Nur noch geregelt und hocheffizient

Kaum eine Heizungsanlage kommt ohne Umwälzpumpe aus. Mit den seit Januar dieses Jahres geltenden EU-Vorgaben werden hocheffiziente Nassläuferpumpen praktisch zum Standard. Intelligente Regelung spart dabei nicht nur Energie, sondern erleichtert auch die Arbeit des Installateurs.

Bei den meisten Gebäuden basiert die Wärmeversorgung auf der Zirkulation von Warmwasser. Das Wasser wird vom Wärmeerzeuger (Heizkessel) erwärmt und evtl. auf die Vorlauftemperatur heruntergemischt, über ein Rohrsystem zu den Heizflächen (Heizkörper bzw. Flächenheizung) transportiert und abgekühlt im Rücklauf wieder zurück zum Wärmeerzeuger gebracht. Dort wird es erneut erwärmt. Die Wasserzirkulation in den Heizkreisen sorgt dafür, dass die Wärmeenergie dorthin kommt, wo sie gebraucht wird.
Damit das Wasser im Rohrsystem der Heizungsanlage zirkuliert, ist fast immer eine Umwälzpumpe erforderlich. Verwendet werden in kleinen und mittleren Anlagen Pumpen in Nassläuferbauweise, bei denen der Motor in die Pumpe integriert ist und sich die rotierenden Teile im Fördermedium drehen. Ein Spaltrohr trennt den Rotor vom stromführenden Stator des Motors. Die Umwälzpumpe wird mit waagerechter Welle in die Rohrleitung eingebaut, meist in den Vorlauf.
Grundsätzlich wird die Pumpe immer benötigt, wenn der Wärmeerzeuger arbeitet und die Wärme verteilt werden muss. In unseren Breitengraden ist die Heizungsanlage rund 300 Tage im Jahr in Betrieb. Das bedeutet: Eine typische Bestandspumpe, die während des Heizbetriebs ungeregelt mit 92 Watt Leistung arbeitet, kommt pro Jahr auf 630 kWh Stromverbrauch, also mehr als 130 Euro Energiekosten (bei 21 Cent pro kWh). Solche ungeregelten Pumpen sind immer noch millionenfach installiert und machen als versteckte Stromfresser einen beachtlichen Anteil an den Stromkosten eines Gebäudes aus – bei Ein- und Mehrfamilienhäusern erfahrungsgemäß etwa 10%.

Vorfahrt für effiziente Technik
Solche uneffizienten Pumpen sind nicht mehr zeitgemäß. Das sieht auch der Gesetzgeber so: Seit Januar diesen Jahres greift im Rahmen der europäischen Ökodesign- bzw. ErP/EuP-Richtlinie eine neue Verordnung, die bei Umwälzpumpen eine Mindest-Effizienz vorschreibt. In der Praxis bedeutet die neue Verordnung, dass fast nur noch elektronisch geregelte Hocheffizienzpumpen zum Einsatz kommen. Die Wirkungsgrade der neuesten Modelle sind enorm, sie verbrauchen im Vergleich zu älteren Bestandspumpen bis zu 80% weniger Energie. Zu den entscheidenden Verbesserungen zählen Permanentmagnet-Motoren, die für die Magnetisierung des Rotors keine Energie brauchen und dadurch erheblich effizienter arbeiten als konventionelle Motoren. Außerdem haben die Hersteller Bauteile und Hydraulik bis ins Detail optimiert, um typische Verluste durch Wirbelströme, Reibung und Stromfluss zu minimieren und die Rotation der Motorwelle noch effizienter in Strömung umzusetzen.

Nur so viel Leistung wie nötig
Neben Motorkonstruktion und Hydraulik ist vor allem bedarfsgerechte Leistung der entscheidende Faktor für effizienten Betrieb. Genauso wenig, wie man beim Auto permanent Vollgas fährt, ist bei einer Umwälzpumpe permanent die volle Motordrehzahl erforderlich. Was die Pumpe leisten muss, hängt von Förderhöhe (H) und Fördermenge (Q) im Heizkreis ab. Je höher der Wärmebedarf, desto mehr Wasser muss zirkulieren, desto höher ist also auch die erforderliche Motorleistung.
Die maximale Leistung der Pumpe ist für den maximalen Förderbedarf auslegt. Diese Spitzenlast ist aber nur an wenigen Tagen des Jahres gefragt, nämlich an den kältesten Wintertagen. Das genormte Lastprofil „Blauer Engel“ geht davon aus, dass der volle Förderstrom nur 6% der Zeit ausmacht. 15% der Zeit sind 75% des Förderstroms gefragt, 35% nur 50% des Förderstroms und 44% sogar nur 25%. In den meisten Betriebsstunden ist also nur ein Bruchteil der maximalen Förderleistung erforderlich. Eine Pumpe, die immer bei voller Drehzahl läuft, bringt in 9 von 10 Betriebsstunden viel mehr Leistung als tatsächlich benötigt und verschwendet dementsprechend viel elektrische Energie.
Bei Heizungsumwälzpumpen ist eine integrierte elektronische Drehzahlregelung mittlerweile Stand der Technik – ohne sie ließen sich die neuen gesetzlichen Vorgaben auch gar nicht mehr einhalten. In der einfachen Form wird die Motordrehzahl der Pumpe über eine Ausgangsgröße geregelt. Meist ist das der Differenzdruck: Die Pumpe ermittelt die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite und regelt die Motordrehzahl so, dass ein vorgegebener Sollwert konstant eingehalten wird. Bei der volumenstromabhängigen Differenzdruckregelung wird für die Vorgabe des Sollwertes zusätzlich die Fördermenge berücksichtigt, die je nach Abnahme an Wärmeenergie variiert.
Neben der elektronischen Regelung auf Basis einer einzelnen Ausgangsgröße wie dem Differenzdruck gibt es auch Pumpen mit einer selbstadaptierenden Regelung. Solche Pumpen passen sich selbsttätig an die Anlagenbedingungen an. Der Installateur muss die Pumpe lediglich an die Spannungsversorgung anschließen (230 V), danach stellt sie sich ohne Zutun von außen auf den bestmöglichen Sollwert ein. Selbst wenn die Anlagenbedingungen nicht genau bekannt sind oder sich nach der Installation noch ändern (etwa durch spätere Dämmmaßnahmen am Gebäude), passt sich die Regelung immer wieder selbsttätig an und sorgt so dafür, dass die Pumpe nie mehr elektrische Energie verbraucht als unbedingt nötig. Grundfos hat für diese Anwendung die Steuerungstechnologie „Auto Adapt“ entwickelt. 

Richtig tauschen
Der Einbau von Heizungsumwälzpumpen ist in vielen Fällen keine Neuinstallation, sondern der Austausch von älteren Bestandspumpen. Immer mehr Anlagenbetreiber wissen, dass alte – vor allem ungeregelte – Pumpen wahre Stromfresser sind und sich der Austausch in kurzer Zeit rechnet. In der Regel wird dabei eine Bestands­pumpe durch eine neue, geregelte Pumpe mit gleicher hydraulischer Leistung ersetzt. Die Hersteller bieten dafür Austauschlisten bzw. entsprechende Tools im Internet an. Oft liefern die Auslegungstools der Hersteller auch eine Gegenüberstellung von Bestandspumpe und Austauschmodell mit Daten zu Energieeinsparung und Amortisation des Pumpentausches. Diese Daten sind vor allem für die Beratung von Anlagenbetreibern sehr hilfreich.
Bei größeren Anlagen lohnt es sich zu prüfen, ob wirklich die gleiche hydraulische Leistung erforderlich ist. Ältere Pumpen wurden zu Zeiten ausgelegt, als Strompreis und Energieeffizienz kaum eine Rolle spielten. Deswegen sind erfahrungsgemäß viele Bestandspumpen überdimensioniert, das heißt sie sind für Förderleistungen ausgelegt, die in der Praxis nie benötigt werden. In solchen Fällen gibt es die Möglichkeit, Differenzdruck und Stromaufnahme der Pumpe direkt an der Anlage zu messen und auf Basis dieser Daten die Austauschpumpe auszulegen. Mit einem Ultraschall-Messverfahren ist auch die Bestimmung der Fördermenge möglich, ohne ins Rohrsystem eingreifen zu müssen. Solche Analysen rechnen sich jedoch nur bei komplexeren Anlagen. Im Normalfall hilft bereits der Einbau einer selbstadaptierenden Pumpe, die ihre Leistung an die tatsächlichen Anlagenverhältnisse anpasst.

Fazit
Die neuen EU-Vorgaben für Nassläufer-Umwälzpumpen haben die Weichen neu gestellt: Ohne effiziente Motoren und elektronische Regelung geht praktisch nichts mehr. Wie wichtig die neue Regelung ist, zeigt eine Prognose der EU. Demnach werden durch die Umsetzung der Vorgaben für Umwälzpumpen pro Jahr 23 Terawattstunden elektrischer Energie einge­spart – so viel, wie 14 Mio. Menschen in Privathaushalten verbrauchen. Es lohnt sich also, sich mit den Dauerläufern in der Heizungsanlage zu beschäftigen.

Autor: Dirk Christoph, Leiter Produktmanagement Gebäudetechnik bei Grundfos GmbH

Bilder: Grundfos

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