Kälte hydraulisch entkoppelt strömen lassen

Forschungsarbeit für intelligente Gebäudesysteme erfordert bei Versuchen mit Wärme-/Kälteversorgung und Regelsystemen zuverlässige Messergebnisse. Im Forschungs- und Demonstrationsgebäude Fraunhofer-inHaus-Zentrum (Bild 1) führten laufende Hydraulikstörungen immer wieder zu fehlerhaftem Anlagenverhalten. Diese Beeinträchtigung der Forschungsarbeit veranlasste den Betreiber Fraunhofer-IMS zu einem Umbau des Kälteverteilsystems, das acht angeschlossene Kühlkreise versorgt. Die Kälteabgabesysteme waren vor der Umrüstung über einen konventionellen Stangenverteiler mit der Kälteerzeugung und einem Pufferspeicher gekoppelt.

Zwischen zwei Kühlperioden wurde der bestehende Verteiler durch ein für die Anlage projektiertes Zortström-Sammel- und Verteilsystem mit vier Temperaturstufen ersetzt. Die Optimierung der Anlagenhydraulik und eine damit einhergehende Verbesserung der Regelgenauigkeit waren die Hauptziele dieser Umbaumaßnahme.

Regelgenauigkeit setzt stabile Anlagenhydraulik voraus

Die im Fraunhofer-inHaus-Zentrum installierten Heizungs- und Kälteversorgungsanlagen dienen auch zur Durchführung von Versuchen. Der Versuchsbetrieb mit unterschiedlichen Lastsituationen führt zu laufenden Änderungen innerhalb der hydraulischen Systeme. Somit müssen die Verteilsysteme in der Lage sein, auf die Änderungen von Lastverhältnissen sowie Fördermengen und -höhen mit hoher Regelgenauigkeit zu reagieren. Die resultierenden Abweichungen der Betriebszustände verursachten innerhalb des Verteilsystems jedoch immer wieder hydraulische Fehlfunktionen.

Der geplante Umbau des Sammel- und Verteilsystems für die Kälteverteilung wurde im Rahmen eines kleinen Forschungsprojekts des Fraunhofer ISE untersucht. Gegenstand des Forschungsprojekts war die messtechnische Auswertung des Pumpenstrombedarfs für die Umwälzpumpen der Kälteverteilung vor und nach dem Umbau. Zu diesem Forschungsauftrag sah sich der Zortström-Erfinder Rembert Zortea veranlasst, da aufgrund von Beobachtungen an Anlagen, bei denen konventionelle Verteiler durch die Zortström-Technologie ausgetauscht wurden, merkliche Einsparungen beim Pumpenstromverbrauch festgestellt werden konnten. „Bei der Betrachtung der Strömungsverhältnisse zwischen benachbarten Verteilerabgängen muss davon ausgegangen werden, dass durch die Pumpen entsprechende Strömungs- und Druckverhältnisse um die Verteilerabgänge herrschen – vereinfacht ausgedrückt, können sich im balkenförmigen Verteiler die Pumpen gegenseitig das Wasser absaugen. Durch das geringe Wasservolumen in konventionellen Verteilern können die unterschiedlichen Druckverhältnisse nicht ausgeglichen werden, während bei der Zortström-Technologie die Kreise hydraulisch entkoppelt werden“, beschreibt Rembert Zortea die Unterschiede zwischen den beiden Verteilerbauarten.

Messdaten-Vergleich über zwei Kühlperioden

Um für die Messungen des Pumpenenergieaufwands eine ausreichend breite Datenbasis zu erhalten, erstreckte sich die Untersuchung auf die drei Haupt-Kühlkreise des Fraunhofer-inHaus-Zentrums. Im Energiekonzept des Gebäudes sind unterschiedliche Kälteabgabesysteme integriert. Die drei hydraulischen Kreise für thermoaktive Betonkerntemperierung, Kühldecken sowie die Umluftkühlung für einen Serverraum weisen unterschiedliche hy­draulische Eigenschaften auf und werden mit verschiedenen Systemtemperaturen betrieben. Die vorhandenen Umwälzpumpen für die jeweiligen Kreise wurden unverändert weiterverwendet. Die Pumpen für die Kältekreise für Kühldecken und EDV-Umluftkühlung arbeiten jeweils mit einer Nennleistung von 310 W; die Betonkernaktivierung wird über eine Umwälzpumpe in der Dimension DN 80/100 mit 1,55 kW Nennleistung versorgt. Für die Untersuchung wurden damit die drei Kreise mit den leistungsstärksten Pumpen ausgewählt. Die Wärme- und Kälteversorgung im Fraunhofer-inHaus-Zentrum ist mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet. Ein Monitoringsystem ermöglichte die genaue Erfassung der elektrischen Leistungsaufnahmen aller Erzeuger- und Verbraucherkreispumpen. Um den Vorher-Nachher-Zustand vergleichen zu können, wurden sowohl in der Kühlperiode vor dem Umbau als auch in der nächsten Kühlperiode nach der Umrüstung auf Zortström die Messdaten erfasst, aufbereitet, analysiert und ausgewertet. Als zusätzliche Datenpunkte standen auch die in der GLT vorgegebenen Soll-Förderhöhen zur Verfügung.

Zur Darstellung und Interpretation der Mess­ergebnisse für die beiden Verteilersysteme wurden durch die verantwortlichen Mitarbeiter des Fraunhofer ISE die relevanten Betriebspunkte der Umwälzpumpen für Förderhöhe und Volumenstrom im zum Typ gehörenden Pumpenkennfeld der Herstellerunterlagen eingetragen. Dafür wurden zunächst die relevanten Betriebspunkte aus eingestellter Förderhöhe und gemessenem Volumenstrom gemäß deren Häufigkeitsverteilung im Kennfeld der jeweiligen Pumpen dargestellt. Um einen genauen Vergleich zu ermöglichen, mussten die erfassten Werte im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Lastsituationen und Betriebszuständen der beiden Kühlperioden interpretiert werden. Die durchgeführten Untersuchungen beziehen sich daher auf gemessene Nennbetriebspunkte, bei denen vergleichbare Randbedingungen herrschten.

Hydraulische Entkopplung vermindert benötigte Förderleistung

Für den Kühlkreis „Betonkerntemperierung“ zeigen sich im Vorher-Nachher-Vergleich deutliche Veränderungen in den Betriebspunkten (Bild 2): Bei gleichen Volumenströmen reichen nach der Umrüstung auf Zortström deutlich geringer eingestellte Förderhöhen aus, um die Druckverluste in diesem Kühlkreis zu überwinden. Diese Verringerung der Druckverluste in der Verteiler-Durchströmung ist auf das deutlich größere Verteilervolumen des Zortström-Verteilers (Bild 3) im Verhältnis zum vorher eingebauten balkenförmigen Verteiler zurückzuführen.

Für die Betriebspunkte mit der höchsten Häufigkeit konnte die Förderhöhe um 2 m bzw. 33 % reduziert werden. Nach dem Umbau erlaubt die Anlagenhy­draulik außerdem einen um 4 m³/h bzw. 36 % höheren Volumenstrom. Bei der Auswertung der Vergleichsdaten für alle drei der untersuchten Kühlkreise ergeben sich unter Nennbedingungen rechnerische Einsparungen der elektrischen Pumpenleistungen von 26, 24 und 42 %. Die erzielten Einsparungen resultieren aus den im Gesamtsystem reduzierten Druckverlusten nach der Umrüstung auf das Zortström-Sammel- und Verteilsystem.

Die Unterschiede zwischen konventionellen Verteilern und dem Zortström-Sammel- und Verteilsystem werden nach Informationen des Herstellers am deutlichsten sichtbar, wenn die Verteilerabgänge mit drehzahlgeregelten Umwälzpumpen ausgerüstet sind: „In konventionellen Verteilern bilden sich Unterdruckzonen zwischen den benachbarten Verteilerabgängen. Diese zwingen die Umwälzpumpen zu höheren Leistungen, um durch die höheren Druckdifferenzen die angeschlossenen Kältekreise mit den geforderten Volumenströmen zu versorgen“, so die Erläuterung der Zortea Gebäudetechnik GmbH. Weil der behälterförmige Aufbau eines Zortström-Verteilers (Bild 4) mit den drei Funktionen Verteiler/Sammler, Hydraulische Weiche und Puffer eine hydraulische Entkopplung bewirke, benötigten die Pumpen nur die Leistung zur Umwälzung der Massenströme in ihrem jeweiligen Kühlkreis.