IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 12/2000, Seite 42 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Umwälzpumpen in Brennwertheizungen
Regelstrategien für optimale Kondensation
Ehrhardt Buscher*, Klaus Walter **
Bundesweite Förderkampagnen und die Einsicht vieler Hausbesitzer haben in den vergangenen Jahren zu einer immer größeren Verbreitung von Brennwert-Wärmeerzeugern geführt. Die optimale Integration dieser Geräte in das Rohrnetz setzt fundierte Kenntnisse in Anlagenhydraulik und Regelungstechnik voraus. Zentrale Bedeutung hat in diesem Zusammenhang auch die Auslegung und Betriebsweise der Heizungsumwälzpumpe. Der nachfolgende Beitrag beschreibt die relativ junge Betriebsweise der temperaturgeführten Differenzdruck-Regelung für Umwälzpumpen und gibt zudem weitere Hinweise zu Auslegung und Einbau von Pumpen in Brennwertanlagen.
Brennwerttechnik
Fossile Brennstoffe bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Sie verbinden sich bei der Verbrennung mit dem Sauerstoff der Luft. Am einfachen Beispiel des Erdgases bedeutet das:
Methan (CH4) + Sauerstoff (O2) ergibt Kohlendioxid (CO2) + Wasser (H2O).
| Bild 1: Normnutzungsgrad eines Brennwertkessels; gegenüber herkömmlichen Kesseln kann ein Teil der latenten Wärme genutzt werden (Quelle: Vaillant GmbH, Remscheid). |
Entscheidend für den Wärmegewinn aus diesen chemischen Reaktionen ist es, ob das Wasser bei Abgastemperaturen über 100°C als Wasserdampf oder bei niedrigeren Abgastemperaturen in flüssiger Form vorliegt. Die im Wasserdampf enthaltene "versteckte" (latente) Wärme kann in Brennwert-Heizgeräten genutzt werden, während sie bei konventionellen Wärmeerzeugern ungenutzt verloren geht. Deshalb unterscheidet man zwei verschiedene physikalische Energiewerte, den Heizwert Hu und den Brennwert Ho (siehe Tabelle 1). Der theoretische Unterschied, den man durch Wasserdampfkondensation zusätzlich gewinnen kann, beträgt bei Erdgas 11%, bei Heizöl 6%.
| Bild 2: Abgas-Taupunkte für Erdgas und Heizöl EL. |
Um diesen Mehrgewinn (Bild 1) nutzen zu können, muss die Abgastemperatur so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies bedingt besondere konstruktive Maßnahmen am Wärmetauscher des Wärmeerzeugers sowie ein dementsprechend abgestimmtes Regelsystem. Die Taupunkte liegen für Erdgas bei 57 °C und für Heizöl bei 47 °C (Bild 2). Diese Temperaturwerte müssen während der überwiegenden Zeit der Heizdauer in jedem Falle unterschritten werden. Je niedriger die Abgastemperatur ist, umso größer wird der Nutzen (Bild 3). Deshalb spielt auch die Heizungsumwälzpumpe eine wesentliche Rolle, denn erst die richtige Hydraulik einer Anlage ermöglicht die effektive Brennwertnutzung.
| Bild 3: Kondenswassermenge und Nutzungsgrad in Abhängigkeit von der Temperatur. |
Möglichkeiten der Pumpenregelung
Moderne Heizungsumwälzpumpen sind mit elektronischen Leistungsregelungen ausgestattet. Bekannt und bewährt sind seit vielen Jahren die Regelungsarten 
(mit konstantem Differenzdruck) und 
(mit variablem Differenzdruck). Relativ neu ist die temperaturgeführte Differenzdruck-Regelung 
. Bei dieser Regelungsart verändert die Elektronik den von der Pumpe einzuhaltenden Differenzdruck-Sollwert in Abhängigkeit von der gemessenen Mediumtemperatur. Dabei sind zwei Einstellungen möglich:
| Bild 4: Emissionsgrenzwerte verschiedener Vorschriften und Förderprogramme; moderne Wärmeerzeuger unterschreiten häufig diese Werte. |
Regelungen mit steigendem Verhalten 
Für die Programmierung werden zwei Wertepaare, bestehend aus je einer Förderhöhe und einer Mediumtemperatur, am Monitor eingestellt. Die Regelung beginnt bei einem Betriebszustand T1/H1, das entspricht einem Volumenstrom der Pumpe von 
. Mit steigender Temperatur des Fördermediums wird der Differenzdruck-Sollwert linear zwischen H1 und H2 erhöht. Somit nimmt der Volumenstrom von 
auf 
zu.
Diese Regelungsart eignet sich für differenzdruckkonstante Systeme, z.B. Einrohrheizungen.
| Bild 5: Heizungsumwälzpumpe mit Infrarot-Schnittstelle und einem Bedienungsgerät IR-Monitor. |
Regelungen mit gegenläufigem Verhalten 
Weil die beiden Wertepaare frei wählbar sind, ist es auch ohne weiteres möglich, die Förderhöhe H2 bei der Temperatur T2 niedriger als die Förderhöhe H1 bei T1 vorzugeben. Mit steigender Temperatur des Fördermediums wird der Differenzdruck-Sollwert linear zwischen H1 und H2 fallen. Somit nimmt der Volumenstrom von auf ab.
Diese Regelungsart eignet sich vorzüglich für Brennwertheizungen. Wichtig: Die Pumpe erfasst die Mediumtemperatur, deshalb muss sie zwingend im Rücklauf, am Eintritt des Heizungswassers in den Kessel, installiert werden.
| Bild 6: Kennfeld einer Heizungsumwälzpumpe mit gleichläufigem Verhalten |
Funktion
Wie beschrieben, kühlen Brennwertgeräte die Abgase durch Kontakt mit den Heizungsrücklaufwasser führenden Rohrleitungen/Wärmeübertrager ab. Der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf kondensiert und setzt nutzbare Wärme frei. Die temperaturgeführte Pumpenregelung hat dabei folgende Funktionen:
Mit steigender Rücklauftemperatur (T1 
T2) wird die Drehzahl der Pumpe reduziert,
die Fördermenge sinkt,
die Temperatur des Rücklaufwassers sinkt infolge längerer Verweilzeit in den Heizflächen,
die Taupunkttemperatur wird im Kessel unterschritten;
Mit sinkender Rücklauftemperatur (T2 
T1) wird die Drehzahl der Pumpe erhöht,
die Fördermenge nimmt zu,
die Rücklauftemperatur steigt bis nahe an die Taupunkttemperatur.
| Bild 7: Kennfeld einer Heizungsumwälzpumpe mit gegenläufigem Verhalten |
Beispiel:
Für ein Mehrfamilienhaus mit 50 Wohneinheiten zu je 80 m2 ergibt sich am Auslegungstag der Pumpen-Volumenstrom aus folgender Rechnung:
mit: spez. Volumenstrom
= 3,0 l/(m2 h) bei 
= 20 K.
Die Pumpen-Förderhöhe errechnet man bei einer gesamten Leitungslänge von l = 130 m folgendermaßen:
mit: Rohrleitungswiderstand R = 120 Pa/m; Zuschlagsfaktor ZF = 2,6.
Ausgewählt wird die Pumpe vom Typ Wilo TOP-E 40/1-10 (Bild 8).
| Bild 8: Kennliniendiagramm der temperaturgeführten, elektronisch geregelten Heizungsumwälzpumpe zum Rechenbeispiel. |
Die Heizkreistemperaturen werden für den Auslegungstag folgendermaßen definiert: Vorlauftemperatur 
= 70°C und Rücklauftemperatur 
= 50°C. Die Einstellwerte der Pumpenregelung werden festgelegt auf: Hmax = 4,0 m bei Tmin = 45°C und Hmin = 2,0 m bei Tmax = 55°C.
Das heißt, bei erreichter minimaler Rücklauftemperatur fördert die Pumpe den maximalen Volumenstrom und umgekehrt. In der Pumpenkennlinie (Bild 8) erkennt man, dass der Volumenstrom der Umwälzpumpe bei steigender Mediumstemperatur von 12 bis auf 9 m3/h, d.h. auf 75% fällt. Die Verweildauer des Heizungswassers in den Heizflächen steigt dadurch um bis zu 33%.
Die beiden Differenzdruck-Sollwerthöhen bleiben auch während der Teillastheizung, d.h. bei gedrosselten Thermostatventilen, als Regelgrößen bestehen. Das bedeutet, dass die temperaturgeführte Differenzdruckregelung jeweils im Bereich der aktuellen Rohrnetzkennlinie wirksam wird.
| Bild 9: Heizungskreis mit einem Brennwertkessel und temperaturgeführter Umwälzpumpe im Rücklauf. |
Hydraulik beachten!
Soweit eine Umwälzpumpe im Kessel eingebaut ist, so sorgt die interne Regelung auch für ihre bedarfsgerechte Leistungsanpassung. Wenn eine externe Pumpeninstallation nötig wird, muss vorher feststehen, ob für den Kessel eine Mindestumlaufwassermenge vorgeschrieben ist.
Die einfachste Einbindung eines Brennwertkessels mit einer externen Umwälzpumpe in eine Heizungsanlage stellt Bild 9 dar. Bedingungen sind, dass für die Rücklaufwassermenge kein Mindestvolumenstrom vorgeschrieben ist und der Gesamtwiderstand des Heizkreises den Grenzwert von 200 mbar (2 m Pumpenförderhöhe) nicht überschreitet. Wenn es sich um mehrere Heizkreise handelt, die in ihrer Gesamtheit eine Pumpenförderhöhe über zwei Meter erfordern, so müssen die Teilkreise gemäß Bild 10 hydraulisch abgeglichen werden.
| Bild 10: Heizungsanlage mit einem Brennwertkessel und drei abgeglichenen Verbraucherkreisen. |
Einige Kesselhersteller verlangen die Einhaltung einer Mindestumlaufwassermenge im Kessel. Damit die Umlaufwassermenge nicht mehr vom Öffnungszustand der Thermostatventile abhängig ist, muss eine hydraulische Entkopplung zwischen Wärmeerzeuger und Verbraucher vorgenommen werden. Diese Entkopplung wird mittels hydraulischer Weiche realisiert (Bild 11). Es ist erkennbar, dass je eine Umwälzpumpe im Primärkreis und im Sekundärkreis erforderlich ist. Besondere Beachtung verdient dabei wieder die Kesselkreispumpe, die im Rücklauf zu installieren und temperaturabhängig zu regeln ist.
| Bild 11: Heizungskreis mit einem Brennwertkessel, einer hydraulischen Weiche und der temperaturgeführten Umwälzpumpe im Kesselkreis-Rücklauf. |
Hydraulische Weiche
Die Funktion einer hydraulischen Weiche kann 3 verschiedene Zustände annehmen (Bild 12):
Es bedeuten darin:
= Volumenstrom im m3/h,
= Temperatur in °C,
= Wärmestrom in kW
p = primärseitig (Kesselkreis)
s = sekundärseitig (Verbraucherkreis)
Gleichgewicht 
(Bild 12, oben): Die Kesselleistung entspricht genau dem aktuellen Wärmebedarf. In dieser Situation hat die Weiche keine Verteilungsaufgaben.
Überangebot 
(Bild 12, Mitte): Wenn Thermostatventile drosseln, ist das Energieangebot der Primärseite zu hoch. Ein Teilstrom des Vorlaufwassers fließt durch die Weiche zurück in den Kesselrücklauf und hebt dessen Temperatur an. Weil aber die Anhebung der Rücklauftemperatur bei Brennwertkesseln unerwünscht ist, reagiert die elektronisch geregelte Umwälzpumpe, indem sie die durchgesetzte Wassermenge verringert.
Unterangebot 
(Bild 12, unten): Wenn Thermostatventile weiter öffnen, nimmt der Volumenstrom der Sekundärseite zu. Ein Teilstrom des Rücklaufwassers fließt durch die Weiche zur Vorlaufseite. Dadurch verringert sich die Vorlauftemperatur.
| Bild 12: Funktionen der hydraulischen Weiche (Quelle: Comfort-Sinusverteiler, Wettringen). |
Beispiele:
Das Verhalten und die gegenseitige funktionale Ergänzung von hydraulischer Weiche und elektronischer Pumpe sei an zwei Ablaufbeispielen dargestellt. Dabei stelle man sich die geregelte Pumpe am primärseitigen Rücklauf bei 2 vor.
Äußere Wärmegewinne (Sonneneinstrahlung) und innere Wärmegewinne (Menschen im Raum) veranlassen die Thermostatventile, den Volumenstrom zu drosseln. Es entsteht die Situation des Bildes 12, Mitte, der primäre Volumenstrom wird größer als der sekundäre, d.h. . Durch die Beimischung von Vorlaufwasser in der Weiche steigt die Rücklauftemperatur. Es wird 2 > 4.
Die Umwälzpumpe reagiert durch Volumenstromreduzierung auf die Temperaturerhöhung. Auch der Volumenstrom des Vorlaufs wird dadurch geringer, jedoch wärmer. Ohne äußeres Zutun würde die Betriebssituation in dem Fall des Bildes 12, unten wechseln, weil 1 > 3 ist. Dagegen stellt sich durch die Volumenstromreduzierung eine Temperaturgleichheit im Rücklaufbereich mit 2 = 4 ein, der Kondensationspunkt bleibt niedrig.
Der andere Fall kann so beschrieben werden, dass durch äußere Wärmelasten (Fallen der Außentemperatur) und innere Lasten (Anheizen nach der Nachtabsenkung) die Thermostatventile öffnen und einen größeren Volumenstrom freigeben. Es entsteht die Situation des Bildes 1, unten, d.h. . Kühleres Rücklaufwasser fließt bei 2 zum Kessel, die Pumpe erhöht ihre Drehzahl und fördert mehr Wasser. Dieser Betriebszustand hält so lange an, bis das Temperaturgleichgewicht des Bildes 12, oben erreicht ist.
Es wird empfohlen, dass der Volumenstrom der Leistungsseite, des Primärkreises, immer etwas kleiner gewählt wird als der erforderliche Volumenstrom auf der Lastseite, dem Sekundärkreis. So bleibt auch die Wirtschaftlichkeit der Brennwertanlage in Verbindung mit einer hydraulischen Weiche stets erhalten. Die nicht erwünschte Rücklauf-Temperaturanhebung wird weitgehend unterbunden.
| Bild 13: Heizungsumwälzpumpe mit integrierten Absperrarmaturen; Ausstattung mit Verschraubungs- oder Flanschanschluss, Motordrehzahlen elektronisch geregelt… |
Pumpen mit integrierter Absperreinrichtung
Neue Produkte können dazu führen, dass bekannte Installationsregeln unter neuen Gesichtspunkten gesehen werden müssen. Vor einiger Zeit wurde erstmals eine Umwälzpumpe mit Verschraubungs- oder Flanschanschluss und integrierten Absperrarmaturen (Bild 13) vorgestellt.
Es kann die Frage gestellt werden, ob eine solche Pumpe auch wie in den Bildern 9 bis 11 gezeichnet, eingebaut werden darf. Die Antwort lautet eindeutig: ja. Die entsprechende Installation ist im Bild 14 dargestellt. Denn das Membran-Druckausdehnungsgefäß (MAG) soll immer auf der Pumpenzulaufseite installiert werden, um Unterdrucksituationen sicher auszuschließen.
Andererseits steht in der Norm DIN 4751-2, dass Absperreinrichtungen zwischen Wärmeerzeuger und MAG nicht eingebaut werden dürfen, wenn die Gefahr des unbeabsichtigten Schließens besteht. Wie im Bild 13 zu erkennen ist, hat die Welle der in das Pumpengehäuse integrierten Klappe an ihrem Ende einen Vierkant. Dort kann die Absperreinrichtung nur absichtlich mit Hilfe eines Maulschlüssels geschlossen werden.
| Bild 14: Heizungsanlage mit einer Pumpe mit integrierter Absperreinrichtung im Rücklauf; das unbeabsichtigte Schließen der Klappen ist technisch ausgeschlossen. |
Andere Wege der Rücklauftemperatur-Absenkung
Nur eine möglichst tiefe Rücklauftemperatur ermöglicht die vollständige Kondensation, die den sinnvollen Nutzen der Brennwerttechnik ausmacht. Wie ist es aber möglich, solche niedrigen Rücklauftemperaturen zu erreichen?
Heutige Kesselregelungen sind durchweg vorlauftemperaturgeführt. Um daraus zu einer niedrigen Rücklauftemperatur zu kommen, muss man große Temperaturdifferenz als Spreizung fahren. Entgegen dem Trend in der Niedertemperaturheizung ist ein 
von 20 K anstatt ein 
von 10 K anzustreben. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Heizungsumwälzpumpe kann dies realisiert werden. Denn bekanntlich werden die Umwälzpumpen erheblich zu groß ausgelegt. Das führt zu einem großen von der Pumpe erbrachten Volumenstrom, was wiederum ein kleines Temperaturgefälle in den Heizflächen bedingt. Um die Spreizung zu vergrößern, sollte man deshalb bewusst eine kleinere Umwälzpumpe auswählen. Sie muss im Auslegungspunkt nahe an ihrem maximalen Volumenstrom gefahren werden.
| Bild 15: Wahl einer kleinen Umwälzpumpe: geringerer Volumenstrom ergibt größere Spreizung bei gleicher Wärmeleistung; dadurch erfolgt eine Absenkung der Rücklauftemperatur. |
Beispiel:
Einem Beispiel seien die beiden Betriebsvarianten im Bild 15 zugrunde gelegt. Angenommen wird zunächst eine kleine Spreizung in der Anlage von 
= 70 / 60°C = 10 K. Bei einer erforderlichen Wärmeleistung von 100 kW ist für den Wärmetransport ein Volumenstrom von 8,6 m3/h erforderlich (schwarze, durchgezogene Linien im Bild 15). Im tiefsten Bereich der Außentemperatur, also bei Volllast, findet gar keine Kondensation statt. Erst bei dem Übergang in die Teillastheizung wird der Taupunkt der Erdgas-Rauchgase unterschritten.
Für die Wärmeversorgung ist es erforderlich, die Vorlauf-/Rücklauf-Mitteltemperatur von 
= 65°C (rote, strichpunktierte Linie) beizubehalten. Eine Halbierung des Volumenstroms auf 4,3 m3/h ergibt dann eine Temperaturspreizung von 
= 75 / 55°C = 20 K (grüne, unterbrochene Linien). Die Kondensation ist dabei weitgehend über dem gesamten Arbeitsbereich gewährleistet.
| Bild 16: Rücklauftemperaturbegrenzung mit der elektronisch geregelten Heizungsumwälzpumpe Wilo-TOP-E in der Betriebsart |
Kosteneinsparungen
Das aufgezeigte Beispiel hat für den Betreiber einen zweiten, großen Vorteil, nämlich deutlich geringere Investitions- und Betriebskosten. Für den größeren Volumenstrom mit kleiner Spreizung ist eine Flanschpumpe DN 40 erforderlich, für den kleineren Volumenstrom mit der größeren Spreizung dagegen eine Verschraubungspumpe DN 25. Die Preisdifferenz beträgt für ungeregelte bzw. elektronisch geregelte Pumpen mehrere hundert DM. Die Jahresstromkosten reduzieren sich zudem deutlich.
Tabelle 1: Unterscheidung von Brennwert (Brw) und Heizwert (Hw)
Brennstoff | Formelz. | Erdgas L | Erdgas H | Flüssiggas | Heizöl |
Brennwert | Ho (Hs) | 9,77 | 11,48 | 13,98 | 10,59 |
Heizwert | Hu (Hi) | 8,82 | 10,37 | 2,87 | 9,96 |
Verhältnis | Brw : Hw | 1,11 | 1,11 | 1,09 | 1,06 |
(1): Bekannte deutsche Formelzeichen | Ho | Hu | L | H | |
(2): Neue internationale Kurzzeichen nach DIN EN 437 | Hs | Hi | LL | E | |
Zusammenfassung
Neue Techniken verlangen neues Wissen und vor allem neues Denken. Jeder Planer und Installateur hat gelernt, das Verhalten der Heizungsanlage nach der Vorlauftemperatur zu beurteilen. Daraus ergibt sich ein festgefügtes Denken nach einer Heizkurvenschar. Von diesem Denken muss bei einer Brennwertheizung Abschied genommen werden. Es wurde aufgezeigt, dass die Rücklauftemperatur einer Heizung das einzig wichtige Kriterium ist, um die in den Rauchgasen enthaltene latente Wärme für die Heizung nutzbar zu machen.
Wichtig ist es, zu erkennen, dass nicht nur mit dem Begriff Brennwerttechnik wohlklingend operiert wird, sondern dass die Nutzung des Brennwerteffektes wirklich realisiert wird. Alle diese Bemühungen werden zu dem alleinigen Zweck umgesetzt, damit Heizungsanlagen sparsam, sicher und geräuscharm, d.h. einfach besser funktionieren.
Literatur:
[1] Verordnung über energiesparende Anforderungen an heizungstechnische Anlagen und Brauchwasseranlagen vom 22. März 1994
[2] Brennwerttechnik, Herausgeber: Information Erdgas, Essen
[3] WILO GmbH, Dortmund, Produktinformation und Katalog
[4] Buscher, E. und Walter, K., Bedarfsgerechte Pumpenauslegung, erschienen in IKZ-Haustechnik, Heft 22/97
[5] Checkliste Brennwerttechnik Herausgeber: ASUE, Arbeitsgemeinschaft für Sparsamen und Umweltfreundlichen Energieverbrauch, Hamburg, in Zusammenarbeit mit dem Fachverband Sanitär-Heizung-Klima Nordrhein-Westfalen, Düsseldorf
[6] Buscher, E. und Walter, K., Bedarfsgerechte Druckhaltung in Heizungsanlagen, erschienen in IKZ-Haustechnik, Heft 21 u. 22/98
* Ehrhardt Buscher, Leiter Marketing-Engeneering der Wilo GmbH, Dortmund
** Klaus Walter, langjähriger Schulungsingenieur bei heizungstechnischen Industrieunternehmen
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