Brennstoffeinsparung durch moderne Umwälzpumpen

Aktuelle Studie beweist Wirtschaftlichkeit elektronisch geregelter Umwälzpumpen

Oliver Eggert, Carsten Merker, Andreas Rüter, Dominik von Schaper, Anna Katharina Scharbach*

Für Heizungsanlagen in Ein- und Zweifamilienhäusern werden von Pumpenherstellern in Stufen geschaltete Pumpen und elektronisch stufenlos geregelte Pumpen angeboten. Über die Wirtschaftlichkeit beider Pumpenarten haben Studenten der Fachhochschule Gelsenkirchen eine Studie angefertigt, deren Ergebnisse hier nachzulesen sind.

Bild 1: Wärmebilanz für ein Haus, das der Simulation zugrunde liegt.

Ausgangssituation

Als Entscheidungsgrundlage für den Einsatz elektronisch geregelter Pumpen werden typische Stromminderverbrauchswerte im Vergleich zur in Stufen geschalteten Pumpe von ca. 25 Watt genannt. Multipliziert man diese Minderverbräuche mit der Laufzeit der Pumpe und den Kosten pro Kilowattstunde, so erhält man eine jährliche Kosteneinsparung. Diese Kosteneinsparung rechtfertigt für viele Betreiber nicht die höheren Anschaffungskosten. Außer Acht gelassen wird bei dieser Vorgehensweise zum einen die geringere Gefahr einer Geräuschbelästigung (die allerdings bei Pumpen in dieser Leistungsklasse kaum auftreten wird) und zum anderen der Brennstoffminderverbrauch.

Brennstoffmehrverbräuche beim Einsatz einer in Stufen geschalteten Pumpe entstehen durch zwei Umstände: (1) der optimale Auslegungspumpendruck kann nicht exakt eingestellt werden, (2) die Pumpe baut beim Schließen von Heizkörperthermostatventilen (z.B. bei Fremdwärmeanfall) einen höheren Druck auf.

Ermittlung des Brennstoffminderverbrauches

Die Differenz des Brennstoffverbrauchs beim Einsatz verschiedener Pumpen, bezogen auf den Gesamtverbrauch, fällt relativ gering aus. Somit ist eine messtechnische Ermittlung zum Scheitern verurteilt, da die zu messende Größe kleiner oder zumindest in der selben Größenordnung sein wird wie die Messunsicherheit. Es bleibt eine Simulation am Computer als einzig gangbarer Weg, um eine ausreichend genaue Aussage treffen zu können.

Die Grundlage des Simulationsprogramms ist eine Energiebilanz für ein Gebäude (Bild 1), in der die Wärmeverluste des Hauses durch die natürlichen Wärmegewinne und die von der Heizungsanlage zugeführte Wärmemenge ausgeglichen werden. Die folgenden Berechnungen wurden für ein freistehendes Haus mit einem Wärmebedarf von 18 kW durchgeführt. Dabei wurden die Wärmeverluste bei Normaußentemperatur nach DIN 4701 gleich 18 kW gesetzt und weiterhin als proportional zur Temperaturdifferenz innen/außen angenommen. Die Wärmegewinne wurden mit 2,4 kW angenommen. Damit sind die Wärmegewinne für alle Innentemperaturen bekannt.

Bild 2: Kennfelder der in Stufen geschalteten Pumpe und der elektronisch stufenlos geregelten Pumpe.

Die von der Heizungsanlage zugeführte Wärmemenge wurde mittels einer Simulation berechnet. Dabei wurde die Heizkurve in einer ersten Simulation auf 0,9 und in einer zweiten Simulation auf 1,0 festgelegt. Die Schaltstufen der Pumpe gehen aus dem Pumpenkennfeld in Bild 2 hervor, das an einer ca. 10 Jahre alten, in Stufen geschaltete Pumpe messtechnisch ermittelt wurde. In dieses Kennfeld wurden auch die Vergleichskennlinien für eine stufenlos geregelte Pumpe eingezeichnet. Dabei wurde für den Auslegungsdruck der elektronisch geregelten Pumpe angenommen, dass er statistisch zwischen benachbarten Kennlinien für in Stufen geschalteten Pumpen liegt, und dass zudem bei allen Volumenströmen der Druckaufbau der elektronisch geregelten Pumpe konstant ist.

Weiterhin wurden typische Heizkörperthermostatventile sowie eine Sollwert-Innentemperatur von 20°C (= Stellung "3" beim Heizkörperthermostatventil) vorgegeben. Der Druckverlust des Rohrnetzes wurde bei 20 K Spreizung mit 3,6 mWS angenommen. Die Heizkörperleistung wurde schließlich so gewählt, dass sie bei Vorlauftemperatur/Rücklauftemperatur = 90/70 dem 1,3-fachen des Wärmebedarfs entspricht. Die Leistungsanpassung an andere Vorlauftemperaturen und andere Volumenströme erfolgte mittels einer Berechnung, die das Heizkörperkennfeld näherungsweise widerspiegelt. Damit kann auch die dem Haus von der Heizungsanlage zugeführte Wärme für eine angenommene Innentemperatur berechnet werden.

Bild 3: Überflüssiger Ölverbrauch für eine in Stufen geschaltete Pumpe. Bemerkung: Für die Kombination von Schaltstufe 3 und Heizkurve 0.9 kann die geforderte Innentemperatur von 20°C im Winter nicht gehalten werden. Dementsprechend wurde für diesen Fall keine Säule eingetragen. Der kleinste "überflüssige Ölverbrauch" ergibt sich hier somit für den Fall Schaltstufe 2 und Heizkurve 0.9 mit ca. 50 Liter.

Durchführung der Simulation

Analog zur Montage und Inbetriebnahme einer Heizungsanlage, wurden bei der hier beschriebenen Simulation "Komponenten eingebaut" und "Parameter eingestellt". Zuerst wurde am Kessel die Heizkurve 0,9 "eingestellt".

In einem ersten Schritt wurde die elektronisch stufenlos geregelte Pumpe "eingebaut" und an ihr der Auslegungsdruck 400 mbar entsprechend der Ersatzkennlinie 1 aus Bild 2 "eingestellt" und ein Jahresbrennstoffverbrauch berechnet. In einem zweiten Schritt wurde dann die in Stufen geschaltete Pumpe "eingebaut" und die Kennlinie für die Schaltstufe 1 aus Bild 2 "eingestellt". Auch hier wurde der Jahresbrennstoffverbrauch berechnet.

Das im obigen Absatz geschilderte Vorgehen wurde nun mit der elektronisch stufenlos geregelten Pumpe für den Auslegungsdruck 280 mbar entsprechend der Ersatzkennlinie 2 und mit der in Stufen geschalteten Pumpe für die Schaltstufe 2 wiederholt. Da mit den Ersatzkennlinien 3 und 4 und den Schaltstufen 3 und 4 die gewünschte Innentemperatur von 20 °C im Winter nicht gehalten werden konnte, wurden diese Simulationsrechnungen nicht zu Ende geführt. Dieses Verfahren wurde schließlich mit der Heizkurve 1,0 erneut vollständig durchgeführt.

Zur optischen Verdeutlichung der Simulationsergebnisse wurde von allen Jahresbrennstoffverbräuchen, bei denen die gewünschte Innentemperatur auch im Winter aufrecht erhalten werden kann, der kleinste Jahresbrennstoffverbrauch abgezogen. Dieser ergibt sich bei einer am Kessel eingestellten Heizkurve 0,9 und dem Einsatz einer elektronisch geregelten Pumpe, deren Druckaufbau auf 280 mbar eingestellt ist. Die entsprechenden Werte wurden in den Bildern 3 und 4 als Säulen dargestellt.

Bild 4: Überflüssiger Ölverbrauch für eine elektronisch geregelte Pumpe. Bemerkung: Für die Kombination von Druckaufbau 150mbar und Heizkurve 0.9 kann die geforderte Innentemperatur von 20°C im Winter nicht gehalten werden. Dementsprechend wurde für diesen Fall keine Säule eingetragen. Der kleinste "überflüssige Ölverbrauch" ergibt sich hier somit für den Fall Druckaufbau 150mbar und Heizkurve 0.9 mit 0 Liter.

Ergebnisse der Simulation

Die Säulen in den Bildern 3 und 4 zeigen diejenige Brennstoffmenge in Liter Heizöl pro Jahr, die mehr verbraucht wird als zur Sicherstellung einer Raumtemperatur von 20°C erforderlich ist. Diese Brennstoffmenge wird, vor allem im Sommer, eine höhere Innentemperatur als gewünscht bewirken und somit eine Überheizung herbeiführen. Insofern wird hier der Begriff "überflüssiger Ölverbrauch" verwendet, denn in der Regel wird eine Überheizung eher als Verminderung denn als Steigerung des Komforts empfunden.

Bild 3 zeigt, dass beim Einsatz einer in Stufen geschalteten Pumpe bei analog gewählten Einstellparametern und damit vergleichbarem Komfort, ein um ca. 50 Liter Heizöl pro Jahr höherer Ölverbrauch erwartet werden muss als beim Einsatz einer elektronisch stufenlos geregelten Pumpe. Bei einem Heizölpreis von ca. 80 Pf/Liter entspricht dies 40,- DM pro Jahr für den Endverbraucher. Zusammen mit dem Mehrverbrauch an Strom werden beim Einsatz einer in Stufen geschalteten Pumpe vom Betreiber aufzubringende Mehrkosten entstehen, die typischerweise zwischen 50,- und 100,- DM pro Jahr liegen werden. Bei einem Wärmebedarf des Gebäudes von 12 kW (typisch für ein großes Einfamilienhaus neueren Datums) würde der Mehraufwand nur geringfügig tiefer liegen.

Vergleicht man nun die jährlich wiederkehrenden Minderkosten beim Einsatz einer elektronisch geregelten Pumpe mit dem Mehr an Investitionskosten, so wird bei einer zu erwartenden Amortisationszeit von ein bis zwei Jahren die Entscheidung eines Betreibers für die elektronisch stufenlos geregelte Pumpe betriebswirtschaftlich vernünftig sein.

Fazit

Da auch geringerer Brennstoffverbrauch und geringerer Stromverbrauch volkswirtschaftlich und im Interesse der Umwelt gewünscht sind, sollten für übliche Fälle ausschließlich elektronisch geregelte Pumpen zum Einsatz kommen. Der hier vorgestellte Vergleich betrifft nur einen Fall, der von den Autoren als "typisch" angesehen wurde. Selbstverständlich können mit dem oben beschriebenen Simulationsprogramm auch andere Fälle untersucht werden.

*) Oliver Eggert, Carsten Merker, Andreas Rüter, Dominik von Schaper, Anna Katharina Scharbach, Studierende des vierten Semesters Versorgungstechnik der FH Gelsenkirchen, betreut von Prof. Dr. Werner Hösel

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