E-Pumpen statt Bypass-Ventile
Inline-Pumpen optimieren den Wirkungsgrad von Kaltwasseranlagen
Gebäude mit einem größeren Kältebedarf sind vielfach mit zentralen Kaltwasseranlagen ausgerüstet. Das Kaltwasser entzieht den Räumen Wärme entweder direkt (über Gebläsekonvektoren oder per Bauteilaktivierung) oder indirekt über eine raumlufttechnische Anlage, in der gekühlte Luft über ein Kanalsystem in die Räume eingebracht wird. Smarte Pumpen können die dafür notwendige Anlagentechnik und die Kosten erheblich beeinflussen.
Die von Grundfos empfohlene Lösung: Der Austausch des herkömmlichen Bypass-Ventils durch eine TPE3-Pumpe ermöglicht eine Vereinfachung des Kaltwassersystems und stellt einen gleichbleibenden Mindestvolumenstrom im Kühlaggregat sicher. Die Pumpe wird in der Regelungsart konstanter Differenzdruck (∆P) geregelt, wobei über den Verdampfer des Kaltwassersystems ein konstanter Druck und damit auch ein konstanter Durchfluss unabhängig von der Anlagenlast gehalten wird. Sobald die Durchflussmenge durch das Kaltwassersystem über einem sicheren Mindestwert liegt, schaltet sich die TPE3-Pumpe von selbst aus. Dank dieser Arbeitsweise ist sichergestellt, dass die Leistung der primär drehzahlgeregelten Pumpen unabhängig von den für den Mindestdurchfluss des Kühlaggregats definierten Grenzwerten reduziert werden kann.
Blick in die Technikzentrale eines Messezentrums. Im Durchschnitt werden laut BINE 22 % der Energie in kommerziell genutzten Gebäuden (Verwaltungen, Büros, Ladengeschäfte) durch die Klimaanlage ‚verbraucht‘.
Ob natürlichen Ursprungs oder anthropogen verursacht: Der Klimawandel ist real. Das zeigt sich in lokalen Wetterphänomenen (Starkregen, Hurrikane) ebenso wie in erhöhten Durchschnitts-Temperaturen. Die unmittelbaren Folgen: Höhere Temperaturen erfordern in den unterschiedlichsten Lebensbereichen einen größeren Kühlungsaufwand (Nahrungsmittel, Gebäude, Rechenzentren, Produktionsanlagen). In Deutschland werden jährlich ca. 66 Milliarden kWh Strom und 11 Milliarden kWh nicht-elektrische Energie für die technische Kälteerzeugung verwendet - dies entspricht 14 Prozent unseres gesamten Strombedarfs. Hiervon entfallen 22 Prozent auf die Klimatisierung von Gebäuden (Quelle: BINE).
Wirkungsgrad der Klimaanlage verbessern
Im Sommer verbrauchen wir wegen der Klimaanlagen schon heute signifikant mehr Strom als im Winter. Hersteller wie Planer und Betreiber suchen deshalb nach Möglichkeiten, die Kosten von Klimaanlagen zu senken – das gelingt u.a. durch einen optimierten Wirkungsgrad.
Um bei den Kaltwasseranlagen zu bleiben: Ein Stellrad dazu sind die hier arbeitenden Pumpen: Sie sind das Herz jeder Kaltwasseranlage, obwohl auf sie direkt nur 5 % des Energieverbrauches entfallen. Sie haben jedoch einen indirekten Einfluss darauf, wie die anderen Komponenten zur Energieübertragung im Gebäude funktionieren. Die Leistung von Kaltwassersätzen, Kühltürmen, Klimageräten oder Ventilatorkonvektoren hängt direkt von den Eigenschaften der hier arbeitenden Pumpen ab.
Trockenläufer-Inline-Pumpen kommen in der Heiz- und Klimatechnik bei großen Leistungsanforderungen zum Einsatz.
Ein Kühlwasser-Pumpsystem besteht im Wesentlichen aus dem Produktionskreis und einem Verteilungskreis. Im Produktionskreis wird das gekühlte Wasser erzeugt; er besteht aus der Kälteanlage, den primären Kühlwasserpumpen, Regelventilen und Zubehör. Im Verteilungskreis wird das Wasser entsprechend der sich ändernden Anforderungen des Raums durch ein Netz aus Rohren, Ventilen und Kühlschlangen gefördert.
Für jede Auslegung einer Pumpe gilt das Ziel, dass der Betriebspunkt im Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad der Pumpe liegt. Oft ist es jedoch nicht möglich, eine Pumpe für den genauen Betriebspunkt auszuwählen, weil die Systemanforderungen dynamisch sind und sich das Lastmuster des Gebäudes ändert. Es ist daher erforderlich, dass die Pumpenanlage ihre Leistung entsprechend den Änderungen im Lastmuster des Gebäudes anpasst. Neben dem Einsatz von Drosselventilen und dem Abdrehen des Laufrades ist die Drehzahlregelung mit einem Frequenzumrichter die effizienteste Möglichkeit zur Leistungsanpassung einer Kreiselpumpe.
Planung eines optimalen Kaltwassersystems
Optimal geregelte Kühlsysteme sind für ein gutes Raumklima und niedrige Betriebskosten von entscheidender Bedeutung. Systeme mit variabler Volumenstromtechnik (VPF) sind perfekt für das Erreichen dieses Ziels geeignet. Um jedoch ein Einfrieren und Abschalten zu verhindern, muss in Kaltwassersystemen ein Mindestvolumenstrom sichergestellt werden und die Anlagen über eine schnelle Entladungskapazität verfügen. Diese Entladungskapazität kann durch ein präzises Steuerungssystem, durch Verdichter mit variabler Leistung, Pumpen, Lüfter und eine leicht regelbare Bypass-Leitung erreicht werden.
Die TPE3 – eine Inline-Pumpe mit einer beeindruckenden energetischen und hydraulischen Effizienz sowie integrierter Wärmemengenerfassung und Förderstrombegrenzung.
Ein zu starkes und zu schnelles Herabsetzen des Durchflusses erhöht das Risiko von Vereisungen. Als Lösung wird häufig die Installation eines Bypass-Ventils in der gemeinsamen Leitung gewählt. Als Ergebnis entsteht eine Anlage, für die ein präzises Steuerungssystem benötigt wird, um das optimale Zusammenspiel aller Anlagenkomponenten sicherzustellen – das bedeutet im Grunde: Effizienz auf Kosten höherer Komplexität!
Die von Grundfos empfohlene Lösung: Der Austausch des herkömmlichen Bypass-Ventils durch eine TPE3-Pumpe ermöglicht eine Vereinfachung des Kaltwassersystems und stellt einen gleichbleibenden Mindestvolumenstrom im Kühlaggregat sicher. Die Pumpe wird in der Regelungsart konstanter Differenzdruck (∆P) geregelt, wobei über den Verdampfer des Kaltwassersystems ein konstanter Druck und damit auch ein konstanter Durchfluss unabhängig von der Anlagenlast gehalten wird. Sobald die Durchflussmenge durch das Kaltwassersystem über einem sicheren Mindestwert liegt, schaltet sich die TPE3-Pumpe von selbst aus. Dank dieser Arbeitsweise ist sichergestellt, dass die Leistung der primär drehzahlgeregelten Pumpen unabhängig von den für den Mindestdurchfluss des Kühlaggregats definierten Grenzwerten reduziert werden kann.
Die Bypass-Pumpenlösung von Grundfos gewährleistet, dass die Leistung der Hauptpumpe vollkommen unabhängig von den Mindestdurchfluss-Grenzwerten für das Kühlaggregat ist. Das vermeidet ein überschüssiges Durchflussvolumen in der Anlage und minimiert zudem die Betriebskosten. Da für diese Lösung nur eine TPE3-Pumpe und ein Differenzdrucksensor benötigt werden, verringert sich zudem die Anlagenkomplexität:
- die richtige Wassertemperatur ist jederzeit garantiert
- die Temperaturen können über die mobile Überwachungs- und Konfigurationslösung GrundfosGO ausgelesen und dokumentiert werden
- einfachere Planung und Spezifikation, da als Grundlage ausschließlich die Temperatur dient
- es sind keine Drosselventile erforderlich
- die Betriebskosten für die Pumpen sinken.
Inline-Pumpe mit smarten Algorithmen
Bei Inline-Pumpen TPE liegen Druck- und Saugstutzen geradlinig gegenüber, das vereinfacht die Rohrleitungsmontage. Die Trockenläuferpumpen sind in Blockausführung gefertigt und daher weit weniger empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Fördermedium als Nassläufer-Umwälzpumpen.
Mit intelligenten Regelungen und zahlreichen weiteren Funktionen kann die TPE3-Pumpe eine zentrale Rolle in Heizungs-, Klimatisierungs- und Wärmerückgewinnungsanlagen übernehmen. Zwei Funktionalitäten sind besonders interessant:
- AutoAdapt-Funktion: Anders als bei einer herkömmlichen elektronischen Regelung überprüft die Pumpe regelmäßig die Anlagenverhältnisse und passt die Proportionaldruck-Kennlinie selbsttätig an. Auch wenn die Anlagenverhältnisse nicht genau bekannt sind (etwa beim Austausch einer Bestandspumpe), passt die AutoAdapt-Funktion den Sollwert der Pumpe selbsttätig an.
- FlowAdapt-Funktion: Es ist dies eine kombinierte Funktion aus AutoAdapt und FlowLimit. Mit FlowLimit lässt sich ein Maximalwert für den Förderstrom vorgeben. Die Pumpe überwacht kontinuierlich den Förderstrom und verhindert ein Überschreiten des Maximalwerts.
Solche ‚E‘-Pumpen mit dem IE5-Höchsteffizienz-Motor fördern nicht einfach Medium von A nach B; vielmehr handelt es sich um Systemlösungen, die anspruchsvolle und komplexe Förderaufgaben mit minimalem Energieaufwand lösen.
Der MGE-Permanentmagnet-Motor der 3. Generation (Leistung: derzeit bis 11 kW) wurde speziell für den Pumpenbetrieb und eine optimierte Drehzahlregelung entwickelt und sichert mit der IE5-Klassifizierung eine ausgezeichnete Energieeffizienz.
Ausgestattet mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen sowie weiteren Schnittstellen kann der Betreiber passend zur jeweiligen Anwendung beim IE5-Antrieb eine Vielzahl integrierter Pumpenfunktionen nutzen. Die Spanne reicht von der einfachen Prozessregelung mit konstanten Parametern (Druck / Volumenstrom / Füllhöhe / Temperatur) bis hin zu komplexen Regelungen, die sich auf die individuellen Gegebenheiten einer Anlage selbst einstellen. Hinzu kommen Überwachungs- und Prozessfunktionen. Zudem können Hardware und Software an spezielle Anforderungen des Kunden angepasst werden (‚Customizing‘).
Fazit: Höchsteffiziente und integrierte Pumpen-Lösungen für die HVAC-Gewerke sichern nicht allein den kostengünstigen Betrieb. Kombiniert mit modernen Feldbus-Lösungen gewährleisten sie Transparenz hinsichtlich der Betriebsdaten und bieten damit die Möglichkeit zur Präventivwartung, was die Betriebssicherheit signifikant verbessert. Der Langzeiteffekt eines IE5-Motors darf auch nicht vergessen werden: Wer nur auf die Amortisation von 3, 5 oder 7 Jahren schaut der ignoriert vermutlich, dass effiziente Technik über den gesamten Lebenszyklus Jahr für Jahr weiter Kosten spart.
Thomas Gierlich, Sales Development Manager D-A, Grundfos GmbH, Erkrath.