IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1996, Seite 41 ff.

HEIZUNG

Elektronisch geregelte Heizungsumwälzpumpen

Kapitel 3: Trockenläuferpumpen

Dipl.-Ing. Klaus Walter Teil 1

In der IKZ-HAUSTECHNIK-Ausgabe 1/96 behandelten wir abschließend den Bereich "Naßläuferpumpen" im Kapitel 2. In diesem, dem 3. Kapitel, werden Heizungsumwälzpumpen in Trockenläuferbauart in weiteren Folgen behandelt. Der Verfasser geht dabei auf Bauarten, Einsatzbereiche, Wirkungsgrade und elektronische Regelsysteme ein.

1. Einleitung

Die im 2. Kapitel beschriebenen Naßläuferpumpen haben aufgrund ihrer Konstruktion den Vorteil, preiswert in der Herstellung und bei der Montage zu sein. In ihrer Konstruktion und Wirkungsweise ist begründet, daß sie trotz eines vergleichsweise geringen Gesamtwirkungsgrades auch geringe Betriebskosten verursachen. Denn ein Pumpenmotor mit einer Leistungsaufnahme von P1 = 100 W verbraucht nicht mehr Strom als eine 100-W-Glühlampe.

Die Heizungsumwälzpumpen in Trockenläuferbauart werden aus technischen und kalkulatorischen Gründen in größeren Heizungsanlagen eingesetzt. Den deutlich besseren Wirkungsgraden stehen höhere Investitionskosten für die Pumpenaggregate und die Regelkomponenten gegenüber. Auf die betriebswirtschaftlichen Bewertungen wird deshalb später ausführlich eingegangen.

1.1 Pumpenwirkungsgrade

In der Gebäudetechnik findet der Pumpenwirkungsgrad bei der Beurteilung der Pumpe nur als indirekte Größe Beachtung. Aus diesem Grund wird in Dokumentationen oftmals auf die Angabe verzichtet. Ausschlaggebend ist die Leistungsaufnahme der Pumpe.

Erst bei größeren Aggregaten, z.B. in der Verfahrenstechnik oder im Großanlagenbau, sind diese Wirkungsgradangaben zwingend erforderlich. Denn es erfolgt dann eine differenziertere Betrachtung des Pumpenbetriebes.

Um Vergleichsmöglichkeiten zu haben, soll jeweils der Wirkungsgrad des vollständigen Pumpenaggregats h_gr gemäß DIN 24260 Teil 1 zugrunde gelegt werden. Als Verhältnis wird dabei die Förderleistung P_u = Q · H · r · g in W zu der von der Antriebsmaschine aufgenommenen Leistung P_M in W betrachtet.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Trockenläufermotor (Bild 48 links) eine eigenständige Funktionseinheit darstellt. Ihr ist der Motorwirkungsgrad h_mot zuzuordnen. Unabhängig davon ist der hydraulische Wirkungsgrad h_hydr im Spiralgehäuse der Pumpe zu bewerten. Es gilt somit: h_gr = h_mot · h_hydr.

Bild 48: Konstruktionsmerkmale von Pumpenmotoren; links: Trockenläufermotor als eigenständige Funktionseinheit, rechts: Naßläufermotor als Funktionselement der Gesamtpumpe.

Eine derartig getrennte Betrachtung ist bei einem Naßläufermotor (Bild 48, rechts) jedoch nicht möglich. Die komplette Pumpe bildet eine funktionale Einheit. Es bieten sich allerdings dadurch die Möglichkeiten, die Teilwirkungsgrade der Komponenten konstruktiv zueinander zu optimieren. Das wurde, wie beschrieben, konsequent durchgeführt.

1.1.1 Naßläuferpumpen

Der Wirkungsgrad h_gr (demnächst immer vereinfacht als h dargestellt) beträgt bei kleinen Heizungsumwälzpumpen (DN 25) teilweise zwischen 8% und 15%.

Er entspricht damit dem Gesamtwirkungsgrad eines normal gefahrenen Pkw!

Bei Naßläuferpumpen größerer Nennweite und größerer Motorleistung (DN 80 od. 100) wächst der Wirkungsgrad bis etwa 50%. Bedingt wird diese geringe Ausbeute durch den im Wasserbett laufenden Rotor. Einerseits wird dabei die Kraft des elektrischen Antriebsfeldes, das vom Stator ausgeht, durch das metallische Spaltrohr und den Wasserring geschwächt. Andererseits ist die durch das Wasser gebremste Rotorbewegung ein großer Verlustfaktor.

1.1.2 Trockenläuferpumpen

Auch bei dieser Pumpenausführung ist der Wirkungsgrad abhängig von der Pumpengröße. Bei kleineren Typen (DN 40 mit P₁ < 1,0 kW) wird er etwa bei h = 50% liegen. Große Pumpen (DN 80 bis 125 mit P₁ > 30 kW) weisen Aggregat-Wirkungsgrade bis h = 80% auf.

Dieser Wirkungsgrad-Sprung bei etwa h = 50% führt häufig zu der grundsätzlichen Entscheidung, Trockenläuferpumpen statt Naßläuferpumpen einzusetzen. Weitere Argumente (Wartung, Reparaturfähigkeit, Leistungssplittung usw.) sollen hier nicht abgehandelt werden.

1.2 Einsatzgrenzen

Schon jetzt sei darauf verwiesen, daß das Regelverhalten von Trockenläuferpumpen den technischen Gegebenheiten angepaßt werden muß. Die Motorkühlung erfolgt hierbei über ein auf der Motorwelle befindliches Lüfterrad, welches die Raumluft außen über die Kühlrippen leitet. Mit der stufenlos geregelten Pumpendrehzahl (in Abhängigkeit vom heizungstechnischen Bedarf) verringert sich auch die Lüfterdrehzahl.

Deshalb sagen Erfahrungswerte, daß man die Motordrehzahl (und damit die von der Pumpe erbrachte Fördermenge) in den Grenzen von n = 100% bis n = 60% (in Ausnahmefällen bis n = 40%) variieren lassen darf. Geringere Drehzahlen schaden dem Motor, auch wegen auftretender Rüttelmomente.

Man bedenke weiter, daß sich die Förderhöhe einer Pumpe quadratisch zum Förderstrom verhält. Bei einer Halbierung der Drehzahl fällt der Pumpendruck auf ein Viertel des Auslegungswertes. Das kann zu Störungen oder zum Zusammenbruch der Wasserverteilung führen.

2. Pumpen-Bauarten

Sehr verbreitet ist der Einsatz sogenannter Inlinepumpen (Bild 49). Sie sind als Rohreinbaupumpen konzipiert. Saug- und Druckflansch liegen in der Rohrachse und haben gleiche Anschlußnennweiten. Pumpengewicht und Schwerpunktlage erlauben eine unmittelbare Montage aller Pumpengrößen in die Rohrleitung. Wegen der größeren Pumpengewichte ist eine Fundamentmontage möglich.

Bild 49: Trockenläuferpumpe als Inlinepumpe; Flansche mit gleichen Rohrnennweiten in der Rohrachse angeordnet.

Jede Inlinepumpe hat serienmäßig Druckmeßanschlüsse R_p 1/8 in den Flanschen. Sie sind bei der Auslieferung verschlossen und erlauben die unmittelbare Installation von Meßleitungen zur Erfassung und Auswertung des Differenzdruckes (d.h. der Förderhöhe) der Pumpe. Über diese Anschlüsse verfügen auch die nachfolgend beschriebenen Bauarten.

Schon im Kapitel 2 wurde ausführlich auf Zweck und Nutzen von Doppelpumpen eingegangen. In dieser Konstruktionsart werden auch alle Größen der Inlinepumpen geliefert (Bild 50). Zwei einstufige Niederdruck-Kreiselpumpen sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Wasserseitig sind sie durch eine Umschaltklappe getrennt.

Bild 50: Trockenläufer-Umwälzpumpe als Inline-Doppelpumpe; zwei Pumpenköpfe in einem Gehäuse können im Reserve- oder im Additionsbetrieb geschaltet werden.

Es kann Einsatzfälle geben, in denen eine andere Rohrleitungsführung gewünscht wird. Dann setzt man eine Blockpumpe (Bild 51) ein. Auf einem Fundament stehend hat sie einen waagerechten Saugstutzen, der um eine Nennweitenstufe größer ist als der senkrechte Druckstutzen.

Bild 51: Trockenläuferpumpe als Block-Pumpe; Eintrittsstutzen waagerecht, Druckstutzen senkrecht, Aufbau auf einem Fundament.

Großpumpen werden als Norm-Grundplattenpumpen nach DIN 24255 (Bild 52) ausgeführt. Der Vorteil besteht darin, daß im Schadensfalle entweder der Pumpenteil oder der Motor repariert bzw. ausgetauscht werden können.

Bild 52: Trockenläuferpumpe als Grundplatten-pumpe; Pumpe und Motor sind separat montiert und über eine Kupplung miteinander verbunden.

3. Elektronische Regeltechnik

Da es sich bei sämtlichen Trockenläufermotoren um ICE-Normmotoren (mit verlängerter Welle zur Aufnahme des Laufrades) handelt, kann die elektrische Versorgung manipuliert werden. Seit der ersten Hälfte der 80er Jahre erfolgen die regeltechnischen Eingriffe durch in seiner Frequenz veränderten Strom. Dazu waren und sind externe Regelgeräte erforderlich (vergl. Kap. 1, Bild 6).

3.1 Pumpen-Regelsystem CR

Modernste Frequenzumrichtertechnologie und digitale Regelelektronik ermöglichen die Erfüllung aller Anforderungen bei der Neuinstallation und bei der Nachrüstung. Der Vollständigkeit willen sei darauf verwiesen, daß dieses Regelsystem sowohl für Heizungsanlagen (Bild 53) wie auch für den Bereich Klima/Lüftung sowie für die Druckerhöhung in der Trinkwasserversorgung (Bild 54) eingesetzt werden kann.

Bild 53: Frequenzumrichter-Regelung CR für den Einsatz in der Heizungstechnik; wahlweise Differenzdruck- oder Differenz-Temperatur-Erfassung.

Das digital gesteuerte Comfort-Regelsystem eignet sich grundsätzlich für alle Pumpenfabrikate mit Drehstrommotoren und Anschlußleistungen bis P₁ = 30 kW (und in Sonderausführungen auch darüber hinaus). Ursächlich für Trockenläuferpumpen konzipiert, ist es auch für Naßläuferpumpen ohne eigene Regelung geeignet. Es kann bei Einzelpumpen, Doppelpumpen und bei Mehrpumpenanlagen bis zu 6 Pumpen eingesetzt werden.

Bild 54: Frequenzumrichter-Regelung CR für den Einsatz in der Druckerhöhung zur Wasserversorgung.

Dieses Steuer- und Kontrollsystem mit mikrocomputergesteuerter, digitaler Regelung und CAN-Bus-Technologie gewährleistet einen optimierten und gesicherten Betrieb. Es trägt zur Vermeidung von Strömungs- und Kavitationsgeräuschen bei. Durch die stufenlose elektronische Leistungsanpassung der Pumpen an die variablen Betriebszustände der hydraulischen Anlage werden die Betriebskosten durch Energieeinsparung merklich gesenkt.Nachfolgend werden die einzelnen Regelfunktionen vorgestellt und besprochen. Es sei hier schon auf das Bild 61 verwiesen, welches eine Zusammenstellung der wichtigsten Funktionen und ihrer charakteristischen Anbindungen zeigt.

3.1.1 Regelfunktion "Differenzdruck - constant" (Dp-c)

Der an dem CR-Gerät einzustellende Differenzdruck-Sollwert wird über den gesamten Förderbereich konstant gehalten (Bild 55). Bei abnehmender Fördermenge durch Drosselung der hydraulischen Regelorgane (z.B. der Thermostatventile) wird die Pumpenleistung durch Drehzahlreduzierung an den tatsächlichen Anlagenbedarf angepaßt.

Die Regelung wirkt in der Form, daß der zum Pumpenmotor gesandte Strom in seiner Frequenz von 50 Hz (n = 100%) stufenlos auf 30 Hz (n = 60%) bzw. auf 20 Hz (n = 40%) reduziert wird. Eingesetzt wird dabei die modernste Form der U-Umrichter-Technik.

Parallel zur Drehzahlveränderung erfolgt eine Verringerung der Leistungsaufnahme bis unter 50% der Nennleistung (Bild 55, unten).

Bild 55: Kennlinienverhalten bei der Dp-c-Regelung; der Differenzdruck der Pumpe wird stufenlos konstant gehalten.

Der Spitzenlastbetrieb, z.B. in Verbindung mit einer Doppelpumpe, wird automatisch lastabhängig durchgeführt. Wenn die geregelte Grundlastpumpe nicht mehr in der Lage ist, die Anlage zu versorgen, schaltet die zweite Pumpe als Spitzenlastpumpe zu.

3.1.2 Regelfunktion "Differenzdruck - variabel" (Dp - v)

Die bisher immer beschriebene Regelfunktion, den Differenzdruck der Umwälzpumpe über den gesamten Regelbereich konstant zu halten, ist gut und bewährt. Sie kommt aus betriebswirtschaftlichen Gründen in etwa 90% der Regelungsfälle zum Einsatz.

Wenn die Investitionskosten sowieso den Einsatz von großen Trockenläuferpumpen mit einer CR-Frequenzumrichter-Regelung erlauben, kann man regelungstechnisch noch näher an die hydraulischen Erfordernisse der Anlage (Bild 56) herankommen. Das Drosseln der Thermostatventile führt zu geringeren Förderströmen, zu geringeren Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen und damit zu abnehmenden Rohrreibungsverlusten.

Bild 56: Pumpenkennlinie und Anlagenerfordernis; wegen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen fällt die erforderliche Förderhöhe bogenförmig ab.

Theoretisch ist der Rohrwiderstand null bei Q = 0, wenn man der Rohrnetzparabel folgt. Die Auslegungs-Druckdifferenz der Heizkörperthermostatventile, die "Ventilautorität", muß aber immer vorgehalten werden. So ergibt sich ein bogenförmiges Feld, welches von Q_max bis Q_min abfällt.

Wenn auch nicht bogenförmig, so kann die Regelkennlinie doch linear abfallend gestaltet werden (Bild 57). Die Nullförderhöhe wird auf Werte zwischen 99% und 40% der Auslegungsförderhöhe eingestellt. Eine Rechnereinheit des CR-Systems paßt den Differenzdrucksollwert durch stetigen Soll-/Ist-Vergleich der vorgegebenen variablen Differenzdruckkurve an.

Bild 57: Kennlinienverhalten der Dp-v-Regelung; der Differenzdruck-Sollwert fällt mit abnehmendem Förderstrom.

Die reduzierte Drehzahl beträgt dann etwas über n = 60% bei H = 40% (denn 0,6² = 0,36). Der Regelbereich - und damit der Einsparungsbereich - vergrößern sich dadurch erheblich.

Diese Dp-v-Regelung ist allerdings nicht universell einsetzbar. Erstens ist damit zunächst nur eine Einzelpumpe regelbar. Zweitens kann der Absenkungspunkt rechnerisch nur ungefähr bestimmt werden. Eine Einregulierung durch eingewiesenes Personal in den ersten beiden Heizperioden führt dann zu einer empirischen Optimierung.

Das CR-System bietet noch eine zusätzliche Einsatzvariante für Mehrpumpen-Anlagen: Im Schwachlast-(Sommer-)Betrieb bei geringsten Förderströmen verhält sich die Dp-v-Regelung wie beschrieben. Im Additionsbetrieb bei fallenden Außentemperaturen bleibt nach dem Zuschalten der ersten Spitzenlastpumpe der Differenzdruck nach dem Dp-c-Verhalten konstant auf dem Auslegungsniveau.

3.1.3 Regelfunktion "Schlechtpunkt-Auswertung"

Im allgemeinen empfiehlt es sich, den Differenzdruck an der Pumpe abzugreifen und dort konstant zu halten. Als Alternative bietet sich die Regelung über Fernsignalgeber an. Man stelle sich einen Krankenhauskomplex mit vielen Gebäuden und einer (auch räumlich in etwa mittigen) Heizungszentrale vor. An den entferntesten Stellen der Heizungsversorgung werden bis zu vier Differenzdruckgeber DDG als Meßwerterfassung installiert (Bild 58). Der Auswerter DDG bestimmt die Mindestförderhöhe, die die Umwälzpumpe zu erbringen hat.

Bild 58: Prinzipschaltbild für den Schlechtpunkt-Auswerterbetrieb; von bis zu vier externen Meßpunkten wird die erforderliche Förderhöhe ermittelt und an das Regelgerät gemeldet.

Da sich der Schlechtpunkt innerhalb der Anlage verschieben kann, ist eine ständige Optimierung durch diese Schlechtpunkt-Auswertung möglich. Voraussetzung dafür ist, daß der gewählte Meßpunkt Gültigkeit für das Verbrauchsverhalten aller Anlagenabschnitte hat.

3.1.3.1 Ein Anwendungsbeispiel

Aus dem Bild 59 sind die möglichen Drehzahlreduzierungen, wie sie sich aus der Auswertung von drei Meßpunkten ergeben, deutlich zu bestimmen. Wird der Differenzdruck direkt an der Pumpe abgegriffen, kann die Nennförderhöhe DH_Nenn auch im Extremfall bei Q = 0 nicht unterschritten werden. Im Beispiel erlaubt das eine Drehzahlreduzierung bis etwa n = 80%.

Bild 59: Abhängigkeit der Pumpendrehzahlreduzierung vom Abgriff des Regelsignals in einer Zweirohrheizung.

Plastisch sind die Betriebsdruckverhältnisse an einem beliebigen Rohrstrang mit den Meßpunkten C₁ bis C₆ nachzuvollziehen. Eine Meßwerterfassung an diesem Strang würde eine Reduzierung der Drehzahl auf n = 65% zulassen, um die notwendige Förderhöhe DH_c noch zu gewährleisten.

Am entferntesten Heizkörper, dem Meßpunkt D, ist noch eine Mindestversorgung DH_D notwendig. Die Pumpendrehzahl kann also bedarfsangepaßt zwischen n = 100% und (theoretisch) n = 40% entlang der Anlagenkennlinie stufenlos geregelt werden. (Fortsetzung folgt)

B i l d e r : Wilo GmbH

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