Umwälzpumpen mit Permanentmagnetmotor

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sind schon seit längerer Zeit bekannt, wurden bisher jedoch vorrangig in Hochleistungsaggregaten wie Servomotoren eingesetzt. Dank neuester Entwicklungen in der Leistungselektronik und neuer Werkstoffe für Permanentmagnete sind PMSM jetzt eine interessante Alternative für Umwälzpumpen. Dabei sorgen sowohl der hohe Wirkungsgrad als auch die Möglichkeit der elektronisch geregelten Leistungsanpassung der Pumpe an den Heizbedarf für eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs, wie der nachfolgende Beitrag aufzeigt.

Bild 1: Magnetisierter Rotor eines Permanentmagnet-Synchronmotors: Die Energieeinsparung beruht im Wesentlichen darauf, dass zur Magnetisierung des Rotors kein Strom verbraucht wird. Nur der Stator wird noch elektrisch magnetisiert.

Seit etwa zehn Jahren nimmt die Nachfrage nach energiesparenden Elektromotoren stetig zu. Parallel dazu wurden einerseits in der Entwicklung von Permanentmagneten, andererseits in der Leistungs- und Mikroelektronik entscheidende Fortschritte erzielt, von denen die Permanentmotorentechnik besonders profitiert. Motoren mit Permanentmagnetläufern (PM-Motoren) werden daher immer attraktiver.

Bild 2: Kontinuierliche Drehbewegung eines Permanentmagnetläufers. Der Pfeil an der Spule zeigt die Fließrichtung des Stroms an.

In einem PM-Motor wird der Elektromagnetismus, wie er auch in herkömmlichen Elektromotoren angewendet wird, mit dem Permanentmagnetismus kombiniert. Zeichnung a) in Bild 2 zeigt einen Permanentmagnet mit Nordpol N und Südpol S neben einer elektrisch leitenden Spule. In der Zeichnung b) wird Spannung an die Spule gelegt, wodurch sie selbst zum Elektromagneten mit Nord- und Südpol wird. Der um den Punkt C drehbar gelagerte Permanentmagnet wird aufgrund der Anziehung von Nord- und Südpol so gedreht, dass er mit der Spule auf einer Linie liegt. Durch Anordnen mehrerer Elektromagneten und deren abwechselndes Ein- und Ausschalten wird eine kontinuierliche Drehbewegung des Permanentmagneten herbeigeführt.

Bild 3: Pumpenkennlinien für eine ungeregelte sowie eine proportional geregelte Umwälzpumpe.

Gemäß Bild 2 lässt sich also eine fortlaufende Drehbewegung des Permanentmagneten erzeugen, indem die Spulen in der Reihenfolge a) - b) - c) - d) beschaltet werden. Die Spulen werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet sowie [in Phase c) und d) gegenüber a) und b)] umgepolt, sodass sich der Permanentmagnet Schritt für Schritt weiterdreht. Die Fließrichtung (oder Polarität) des Stroms bestimmt auch die Polarität des Spulenmagnetfeldes, d. h. die dem Permanentmagneten zugewandte Seite der Spule ist abwechselnd Nord- und Südpol.

Tabelle 1: Jahresbetriebsprofil einer Heizungsumwälzpumpe.

Die Vorzüge elektronisch geregelter Pumpen

In Bild 3 ist die typische Kennlinie einer ungeregelten Umwälzpumpe dargestellt. Je höher der Förderstrom, desto geringer die Förderhöhe und umgekehrt. Für Umwälzpumpen, wie sie in Zentralheizungsanlagen verwendet werden, ist dies ungünstig, da die Heizleistung vom Förderstrom und der Förderhöhe abhängt. Je mehr Wärme benötigt wird, desto höher der erforderliche Förderstrom. Die Förderhöhe gleicht den Reibungsverlust des Wassers aus, der beim Durchströmen von Rohren, Ventilen, Thermostaten usw. entsteht. Je geringer der Förderstrom, (oder die Strömungsgeschwindigkeit) des Wassers, desto geringer auch die Reibung und der Energieaufwand (die Förderhöhe), der zur Überwindung der Reibungsverluste nötig ist. Diese Erfordernis steht im Gegensatz zu der aufgezeigten Kennlinie mit steigender Förderhöhe bei sinkender Fördermenge. In der Praxis bedeutet dies, dass ein erheblicher Anteil der Energie, die der Pumpe zugeführt wird, nutzlos im System verschwindet.

Bild 4: Wirkungsgrad zweier verschiedener Motortypen, bezogen auf die Fördermenge.

In Bild 3 ist außerdem die entsprechende Kennlinie einer geregelten Umlaufpumpe dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Funktionsweise der Pumpe den Erfordernissen der Heizanlage gerecht wird. Je höher die Fördermenge, desto größer die Förderhöhe und umgekehrt. In der Praxis heißt dies: Der Pumpe wird nur die wirklich erforderliche Energiemenge zugeführt.

Tabelle 2: Jahres-Energieverbrauch einer ungeregelten Umwälzpumpe.

Tabelle 3: Jahres-Energieverbrauch einer geregelten Umwälzpumpe.

Bild 5: Der Energieverbrauch im Vergleich.

Umwälzpumpen für Warmwasserheizungen: Planungsaspekte

Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, d. h. den Energieverbrauch für eine bestimmte Leistung so gering wie möglich zu halten, muss bei der Auslegung von Umwälzpumpen das Betriebs- oder Auslastungsprofil beachtet werden. Bei einer Umwälzpumpe für eine Zentralheizungsanlage ändert sich das Belastungsprofil im Jahresverlauf. An wenigen Wintertagen wird die maximale Heizleistung benötigt. Wie bereits erwähnt, erfordert die maximale Heizleistung den maximalen Förderstrom. Wenn die Außentemperaturen steigen, sinkt der Heizbedarf und damit auch der erforderliche Förderstrom. An den meisten Tagen des Jahres wird also nur ein geringer Teil des maximalen Förderstroms benötigt. Auf Tabelle 1 ist ein typisches Betriebsprofil zu sehen. Es wird deutlich, dass die Pumpe etwa 6% der Zeit den maximalen Förderstrom bringen muss. Das entspricht etwa 2 - 3 Wochen im Jahr, während die Pumpe rund 80% der Heizsaison weniger als die Hälfte des maximalen oder Nenn-Förderstroms bewegen muss. Deshalb ist es so wichtig, dass nicht nur beim Nennförderstrom, sondern auch bei geringeren Förderströmen ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird. In Bild 4 sind die Wirkungsgradkurven zweier verschiedener Motoren dargestellt, von denen Motor a mit hohem Wirkungsgrad bei einem Nennförderstrom von 11 m³/h, Motor b mit hohem Wirkungsgrad im gesamten Leistungsbereich ausgelegt ist.

Obwohl Motor a den höchsten maximalen Wirkungsgrad aufweist, ist Motor b im Hinblick auf den jährlichen Gesamtstromverbrauch die bessere Wahl, da er auch bei geringeren Fördermengen - die ja während 80% der Jahresbetriebszeit zutreffen - einen optimalen Wirkungsgrad bietet.

Bild 6: Durch den Austausch einer ungeregelten gegen eine geregelte Umwälzpumpe lässt sich der Energieverbrauch deutlich senken. Das macht Sinn, denn analysiert man die Gesamtkosten einer Pumpe über deren Lebenszeit, so wird deutlich, dass die Investitionskosten nur etwa 5 bis 8 % ausmachen, während der große Rest von mehr als 90 % auf das Konto des Energieverbrauchs geht.

Tabelle 4: Jahres-Energieverbrauch der neuen Grundfos MAGNA UPE 40-120.

Der Energieverbrauch im Vergleich

Vergleichen wir nun den Energieverbrauch geregelter und ungeregelter Umwälzpumpen. Die Messwerte beziehen sich auf die Grundfos-Modelle UPS 40-120 (ungeregelt), UPE 40-120 (geregelt) sowie MAGNA UPE 40-120 (mit Permanentmagnetmotor). Grundlage des Vergleichs bilden das Betriebsprofil von Tabelle 1 sowie die durchschnittliche deutsche Heizperiode von 6480 Stunden. Während der verbleibenden Zeit (im Sommer) ist die Pumpe abgeschaltet. Alle genannten Daten sind Messwerte von Pumpen, die in der Werkseinstellung betrieben wurden. Tabelle 2 enthält die Ergebnisse der ungeregelten Pumpe. Tabelle 3 nennt die Ergebnisse des geregelten Modells und Tabelle 4 die Werte der MAGNA.

Ergebnis: Durch Austauschen der ungeregelten UPS-Pumpe gegen eine geregelte UPE-Pumpe ließe sich der Energieverbrauch von 2420 kWh auf 1440 kWh senken - d. h. auf 60%. Mit der MAGNA ist eine weitere Verringerung auf nur 1039 kWh zu erzielen, d. h. durch Austauschen des konventionellen Motors gegen einen Permanentmagnetmotor kann der Stromverbrauch um weitere 25% gesenkt werden. Im Vergleich zum UPS-Modell reduziert der Permanentmagnetmotor den Energieverbrauch also auf nur 43%. Auf der Stromrechnung des Nutzers bedeutet dies eine Einsparung von 57% für den Betrieb der Umwälzpumpe.

Internetinformationen:
www.grundfos.com
www.magna.grundfos.com

B i l d e r : Grundfos GmbH

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