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Warum regelt man Heizungspumpen

aus dem Grundfos Datenheft
Art.Nr.:heft01xx
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Dimensionierung von Umwälzpumpen

Es gibt gravierende Gründe, warum Umwälzpumpen zumindest in Anlagen mit schwankender Belastung geregelt werden sollten. In einer Zweirohr-Heizungsanlage mit Thermostatventilen (Heizkörpern) muss die Pumpe so gewählt werden, dass sie in der Lage ist, den für die Leistung der Heizungsanlage oder des Heizkreises benötigten Heizwasserstrom umzuwälzen und dabei den Widerstand der Heizungsrohre auf dem Weg zum ungünstigst gelegenen Heizkörper zu überwinden. Man geht also vom Vollastfall entsprechend DIN 4701 aus, der in den meisten Anlagen fast nie erreicht wird. Betrachtet man die Belastungsdauerlinie einer Heizungsanlage (Abb. 1), so erkennt man, dass von den Heiztagen (Tage mit einer Durchschnittstemperatur von unter 15°C) nur an weniger als 10 Tagen mehr als 80% Heizlast erreicht wird.

Hydraulischer Abgleich

Trotzdem werden viele Heizungsumwälzpumpen darüber hinaus noch überdimensioniert, wie eine Studie belegt. Der Grund dafür ist häufig die Befürchtung, irgendwo könnte es nicht warm genug werden. Dieser Fall wird aber auch bei knapp dimensionierten Pumpen meist nur dann eintreten, wenn das Rohrnetz nicht abgeglichen wird, wie es die VOB/DIN 18 380 verlangt. Der hydraulische Abgleich ist somit Grundvoraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb einer Heizungsanlage und ebenso für den Erfolg einer Pumpenregelung.

Teillastverhalten von Anlagen

Aber auch in einem abgeglichenen Rohrnetz mit richtig dimensionierter Pumpe ist die Pumpenleistung sowohl in Bezug auf gefördertes Heizungswasser wie auch in Bezug auf Förderhöhe die meiste Zeit des Jahres zu hoch, da die geförderte Heizwassermenge schwankt. Selbst in Heizungsanlagen mit Vorlauftemperaturregelung wird man Belastungsprofile finden, die selten 100% Vollast erreichen, da durch Fremdwärmeeinflüsse und Benutzereingriffe viele Thermostatventile gedrosselt werden.

Wärmeübertragerkennlinie

Betrachtet man die Kennlinie eines Heizkörpers (Abb. 2), so erkennt man, dass für halbe Wärmeleistung das Thermostatventil nur noch 15 - 20% Volumenstrom durchlassen darf. So ergeben sich bei Ventilen, die auf die gewünschte Raumtemperatur eingestellt sind, bei zusätzlichen Fremdwärmeeinflüssen äußerst geringe Heizwasserströme. Selbst bei halbem Volumenstrom gibt der Heizkörper mehr als 80% Wärme ab.

Teillastverhalten von Heizungsanlagen

Bei Reduzierung des Förderstroms sinkt der Durchflusswiderstand des Heizungswassers in den Rohren quadratisch – also bei halber Menge auf ein Viertel. Bei abnehmendem Volumenstrom und damit sinkenden Strömungsverlusten steigt der Differenzdruck an den Heizkörpern an und erreicht bei Nullast, wenn auf dem Weg von der Pumpe zum Verbraucher kein Druckverlust mehr auftritt, bei ungeregelten Pumpen sogar deren Nullförderhöhe (Abb. 3). Zur Vermeidung von Geräuschproblemen sollte aber am Thermostatventil ein Differenzdruck HV=2 m nicht überschritten werden. Je größer der Druckverlust im Verbraucher HV100 gegenüber dem im Rohrnetz HR wird (= große Ventilautorität), desto kleiner ist der Druckanstieg bei Schwachlast.

VOB fordert Gegenmaßnahmen

Gemäß VOB/DIN 18380 (Verdingungsordnung für Bauleistungen) ist auch„ bei den zu erwartenden wechselnden Betriebsbedingungen eine ausreichende Wassermengenverteilung sicherzustellen. Dabei dürfen die zulässigen Geräuschpegel nicht überschritten werden. Wenn z.B. bei Schwachlastbetrieb ein übermäßiger Differenzdruck zu erwarten ist, so sind geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen, z.B. der Einbau differenzdruckregelnder Einrichtungen“. Daher und auch zur Energieeinsparung soll man differenzdruckgeregelte Umwälzpumpen einsetzen.

Energieeinsparung und CO2-Reduzierung durch Pumpenregelungen

Wie groß die Möglichkeiten zur Einsparung elektrischer Energie und damit auch der bei der Stromerzeugung entstehenden CO2-Emissionen sind, hängt von dem jeweiligen Einsatz ab und kann in Einzelfällen über 50 % erreichen. Volkswirtschaftlich ist ebenfalls in Bezug auf elektrische Energie und CO2-Emissionen durch geregelte Pumpen sehr viel zu erreichen. An den ca. 40% Primärenergieanteil für Heizzwecke ist die für Pumpen benötigte Antriebsenergie nicht unerheblich beteiligt. Der Hauptgrund dafür ist in der relativ hohen Betriebsdauer zu finden, da eine Umwälzpumpe jährlich durchschnittlich 6000 Betriebsstunden aufweist. Bei gut isolierten Gebäuden können somit sogar zweistellige Prozentanteile erreicht werden (Abb. 4).

Forderung der Energie-Einspar-Verordnung (EnEV)

Für die Neuinstallation und den Austausch von Pumpen schreibt die Energie-Einspar-Verordnung vom 01. Februar 2002 in § 12 Abs. 3 vor:

Wer Umwälzpumpen in Heizkreisen von Zentralheizungen mit mehr als 25 Kilowatt Nennwärmeleistung erstmalig einbaut, einbauen lässt oder vorhandene ersetzt oder ersetzen lässt, hat dafür Sorge zu tragen, dass diese so ausgestattet oder beschaffen sind, dass die elektrische Leistungsaufnahme dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig in mindestens drei Stufen angepasst wird, soweit sicherheitstechnische Belange des Heizkessels dem nicht entgegenstehen.

Einsparungspotential durch Pumpenregelung

(Studie des IKE der Uni Stuttgart)

  1-/2-Familien-
häuser
Mehrfamilien-
häuser
Gesamt
Elektrische Arbeit
in Mio kWh/a
977 490 1467
CO2-Emission
in Tsd. t/a
585 295 880


Da der weitaus größere Anteil des Einsparungspotentials in Ein- und Zweifamilienhäusern mit einer Heizleistung unter 25 kW zu erzielen ist, sollten auch in diesen kleineren Anlagen geregelte Pumpen zum Einsatz gelangen, bevor dies Vorschrift sein wird.

Drehzahländerung

Die Leistungsanpassung der Pumpe erreicht man durch eine Änderung der Drehzahl n. Verändert man die Drehzahl n der Pumpe, so verhält sich der Volumenstrom Q proportional dazu:

1. Modellgesetz: Q1/Q2 = n1/n2

Die Förderhöhe H verändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl:

2. Modellgesetz: H1/H2 = (n1/n2)2

und der Leistungsbedarf P mit der 3. Potenz der Drehzahl:

3. Modellgesetz: P1/P2 = (n1/n2)3

Bei halber Drehzahl sinkt also der Förderstrom auf die Hälfte, die Förderhöhe auf ein Viertel, und der Leistungsbedarf auf etwa ein Achtel. (Abb. 5)

Belastungsprofil einer Heizungsanlage

Das durchschnittliche Belastungsprofil von Heizungsanlagen mit variablen Volumenströmen weist nur eine geringe Betriebsdauer mit hohem Förderstrom und damit großer hydraulischen Leistung auf. Den größten Anteil wird der Schwachlastbetrieb ausmachen, der einen wesentlich geringeren Leistungsbedarf mit sich bringt. Das größte Energieeinsparungspotential bietet aber der Betrieb zu Absenkzeiten wie z.B. nachts, da zu diesen Zeiten erfahrungsgemäß eine Minimaldrehzahl der Pumpe ausreicht. (Abb. 6)

Senkung der Betriebskosten

Durch die Anpassung der Pumpenleistung an dieses Belastungsprofil durch eine integrierte Regelung läßt sich eine hohe Betriebskostenersparnis erzielen. Trotz eines höheren Anschaffungspreises gegenüber ungeregelten Pumpen ergeben sich während ihrer Lebensdauer wesentlich niedrigere Gesamtkosten für geregelte Pumpen (Abb. 7). Der Austausch gar einer vorhandenen überdimensionierten Pumpe gegen eine geregelte Pumpe bringt eine noch größere Strom- und CO2-Reduzierung und damit auch eine sehr kurze Amortisationsdauer.

Belastungsdauerkurve
Abb.1: Belastungsdauerkurve

Wärmeübertragungskennlinie
Abb.2: Wärmeübertragungskennlinie

Differenzdruckänderung am Thermostatventil
Abb.3: Differenzdruckänderung am Thermostatventil

Primärenergieanteil der Pumpe
Abb.4: Primärenergieanteil der Pumpe

Modellgesetze der Drehzahländerung
Abb.5: Modellgesetze der Drehzahländerung

Belastungsprofil einer Heizungsanlage
Abb.6: Belastungsprofil einer Heizungsanlage

Energieeinsparung durch Pumpenregelung
Abb.7: Energieeinsparung durch Pumpenregelung
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