IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1996, Seite 57 ff.

HEIZUNG

Elektronisch
geregelte Heizungsumwälzpumpen

Kapitel 3: Trockenläuferpumpen

Dipl.-Ing. Klaus Walter Teil 2

Im gesamten Pumpenumfeld haben ständige Bemühungen in der Forschung und Technik zu mehr energieeinsparenden und somit betriebswirtschaftlichen Erfolgen geführt. - Moderne Gerätekonstruktionen und elektronische Pumpenregelungen stehen dabei im Vordergrund.

3. Elektronische Regeltechnik
(Fortsetzung)

3.1.4 Regelfunktion "Differenzdruck - mengenüberlagert" (Dp-q)

Bei der Schlechtpunkt-Regelung ist ein gewisser Aufwand für die Differenzdruckgeber, für teure Kabelverlegung, für den Verstärker usw. erforderlich. Je größer der Installationsaufwand ist, desto größer wird auch die Fehler- und Störanfälligkeit. Um dieses zu vermeiden, kann der Differenzdrucksollwert direkt mit einem mengenproportionalen Signal überlagert werden.

Neben dem DDG, der direkt an der Umwälzpumpe angebracht werden kann, muß ein Volumenstromgeber (0/4-20 mA) in den Vorlauf der Anlage installiert werden. Das Kennlinienverhalten und die Einsparpotentiale können im Bild 60 nachvollzogen werden.

Bild 60: Kennlinienverhalten einer Zwei-Pumpen-Anlage mit Dp-q-Regelung; durch Überlagerung eines mengenproportionalen Meßwertes wird eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme erzielt.

Die Anwendung der Dp-q-Regelung empfiehlt sich in Anlagen, in denen das Anlagenverhalten nicht bekannt oder ein Schlechtpunkt nicht zu definieren ist, wenn weite Signalstrecken nicht überbrückt werden können oder besonders bei Anlagen mit vorhandenem Volumenstromgeber.

3.1.5 Regelfunktion "Differenzdruck - temperaturüberlagert" (Dp-T)

Zur weiteren Optimierung des Betriebsverhaltens der hydraulischen Anlage läßt sich der Differenzdrucksollwert für die Pumpenleistungsregelung in Abhängigkeit einer anderen überlagerten Führungsgröße anpassen. Dazu eignet sich besonders die Außentemperatur. Bei wärmer werdender Witterung sinkt der Differenzdrucksollwert, weil für eine geringere Heizungsversorgung im Gebäude kleinere Förderströme ausreichen. Bei abnehmender Außentemperatur wird der Differenzdrucksollwert wieder angehoben.

3.1.6 Zusammenfassung der Regelfunktionen "Differenzdruck"

Für eine gleichmäßige Versorgung des Heizungssystems hat sich erfahrungsgemäß die Konstanthaltung des Druckangebotes als die beste Lösung erwiesen. Bei Naßläuferpumpen für kleinere bis mittlere Gebäude arbeitet diese Grundregelung durchaus zufriedenstellend. Dabei sind auch betriebswirtschaftliche Überlegungen für die Wahl dieser Regelungsart entscheidend.

Bei Großanlagen, in denen Trockenläuferpumpen zum Einsatz kommen, bestehen erweiterte Möglichkeiten der Meßwertüberlagerungen. Sie wurden in den vorausgegangenen Abschnitten beschrieben. Die Erfassung und Verarbeitung mehrerer Einflußparameter bringt zunächst eine Erhöhung der Investitionskosten mit sich. Damit wird aber eine langfristige, deutliche Verminderung der Betriebskosten erreicht.

Im Bild 61 sind die fünf Arten der Differenzdruckregelung dargestellt, wie sie in der Software des Regelsystems CR zur Verfügung stehen.

Bild 61: Varianten der Pumpenregelung mit Differenzdruckaufnahme; die standardmäßige Dp-Regelung wird durch Zusatzfunktionen optimaler den hydraulischen Betriebsverhältnissen angepaßt.

3.1.7 Regelfunktion "Differenztemperatur" (DT)

Heizungs- und Klimaanlagen verändern bei den üblichen Außentemperaturschwankungen ihren Wärme- bzw. Kältebedarf. Viele vorhandene Anlagen sind aber ohne Stellorgane installiert. Das heißt, daß ein Eingriff zur Förderstromreduzierung nicht möglich ist. Bei anderen Systemen - z.B. bei Einrohrheizungen (Bild 62) oder bei Primärkreisläufen mit hydraulischer Entkopplung - findet kaum eine Differenzdruckveränderung statt. In solchen Fällen ist eine Temperaturveränderung besser und einfacher meßbar. Daß Drossel- oder Bypass-Schaltungen sehr unwirtschaftlich sind, wurde schon ausführlich dargestellt.

Bild 62: Schematische Darstellung einer Heizungsanlage als Einrohrsystem; Meßparameter für die Pumpenregelung ist die Differenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur, da Veränderungen der Druckdifferenz kaum auftreten.

Die Differenztemperaturregelung DT ist eine Möglichkeit zur Konstanthaltung der Temperaturdifferenz zwischen Anlagen-Vor- und Rücklauf in Abhängigkeit von witterungs- und nutzungsabhängigen Veränderungen. Aufgrund einer Änderung des Wassermassenstroms wird der Wärmestrom variabel. Die transportierte Heiz- bzw. Kühlleistung ist unabhängig von der Vorlauf- oder der Rücklauftemperatur regelbar.

Differenztemperaturregelungen sollten aufgrund der Überschaubarkeit nur bei einzelnen Verbrauchern oder bei Anlagen mit bekannter Regelzeitkonstante eingesetzt werden.

3.1.8 Steuerfunktion "Temperatur" (崎)

Eine weitere Bewertungsgröße bei Heizungs- und Klimaanlagen ist die Temperatur des geförderten Mediums. Die Einflußnahme auf die Pumpendrehzahl über eine vorlauf- oder rücklauftemperaturabhängige Steuerung kann praktisch universell in fast allen Heizungsanlagensystemen eingesetzt werden. Man beachte, daß es sich hierbei um keine Regelung sondern um eine Steuerung handelt, weil die Veränderung der Pumpenleistung nicht über eine Rückmeldung und einen Soll-/Ist-Wert-Vergleich angepaßt wird. Gemäß einer empirisch ermittelten Kennlinie werden der Pumpe feste Drehzahlen für bestimmte Vor- bzw. Rücklauftemperaturen zugeordnet (Bild 63).

Bild 63: Verhalten einer Temperatursteuerung; die Veränderungen der Vorlauf- bzw. Rücklauftemperatur bewirken die Veränderung der Motordrehzahlen nach festen Vorgaben.

3.1.9 Spitzenlastbetrieb mit Mehrpumpenanlagen

Zwei wesentliche Gründe führen zu der Notwendigkeit, mindestens zwei Pumpen in einem Heizkreissystem vorzusehen: Zunächst ist die Tatsache zu berücksichtigen, daß bei technischen Geräten nach einer gewissen Anzahl von Betriebsjahren mit einem Ausfall zu rechnen ist. Bei Heizungsanlagen führt eine Pumpenstörung während der Heizzeit zu schlimmen Folgen. Sie kann - in Wohnkomplexen oder Hotels - unüberschaubare Nebenkosten verursachen. Sie kann - in einem Krankenhaus - katastrophale Versorgungszustände verursachen.

Zweitens ist die Anpassung an die variablen Heizerfordernisse über mehrere Pumpen mit gleichen Leistungen einfacher und spart Betriebskosten. Dagegen kann der erhöhte Raumbedarf sprechen. Aus den regelungstechnischen Möglichkeiten, 2 bis 6 Pumpen parallel zu installieren, ist im Bild 64 eine Vierpumpenanlage beispielhaft dargestellt. In dieser Prinzipszeichnung wurde auf die Darstellung von Absperrarmaturen und Rückflußverhinderern verzichtet.

Bild 64: Spitzenlastbetrieb einer Vier-Pumpen-Anlage; eine Grundlastpumpe (im rollierenden Wechsel) ist stufenlos geregelt, die weiteren Pumpen werden bedarfsabhängig ein- oder ausgeschaltet.

Eine Hauptpumpe P_H (im Bild 64 die erste von links) wird durch das beschriebene CR-System stufenlos in der Drehzahl geregelt. Bei voller Ausregelung dieser Grundlastpumpe, also bei ihrer Nenndrehzahl, schaltet die zweite Pumpe P_S1 mit ihrer vollen Drehzahl zu. Die geregelte Grundlastpumpe wird unmittelbar in ihrer Leistung reduziert, so daß sich der Gesamtförderstrom dem Bedarfspunkt anpaßt. Entsprechend werden die Pumpen P_S2 und P_S3 zugeschaltet und bei geringer werdendem Heizungsbedarf wieder abgeschaltet. Die dabei möglicherweise auftretenden Druckschwankungen sind relativ gering und können in der Praxis vernachlässigt werden.

Es addieren sich im Parallelbetrieb förderstrombezogen das regelbare Hauptaggregat P_H, das in dieser Situation den jeweiligen Lastbedarf nachregelt, und die drehzahkonstanten Spitzenlastaggregate P_S1 bis P_S3. Die Zuschaltpunkte sind durch eine geräteinterne elektronische Auswertlogik definiert.

Um möglichst gleiche Pumpenlaufzeiten zu erreichen, wird der Einsatz als Hauptpumpe im täglichen Wechsel unter den installierten Pumpen rollierend weitergegeben. Betriebstechnisch unterstützend kommt hinzu, daß im Störfall bei Teil- bzw. Schwachlastheizung eine 100%ige Reserve vorhanden ist. Die Weiterschaltung erfolgt durch interne Regelbefehle. Im Vollastbetrieb, an den wenigen extrem kalten Tagen, ist immerhin noch eine Notreserve von 75% der Pumpenleistung vorhanden.

3.1.9.1 Drei Rechenbeispiele

Zunächst sollen die reinen Investitionskosten einer Einzelpumpe mit einer 4-Pumpen-Anlage verglichen werden. Angenommen wird eine 4-polige IPn-Pumpe DN100 mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 22 kW. Dazu muß eine Regeleinheit ausgewählt werden, die in der Lage ist, den Motorstrom von 22 kW in der Frequenz umzurichten. In dieser Größenordnung muß man mit ca. 1500 DM/kW rechnen. Der Pumpenpreis verhält sich zum Preis der Regelung dann wie 27,5 zu 72,5%.

Wählt man vier gleichartige Umwälzpumpen DN 80 mit einer Motorleistung von je 5,5 kW, so beträgt der gesamte Pumpenpreis nur das 1,2-fache der Einzelpumpe. Die stufenlose Drehzahlregelung für 5,5 kW (da jeweils nur ein Pumpenmotor anzusprechen ist!) kostet nur noch 65% der größeren Einheit.

Ausgehend vom Gesamtpreis der Einzelpumpe = 100% sind jetzt 33,1% für die Pumpen und 47,2% für die Regelung, gesamt also 80,3% aufzubringen. Der Mehrbedarf an Rohrleitungsmaterial, Armaturen und Lohnstunden dürfte aus den ersparten 20% abgedeckt werden können.

Ein alternativer Einsatz von zwei Doppelpumpen DN 80 mit ebenfalls 4 x 5,5 kW Motorleistung würde 92,2% der Einzelpumpeninstallation kosten. Raumbetrachtungen und Anzahl der Armaturen sind gegenüber der Vier-Pumpen-Anlage abzuwägen. Man benötigt nur noch vier statt acht Absperrschieber und entsprechend weniger Materialien und Arbeitszeit. Unterstellt man den technischen Fortschritt, daß die neuentwickelten Rückschlagklappen der TOP-Doppelpumpen bei den Trockenläufer-Doppelpumpen Verwendung finden, so erspart man sich auch noch vier Rückflußverhinderer.

Die nächste Betrachtung soll den Betriebskosten, d.h. dem Stromverbrauch gewidmet sein. Zugrundegelegt wird die VDI-Richtlinie 2067 "Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen", Blatt 1 "Betriebstechnische und wirtschaftliche Grundlagen". Darin wird in der Tabelle 17 ein "Monatlicher Wärmeverbrauchsanteil in % vom Jahreswärmeverbrauch" aufgelistet. Diese Zahlenwerte bilden die Grundlage zur Tabelle 1 dieser Ausarbeitung.

Tabelle 1: Berechnung der Pumpenlaufzeiten in einer Vier-Pumpen-Anlage

Monat	KWh %	% v. 17	Anz. Pu.	Anz. Tg.	Pu* d
September	3	17,6	1,0	30	30
Oktober	8	47,1	1,9	31	58
November	12	70,6	2,8	30	85
Dezember	16	94,1	3,8	31	117
Januar	17	100,0	4,0	31	124
Februar	15	88,2	3,5	28	99
März	13	76,5	3,1	31	95
April	8	47,1	1,9	30	56
Mai	4	23,5	1,0	31	31
Juni/Juli/Aug.	4	23,5	1,0	92	92
Summe:	100			365	787
Durchschnitt: 2,2
Grundlage: monatlicher Wärmeverbrauchsanteil in % vom Jahreswärmeverbrauch nach VDI-Richtlinie 2067 Teil 1, Tabelle 17 (hier 1. Spalte)

Im nachfolgenden Rechenweg wird vereinfachend angenommen, daß im Monat Januar, wenn die Gebäude mit 17% der Jahresheizwärme versorgt werden müssen, alle vier Pumpen volle 31 Tage ununterbrochen laufen. Daraus lassen sich für die anderen 11 Monate durchschnittliche Zahlen ermitteln, wieviele Pumpen jeweils arbeiten müssen. In Hotels, Krankenhäusern usw. sollten auch die drei Sommermonate in die Rechnung einbezogen werden.

Im Durchschnitt eines Jahres ist also ein Betrieb von 2,2 Pumpen erforderlich. In der letzten Spalte werden 787 Pumpentage ausgewiesen. Einem Energieverbrauch bei einer großen Einzelpumpe von 365 Tagen x 22 kW = ca. 193000 kWh stehen bei einer Vier-Pumpen-Anlage nur noch 787 Tage x 5,5 kW = ca. 104000 kWh gegenüber. Das entspricht einem rechnerischen Minderverbrauch von 46%. Wegen der ungünstigen Eingangsannahme kann also mit gutem Gewissen unterstellt werden, daß sich die laufenden jährlichen Betriebskosten mindestens auf die Hälfte reduzieren.

4. Zusammenfassung

Jede Technik lebt davon, daß sie einer ständigen Fortentwicklung unterworfen ist. Die in diesem Kapitel vorgestellten Regelungen für Trockenläufer-Heizungsumwälzpumpen haben in den letzten Jahren einen bedeutenden Modernisierungsschub erfahren.

4.1 Fortentwicklung der Regelungseinheiten

Wegen der großen zu regelnden Motorleistungen wurden und werden Frequenzumrichter in externen Schalteinheiten (als Wandgeräte, als Standgeräte oder zum Schalttafeleinbau) konzipiert. 1983 wurden die Regelgeräte der Baureihe AR als Analoge Regelung vorgestellt. Ihre Funktionen waren in der Hardware realisiert, die später durch Platinen-Einstecktechnik vervollkommnet wurde.

Ab 1992 waren die Regelfunktionen in der Baureihe DR als Digitale Regelung softwaremäßig gespeichert. Der nächste, 1995 vollzogene Schritt, geht zur Computerunterstützten Regelung der Baureihe CR, die hier vorgestellt wurde.

Die Ergebnisse dieser Entwicklungen sind vielseitigere, den praktischen Bedürfnissen angepaßte Wirkungsweisen bei vereinfachter Bedienung. Es ist besonders zu vermerken, daß verminderte Investitionskosten mit Einsparungen bei den Energieverbräuchen einhergehen.

4.2 Technik und Umwelt

Durch ständige Bemühungen in Forschung und Technik ist es gelungen, Ökologie und Ökonomie in einer modernen Technologie zu vereinigen (Bild 65). Es ist keinesfalls richtig, Umweltverträglichkeit und betriebswirtschaftliche Fortschritte als feindliche Parteien zu bezeichnen. Das konnte bewiesen werden.

Bild 65: Die Ergebnisse moderner Forschung und Technik: Ökologie und Ökonomie vereinigen sich in der Technologie, vielseitige Einflußfelder führen zu steten Verbesserungen der Umfeldbedingungen.

Nur Unternehmen, die erfolgreich arbeiten, sind in der Lage, Umweltgedanken in ihren Bereichen Forschung und Entwicklung aufzugreifen. Es müssen erhebliche Geldmittel eingesetzt werden, um verbesserte Verfahren in die Produktion und die Distribution einfließen zu lassen.

Reiner Idealismus, zumal wenn er mit Technikfeindlichkeit
gepaart ist, kann keine Ergebnisse bringen.

4.2.1 Ressourcenschonung

An der Spitze dieser Entwicklungen steht die Schonung der Ressourcen. Damit sind insbesondere Materialeinsparungen durch vereinfachte und kompaktere Bauweisen zu verstehen. Energieressourcen werden dabei in der Form gespart, daß sie bei der Produktion, dem Transport und der Weiterverarbeitung geringerer Materialmengen auch in geringerem Maße verbraucht werden.

Die elektronischen Pumpenregelungen bewirken exakte Anpassungen der Bereitstellung von Heizenergie an den witterungs- und nutzungsabhängigen Bedarf. Dadurch werden große Mengen an Heizgas und Heizöl eingespart.

4.2.2 Geräuschminderung

Moderne Wege der Gerätekonstruktion beschäftigen sich auch mit dem Schwingungsverhalten der Baugruppen. Das führt zu verminderter Körperschallentwicklung. Statt der Schaltgeräusche elektrischer Relais arbeiten elektronische Leistungsbausteine nahezu geräuschlos.

Letztlich verfügt man über Maßnahmen, die Schallquellen wirkungsvoll zu dämmen. Alles das sind Beiträge zur akustischen Umweltschonung.

4.2.3 Energieeinsparung

Diesem Thema wurde in den bisherigen Kapiteln breiter Raum gewidmet. Es soll hier nur noch ein symbolisches Ausrufungszeichen gesetzt werden.

4.2.4 Reliability

Dieses englische Wort umfaßt mehr als es mit einem Wort aus der deutschen Sprache ausgedrückt werden könnte. Es werden darin Begriffe wie Funktionssicherheit und Störsicherheit ausgedrückt.

Unter der Funktionssicherheit versteht man die Qualität des gelieferten Produktes. Es muß beständig sein gegen Alterungsprozesse und damit eine lange Lebensdauer gewährleisten. Maßnahmen der vorbeugenden Instandhaltung werden durch integrierte Sensoren und Aktoren erreicht.

Störsicherheit "von außen" sind Beständigkeit und Abwehrverhalten gegen Immissionen verschiedenster Art. Diese können elektrischen, hydraulischen, thermischen oder hygienischen Ursprungs sein.

Störsicherheit "nach außen" besagt, daß von Pumpen und Regelungen keine Emissionen ausgehen, die schädigend oder störend auf andere Betriebsteile wirken könnten. Auch hier sind akustische, elektrische, hydraulische und hygienische Überlegungen anzustellen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.

4.2.5 Systemkompetenz

Die deutschen Pumpenhersteller sind schon lange von der Einstellung abgerückt, daß eine gut funktionierende Umwälzpumpe schon der Garant für ein gut funktionierendes Heizungssystem sein müsse. Die vielen anderen Komponenten und Einflüsse müssen sorgfältig bedacht werden.

Wegen des schnellen Fortschrittes innerhalb der gesamten Heizungstechnik kann man das Sammeln und die Auswertung der Informationen nicht mehr allein den planenden Ingenieuren und den installierenden Fachhandwerkern überlassen. Es muß zu einer Systempartnerschaft kommen, damit Heizungsanlagen immer besser funktionieren.

Damit soll ausgesagt werden, daß dem Verhalten einer Umwälzpumpe im System, also zwischen dem Druckstutzen und dem Saugstutzen, große Aufmerksamkeit gewidmet werden muß. Schriftliche Empfehlungen und praxisorientierte Schulungen sollen dabei helfen, die vorhandene Systemkompetenz des Pumpenlieferanten weiterzugeben. Denn das Fördermedium Wasser stellt eines der wichtigsten Elemente in der Gebäudetechnik dar. Das Bewegen von Wasser mittels Pumpen muß in seiner aktuellsten Form von allen Fachleuten beherrscht werden.

(Fortsetzung folgt)

B i l d e r : Wilo GmbH

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