Die 10 häufigsten Irrtümer in der Hydraulik von Pumpenwarmwasserheizungen

Rolf-Werner Senczek Teil 2

Zehn häufig anzutreffende Irrtümer führen zu vermeidbaren Fehlern in Heizungsanlagen und zur Ablehnung zeitgemäßer Techniken und Produkte. Im ersten Teil (IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 11/97) beschäftigte sich der Autor mit der Förderhöhe von Umwälzpumpen sowie mit hydraulischen Fragen in bezug auf Thermostatventile und Rohrleitungen. Dieser Teil ergänzt sich zum ersten, indem er weitere Aspekte beleuchtet.

6. Ist der Wirkungsgrad einer Trockenläuferpumpe erheblich besser als der einer Naßläuferpumpe?

Bei dieser Betrachtung werden meist Birnen mit Äpfeln verglichen, da man bei Katalogangaben von Trockenläufern Wirkungsgrade findet, die sich nur auf das Pumpenteilaggregat beziehen und berechnet werden mit (Bild 5):

= Volumenstrom in m³/h
H = Druckverlust in m
= Dichte in kg/m³g = 9,81 m/s²

Bei Naßläuferpumpen, wie sie die klassische Umwälzpumpe darstellt, läßt sich P₂ aber nur mit erheblichem Meß- und Rechenaufwand ermitteln. Daher wird dort meist nur P₁, die elektrische Leistungsaufnahme aus dem Netz angegeben. Würde man nun damit den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe berechnen, würde er auch die Motorverluste beinhalten, die beim Trockenläufer somit extra zu ermitteln und in die Berechnung zu integrieren wären:

Bei Pumpen mit integrierter Drehzahlregelung muß sogar noch der Wirkungsgrad des Drehzahlstellers mit berücksichtigt werden:

Wenn man nun z.B. eine 2,2 kW-Trockenläuferpumpe mit einem Pumpenwirkungsgrad von 65% und einem Motorwirkungsgrad von 77% mit einer gleich großen Naßläuferpumpe mit einem Gesamtwirkungsgrad von 45% vergleicht, so sieht man, daß der Trockenläufer-Gesamtwirkungsgrad um 5 Prozentpunkte höher liegt. Da aber bei der Naßläuferpumpe die Verlustwärme zu über 80% auch noch der Heizungsanlage zugute kommt, dürfte der Energievergleich auf ein Remis hinauslaufen.

7. Sind Langsamläufer besser, leiser und robuster als Schnelläuferpumpen?

Auch hier muß man zumindest beim Geräuschpegel einen Unterschied zwischen Naßläufer- und Trockenläuferpumpen machen. Da der Luftschallpegel einer Pumpe maßgeblich durch den Lüfter des Motors bestimmt wird, der dafür sorgt, daß die Motoroberfläche hinreichend gekühlt wird, ist es klar, daß mit zunehmender Drehzahl der Geräuschpegel höher wird. Dieser Luftschall aber führt bei gutem Schallschutz in den meisten Anlagen zu keinerlei Reklamationen. Der wesentlich kritischere Körperschall aber ist nur indirekt von der Drehzahl abhängig, indem von ihr das erzeugte Frequenzband beeinflußt wird, das zu Resonanzproblemen in der Anlage führen könnte, aber in der einen bei hoher, in einer anderen bei niedriger Drehzahl. In bezug auf die Lebensdauer läßt sich feststellen, daß die ideale Drehzahl für einen Naßläufermotor unendlich ist. Bei ihr würde sich die Welle exakt auf die Mittelachse der Radiallager zentrieren und somit einen gleichmäßigen Spalt um die Welle ergeben. Dieser Spalt muß allseits gleichmäßig mit Wasser gefüllt sein, um die Verschleißfreiheit der Naßläufer zu gewährleisten.

Bild 5: Energieflußdiagramm einer Kreiselpumpe mit Drehzahlsteller.

Bei Trockenläuferpumpen hängt die Lebensdauer ebenfalls von den Konstruktionsvorgaben ab. Heute läßt sich sowohl bei Gleitringwellenabdichtungen als auch bei den Wälzlagern der Motoren kein Unterschied mehr in den Standzeiten zwischen z.B. 1400 und 2800 U/min feststellen. In bezug auf den Wirkungsgrad läßt sich jedoch eindeutig ein Bonus zugunsten der Schnelläufermotoren aufzeigen. Allerdings ist der Konstrukteur stark von der spezifischen Drehzahl n_q abhängig, die es meist erforderlich macht, Pumpen mit großer Förderhöhe und geringem Volumenstrom eher als Schnelläufer und im umgekehrten Fall eher als Langsamläufer zu konzipieren. Der entscheidende Vorteil für Schnelläufer ist aber der deutlich geringere Preis. Aufgrund noch kleinerer Abmessungen, damit geringerer Massen und damit wiederum niedrigerer Stückkosten setzt sich heutzutage sogar ein Trend zu übersynchronen Drehzahlen mit Hilfe von Frequenzumrichtern durch, die dann mit Drehzahlen über 3000 U/min laufen können. Speziell bei Naßläufern war es sowieso schon schwierig, Langsam- und Schnelläufer zu trennen, da aufgrund der weichen Motorcharakteristik selbst Schnelläufer Vollastpunkte mit weniger als 2000 U/min laufen können.

8. Können Überströmventile für gleichbleibende Anlagenverhältnisse sorgen?

Überströmventile werden eingesetzt, um den Differenzdruck in der Anlage konstant zu halten. Dazu aber ist es zunächst notwendig, das Überströmventil so zu dimensionieren, daß es in der Lage ist, ohne nennenswerten Druckverlust den Nennvolumenstrom der Anlage zum Rücklauf oder zum Pumpensaugstutzen zurückzuleiten. Ferner ist es notwendig, den Öffnungsdruck so einzustellen, daß es bereits dann öffnet, wenn der erste Heizkörper schließt. Doch ist der Proportionalbereich schuld, daß man selbst dann noch dabei einen minimalen Differenzdruckanstieg in Kauf nehmen muß (Bild 6).

Bild 6: Q/H-Diagramm einer Anlage mit Über-
strömventil.

Auf jeden Fall sorgt das Überströmventil dafür, daß der Stromverbrauch der Pumpe höher ist als bei Anlagen ohne oder mit geschlossenem Überströmventil. Bei Elektronikpumpen führt die Regelung auf konstanten Differenzdruck zusätzlich dazu, daß das Überströmventil entweder gar nicht oder konstant geöffnet hat. Will man dennoch erreichen, daß immer ein minimaler Volumenstrom fließt, wie es z.B. bei bestimmten Wärmeerzeugern erforderlich ist, sollte man lieber an den Radiatoren, die das höchste Belastungsprofil haben (Bad oder Wohnzimmer) Dreiwege-Thermostatventile einbauen, die dann dafür sorgen, daß hier quasi immer ein konstanter Volumenstrom fließt, egal ob der Verbraucher geöffnet oder geschlossen ist. Vollzieht man das bei 10% aller Heizkörper, so wird der Minimalvolumenstrom gehalten, und dennoch läßt sich mit geregelten Pumpen sehr viel Antriebsenergie einsparen. Auch zur Konstanthaltung des Differenzdruckes ist es wesentlich sinnvoller, zentral differenzdruckgeregelte Umwälzpumpen und kombiniert (wenn erforderlich) dezentral Strangdifferenzdruckregler als Überströmventile einzusetzen.

9. Braucht man elektronisch geregelte Umwälzpumpen überhaupt, wenn die Kesselregelung schon eine Pumpenlogik oder eine Pumpenmodulation integriert hat?

Viele sind der Meinung, mit der Steuerung der Pumpe von der Kesselregelung aus hätte man die Forderungen der Heizungsanlagenverordnung (HeizAnlV) erfüllt, die in allen Anlagen mit mehr als 50 kW Kesselleistung bedarfsabhängig geregelte Pumpen mit drei oder mehr Leistungsabstufungen vorschreibt. Daß das nicht ausreicht, stellt aber schon die Anlagenpraxis unter Beweis. Beide Steuerungsarten gehen nämlich nur von den Bedürfnissen des Heizkessels aus. Natürlich ist es durchaus sinnvoll, in längeren Stillstandszeiten des Wärmeerzeugers auch die Heizungspumpe wegzuschalten oder sie dessen Belastungszustand anzupassen, um damit eine geringere Schalthäufigkeit zu erhalten. Beides jedoch erfüllt weder die HeizAnlV noch die Anforderungen des Heizkreises. Hier gilt es, zusätzlich die Pumpe dem Förderstrombedarf der Verbraucher anzupassen, der durchaus verschieden von dem des Wärmeerzeugers sein kann. Andernfalls wird der Energiespargedanke des Gesetzgebers unterlaufen und Geräusch- und Hydraulikprobleme nicht bekämpft.

Bild 7: Heizungsanlage mit Ver-
knüpfung der Kesselregelung mit Kessel-
und Heizkreis-
pumpe.

Will man beiden Aspekten gerecht werden, wird es zusehends wichtiger, die Anlagentechnik zu überdenken und die Anlagenteile miteinander zu verknüpfen (Bild 7). Kessel mit größerem Wasserinhalt, hydraulische Entkoppelung mit Kessel- und Heizkreispumpe sowie die Verknüpfung von Kessel-, Heizkreis- und Pumpenregelung mittels Buskommunikation sind hier gangbare Wege zur Lösung dieser Thematik. Zumindest im Heizkreis sind daher geregelte kommunikationsfähige Umwälzpumpen unerläßlich und das nicht nur in Neuanlagen und auch nicht nur in Großanlagen! Ein durchschnittlich 50%iger Mehrpreis dieser Pumpen läßt bereits bei Anlagen mit einem Nennvolumenstrom von mehr als 1 m³/h bei einer Nennförderhöhe von mehr als 1 m eine kurze Amortisationszeit bei verbessertem Komfort erreichen.

10. Saugen auf einem Verteiler die großen Pumpen den kleinen das Wasser weg?

Immer wieder kommt es vor, daß sich Pumpen auf einem Verteiler gegenseitig beeinflussen. Typischer Fall: Auf einem Verteiler sitzen zwei große und eine kleine Umwälzpumpe (z.B. für die Hausmeisterwohnung in einer Schule), und immer wenn die beiden großen in Betrieb sind, wird es beim Hausmeister nicht mehr warm. Ursache ist der gemeinsame Kesselkreislauf, der von allen Pumpen gemeinsam überwunden werden muß. Ist er bei der Auslegung der Pumpen nicht mit berücksichtigt worden, so reicht die kleine Pumpe zwar aus, um beim alleinigen Betrieb auch die Kesselverluste zu überwinden. Bringen die beiden großen Pumpen aber z.B. den zehnfachen Förderstrom der kleinen, so steigt im Primärkreis der Druckverlust auf das Hundertfache an. Schafft die kleine Pumpe diese zusätzliche Förderhöhe nicht noch zusätzlich, so würde sie von den beiden großen rückwärts zugedrückt werden.Will man diese gegenseitige Beeinflussung verschiedener Heizkreise vermeiden, so muß man den Druckverlust im Kesselkreis auf ein Minimum begrenzen oder differenzdrucklose Verteiler bauen, indem man Vor- und Rücklauf mittels hydraulischer Weiche verbindet und eine separate Kesselkreispumpe einsetzt (Bild 8).

Bild 8: Heizungsanlage mit 3 Heizkreisen.

Wie man sieht, sollten doch eine Reihe alter Ansichten kritisch neu überdacht werden, damit sich noch häufiger als heute schon Anlagen realisieren lassen, die zu keinen Reklamationen führen.

Dabei gelten folgende 10 Regeln:
Thermostatventile müssen voreingestellt werden!
Rohrnetze sollten druckverlustarm ausgeführt werden!
Strangabsperrventile sind nur in volumenstromkonstanten Strängen zu verwenden - besser sind Strangdifferenzdruckregler!
Richtige Druckhaltung ist wichtig!
Die Förderhöhe einer Pumpe hängt von den Strömungsverlusten ab, nicht von der Gebäudehöhe!
Trockenläufer sind nicht wirtschaftlicher als Naßläufer!
Die Drehzahl einer Pumpe ist unwichtig!
Überströmventile sind überflüssig!
Auch in Anlagen mit Heizungsregelungen mit integrierter Pumpensteuerung müssen elektronisch geregelte Umwälzpumpen eingesetzt werden!
Hydraulische Weichen vermeiden gegenseitige Beeinflussung von Verbraucherkreisen.

B i l d e r : Grundfos GmbH, Wahlstedt

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