IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 4/1997, Seite 51 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Elektronisch geregelte Heizungsumwälzpumpen

Kapitel 5: Inlinepumpen

Dipl.-Ing. Klaus Walter Teil 1

Mit dem Kapitel 5 "Inlinepumpen" setzen wir diese Artikelserie in zwei Teilen fort. Die letzte Folge "Kapitel 4: Gebäudeleittechnik", veröffentlichten wir in der IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 14/15/96.

1. Einleitung

Bei den im Kapitel 2 beschriebenen Naßläuferpumpen bilden Hydraulik, Motorik und Elektrik schon immer eine Einheit "von Geburt an". Deshalb war es ein selbstverständlicher Schritt, die Elektronik ebenfalls in diese Einheit einzubeziehen.

Anders ist es bei den im Kapitel 3 beschriebenen Trockenläuferpumpen. Die hydraulischen Baugruppen, der Motor und die Elektrik kommen aus verschiedenen Produktionsprozessen. Sie werden erst bei der Endmontage zu einer Funktionseinheit zusammengefügt. Deshalb hat sich seit Jahren dafür eine dritte Komponente zum Zusammenwirken der Pumpeneinheit bewährt: die auf der Baustelle zu integrierende externe elektronische Leistungsregelung.

Bild 85: Elektronisch geregelte Trockenläuferpumpe IP-E; die bewährten Inline-Pumpen sind serienmäßig mit einer integrierten Leistungsregelung ausgestattet.

Der nächste - notwendige - Entwicklungsschritt war es also, die Elektronik in der Trockenläuferklasse so der Komplettpumpe zuzuordnen, daß sie schon bei der Endmontage wie die anderen Komponenten funktional integriert werden kann. Die im Bild 85 dargestellte Inlinepumpe IP-E erfüllt diese Anforderung. Es handelt sich dabei um eine Heizungsumwälzpumpe größerer Leistung mit einem aufgesetzten Elektronik-Regelmodul und einem angeschlossenen Differenzdrucksensor als einbaufertig montiertes und verdrahtetes Aggregat.

Die funktionsfähige Pumpeneinheit wird, wie vom Planer ausgewählt, zur Baustelle geliefert. Sie wird hydraulisch in den Heizkreis eingebaut und elektrisch angeschlossen. Danach sind am Elektronikmodul nur noch die Betriebsparameter einzustellen, wie man es bei Naßläuferpumpen seit mehreren Jahren kennt.

1.1 Aufgabenstellung

Noch einmal sei aufgelistet, welche Aufgaben die Elektronik einer Heizungsumwälzpumpe zu erfüllen hat:

Sie soll

1.2 Gesetzliche Vorgaben

Die aktuell gültige Heizungsanlagen-Verordnung (HeizAnlV) schreibt zwingend vor, daß Umwälzpumpen in Zentralheizungsanlagen so ausgestattet oder beschaffen sein müssen, daß die elektrische Leistungsaufnahme dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig angepaßt wird. Die ebenfalls im Verordnungstext enthaltene Formulierung "in mindestens drei Stufen" ist nur als eine Minimalforderung anzusehen. Sie behindert auf keinen Fall den Einsatz der modernsten Pumpentechnologie, nein, sie fördert sie. Denn in allen heutigen Lebensbereichen ist die Elektronik nicht nur "moderner" sondern auch erheblich einfacher handhabbar als die jeweiligen Vorgängertechnologien.

Wichtig ist, daß die Anpassungs-Vorschrift der HeizAnlV immer gilt, wenn eine Heizungs-Umwälzpumpe eingebaut wird. Das gilt völlig unabhängig davon, ob es sich um eine Erstinstallation oder um einen Pumpenaustausch handelt.

Zu der weiteren Minimal-Einschränkung des Verordnungstextes, daß diese Vorschrift "bei Kesselleistungen ab 50 kW" gilt, seien zwei ergänzende Anmerkungen gemacht:

  1. Die hier dargestellten Trockenläufer-Umwälzpumpen werden wegen ihres hydraulischen Leistungsbereichs sowieso in Mittel- und Großanlagen (über QN,Geb = 50 kW) einzusetzen sein.
  2. Der Verordnungstext spricht eindeutig von der Kesselleistung, unabhängig davon, in wieviele Versorgungskreise (mit je einer Pumpe) die Gesamtleistung aufgestellt wird.

2. Pumpenbaureihe IP-E

Erstmals konnte es verwirklicht werden, die Regelungen, wie sie an den Naßläuferpumpen realisiert sind, auch direkt mit Trockenläuferpumpen zu koppeln. Bild 86 zeigt den Anbau des Regelaggregates an einer Serienpumpe IPL.

Bild 86: Elektronisch geregelte Trockenläuferpumpe IP-E; 1 Elektronikmodul, 2 Differenzdrucksensor (DDS), 3 Entlüftungsventil, 4 Anschluß des DDS am Saug- bzw. Druckflansch, 5 Pumpentypenschild, 6 Kühlrippen, 7 Innensechskantschrauben.

Die Pumpe selbst ist eine einstufige Niederdruck-Kreiselpumpe in einer einbaufähigen Inline-Bauweise. Die ungeteilte Welle ist nach außen mit einer wartungsfreien Gleitringdichtung abgedichtet. Die Montage erfolgt als Rohreinbaupumpe in eine ausreichend befestigte Rohrleitung.

Auf dem Motorgehäuse sitzt ein Elektronikmodul (Pos. 1) mit einem Frequenzumrichter (FU), wie es im Kapitel 2 bei den TOP-Pumpen ausführlich dargestellt wurde. Regelgröße ist auch hier der Differenzdruck. Dieser wird, wie es auch bisher bei IP-Pumpen-Regelungen üblich war, zwischen Druck- und Saugstutzen der Pumpe (Pos. 4) abgegriffen.

Den codierten Differenzdruck-Istwert erhält der FU jetzt von einem Differenzdrucksensor (DDS, Pos. 2), der seitlich an der Pumpe angebracht ist. Ein miniaturisierter Differenzdruckgeber wandelt darin die hydraulischen Meßwerte in ein Gleichspannungssignal zwischen 0 und 10 Volt um.

Im Gegensatz zu den Naßläufer-Regelungen werden hier also keine Regelparameter direkt aus den elektrischen Meßdaten des Motors abgeleitet. Es erfolgt eine hydraulische Istwerterfassung.

2.1 Der Motoranschluß

Die Pumpenbaureihe IP-E umfaßt Pumpen in den Baugrößen DN 32 bis DN 80 (Bild 87). Die Motoren dieser Pumpen haben Nennleistungen von P2 = 0,55 kW bis P2 = 4,0 kW. Sie sind für eine Spannung von U = 400 V ausgelegt. Ein Mittelpunktsleiter ist nicht erforderlich. Die integrierten Schutzeinrichtungen gegen elektrische Überlast (I > IN) sowie gegen Übertemperatur im Motor oder im Elektronik-Modul sind serienmäßig.

Bild 87: Gesamtkennfeld der elektronisch geregelten Trockenläuferumwälzpumpen IP-E; a) hydraulisches Arbeitsfeld, b) Motordaten.

Die Pumpe erfüllt die Anforderungen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nach den einschlägigen Europa-Normen zur Störaussendung und zur Störfestigkeit.

Da die Pumpe mit einem Frequenzumrichter ausgestattet ist, dürfen zur Absicherung nur allstromsensitive FI-Schutzschalter mit VDE-Zulassung verwendet werden. Frequenzumrichter können die Funktion von anderen FI-Schutzschaltern beeinträchtigen.

2.2 Die Hydraulik

Mit den beschriebenen Motorleistungen werden, je nach Pumpentyp, Förderhöhen bis H = 28 m und Förderströme bis Q > 100 m3/h erzielt (Bild 87a). Die stufenlos geregelte Drehzahl variiert bei allen Motoren zwischen n = 1100 min-1 und n = 2900 min-1 (Bild 87b).

In Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom variiert die motorische Leistungsaufnahme P1 in sehr weiten Bereichen. Das weist auf das exzellente Regelverhalten der Elektronik hin, die sich auf den überwiegend notwendigen Fall der Teillastheizung einstellt.

2.2.1 Einstellparameter

Die Förderdaten der Pumpe werden werksseitig im DDS eingestellt. Am Beispiel der beiden Pumpen in der mittleren Baugröße DN 50 ist der breite Einsatzbereich erkennbar. Bei der Baugröße IP-E 50/2-12 (Bild 88) betragen die kleinste regelbare Förderhöhe H = 2 m (D p = 0,2 bar) und die ungefähre Nullmengen-Förderhöhe H = 12 m (D p = 1,2 bar). Im Maximum (bei H = 3 m) wird ein Förderstrom von Q = 30 m3/h erzielt.

Bild 88: Kennlinien einer stufenlos geregelten Umwälzpumpe DN 50; Förderhöhen zwischen H = 2 m und 12 m einstellbar, Betriebsart mit konstantem Differenzdruck.
Bild 89: Kennlinien einer stufenlos geregelten Umwälzpumpe DN 50; Förderhöhen zwischen H = 4 m und 11 m einstellbar, Betriebsart mit variablem Differenzdruck.
Bild 90: Kennlinien einer stufenlos geregelten Umwälzpumpe DN 50; Förderhöhen zwischen H = 5 m und 28 m einstellbar, Betriebsarten z.B. mit konstantem oder variablem Differenzdruck, wählbar.

Auf die in den Bildern 88 und 89 erkennbaren Betriebsarten wird später ausführlich eingegangen.

Bei der Baugröße IP-E 50/5-28 (Bild 90) dagegen beträgt die kleinste regelbare Förderhöhe H = 5 m (D p = 0,5 bar) und die ungefähre Nullmengen-Förderhöhe H = 28 m (D p = 2,8 bar). Die Pumpe kann einen Förderstrom bis Q = 55 m3/h (bei H = 15 m) liefern.

In diesen Bereichen wird die geeignete Pumpentype ausgewählt. Die Soll-Förderhöhe im Auslegungspunkt der Umwälzpumpe (d.h. bei einem Wärmebedarf QN, Geb. des versorgten Hauses bzw. des angeschlossenen Rohrstranges gemäß DIN 4701) wird bei der Inbetriebnahme am Einstellknopf des Elektronik-Bedienfeldes an das Rohrleitungssystem angepaßt.

2.3 Die Elektronik

Der Frequenzumformer regelt die Drehzahlen nach einer optimierten Uf-Kennlinie zwischen f = 50 Hz und f = 20 Hz. Dabei unterliegen Spannung und Frequenz einer aufeinander abgestimmten Veränderung. So können unter allen Betriebsbedingungen im Motor keine Pendel- oder Rüttelmomente auftreten.

2.3.1 Das Bedienfeld

Auf der Stirnseite des Elektronikmoduls befindet sich das Bedienfeld (Bild 91). Der Differenzdruck-Sollwert wird an einem roten Stellknopf (Pos. 3) entsprechend dem Druckverlust der Heizungsanlage eingestellt. Er wird im Regler mit dem Istwert verglichen. Bei Abweichungen regelt der FU durch Änderung der Frequenz stufenlos die Drehzahl des Motors. Auch diese Pumpe paßt sich damit dem ständig wechselnden Leistungsbedarf der Anlage an.

Bild 91: Bedienfeld des Elektronik-Moduls; 1 Meldeleuchte für blockierten Motor, 2 grüne LED-Zeile, Trendanzeige der Förderleistung, 3 roter Einstellknopf für die Sollförderhöhe, 4 Störanzeige, 5 Störquittiertaste. 

Daneben (Pos. 2) ist die Betriebsanzeige, die aus 5 grünen Leuchtdioden (LED) besteht. Bei minimalem Förderstrom leuchtet nur die LED im kleinsten Feld, mit zunehmender Volumenleistung leuchten die anderen Felder als Tendenzanzeige auf. Auf der rechten Seite des Feldes befinden sich die rote Störmeldeleuchte (Pos. 4) und die Störquittiertaste (Pos. 5). Bei Übertemperatur des Motors oder des Moduls wird die Pumpe ausgeschaltet, die rote LED blinkt. Bei schwergängigem oder blockiertem Motor erscheint rotes Dauerlicht. Zusätzlich blinkt die zweite grüne Diode (Pos. 1). Hält die Überlastung länger als eine Minute an, so wird der Motor abgeschaltet.

2.3.2 Der Klemmenkasten

Zur Kommunikation mit einer zentralen Leitstelle können in dem Klemmenkasten (als Schaltbild Nr. 92 dargestellt) Anschlüsse für verschiedene Beeinflussungen getätigt werden. Es sind dies: eine potentialfreie Sammelstörmeldung (SSM), eine ebenfalls potentialfreie Sammelbetriebsmeldung (SBM) und eine externe Ausschaltung der Pumpe (off).

Zum Anschluß an einen im Kapitel 4 beschriebenen Pumpenleitrechner (PLR / Bild 74) steht ein zweiadriger digitaler Anschluß (PLR) zur Verfügung. An diesen Klemmen kann - je nach Art und Ausstattung der Gebäudeleittechnik - wahlweise ein analoger oder ein digitaler Schnittstellen-Konverter (Bilder 81 u. 82) angeschlossen werden. Es handelt sich um eine genormte RS 485-Schnittstelle. Der Eingang für den Differenzdruck-Istwert (0 bis 10 V) und die Meldung an die Elektronik ist im Lieferzustand an den Klemmen 1, 2, 3 bereits angeschlossen.

Bild 92: Schaltbild der IP-E-Pumpe; es bedeuten: L1, L2, L3: Netzanschluß 3 p 400 V/50 Hz ohne N-Leiter; PE: Schutzleiter; SSM: Sammelstörmeldung, potentialfrei; SBM: Sammelbetriebsmeldung, potentialfrei; off: externe Ausschaltung der Pumpe; PLR: Anschlußmöglichkeit an Pumpenleitrechner bzw. GLT; 1, 2, 3: Anschluß an den Differenzdrucksensor (DDS/werksseitig installiert); DIL-Schalter: Wahl unter drei verschiedenen Betriebsarten. 

Die Wahlmöglichkeit mit dem DIL-Schalter werden im Zusammenhang mit den möglichen Regelfunktionen erläutert.

2.4 Betriebsbedingungen

Der maximale Betriebsdruck beträgt 10 bar, d.h. die Flansche sind nach PN 16 gebohrt. Der zulässige Temperaturbereich für das geförderte Medium liegt zwischen -10C und +120C. Damit ist der Einsatz in Kühlkreisläufen ohne weiteres möglich. Eine Glykol-Beimischung bis 40% ist erlaubt. Es sei aber an die dadurch bedingte drastische Veränderung sämtlicher Kennlinien erinnert.

Da es sich bei den IP-E-Pumpen nicht um eine Spaltrohrkonstruktion handelt, sind die Einbaupositionen nicht so eng definiert. Zwei Grundsätze sollten beachtet werden: Der Pumpenmotor darf sich nicht unterhalb des Pumpengehäuses befinden und mögliche Leckmengen dürfen nicht auf den Motor bzw. den Klemmenkasten tropfen.

Der Luftzugang zum Kühlkörper des Elektronik-Moduls muß in jedem Falle gewährleistet sein.

Entsprechend der NPSH-Kennlinien (Bilder 88 und 90) ist die Mindestzulaufhöhe am Saugstutzen der Pumpe zu bestimmen. Dabei spielen u.a. die Temperatur des geförderten Mediums, die Anordnung des MAG sowie die geographische Lage über dem Meeresspiegel wichtige Rollen.

Vor der Inbetriebnahme muß das Fördermedium eingelassen werden. Die Pumpe und das Rohrnetz sind sorgfältig zu entlüften. Denn schon ein kurzzeitiger Trockenlauf kann die Gleitringdichtung zerstören und die Pumpe undicht machen. (Fortsetzung folgt)


B i l d e r : Wilo GmbH


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