Die Versorgung mit Kälte erfordert einen hohen Aufwand an elektrischer Energie. In großen Kälteversorgungsnetzen verursacht der Transport der Kälteenergie zusätzlich einen hohen Stromverbrauch für den Antrieb der Umwälzpumpen. Ein großes Einsparpotenzial liegt deshalb in der bedarfsgerechten Anpassung der Pumpenleistung – besonders dann, wenn Pumpen mit großen Antriebsleistungen vorhanden sind.
In Kältesystemen zahlt sich die Leistungsanpassung in besonderem Maße aus: Während sich in Heizsystemen der Pumpenstromverbrauch auf 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. Der Betrieb eines Kältesystems mit leistungsgeregelten Umwälzpumpen reduziert nicht nur den Verbrauch an elektrischer Antriebsenergie, sondern optimiert auch den gesamten Anlagenbetrieb.
Reduzierung des Pumpenstromverbrauchs mit Drehzahlregelung
Für eine bedarfsgerechte Leistungsanpassung von Umwälzpumpen gilt inzwischen eine stufenlose Pumpendrehzahlregelung als Stand der Technik. Drehzahlregelsysteme registrieren fortlaufend Laständerungen und passen die Förderleistung dem tatsächlichen Bedarf an. Ein Beispiel für die Wirkungsweise ist die von KSB entwickelte Pumpendrehzahlregelung PumpDrive: Re-duziert sich im Kältesystem die Kühllast und drosseln deshalb Regelventile den Volumenstrom, registriert PumpDrive aufgrund der reduzierten Fördermenge einen Druckanstieg.
Daraus wird in Abhängigkeit vom Solldruck die benötigte Förderleistung errechnet und die Drehzahl der Pumpe entsprechend angepasst. Steigt der Verbrauch wieder an, reagiert die Drehzahlregelung auf den daraus resultierenden Druckabfall und erhöht die Pumpenleistung. Bei stark schwankendem Förderstrom sichert eine sogenannte dynamische Druckkompensation“ den konstanten Druck bei den Verbrauchern. Dies wird erreicht, indem die Druckverluste in den Rohrleitungen in den Sollwert mit einbezogen werden.
Das Einsparpotenzial bei den Betriebskosten für den elektrischen Antrieb der Pumpen beträgt bis zu 60 Prozent. Eine stufenlose Drehzahlregelung lässt auch sehr kleine Volumenströme zu, beispielsweise in Schwachlastzeiten. Damit lassen sich vor allem hydraulisch sensible Systeme wie Flächenkühlung oder thermische Bauteilaktivierung effizient und regelgenau betreiben.
Neben der Energieeinsparung bewirkt eine stufenlose Drehzahlregelung durch einen sanft geregelten Pumpenanlauf und die verminderte Zahl von Start-/Stopp-Vorgängen auch die mechanischen Belastungen für die Pumpen.
Die Pumpendrehzahlregelung PumpDrive ist unabhängig vom Motorfabrikat einsetzbar und kann direkt am Motorgehäuse oder an einer anderen beliebigen Stelle montiert werden. Für eine auf Energieoptimierung ausgerichtete Pumpensteuerung sind keine zusätzlichen, separaten Regelungskomponenten erforderlich. So kann die Regelung aller im Objekt vorgesehenen Pumpen mit einem einheitlichen Regelsystem bewerkstelligt werden. Das Drehzahlregelsystem ist zudem busfähig und unterstützt die Übertragungsprotokolle LON, Modbus und Profibus.
Zusätzliche Stromeinsparung durch spezielle Pumpenmotoren
Umwälzpumpen für Anlagen zur Gebäudekühlung oder für prozesstechnische Anwendungen werden für den Lastfall ausgelegt, der sich auf ihrer Pumpenkennlinie als Schnittpunkt der jeweils maximal benötigten Förderleistung und Förderhöhe ergibt. Kälte- und Kühlkreisläufe arbeiten jedoch nur selten auf Volllast; ein Großteil der Jahresbetriebsstunden entfällt auf den Teillastbetrieb.
Die Pumpendrehzahlregelungen passen zwar die Förderleistung dem momen-tanen Leistungsbedarf an, dafür arbeiten die Pumpenantriebe bei Teillast jedoch außerhalb ihres optimalen Betriebspunktes und somit in einem ungünstigen Wirkungsgradbereich. Eine grundlegende Schwäche konventioneller Asynchron-Elektromotoren ist, dass sie ihren besten Wirkungsgrad nur innerhalb eines schmalen Bereichs um den Betriebspunkt herum erzielen. Über diesen Bereich hinaus fällt der Wirkungsgrad stark ab.
Diese Eigenschaft hat einen erheblichen Einfluss auf die Stromrechnung für den Pumpenbetrieb. Das seit über 100 Jahren bewährte Prinzip des Asynchronmotors wird auch für Pumpenantriebe eingesetzt. Diese Motorenbauart kann jedoch die aktuellen und künftigen Anforderungen an die Energieeffizienz kaum mehr erfüllen.
Für eine zusätzliche Pumpenstromeinsparung sorgt der Antrieb mit den von KSB entwickelten SuPremE-Pumpenmotoren. Die Motorentechnik basiert auf dem Prinzip des Synchron-Reluktanzmotors. Zu den wichtigsten Eigenschaften dieser Motorenbauart zählt hoher Wirkungsgrad im Teillastbetrieb. Der Pumpenmotor eliminiert eine grundlegende Schwäche konventioneller Elektromotoren, die ihren besten Wirkungsgrad nur innerhalb eines schmalen Bereichs um den Betriebspunkt herum erzielen. Über diesen Bereich hinaus fällt bei Asynchronmotoren der Wirkungsgrad stark ab.
Der Synchron-Reluktanzmotor behält dagegen auch im niedrigen Teillastbetrieb seinen hohen Wirkungsgrad bei. Der SuPremE-Motor behält im Vergleich zum Asynchronmotor einen Nominalwirkungsgrad bis 95 Prozent bei. Praxiserfahrungen zeigen, dass mit dem Austausch vorhandener Pumpenmotoren gegen Synchron-Reluktanzmotoren beim Pumpenstromverbrauch deutliche Einsparungen erzielbar sind. Die minimierte Verlustleistung bedeutet zugleich eine geringere Wärmeentwicklung des Aggregats, wodurch sich Lebensdauer der mechanischen Teile verlängert.
Staatliche Feuerwehrschule Würzburg, Neubau Energiezentrale
Die Bauweise einer für Brandübungen erbauten Simulationshalle zeigt für die Planung der technischen Gebäudeausrüstung typische Merkmale einer Sondernutzung. Die Kühllast für die Simulationshalle wird durch die EDV-Anlage bestimmt, die zur Steuerung der Brandsimulationen wie Lichteffekten und künstlichem Brandrauch dient. Das Kältesystem wird mit einer Systemtemperatur von 6/12 °C betrieben. Die Kälteverteilung für die Gebäude der Feuerwehrschule ist dafür ausgelegt, die stark schwankenden Kühllasten bedarfsgerecht und ohne unnötigen Energieverbrauch zu decken. Diese Aufgabe übernehmen KSB-Inlinepumpen der Baureihe Etaline, die über wandmontierte PumpDrive“-Pumpendrehzahlregelungen betrieben werden.
easyCredit-Haus Nürnberg, Kälteversorgung für Kühldecken in räumlich nicht geteilten Zonen
Das dreigeschossige Gebäude wird über Deckenelemente beheizt und gekühlt. Der jeweilige Heiz- und Kühlbedarf wird durch zusätzliche Faktoren wie Sonnen-einstrahlung und innere Wärme-lasten wie die Abwärme von Computern beeinflusst. Das Anlagensystem muss deshalb schnell auf veränderte Lastsituationen reagieren können. Die Versorgung der Kühldecken und der EDV-Kühlung mit Klimakaltwasser, die für eine Spreizung von 3 K (16/19 °C) ausgelegt ist, stellt hohe Anforderungen an die Temperaturgenauigkeit. Für einen stromsparenden Pumpenbetrieb mit hohen Wirkungsgraden, auch im Teillastbetrieb, sorgen die Pumpenmotoren SuPremE.
Wolfgang Heinl,
Redaktionsbüro für Gebäude- und Energietechnik, Wangen im Allgäu
