Welche Anforderungen an die Umwälzpumpe stellt die jeweilige HKL-Anwendung?

Umwälzpumpen für HKL-Anwendungen

In einem modernen Heizungs-, Kühl- oder TWW-Versorgungssystem gibt es verschiedene Kreise, in denen Umwälzpumpen in unterschiedlichen Ausführungen eingesetzt werden können. Dabei ist zwischen Wärmeerzeugung (oder Kälteerzeugung) und deren Verteilung zu unterscheiden.

Die Anlage kann sowohl nur eine Umwälzpumpe beinhalten als auch in zwei Kreisläufen - eine Primär- und eine Sekundärseite – aufgeteilt sein.

Auf der Erzeugerseite gibt es Anwendungen, in denen die Umwälzpumpen in einem vorgeschalteten oder internen Kreis installiert sind, wie z.B. für Solekreisläufe in Wasser-Wasser-Wärmepumpen oder in thermischen Solaranlagen, der hydraulisch von der restlichen Anlage z.B. durch einen Wärmetauscher getrennt ist.

Wird aber nur den Wärmeerzeuger in einem Primärkreis durchströmt, ist aber hydraulisch mit der Verteilerseite verbunden, sollte diese durch eine hydraulische Weiche oder einen Pufferspeicher voneinander entkoppelt werden, damit die Volumenströme und/oder Temperaturen auf beiden Seiten weitgehendst unabhängig voneinander bleiben.

Bei einigen Wärmeerzeugern (z. B. Brennwertkesseln, Wärmepumpen oder Fernwärme) muss die Rücklauftemperatur so niedrig wie möglich gehalten werden. Deshalb ist es erforderlich, die Förderströme im Primär- und Sekundärkreis im richtigen Gleichgewicht zu halten. Ohne hydraulische Weiche erzeugt die Primärpumpe einen Differenzdruck im Sekundärkreis, der zu Ungleichgewichtszuständen in den Heizkreisen führen kann. Dadurch kann unter Umständen auch ein Generatoreffekt in der Sekundärpumpe auftreten, die dagegen entsprechend elektronisch geschützt sein sollte.

Primärseitige Umwälzpumpen sind meistens in den Wärmeerzeugern integriert. Die Pumpenregelung

erfolgt dann meist über ein Steuersignal (z. B. digitales PWM-Signal) vom Wärmeerzeuger, um so den Pumpenbetrieb oder auch den Verbrennungsprozess zu optimieren.

Gas- oder Ölheizungen und Mehrzweckwasserheizer

Die meisten der zur Raumheizung und Warmwassererzeugung installierten Anlagen nutzen immer noch fossile Brennstoffe, wie z. B. Erdgas oder Erdöl. Der Anteil an aus Biomasseanlagen gewonnenem Gas und Flüssigbrennstoff nimmt jedoch kontinuierlich zu. Wärmeerzeuger mit hohem Wasserinhalt, wie z. B. bodenstehende Kessel, werden unabhängig vom tatsächlichen Volumenstrombedarf aufgeheizt. Wandhängende Kessel hingegen werden nur aufgeheizt, wenn ein Mindestvolumenstrom durch den Wärmeerzeuger strömt. In Mehrzweckwasserheizern übernimmt die Umwälzpumpe die Versorgung sowohl der Heizungsanlage als auch der Trinkwarmwasserbereitung.

Heute werden vermehrt modulierende Brennwertkessel eingesetzt, die über einen witterungsgeführten Regler mit verschiedenen Zeitprogrammen temperaturgeregelt werden. Bei Anlagen mit Warmwasserversorgung, die entweder als Kombigeräte mit integrierter Warmwasserversorgung, mit externem Warmwasserspeicher oder mit Wärmetauscher ausgeführt sind, liegt die Wassertemperatur der Zentralheizung häufig niedriger als die Trinkwarmwassertemperatur. Daher muss die Medientemperatur zeitweise über die gewünschte Warmwassertemperatur angehoben werden. In kleineren Wohngebäuden mit guter Dämmung ist der Wärmebedarf für die Trinkwarmwassererzeugung meist höher als der für die Raumheizung.

Interne (oder externe) Umwälzpumpen für diese Art von Primärkreisen müssen über den Wärmeerzeuger geregelt werden, um die Verbrennungsbedingungen und den Kondensationsprozess zu optimieren. Dies kann häufig nur durch den Einsatz einer drehzahlgeregelten Umwälzpumpe realisiert werden, die über ein von der Kesselsteuerung geliefertes, externes Regelsignal geregelt wird.

Feststoffkessel

Die meisten dieser Wärmeerzeuger nutzen Biomasse, wie z. B. Pellets oder Holzschnitzel, die als

erneuerbare Energien angesehen werden können und CO2-neutral sind. Sie reagieren in der Regel langsam auf sich ändernde Wärmeanforderungen. Deshalb kann die Medientemperatur über den Bedarf ansteigen. Daher sollte der Förderstrom konstant gehalten und die überschüssige Wärmeenergie in einem Pufferspeicher gespeichert werden.

Wärmepumpen

Auf dem Markt werden verschiedene Wärmepumpentypen angeboten:

• Kompressorwärmepumpen mit Elektromotor oder Verbrennungsmotor

• Sorptionswärmepumpen. Sorption ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem eine Flüssigkeit

oder ein Gas von einer anderen Flüssigkeit absorbiert oder von der Oberfläche eines Festkörpers

adsorbiert wird. Beide Prozesse sind reversibel und treten nur unter bestimmten physikalischen Voraussetzungen (Druck, Temperatur) auf. Häufig ist im Prozesskreislauf eine Umwälzpumpe mit maßgeschneiderten Vorgaben installiert.

Der Einsatz von Umwälzpumpen im Primärkreis ist abhängig vom Wärmeübertragungsprinzip:

• Luft/Luft-Wärmepumpen (häufig in Klimaanlagen eingesetzt)

– Umwälzpumpen sind nicht installiert.

• Luft/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und -kühlung oder Warmwasserbereitung

– Als Wärmequelle dient hauptsächlich die Außenluft bis zu einer Außentemperatur von -20 °C. Die Wärmeenergie wird der Außenluft direkt durch einen mit einem Lüfter versorgten Luftverdampfer entzogen, der Bauteil der Wärmepumpe ist. Manchmal befindet sich ein Sole-Primärkreis zwischen dem Außenluftgerät und einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. Die Umwälzung in diesem Kreis erfolgt mithilfe einer Umwälzpumpe, die für Medientemperaturen bis -20 °C ausgelegt sein muss.

• Wasser/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und -kühlung oder Warmwasserbereitung

– Als Wärmequelle dient z. B. Grundwasser zwischen 7 °C und 12 °C. Das Grundwasser wird

überwiegend mithilfe einer Unterwasserpumpe aus Entnahmebrunnen gepumpt und über einen Rückgabebrunnen wieder zurückgeführt. Ist die Wasserqualität nicht ausreichend, wird ein Primärkreis zwischen dem Wärmetauscher und der Wärmepumpe angeordnet. Die Umwälzung in diesem Kreis erfolgt mithilfe einer Umwälzpumpe, die für Medientemperaturen bis 2 °C ausgelegt sein muss.

• Sole/Wasser-Wärmepumpen für Raumheizung und -kühlung oder Warmwasserbereitung

– Waagerecht verlegte Erdkollektoren oder senkrecht in den Boden eingebrachte Sonden transportieren die im Boden gespeicherte Solarenergie über ein Wasser-Sole-Gemisch zum Verdampfer der Wärmepumpe. Die Umwälzung in diesem Kreis erfolgt mithilfe einer Umwälzpumpe, die für Medientemperaturen bis 2 °C oder niedriger ausgelegt sein muss.



Die Umwälzpumpe im Sekundärkreis unterscheidet sich kaum von einer in Kesselanwendungen eingesetzten Umwälzpumpe. Die Medientemperatur übersteigt in der Regel nicht 60 °C und die Spreizung ist in den meisten Fällen klein (z. B. ∆T = 5 K). Wärmepumpen mit einem Kompressor, der mit fester Drehzahl läuft, erfordern häufig einen konstanten Volumenstrom und lange Zykluszeiten. Die Zykluszeit kann mithilfe eines Speichers verlängert werden. Der Speicher sorgt zudem für einem Durchfluss durch die Wärmepumpe, der unabhängig vom Volumenstrom im Heizungsverteilerkreis ist. Kompressoren mit variabler Drehzahl werden häufig in Verbindung mit einer drehzahlgeregelten Umwälzpumpe eingesetzt, die extern von der Steuerung der Wärmepumpe geregelt wird.

Micro/Mini-Blockheizkraftwerke

Bei kleinen Blockheizkraftwerken (BHWK) erfolgt die Wärme- und Stromerzeugung entweder mithilfe von Verbrennungsmotoren, Stirlingmotoren oder Brennstoffzellen. In den Blockheizkraftwerken mit Brennstoffzelle werden häufig Dosier- und Umwälzpumpen eingebaut, die bestimmte kundenspezifische Vorgaben erfüllen müssen. Die Umwälzpumpe im Sekundärkreis hingegen unterscheidet sich kaum von einer in Kesselanwendungen eingesetzten Umwälzpumpe. Die Vibrationen, Medientemperaturen und Umgebungstemperaturen können jedoch relativ hoch sein. Häufig ist ein konstanter Volumenstrom erforderlich, so dass ein Pufferspeicher von Vorteil ist.



Thermische Solaranlagen

Solarkollektoren wandeln das Sonnenlicht in Wärme um, die zum Heizen oder zur Warmwasserversorgung eines Gebäudes genutzt werden kann. Der Primärkreis ist nur in Betrieb, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektor und dem Wärmetauscher oder Speicherbehälter positiv ist. Bei druckbeaufschlagten Solarthermieanlagen müssen die Umwälzpumpen für glykolhaltige Medien und einen weiten Temperaturbereich von 2 °C bis 110 °C (kurzfristig bis 130 °C) ausgelegt sein. Beim Hochfahren der Anlage kann sich durch die Medientemperatur manchmal Kondenswasser in der Pumpe bilden.

Der Förderstrom- und Förderhöhenbedarf kann abhängig von der Auslegung der Anlagenkomponenten variieren. Bei Drain-Back-Anlagen muss die Pumpe in der Lage sein, die Anlage bei jedem Hochfahren zu befüllen. Deshalb muss die Förderhöhe der Pumpe der geodätischen Höhe der Anlage entsprechen. Die Solarumwälzpumpen können in alle Arten von thermischen Solaranlagen mit variablem oder konstantem Volumenstrom eingebaut werden. Hocheffizienzpumpen mit elektronisch kommutiertem Motor (ECM) dürfen jedoch nicht über einen externen Drehzahlregler geregelt werden, der die Versorgungsspannung ändert. Die Drehzahl kann über ein von der Solaranlagensteuerung geliefertes PWM-Niederspannungssignal mit C-Profil geregelt werden, um die Solarenergieausbeute und die Anlagentemperatur zu optimieren. Gleichzeitig wird der Stromverbrauch der Pumpe erheblich reduziert. Ist kein PWM-Signal verfügbar, sollte die Pumpe auf eine konstante Drehzahl eingestellt werden. Sie wird dann über die Steuerung nur ein- und ausgeschaltet.

Fernwärmeanlagen mit Wärmetauscher

Fernwärmeanlagen versorgen alle Arten von Gebäuden direkt oder mithilfe einer Hausübergabestationen mit Heizungswärme und Trinkwarmwasser. Bei Anlagen mit Wärmetauscher unterscheiden sich die Umwälzpumpen auf der Sekundärseite kaum von den in Kesselanwendungen

eingesetzten Umwälzpumpen, weil die Drücke und Temperaturen ähnlich sind.

Raumheizungen (Radiatoren oder Fußbodenheizungen)

Sekundärseitig werden häufig intern geregelte, extern angeordnete Pumpen eingesetzt, die z. B. in einer Anschlussgruppe montiert sind und auf den wechselnden Förderstrombedarf der Wärmeverbraucher, wie z. B. Radiatoren oder Fußbodenheizungskreise, reagieren. Damit für alle Komponenten bestmögliche Betriebsbedingungen herrschen, ist ein hydraulischer Abgleich

der Anlage äußerst wichtig. Besonders bei Zweirohr-Heizungsanlagen mit Thermostatventilen hilft der hydraulische Abgleich Geräusche, Über- und Unterversorgung sowie eine zu hohe Förderleistung zu vermeiden. Gleichzeitig wird Energie eingespart.

Falls ein automatisches Überströmventil installiert ist, um einen Mindestvolumenstrom aufrechtzuerhalten, muss die Differenzdruckregelung der Pumpe so eingestellt werden, dass die Funktion des Überströmventils gewährleistet ist. Dazu muss eine Konstantdruck-Regelkurve gewählt werden, die höher als der eingestellte Differenzdruck des Ventils ist. Die maximal zulässige Medientemperatur und Differenztemperatur sind von der Anlagengestaltung abhängig. Tmax beträgt in der Regel 30 bis 90 °C. ∆T liegt zwischen 5 und 20 K.

Kombinierte Raumheizungs- und Kühlanlagen

Fußbodenheizungen oder Deckenkühlanlagen in Verbindung mit reversiblen Wärmepumpen können

Räume im Winter heizen und im Sommer die Temperatur der Raumluft spürbar um 4 °C bis 6 °C senken. Beim Kühlen muss die Medientemperatur über dem Taupunkt der Luft gehalten werden, um eine Kondenswasserbildung am Boden, den Wänden oder der Decke zu vermeiden. Gelegentlich kann es zur Kondenswasserbildung in der Pumpe kommen. Deshalb sollten in derartigen Anlagen kondensatgeschützte Umwälzpumpen installiert werden.

Trinkwarmwassererzeugung

In direkt beheizten Trinkwassererwärmungsanlagen können die Umwälzpumpen auf beiden Seiten des Wärmetauschers eingesetzt werden. In einem Warmwasserspeicher wird Trinkwasser gespeichert und in der Regel vom Heizwasser aufgeheizt, das entweder vom Wärmeerzeuger über einen externen Plattenwärmetauscher oder durch eine interne Heizschlange geführt wird. Besonders bei der Nutzung erneuerbarer Energien wird zunehmend das Heizungswasser gespeichert und das Warmwasser im Durchlaufprinzip durch ein Frischwassermodul erzeugt.

Trinkwarmwasserzirkulationssysteme

Eine Zirkulationspumpe pumpt das erwärmte Trinkwasser auf der Sekundärseite von den Zapfstellen zum Wassererwärmer zurück, um den Komfort zu steigern und die Bildung von Legionellen zu vermeiden. Alle Pumpen in Kontakt mit Trinkwasser müssen eine Trinkwasserzulassung besitzen und werden entweder mit nichtrostenden Metallgehäusen (Messing, Bronze oder Edelstahl) oder Kunststoff-Gehäusen (z.B. PPS) angeboten. Die meisten Pumpengehäuse für den europäischen Markt besitzen die Trinkwasserzulassung KTW (DE), DVGW W270 (DE), ACS (FR) und WRAS (GB).