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Heizungsumwälzpumpe

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Quelle: www.wilo.de

Grundlagen

Eine Heizungspumpe wird auch als Umwälzpumpe bezeichnet und hat im Heizkreislauf die Funktion, das vom Heizkessel erwärmte Wasser über den Heizkreislauf zu den Heizkörpern und zurück zum Kessel zu pumpen.

Beispiel: Heizkreis einer geschlossenen Anlage

Quelle: www.wilo.de

Für die Umwälzung des Wassers in Heizungsanlagen ist ein Umtriebsdruck, der die Rohrnetzwiderstände überwindet, notwendig. Dieser Druck muss so groß sein, dass alle Widerstände im System überwunden werden und das Wasser im Kreis gepumpt werden kann. Die zwei wichtigsten Größen in der Heizungspumpentechnik sind demnach der:

  • Förderstrom - auch als Volumenstrom bezeichnet
  • Förderhöhe - auch als Pumpendruck bezeichnet

Pumpendruck und Förderhöhe

Der zur Überwindung aller Widerstände im Rohrnetz notwendige Druck, den die Pumpe aufbringen muss, wird als Pumpendruck oder Förderhöhe ( damit ist nicht die Anlagenhöhe oder Gebäudehöhe gemeint ) bezeichnet. Angegeben wird der Pumpendruck in mbar oder, wenn man von der Förderhöhe spricht, in der gesetzlich nicht mehr konformen Einheit „Meter Wassersäule“. 10 mWS entsprechen dabei etwa 1 bar. Messen kann man den Pumpendruck bei laufender Pumpe durch das Ermitteln der Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen.

Bauarten

In der Heizungstechnik verwendet man hauptsächlich sogenannte Kreiselpumpen. Bei Kreiselpumpen befindet sich in einem spiralförmigen Pumpengehäuse ein Laufrad, das bei Drehung durch Zentrifugalwirkung den Pumpendruck erzeugt. Je nach Konstruktion unterscheidet man dabei Nassläuferpumpen und Trockenläuferpumpen.

Nassläuferpumpen

Nassläuferpumpen sind durch eine kompakte Bauweise von Motor- und Pumpengehäuse gekennzeichnet. Alle rotierenden Bauteile von Motor und Pumpe, z.B. Rotor, Rotorwelle und Lager, sind vom Heizungswasser umspült. Das geförderte Heizungswasser dient damit gleichzeitig zur Schmierung und Kühlung des Gleitlager. Der Strom führende Teil des Motors ist vom Wasser durch ein abgedichtetes, dünnes Spaltrohr getrennt.

Beispiel: Nassläuferpumpe

Quelle: www.wilo.de

Nassläuferpumpen sind besonders laufruhig und wartungsfrei. Sie erfordern beim Einbau keine Richtungsänderung der Rohrleitung und werden für kleinere bis mittelgroße Heizungsanlagen verwendet. Außerdem haben sie die Fähigkeit zur Selbstentlüftung bei der Inbetriebnahme. Pumpen mit Rohranschlüssen bis DN 32 haben Verschraubungen, größere Nennweiten Flanschanschluss. Der elektrische Anschluss erfolgt je nach Größe und erforderlicher Leistung mit Wechselstrom ( 230 V ) oder mit Drehstrom ( 400 V ).

Trockenläuferpumpen

Im Gegensatz zu den Nassläuferpumpen ist bei Trockenläuferpumpen der Antriebsmotor vom wasserführenden Teil getrennt. Dadurch bleibt der rotierende Motorteil trocken. Das Laufrad im Pumpengehäuse und der Motor sitzen entweder auf einer gemeinsamen Welle oder haben getrennte Wellen, die über eine Kupplung verbunden sind. Eine Gleitringdichtung oder Stopfbuchse dichtet das Wasser führende Gehäuse ab. Stopfbuchsen sind von Zeit zu Zeit nachzuziehen, um größere Leckverluste zu vermeiden.

Beispiel: Trockenläuferpumpe

Quelle: www.wilo.de

Pumpen- und Rohrnetzkennlinie

Jeder Pumpentyp hat eine eigene Charakteristik, die durch die Kennlinie ausgedrückt wird. Vom Verlauf der Kennlinie kann man die Eignung der Pumpe für bestimmte Einsatzbedingungen ableiten.

Pumpenkennlinie

Der durch die Pumpe geförderte Volumenstrom ( Fördermenge ) und der Pumpendruck ( Förderhöhe ) sind voneinander abhängig. Eine Pumpe erzeugt bei großem Volumenstrom einen geringen Druck. Wird der Volumenstrom gedrosselt ( beispielsweise durch das Schließen von Heizkörpern ), nimmt der Pumpendruck zu. Diese Abhängigkeit wird in einem Diagramm durch die Pumpenkennlinie dargestellt. Aus dem Kennlinienverlauf lässt sich für jeden Volumenstrom, den die Pumpe fördern kann, der zugehörige Pumpendruck bestimmen.

Beispiel: Pumpenkennline

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Quelle: www.wilo.de

Auf der senkrechten Achse, der Y-Achse, wird die Förderhöhe in m ( Pumpendruck ) dargestellt. Auf der waagerechten Achse, der X-Achse, wird der Förderstrom V der Pumpe in m³/h dargestellt.

Die Kennlinien der einzelnen Pumpen werden vom Hersteller ermittelt und sind deren Unterlagen zu entnehmen. Bei Pumpen mit flacher Kennlinie ändert sich der Pumpendruck auch bei größeren Volumenstromänderungen relativ wenig. Diese Pumpen eignen sich wegen des geringen Druckanstiegs bei geschlossenen oder gedrosselten Ventilen besonders für Zweirohr-Heizungen mit Thermostatventilen.

Rohrnetzkennlinie

Beispiel: Rohrnetzkennlinie

Quelle: www.wilo.de

Auch für das Rohrnetz einer Heizungsanlage kann eine Kennlinie aufgestellt werden. Die sogenannte Rohrnetzkennlinie. Diese zeigt den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und dem sich dabei ergebenden Druckverlust in einem Rohrnetz. Dabei ändert sich der Druckverlust ( H ) quadratisch zum Volumenstrom ( Q ). Sprich, eine Verdoppelung des Volumenstroms von Q1 auf Q2 bedeutet, dass der Druckverlust von H1 zu H2 auf den vierfachen Wert steigt.

In der Praxis bedeutet dies, dass Rohrnetze mit großen Rohrweiten, glatten Rohrwandungen, geringer Länge und strömungsgünstigen Armaturen und Fittings flache Kennlinien haben, da der Druckverlust bei zunehmendem Volumenstrom und damit größer werdender Fließgeschwindigkeit verhältnismäßig wenig ansteigt. Rohrnetze mit steiler Kennlinie dagegen weisen, bedingt durch z.B. kleinere Rohrquerschnitte und engere Radien, bereits bei einem relativ kleinen Volumenstrom einen großen Druckverlust auf.

Betriebspunkt

Beispiel: Betriebspunkt

Quelle: www.wilo.de

Der Betriebspunkt einer Pumpe liegt im Schnittpunkt von Rohrnetz- und Pumpenkennlinie. In diesem Punkt ist der Pumpendruck stets so groß wie der Druckverlust der Anlage. Es herrscht also ein Gleichgewicht zwischen dem Leistungsangebot der Pumpe und dem Leistungsverbrauch des Rohrnetzes. Daraus ergibt sich dann der Förderstrom, der von der Pumpe gefördert werden kann.

Pumpenauswahl

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Quelle: www.intelligent-heizen.info

Die Auswahl der Pumpe erfolgt nach dem zu überwindenden Druckverlust ( Förderhöhe ) der Heizungsanlage und dem größten benötigten Volumenstrom ( Förderstrom ).

Berechnung der Förderhöhe und des Förderstroms: Pumpenauslegung

Der Volumenstrom resultiert aus der Heizlast und dient zur Deckung des maximalen Wärmebedarfs. Der Druckverlust, also die Widerstände, die im Rohrnetz überwunden werden müssen, wird durch die Rohrnetzberechnung ermittelt. Beide Parameter bilden den Auslegungsbetriebspunkt der Anlage. Entspricht der errechnete Auslegungsbetriebspunkt nicht dem Betriebspunkt der gewählten Pumpe, so ergibt sich eine Auswahl zwischen mindestens zwei Pumpen. Eine Pumpe ist dabei „zu groß“ und eine „zu klein“. Da der Auslegungspunkt einen maximalen Betriebspunkt darstellt, sollte man immer die kleinere Pumpe wählen. Eine Unterversorgung ist in der Regel nicht zu befürchten. Die Auswahl der kleineren Pumpe hat den Vorteil, dass sich der Stromverbrauch verringert, die Strömungsgeräusche abnehmen und die Anschaffungskosten reduzieren.

Pumpentypen

Im Wesentlichen lassen sich Umwälzpumpen in vier Pumpentypen gliedern:

  • Ungeregelte Pumpen
  • Mehrstufige Pumpen
  • Elektronisch geregelte Pumpen
  • Hocheffizienzpumpen

Ungeregelte Pumpen

Beispiel: Einstufige Pumpe

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Ungeregelte Pumpen arbeiten immer mit voller Leistung. Während der Heizperiode laufen sie oft im Dauerbetrieb. Da Pumpen auf den maximalen Förderstrom, das heißt auf den Wärmbedarf eines besonders kalten Tages, ausgelegt sind, arbeiten diese Pumpen in nahezu der gesamten Betriebszeit höchst unwirtschaftlich.

Mehrstufige Pumpen

Beispiel: Mehrstufige Pumpe

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Quelle: www.wikipedia.de

Bei den mehrstufigen Pumpen kann man die Leistung stufenweise, meistens zwischen drei Stufen per Hand ( manuell ) einstellen. In der eingestellten Stufe laufen sie dann allerdings auch mit einer festeingestellten Leistung. Ist diese zu hoch gewählt, gilt das gleiche, wie bei den ungeregelten Pumpen.

Hocheffizienzpumpen

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Quelle: www.wilo.de

Hocheffizienzpumpen arbeiten ebenfalls selbstständig und passen sich den unterschiedlichen Betriebszuständen an. Im Gegenteil zu den geregelten Standardpumpen besitzen Hocheffizienzpumpen aber sogenannte Permanentrotoren und benötigen daher einen wesentlich geringeren Stromverbrauch. Elektronisch geregelte Pumpen sind heute die einzigen Pumpentypen, die noch produziert werden und damit Stand der Technik. Der Austausch einer alten Umwälzpumpe durch eine Hocheffizienzpumpe wird zum Teil stark finanziell gefördert.

Beispiel: Aufbau einer Hocheffizienzpumpe

Quelle: www.wilo.de

Regelungs- und Betriebsarten

Üblicherweise werden heute elektronisch selbstregelnde Hocheffizienzpumpen verwendet, die sich dem jeweiligen hydraulischen Betriebszustand der Heizungsanlage anpassen. Insbesondere durch den Einbau von Thermostatventilen an Heizkörpern ergeben sich in Heizungsanlagen permanent wechselnde Volumenströme durch das Drosseln und Öffnen der Ventile.

Bei den modernen Hocheffizienzpumpen können daher an der Elektronik verschiedene Regelungs- und Betriebsarten eingestellt werden. Nachfolgend geben wir einen kurzen Überblick zu den häufigsten Regelungs- und Betriebsarten.

Regelungsarten

Differenzdruck konstant

Quelle: www.wilo.de

Die Elektronik hält den von der Pumpe erzeugten Differenzdruck über den zulässigen Volumenstrombereich konstant auf dem eingestellten Wert

Differenzdruck variabel

Quelle: www.wilo.de

Die Elektronik verändert den von der Pumpe einzuhaltenden Differenzdruck-Sollwert. Der Differenzdruck-Sollwert nimmt mit dem Volumenstrom zu oder ab

Temperaturgeführte Differenzdruckregelung

Die Elektronik verändert den von der Pumpe einzuhaltenden Differenzdruck-Sollwert in Abhängigkeit der gemessenen Medientemperatur.

Betriebsarten

Absenktautomatik ( Autopilot )

Quelle: www.wilo.de

Bei Reduzierung der Vorlauftemperatur fährt die Pumpe auf eine reduzierte Konstantdrehzahl. Diese Einstellung stellt sicher, dass der Energieverbauch der Pumpe auf ein Minimum reduziert wird.

Einbau und Inbetriebnahme

Allgemeine Montagehinweise

  • Der Einbau der Pumpe sollte spannungsfrei erfolgen ( Platz für Dichtungen beachten )
  • Die Pumpe sollte zwischen Absperrarmaturen eingebaut werden, damit ein späterer Austausch problemlos möglich ist
  • Der Montageort sollte gut zugänglich sein
  • Die Pumpe muss vor Tropf und Schwitzwasser geschützt sein
  • Bei Nassläuferpumpen muss die Pumpenwelle immer waagerecht angeordnet sein
  • Bei Trockenläuferpumpen mit angeflanschtem Motor darf der Motor nicht nach unten montiert werden
  • Beim Spülen von Rohrsystem sollte die Pumpe durch ein Passstück ersetzt werden, um sie vor Dreck zu schützen
  • Bei Inbetriebnahme von Drehstrom angetriebenen Pumpen ist die Drehrichtung zu kontrollieren, bei Bedarf ist die Pumpe zu entlüften
  • Die Pumpe niemals trocken laufen lassen

Beispiel: Einbaulagen für Nassläuferpumpen ( Auszug )

Quelle: www.wilo.de

Hinweise und Empfehlungen

  • Nur richtig dimensionierte und richtig eingestellte Pumpen sparen Strom und verhindern Geräusche. Vorraussetzung dafür ist ein hydraulisch abgeglichenes System
  • Einstellung der Förderhöhe, um Pumpenleistung an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dadurch lassen sich Geräusche vermeiden und Strom einsparen.