer einer neuen Messehalle legten deshalb fest, dass praktisch jede Pumpe drehzahlgeregelt ausgeführt wird, sodass in allen Lastzuständen der energieeffiziente Betrieb der Pumpen gewährleistet werden kann. Aber auch darüber hinaus besteht Optimierungspotenzial.

Die für die Gebäudetechnik relevanten Pumpen von Grundfos sind für den intelligenten Datenaustausch mithilfe der am Markt verfügbaren Bus-Systme vorbereitet.

So steht jede Wärme-/Kälteversorgung auf drei Säulen: Die Erzeugung, die Verteilung und die Verbrauchsgruppe. Umwälzpumpen versorgen jeden dieser Kreisläufe mit dem entsprechenden Medium.
Das Konzept der Planer war es also, die Anzahl der Unterstrecken zu minimieren, denn je mehr Pumpen involviert sind, des­to höher sind letztlich Primärenergiebedarf sowie der Aufwand für Wartung und Instandhaltung.

Pumpendrehzahl wirkungsgradoptimiert geregelt
Dies wurde durch ein besonderes Regelungs- und Steuerungskonzept erreicht: „Kommunizierende Frequenzumformer“ ermöglichen, dass die gesamte Kälteversorgung mit weniger Pumpen auskommt. Die Primärpumpen an den 16 Unterstationen fielen damit komplett weg.
Der Hintergrund: Bei konventioneller Planung ist nur eine Pumpe mit einem Frequenzumformer ausgestattet, während die zweite Pumpe stets 100% Volllast fährt bzw. abgeschaltet ist. Bei diesem Projekt hingegen ist nahezu jede Pumpe mit einem Frequenzregler ausgerüstet. Das hat den Vorteil, dass in Anlagenbereichen mit geteilten Volumenströmen die Regelung über zwei Frequenzumformer die jeweilige Pumpendrehzahl so kommuniziert, dass jede Pumpe energieoptimal an ihrem Wirkungsgrad-Bestpunkt arbeitet. Die Zuschaltung der einzelnen Pumpen funktioniert also abhängig vom Wirkungsgrad-Optimum über den Volumenstrom. Ähnlich aufgebaut ist die Regelung der Pumpen in der Wärmeversorgung der Messehalle.

Kommunikationsfähige Pumpentechnik
Alle modernen Konzepte zur effizienten Bewirtschaftung einer Immobilie basieren letztlich auf einer weitreichenden Gebäudeautomation (GA), die möglichst alle Gewerke ganzheitlich verbindet. Weil der Anteil der technischen Gebäudeausrüstung am Gesamtwert eines Gebäudes ständig zunimmt, wächst die Komplexität und damit auch der Anspruch an den Automatisierungsumfang.
Durch die Weiterentwicklung der Feldbus-Technologie ist es heute möglich, die „Intelligenz“ eines Systems bis in die Feldgeräte zu verlagern und dort dezentral auf kleine Einheiten zu verteilen. Dieser Grundsatz wird mit der „LON-Works“-Technologie realisiert. Alle elektronisch geregelten sowie die meisten herkömmlichen Grundfos-Pumpen für die Gebäudetechnik lassen sich über „LON-Bus“-Module an ein Netzwerk anschließen und damit die Daten der Pumpe bis hin zur Gebäudeautomation bzw. zum Facility-Management transparent darstellen. Eine Anbindung ist auch über „MODbus“, „GENIbus“ und demnächst über „BACnet“ möglich. Damit sind die Grundlagen für eine optimierte Betriebsführung und eine Minimierung der Betriebskosten geschaffen worden.
Die Integration von Gebäudetechnik-Pumpen in die zentrale Gebäudeautomation bietet wesentliche Vorteile: Da ist zum einen der wesentlich vereinfachte und kostengünstigere Verdrahtungsaufwand. Zum anderen ist der Komfortaspekt wichtig – die Pumpen können zentral überwacht und angesteuert werden. Zudem bedeutet Bus-Kommunikation insbesondere eine weitgehende Transparenz für Mess- und Betriebsgrößen. Der Vorteil: Durch die Verfügbarkeit aller relevanten Ist- und Soll-Betriebsgrößen erhöhen sich die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit der Pumpen. Hinzu kommt die Möglichkeit, über Zeitprogramme und Drehzahlanpassung deutlich Energie einzusparen.

Fazit
Im Markt der mittelgroßen Umwälzpumpen für Büro- und andere größere Gebäude treffen die Pumpenhersteller auf Fachplaner und Facility-Manager, die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchführen und daher hocheffiziente Pumpen ausschreiben. Doch greift der Blick allein auf Hocheffizienz-Pumpen oft zu kurz. Bei komplexen Anlagen spielen weitere Aspekte und Komponenten, wie extern montierte Frequenzumrichter, moderne Sensorik und die Integration in die Leitsysteme, eine entscheidende Rolle. Interessant sind die genannten Punkte im Übrigen auch hinsichtlich der Anlagenoptimierung.

Autor: Peter Lörler, Vertriebsdirektor Handel Gebäudetechnik, Grundfos GmbH, Erkrath.

Bilder: Grundfos GmbH, Erkrath

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