IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 12/2003, Seite 35 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Anlagenoptimierung durch Reduzierung des Stromaufwandes

für die Verteilung von Heizwärme im Hinblick auf die Energieeinsparverordnung

Dipl.-Ing. Michael Schulz*

Möchte man die Räume eines Gebäudes mithilfe einer Warmwasserheizung beheizen, so muss ein gewisser Aufwand getrieben werden, um das erwärmte Heizwasser vom Wärmeerzeuger zu den Raumheizflächen zu fördern. Diese Aufgabe übernehmen in der Regel Umwälzpumpen. Der hydraulischen Arbeit, die diese Anlagenkomponenten verrichten, wurde in der Vergangenheit zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die Energieeinsparverordnung, besser die DIN V 4701-10, bewertet die Effizienz heiz- und raumlufttechnischer Anlagen. Ist dies nun der Durchbruch für drehzahlgeregelte Umwälzpumpen?

Der Aufwand für die Verteilung

Umwälzpumpen in Zentralheizungsanlagen fördern Wasser. Dieses ist aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ein hervorragendes Mittel, um Wärme zu transportieren. Zum einen verfügt es über eine hohe spezifische Wärmekapazität und zum anderen ist es fast überall in ausreichender Menge vorhanden. Der hydraulische Leistungsbedarf Phyd zum Fördern einer Flüssigkeit ist proportional zum Produkt aus Förderstrom Q und Förderhöhe H.

Phyd ~ Q* H (1)

Heizungsumwälzpumpen laufen nicht selten 6000 Betriebsstunden pro Jahr. Mit jeder Betriebsstunde müssen die hydraulischen Widerstände der Rohrleitung und der Einzelwiderstände überwunden werden. Durch folgende Maßnahmen lässt sich der Aufwand für die Verteilung minimieren.

 

Bild 1: Die Grundfos MAGNA UPE verfügt über einen elektronisch kommutierten Permanentmagnetmotor (ECM-Technologie) und gehört zur UPE Serie 2000.

1. Betriebsstunden reduzieren

Umwälzpumpen sollten immer ausgeschaltet werden, wenn sie nicht benötigt werden. Die EnEV fordert in 12 (1), dass Zentralheizungen in Gebäuden mit zentralen selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Ein- und Ausschaltung elektrischer Antriebe in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und der Zeit ausgestattet werden. Die Praxis sieht vielfach anders aus. Nicht selten laufen Umwälzpumpen gegen geschlossene Absperrorgane, pumpen Wasser im Bypass oder fördern kaltes Heizungswasser.

2. Förderstrom Q durch große Spreizung reduzieren

Über die Beziehung

mit:
Q Förderstrom der Pumpe
QN Normwärmebedarf nach DIN 4701-1 (Heizlast)
p Dichte des Fördermediums
c Spezifische Wärmekapazität
Spreizung

wird deutlich, dass zwischen dem benötigten Förderstrom Q zum Transport der Wärme und der Spreizung ein linearer Zusammenhang besteht. Je größer die Spreizung, desto geringer der benötigte Förderstrom. Bei der Auslegung der Raumheizflächen und Festlegung der Spreizung muss zwischen Behaglichkeit (kleine Spreizung) und Wirtschaftlichkeit (große Spreizung) abgewogen werden.

3. Hydraulische Widerstände durch großzügige Dimensionierung der Rohrleitung reduzieren

Nicht allen Planern der TGA ist bekannt, dass sich die hydraulischen Widerstände einer Rohrleitung im Verhältnis zum Rohrinnendurchmesser in der 5. Potenz verändern.

 

mit: Q Förderstrom der Pumpe

H1 Druckhöhenverlust bei Rohrinnendurchmesser d1

H2 Druckhöhenverlust bei Rohrinnendurchmesser d2

 

Bild 2: Selbstadaption durch AUTO-Funktion der Grundfos MAGNA UPE.
1. Pumpe regelt auf Regelkurve A (Ho/2 auf 1,5m);
2. Ventile öffnen, Betriebspunkt erreicht A4 (Max-Kennlinie);
3. Ventile öffnen weiter, Betriebspunkt erreicht Bo;
4. Pumpe adaptiert die neue Regelkurve B (Bo auf 1,5m);
5. Pumpe regelt auf Regelkurve B.

"Welche Dimension hat die optimale Verteilleitung? Eine Dimension größer!"

Hierzu ein Beispiel: Wählt man anstatt eines mittelschweren Gewinderohres nach DIN 2440 der Dimension DN 50 ein Rohr der Nennweite DN 65, so verringern sich die hydraulischen Widerstände und somit der hydraulische Leistungsbedarf auf ein Viertel!

Dieser Satz ist elementar. Dessen Beachtung bei der Dimensionierung der Rohrleitungen, insbesondere der Verteilleitungen, hat außerordentlich positive Effekte auf die Hydraulik des Heizungssystems. Sind die Druckverluste in den Verteilleitungen gering, so werden die angeschlossenen Stränge annähernd mit dem gleichen Differenzdruck beaufschlagt. Sorgt man nun dafür, dass die Differenzdrücke in den Strängen 20kPa (Geräuschgrenze von Thermostatventilen) nicht übersteigen, so spart dies in weit verzweigten Netzen häufig den Einbau von Differenzdruckreglern im Strang. Ein weiterer Vorteil großzügig dimensionierter Verteilleitung ist, dass Umwälzpumpen mit geringen Förderhöhen ausgelegt werden können. Aus den Erkenntnissen der Gleichung (1) und (4) folgt des Weiteren, dass die Investition in eine großzügig dimensionierte Rohrleitung sich in kürzester Zeit amortisiert. Die Dimensionierung der Rohrleitung sollte immer unter wirtschaftlichen und anlagentechnischen Gesichtspunkten erfolgen. Die Antwort auf die Frage: "Welche Dimension hat die optimale Verteilleitung?" kann also nur lauten: "Eine Dimension größer!"

 

Bild 3: Vom Jahres-Heizwärmebedarf zum Jahres-Primärenergiebedarf.

4. Umwälzpumpen mit gutem Wirkungsgrad einsetzen

Der Aufwand an Hilfsenergie für die Verteilung der Wärme hängt im hohen Maße vom Gesamtwirkungsgrad der Umwälzpumpen ab. Dieser errechnet sich aus dem Quotient der Leistungsaufnahme P1 und der hydraulischen Leistung Phydr.

mit: Phydr. = Q H p g hydraulische Leistung der Pumpe
P1 Leistungsaufnahme der Pumpe

5. Umwälzpumpen mit selbstadaptierender Kennlinie verwenden

Geregelte Umwälzpumpen passen ihre Drehzahl selbsttätig dem wechselnden Bedarf an. Die Regelgröße ist in den meisten Fällen der Differenzdruck. Der Sollwert (Führungsgröße) muss dem Regler der Pumpe über die Tastatur am Klemmkasten oder via BUS vorgegeben werden. Die Pumpe versucht nun durch Veränderung der Drehzahl (Stellgröße) dem eingestellten Sollwert zu folgen. So arbeiten geregelte Umwälzpumpen seit vielen Jahren erfolgreich im Markt. Grundfos beispielsweise hat bereits im September 2001 die erste und einzige Umwälzpumpe mit ECM-Technologie und selbstadaptierender Kennlinie, der AUTO-Funktion, entwickelt und eingeführt. Der Grundfos MAGNA muss kein Sollwert vorgegeben werden. In der Regelungsart AUTO-Funktion lernt die Pumpe vom System und findet ihren optimalen Sollwert und somit die optimale Kennlinie selbsttätig.

Vom Jahres-Heizwärmebedarf zum Jahres-Primärenergiebedarf

"Sollen wandhängende Kessel ohne geregelte Umwälzpumpen eingebaut werden, so ist der einfache Nachweis nach dem Diagrammverfahren nicht möglich."

Beim Nachweisverfahren nach der Wärmeschutzverordnung von 1995 stand lediglich die Bauphysik bzw. der Jahres-Heizwärmebedarf eines Gebäudes auf dem "energetischen" Prüfstand. Die Anlagentechnik musste lediglich den gültigen Vorschriften wie z.B. der Heizungsanlagenverordnung genügen.

Die Energieeinsparverordnung 2002 wählt einen neuen Ansatz. Zum Heizwärmebedarf addiert sich der Aufwand für die Übergabe, Verteilung, Speicherung und Erzeugung der Heizwärme. Man spricht vom Heizenergiebedarf. Da es aber durchaus ein Unterschied ist ob man zum Heizen Kohle direkt im Gebäude verbrennt oder in einem Kohlekraftwerk um Wasser zu verdampfen, durch eine Dampfturbine zu schicken, einen Generator zu betreiben um Strom zu erzeugen, der wiederum zum Heizen mittels einer elektrischen Direktheizung verwendet wird, ist beim Nachweisverfahren nach EnEV zu zeigen, dass der Primärenergiebedarf eines Gebäudes einen vorgeschriebenen Wert nicht übersteigt.

 

Bild 4: Die drei Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Anlagenaufwandszahl eP.

Ermittlung der Anlagenaufwandszahl zur Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs

Die Anlagenaufwandszahl wird in Anlehnung an DIN V 4701-10 ermittelt. Die Norm bietet drei Verfahren mit unterschiedlichem Rechenaufwand an (Bild 4).

Das Diagrammverfahren

Eine einfache Methode zur Ermittlung der Anlagenaufwandszahl stellt das so genannte Diagrammverfahren dar. In Abhängigkeit von lediglich zwei Parametern, der Nutzfläche AN und dem nach DIN V 4106-6 ermittelten spezifischen Jahres-Heizwärmebedarf qh sowie der verwendeten Anlagentechnik kann schnell die Anlagenaufwandszahl graphisch oder tabellarisch ermittelt werden. Hierzu sind in der DIN V 4701-10 im Anhang C.5 sechs gängige Anlagensysteme dargestellt. Mit dem Beiblatt 1 zur genannten Norm kann der Nachweisführende aus insgesamt 77 Anlagensystemen wählen. Eines haben diese Anlagensysteme jedoch gemeinsam: der Einsatz einer geregelten Umwälzpumpe ist vorgeschrieben. Dies gilt unabhängig von dem 12 (3) der EnEV, der ab 25 kW Nennwärmeleistung des Heizkreises drehzahlgeregelte Pumpen fordert. Gerade im kleinen Leistungsbereich kommen häufig wandhängende Kessel zum Einsatz, die mit wenigen Ausnahmen über Umwälzpumpen ohne Drehzahlregelung verfügen. Sollen wandhängende Kessel ohne geregelte Umwälzpumpen eingebaut werden, so ist der einfache Nachweis nach dem Diagrammverfahren nicht möglich.

 

Bild 5: Ermittlung der Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe mit der Grundfos Pumpenauslegungs-Software WinCAPS.

Das Tabellenverfahren

Findet der Planer oder Nachweisführende in der Norm oder dem Beiblatt 1 zur Norm kein Diagramm bzw. keine Anlage, die seinen Wünschen entspricht, so muss er die Anlagenaufwandszahl anhand der Rechenalgorithmen der Norm berechnen. Der flächenbezogene Stromaufwand für die Verteilung von Heizwärme, in der Norm leider als flächenbezogener Hilfsenergiebedarf bezeichnet, kann in der Tabelle C.3-2 im Anhang C.3 in Abhängigkeit von der Spreizung und der Nutzfläche AN ermittelt werden (Tabelle 1).

Das detaillierte Verfahren

Wenn Kennwerte von konkreten Produkten vorliegen, beispielsweise die Leistungsaufnahme einer Umwälzpumpe im Auslegungspunkt, dann können diese zur Berechnung des flächenbezogenen Aufwandes für die Verteilung nach folgender Gleichung verwendet werden.

mit:

q H, d, HE spezifischer Hilfsenergiebedarf der Pumpe in kWh (m2a)

PPumpe Leistungsaufnahme der Pumpe im Auslegungspunkt in W

tHP Dauer der Heizperiode in d/a nach den Randbedingungen der Tabelle 2 der Norm

z Laufzeit der Pumpe pro Tag in h/d nach den Randbedingungen der Tabelle 2 der Norm

AN Nutzfläche des Gebäudes in m2 nach Norm

Die Berechnung des spezifischen Stromaufwandes für die Verteilung nach dem detaillierten Verfahren soll nun anhand eines konkreten Beispiels verdeutlicht werden. Die Wärmebedarfs- und die Rohrnetzberechnung ergaben folgenden Auslegungspunkt: Förderstrom Q = 12 m3/h, Förderhöhe H = 4 m. Die Pumpenauswahl mit der Pumpenauslegungs-Software WinCAPS liefert die Leistungsaufnahme P1 bzw. PPumpe im Auslegungspunkt (Bild 5).

Aus Gleichung (6) folgt mit den Randbedingungen der Tabelle 2 der DIN V 4701-10 und AN = 10.000 m2

 

Bild 6: Belastungsprofil einer -Heizungsanlage.

Der Vergleich der Ergebnisse der Gleichungen (7) und (8) zeigt, dass in diesem konkreten Beispiel der Hilfsenergiebedarf für die Verteilung, berechnet mit dem detaillierten Verfahren mit Produktkenndaten der Grundfos MAGNA UPE, ungefähr halb so hoch ist wie der mit dem Tabellenverfahren ermittelte. Dies führt zu geringeren Anlagenaufwandszahlen und somit zu einem geringeren Primärenergiebedarf.

Durch detaillierte Berechnungen müssen sich aber nicht zwingend bessere Anlagenaufwandszahlen ergeben. Erst nach der Wärmebedarfsberechnung und der Rohrnetzberechnung kann die Pumpenauslegung und die Ermittlung der Leistungsaufnahme PPumpe im Auslegungspunkt mit Hilfe der Herstellerunterlagen erfolgen. Sind bei der Rohrnetzdimensionierung elementare Regeln so verletzt worden (vgl. Gleichung (1) bis (4)), dass die hydraulischen Widerstände unverhältnismäßig hoch sind, so können die Standardwerte, die sich am vermeintlich unteren Marktniveau orientieren, wesentlich bessere Werte liefern. Die "bessere" Pumpe hat in einem bestimmten Betriebspunkt die geringere Leistungsaufnahme. Der Gesamtwirkungsgrad einer Pumpe wird somit indirekt in der Gleichung (6) berücksichtigt. Da der Nutzen einer geregelten Pumpe lediglich mit dem Korrekturfaktor fP berücksichtigt wird, findet die Regelstrategie eines Herstellers in der Norm keine Berücksichtigung. Doch die Effizienz einer Umwälzpumpe wird bei variablen Volumenströmen nicht nur durch den Wirkungsgrad bestimmt. Der tatsächliche Jahres-Heizenergiebedarf wird durch einen guten Gesamtwirkungsgrad und eine intelligente Regelstrategie einer Umwälzpumpe verringert. Der Betreiber einer Heizungsanlage profitiert in der Praxis von der selbstadaptierenden Kennlinie einer elektronischen Pumpe, bei der Ermittlung der Anlagenaufwandszahl aber nicht. Ebenso bleibt im Nachweisverfahren unberücksichtigt, ob die Pumpe mit der Regelungsart Konstantdruck oder Proportionaldruck betrieben wird.

 

Bild 7: Vergleich zweier ungeregelter Umwälzpumpen UPC 40-120 und UPS 40-120 F mit geregelten der UPE Serie 2000 und dessen Nachfolger Grundfos MAGNA UPE 40-120 F.
*) ermittelt unter folgenden Randbedingungen:
- Absenkbetrieb 8 Stunden pro Heiztag
- Nachtabsenkfunktion bei Grundfos MAGNA UPE ist aktiviert
- MIN-Kennlinie über potenzialfreien Kontakt während des Absenkbetriebes bei UPE 40-120 F
- Belastungsprofil nach Bild 6
- Auslegungsförderstrom: 12 m3/h, Förderhöhe: 6 m

Stromaufwand im Vergleich

Auf Basis des Auslegungspunktes und des Belastungsprofils einer Heizungsanlage lässt sich der Stromaufwand für die Verteilung berechnen. Mehr als 87,5% des Volumenstromes ist an weniger als 5% der Heizzeit erforderlich, während 85% der Heizzeit maximal 62,5% des Volumenstromes benötigt wird (Bild 6). Die Bedeutung von geregelten Umwälzpumpen in Anlagen mit variablen Volumenströmen wird aus der Darstellung in Bild 7 ersichtlich.

"Der Betreiber einer Heizungsanlage profitiert in der Praxis von der selbstadaptierenden Kennlinie einer Grundfos MAGNA UPE, bei der Ermittlung der Anlagenaufwandszahl aber nicht."

 

Tabelle 1: Flächenbezogener Stromaufwand für die Verteilung von Heizwärme in kWh/(m2 a).

Fazit

Die Voraussetzung für eine moderne, energiesparende Anlagentechnik bleibt eine durchdachte Planung und gewissenhafte, planungstreue Ausführung, die auch den hydraulischen Abgleich umfasst. Fehler bei der Planung und Ausführung lassen sich auch durch moderne Pumpentechnik nicht ausgleichen. Der Nutzen geregelter Umwälzpumpen in Anlagen mit variablen Volumenströmen ist in Fachkreisen unumstritten. Die EnEV und die DIN V 4701-10 geben richtige Impulse, berücksichtigen aber nicht das Einsparpotenzial durch neue Regelstrategien moderner Pumpentechnik. Geregelte Umwälzpumpen sind heute Standard. Das wird zum einen dadurch deutlich, dass das einfachste und schnellste Nachweisverfahren, das Diagrammverfahren, ausschließlich den Einsatz geregelter Umwälzpumpen vorsieht und zum anderen der Einbau in Heizkreisen von Zentralheizungen mit mehr als 25 kW Nennwärmeleistung vorgeschrieben ist. Der Nachweisführende, in der Regel ein Statiker oder Architekt, also nicht zwingend Fachpersonal der TGA-Branche, wird wohl den einfachen Weg über das Diagrammverfahren bevorzugen. Ist der Einsatz von ungeregelten Umwälzpumpen bei Nennwärmeleistungen unter 25 kW aus bestimmten Gründen gewünscht, so bleibt dem Nachweisführenden nur das aufwendigere Tabellenverfahren oder das detaillierte Verfahren. Dieser ist gut beraten, wenn er sich bereits in der frühen Planungsphase mit den Fachleuten der TGA-Branche in Verbindung setzt, damit sich in Zukunft das Spektrum der Anlagentechnik nicht nur auf die sechs Anlagentypen zum Diagrammverfahren der DIN V 4701-10 und den 71 Anlagentypen des Beiblattes 1 zur Norm beschränkt.

Internetinformationen:
www.grundfos.de


*) Dipl.-Ing. Michael Schulz, Produktmanager bei der Grundfos GmbH, Erkrath


B i l d e r :   Grundfos, Erkrath


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