IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 14/2001, Seite 27 ff
HEIZUNGSTECHNIK
Witterungsgeführte Heizungsumwälzpumpen
Kommunikation zwischen Pumpe und Wärmeerzeuger senkt die Stromkosten
Dr. Gerhard Meier-Wiechert, Robert Franz*
Der Stromverbrauch von Umwälzpumpen in Heizungsanlagen von Ein- und Zweifamilienhäusern wird häufig unterschätzt. Nach wie vor werden aus Kostengründen häufig manuell einstellbare mehrstufige Umwälzpumpen installiert, die vom Fachhandwerker bei der Inbetriebnahme eingestellt werden und dann mit konstanter Drehzahl laufen.
Diese Betriebsweise führt bei einer Verringerung der Durchflussmenge, beispielsweise durch das Schließen von Thermostatventilen, entsprechend der Pumpenkennlinie zu einer Erhöhung der Förderhöhe und dadurch zu Strömungsgeräuschen. Zudem wird in der überwiegenden Zeit mehr elektrische Energie zum Antrieb der Pumpe verbraucht als notwendig.
| Bild 1: Aufteilung des Stromverbrauchs in privaten Haushalten. |
Um zu einem verbesserten Betriebsverhalten zu kommen, werden heute vielfach elektronisch geregelte Heizungsumwälzpumpen** eingesetzt. Diese verändern in Abhängigkeit von der jeweiligen Netzbelastung ihre Drehzahl stets so, dass die notwendige Förderhöhe eingehalten wird. Da die Regelung ausschließlich entsprechend der Heiznetzkennlinie erfolgt, wird die Drehzahl verändert, wenn sich die Druckdifferenzen ändern. Nachteile: Durch die häufige Drehzahlanpassung kann es zeitweise zu Geräuschbelastungen kommen. Außerdem muss bei Änderungen der Witterungsbedingungen mit Totzeiten und damit Raumtemperaturschwankungen gerechnet werden, da die Thermostatventile erst auf die veränderten Bedingungen im Raum reagieren müssen. Elektronikpumpen verleiten zudem dazu, die Heiznetze bei Inbetriebnahme nicht sorgfältig abzugleichen, da angenommen wird, die Pumpe sorge selbst für die notwendige Anpassung. Auch dies führt häufig zu einem höheren Stromverbrauch als notwendig.
Pumpentypen | ||
Standardpumpe | Elektronik-Pumpe | BUS-Pumpe |
ungeregelt | druckgeregelt | über Heizungs-/ Kesselregelung gesteuert |
manuelle Einstellung durch den Heizungsmonteur | automatische Regelung | programmierbar |
konstante Drehzahl, Abschalten über Zeitschaltuhr möglich | konstante Förderhöhe, Abschalten über Zeitschaltuhr möglich | wärmebedarfsabhängige Drehzahlsteuerung, Zeiträume für eine Leistungsreduzierung programmierbar |
Bild 2: Vergleich unterschiedlicher Pumpentypen.
Direkte Anbindung an das Regelsystem
Um eine direkte Anbindung an die Heizungsregelung zu erreichen, wurden so genannte BUS-Pumpen entwickelt. Diese verfügen über eine standardisierte Schnittstelle, über die sie mit der Geräteelektronik von Gas-Wandgeräten, Heizungsregelungen oder einer Gebäudeleittechnik kommunizieren können. Damit wird es möglich, die Pumpendrehzahl und damit die elektrische Leistungsaufnahme an Führungsgrößen der Kessel- oder Heizungsregelung zu koppeln. Hierzu wird in der Regel die Außentemperatur verwendet, die auch der witterungsgeführten Heizungsregelung als Führungsgröße dient.
| Bild 3: Betriebsverhalten einer ungeregelten Pumpe. |
| Bild 4: Betriebsverhalten einer Elektronikpumpe (schematisch). |
Bild 5 zeigt den Temperaturverlauf zu drei verschiedenen Tageszeiten für den Standort Frankenberg im zehnjährigen Mittel. Bei der Auswertung der Klimadaten wird klar, dass der Heizwärmebedarf entsprechend dem Temperaturverlauf morgens größer als mittags, im Winter größer als im Sommer ist.
Bei einer witterungsgeführten Betriebsweise des Heizkessels ist über die Heizkurve jeder Außentemperatur eine Vorlauftemperatur zugeordnet, analog lassen sich nun auch Heizwasser-Durchflussmengen und damit Pumpendrehzahlen zuordnen.
| Bild 5: Jahrestemperaturverlauf. |
Beispiel: Steigt entsprechend Bild 6, ausgehend von Punkt A, die Außentemperatur bei gleichen Druckbedingungen in der Anlage, so wird über die Heizungsregelung die Drehzahl auf die Kennlinie abgesenkt, die der höheren Außentemperatur entspricht (B). Schließen bei dieser höheren Außentemperatur zudem noch die Thermostatventile, so wird die Drehzahl, die durch die Temperatur bezogenen Kennlinie vorgegeben ist, beibehalten (C). Bei sinkenden Außentemperaturen steigt der Heizwärmebedarf im Haus, damit wird eine höhere Pumpendrehzahl erforderlich. Entlang der entsprechenden Kennlinien steigert sich bei reduzierter Fördermenge die Restförderhöhe (D, E). Die in der Heizungsregelung hinterlegte Abhängigkeit der Pumpendrehzahl von der Außentemperatur lässt sich individuell jeder Anlage anpassen und verfügt über spezielle Ergänzungen für Frostschutz und reduzierten Betrieb.
| Bild 6: Betriebsverhalten einer BUS-Pumpe (schematisch). |
Im Vergleich zu Elektronik-Pumpen ergeben sich folgende Unterschiede: Für fallende Außentemperaturen und damit erhöhten Wärmebedarf wird bei der BUS-Pumpe die Drehzahl angehoben, während sie bei der Elektronik-Pumpe konstant bleibt. Im normalen Heizbetrieb stellt sich energetisch kein großer Unterschied ein, da der Mehraufwand bei geringeren Außentemperaturen durch die abgesenkte Drehzahl bei geringerem Wärmebedarf kompensiert wird.
Der wesentliche Unterschied ergibt sich für den reduzierten oder Frostschutzbetrieb sowie für die Trinkwassererwärmung. Hier wird bei der BUS-Pumpe durch die Heizungsregelung der Befehl zur Drehzahlanpassung gegeben, die Temperaturschwellen können analog zu den Zeit- und Temperaturvorgaben einer witterungsgeführten Regelung individuell vorgegeben werden. Damit ergibt sich ein bedarfsangepasstes Drehzahl- und Leistungsprofil der Pumpe.
| Bild 7: Pumpendrehzahl in Abhängigkeit der Außentemperatur. |
Für den witterungsgeführten Betrieb wird die Pumpendrehzahl in Abhängigkeit der Außentemperatur geregelt. Dementsprechend sinkt auch bei steigender Außentemperatur der Leistungsbedarf. Deutlich größer ist die Einsparung im Abschaltbetrieb (im Beispiel Bild 9 zwischen 20.00 und 22.00 Uhr). Nur wenn die Außentemperatur beispielsweise 2°C unterschreitet und Einfriergefahr besteht, wird die Pumpe mit 20% der Nenndrehzahl betrieben (im Beispiel zwischen 22.00 und 6.00 Uhr). Diese Betriebsweise ist auch in Gas-Wandgeräten mit geringem Wasserinhalt umsetzbar und kann hier zu deutlichen Stromeinsparungen führen (Bild 9: rote Fläche: Energieverbrauch einer BUS-Pumpe; blaue Fläche: Energieverbrauch einer Standardpumpe). Noch erheblicher wird der Unterschied für Kombigeräte, die im Durchlauferhitzerprinzip Trinkwasser erwärmen. Hier kann bei Trinkwasserzapfung die Pumpe auf die höchste Drehzahl betrieben werden. Im normalen Heizbetrieb erfolgt sofort ein bedarfsgerechtes Zurückschalten entsprechend der Außentemperatur. Der witterungsgeführte Betrieb sorgt für angepasste Drehzahl und damit für erhebliche Stromeinsparung, wie Bild 10 schematisch zeigt.
| Bild 8: Vergleich des Energieaufwandes. |
Deutliche Vorteile im abgesenkten Betrieb
Die Vorteile der BUS-Pumpe kommen vor allem im abgesenkten und im Frostschutzbetrieb zum Tragen: Hier kann aufgrund der bedarfsgerechten Drehzahlregelung eine Energieeinsparung von mehr als 50% gegenüber Standardpumpen im Dauerbetrieb realisiert werden. Selbst gegenüber Druck geregelten Elektronik-Pumpen ergibt sich bei Betrieb mit Abschaltphasen ein Einsparpotenzial von rund 30%.
Die Mehrinvestitionen für eine BUS-Pumpe sind gering, da gegenüber einer Elektronik-Pumpe auf Regelungselemente in der Pumpe verzichtet werden kann. Es muss lediglich die Schnittstelle zur Bus-Kommunikation mit der Heizungsregelung integriert werden.
Der von Viessmann entwickelte und eingesetzte KM-Bus basiert auf einem offengelegten Protokoll, sodass auch die "Verständigung" mit einer Gebäudeleittechnik oder Fremdsteuerungen kein Problem ist. Erfahrungen mit dem Brennwertgerät Vitodens 300, das bereits seit 1996 mit BUS-Pumpen ausgeliefert wird, bestätigen die Vorteile. Pumpengeräusche, die in der ersten Zeit nach Markteinführung gelegentlich auftraten, sind inzwischen längst durch optimiertes Strömungsverhalten und verbesserte Steuerungskonzepte abgestellt.
| Bild 9: Temperatur, Pumpendrehzahl und Leistungsaufnahme im Heizbetrieb. |
| Bild 10: Temperatur, Pumpendrehzahl und Leistungsaufnahme für die Trinkwassererwärmung in der Übergangszeit. |
Bedeutung Energie sparender Pumpen steigt
Die Verwendung Strom sparender Umwälzpumpen bekommt zukünftig eine immer größere Bedeutung. Die voraussichtlich ab Ende 2001 geltende EnEV (Energieeinspar-Verordnung) wird den Primärenergiebedarf begrenzen. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades der Stromerzeugung (etwa 34%) fällt dabei elektrische Energie besonders stark ins Gewicht. Außerdem wird der Heizwärmebedarf aufgrund verbesserter Wärmedämmung immer weiter sinken. Für einen Heizwärmebedarf von 60 kWh/(m2 a) eines Einfamilienhauses nach Niedrigenergiebauweise (140 m2 Nutzfläche) ergibt sich ein Jahresheizwärmebedarf von 8400 kWh/a, was etwa 850 m3/a Erdgas und damit 550 DM/a Heizenergiekosten (Gaspreis 0,65 DM/m3) entspricht. Eine Standardpumpe benötigt bis zu 650 kWh/a elektrische Energie (siehe Bild 12) und verursacht damit Kosten in Höhe von 130 DM/a (Strompreis 0,20 DM/kWh). Durch den Einsatz einer BUS-Pumpe kann der Energiebedarf auf unter 300 kWh/a reduziert werden, was Kosten von 60 DM/a und damit einer Ersparnis von 70 DM/a ergibt. Entsprechend groß ist auch der Gewinn für die Umwelt, da ein geringerer Stromverbrauch auch dazu führt, dass weniger fossile Energieträger in den Stromkraftwerken verbrannt werden müssen.
| Bild 11: Viessmann Gas-Brennwertgerät Vitodens 200 mit BUS-Pumpe. |
Zusammenfassung
Bus-Technologien gewinnen auch in der Heizungstechnik an Bedeutung. Der Einsatz von BUS-Pumpen bietet die Möglichkeit, die Pumpenleistung direkt über die Heizungsregelung zu steuern und damit eine Anpassung an den Wärmebedarf über die Verknüpfung mit der Außentemperatur vorzunehmen. So lassen sich lästige Strömungsgeräusche vermeiden. Jährlich können gegenüber Standardpumpen, die im Dauerbetrieb laufen, mehr als 50% Stromkosten eingespart werden.
| Bild 12: Energievergleich unterschiedlicher Pumpentypen. |
Internetinformationen: |
B i l d e r : Viessmann Werke, Allendorf
* Dr. Gerhard Meier-Wiechert und Robert Franz, Viessmann Werke GmbH, Allendorf
** Hinweis: Nach HeizAnlV müssen Umwälzpumpen in Zentralheizungsanlagen bei Nennleistungen > 50 kW so ausgestattet oder beschaffen sein, dass die elektrische Leistungsaufnahme dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig in mindestens drei Stufen angepasst wird, soweit sicherheitstechnische Belange des Heizkessels dem nicht entgegenstehen.
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