Drehzahlgesteuerte Pumpen

Heizungspumpen(Nassläufer) dürfen entsprechend EU-Richtline „ Verordnung (EG) 641/2009 ab dem 1. Januar 2013 seitens der Pumpenhersteller nur noch als Hocheffizienzpumpen in Verkehr gebracht werden.Mit diesen Pumpen kann ein wesentlicher Beitrag zur Energieeinsparung geleistet werden. Dazu ist jedoch ein höherer technischer Aufwand verbunden mit höheren Anschaffungskosten notwendig. Eine Amortisation des eingesetzten Kapitals kann (entsprechend der niedrigeren Betriebskosten) in wenigen Jahren realisiert werden. Voraussetzung dafür ist neben dem Einsatz der Hocheffizienzpumpen eine gewächshausspezifische Regelung, die bisher in dieser Form nicht vorhanden war. Ohne eine solche Regelung kann das für die Amortisation notwendige Einsparpotential nur zu einem geringen Teil erschlossen werden. Die Fa. RAM- Herrsching hat auf Grundlage der Untersuchungen der Hochschule Weihenstephan Triesdorf Softwaremodule entwickelt, die eine Realisierung des möglichen Einsparpotentials für Gewächshäuser gestatten.

1. Heizungsanlagen im Gartenbau
In Heizungsanlagen des Gartenbaus findet eine ständige Anpassung der Ausrüstungen an technische Entwicklungen, ökonomische Trends und Rahmenbedingungen statt. Der Druck zu effizienteren Lösungen wird durch den steigenden Anteil der Heizkosten an den Gesamtkosten erzeugt und parallel dazu durch ein stärker werdendes Umweltbewusstsein unterstützt. Gesetzliche Rahmenbedingungen, wie z.B. das ausschließliche in Verkehr bringen von Hocheffizienzpumpen(Nassläufer) ab dem 1. Januar 2013 leisten einen weiteren Beitrag.Heizungsanlagen im Gartenbau sind gekennzeichnet durch große Wasserinhalte, bedingt durch die einfachen Rohrheizungen, die mit teilweise überdimensionierten Umwälzpumpen den Transport des Heizungswassers übernehmen. Gegen diese Auslegung mit großen Volumina sprechen die schnellen Lastwechsel in Abhängigkeit der Einstrahlung im Gewächshaus. Bei einer geregelten Rücklauftemperaturanhebung am Heizkessel besteht dafür keine Notwendigkeit.
Durch die hohen Preise für Gas und ÖL wurden in den letzten Jahren verstärkt Alternativen gesucht und Heizkessel für Holz und Kohle installiert. Ein weiterer Trend ist der Betrieb von Blockheizkraftwerken(BHKW) an Gewächshausstandorten um die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme effizient nutzen zu können. Bei der Auslegung von Alternativheizungen werden oft 30% bis 50% der maximalen Heizleistung als Kapazität zusätzlich installiert, um damit etwa 80% der benötigten Jahreswärmemenge decken zu können. Die bestehenden Gas- oder Ölkessel übernehmen die Abdeckung der Spitzenlast.

Das Verhältnis Auslegungsleistung zu Jahreswärmenge lässt sich mit der Funktion Heizleistung über der Anzahl der Heizstunden pro Jahr auf der Grundlage einer Hortex-Berechnung ermitteln. Eine solche Funktion ist in Abbildung 1 gezeigt. Abb.1: Die Fläche unter der Kurve stellt die Jahreswärmemenge dar. Die maximale Leistung entsprechend der für die Funktion gewählten Ausgangsdaten beträgt 3.000kW. Die Jahreswärmemenge beträgt 4.500MWh. Wird eine zusätzliche Holzschnitzelheizung mit einer maximalen Leistung von 1.000kW installiert, kann diese entsprechend des Flächenanteils unter der Heizlastkurve eine Jahreswärmmenge von 3.600MWh oder einen Anteil von 80% realisieren. Die Funktion kann auch genutzt werden um z.B die mögliche Abnahmemenge von einem externen BHKW zu ermitteln. Die Betreiber der BHKW müssen bestimmte Wärmeabnahmengen nachweisen um in den Genuss zusätzlicher, an den Wirkungsgrad gebundene, Vergütungen zu kommen.Bedingt durch die Leistungsbegrenzungen der alternativen Grundlastkessel und die kurzfristigen Lastwechsel werden zur maximalen Nutzung der Grundlastkapazitäten Pufferspeicher eingesetzt. Eine Auslegung der Puffergröße kann über das Programm Hortiwe erfolgen.Häufig werden in größeren Betrieben Puffer mit einem Inhalt von 200m³ eingesetzt. Diese können eine verfügbare Wärmenge von etwa 3MWh speichern.
In Abbildung 2 ist ein Beispiel für eine Heizzentrale mit den unterschiedlichen Heizkesseln, Speicher und BHKW dargestellt.

Abb.2: Die hydraulische Anordnung der Wärmerzeuger und Speicher im Kesselkreislauf ist in der Praxis häufig entsprechend der jeweiligen Bau- und Erweiterungsphasen gestaltet. Es existieren unterschiedliche Lösungen für die Einbindung von Grund- und Spitzenlastkesseln sowie des Speichers. Bei einer fachgerechten Auslegung der Pumpenleistungen zur Überwindung der hydraulischen Widerstände im Kesselkreislauf wird eine zufrieden stellende Funktionalität auch für das Be- und Entladen des Speichers erreicht.Im Beispiel wurde die ursprüngliche Gaskesselheizung mit 3MW um eine Holzschnitzelheizung mit ca. 1MW für die Grundlast erweitert. Zusätzlich wurde ein Speicher mit 200m³(=3MWh) und ein Klein-BHKW mit ca. 75kW thermisch installiert. Die Pumpenleistungen entsprechend Beispiel sind in der Abbildung 2 angegeben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass möglichst druckfrei der Warmwasserstrom zum Vorlaufverteiler geliefert wird um dort eine gut funktionierende Regelung für die Ringleitungen mit 3 Wegemischventilen zu gewährleisten.

II. Vom Vorlaufverteiler aus erfolgt die Trennung des Wärmestroms und die Regelung der Vorlauftemperatur entsprechend:
•Temperaturanforderungen der Gewächshäuser( Kalt-/Warmhäuser)
•Zu beheizender Fläche
•Unterteilung der Anlage in Bauabschnitte
In Abbildung 3 ist die Gewächshausübliche Dreiwegemischregelung im Zusammenhang mit dem Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler schematisch dargestellt.

Abb.3: Die hier eingesetzten Ringleitungspumpen haben die Aufgabe die Widerstände in der Ringleitung(rel. niedrig) zu kompensieren und große Wasservolumina entsprechend der benötigten Wärmemenge zu transportieren. Der Volumenstrom der Pumpe kann mit der zu übertragenden thermischen Leistung und der Temperaturdifferenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur berechnet werden. Die Pumpen in den Ringleitungen haben damit den höchsten elektrischen Leistungsbedarf mit 1 bis 3KW. Die Regelung der Ringleitung erfolgt in Abhängigkeit der Außentemperatur bei gleichen Volumenströmen über die Stellung des Mischventils. In diesem hydraulischen System treten unterschiedliche Drücke durch die Regelung der nachfolgenden Abteile auf. Damit wäre eine druckgesteuerte Drehzahlregelung der Pumpen prinzipiell möglich.

III. Die Heizung im Gewächshaus erfolgt zumeist über zwei getrennte Rohrheizsysteme. Das sind für Gewächshäuser mit Tischsystemen die Untertischheizung und die obere Rohrheizung. Im Fruchtgemüsebau werden analog dazu die bodennahe Heizung, die zumeist für das Transportsystem genutzt wird und die höhenveränderliche Vegetationsheizung genutzt. Die Heizungssysteme werden prinzipiell mit Dreiwegemischern über die Heizwassertemperatur und nicht den Volumenstrom geregelt. Wichtig bei der energetischen Beurteilung ist neben der Leistungsgröße die jährliche Nutzungsdauer. So werden z.B. die Untertischheizungen in Abhängigkeit der Kulturbedingungen etwa 4.000 bis 5.000 Stunden pro Jahr genutzt während die obere Rohrheizung nur bei extrem niedrigen Außentemperaturen zugeschaltet wird. Die Einschaltzeit liegt oft unter 500 Stunden pro Jahr.
Die Dreiwegemischer der Rohrheizungen im Gewächshaus werden über die Klimaregelung auf der Grundlage der Differenz zwischen vorgegebener Gewächshaustemperatur und tatsächlich gemessener angesteuert. Die Innentemperatur sollte über einen möglichst mit Strahlungsschutz ausgerüsteten Fühler in Bestandsnähe erfasst werden. In Abbildung 4 ist ein solches einfaches Heizsystem mit Dreiwegemischer dargestellt.

Abb. 4: Unterschiedliche Drücke bzw. Druckdifferenzen in Abhängigkeit der Stellung des Dreiwegemischers treten hier nicht oder nur in sehr geringem Umfang auf, da sich im Heizsystem keine weiteren druckrelevanten Stellglieder befinden.

2. Aufbau und Funktion von Heizungspumpen
Eine Heizungspumpe besitzt 2 Baugruppen, die die Funktion gewährleisten. Das ist zum einen die Kreiselpumpe in der das Turbinenrad in einem Gehäuse gedreht wird. Auf dem Turbinenrad entsteht durch die Bewegung eine Beschleunigung der Wasserteilchen, so dass im Zentrum ein Unterdruck (Saugseite) und an der Gehäusewand mit Rohrausgang ein Überdruck entsteht. Zum Antrieb des Turbinenrades wird ein Elektromotor benötigt. Prinzipiell werden Kreiselpumpen als Nassläufer oder Trockenläufer angeboten.

Bei Trockenläufern ist der Motor mit dem Turbinenrad über eine Welle verbunden, wie in der Darstellung der Abbildung 5 gezeigt, die zur Pumpenseite hin abgedichtet ist.
Abb.5: Werkbild Grundfos mit Schnittdarstellung; Seite 359 (Werksbild Grundfos NB)

Im Nassläufer ist der Rotor direkt mit dem Turbinenrad verbunden, dreht sich im Wasser und deshalb ist keine separate Abdichtung notwendig.
Abb.6: Werkbild Wilo Stratos mit Wasser Quelle Wilo SE.
Beide Bauarten unterscheiden sich in den Kosten. Nassläufer weisen höhere Anschaffungskosten auf. Trockenläufer haben einen höheren Wartungsaufwand, da die Wellendichtung nur eine begrenzte Lebensdauer besitzt und der Austausch aufwändig ist. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass der Gesamtwirkungsgrad von Trockenläufern etwas höher ist. Im Gartenbau werden häufig Pumpen bis zu einer Leistungsklasse von 700W bis 1kW als Nassläufer installiert. Bei höheren Leistungen sind Trockenläufer eingesetzt.

Kennzeichnend für die Leistung einer Kreiselpumpe ist die Funktion der Druckdifferenz über dem Fördervolumen. Bei hohem Gegendruck ist die Fördermenge gering und mit Abnahme des Gegendruckes steigt die Fördermenge. Die Funktion wird als Pumpenkennlinie bezeichnet und ist im Datenblatt der Pumpe wiedergegeben.Welcher konkrete Punkt auf dieser Funktion erreicht wird hängt vom hydraulischen System, dem Rohrnetz ab. Die Druckverluste im Rohrnetz sind vom Volumenstrom abhängig und steigen in Potenz zu diesem. Deshalb besitzt die Rohrnetzkennlinie die Form einer Parabel.Der Schnittpunkt aus Pumpenkennlinie und Rohrnetzkennlinie, auch Anlagenkennlinie genannt, wird als Betriebspunkt bezeichnet. Er zeigt an welche Förderhöhe und welchen Volumenstrom die Pumpe in diesem Rohrnetz realisieren kann.Die entsprechenden Funktionen sind in Abb. 7 dargestellt.

Zusätzlich ist der Wirkungsgrad für die Pumpe eingezeichnet. Es ist funktionell bedingt, dass der Wirkungsgrad in den Randbereichen stark abfällt und damit die Notwendigkeit für eine exakte Pumpenauslegung bzw. Anpassung der Pumpenleistung an die veränderlichen Bedingungen des Rohrnetzes besteht.
Die Rohrnetzkennlinie z.B. einer Ringleitung der Gewächshausheizung verändert sich stark durch das Zu- oder Abschalten einzelner Gewächshausabteile. In der Hydraulik sind Grundgesetze der Elektrotechnik analog anwendbar. Die Gewächshausabteile entsprechen, wie in Abb. 3 gezeigt, einer Parallelschaltung. Aus der Steuerung der Heizungsventile in den Abteilen resultiert eine Veränderung des Gesamtwiderstandes in der Ringleitung. Damit würde die Umwälzpumpe nur in einer festen Konfiguration der Stellung der Ventile für die Abteile im Bereich des optimalen Wirkungsgrades arbeiten.
Die Lösung besteht in der Veränderung der Pumpendrehzahl durch Frequenzumformung, aus der eine veränderte Pumpenkennlinie entsteht. Die Zusammenhänge sind in der Abb.8 dargestellt.

Es ist gezeigt, dass der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie 1 mit der Pumpenkennlinie 1 den Betriebspunkt BP1 bildet, dieser befindet sich im Bereich des Maximums des Wirkungsgrades.
Bei Abschalten einer oder mehrerer Gewächshausabteile wird der Gegendruck in der Ringleitung höher (Parallelzweige fallen weg) und es entsteht eine neue Anlagenkennlinie 2 mit dem Schnittpunkt der Pumpenkennlinie 1 im Punkt BP 1/2. Dieser Betriebspunkt wird aber bei einem ungünstigen Wirkungsgrad von 35% erzielt. Mit einer druckgesteuerten Frequenzregelung lässt sich eine neue Pumpenkennlinie PK2 generieren, die zu einer geringeren elektrischen Leistungsaufnahme der Pumpe führt. Sowohl die Konstantdruckregelung als auch eine Proportionaldruckregelung kann nicht die Einsparpotenziale erreichen, wie eine Volumenstromregelung die an den Wärmebedarf angepasst ist.

3.Regelung von Hocheffizienzpumpen im Gewächshaus
Nach EU Richtlinie 640/2009 dürfen künftig nur noch Pumpen mit dem neuen und höheren Standard IE2,später IE3 in Verkehr gebracht werden. Dieser Standard wird im Wesentlichen durch EC-Motoren(elektrisch kommutierte Permanentmagnetmotoren) und Drehzahlregelung erreicht. Diese Technik ist aufwändiger und hat einen höheren Preis. Sollen diese Anschaffungskosten in einem überschaubaren Zeitraum amortisiert werden, ist eine gewächshaustypische Ansteuerung der Motoren notwendig.
Es werden neben der Differenzdrucksteuerung von den Pumpenherstellern vielfältige Ansteuermöglichkeiten wie Temperatur, Temperaturdifferenz u.a.m. angeboten. Zusätzlich kann über Standardeingangssignale von einer übergeordneten Leittechnik, in unserem Anwendungsfall von der Klimasteuerung des Gewächshauses, die Drehzahlregelung realisiert werden. Dazu ist das Lastverhalten der Gewächshäuser von ausschlaggebender Bedeutung.
Eine Berechnung kann über das gartenbauspezifische Programm Hortex erfolgen.
Die Abb. 9 zeigt die Heizlastkurve für eine Gewächshausanlage. Dabei zeigt die Funktion die Anzahl der Stunden in denen die angegebene Leistung überschritten wird.
Abb.9.: Mit einer Einteilung der Heizlastkurve in Leistungsbereiche kann über die Ermittlung der dazu benötigten Volumenströme die Frequenzfestlegung erfolgen. Eine extra Darstellung erfolgt in Tabelle 1.

Tabelle 1: Heizleistungsbereiche, zeitliche Inanspruchnahme und zugeordnete Drehzahl:
Wird auf dieser Basis eine Berechnung des jährlichen elektrischen Leistungsverbrauches* vorgenommen, kann das in Tabelle 2 ausgewiesene Einsparpotential zwischen ungeregelter und geregelter Pumpe erzielt werden.
* Praxisrelevante Annahme, dass die elektrische Leistungsaufnahme mit der Potenz 2,5 des Fördervolumens sinkt
Tabelle 2: Vergleich der Energiekosten ungeregelter und geregelter Heizungspumpen
* bei 4700 Volllaststunden;** bei Lastaufteilung entsprechen Tabelle 1 und fixen Energiekosten von 20 Ct/kWh

Für die Ansteuerung der drehzahlgeregelter Pumpen in Ringleitungen wurde auf der Grundlage der Heizlastberechnung in Abhängigkeit der Außentemperatur durch die Fa. RAM das Softwaremodul „ Pumpendrehzahlsteuerung XHR66a“entwickelt, welches zur Zeit in der Praxis innerhalb des Projektes Foreta* erprobt wird.

In Abb.10 ist die Drehzahl in Abhängigkeit der Außentemperatur mit Einstrahlungskorrektur dargestellt.
Entsprechend der dargestellten Grafik wird die Drehzahl der Pumpe in Abhängigkeit der Außentemperatur, versehen mit einem Korrekturfaktor für die Einstrahlung zwischen einer maximalen und einer minimalen Drehzahl, geregelt. Die Grenzwerte für die Temperatur, die Einstrahlung und die Grenzen der Frequenzregelung sind frei wählbar.

In der Darstellung Abb.11 liegt die Drehzahl bei minus 5°C bei 100% der Nenndrehzahl und bei 50% bei plus 5°C. Im Beispiel wird die Drehzahl der aktuellen Außentemperatur durch die Einstrahlung um etwa 15% verringert.
Für die Ringleitung wird damit eine unmittelbar wärmeabhängige Regelung des Volumenstromes erreicht.
In den Gewächshausabteilen treten neben dem theoretischen Wärmebedarf, auf der Grundlage der Wärmebedarfsberechnung, abteilspezifische Anforderungen auf. Diese können durch die Stellung des Dreiwegemischventils sehr gut abgebildet werden. Eine Möglichkeit besteht in der wärmebedarfsabhängigen Steuerung der Abteilpumpen in Folge der Stellung des Mischventils. Für die Umsetzung wurde von der Fa. Hempel und Rülcker, Dresden ein Steuergerät gebaut, welches die Stellung des Mischers für die Ansteuerung der Pumpe nutzt.Für ein zufrieden stellendes Regelverhalten ist jedoch notwendig, dass die Parameter der Regelfunktion neu eingestellt werden. Ein weiterer Ansatz besteht in der Nutzung des Softwaremoduls für die Frequenzregelung der Ringleitung, welches auf Grund Abteil spezifischen Parameter einen Korrekturfaktor erhält. Dieser Korrekturfaktor kann z.B. aus der Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur im Gewächshaus gebildet werden. Es ist vorgesehen, dass das bestehende Softwaremodul der Fa. RAM entsprechend erweitert wird.

4. Lebenszykluskosten
Die Einsparpotentiale für die elektrische Energie zum Antrieb der Pumpen bei einer wärmebedarfsabhängigen Ansteuerung wurden für unterschiedliche Leistungsklassen in der Tabelle 2 ausgewiesen. Künftig dürfen nur noch Pumpen mit Drehzahlregelung in Verkehr gebracht werden. Die mögliche Energieeinsparung kann aber in der Praxis nur realisiert werden, wenn die gewächshauspezifischen Ansteuerfunktionen implementiert werden. Die entsprechenden Software und Hardwareprodukte stehen zur Verfügung. Für eine 3 kW Ringleitungspumpe(Trockenläufer) könnte eine Darstellung der Lebenszykluskosten wie in Abb. 11 gezeigt aussehen. Die Stromkosten beruhen hier auf Berechnungen der Pumpenhersteller für die jeweiligen Modelle unter zugrunde Legung des in Tabelle 1 angegebenen Lastprofils.

Es wird kalkuliert, dass o.g. Pumpe mit Drehzahlregelung als Trockenläufer etwa 3.000 € kostet (exakte Preise sind von vielen Faktoren abhängig und können deshalb nicht genutzt werden). Wenn die im Betrieb befindliche Pumpe noch funktioniert und schon abgeschrieben ist kann ein Restwert gebildet werden oder sie wird mit Null, wie in der Grafik, bewertet.Ein sofortiger Austausch der noch funktionsfähigen Pumpe würde sich unter Berücksichtigung von 0,20Ct/kWh fixen Stromkosten innerhalb von etwa 2 Jahren amortisieren.Bei den kleineren Abteilpumpen (z.B eine in 3 Stufen schaltbare Nassläuferpumpe mit 860W/550W und 460W) sind zwei Tendenzen zu berücksichtigen.
1.Die neuen Pumpen haben bei gleichen Leistungsdaten eine geringer Stromaufnahme
2.Die Drehzahlregelung der Pumpe kann sowohl intern als auch extern verwirklicht werden
Die modernen Hocheffizienzpumpen dieser Bauart sind mit sehr viel zusätzlicher Intelligenz aus gerüstet, so dass alle mögliche Einstellungen bei der Inbetriebnahme für einen optimalen Betrieb realisiert werden können. Diese Pumpen haben eine höheren Preis und liegen für das genannte Beispiel in der Größenordnung von 2.000 € bis 3.000 €. Bei Anschaffungskosten von 2.000 € resultiert eine Amortisationsdauer von 5 Jahren, wie in Abb.11 gezeigt .Für den Einsatz von Hocheffizienzpumpen im Gartenbau muss das Ziel darin bestehen, eine kostengünstige Pumpe von der Industrie zu erhalten. Das ist möglich indem diese Pumpen ohne zuviel elektronisches Equipment geliefert werden, da die übergeordnete Klimasteuerung der Gewächshäuser die notwendige Steuerfunktion anwendungsspezifisch und kostengünstig realisieren kann.

INFOEnergieeffizienz
Die Ergebnisse des Beitrages entstammen der Arbeit des Teilprojektes
„Energieeffizienzsteigerung im Gartenbau unter Glas in Bayern“,
Projektleitung Prof.Dr.Klaus Menrad, innerhalb des Forschungsverbunds FORETA.
Mehr Informationen zu FORETA unter www.foreta.de

Text:Prof.Dr.Lutz Köhler
Grafiken: Micaela Krause