Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Pumpen

Dipl.-Ing. Frank Mewes* Dipl.-Ing. Bernd Köhler**

Stufenlos drehzahlveränderbare Pumpen zur bedarfsgerechten Förderung haben sich in gebäudetechnischen Anwendungen etabliert. In der Vergangenheit wurden die Pumpen mit externen Frequenzumrichtern und entsprechenden Regelgeräten betrieben. Neuerdings etablieren sich zunehmend Pumpen mit so genannten "Integralmotoren".

Dabei handelt es sich um Normmotoren mit integrierter, stufenloser Drehzahlverstellung und Regelung (Bild 1). Sie kommen als Komplettaggregate immer häufiger in heiz- und kältetechnischen Anwendungen zum Einsatz.

Neben der optimalen Bedarfsanpassung steht bei diesen Anwendungen die Energieeinsparung im Vordergrund. Bei einer durchschnittlichen Lebensdauer von mehr als 10 Jahren bestimmen die Energiekosten mit einem Anteil von ca. 90% eindeutig die Höhe der "Life Cycle Costs". Die Anschaffungskosten machen mit ca. 3% nur einen geringen Anteil aus. Somit bietet die Drehzahlverstellung die beste Möglichkeit, die Betriebskosten einer Pumpe zu senken.

Bild 1: Inlinepumpe Etaline Hya-Drive mit im Normmotor integriertem Frequenzumrichter.

Energieeinsparung durch stufenlose Drehzahlverstellung

Auf elektrische Antriebssysteme entfallen etwa zwei Drittel des industriellen Strombedarfs in Deutschland. Pumpen sind, bedingt durch ihre große Anzahl, im Vergleich zu anderen Antriebsanwendungen für die Hälfte des Stromverbrauchs bei Elektromotoren verantwortlich. In den meisten Fällen werden beim Einsatz von Pumpen Größen wie Förderstrom oder Druck geregelt. Herkömmliche Antriebe erlauben auf Grund ihrer Bauweise nur eine konstante Drehzahl. Die vom Prozess geforderten Mengenreduzierungen werden dabei mit konventionellen Stellmethoden wie Drosselventilen oder Bypass-Systemen realisiert.

Bild 2: Q/H-Diagramm mit Drossel.

Bild 2 macht die Energieverluste einer Pumpenanlage im Saugbetrieb mit Drosselsteuerung deutlich. Die Verluste der Anlage setzen sich aus Pumpenverlusten, Drosselverlusten und Rohrleitungsverlusten zusammen. Die Drosselverluste bilden in diesem Beispiel den größten "verschenkten" Anteil.

Bild 3 zeigt das Q/H-Diagramm einer Pumpenanlage mit Drehzahlverstellung des Motors. Die Drehzahlverstellung des Motors macht den Einsatz eines Drosselorgans zur Bedarfsanpassung überflüssig. Die Verluste bestehen nur aus Pumpen- und Rohrleitungsverlusten. Die Anlage mit Drehzahlregelung hat also einen deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad.

Bild 3: Q/H-Diagramm mit Drehzahlregelung.

Die Betrachtung der "Life Cycle Costs" zeigt bei einer Inlinepumpe (3 kW) folgendes Bild:

Anschaffungskosten ca. 1900 DM
Energiekosten über 10 Jahre ca. 28 000 DM

Hier lässt sich deutlich das Potenzial der Ersparnis durch Drehzahlregelung erkennen. Je nach Belastungsprofil lassen sich durchschnittlich ca. 600 DM/kW installierte Antriebsleistung pro Jahr an Energiekosten einsparen. Daraus ergibt sich eine Amortisationszeit der höheren Anschaffungskosten von ca. 2,6 Jahren. Wenn nur 30% der Pumpen in der Industrie mit Drehzahlregelung ausgerüstet würden, ergäbe sich eine Energieersparnis von 16 000 000 MWh (= 16 TWh) pro Jahr (Zentralverband Elektrotechnik und Elektroindustrie e.V.), was bei heutigen Industriestrompreisen ca. 2,4 Milliarden DM entspricht. Neben der Energieeinsparung bietet die Drehzahlregelung die Möglichkeiten Strömungsgeräusche zu reduzieren, die mechanischen Komponenten zu schonen - die Anlage wird nur zu einem Bruchteil unter vollem Druck betrieben - und die Netzrückwirkungen durch den sanften Anlauf der Pumpen zu reduzieren.

Der integrierte Pumpenantrieb

Der drehzahlverstellbare Integralmotor regelt automatisch den Druck, die Fördermenge und die Temperatur sowie das Niveau in Versorgungsanlagen der Industrie und der Gebäudetechnik (Bild 4). Der integrierte Antrieb ist ohne Zusatzkomponenten (außer Sensor) in der Lage, die Anforderungen an den geregelten Flüssigkeitstransport zu erfüllen.

Bild 4: Gesamtansicht eines Integralmotors der neuen Generation für Leistungen bis 22 kW.

In dem für Pumpenanwendungen konzipierten integrierten Antriebssystem wurden spezielle pumpenspezifische Funktionen realisiert. Diese können alle ohne zusätzliche externe Regelgeräte ausgeführt werden. Je nach Anwendung wird nur die entsprechende Sensorik benötigt. Zusätzlich verfügt das Pumpenaggregat über umfangreiche Selbstschutzfunktionen - vom Motorvollschutz bis zum Trockenlaufschutz - die zusätzliche Überwachungssensorik überflüssig machen.

Die gebräuchlichsten Parameter können über eine Schnelleinstellung direkt am Antrieb vorgenommen werden. Wichtige Funktionen sind neben dem Steller- und Regelbetrieb unter anderem:

eine dynamische Druckkompensation,
eine Lernfunktion,
eine Abschaltfunktion bei Erreichen einer Mindestfördermenge,
ein Trockenlaufschutz,
eine Losrüttelfunktion,
eine Echtzeituhrfunktion.

Durch die dynamische Druckkompensation bei geregeltem Betrieb lassen sich Rohrreibungsverluste bei Verwendung eines pumpennahen Drucksensors kompensieren, sodass am Verbraucher ein konstanter Druck herrscht. Über eine Lernfunktion wird die Leistungskurve bei geschlossenem druckseitigen Drosselorgan an der Pumpe aufgenommen. Diese Daten werden benötigt, um die Funktionen "Abschaltung bei Mindestmenge" und "Trockenlaufschutz" zu realisieren. Die Abschaltung bei Mindestmenge (Energiesparfunktion) sorgt dafür, dass sich der Antrieb im Regelbetrieb bei Unterschreitung einer einstellbaren Mindestfördermenge stillsetzt, um die Pumpe zu schonen. Bei Leistungsbedarf wird die Pumpe automatisch wieder zugeschaltet. Wenn ein gespeicherter Leistungswert unterschritten wird (Trockenlauf), schaltet der Motor zum Schutz der Gleitringdichtung ab und zeigt eine Störung auf seinem Display an.

Über die interne Echtzeituhr des Antriebs sind zeitabhängige Funktionen wie zeit- und wochentagsabhängige Programmierung, Pumpenwechsel und Nachtabsenkung wählbar. Der integrierte Pumpen-Antrieb lässt sich sowohl als geregelter oder ungeregelter Einzelantrieb wie auch im Master-Slave-Betrieb einsetzen (Bild 5). Hier können bis zu sechs Antriebe parallel fahren. Im Fehlerfall kann jeder der anderen Antriebe die Masterfunktion übernehmen. Der notwendige Datenaustausch erfolgt über ein internes Bussystem. Für diese Anwendung wird kein zusätzliches externes Regelgerät benötigt.

Bild 5: Pumpen im Master-Slave-Betrieb.

Einbindung in die digitale Gebäudeautomation

Heute gehört es zum Stand der Technik, dass geregelte Pumpen über serielle Bussysteme in die digitale Gebäudeautomation eingebunden werden. Hierzu wurden verschiedene firmeninterne Kommunikationsprotokolle, aus Mangel eines einheitlichen Standards, über Interfaces miteinander verbunden. In der Fachgemeinschaft Pumpen des VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau eV) hat sich eine Arbeitsgruppe der Heizungspumpenhersteller auf eine gemeinsame Datenstruktur bei kommunikationsfähigen Pumpen geeinigt. Diese wird in dem Einheitsblatt 24222 beschrieben. Die Arbeitsgruppe unterstützt das Bussystem LON-Talk als einen Standard.

In Zusammenarbeit mit anderen Firmen der technischen Gebäudeausrüstung, die auch dieses Bussystem unterstützen, wurde auf Basis dieses Einheitsblattes das "LONMARK Functional Profile" für Pumpen erarbeitet. Dieses beschreibt, wie Pumpen in das LON-Talk-Bussystem integriert und welche Daten übertragen werden. So ist sichergestellt, dass eine schnelle und kostengünstige Einbindung der Pumpen in einem Gebäude erfolgen kann.

*) Dipl.-Ing. Frank Mewes, Produktmanager Heizung/Regelung bei KSB Aktiengesellschaft, Pegnitz (Stammsitz der KSB AG: Frankenthal)

**) Dipl.-Ing. Bernd Köhler, Leiter der Motor- und Antriebstechnik bei KSB Fluid Systems GmbH, Frankenthal

B i l d e r : KSB Aktiengesellschaft, Frankenthal

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