Der Anteil der Klimatisierung am Energiebedarf steigt beständig. Denn unsere Komfortansprüche wachsen, hingegen sinkt die Heizlast sowohl neuer als auch sanierter Gebäude. Während die Energiesparverordnungen immer mehr Wert auf die Wärmedämmung legen, vergrößern die Architekten gleichzeitig die Glasflächen. Und immer bessere U-Werte halten die Wärme im Gebäude – auch im Sommer.
Für Planer der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) größerer Gebäude sind elektrisch betriebene dezentrale Klimageräte eher keine Option – hoher Stromverbrauch, Emission von Kältemittel in die Umwelt. Sie werden allenfalls noch als Sonderlösung für einzelne Räume gewählt. Raumlufttechnische Lösungen wie adiabate Rückkühler, Kühlregister in der Lüftungsanlage entsprechen ebenso wie die Thermoaktivierung von Bauteilen, zum Beispiel Flächenkühlung und Betonkernaktivierung, dem Stand der Technik. Für solche Systeme offeriert die Industrie entsprechend konzipierte Kühlwasserpumpen: Norm- und Blockpumpen, mehrstufige vertikale Hochdruckpumpen und Inline-Pumpen.
Moderne Pumpen benötigen in der Spitze bis zu 80 Prozent weniger elektrische Antriebsenergie als ältere Aggregate. Das ist im Wesentlichen auf drei Punkte zurückzuführen:
Permanentmagnetmotor: Solche Motoren haben einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Modelle.
Drehzahlregelung über Frequenzumrichter: Drehzahlgeregelte Pumpen arbeiten sparsamer: Da die Leistungsaufnahme einer Kreiselpumpe nach dem Affinitätsgesetz mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, macht sich eine unnötig hohe Pumpendrehzahl beim Energieverbrauch bemerkbar.
Korrekte Sollwert-Einstellung: Bei jeder Drehzahlregelung ist der Sollwert korrekt einzustellen, ansonsten arbeitet die Pumpe zwar geregelt, aber möglicherweise auf zu hohem oder zu niedrigem Drehzahlniveau.
Fallbeispiel für intelligente Pumpenregelung
Das Energiekonzept einer Messehalle muss berücksichtigen, dass über das Jahr gesehen die Lastzustände extrem schwanken – während einer Ausstellung wird von der Technik das Maximum gefordert, zu anderen Zeiten geht der Bedarf gegen Null. Die Planer einer neuen Messehalle legten deshalb fest, dass jede Pumpe drehzahlgeregelt ausgeführt sein muss. Dadurch ist in allen Lastzuständen der energieeffiziente Betrieb der Pumpen gewährleistet.
Das Optimieren geht noch weiter – jede Wärme-/Kälteversorgung steht auf drei Säulen: Erzeugung, Verteilung und Verbrauchsgruppe. Umwälzpumpen versorgen jeden dieser Kreisläufe mit dem entsprechenden Medium. Die Philosophie der Planer war, nicht zu viele Unterstrecken aufzubauen, denn je mehr Pumpen involviert sind, desto höher ist der Primärenergiebedarf, der Aufwand für Wartung und Instandhaltung wächst. Durch ein Regelungs- und Steuerungskonzept mit „kommunizierendem Frequenzumformer“ wurde erreicht, dass die gesamte Kälteversorgung mit weniger Pumpen auskommt. In Anlagenbereichen mit geteilten Volumenströmen kommuniziert die Regelung über zwei Frequenzumformer die jeweilige Pumpendrehzahl so, dass jede Pumpe energieoptimal an ihrem Wirkungsgrad-Bestpunkt arbeitet. Die Zuschaltung der einzelnen Pumpen funktioniert wirkungsgrad-bestpunkt-abhängig über den Volumenstrom. Die Primärpumpen an den 16 Unterstationen fielen komplett weg.
Produktbeispiel: Inline-Pumpe TPE3
Trockenläuferpumpen sind weniger medientemperaturabhängig als Nassläuferpumpen und leichter auf das Fördermedium abzustimmen. Die Inline-Pumpe TPE3 von Grundfos ist solch ein Trockenläufer. Sie kombiniert eine hohe Motor-Energieeffizienz mit der Effizienz einer optimierten Hydraulik und zwar über dem Industriestandard: Während der gesetzlich geforderte Mindesteffizienzindex (MEI) derzeit bei ≥ 0,40 liegt, erreicht die TPE3 einen MEI-Wert von ≥ 0,70.
Die Pumpe verfügt zudem über intelligente Funktionen. Beispielsweise ist sie mit einem integrierten Wärmemengenzähler ausgestattet, der in Verbindung mit einem Temperatursensor im Rücklauf die Verteilung und den Verbrauch der Wärmeenergie überwacht. Dazu erfasst die Pumpe mit Hilfe des integrierten Sensors den Energieverbrauch auf Basis des Nennförderstroms. Auch die Art der Pumpen-Regelung kann unter mehreren Varianten ausgewählt werden, somit passt sich die TPE3 der jeweiligen Anforderung an. Zwei Regelungsarten sind dabei hervorzuheben: AutoAdapt und FlowAdapt. Was steckt dahinter?
AutoAdapt-Funktion: Anders als bei einer herkömmlichen elektronischen Regelung überprüft die Pumpe regelmäßig die Anlagenverhältnisse und passt die Proportionaldruck-Kennlinie selbsttätig an. Das macht sie selbst dann, wenn die Anlagenverhältnisse nicht genau bekannt sind, etwa beim Austausch einer Bestandspumpe.
FlowAdapt-Funktion: Dies ist 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.
Bei Anlagen mit mehreren Kältemaschinen gibt es eine interessante Anwendung für die Differenzdruckregelung. Jede Kältemaschine ist in der Lage, bei einem definierten Durchfluss eine definierte Abkühlung des Mediums zu erreichen. Wird nun eine ungeregelte Zubringerpumpe verwendet und nur eine Maschine im Teillastfall benutzt, sind die Druckverluste in den gemeinsamen Rohrleitungen geringer und die Durchflussmenge durch die letzte verbleibende Maschine steigt. Da die Kältemaschine nun von mehr Wasser durchflossen wird, aber ihre Kälteleistung nicht zunehmen kann, wächst die Vorlauftemperatur des Mediums. Ein Luftkühler ist dabei nicht mehr in der Lage, eine gezielte Entfeuchtung zu bewerkstelligen. Bisher wurde dieses Problem mit dynamischen Volumenstrombegrenzern gelöst. Diese stellen jedoch nicht mehr als eine energetisch ungünstige Drosselung dar.
Ein Konstanthalten des Differenzdrucks über jeder Kältemaschine löst dieses Problem und spart dabei Energie. TPE3-Pumpen beherrschen diese Regelungsart. Für den Anschluss an Systeme der Gebäudeautomation sorgen Module, die sich direkt in den Klemmenkasten des Motors einstecken lassen.
