Optimal eingestellt

Methode zur wirtschaftlichsten Einstellung von Heizungsumwälzpumpen mit Konstantregelung

Silke Cleven, Stephan Fischer, Michael Krause*
Untersuchungen an der FH Gelsenkirchen haben gezeigt, dass in der Regel der Einsatz von elektronisch stufenlos geregelten Heizungspumpen wirtschaftlicher ist als der Einsatz von in Stufen geschalteten Heizungspumpen. Nach dem Einbau einer solchen stufenlos geregelten Pumpe steht der Monteur vor der Aufgabe, den Druckaufbau der Pumpe einzustellen. Die nachfolgende Studie stellt nun eine einfache Methode vor, den optimalen Einstelldruck aus dem Verhältnis von Brennstoff- zu Strompreis zu ermitteln.

Ausgangssituation**

Bei der betrachteten Studie wird von einem üblichen Einfamilienhaus, Standort Gelsenkirchen, ausgegangen. Während die Dimensionierung des Kessels auf Grundlage des technischen Regelwerks erfolgte (10 kW), geschah die Einstellung des Reglers nach anlagenspezifischen Gegebenheiten. Somit wird auch bei rechnerisch tiefster Außentemperatur die gewünschte Gebäudeinnentemperatur erreicht. Dies bedeutet, dass eine geeignete Kombination von eingestellter Heizkurve und eingestelltem Druckaufbau der Heizungsumwälzpumpe gegeben ist.

Für dieses Einfamilienhaus soll weiterhin die technisch maximal mögliche Innentemperatur bei -10°C Außentemperatur ein Maß für den Komfort darstellen und es sollen bei +5°C repräsentative Betriebsverhältnisse vorliegen. Schließlich wurde angenommen, dass bei -10°C 1 k^W und bei +5°C 1,5 kW externe (Sonne) und interne (Elektrogeräte usw.) Wärmegewinne vorliegen.

In die fünf gleichartigen Zonen des Hauses wurde jeweils ein Heizkörper eingebaut, der bei einer Vorlauf-/ Rücklauftemperatur 90°C/70°C und 20°C Raumtemperatur eine Heizleistung von 2600 Watt erbringt. Jeder Heizkörper ist mit einem Thermostatventil DN 15 (k^V zwischen 0,5 und 0,7) ausgestattet. Das Rohrnetz ohne Heizkörperthermostatventil hat bei Nennvolumenstrom einen Druckverlust von 1,38 mWS.

Bild 1: Zugrunde gelegte Kesseltemperatur als Funktion von gewählter Heizkurve und vorliegender Außentemperatur.

Die eingesetzte Pumpe kann auf konstanten Druckaufbau zwischen 1 mWS und 5 mWS eingestellt werden. Tabelle 1 zeigt die Stromaufnahme der Pumpe bei verschiedenen Druckaufbauten, während in Bild 1 die Heizkurven wiedergegeben sind. Schließlich wurde bezüglich der Wärmeverluste der Heizungsanlage angenommen, dass nur die Wärmeabgabe des Kessels und der Rohrnetzanlage an den Kesselaufstellungsraum echte Wärmeverluste darstellen, während andere Wärmeverluste der Leitungen im Gebäude Nutzwärme darstellen. Letztendlich wurde für einen Erdgas- bzw. Heizölkessel ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad von 90% angenommen.

Für die Berechnung wird die Gebäudeinnentemperatur mit 17°C, 20°C, 23°C und 26°C angenommen, sodass der gesamte denkbare Bereich für das Komfortbedürfnis von verschiedenen Menschen berücksichtigt wird. Dann wird mittels des in [1] beschriebenen Simulationsverfahrens bei einem vorgegebenen Druckaufbau der Pumpe die Vorlauftemperatur berechnet, die bei Normaußentemperatur nach DIN 4701 soeben die gewünschte und damit am Heizkörperthermostatventil eingestellte Gebäudeinnentemperatur ermöglicht. Es verbleibt nun für diese so ermittelte Kombination die Gesamtkosten für Brennstoff- und Stromverbrauch zu bestimmen, wobei hier nicht die absoluten Beträge sondern nur die Differenzen zu dem kleinstmöglichen Betrag gefragt sind.

Zum einen bewirkt eine höhere Heizkurve größere Wärmeverluste im Rohrnetz, zum anderen hat ein größerer Druckaufbau einen Strommehrverbrauch zur Folge. Aus der Berechnung der minimalen Gesamtkosten für Stromverbrauch und Wärmeverlusten im Rohrnetz wird nun eine optimale Kombination für die beiden Einstellwerte "Heizkurve" und "Pumpendruckaufbau" gesucht.

Einstellparameter "Pumpendruckaufbau" und "Heizkurve"

Um die unterschiedlichen Komfortbedürfnisse der Bewohner zu berücksichtigen, wurden unterschiedliche Komfortniveaus so definiert, dass jeweils im kritischen Fall (- 10°C Außentemperatur) eine Gebäudeinnentemperatur von 17°C (geringster Komfort) bis 26°C (höchster Komfort) technisch soeben noch möglich ist. Mit dem in [1] beschriebenen Simulationsprogramm wurde nun bei einem vorgegebenen Pumpendruckaufbau (1, 2, 3, 4 und 5 mWS) die Heizkurve gesucht, bei der sich die Komfortniveaus von 17, 20, 23 und 26°C Ist-Innentemperatur einstellen. Somit ergaben sich für jedes Komfortniveau fünf Paare aus Pumpendruck und Heizkurve.

Berechnung der Strom- und Wärmeverbrauchskosten

Der Pumpenstromverbrauch kann mit ausreichender Genauigkeit als ausschließlich vom Druckaufbau der Pumpe abhängig angenommen werden. Damit kann der Pumpenstromverbrauch bei einem Komfortniveau direkt den jeweiligen Paaren der Einstellparameter "Pumpendruckaufbau/Heizkurve" zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu wird der Wärmeverlust der Heizungsanlage indirekt von der Heizkurve über die Vorlauftemperatur bei der jeweiligen Außentemperatur abhängen. Erfahrungsgemäß liegen bei +5°C Außentemperatur repräsentative Verhältnisse vor. Dementsprechend wurde in einem ersten Schritt bei +5°C als repräsentativer Außentemperatur die Vorlauftemperaturen und dann in einem zweiten Schritt die dazugehörenden technischen Wärmeverluste berechnet. Nach Abzug des Pumpenstromverbrauches, der ja eine entsprechende Erwärmung des Heizungswassers bewirkt, ergaben sich in einem dritten Schritt die finanziell wirksamen Wärmeverluste, die ebenfalls den jeweiligen Paaren der Einstellparameter "Pumpendruckaufbau/Heizkurve" zugeordnet wurden.

Für jedes Paar der Einstellparameter Pumpendruckaufbau und Heizkurve konnten nun die Mehrverbräuche für Strom und Wärme pro Betriebsstunde berechnet werden. Multipliziert man nun diese Mehrverbräuche mit den jeweiligen Preisen für Strom und Wärme, so erhält man Mehrkosten für die hier gewählten vier Komfortniveaus.

Bild 2: Mehrkosten für den Heizungsbetrieb bei verschieden eingestelltem Druckaufbau der Pumpe und verschiedenen Komfortniveaus - repräsentatives Beispiel.

Wahl der optimalen Einstellparameter

Bild 2 zeigt ein typisches Ergebnis für einen Strompreis von 10 EURO-Cent und einen Wärmepreis von 5 EURO-Cent pro Kilowattstunde. Bei allen Berechnungen zeigte es sich, dass bei einem gegebenen Preisverhältnis Strom zu Wärme im Heizungswasser der optimale und damit einzustellende Pumpendruckaufbau festliegt. Insofern konnte in Bild 3 der einzustellende Druckaufbau der Pumpe aufgetragen werden. Es ist somit für alle Wärmequellen anwendbar, wobei allerdings noch als letzter Schritt der feuerungstechnische Wirkungsgrad der jeweiligen Anlage berücksichtigt werden muss. Die Bilder 4 für Erdgas und 5 für Heizöl zeigen direkt anwendbare Diagramme für die Wahl der optimalen Einstellparameter "Pumpendruckaufbau" und "Heizkurve" auf Grundlage des Verhältnisses von Brennstoffkosten zu Stromkosten. Bei den zur Zeit üblichen Kosten von ca. 35 EURO-Cent pro Liter Heizöl und 10 EURO-Cent pro kWh Strom ergibt sich nach Bild 5 ein optimaler Druckaufbau einer Konstantdruckpumpe von ca. 2 mWS.

Bild 3: Optimaler (= einzustellender) Pumpendruckaufbau in Abhängigkeit des Preisverhältnisses Wärme zu Strom - gültig für alle Wärmequellen. (Wärmepreis bezogen auf den Wärmeinhalt des Heizungswassers.)

Handlungsanleitung für den Monteur

Bei den oben genannten zur Zeit üblichen Kosten für Brennstoff und Strom kann ein Monteur die Pumpe bei Inbetriebnahme oder bei der Inspektion im Rahmen eines Wartungsvertrages auf ca. 2 mWS einstellen. Falls sich die hier relevanten Preise ändern, kann der Monteur mittels der Bilder 4 und 5 die Pumpe erneut auf den optimalen Druck einstellen.

Bild 4: Optimaler (= einzustellender) Pumpendruckaufbau in Abhängigkeit des Preisverhältnisses Erdgas zu Strom bei einem feuerungstechnischen Wirkungsgrad von 90 %. (Erdgaspreis bezogen auf den Brennwert.)

Bild 5: Optimaler (= einzustellender) Pumpendruckaufbau in Abhängigkeit des Preisverhältnisses Heizöl zu Strom bei einem feuerungstechnischen Wirkungsgrad von 90 %. (Heizölpreis bezogen auf den Heizwert.)

Weiterhin sollte der Monteur im Rahmen seiner Einweisung erklären, dass eine höhere Heizkurve einen größeren Komfort bedeutet, der durch einen höheren Brennstoffverbrauch erkauft wird. Jeder Betreiber kann dann seinen individuellen Komfort selbst einstellen.

Tabelle 1: Stromaufnahme der zugrunde gelegten Pumpe
Stromaufnahme der Pumpe	bei Druck- aufbau von	und Volumenstrom von 600 l/h
in Watt	in mWS
92,98	5
74,60	4
60,23	3
48,97	2
31,09	1

Abschließend sollte noch erwähnt werden, dass der oben beschriebene Service bei vernachlässigbaren Kosten ein Argument für den Abschluss eines Wartungsvertrages ist. Denn damit werden Kosten gesenkt und die Umwelt entlastet.

L i t e r a t u r : [1] Brennstoffeinsparung durch moderne Umwälzpumpen. IKZ-HAUSTECHNIK, Heft 24/2001.

* Silke Cleven, Stephan Fischer und Michael Krause, Studierende des vierten Semesters Versorgungstechnik an der FH Gelsenkirchen, betreut von Prof. Dr. Werner Hösel und Dipl.-Ing. Stefan Gürke

** Mit der hier vorgestellten Untersuchung wird nicht das Ziel verfolgt abschließende Aussagen zu treffen, sondern es soll ein Weg aufgezeigt werden, zu fundierten Aussagen und praktikablen Vorgehensweisen bezüglich der Einstellung und Abstimmung des Druckaufbaus der Heizungspumpe und der Wahl der Heizkurve zu kommen. Insbesondere die Wahl der Ausgangsparameter bedarf einer Abstimmung mit den Herstellern von Pumpen.

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