IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 1/1996, Seite 36 ff.


HEIZUNG


Elektronisch geregelte Heizungsumwälzpumpen

Kapitel 2: Naßläuferpumpen

Dipl.-Ing. Klaus Walter Teil 2

Technische Innovationen im Bereich der Elektronik und Hydraulik sorgten in den letzten Jahren bei den Naßläufer-Heizungsumwälzpumpen für einen gewaltigen Fortschritt.

2. Pumpen-Bauarten (Fortsetzung)

2.3 Pumpen mit Frequenzumformer-Regelung

Eine gänzlich neue Generation von Heizungsumwälzpumpen wurde 1993 der Öffentlichkeit vorgestellt. Sie erhielt den "Familiennamen" TOP-Pumpen. Bild 36 zeigt die vollelektronische Ausführung.

Durch die Möglichkeit computerunterstützter Konstruktion und Berechnung sind sämtliche Elemente und Baugruppen herkömmlicher Pumpen neu gestaltet worden (Bild 37). Daraus ist eine gänzlich neue Formgebung der Funktionsbausteine einer Pumpe entstanden.

Bild 36: Neue Heizungsumwälzpumpe TOP-E, vorgestellt 1993.

Dabei stand die Optimierung des gesamten Funktionsverhaltens einer Heizungsumwälzpumpe im Vordergrund der Bemühungen. Das Ergebnis ist letztlich eine Gesamtverbesserung des Pumpenwirkungsgrades, wie er bisher bei Naßläuferpumpen unerreicht war. Sie liegt bei etwa 25% Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme gegenüber der Vorgängerbaureihe. Im Klartext heißt das, daß man diese Pumpen durchgängig eine Nennweite kleiner dimensionieren kann als man es bisher bei der Auslegung eines Heizkreissystems gewohnt war.

2.3.1 Die Elektronik

In der Elektronik der stufenlosen Drehzahlregulierung wurde bei der TOP-E-Pumpe der Schritt von der Phasenanschnittsteuerung zu einem leistungsfähigeren Mikro-Frequenzumrichter getan. Bei der Erfassung der Meßparameter wird nicht mehr die mechanisch gemessene Drehzahl des Pumpenrotors benötigt. Das Meßergebnis wird aus der Stromaufnahme (in A), der Effektivspannung (in V) und der Stromfrequenz (in Hz) ermittelt.

Bild 37: Explosionsdarstellung der Pumpe im Bild 36. Sämtliche Elemente und Baugruppen wurden neu gestaltet und optimiert.

Diese Elektronik-Pumpen werden an ein Wechselstrom-Versorgungsnetz mit U = 230 V angeschlossen. Durch die interne Umformung wird der Motor jedoch mit dreiphasigem Drehstrom versorgt. Das Ergebnis sind verbesserte Wirkungsgrade, höhere Anlaufmomente und insgesamt eine größere Betriebsruhe des Motors.

Klemmenkasten und Elektronikmodul sind zu einer baulichen Einheit kombiniert. Das Bild 38 ist die Draufsicht ohne den Verschlußdeckel. Auf der Stirnseite befindet sich das Bedienfeld mit dem Stellknopf (Pos. 1) zur Einstellung des Differenzdruck-Sollwertes (in m).

Bild 38: Klemmenkasten und Elektronikmodul der Pumpe im Bild 36, Draufsicht ohne Verschlußdeckel.

Daneben (Pos. 2) ist die Betriebsanzeige, die aus 5 LED besteht. Bei minimaler Drehzahl leuchtet nur die LED im kleinsten Feld. Mit zunehmender Drehzahl leuchten bis zu 5 LED. Im Störfall sind alle LED ausgeschaltet.

Auf der rechten Seite des Moduls befinden sich die Störanzeige (Pos. 3) und die Störquittiertaste (Pos. 4). Bei Übertemperatur des Motors oder des Moduls wird die Pumpe ausgeschaltet und die rote LED blinkt. Bei überlastetem oder leerlaufendem Motor leuchtet rotes Dauerlicht.

Bild 39: Regelverhalten einer Pumpe;
1) konstant geregelter Differenzdruck gemäß Vorwahl,
2) Minimaldrehzahl während einer Absenkzeit, extern geschaltet.

Mit der Störquittiertaste müssen aufgetretene Störungsmeldungen zurückgesetzt werden. Auf eine automatische Wiedereinschaltung des Motors (z.B. nach dem Abklingen der Übertemperatur) wurde bewußt verzichtet, um die Aufmerksamkeit des Anlagenbetreibers zu wecken.

Durch die PG-Verschraubung Pos. 5 wird die Netzanschlußleitung geführt und an den Klemmen Pos. 7 angeschlossen. Der Anschluß an einen Pumpenleitrechner (PLR) oder an eine Gebäudeleittechnik (GLT) erfolgt durch die PG-Verschraubung Pos. 6.

Es sind in der Grundausstattung der Pumpe verschiedene Beeinflussungen der Pumpenelektronik möglich: Eine externe, potentialfreie Sammelstörmeldung SSM wird an den Klemmen Pos. 8, eine externe, ebenfalls potentialfreie Ein-/Aus-Schaltung wird an den Klemmen Pos. 9 angeschlossen. Der Pumpenmotor kann weiter über die Anschlußklemmen Pos. 10 durch einen externen Befehl auf seine niedrigste Drehzahl (Bild 39) zurückgeschaltet werden. Dieser Befehl kommt entweder von der Kesselsteuerung für die Zeit verminderter Temperaturlieferung während der Nachtabsenkung. Oder es ist ein gewollter Eingriff während der Abwesenheit der Bewohner für die Dauer ihres Winterurlaubes.

Bild 40: Gesamtkennfeld der elektronischen Heizungsumwälzpumpen TOP-E mit Frequenzumrichter-Regelung;
a) hydraulisches Arbeitsfeld,
b) Motordaten.

2.3.2 Die Hydraulik

Die Pumpenbaureihe TOP-E umfaßt Pumpen der Baugrößen DN 40, DN 50 (2 x), DN 65 und DN 80. Die bereits besprochenen Festwerteinstellungen bewegen sich hierbei zwischen H = 1 m (bei allen) und H = 7 m (1 x) und H = 10 m (4 x). Im Gesamtkennfeld (Bild 40a) sind der Vollständigkeit halber auch noch die Flanschpumpen der STAR-Baureihe eingearbeitet. Das ist hilfreich für die Auswahl in der Planungsphase. Die Drehzahlen bewegen sich zwischen 900 und 2800 min-1, wie der Tabelle im Bild 40b zu entnehmen ist. Der zulässige Temperaturbereich liegt auch hier zwischen 20C und 110C. Die Normalausführung ist für PN 6 ausgelegt. Als Sonderausführung können die Pumpen auch für PN 10 geliefert werden.

Bei allen bisher besprochenen elektronischen Heizungsumwälzpumpen ist eine Glykolbeimischung bis zum Verhältnis 1:1 zum Heizungswasser erlaubt. Ab 20% Glykolanteil sind bei der Auslegung die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften (Dichte und kinematische Zähigkeit) zu beachten. Daraus ergibt sich in der Regel auch eine notwendige höhere Antriebsleistung für die geforderten hydraulischen Parameter Förderstrom und Förderhöhe.

Es darf nur ein Frostschutzmittel (Glykol) verwendet werden, welches gleichzeitig Korrosionsschutz-Inhibitoren enthält. Außerdem sind die speziellen Füll- und Überprüfungsvorschriften zu beachten.

Bild 41: Nachrüstbares Control-Modul zur Pumpe TOP-E; Pumpencontrolling direkt an der Pumpe mit Folientastatur und beleuchteter Anzeige von Betriebsdaten.

2.3.3 Das Control-Modul

Der nächste Schritt in eine perfekte Form des Pumpen-Controlling wurde durch die Entwicklung eines nachrüstbaren Funktions-Moduls vollzogen. Direkt auf der Pumpe montiert (Bild 41) verfügt das Control-Modul über eine Folientastatur und ein hintergrundbeleuchtetes zweizeiliges LCD-Displayfeld. Damit sind vielfältige Funktionsüberwachungen, Sollwert- und Zeitprogrammeinstellungen (Bild 42) möglich.

Alle Funktionen der Pumpe, so wie sie rechts im Bild 42 aufgelistet sind, werden über die Bedientastatur durchlaufend aufgerufen und vom Display in 2 Zeilen zu 16 Zeichen angezeigt. Eine Fehlbedienung führt nicht zur Beschädigung der Pumpe.

Die vier Folientasten haben folgende Wirkungsweisen:

  1. Manuelle Ein- und Aus-Schaltung direkt an der Pumpe,
  2. Menü-Wahltaste, deren Bedienung zur Anzeige der IST-Werte führt,
  3. Einstelltaste für die veränderbaren Menüpunkte,
  4. Eingabetaste zur Bestätigung geänderter Einstellwerte.

Zunächst können die aktuellen Betriebsdaten, von der Förderhöhe bis zur Betriebsdauer, als Informationen abgefragt werden. Durch eine eingebaute Echtzeituhr ist es möglich, daraus den bisherigen Verbrauch elektrischer Energie (in kWh) zu errechnen.

Bild 42: Frontansicht des Control-Moduls; ein zweizeiliges Display zeigt die rechts aufgelisteten Funktionsinformationen.

Eine aufgetretene Störung erscheint unmittelbar in der Anzeige mit definierter Angabe von Datum, Zeit und Ursache der Störung. Das erleichtert die Suche nach der Schadensquelle und deren Beseitigung.

Weiter können bei Einsatz des Control-Moduls die Funktionen in der Pumpe einprogrammiert werden, die in der Grundeinstellung als externe Signale bereits beschrieben wurden: die zeitabhängige Ein-/Aus-Schaltung sowie die Umschaltung auf die minimale Drehzahlstufe. Ein entsprechend umfangreiches und vielseitiges Wochenprogramm mit unterschiedlichen Schaltzeiten ist frei programmierbar.

Bei einem Anschluß der TOP-E-Pumpe mit Control-Modul an einen Pumpenleitrechner (PLR) oder bei einer Einbindung in die Gebäudeleittechnik (GLT) können alle beschriebenen Daten und Funktionen von der Zentrale abgerufen, ausgetauscht, archiviert oder verändert werden. Dabei hat die übergeordnete Leitebene Vorrang.

Bild 43: Doppelpumpe TOP-ED; zwei Motorköpfe in einem Pumpengehäuse arbeiten wahlweise im Reserve- oder im Additionsbetrieb.

2.3.4 Die elektronische Doppelpumpe

In Heizungsanlagen ab mittlerer Größe ist es von der Sicherheit der Wärmeversorgung her unverantwortlich, mit nur einer Pumpe je Heizkreis zu arbeiten. Denn jedes technische Gerät ist zu irgendeinem Zeitpunkt vom Ausfall bedroht. (Und Heizungsanlagen fallen immer im Winter aus!)

Statt zweier parallel installierter Pumpen wählt man zweckmäßigerweise eine Doppelpumpe (Bild 43). In einem Pumpengehäuse sind zwei Pumpenköpfe montiert. Sie können wahlweise im Reservebetrieb (abwechselnd eine Pumpe) oder im Additionsbetrieb (beide Pumpen gleichzeitig) arbeiten (Bild 44). Entsprechend verhalten sich auch die Förderströme, wie sie in der Pumpenkennlinie (Bild 45) dargestellt sind.

Eine druckstoßgedämpfte, zeitverzögert wirkende Umschaltklappe im Druckstutzen der Doppelpumpe vermeidet Wasserstöße und unangenehme Schaltgeräusche bei dem zeitgesteuerten Pumpenwechsel. Sie hat gleichzeitig die Funktion einer Armatur zur Rückflußverhinderung durch die nicht-laufende Pumpenhälfte.

Bild 44: Funktionsweisen einer Doppelpumpe; eine Umschaltklappe verhindert den Rückfluß durch den Pumpenteil, der nicht in Betrieb ist.

Die Investitionskosten für die Pumpe, für die Armaturen und die Rohrformstücke, für den Raumbedarf und letztlich die Montagekosten sind bei einer Doppelpumpe erheblich geringer als bei zwei Einzelpumpen.

Die laufenden Betriebskosten werden durch eine Doppelpumpe erheblich minimiert, weil in der überwiegenden Dauer der Heizzeit sowieso nur eine Teillastversorgung der Räume mit Heizwärme erforderlich ist (Bild 46). Wenn eine halbe Doppelpumpe mit nur einer halben elektrischen Leistungsaufnahme arbeitet, erkennt man den Einspareffekt an dem Sprung von P1V nach P1T bei einer Heizleistung von etwa 50%.

2.3.4.1 Funktionen ohne Control-Modul

In der Grundausstattung, d.h. ohne Control-Modul, stehen die beiden Pumpen zueinander in Reserve. Es kann immer nur eine Pumpe in Betrieb sein. Durch die Signale "Extern-Aus-Links" und "Extern-Ein-Rechts" erfolgt der Pumpenwechsel von einer Leitwarte aus. Eine gegenseitige Verriegelung ist erforderlich. Darüber hinaus sind die Funktionen der externen Min-Schaltung und der Sammelstörmeldung für jede Pumpe durchführbar.

Bild 45: Kennlinie einer Doppelpumpe TOP-ED; durchgezogene Linie: Einzelbetrieb, gestrichelte Linie: Additionsbetrieb.

2.3.4.2 Funktionen mit Control-Modul

Mit einem Control-Modul arbeitet die Doppelpumpe im Master-Slave-Verhalten. Dabei sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Betriebsarten möglich:

Natürlich hat das Control-Modul auf einem der beiden Pumpenköpfe alle Funktionseigenschaften, wie sie für die Einzelpumpe TOP-E beschrieben wurden.

2.3.5 Einbaupositionen

Bei der Modifikation des elektrischen Stroms wird Wärme freigesetzt, die abgeführt werden muß. Aus diesem Grunde ist der Klemmenkasten, in dem die Elektronik untergebracht ist, im vorderen Bereich mit Kühlrippen ausgestattet. Die Umgebungsluft erhält zwischen den Rippen einen natürlichen Auftrieb und sorgt für die Kühlung der Elektronik. Die Kühlkörperrippen des Elektronikmoduls müssen deshalb senkrecht stehen. Das Elektronikmodul darf auch nicht nach unten zeigen. Eventuell muß das Motorgehäuse nach dem Lösen der Innensechskantschrauben verdreht werden.

Der Einbau der elektronisch geregelten Heizungsumwälzpumpen darf also nur so erfolgen, wie es die obere Reihe des Bildes 47 zeigt. Andere Einbaupositionen sind nicht zulässig.

Bild 46: Verminderung der elektrischen Leistungsaufnahme
bei dem Einsatz einer Doppelpumpe.

3. Zusammenfassung

Jede Technik lebt davon, daß sie einer ständigen Fortentwicklung unterworfen ist. Die in diesem Kapitel vorgestellten Naßläufer-Heizungsumwälzpumpen haben in den letzten Jahren einen gewaltigen Modernisierungsschub erfahren. Durch die konsequente Verwendung elektronischer Bausteine wurden zunächst die vorhandenen Pumpentypen modernisiert. Schon diese Maßnahmen brachten den Anwendern große Vorteile, was die Planung und den Installationsaufwand anbetrifft. Den Verbrauchern bescherten sie deutliche Preisvorteile bei den Anschaffungskosten und bei den laufenden Betriebskosten.

Der nächste Schritt, auf diesen Erfahrungen aufbauend, war die komplett neue Durchkonstruktion der Heizungsumwälzpumpen. Es wurde die nächste Generation geboren.

Die Neuentwicklungen umfassen die Hydraulik der Pumpe, realisiert in neu konstruierten Pumpengehäusen und Laufrädern. Sie umfassen die verbesserte Betriebssicherheit durch gänzlich neue Lösungen im Rotorumfeld. Sie umfassen die serienmäßig mitgelieferte Wärmedämmung der Pumpe zur Erfüllung der gesetzlichen Auflagen.

Bild 47: Zulässige Einbausituationen elektronisch geregelter Umwälzpumpen; der Luftzugang zum Kühlkörper des Moduls darf nicht eingeschränkt werden.

Eine neue Generation von Spaltrohrmotoren mit erheblich geringeren Verlusten wurde entwickelt. Und nicht zuletzt wurde in der Elektronik (dem eigentlichen Thema dieser Publikationsreihe) der neueste Stand internationaler Forschung umgesetzt.

Das gesamte Bestreben gipfelte in dem, letztlich erfolgreichen, Bemühen, den Gesamtwirkungsgrad, der bei Naßläuferpumpen bekanntlich schlechter ist als bei Trockenläuferpumpen, deutlich zu verbessern. Bei unveränderten hydraulischen Anforderungen ist nur noch eine geringere elektrische Antriebsleistung für den Pumpenmotor erforderlich. Multipliziert mit der Summe aller neuen und erneuerten Pumpen-Installationen führt das zu großen Einsparungen auf dem Stromsektor.

Es sei hier die Grundaussage aus dem 1. Kapitel wiederholt:
Jede nicht verbrauchte Kilowattstunde braucht im Kraftwerk nicht produziert zu werden.
Jede nicht produzierte Kilowattstunde entlastet die Umwelt!

(Fortsetzung folgt)


B i l d e r : Wilo GmbH


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