TGA Projektierung

TGA Ausgabe 07-2013
Hocheffizienzpumpen und hydraulische Optimierung

Einsparpotenziale von HLK-Anlagen im Fokus

Abb. 1 Zusätzlich zu den Pumpenanwendungen, die bisher überwiegend in Großanlagen für den Transport von Heiz- und Kühlenergie eingesetzt werden, erweitert KSB mit den Umwälzpumpen Calio und Calio S den Einsatzbereich auf Heiz- und Kühls (Quelle: KSB )
Abb. 1 Zusätzlich zu den Pumpenanwendungen, die bisher überwiegend in Großanlagen für den Transport von Heiz- und Kühlenergie eingesetzt werden, erweitert KSB mit den Umwälzpumpen Calio und Calio S den Einsatzbereich auf Heiz- und Kühlsysteme in kleineren Anlagen.

Die Ökodesign-Richtlinie definiert Mindesteffizienzanforderungen für Umwälzpumpen – und hat damit europaweit das Aus für ineffiziente und ungeregelte Umwälzpumpen erklärt. Hocheffizienzpumpen sind damit seit 1. Januar 2013 Standard. Für TGA-Planer und Fachhandwerksunternehmen ergeben sich daraus Auftragspotenziale – besonders im Bereich bestehender Heizungs- und Kälte­systeme, wo Anlagenbetreiber ihre Energiekosten deutlich senken können. Der Pumpenhersteller KSB unterstützt seine Fachpartner mit dem Energieeffizienzkonzept FluidFuture bei der Optimierung des gesamten hydraulischen Systems. Neben der richtigen Pumpenauslegung und dem Einsatz von Hocheffizienzpumpen zählt hierzu auch eine bedarfsgerechte Anlagen-Fahrweise. Das nötige Grundlagenwissen vermittelt KSB in einem Webinar zum Thema Energieeffizienz.

Die ErP-Richtlinie [1] für energieverbrauchsrelevante Produkte (Ökodesign-Richtlinie) – stellt über ihre Durchführungsverordnungen [2, 3] Mindestanforderungen an die Effizienz von Umwälzpumpen. Diese Anforderungen lassen sich durch hohe hydraulische und elektrische Wirkungsgrade erfüllen. Der bedarfsgerechte Betrieb der Umwälzpumpen ist ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt. So lassen sich der Energieaufwand und damit die Energiekosten von Pumpensystemen mit veränderlichem Förderbedarf, wie dies in der Hydraulik von Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Anlagen meistens der Fall ist, senken. Wird die Pumpenleistung in jeder Betriebssituation automatisch an den tatsächlichen Bedarf angepasst, muss auch nur die Energie aufgewendet werden, die zur Überwindung der Strömungswiderstände bei der jeweiligen Durchflussmenge tatsächlich benötigt wird.

Energieeffizienz-Index als Maßstab

Die EU-Kommission hat die Umwälzpumpe in den Heizungskellern von Wohngebäuden als einen der größten Stromverbraucher erkannt. Die EU verfolgt nun das Ziel, in Europa den Energiebedarf für den Betrieb von Umwälzpumpen zu halbieren. Am 27. März 2009 beschlossen die EU-Mitgliedsstaaten auf Vorschlag der EU-Kommission, Mindesteffizienzanforderungen an externe Nassläufer-Umwälzpumpen und in Produkte integrierte Nassläufer-Umwälzpumpen zu stellen Abb. 2 . Bis zum Jahr 2020 soll dadurch ihr Stromverbrauch EU-weit um 23 TWh/a sinken (2005 lag der Stromverbrauch bei rund 50 TWh/a). Für Deutschland soll die Verordnung nach Informationen des Umweltbundesamtes zu einer Stromeinsparung von rund 4 TWh/a führen.

Seit dem 1. Januar 2013 dürfen darum gemäß EU-Verordnung 641/2009 [2] keine Nassläufer-Umwälzpumpen mehr auf den euro­päischen Markt gebracht werden, die mit dem früheren Energieeffizienzlabel gekennzeichnet sind. Die bisherige Einteilung des Effizienzgrads in die Abstufungen A bis G wurde durch einen Energieeffizienz-Index (EEI) ­ersetzt. Der Geltungsbereich der Verordnung umfasst Nassläufer-Umwälzpumpen. Bei dieser Bauart ist der Rotor des Motors von der zu transportierenden Flüssigkeit umspült. Die Verordnung gilt für alle externen Nassläufer-Umwälzpumpen mit einer hydraulischen Leistung bis 2500 W, die zur Verwendung in Heizungsanlagen oder in Sekundärkreisläufen von Kühl­verteilungssystemen bestimmt sind. Erst ab 1. August 2015 verbindlich betroffen sind Nassläufer-Umwälzpumpen, die in Produkten – beispielsweise in Heizkesseln oder Frischwasserstationen – integriert sind sowie speziell für Primärkreisläufe von thermischen Solaranlagen und von Wärmepumpen ausgelegte Nassläufer-Umwälzpumpen. Ausgenommen sind momentan auch Trinkwasser-Zirkulationspumpen, die jedoch seit dem 1. Januar 2013 explizit als Trinkwasserpumpen gekennzeichnet sein müssen.

Gemessen wird die Erfüllung der Anforderungen am Energieeffizienz-Index (EEI). Für diese gilt in der ersten Stufe seit Anfang 2013 ein EEI ≤ 0,27 (ab 1. August 2015: EEI ≤ 0,23). Ermittelt wird der EEI nach einer Berechnungsmethodik, die im Anhang II der EU-Verordnung Nr. 622/2012 [2] beschrieben ist, weitere Konkretisierungen enthält DIN EN 16297 [4]. Hierzu werden bei unterschiedlichen Betriebszuständen die elektrischen Leistungsaufnahmen einer Umwälzpumpe gemessen und anhand eines standardisierten Lastprofils gewichtet. Die gewichtete Leistungsaufnahme wird in das Verhältnis zur elektrischen Leistungsaufnahme einer durchschnittlichen Referenzpumpe gesetzt, welche die gleiche Leistung wie die zu bewertende Umwälzpumpe abgibt. Die ineffizientesten Heizungspumpen weisen einen EEI von 1 oder größer auf, während die derzeit effizientesten Heizungsumwälzpumpen einen EEI von etwa 0,20 erreichen. Zur Schonung von Umwelt und Ressourcen tragen dem Sinn der Ökodesign-Richtlinie entsprechend auch die Verbesserung der Recyclingfähigkeit und die Verpflichtung zur Verwendung umweltgerechter Materialien bei.

Besser als ErP: Hocheffizienzpumpen

Parallel zur Anfang 2013 in Kraft getretenen Ökodesign-Anforderungen hat KSB eine neue Baureihe von Hocheffizienz-Nassläuferpumpen eingeführt. Diese neuen Umwälzpumpen Calio und Calio S Abb. 1 wurden erstmals zur ISH 2013 präsentiert und erfüllen bereits heute die Energieeffizienz-Vorgaben, die nach der EU-Verordnung ab 1. August 2015 gelten. Der Ansatz für die Entwicklung dieser neuen Pumpengeneration war, auf Grundlage der bewährten Flanschpumpenbaureihen den Anwendungsbereich nach unten zu erweitern und damit das Programm für kleinere Leistungsbereiche abzurunden.

KSB bietet damit nun den Fachplanern und Fachhandwerksunternehmen zusätzlich zu den bisher überwiegend projektbezogenen Auslegungen auch bei sämtlichen Standardanwendungen für Heizungs- und Kältesysteme die passenden Hocheffizienz-Lösungen an. Die Umwälzpumpen der Baureihe Calio sind serienmäßig mit den benötigten Schnittstellen für das Einlesen sowie die Verarbeitung und die Ausgabe von Standardsignalen ausgestattet. Durch dieses All-in-One-Konzept sind die Calio-Pumpen werkseitig für den Einsatz in intelligenten gebäudetechnischen Systemen vorbereitet, ohne dass hierzu regelungstechnische Zusatzkomponenten benötigt werden. Eine integrierte Drehzahlregelung passt die Förderleistung in jeder Betriebssituation genau dem momentanen Bedarf an und senkt so den Energieverbrauch noch weiter.

Einsparungen durch Drehzahlregelung

Um bei Pumpen in Heizungs- und Kühlsystemen eine maximale Energieeffizienz zu erzielen, ist neben einen hocheffizienten Antrieb vor allem die Anpassung der Pumpenleistung an den tatsächlichen Bedarf ein entscheidender Faktor Abb. 3. Allgemein werden Pumpen nach dem errechneten Spitzenbedarf und dem dafür benötigten Druck dimensioniert, um die Versorgung für den Auslegungspunkt zu gewährleisten. Häufig erfolgt die Auswahl der Leistungsgröße (völlig unnötig) mit einem Sicherheitszuschlag. Dies führt dann zu einem überhöhten Energieverbrauch, da Pumpen im mittleren Bereich ihres Kennlinienfelds den höchsten Wirkungsgrad erzielen. Überdimensionierte Pumpen arbeiten dann bereits im Auslegungspunkt mit geringerem Wirkungsgrad, beim dominierenden Teillastfall verschlechtert er sich weiter. Die richtige Pumpenauswahl sollte also ohne Zuschläge und unter Berücksichtigung der zu erwartenden Teillastbedingungen auf der Basis des berechneten Jahresstromverbrauchs (bzw. der Jahresgesamtkosten) erfolgen.

Die optimale Pumpenauslegung und -regelung lohnt sich: Im Rahmen der bundesweiten dena-Initiative „EnergieEffizienz Industrie & Gewerbe“ durchgeführte Analysen belegen, dass Energieeinsparpotenziale zwischen 18 und 90 % erreichbar sind, wenn das Pumpensystem als Ganzes optimiert wird. Hintergrund sind die Auswirkungen einer Drehzahländerung auf die Leistungsaufnahme. Vereinfacht (ohne Berücksichtigung sicher verändernder Wirkungsgrade) gilt: Der Förderstrom verhält sich proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe quadratisch zur Drehzahl und die Leistungsaufnahme verhält sich proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Bei einer Halbierung der Drehzahl verringert sich damit die Antriebsenergie auf ein Achtel. In Heizungsanlagen ist im Teillastfall häufig weniger als der halbe Auslegungsförderstrom erforderlich.

Die von KSB entwickelte Pumpendrehzahlregelung PumpDrive Abb. 4 gibt für jede Teillastbetriebssituation nur den Förderdruck frei, der zur Überwindung der Widerstände bis zum ­Verbraucher notwendig ist. Für die auf Energieoptimierung ausgerichtete Pumpensteuerung sind keine zusätzlichen, separaten Regelungskomponenten aus der MSR-Technik erforderlich. Dies vereinfacht für den Fachplaner auch die Ausschreibung, da die Regelung aller im Objekt erforderlichen Pumpen mit einem einheitlichen Regelungssystem bewerkstelligt werden kann.

FluidFuture: Ganzheitliches Optimieren

Bei Neuanlagen kann durch die Nutzung von Planungssoftware die Pumpe so ausgewählt werden, dass der Betriebspunkt so nahe wie möglich am idealen Auslegungspunkt der Pumpe liegt und ein wirtschaftliches Optimum erreicht wird. In bestehenden Anlagen lassen sich durch die nachträgliche Anpassung der Förderleistungen hohe Einsparungen erzielen. Bei großen Anschlussleistungen können sich entsprechende Maßnahmen und ­Investitionen innerhalb weniger Monate amortisieren Abb. 5. Die Optimierung des gesamten ­hydraulischen Systems zur Senkung der Energiekosten ist der Leitgedanke der ­FluidFuture-Kampagne von KSB: Mit der ­Analyse des Systems und der Auslegung mit strömungstechnisch optimierter Hydraulik und hoch­effizienten Antrieben sowie einer bedarfs­gerechten Fahrweise können Anlagenbauer und Planer zusammen mit ihrem KSBBerater die Einsparpotenziale identifizieren und erschließen.  

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGAdossier Hydraulischer Abgleich: Webcode 849

Literatur

[1] Die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte (Energy-related Products, ErP) hat die Richtlinie 2005/32/EG vom 6. Juli 2005 (Energy-using Products, EuP) ersetzt. Download über Webcode 336841

[2] Verordnung (EG) Nr. 641/2009 der Kommission vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen ­Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von ­Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von externen Nassläufer-Umwälzpumpen und in Produkte integrierten Nass­läufer-Umwälzpumpen. Und: Verordnung (EU) Nr. 622/2012 der Kommission vom 11. Juli 2012 zur Änderung der Verordnung (EG) Nr. 641/2009 in Bezug auf die Anforderungen an die umwelt­gerechte Gestaltung von externen Nassläufer-Umwälzpumpen und in Produkte integrierten Nassläufer-Umwälzpumpen. Download über Webcode 336841

[3] Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen ­Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren. Download über Webcode 336841

[4] DIN EN 16297 Pumpen – Kreiselpumpen – Umwälzpumpen in Nassläuferbauart – Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Verfahren zur Prüfung und Berechnung des Energieeffizienzindexes (EEI); Deutsche Fassung EN 16297-1:2012; Teil 2: Berechnung des Energieeffizienzindexes (EEI) von externen Umwälzpumpen; Deutsche Fassung EN 16297-2:2012; Teil 3: Berechnung des Energieeffizienzindexes (EEI) von in Produkte integrierten Umwälzpumpen; Deutsche Fassung EN 16297-3:2012, alle April 2013

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Einsparpotenziale von HLK-Anlagen im Fokus
  2. Teil: Webinar zum Thema
  3. Teil: Joachim Diede
  • Heizungsumwälzpumpen und Pumpenregelung gehören bei KSB seit Langem zusammen. Bereits ab Ende der 1960er-Jahre wurden mit der Baureihe Rio ­kompakte Heizungsumwälzpumpen produziert. Die Automatisierung der Drehzahlregelung folgte mit der Umwälzpumpe Riomatic mit einer über Potentiometer fest einstellbaren Kennlinie. Die Hocheffizienzpumpen Calio und Calio S erfüllen bereits die Anforderungen der ErP-Richtlinie, die ab 1. August 2015 gelten.
  • Abb. 4 Wo große Fördermengen und hohe ­Drücke erforderlich sind, gleichzeitig sich aber laufend die Entnahme oder Umwälzmenge verändert, passt die von KSB ­entwickelte Pumpendrehzahlregelung PumpDrive die Förderleistungen dem jeweils momentanen Bedarf an.
  • Abb. 5 Die Überwachungseinheit PumpMeter ­ermittelt den tatsächlichen Betriebspunkt der Pumpe und wird bei KSB werkseitig vormontiert. Damit sieht der Anlagenbetreiber auf einen Blick, ob die Pumpe effizient arbeitet.
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