Der Verteiler als neuralgischer Punkt

Mit Einführung der ErP-Richtlinie für energieverbrauchsrelevante Produkte (Ökodesign-Richtlinie) hat die EU-Kommission das Aus für ineffiziente und ungeregelte Umwälzpumpen erklärt. Ein Kernelement der Richtlinie sind die Effizienzklassen für Elektromotoren im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW [1]. In diesen Bereich fallen zahlreiche Pumpenmotoren für den Antrieb von Umwälzpumpen in großen Kälteanlagen. Von energieeffizienten Pumpenmotoren profitieren vor allem die Betreiber von Kälteanlagen, da diese Produkte für einen geringeren Pumpenstromverbrauch sorgen und damit die Energiekosten senken.

Der Einsatz von hocheffizienten und drehzahlgeregelten Umwälzpumpen bewirkt in Kälteanlagen eine bedarfsgerechte Leistungsanpassung, so dass damit bereits der Energieverbrauch in der Kälterverteilung wie auch in der Kälteerzeugung gesenkt werden kann. Durch energieeffiziente Pumpenantriebe reduziert sich darüber hinaus der Pumpenstromverbrauch noch zusätzlich. In den Kältesystemen großer Gebäude und Industriebetriebe verbergen sich somit hohe Einsparpotenziale in der Anlagenhydraulik. Insbesondere für bestehende Anlagen kann sich eine Erneuerung der Pumpen in kurzer Zeit amortisieren, wenn im Bestand überdimensionierte und ungeregelte Pumpen das Kältemedium ineffizient transportieren.

Energieeinsparung hängt auch von der Anlagenhydraulik ab

Mit dem Austausch drehzahlgeregelter und effizienter Pumpen allein kann jedoch die angestrebte Energieeinsparung nicht zwangsläufig gewährleistet werden. Ein energieeffizienter Anlagenbetrieb ist generell auch von der Anlagenhydraulik abhängig. Und hierbei zeigt sich insbesondere beim Austausch vorhandener Umwälzpumpen gegen drehzahlgeregelte Hocheffizienzpumpen eine allgemeine Eigenheit hydraulischer Systeme, die häufig außer Acht gelassen wird. In vielen Fällen bleibt die erwartete Pumpenstrom-Einsparung nach dem Austausch der Umwälzpumpen aus – obwohl die Pumpenhersteller erhebliche Anstrengungen unternommen haben, damit die heute am Markt verfügbaren Produkte und deren Antriebe die gemäß ErP-Richtlinie vorgegebene Energieeffizienz erfüllen oder sogar übertreffen. Beobachtungen haben gezeigt, dass in vielen Anlagen nach dem Pumpentausch die elektrische Leistungsaufnahme der Pumpen trotz modernster Technologie erheblich zunimmt – und sich teilweise sogar mehr als verfünffacht. Bei Pumpen mit digitaler Watt-Anzeige lässt sich der Anstieg der Leistungsaufnahme direkt ablesen.

Die Ursache liegt somit nicht etwa in der Auswahl der Pumpen, sondern in einem grundlegenden hydraulischen Problem am Punkt der Verteilung: Die hydraulischen Eigenschaften konventioneller, balkenförmiger Verteilsysteme bewirken, dass durch die unterschiedlichen Massenströme Strömungsstörungen zwischen den einzelnen Verteilerabgängen entstehen. Dies führte bislang auch bei ungeregelten Umwälzpumpen dazu, dass sich die Pumpen an den Verteilerabgängen gegenseitig beeinflussen. Allerdings wurde dies in den meisten Fällen nicht bemerkt, da ungeregelte Umwälzpumpen häufig ohnehin zu groß ausgelegt waren oder auf einer unnötig hohen Drehzahlstufe betrieben wurden. Werden nun die bestehenden Pumpen gegen moderne drehzahlgeregelte Pumpen getauscht, reagieren die Pumpenregelungen auf die Druckunterschiede. Den entstehenden Druckabfall gleichen die Pumpen durch Anhebung des Förderdrucks aus. Die Folge ist, dass für den Transport der Massenströme unnötig viel Pumpenstrom verbraucht wird. Dies wirkt der angestrebten Energieeffizienz, die mit dem Einsatz von hocheffizienten Umwälzpumpen angestrebt wurde, praktisch diametral entgegen.

Hydraulikstörungen in Kälteverteilungen

Bei nebeneinander liegenden Verteilerabgängen können sich abhängig von den jeweiligen Massenströmen Unterdruckzonen bilden, die dazu führen, dass sich die Pumpen bei automatischer Drehzahlanpassung gegenseitig „hochschaukeln“. Besonders gravierend ist diese Auswirkung in Kälteverteilungen, wo durch die oftmals geringen Spreizungen eine hohe Temperaturgenauigkeit nötig ist. Ein Beispiel ist die Kälteverteilung im Forschungsobjekt inHaus-Zentrum in Duisburg, wo zu Forschungszwecken an Konzepten und Lösungen für den Nutzimmobilienbereich gearbeitet wird. In der Energiezentrale des inHaus-Zentrums hatten laufende Hydraulikstörungen zu fehlerhaften Regelfunktionen und Messergebnissen geführt. Um die Hydraulik sowohl zu optimieren als auch zu vereinfachen, wurde die vorhandene Kälteverteilung durch die Zortström-Technologie ersetzt [2].

Das eingesetzte Zortström-Sammel- und Verteilsystem mit vier Temperaturstufen entkoppelt die Massenströme und eliminiert Fehlflüsse. Durch die behälterförmige Bauweise und das Verteilervolumen des Zortström wirkt dieser als hydraulischer Nullpunkt, so dass sich die Pumpenförderströme nicht mehr gegenseitig überlagern können. Erreicht werden konnte durch diese Maßnahme auch, dass die im inHaus-Zentrum zu Forschungszwecken eingebauten Regelventile wie vorgesehen mit verschiedenen Temperaturen die jeweiligen Kreise versorgen können. Die optimierte Hydraulik unterstützt die Forschungsarbeiten in der Weise, dass zum Beispiel Temperaturunterschiede simuliert werden können.

Ausgeglichene Anlagenhydraulik

Das Prinzip der hydraulischen Entkopplung optimiert nicht nur die Anlagenhydraulik, sondern reduziert auch den Stromverbrauch für den elektrischen Antrieb der Umwälzpumpen. Beim Einsatz von Pumpentypen mit digitaler Anzeige der Leistungsaufnahme an den Abgängen von Zortström-Verteilern zeigt sich, dass die benötigte Pumpenleistung häufig nur im einstelligen Watt-Bereich liegt. Der Einspareffekt entsteht dadurch, dass die Pumpen nur die Leistung zur Umwälzung der Massenströme in ihrem jeweiligen Heiz- oder Kühlkreis benötigen. Mit konventionellen Verteilersystemen müssen die Pumpen dagegen zunächst die Umwälzleistung ausgleichen, die durch Überlagerung mit den Pumpenförderströmen der benachbarten Kreise abgezogen wird. „Durch die Zortström-Technologie strömt in den angeschlossenen Kreisen unabhängig von den tatsächlichen Pumpenleistungen nur der Volumenstrom, der aufgrund der Auslegung für die zugrunde gelegte Temperaturdifferenz nötig ist“, erklärt Rembert Zortea aus Hohenems in Vorarlberg/Österreich, Entwickler und Hersteller des mit Innovations- und Umweltpreisen ausgezeichneten Zortström-Sammel- und Verteilsystems. Unter dieser Voraussetzung ließe sich mit drehzahlgeregelten Umwälzpumpen auch die erwartete Reduzierung des Pumpenstromverbrauchs erzielen.

Quellen