Konstanter Druck: Ein Qualitätsmerkmal der Trinkwasserversorgung

Vorgaben und Empfehlungen zu Planung, Aufbau und Auslegung von Druckerhöhungsanlagen (DEA) in Gebäuden sind in diversen DIN-Richtlinien und DVGW-Arbeitsblättern dokumentiert. Trotz dieser Standards gibt es natürlich anbieterspezifische Unterschiede. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist die Druckkonstanz. Der Beitrag behandelt diverse Lösungsansätze.

Im 19. und im 20. Jahrhundert waren Wassertürme zentraler Bestandteil der Trinkwasserversorgung – in Einzelfällen ist das bis heute noch der Fall: Gemäß dem Prinzip der kommunizierenden Röhren steht mit einem Wasserturm den tiefer gelegenen Verbrauchern am Wasserhahn stets der gleiche Druck zur Verfügung. Pumpen werden lediglich zum regelmäßigen Befüllen des Hochbehälters in den Nachtstunden benötigt.
Das hat im Geschossbau und insbesondere im Hochhaus natürliche Grenzen. Hier muss der TGA-Planer mit einer Druck­erhöhungsanlage bzw. sogar mehreren solcher Anlagen arbeiten.
Üblicherweise reicht der Mindestversorgungsdruck der kommunalen Wasserwerke für eine ortsübliche Bebauung und druckverlustarme Armaturen in einem Gebäude aus. Armaturen mit höherem Komfortanspruch, Filter und Wasserbehandlungsanlagen wie Enthärter lassen die Druckverluste steigen – mit der Folge, dass DEA zunehmend auch in Wohnungsbauten mit weniger Geschossen zum Einsatz kommen.

Druckstöße belasten das Versorgungsnetz
Schnelle und häufige Verbrauchsänderungen oder schnell schließende Armaturen nach einer DEA können zu Druckstößen, Geräuschen, höheren Belastungen der DEA-Komponenten sowie der nachfolgenden Anlagenteile führen. Im ungünstigsten Fall wird der zulässige Nenndruck von Anlagenteilen überschritten, Sicherheitsausrüstungen lösen aus; die entstehenden Druckstöße führen unter Umständen zu Anlagen- und Rohrleitungsschäden. In jedem Fall ist von einem erhöhten Verschleiß für die Pumpen und alle Anlagenteile auszugehen. Abhilfe kann einerseits

• durch Änderung der Verbrauchsdynamik (keine schnell schließenden Verbraucher, Armaturen) geschaffen werden oder
• durch Auslegung der Pumpenförderströme im Vergleich zu den erwarteten Verbrauchsänderungen oder
• durch Verwendung von Membrandruckbehältern (MDB) als dynamische Pufferspeicher oder
• durch Verwendung von Druckerhöhungsanlagen mit einer oder mehreren in der Drehzahl variablen Pumpe(n). Dies ist mit Abstand die effektivste und ökonomischste Art der Wasserversorgung bei hochdynamischen Anforderungen.

Auch in den Infrastrukturen der Wasserversorger ist das Druckmanagement heute Aufgabe smarter Pumpensysteme in Verbindung mit leistungsfähiger MSR-Technik. Die IT-gestützte Steuerung von Anlagen bzw. Regelung von Prozessen, die automatische Datenverarbeitung und die Verknüpfung mit Informations- und Kommunikationssystemen tragen maßgeblich zur Trinkwasser-Qualitätssicherung und Trinkwasser-Versorgungssicherheit bei. Zudem gilt ein effizientes Druckmanagement als die beste Möglichkeit, Leckagen aufzuspüren und gering zu halten.

Einzelpumpe versus Pumpen-Kaskade
Die zu erwartenden Verbrauchsschwankungen im Gebäude zwingen den TGA-Planer dazu, die DEA auf den maximal zu erwartenden Nennvolumenstrom auszulegen (Q·max · Gleichzeitigkeitsfaktor des Gebäudes). Die meiste Zeit ist der Förderstrombedarf jedoch sehr viel geringer, sodass die Wirtschaftlichkeit einer Einzelpumpenanlage mit sinkendem Volumenstrom schnell abnimmt.
Die beste Lösung ist deshalb zumeist, mehrere kleine Pumpen parallel zu installieren, die über eine Mehrpumpensteuerung geregelt werden. Diese Planung sorgt durch eine Kaskadensteuerung und Drehzahlstellung dafür, dass die Pumpen überwiegend im Wirkungsgradbestpunkt laufen.
Die Auslegung derartiger Anlagen erfolgt mithilfe von Belastungsprofilen, die das Verbrauchsverhalten über den Tag abbilden. Sie geben Aufschluss darüber, wie lange eine Pumpe in einem bestimmten Betriebsbereich läuft. Im Vergleich zur herkömmlichen Vorgehensweise können die Investitionskosten erheblich reduziert werden, sodass Amortisationszeiten von einem bis drei Jahren üblich sind.
Bei den DEA-Lösungen von Grundfos beispielsweise sitzen die Pumpen eng nebeneinander auf einer gemeinsamen Grundplatte. Verrohrt werden muss nur noch der zentrale Sammelverteiler – das spart Platz. Kompakt aufgebaut und leise im Betrieb, kommen die Anlagen drehzahlgeregelt mit deutlich weniger Energie aus. Die Steuerungen für diese Anlagen ermöglichen eine effiziente Regelung und Überwachung von bis zu sechs Pumpen. Für die Konstantdruckregelung sind die Anlagen mit einem druckseitigen Drucksensor ausgestattet, der den Istwert an die übergeordnete Steuerung weiterleitet.

Effizienter Permanentmagnet-Motor
Der selbst entwickelte und gefertigte MGE-Motor mit integriertem Frequenzumrichter ermöglicht eine stufenlose Drehzahlstellung, um die Förderleistung von Pumpen optimal an den Bedarf anzupassen. Der Betreiber profitiert von einer Reihe weiterer Vorteile: Beispielsweise sichert eine niedrige Drehzahl den schonenden Umgang mit dem Medium, ermöglicht eine Förderung bei niedrigem NPSH-Wert und reduziert den Geräuschpegel. Mithilfe des Frequenzumrichters ist andererseits ein übersynchroner Betrieb (höhere Drehzahl) für mehr Leistung bei gleicher Pumpenbaugröße möglich.
Die drehzahlgeregelten MGE-Standardmotoren übertreffen die Wirkungsgradanforderungen gemäß Ökodesign-Richtlinie der EU. Sie besitzen einen integrierten Motorschutz und verfügen über eine Pumpenüberwachungsfunktion. Standardmäßig sind ein Regler und ein Sensor zur Regelung des Hauptprozesses eingebaut. Werden weitere Regelfunktionen benö­tigt, kann der Motor mit E/A-Erweiterungskarten und einem Busanschluss ausgestattet werden. Zudem können Hardware und Software an spezielle Anforderungen des Kunden angepasst werden.
Mit dem MGE-PM-Motor hat das Unternehmen eine besonders effiziente Permanentmagnet-Synchronmotoren-Baureihe (PMSM) entwickelt. Ab Januar 2017 liefert das Unternehmen diesen Antrieb in der Leistungsklasse zwischen 0,75 und 11 kW mit der höchsten IE5-Klassifizierung aus – es ist dies die weltweit höchste Energieeffizienz-Klassifizierung für Elektromotoren. IE5 ist kein abstrakter Meilenstein: Gegenüber einem IE4-Motor wurden die Verluste um weitere 20 % reduziert. Daraus resultieren ein geringerer Energieverbrauch und verringerte Lebenszykluskosten. IE5 bedeutet ganz konkret, dass sich die Investition in eine Druckerhöhungsanlage noch schneller als bisher amortisiert.
Permanentmagnet-Motoren zeichnen sich generell durch einen sehr hohen Motorwirkungsgrad aus. Denn dieser Motor benötigt für die Magnetisierung seines Rotors keine zusätzliche Energie – temperaturstabile Hochleistungsmagnete sorgen für die permanente Magnetisierung. Durch die hohe Energiedichte des Rotors kann der Kupfer-Stator wesentlich kleiner ausgeführt werden, was die Ressourcen schont. PM-Motoren verbrauchen aufgrund dieser Besonderheiten bis zu 30 % weniger Antriebsenergie als ein herkömmlicher Asynchronmotor. Darüber hinaus arbeitet dieser Motor äußerst leise. Eine weitere Besonderheit: PM-Motoren büßen gerade im meist beanspruchten Teillastbereich kaum an Wirkungsgrad ein – ganz anders als ältere Asynchronmotoren.
Effizienz in Verbindung mit smarter Funktionalität: Durch verschiedene Funktionsmodule mit Basis-, Standard- und erweiterten Modulen mit der entsprechenden Anzahl von Ein- und Ausgängen sowie weiteren Schnittstellen kann der Betreiber passend zur jeweiligen Anwendung eine Vielzahl von Pumpenfunktionen nutzen. Die Spanne reicht von der einfachen Prozessregelung mit konstanten Parametern (Druck/Volumenstrom/Füllhöhe/Temperatur) bis hin zu komplexen Regelungen vor dem Hintergrund einsatzspezifischer Anforderungen.

Kaskaden-Steuerung
Es werden Pumpen nacheinander zu- oder abgeschaltet, um in Abhängigkeit des Wasserverbrauches den Fließdruck am Verbraucher entsprechend der Sollwertvorgabe sicherzustellen. Dem Verbraucher steht somit ein Fließdruck innerhalb eines Druckbandes (zwischen gewähltem Solldruck und Abschaltdruck) zur Verfügung. Es werden immer nur so viele Pumpen betrieben, wie zur Aufrechterhaltung des Sollwertes erforderlich sind. Werden Pumpen geschaltet, erfolgt immer auch ein Pumpentausch. Wird das System mit Netzbetriebspumpen (Standardpumpen mit Festdrehzahl) betrieben, ist zur Reduzierung von Wasserschlägen bei Pumpenzu-/Pumpenabschaltungen zwingend ein Membrandruckbehälter erforderlich.

Konstantdruck-Regelung
Eine Pumpe wird drehzahlgeregelt zugeschaltet und deren Drehzahl nach einer Rampenfunktion bis zu 100 % stetig erhöht. Wird auch mit maximaler Drehzahl der erforderliche Solldruck nicht erreicht, werden nacheinander weitere Pumpen drehzahlgeregelt zugeschaltet.
Die Steuerung variiert die Drehzahl der Pumpen in Abhängigkeit des Solldruckes so, dass alle in Betrieb befindlichen Pumpen zum Erreichen des Solldruckes im optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Um dies zu gewährleisten, sind die Drosselkurven der Pumpen in der Steuer- und Regelungssoftware abgelegt. Das sichert eine energieoptimierte Betriebsweise. Es arbeiten stets nur so viele Pumpen, dass die in Betrieb befindlichen Pumpen im optimalen Betriebspunkt laufen. Überflüssige Pumpen werden abgeschaltet. Werden Pumpen geschaltet, erfolgt immer auch ein Pumpentausch.
Aufgrund der Betriebsweise Sanftanlauf/Sanftauslauf ist das Risiko von Druckschlägen minimal. Ein zusätzlicher Membrandruckbehälter ist für die meis­ten Anwendungen nicht erforderlich. Die softwaremäßige Kommunikation der Pumpen untereinander sowie der Pumpen mit der Steuer- und Regeleinheit erfolgt über „Geni-Bus“. Jede Pumpe kann somit während des Pumpentauschs individuell mit eigener Drehzahl betrieben werden, um so ein sanftes Zu- und Wegschalten sicherzustellen.

Sollwert/alternative Sollwerte
Die Druckerhöhungsanlagen werden so geregelt, dass ein frei gewählter Solldruckwert gewährleistet ist. Dabei wird der Ist-Druck in der gemeinsamen Druckleitung (Druckbalken) mittels eines Drucksensors ständig gemessen und in der Steuer- und Regeleinheit mit dem gewählten Solldruck verglichen. Bei Bedarf werden Pumpen zu- oder abgeschaltet. Es ist möglich, zusätzliche alternative Sollwerte zu parametrieren, z. B. für Schwachlastphasen am Wochenende oder an Feiertagen, die für bestimmte Tageszeiten den eigentlichen Sollwert zeitweise ersetzen.

Echtzeitfähiges Ethernet bietet Vorteile
Der MGE-PM-Motor ist zudem kommunikativ: Die Kommunikationsmodule CIM (Communication Interface Module/Einsteckmodul) und CIU (Communication Interface Unit/externes Modul) ermöglichen eine Datenübertragung über die Feldbus-Standards LON, Profibus/Profinet, Modbus/Modbus TCP, SMS/GSM/GPRS und BACnet/BACnet IP über die drahtlose Verbindung GSM/GPRS oder das Remote-Management von Grundfos.
Im Umfeld der Automatisierungstechnik ist der Trend zu beobachten, existierende Feldbusse der ersten Generation durch Ethernet-basierte Feldbussysteme zu ersetzen oder zu ergänzen. Gerade die neuen Ethernet-basierten Feldbussysteme bieten enorme Vorteile, da für die Kommunikation auf bekannte Hardwarekomponenten (RJ45 Stecker, Switch, Hubs usw.) zurückgegriffen werden kann. So bleibt das Feldbusprotokoll an sich unverändert, nur der Kommunikationstransport erfolgt über Ethernet. Bei Störungen der Ether­net-Hardware kann unter Umständen die IT-Abteilung das Problem identifizieren und beseitigen.
Im Vergleich zur Analogansteuerung kann der Frequenzumrichter mittels Feldbuskommunikation wesentlich genauer und flexibler angesteuert werden. Toleranzen von Digital-/Analogwandlern werden bei der Digitalübermittlung ausge­blendet, sodass eine wesentlich präzisere Ansteuerung und Datenübermittlung erfolgen kann. Auch die Anfälligkeit gegenüber Störungen der Analogsignale ist bei der Feldbuskommunikation ausgeblendet. Ebenso lässt sich bei der Feldbusansteuerung zwischen verschiedenen Betriebsarten wechseln, z. B. von der Konstantdruck-Regelung zur Konstantvolumenstrom-Regelung.
Bei Anschluss eines Volumenstrom-Sensors lässt sich der Datenpunkt „Spezifische Energie kWh/m3“ erfassen, der einen Rückschluss über die Effizienz des gesamten hydraulischen Systems gibt. Jegliche Störung des Systems (Verblockung, Kavitation, Verschleiß usw.) lässt diesen Wert ansteigen, da für das Fördern von 1 m3 Medium mehr Energie aufgewendet werden muss als zum Zeitpunkt der Erstinbetriebnahme. Bei Festlegung eines Schwellenwertes kann bei Bedarf eine Warnung abgesetzt werden. So ist frühzeitig eine schleichende energetische Verschlechterung des Systems zu erkennen.

Fazit
Das Erzeugen von Druck kostet Energie. Wurden bisher bei der Betrachtung der Energiekosten bei Druckerhöhungsanlagen nur der Pumpenwirkungsgrad und/oder der Motorwirkungsgrad betrachtet, lassen sich durch smarte Funktionalitäten zusätzlich deutliche Einsparungen erzielen. Speziell durch eine Drehzahlregelung in Kombination mit den ab Januar 2017 verfügbaren IE5-Motoren und die Nutzung der Steuerungsoptionen lassen sich die Betriebskosten erheblich reduzieren. Nicht zuletzt profitiert der Eigentümer des Gebäudes von der sehr hohen Qualität der Druckkonstanz.

Autor: Rainer Schmitz, Business Development bei Grundfos GmbH, Erkrath

Bilder: Grundfos

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