Das Kühlwassernetz der Technischen Universität Kaiserslautern erstreckt sich über das gesamte Hochschulgelände, das als solches die Ausmaße eines ganzen Stadtteils einnimmt. Die Kälteversorgung für alle Gebäude der Universität sitzt zentral im Gebäude 20, der Energiezentrale für Kälte, Heizung, Elektro- und Druckluftversorgung. Von dort wird das Klimakaltwasser durch eine Fernleitung in der Rohrdimension DN 400 über unterirdische Kanäle verteilt. Die großen Kälteabnehmer benötigen die Kühlleistung ganzjährig. Dazu zählt zum Beispiel das Physik-Gebäude 46, wo Kälte für Versuche zur Verfügung stehen muss und die Räume über die Lüftung gekühlt werden.
Ganzjährig benötigt auch die Mensa Kälte für die Kühlhäuser; ein weiterer Großverbraucher ist das regionale Hochschulrechenzentrum Kaiserslautern (RHRK), das rund zehn Prozent der gesamten Kühlleistung beansprucht. Während der Sommermonate kommt noch der Kühlbedarf für die übrigen Lehr- und Verwaltungsgebäude hinzu. Insgesamt steht damit bei Spitzenbedarf eine Kälteleistung von rund 5 MW an.
Konstante Kühlleistungen bei schwankendem Leistungsbedarf
Die im Jahr 1979 installierten Pumpen für den Kühlwassertransport zwischen den Kaltwassersätzen und Rückkühlwerken standen nach 30 Jahren Betriebszeit zur Modernisierung an. Mit dem Austausch der Pumpen sollte auch der Betrieb der Pumpen so optimiert werden, dass die vier parallel betriebenen Pumpen die Förderleistung automatisch an veränderte Betriebsbedingungen anpassen. Der Kühlwasserkreislauf zwischen Kühlwasserpumpen und Rückkühlwerken muss eine konstante Vorlauftemperatur von 20 °C bereitstellen; die Rücklauftemperatur bewegt sich in einer geringen Schwankungsbreite zwischen 25 und 30 °C. Zusammen mit dem Austausch der Pumpen wurde eine Pumpendrehzahlregelung nachgerüstet, um einen bedarfsgerechten und energieoptimierten Betrieb der Kühlwasserpumpen zu erreichen. Das installierte Mehrpumpen-Regelsystem Hyamaster ermöglicht den stufenlosen Betrieb aller vier Pumpen und darüber hinaus den kombinierten Betrieb untereinander.
Vor der Umrüstung konnten nur zwei der vier Pumpen geregelt werden, für die anderen beiden Pumpen war nur Ein oder Aus als Betriebsweise möglich, sagt Dipl.-Ing. (FH) Steffen Lelle, Abteilungsleiter Versorgungsmanagement in der Hauptabteilung Bau, Technik, Energie der Technischen Universität Kaiserslautern. Wurden also beispielsweise nur zehn Prozent der Leistung einer Pumpe zusätzlich benötigt, arbeitete die zugeschaltete Pumpe auf voller Förderleistung und verursachte damit einen unnötig hohen Pumpenstromverbrauch.
Großes Einsparpotenzial durch Drehzahlanpassung
Jede der vier Kühlwasserpumpen verfügt über eine Antriebsleistung von 30 kW und fördert zwischen 200 und 340 m³/h. In dieser Größenordnung haben die Stromkosten für den Pumpenantrieb einen erheblichen Anteil an den Energiekosten. In der Reduzierung des Pumpenstrombedarfs liegt damit ein hohes Einsparpotenzial besonders in Kälteanlagen. Zum Vergleich: Während sich in Heizsystemen der Pumpenstromverbrauch auf etwa drei bis sieben Prozent des gesamten Primärenergiebedarfs summiert, liegen in großen Kälteanlagen die Kosten für den Pumpenstrom oft sogar auf gleicher Höhe mit den Energiekosten für die Kälteerzeugung. Das Einsparpotenzial für den Pumpenstromverbrauch ist durch das Verhältnis von der hydraulischen Förderenergie zur aufgenommenen elektrischen Antriebsenergie des Pumpenmotors gegeben.
Für den Pumpenstromverbrauch gilt in diesem Zusammenhang, dass sich nach der Gleichung P2 = P1 (n2/n1)³ die aufgenommene elektrische Leistung P in dritter Potenz zur Pumpendrehzahl n verhält. Als Faustformel gilt hierbei, dass die Halbierung der Drehzahl die benötigte Antriebsenergie auf rund ein Achtel vermindert.
Bedarfsgerechter Pumpenbetrieb
Neben der Einsparung elektrischer Energie war auch die Ausfallsicherheit ein maßgebendes Kriterium für die Investition in das Pumpenregelsystem, berichtet Erhard Lickteig vom Landesbetrieb Liegenschafts- und Baubetreuung Rheinland-Pfalz (LBB), der als Fachplaner die Gebäudetechnik der Technischen Universität Kaiserslautern mit ihren stetig gewachsenen Strukturen seit 36 Jahren kennt. Durch das dezentrale Regelsystem kann auch während Umbaumaßnahmen der Pumpenbetrieb unabhängig von einer zentralen Steuerung erfolgen. Die Elektroversorgung für die vier Kühlwasserpumpen und die Hyamaster-Pumpenregelung ist aus diesem Grund direkt an die Trafostation des Universitätsgeländes angeschlossen.
Die Pumpentechnik muss in der Lage sein, auf unterschiedliche Leistungsanforderungen selbsttätig zu reagieren, erklärt Erhard Lickteig weiter. Das fertig im Schaltschrank verdrahtete Mehrpumpenregelsystem Hyamaster dient nach Informationen des Herstellers KSB zum Regeln, Steuern und Überwachen von hydraulischen Systemen. Die Pumpendrehzahl wird über Frequenzumrichter dem jeweils momentanen Bedarf angepasst.
Durch die Drehzahlanpassung arbeiten die Pumpen stets im optimalen Wirkungsgradbereich, so dass sich dadurch für den Anlagenbetreiber die Betriebs- und Instandhaltungskosten etwa um die Hälfte reduzieren, sagt Dipl.-Ing. (FH) Christian Stibitz, der als Verkaufsbeauftragter bei KSB die Technische Universität Kaiserslautern betreut. Neben dem reduzierten Energieverbrauch zahle sich die Investition durch den bedarfsgerechten Pumpenbetrieb auch in einem geringeren Wasserverbrauch in den Rückkühlwerken aus.
Anpassung der Pumpendrehzahl über verschiedene Regelgrößen
Eine dem Kältesystem übergeordnete, mit der Gebäudeleittechnik kommunizierende Regelung liefert der im Hyamaster-System integrierten SPS-Steuerung die Signale zur Anpassung der Pumpendrehzahlen. Um die Kühlwassertemperaturen konstant zu halten, orientiert sich die Regelung dabei am Differenzdruck (Δp), der im Rücklauf zu einem der vier Kaltwassersätze als hydraulischer Schlechtpunkt definiert wurde. Wird eines der Rückkühlwerke dazugeschaltet, registriert die Pumpenregelung den Druckabfall und passt die Förderleistung entsprechend an, erläutert Steffen Lelle als Beispiel. Neben dem Differenzdruck können dem Hyamaster-System auch andere Regelgrößen wie Druck, Förderstrom, Temperatur oder Differenztemperatur zugewiesen werden. Das Pumpenregelsystem sorgt außerdem für einen abwechselnden Betrieb der vier Pumpen, um eine gleichmäßige Auslastung der Pumpen sicherzustellen und damit einseitigem Verschleiß vorzubeugen.
Der Hersteller des Pumpenregelsystems hatte an der Systemplanung für die Regelung der vier Kühlwasserpumpen mitgewirkt, so dass sich der Zeitaufwand für die Inbetriebnahme auf ein Minimum reduzierte. Bei einem Ausfall der übergeordneten Regelung hat der Anlagenbetreiber zusätzlich die Möglichkeit, zwei der vier Pumpen von Hand zu regeln. Das Mehrpumpenregelsystem Hyamaster ist für Anlagen mit bis zu vier Pumpen konzipiert, wobei wie in diesem Anwendungsbeispiel auch der Betrieb unterschiedlicher Pumpen-Baugrößen über das Regelsystem möglich ist. Für den Anlagenbetreiber ermöglicht Hyamaster außerdem die Fernabfrage von Betriebszuständen, so dass beispielsweise Werte wie die aktuelle Förderleistung über die Gebäudeleittechnik am PC kontrolliert werden können.
Durch die Modernisierungsmaßnahmen mit dem Austausch der Pumpen und der nachgerüsteten Pumpenregelung ist die Kühlwasseranlage jetzt auf dem aktuellen Stand der Technik, resümiert LBB-Fachplaner Erhard Lickteig. -
Objektdaten TU Kaiserslautern
Technische Universität Kaiserslautern, https://rptu.de/
Anlagenplanung: Landesbetrieb Liegenschafts- und Baubetreuung (LBB), Sparte Versorgungstechnik, Kaiserslautern; http://www.lbbnet.de
Ausführung der TGA-Installation: Rauh GmbH Heizung, Klima, Sanitär, MSR-Technik, Kunden-dienst, Worms; https://www.kaeuffer.de/kontakt/worms/standort-rauh/
Hersteller Pumpen und Pumpenregelsystem: KSB Aktiengesellschaft, Frankenthal;http://www.ksb.de
Pumpentechnik für die Kühlwasserversorgung: 4 x Normpumpen Typ KSB G 150 315 G10, Fördermenge: 200 340 m³/h, Förderhöhe: 25 m; Mehrpumpenregelsystem: KSB Hyamaster
Wolfgang Heinl
freier Fach- und PR-Journalist für SHK und Gebäudetechnik, Wangen/Allgäu
