Nachhaltigkeit durch einfache Technik - Strahlpumpen und aufeinander abgestimmte Regelkomponenten sparen Energie und Kosten

Erneuerbare Energien alleine vermögen den Wegfall der Kernenergie und den steigenden Strombedarf kurz- und mittelfristig nicht auszugleichen. Im Sinne der deutschen Energiewende sollte das Augenmerk daher auf der Energieeinsparung liegen, denn hier bestehen noch gewaltige Chancen.
In Deutschland entfallen ca. 40% des Endenergieverbrauchs allein auf den Gebäudesektor [1], vor allem für Heizung und Trinkwassererwärmung. Die enormen Möglichkeiten im Heizbereich nutzten jedoch nur etwa 4% der Eigentümer mit der Modernisierung ihrer veralteten Heizungsanlage. Der allergrößte Teil der 17,8 Mio. Heizungsanlagen in Deutschland arbeitet weiterhin nicht effizient, was mehr als 13 Mio. Anlagen entspricht. Da Energie immer teurer wird, amortisieren sich Modernisierungsmaßnahmen bei Heizungs-, Lüftungs- und Kälteanlagen besonders schnell und sind deshalb auch wirtschaftlich interessant.
Veraltete Heizungen, die meistens nur einen geringen Wirkungsgrad haben, lassen sich etwa durch moderne Brennwerttechnik, Wärmepumpen, BHKWs oder Fernwärmeanlagen energetisch sinnvoll ersetzen. Einfache Maßnahmen für weitere Einspareffekte sind beispielsweise moderne Regler kombiniert mit einem Außenfühler, die sich auf wechselnde Außentemperaturen einstellen und Wärme entsprechend dem Bedarf bereitstellen. Entsprechende Schaltzeiten bewirken Temperaturabsenkungen in der Nacht, auch tagsüber etwa bei Vollzeit-Berufstätigen, in Urlaubszeiten sowie die Abschaltung von Zirkulationspumpen – je nach Bedarf.
Darüber hinaus bringt die hydraulische Einregulierung und damit die Reduzierung der transportierten Wassermenge eine beachtliche Energieeinsparung und so eine deutliche Verringerung der Stromkosten [2]. Aus energetischen Gründen sind heute tiefe Rücklauftemperaturen gewünscht. Dies wird erreicht durch die Aufschaltung der Temperaturdifferenzen zwischen Vorlauf und Rücklauf auf eine Umwälzpumpe mit Frequenzumformer.

Energieeinsparung durch die Strahlpumpentechnologie

Eine immer noch viel zu wenig bekannte Technik im Hinblick auf Energieeinsparung ist die Strahlpumpentechnologie. Sie ist sowohl im Neubau als auch bei Modernisierungen schon seit Jahrzehnten bei Heizung, Lüftung und Klima mit großem Erfolg im Einsatz und wurde permanent weiterentwickelt.
Sie eignet sich für jede moderne Wärmeerzeugung mittels Solaranlagen, Holzheizungen, Wärmepumpen, Fernheizung und Blockheizkraftwerken, kann jedoch ebenso bei Öl- und Gasheizungen energiesparend eingesetzt werden. Je nach Bedarf regeln sie auch Lüftungs- und Kälteanlagen. Ihr Grundprinzip ist die Verwertung von meistens vorhandenem oder zu erzeugendem Differenzdruck in Hydrauliksys­temen.
Die Strahlpumpe bewirkt eine große Temperaturspreizung über die Verbraucherkreise. In Kombination mit witterungsabhängiger Regelung und Speichervorrangschaltung führt das zu einer niedrigen Rücklauftemperatur, die besonders wichtig ist bei Wärmeübergabestationen für Fernwärme. Strahlpumpen sind in unterschiedlichen Ausführungen als Muffen- oder Flanschstrahlpumpen von 10 W bis 40 MW einsetzbar und können vom Einfamilienhaus bis zur Großindustrie ihren vielfältigen energiesparenden Einsatz finden. Dafür gibt es außer den im Artikel vorgestellten zahlreiche weitere Beispiele:

• Heizungsanlagen in der Fern- und Nahwärme,
• Hausanschlussstationen in Bundeswehrkasernen,
• Flughäfen, Messegelände,
• Holz-, Brauerei-, Textil-, Papier-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie,
• öffentliche Gebäude wie Krankenhäuser und Altersheime.

Die Strahlpumpentechnologie garantiert eine hohe Regelgüte und eine optimale Wärmenutzung. Sie führt u.a. dazu, dass Umwälzpumpen inklusive entsprechender Steuerungen und den dazugehörigen Datenpunkten sowie Differenzdruckregler und Armaturen wie Rückschlagventile und Mengenbegrenzer wegfallen. Die Investitionskosten reduzieren sich dadurch enorm, bei einem Anschluss an die Fernwärmeversorgung beispielsweise bis zu 80%. Anstelle der elektrodynamischen Wasser-Wärmeverteilung durch Mischregelung über Dreiwegeventil und Umwälzpumpe führt die Wärmeverteilung mittels Strahlpumpentechnologie zu einer hydraulischen Stabilität des Energieverteilnetzes. Die lange Lebensdauer der Strahlpumpe – 15 Jahre nach VDI 2067 gegenüber ca. 10 Jahren bei Umwälzpumpen – senkt ebenfalls Kosten und sorgt für eine höhere Verfügbarkeit der Anlage. Je weniger Geräte und Armaturen die Anlage braucht, desto geringer ist der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand.

Wassererwärmung nach dem Durchflussprinzip

Der Einbau einer Trinkwassererwärmungsanlage nach dem Durchflussprinzip mit der Strahlpumpentechnologie führt zur Einsparung von Warmwasserspeichern. Abhängig vom Bedarf werden Kompaktstationen [3] in Wärmeleistungsbereichen von 5 kW bis 1500 kW eingesetzt, für größere Leistungen mit Zirkulationspumpe. Weil Warmwasserspeicher oder Trinkwassererwärmer dann nicht mehr nötig sind, ist die Gefahr durch Legionellen im Trinkwasser gemindert. Denn die Bakterien vermehren sich bevorzugt im stehenden, erwärmten Wasser.
Ein weiterer Vorteil im Vergleich zum konventionellen System – einer Drosselregelung mit Durchgangsventil – sind die niedrigen primärseitigen Temperaturen am Wärmeübertragereingang. Die Gefahr von Verkalkung des Plattenwärmeübertragers und von Materialspannungen wird so erheblich vermindert. Denn die Strahlpumpe mischt die Primärvorlauftemperatur von z.B. 125°C mithilfe von Rücklaufbeimischung auf die benötigten 65°C herunter. Ein Temperaturfühler, der die Heizmitteltemperatur begrenzt, dient damit dem Schutz vor Verkalkung.
Kleine Kompaktstationen bis ca. 40 kW benötigen nicht viel Platz, da Speicher und Zirkulationspumpe entfallen. Das erwärmte Wasser steht hier ebenso wie bei den Stationen für größere Leistungen dank sehr schneller Regelantriebe nahezu verzögerungsfrei beim Öffnen der Zapfstelle zur Verfügung. Nach dem Schließen und erneuten Öffnen besteht keine Verbrühungsgefahr. Die Kompaktstationen sind deshalb für Wohnungen und den kleinen Haushalt ebenso geeignet wie große Stationen für Wohnanlagen oder Industriegebäude.

Beispiel 1: Modernisierung einer Wohnanlage

Ziel der Investition für die Modernisierung der Heizungsanlage in einem Plattenbau in Berlin mit 304 Wohneinheiten war eine Verringerung der Energiekosten, etwa durch eine Reduzierung des Anschlusswertes und die Senkung von Energieverlusten im Betrieb der Anlage. Vor allem wollte man aber auch die zuverlässige, störungsfreie Versorgung der Wohnungen. Die moderne Hausanschluss (HAST)-Fernwärmestation mit integrierter Strahlpumpe trug diesen Wünschen Rechnung.
Durch Einbau von Wärmeübergabestationen mit Strahlpumpen passt die Wärmeleistungsregelung den Volumenstrom über den gesamten Lastbereich an den jeweiligen Bedarf an. Damit sind keine Differenzdruckregler notwendig. Die maximale Vorlauftemperatur wurde hier auf 85°C begrenzt, die Rücklauftemperatur lag aufgrund des alten übrigen Teils der Anlage bei ca. 60°C, was jedoch je nach Bedarf variiert. Außer der niedrigen Rücklauftemperatur ergab sich auch eine Verringerung der notwendigen Wassermenge mit entsprechender Kostenreduzierung, da die vertraglich festgelegte maximale Wassermenge in einer Fernwärmeanlage oft 50% der Gesamtheizkosten eines Jahres beträgt.
Die Prüfung der voraussichtlichen Amortisationsdauer anhand der zur Verfügung zu stehenden Daten ergab in diesem Fall eine jährliche Einsparung von rund 6800 Euro, woraus sich eine voraussichtliche Amortisationszeit von weniger als 6 Jahren für die Investitionskosten von 40500 Euro ergab [4]. Hinsichtlich der Ener­gieeinsparung ergab die Auswertung des ersten Betriebsjahres 6% im Vergleich zu einem baugleichen Gebäude ohne Strahlpumpentechnik. Während einer Heizperiode erfolgte die Optimierung der Heizkurve mit Datenaufzeichnung über eine Online-Verbindung. Das Monitoring dient den Verbesserungsmöglichkeiten bei Nutzungszeiten, Absenkbetrieb, Heizkurve, Anpassung des Anschlusswertes usw. und sollte immer Bestandteil der Erneuerung von Anlagentechnik sein.

Beispiel 2: Modernisierung in einem Schulgebäude

Die energetische Modernisierung der Heizungsanlage eines ca. 35 Jahre alten großen, verzweigten Schulgebäudes in Villach mit zahlreichen Verbrauchern sollte die ausreichende Versorgung einiger weiter entfernten Verbraucher sicherstellen und andererseits den großen Pumpen­energieverbrauch beenden [5]. Zur Wärmeversorgung nicht erreichter Gebäudeteile waren nach und nach zusätzliche Umwälzpumpen eingebaut worden. Mit der Umrüstung der veralteten Heizungsanlage auf moderne Brennwerttechnik, verbunden mit der Umstellung auf Strahlpumpentechnologie und Einregulierung, konnten die Ziele der Modernisierung sehr gut erfüllt werden. Einerseits wurden alle Bereiche warm und andererseits wurden zahlreiche Umwälzpumpen ersetzt.
Die hohe Temperaturspreizung und die niedrigen Rücklauftemperaturen sind sowohl für die Brennwerttechnik als auch für Fernwärmeheizungsanlagen sehr geeignet. Die Einsparung von Umwälzpumpen, Differenzdruckreglern und Armaturen verringert auch hier Investitions-, Wartungs- und Instandhaltungskosten. Zu der beträchtlichen Einsparung an Heizenergie durch die Umstellung von Öl-Heizwertkessel auf Gas-Brennwerttechnik kam die Einsparung an Pumpenenergie und damit CO2-Emission. Die gesamte Anlage vereinfachte sich durch die Strahlpumpentechnologie beträchtlich.

Beispiel 3: Holzhackschnitzel-Fernheizwerk

Für umweltfreundliche Wärme im Feriengebiet Olang/Südtirol, sorgt ein Holzhackschnitzelwerk, beheizt mit lokal vorhandenem, CO2-neutralem Brennstoff Holz und modernster Anlagentechnik [6]. Die Wärme aus der Heizzentrale gelangt von dort durch frequenzgeregelte Umwälzpumpen über ein verzweigtes Leitungsnetz zu den Verbrauchern wie Privathäuser, Pensionen und Hotels. Die Einspeisung der Wärme erfolgt indirekt über Plattenwärmeübertrager, und die für Heizung und Trinkwassererwärmung sowie für Lüftung gewünschte Wärmemenge lässt sich mithilfe der Strahlpumpe auf der Primärseite präzise und störungsfrei regeln.
Eine stetige Aufschaltung der primärseitigen Rücklauftemperatur auf die sekundärseitige Vorlauftemperatur bei jedem Energieabnehmer gewährleistet eine tiefe Rücklauftemperatur. Das heißt: Wird die berechnete und ausgelegte Rücklauftemperatur überschritten, so wird sie in einem einstellbaren Verhältnis auf die Vorlauftemperatur aufgeschaltet und senkt diese dann ab. Messwertveränderungen, Schaltungen und eventuelle Störungen erscheinen auf dem zentralen PC der Leitwarte, was ein sofortiges Eingreifen ermöglicht.

Fazit

Moderne Regelungstechnik und Strahlpumpentechnologie verbessern die Wirtschaftlichkeit von Heizungs- Lüftungs- und Kälteanlagen und tragen damit zur Energiewende in Deutschland bei. Die schnelle Amortisation der Investitionskos­ten und die langfristige finanzielle Entlas­tung bei Heizenergie und Instandhaltung motivieren Investoren.

Literatur:
[1]    Energiewende Gebäudesanierung. Bundes­ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.
[2]    Gebauer, M.: Vereinfachung des hydraulischen Abgleichs in Heizungsanlagen, HLH (2011).
[3]    Kilpper R.; Bälz U.: Wirtschaftliche Trink­wassererwärmung mit Kompaktstationen, IKZ-FACHPLANER (2011).
[4]    Gebauer M.: Modernisierung von Fernwärme­stationen, TGA-Fachplaner (2013).
[5]    Kilpper R.; Bälz U.: Energetische Moder­nisierung einer Heizungsanlage mit Strahl­pumpen. HLH (2010).
[6]    Kilpper R.: Bälz U.: Umweltfreundliche Wärme durch moderne Technologie, HLH (2012).

Funktionsprinzip der Strahlpumpe

Mithilfe der Energie des Treibstrahls bzw. Vorlaufs saugt die Strahlpumpe, auch Dreiwegeinjektorventil genannt, Wasser aus dem Rücklauf an und wälzt es über den Verbraucherkreis ohne Umwälzpumpe um. Die angesaugte Menge ist mithilfe der Düse regelbar. In der damit erhaltenen Mischung ergibt sich die optimale Temperatur und Menge für den Verbraucherkreis. Darüber hinaus sind so auch die Rücklauftemperaturen deutlich niedriger als bei einer konventionellen Lösung mit Regelventil und Umwälzpumpe und können zusätzlich sehr genau überwacht werden.

Autoren:
Dr. Renate Kilpper und Prof. Dr. Uwe Bälz, W. Bälz & Sohn GmbH & Co, Heilbronn

Bilder: Bälz

www.baelz.de