HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

3.1 Pumpe und Netz

Ausgewählte Firmen der Wärmeverteilung

3.1 Pumpe und Netz
3.2 Hydraulische Schaltungen
3.3 Verteilsysteme

Die Wärmeverteilung stellt den Zwischenhandel zwi­schen Wärmeerzeuger und Wärmeabgabe an die Nutzer dar. Wärmeträger sind meist Wasser oder Luft. Die Wärme soll transportiert wer­den: zur richtigen Zeit, in der richtigen Menge und Tem­pe­ra­tur, an den richtigen Ort. Diese Aufgaben ha­ben strömungs­­­­­­­tech­ni­sche und re­ge­lung­stech­ni­sche Aspekte.

3.1.1 Verhalten hydraulischer Netze

3.1.1 Verhalten hydraulischer Netz – 3.1.2 Verhalten von Kreiselpumpen – 3.1.3 Zusammenwirken von Pumpe und Netz

Das Verhalten von Rohrnetzen für Flüssigkeiten und Kanalnetzen für Luft folgt den gleichen Gesetzen. Bild 3.1 zeigt ein ein­fa­ches Netz, über wel­chem die fol­gen­de Druck­dif­fe­renz an­liegt (Hy­dro­sta­tik):

Δpan   anliegende Druckdifferenz in Pa
ρ   Dichte in kg/m3
g   Erdbeschleunigung: 9,81 m/s2
Δz   Höhendifferenz in m
 
Netz zwischen zwei Wasserbehältern
Bild 3.1 Netz zwischen zwei Wasserbehältern

Wenn ein Medium ein Netz durchfliesst, so entsteht ein Reibungsdruckverlust (Hydrodynamik):

Δpr   Reibungsdruckverlust in Pa
C   dimensionsloser Koeffizient, enthaltend Rohrreibungszahl und Widerstandszahlen der Einzelwiderstände [Rec1]
pdyn   dynamischer Druck oder Staudruck in Pa
v   Strömungsgeschwindigkeit in m/s
 

Für eine turbulente Strömung in einem un­ver­än­der­li­chen Netz ist der Koeffizient C praktisch eine Kon­stan­te. Bei einem beliebigen Medium wächst somit der Druckverlust quadratisch mit dem Vo­lu­men­strom:

Die gra­fi­sche Dar­stel­lung die­ses Zu­sam­men­hangs wird als Netz- oder Anlagekennlinie be­zeich­net; sie hat die Form einer Pa­ra­bel (Bild 3.4e). Der Vo­lu­men­strom wird sich so ein­stel­len, dass der Rei­bungs­druck­ver­lust gleich der an­lie­gen­den Druck­dif­fe­renz ist.

Mit einer Standard-Druckdifferenz Δpo (bei Wasser: 1 bar) und einem Durchflusskennwert kv kann auch geschrieben werden:

Der Durchflusskennwert kv ist derjenige Vo­lu­men­strom, welcher durch das Netz fliesst, wenn an den Netzenden die Standard-Druckdifferenz anliegt. Er kann direkt gemessen werden, wenn in der An­ord­nung gemäss Bild 3.1 eine Niveaudifferenz von 10,2 m eingehalten wird ( ρ = 1000 kg/m3). Wenn eine andere Druck­dif­fe­renz am Netz an­liegt, kann der Durch­flus­s­kenn­wert berechnet wer­den:

kv   Durchflusskennwert in m3/s (bzw. m3/h)
qv   Volumenstrom in m3/s (bzw. m3/h)
Δpo   Standard-Druckdifferenz: 100'000 Pa
Δpr   Reibungsdruckverlust in Pa
 

Für ein un­ver­än­der­li­ches Netz ist kv praktisch eine Kon­stan­te. Zu jeder Netzkennlinie gehört also ein bestimmter kv-Wert.

Bei Rohren wird der auf die Längeneinheit bezogene Druckverlust als R-Wert bezeichnet (Bild 3.2). Die Pa­ra­beln werden hier infolge der doppelt lo­ga­rith­mi­schen Auftragung zu Geraden. Der nominale Durchmesser DN entspricht (ungefähr) dem Rohr-Innendurchmesser in mm. Mit dem Diagramm kann rasch der Druckverlust eines Netzes abgeschätzt werden, wenn angenommen wird, der Verlust der Ein­zel­wi­der­stän­de (Bögen, T-Stücke, offene Absperrorgane) sei 1/3 des gesamten Druckverlusts.

Rohrreibungs-Diagramm für Stahlrohre mit Rauigkeit0,045 mm bei Wasser von 80 °C (bei 50 °C ist R 4 % grösser)
Bild 3.2 Rohrreibungs-Diagramm für Stahlrohre mit Rauigkeit 0,045 mm bei Wasser von 80 °C (bei 50 °C ist R 4 % grösser) [Rec1]

Die beschriebenen Gesetzmässigkeiten gelten für be­lie­bi­ge unveränderliche Netze. Netze können zu komp­le­xe­ren Netzen verknüpft werden. Werden Netze parallel geschaltet, so gilt für den resultierenden kv-Wert:

Bei Serieschaltung von Netzen gilt:

Druckverluste hängen vom Medium ab. Bei­spiels­wei­se verursachen Frostschutz-Gemische (Sole), je nach Kom­po­nen­ten und deren Konzentration, wesentlich hö­he­re Druck­ver­lu­ste als Wasser. Bei hoher Zähigkeit oder sehr kleinem Durchmesser wird die Strömung laminar. Dort gilt ein völlig anderes Reibungsgesetz [Rec1].

3.1.2 Verhalten von Kreiselpumpen

3.1.1 Verhalten hydraulischer Netz – 3.1.2 Verhalten von Kreiselpumpen – 3.1.3 Zusammenwirken von Pumpe und Netz

Das Verhalten von Pumpen, Ventilatoren und Ge­blä­sen folgt denselben Gesetzmässigkeiten.

Förderkennlinie

Bild 3.3 zeigt eine Pumpe mit konstanter Drehzahl, die mit sehr kurzen Leitungen an zwei grosse Was­ser­be­häl­ter angeschlossen ist. Die Niveaudifferenz ist ein­stell­bar. Ein grosser Volumenstrom wird fliessen, wenn die Niveaudifferenz null ist. Je grösser die Ni­veau­dif­fe­renz eingestellt wird, desto geringer wird im Allgemeinen der Volumenstrom sein. Die För­der­kenn­li­nie stellt diesen Zusammenhang dar (Bild 3.4a).

Pumpe zwischen zwei Wasserbehältern
Bild 3.3 Pumpe zwischen zwei Wasserbehältern
Pumpen- und Netzkennlinien
Bild 3.4 Pumpen- und Netzkennlinien

Anmerkung: Die Förderdruckdifferenz Δp ist grund­sätz­lich eine Gesamtdruckdifferenz zwischen den Maschinengrenzen (Kapitel 5.4.7). Bei Heizungspumpen ist meistens (im Unterschied zu Ventilatoren) der dy­na­mi­sche Druck vernachlässigbar klein neben der För­der­druck­dif­fe­renz.

Pumpen-Wirkungsgrad

Aus Volumenstrom und Druckdifferenz lässt sich diehydraulische Nutzleistung ermitteln (Bild 3.4c):

Pn   hydraulische Nutzleistung in W
qv   Volumenstrom in m3/s
Δp   Druckdifferenz in Pa
 

Die elektrische Leistungsaufnahme Pel ist allerdings wegen hydraulischer und motorischer Verluste grös­ser als die hydraulische Nutzleistung. Der Ge­samt­wir­kungs­grad der Pumpe

ist stark abhängig vom geförderten Volumenstrom. Bei mittleren Volumenströmen wer­den die besten Wirkungsgrade erreicht (Bild 3.4d). Aus Gründen des Stromverbrauchs sollte ein Betrieb im Bereich f an­ge­strebt werden. Der Betrieb mit ma­xi­ma­lem Wir­kungs­grad wird als Bestpunkt oder Op­ti­mum be­zeich­net. Das Wirkungsgrad-Optimum von Hei­zungs­pum­pen, besonders der kleinen, liegt recht tief. Die meisten Heizungspumpen arbeiten im Bereich der hydraulischen Nutzleistung von 5 W bis 100 W. Nur die besten davon erreichen heute Wirkungsgrade von über 50 %.

Energieeffizienzindex

Beurteilt werden Nassläufer-Umwälzpumpen mit dem Energieeffizienzindex. Der EEI ist im Wesentlichen ein zeitlich gewichteter Mittelwert der elektrischen Leistungsaufnahme. Grundlage sind Messungen bei 25, 50, 75 und 100 Prozent des Volumenstromes gemäss einer steigenden Kennlinie (Bild 3.5d). Als 100-Prozent-Punkt gilt der Betriebspunkt mit der grössten hydraulischen Nutzleistung. Seit 2015 darf der EEI europaweit den Wert von 0,23 nicht mehr überschreiten [EG], [EnV]. Das ist wesentlich strenger als früher die Energieeffizienzklasse A[Top1].

Förderkennlinien von Heizungspumpen
Bild 3.5 Förderkennlinien von Heizungspumpen
Form der Förderkennlinie

Diese ist in Netzen mit variablem Volumenstrom wichtig. Starke Änderungen der Förderdruckdifferenz sind nachteilig für Regelungsgüte und hydraulischen Abgleich. In Heizkreisen mit Thermostatventilen können grundsätzlich alle Druckdifferenzen bis hin zur maximalen Förderdruckdifferenz an den Ventilen anliegen. Oberhalb 0,2 bar Druckdifferenz neigen Thermostatventile aber zu Geräuschbildung.

Bei steiler Förderkennlinie ist dies problematischer als bei flacher Kennlinie (Bild 3.5). Horizontale oder gar steigende Kennlinien werden mittels einer pumpeninternen Drehzahlregelung erreicht. Die Elektronik erlaubt im Weiteren, das Druckniveau stufenlos einzustellen. Wenn die Maximaldrehzahl erreicht ist, geht die horizontale bzw. steigende Kennlinie über in die Kennlinie mit konstanter Drehzahl (Punkt 3c bzw. 3d). Die elektronischen Pumpen sind, sofern richtig ausgewählt und eingestellt, hydraulisch besonders günstig.

Pumpenkennlinien bei anderen Medien

Wird ein Frostschutzgemisch anstelle von Wasser ge­pumpt, so ergeben sich neue Kennlinien. Bild 3.6 zeigt qualitativ, wie sich die Kennlinien verändern, wenn ein zäheres Medium als Wasser verwendet wird. Förderdruckdifferenz und Wirkungsgrad nehmen ab, während die Leistungsaufnahme steigt. Quantitative An­ga­ben in [KSB]

Förderdruckdifferenz, elektrische Leistung und Gesamtwirkungsgrad einer Pumpe bei Wasser (Index W) und zäher Flüssigkeit (Z)
Bild 3.6 Förderdruckdifferenz, elektrische Leistung und Gesamtwirkungsgrad einer Pumpe bei Wasser (Index W) und zäher Flüssigkeit (Z) [KSB]

3.1.3 Zusammenwirken von Pumpe und Netz

3.1.1 Verhalten hydraulischer Netz – 3.1.2 Verhalten von Kreiselpumpen – 3.1.3 Zusammenwirken von Pumpe und Netz

Betriebspunkt

Wird eine Pumpe (oder ein Ventilator) in ein Netz ge­schal­tet, so er­zeugt diese(r) die am Netz anliegende Druck­dif­fe­renz. Das Me­di­um beginnt durch das Netz zu strö­men. Der Vo­lu­men­strom wird sich so ein­stel­len, dass der Rei­bungs­druck­ver­lust des Netzes gerade gleich der an­lie­gen­den Druck­dif­fe­renz ist. Der Be­triebs­punkt wird so­mit durch den Schnittpunkt von Netzkennlinie und För­der­kenn­li­nie dargestellt (Bild 3.4).

Ähnlichkeitsgesetze

Diese Gesetze für Pumpen und Ventilatoren be­schrei­ben das Ver­hal­ten bei verschiedenen Drehzahlen. Unter den Vor­aus­set­zun­gen

  • kreisförmiges Netz und
  • unverändertes Netz

gilt für eine gegebene Pumpe:

  • Der Volumenstrom ändert wie die Drehzahl n

  • Die Förderdruckdifferenz ändert wie das Quadrat der Dreh­zahl

  • Diehydraulische Nutzleistung ändert wie die 3. Po­tenz der Drehzahl

Das Leistungsgesetz gilt für die elektrische Leis­tungsaufnahme nur in grober Näherung.

Parallel- und Serieschaltung

Die gemeinsame Förderkennlinie wird konstruiert, in­dem man:

  • bei konstantem Förderdruck die Vo­lu­men­strö­me ad­diert (Parallelschaltung),
  • bei konstantem Volumenstrom die För­der­drüc­ke addiert (Serieschaltung).

Der Schnitt der gemeinsamen Kennlinie mit der un­ver­än­der­ten Netzkennlinie er­gibt den neuen Be­triebs­punkt B2 (Bild 3.7). Im Allgemeinen verdoppeln sich weder Volumenstrom noch Förderdruck! Bei der Pa­ral­lel­schal­tung zweier ungleicher Pum­pen ist zu be­ach­ten, dass eine Rück­strö­mung durch diejenige mit dem geringeren Förderdruck entstehen kann. Die Se­rieschal­tung wird angewendet zur Er­rei­chung hoher Förderdrücke, z.B. mittels mehrstufiger Maschinen.

Parallel- und Serieschaltung zweier gleicher Pumpen oder Ventilatoren
Bild 3.7 Parallel- und Serieschaltung zweier gleicher Pumpen oder Ventilatoren
Druckverteilung in einer Anlage

Ist die Pumpe abgeschaltet, so herrscht an den verschiedenen Orten in der Anlage ein Ruhedruck entsprechend den Gesetzen der Hydrostatik. Der Ruhedruck ist ge­ge­ben durch die Höhenlage des Aus­deh­nungs­ge­fäs­ses (offene Anlage) oder durch den Druck des Gaspolsters im Druck­aus­deh­nungs­ge­fäss (ge­schlos­se­ne Anlage). Wird nun die Pumpe eingeschaltet, so fin­det eine Überlagerung des lo­kalen Ru­he­drucks durch strömungsbedingte Druck­­dif­fe­ren­zen statt. Bei der Anlage nach Bild 3.8 herrscht beim An­schluss des Aus­deh­nungs­ge­fäs­ses nach wie vor der Ruhedruck. Infolge der Druckverluste nimmt nun der Druck in Strömungsrichtung ab. Der tiefste Druck be­steht am Pumpeneintritt. Die Pumpe bewirkt eine Druc­ker­hö­hung, welche über dem Netz wieder ab­ge­baut wird. Beim Aufheizen verschiebt sich der Ru­he­druck infolge Kompression des Gaspolsters. Wenn nebst dem dargestellten Geschoss noch ein Obergeschoss vorhanden ist, so sind dort alle Drücke, entsprechend der Geschosshöhe, tiefer. Die benötigte Förderdruckdifferenz ist jedoch praktisch dieselbe.

Druckverteilung in einer Anlage
Bild 3.8 Druckverteilung in einer Anlage
Kavitation

Liegt der Druck in der Flüssigkeit temporär unter dem Sättigungsdruck (Bild 2.53), so tritt Verdampfung ein. Da sich beim Durchströmen der Pumpe Ge­schwin­dig­keit und Druck stark ändern, kann in gewissen Be­rei­chen des Laufrads die Bedingung für Verdampfen er­füllt sein. Die Dampfblasen kondensieren schlag­ar­tig, wenn der Druck wieder zugenommen hat. Dieser Vor­gang, die Kavitation, verursacht Geräusche, ver­min­dert den Förderdruck und beschädigt das Ma­te­ri­al. Um das Auftreten von Kavitation zu vermeiden, muss daher der Druck im Eintrittsstutzen um ein ge­wis­ses Mass über dem Sättigungsdruck liegen. Dieser Über­druck gegen­über dem Sättigungsdruck wird als NPSH (net positive suction head) bezeichnet [KSB].

Rohrdurchmesser und Pumpenleistung

Die hydraulische Nutzleistung ist, bei gegebenem Volumenstrom, proportional zur Druckdifferenz. Letz­te­re wird im Wesentlichen in Rohren abgebaut. Das Rohrreibungsgesetz sagt aus: Bei konstantem Durchfluss ändert sich der R-Wert und damit auch die Pum­pen­lei­stung mit der 5. Po­tenz des Rohr­durch­mes­sers:

Der enorme Einfluss des Rohrdurchmessers legt es nahe, nicht bei den Rohrdurchmessern zu sparen (ins­be­son­de­re nicht bis DN 50). Eine grosszügige Lei­tungs­di­men­sio­nie­rung empfiehlt sich nicht nur aus Gründen des Stromverbrauchs, sondern auch der Regelung, des hydraulischen Abgleichs, des Ver­mei­dens von Geräuschen und Fehlzirkulationen. Sinnvolle R-Werte sind 30 bis 70 Pa/m.

Pumpenstromeinsparung = Energieeinsparung?

Die der Pumpe zugeführte Energie besteht aus Elek­tri­zi­tät. Die von der Pumpe abgeführte Energie besteht aus einer Erhöhung des Energieinhalts des Mediums und einer Wärmeabgabe an die Umgebung. Letztere beträgt 5 bis 40 % der zugeführten elektrischen Ener­gie. 60 bis 95 % der elektrischen Energie werden dem Medium als Wärme zugeführt.

Warmseitige Pumpe einer Heizanlage: Eine Pumpenstromeinsparung in der Wärmeverteilung führt deshalb nur zu einer vergleichsweise geringen Endenergieeinsparung der Anlage.

Kaltseitige Pumpe einer Heizanlage: Die der Wärmequellenpumpe einer WP zugeführte Elektrizität ist dem Heizungssystem verloren. Eine Pumpenstromeinsparung führt somit zu einer gleich grossen Endenergieeinsparung.

Kaltseitige Pumpe einer Kühlanlage: Ein Minderverbrauch der Kaltwasserpumpen (Bild 6.12) erlaubt eine entsprechend geringere Kälteproduktion. Eine Pumpenstromeinsparung führt hier zu einer vergleichsweise grossen Endenergieeinsparung.

Pumpe in nicht kreisförmigem Netz

Wird in das Netz gemäss Bild 3.1 eine nach links för­dern­de Pumpe eingebaut, dann muss diese nicht nur den Reibungsdruckverlust, sondern auch die Ni­veau­dif­fe­renz überwinden, die Netzkennlinie geht nicht mehr durch den Ursprung [KSB].