Spar-Pumpen für die Prozesskühlung - Zentrum für Energietechnik: Energieeffizienz nicht nur im Fokus der Forschung

Das 2011 eröffnete Zentrum für Energietechnik (ZET) ist eine Einrichtung der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Neben der ener­gietechnischen Aus- und Weiterbildung widmet es sich in erster Linie der Erforschung und Weiterentwicklung effizienter und ressourcenschonender Verfahren der Energiebereitstellung – von der Kern­energie über fossile Brennstoffe bis hin zu regenerativen Energien.
Auf dem Campus der Technischen Universität entstand in dreijähriger Bauzeit ein neuer Gebäudekomplex für das ZET. Der 2011 fertiggestellte Neubau beherbergt zahlreiche Versuchsanlagen. Die EU und der Freistaat Sachsen finanzierten das rund 16 Mio. Euro teure Bauprojekt gemeinsam. Die Fördermittel für die Forschungsinfrastruktur des ZET stammen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Freistaat Sachsen.
Auch mehrere Unternehmen haben sich finanziell, personell oder mit technischer Ausrüstung an den Forschungsanlagen beteiligt. Ein besonders enger Kooperationspartner ist der Dortmunder Pumpenspezialist WILO SE. Er brachte neben seiner Beratungskompetenz auch die Pumpentechnik für die Prozesskühlung und die Brauchwasserversorgung der Versuchsanlagen als Sachspende mit ein.
„Mit der Technischen Universität Dresden, insbesondere der Fakultät für Maschinenwesen, pflegt Wilo schon seit vielen Jahren enge Kontakte“, begründet Alf Bauer, Vertriebsleiter Ost der WILO SE, das Sponsoring für das ZET. Seit über 20 Jahren zählt die TU Dresden zu den wichtigsten Forschungspartnern des Pumpenherstellers. „So haben wir etwa die Entwicklung unseres Dezentralen Pumpensystems‚ Wilo-Geniax’ während der Feldtestphase vom Institut für Energietechnik messtechnisch begleiten lassen“, ergänzt Bauer. Das innovative System hatte der Pumpenhersteller 2009 erfolgreich in den Markt eingeführt.
„Zusammen engagieren wir uns auch für die regionale Nachwuchsförderung im Ingenieurbereich“, fügt Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann vom Institut für Energietechnik (IET) hinzu. Sein Lehrstuhl für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung hatte maßgeblich an der Gründung des „Vereins zur Förderung der Ingenieurausbildung der Gebäude- und Energietechnik Dresden e.V.“ mitgewirkt. Der Förderverein war im Oktober 2011 entstanden. An der Gründung beteiligt waren neben der TU Dresden die Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden sowie mehrere Hersteller von Gebäudetechnik, darunter Wilo.

Energieerzeugung zu Forschungszwecken
Für den Forschungsbetrieb im ZET stehen zahlreiche Versuchsanlagen zur Verfügung, die teilweise auch selbst Energie erzeugen. Dazu zählt etwa ein Lehr- und Versuchskraftwerk. Es handelt sich um ein integriertes Gas-Dampf(GiD)-Kraftwerk mit Rückgewinnung des eingesetzten Prozesswassers. Das Kraftwerk stellt gegenwärtig eine elektrische Leistung von bis zu 650 kW bereit. Auch ein Turbomaschinenversuchsfeld gehört zur technischen Ausstattung des ZET. Hier arbeiten Wissenschaftler und Studenten unter anderem an effizienteren und umweltverträglicheren Strahltriebwerken. Der Versuchsbereich „Rationelle Energieanwendung und Regenerative Energien“ unter der Leitung von Professor Felsmann hat die Aufgabe, gebäudetechnische Komponenten und Anlagen zur Nutzung Erneuerbarer Energien weiterzuentwickeln und zu optimieren.
Die genannten Versuchsanlagen benötigen eine zuverlässige Prozesskühlung. Ein entsprechend komplexes und leistungsstarkes Versorgungsnetz sorgt daher für die notwendige Rückkühlung. Anspruch des ZET ist es, neben der Entwicklung auch den Einsatz energieeffizienter Anlagentechnik zu forcieren. „Wir wollen nicht nur Energieeffizienz erforschen, sondern auch energieeffizient forschen“, betont Professor Felsmann. Die Leitungsnetze für das Kühlwasser werden daher beispielsweise von elektronisch geregelten Trockenläuferpumpen gespeist.
Laut dem Hersteller Wilo zeichnen sich die hier zum Einsatz kommenden Pumpenbaureihen durch ihren besonders stromsparenden Betrieb aus. Möglich macht dies die bedarfsgerechte Regelung der Pumpenleistung entsprechend unterschiedlicher Lastzustände. Die Trockenläuferpumpen passen durch einen integrierten Frequenzumformer ihre Drehzahl intelligent den wechselnden Betriebsbedingungen an. Dadurch laufen die Pumpen stets mit der Drehzahl, die dem tatsächlichen Förderbedarf entspricht. So sind Energieeinsparungen von bis zu 50% im Vergleich zu ungeregelten Pumpen möglich.
Die Planung der Prozessanlagen im ZET übernahm die GESA mbh Ingenieurgesellschaft für technische Gesamtplanung aus Dresden. Sie verantwortete darüber hinaus auch die gebäudetechnische Planung. Mit dem Planungsbüro hat die Dresdner Wilo-Niederlassung bereits mehrere große Projekte gemeinsam realisiert.
Die Realisierung der Prozesstechnik für das ZET erwies sich als recht anspruchsvolles Projekt. Das galt auch für die Kühlung. Kühlwasser mit einer Vorlauftemperatur von 30°C dient zur Rückkühlung der Prozesswärme aus dem Betrieb der Versuchsbereiche und ihrer Anlagen. Das Kühlwasser stellen zwei Kühltürme bereit: ein Hybridkühler mit 330 kW Leistung und ein Kühlturm im geschlossenen Kreislauf. Dessen Gesamtkälteleistung beträgt 2150 kW bei einer Gleichzeitigkeit von 70%.

Pumpentechnik in der Prozesskühlung
Insgesamt fünf elektronisch geregelte Trockenläuferpumpen in Inlinebauweise speisen das Kühlwasser über einen Vorlaufverteiler in die Kühlwasserkreise. Vier Pumpen der Baureihe „Wilo-VeroLine IP-E“ versorgen dabei die Anlagen des Turbomaschinenversuchsfeld sowie des Lehr- und Versuchskraftwerks. Eine weitere Inlinepumpe vom Typ „Wilo-CronoLine IL-E“ versorgt über einen Plattenwärmetauscher den Versuchsbereich rationelle Energieanwendung und regenerative Energien mit Kühlwasser.
Die Aggregate sind optimal auf Fördermedien in Kühl- und Kaltwasserkreisen abgestimmt. Eine serienmäßige Kataphoresebeschichtung sowie eine zusätzliche Lackierung schützen vor Korrosion. Werkseitig vorgenommene Kondensatablaufbohrungen am Motorgehäuse führen auftretendes Kondensat gezielt ab. Daraus ergibt sich ein wirkungsvoller Schutz der Motoren. Unter dem Strich verlängert sich dadurch die Standzeit der Pumpen, zugleich verringern sich die Wartungskosten.
Besonders glatte Oberflächen im Pumpengehäuse und im Laufrad minimieren zudem Strömungsverluste. Damit erreichen die Pumpen einen optimalen Wirkungsgrad. Zudem sorgt die Geometrie des Pumpengehäuses für eine spürbare Reduktion der Axial- und Radialkräfte. Daraus resultieren höchste Laufruhe und Betriebssicherheit.

Hocheffiziente Pumpen für die Raumluftkühlung
Auch in der Klimatisierung von Messkabinen und Arbeitsräumen im ZET kommen Pumpen von Wilo zum Einsatz. Ein luftgekühlter Kaltwassersatz liefert die notwendige Kälteenergie. Das Kaltwasser fördern vier Hocheffizienzpumpen der Baureihe „Wilo-Stratos“ an Umluftkühlgeräte in den entsprechenden Räumen. Auch diese Pumpen passen ihre Pumpenleistung automatisch an die wechselnden Betriebszustände der Kühlung an. So reduzieren die Hocheffizienzpumpen den Stromverbrauch sogar um bis zu 80% im Vergleich zu ungeregelten Standardpumpen in Nassläuferbauweise.
Zur Ausstattung der „Wilo-Stratos“-Pumpen im Kälteverteiler des ZET gehören die Kältedämmschalen „Wilo-ClimaForm“. Sie weisen einen hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Das aus dem flexiblen Elastomer-Material AF/Armaflex gefertigte Schalensystem ist präzise vorgefertigt. Es umschließt passgenau das Pumpengehäuse, ohne das Kondensatablauf-System in seiner Funktion zu beeinträchtigen. Damit ist das Pumpengehäuse wirkungsvoll vor Energieverlusten geschützt.
Durch ihren geringen Stromverbrauch und ihre gute Isolierung weist die „Wilo-Stratos“-Baureihe in der Kälteverteilung ein hohes Energieeinsparpotenzial bei minimierten Energieverlusten auf. So leis­ten auch diese Pumpen einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz.

Anbindung an die Prozess- und Gebäudeleittechnik
Im ZET regelt ein Prozessleitsystem (PLS) die Versuchsanlagen einschließlich der Kühlwassernetze. Es trägt dazu bei, die Betriebssicherheit der Anlagentechnik zu erhöhen. Auch lassen sich angeschlossene Komponenten mit maximaler Effizienz betreiben und zentral regeln. „Zudem können wir über das System wichtige Betriebs­parameter bequem an einer Bedienstation erfassen und überwachen“, erläutert Danilo Höhne, Betriebsleiter des ZET, den Vorteil der Leittechnik im laufenden Versuchsbetrieb. „Die Daten können wir auch aufzeichnen. Sie helfen anschließend bei der Auswertung der Versuchsreihen“, ergänzt der Diplom-Ingenieur. Die in der Prozesskühlung eingesetzten Inlinepumpen sind an dieses System angebunden. Sie erhalten die Regelsignale der PLS über eine 0- bis 10-V-Schnittstelle.  
Unabhängig vom Prozessleitsystem im ZET gibt es an der TU Dresden eine campusweite Gebäudeleittechnik (GLT). Auf diese sind die „Wilo-Stratos“-Hocheffizienzpumpen in den Kaltwasserkreisen aufgeschaltet. Die Gebäudeautomation verbessert Nutzerkomfort und Wirtschaftlichkeit der angeschlossenen Komponenten. Außerdem kann dadurch die Wartung optimiert werden. Insgesamt sind Kostenentlas­tungen von 10 bis 30% gegenüber Gebäuden ohne Leitsysteme realistisch.
Zur Anbindung der Pumpen an die GLT dienen in die Pumpenelektronik integrierte Interface-(IF-)Module. Die Pumpen sind damit direkt in das vor Ort vorhandene Gebäudeautomationssystem eingebunden. Separate Gateways oder Schnittstellen zu proprietären Bussystemen sind nicht erforderlich. Außerdem ermöglicht dies eine sehr einfache, durchgängige Installation. Unter dem Strich steigert die Integration der Hocheffizienzpumpen in die Gebäudeautomation die Betriebssicherheit und senkt die Betriebskosten.

Brauchwasser bedarfsgerecht bereitgestellt
Auch für die Brauchwasserversorgung verließ man sich im ZET auf Pumpentechnik aus dem Hause Wilo. Die Einspeisung erfolgt aus dem Trinkwassernetz. Ein Rohrtrenner entkoppelt die beiden Netze, sodass kein Brauchwasser in das Trinkwassernetz zurückfließen kann. Eine Druckerhöhungsanlage vom Typ „Wilo-Comfort-Vario COR-2 MHIE“ versorgt die Verbrauchsstellen. Hauptabnehmer für das Brauchwasser ist die Wasseraufbereitungsanlage des Lehr- und Versuchskraftwerks. Durch Enthärtung, Umkehrosmose und Ionenaustausch produziert sie voll entsalztes Wasser. Dies dient unter anderem als Kesselspeisewasser für die im ZET zu Versuchszwecken installierte Dampferzeugung sowie für die Versorgungskreise der Kühltürme.  
Die Wilo-Druckerhöhungsanlage versorgt alle angeschlossenen Verbraucher wie die Wasseraufbereitung bedarfsgerecht und zuverlässig mit Brauchwasser. Die Anlage besteht aus zwei Hochdruckkreiselpumpen „Wilo-Economy MHIE“. Sie sind auf einem gemeinsamen Grundrahmen montiert. Jede der Pumpen verfügt über einen integrierten Frequenzumformer. Dieser regelt die Drehzahl der Pumpen entsprechend dem Wasserbedarf.
Die automatische Regelung der Druckerhöhungsanlage erfolgt über den „Wilo-Comfort-Vario-Regler VR“. Er schaltet die zweite Pumpe bei Bedarf zu. Die Feinregelung der Drehzahl übernimmt der Frequenzumformer. Er stimmt die Leistung der Pumpen exakt auf den gerade vorherrschenden Lastfall ab. Daraus ergeben sich ein hoher Nutzungskomfort und gleichzeitig eine ener­gieeffiziente Betriebsweise. Die intelligente VR-Steuerungseinheit liefert darüber hinaus Informationen wie Sammelstörmeldungen und aktuellen Druckstatus.

Autor: Vincent Domscheit

KONTAKT: WILO SE, 44263 Dortmund, Tel. 0231 41020, Fax 0231 41027575, wilo@wilo.com, www.wilo.de