Verteiltes Pumpen: Den Fuß von der Bremse nehmen

Wenn man den Energieverbrauch von Gewerbegebäuden betrachtet, ist die Raumkühlung einer der größten Stromverbraucher. Zentrale Kühlung wird in großen Gebäuden eingesetzt, in denen eine Kaltwasseranlage 20 bis 30 % der gesamten elektrischen Energie eines Gebäudes verbrauchen kann. Pumpen sind erforderlich, um das gekühlte Wasser an die Lüftungsgeräte des Gebäudes zu verteilen.

Das derzeit am häufigsten verwendete Kaltwasserdesign ist ein System mit variablem Primärdurchfluss (VPF). Ein vereinfachtes Beispiel dieser Konstruktion ist in Bild 1 dargestellt. Wasser wird durch die Kältemaschinen gepumpt, an die Lüftungsgeräte des Gebäudes verteilt und dann zu den Pumpen zurückgeführt. Bei dieser Konstruktion muss die Pumpenförderhöhe ausreichend sein, um die Reibungsverluste durch die Kältemaschinen, die Rohrleitungen, die Luftbehandlungsschlangen sowie die Steuer- und Ausgleichsventile zu überwinden. Die gebräuchlichste Steuerungsmethode für Pumpen mit variabler Drehzahl ist die Drucksteuerung über einen Differenzdrucktransmitter, der strategisch im Rohrleitungssystem platziert ist. Wenn ein konstanter Differenzdruck aufrechterhalten wird, werden jedem Lüftungsgerät ausreichend Druck und ausreichend Durchfluss zugeführt. Wenn der Kaltwasserdurchflussbedarf der Luftbehandlungsgeräte geringer ist als der Mindestdurchflussbedarf des Kühlers, muss ein Bypassventil geöffnet werden, um die Kühler zu schützen.

Bevor sich VPF-Designs immer weiter durchsetzten, waren Primär-/Sekundärsysteme der Standard für Kaltwassersysteme und werden auch heute noch bei der Konstruktion berücksichtigt. Ein vereinfachtes Beispiel eines konstanten Primär-/variablen Sekundärsystems ist in Bild 2 dargestellt. Für diese Art der Konstruktion sind zwei Pumpensätze erforderlich. Die Primärpumpen versorgen den Hauptkühlkreislauf mit Wasser. Diese Pumpen müssen nur genügend Förderhöhe bereitstellen, um die Rohr-, Armaturen- und Ventilverluste sowie die Druckverluste durch die Kältemaschinen zu überwinden. Die Sekundärpumpen verteilen Wasser an die Lüftungsgeräte, wo der Pumpenkopf die Reibungsverluste durch die Rohrleitungen, Luftbehandlungsspulen, Steuer- und Ausgleichsventile überwinden muss. Ähnlich wie beim VPF-System wird ein Differenzdrucktransmitter an einer strategischen Stelle installiert, um einen ausreichenden Druck aufrechtzuerhalten und so einen ausreichenden Durchfluss für jedes Lüftungsgerät (AHU) sicherzustellen.

Sowohl VPF- als auch Primär-/Sekundärsysteme erfordern den Einsatz von Steuer- und Ausgleichsventilen, um den ordnungsgemäßen Durchfluss zu jeder Lüftungseinheit sicherzustellen. Bild 3 zeigt eine typische Spulenrohranordnung für ein Lüftungsgerät. Mithilfe eines modulierenden Regelventils wird eine konstante Ablufttemperatur (LAT) aufrechterhalten. Ein Anstieg der Rückluft- und/oder Außenlufttemperatur führt zu einem Anstieg der Austrittslufttemperatur, was einen zusätzlichen Kühlstrom erfordert. In diesem Fall moduliert das Steuerventil in eine offenere Position. Ebenso führt eine Verringerung der Rückluft- und/oder Außenluft zu einer Verringerung der Austrittslufttemperatur und das Steuerventil wird in eine eher geschlossene Position gesteuert.

Um einen ordnungsgemäßen Durchfluss zur Spule zu gewährleisten, muss die Pumpe genügend Förderhöhe bereitstellen, um die Druckverluste durch die Spule, die Steuer- und Ausgleichsventile zu überwinden. Damit ein Durchfluss erfolgen kann, muss an einem Steuerventil ein Druckabfall vorhanden sein. Wenn der Druckabfall über dem Ventil bei vollständiger Öffnung nicht groß genug ist, um einen ausreichend großen Prozentsatz des gesamten Druckverlusts des Systems auszumachen, ändert sich der Flüssigkeitsdurchfluss kaum, bis das Ventil tatsächlich schließt. Wenn eine gute Steuerung gewünscht wird, müssen Steuerventile so ausgewählt werden, dass sie an die Leistung der Kühlschlange angepasst sind. Eine gängige Faustregel zur Gewährleistung einer guten Regelung besteht darin, Ventile so auszuwählen, dass bei Auslegungsdurchfluss 25 % bis 50 % des gesamten Systemdruckabfalls vom Regelventil absorbiert werden. Unterdimensionierte Steuerventile können zu einer guten Ventilautorität/guten Steuerung führen, sind aber möglicherweise nicht in der Lage, bei Spitzenbedarf einen ausreichenden Durchfluss bereitzustellen, während überdimensionierte Steuerventile zu einer schlechten Steuerung führen können.

Eine Möglichkeit, Probleme mit Regel- und Ausgleichsventilen zu vermeiden, besteht darin, diese zu beseitigen. Bild 4 zeigt, wie das Steuer- und Ausgleichsventil durch eine intelligente Pumpe mit integrierter Steuerung ersetzt werden kann. Durch diese Konstruktion kann nun derselbe Temperatursensor, der am Regelventil angeschlossen war, direkt an die Pumpe angeschlossen werden. Die intelligente Pumpe mit variabler Drehzahl kann ihre Drehzahl anpassen, um den Austrittstemperatur-Sollwert aufrechtzuerhalten. Es erfüllt im wahrsten Sinne des Wortes die gleiche Funktion wie das Steuerventil, jedoch bei einem viel niedrigeren Betriebsdruck. Das Rückschlagventil verhindert einen Rückfluss zur Versorgungsseite, wenn das Klimagerät nicht verwendet wird. Eine Analogie zum Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die Steuer- und Ausgleichsventile die Bremsen in einem Automobil darstellen und die Pumpe das Gaspedal (Gaspedal). Anstatt sowohl das Gaspedal als auch die Bremse zu betätigen, gibt die intelligente Pumpe in diesem Fall einfach die Menge an Gas zu, die erforderlich ist, um die Geschwindigkeit oder den Sollwert aufrechtzuerhalten.

Bild 5 zeigt ein Beispiel eines verteilten Pumpsystems. Das System ähnelt einem primären/sekundären System, abgesehen davon, dass es über ein zentralisiertes sekundäres Pumpsystem verfügt. In diesem Fall wird der Durchfluss vom Entkoppler von den intelligenten (verteilten) Pumpen verwaltet. Die verteilten Pumpen sind so dimensioniert, dass sie die Reibung von der Zulaufseite des Entkopplers zum AHU sowie von der Rücklaufseite des Entkopplers überwinden. Die Primärpumpen müssen lediglich die Reibung über den Primärrohrkreislauf und den Kühler überwinden. Die Steuerung der Primärpumpen erfolgt temperaturabhängig. Es gibt vier Temperatursensoren, zwei auf jeder Seite des Entkopplers. Die Steuerung der Primärpumpe sollte so eingestellt sein, dass bei ausreichender Kühllast kein Durchfluss durch den Entkoppler erfolgt. Wenn das Delta-T auf der Lastseite (T4-T3) mit dem Delta-T auf der Kältemaschinenseite (T2-T1) übereinstimmt, erfolgt kein Durchfluss im Entkoppler. Dies bedeutet, dass der Kaltwasserdurchfluss dem erforderlichen Durchfluss zur Bewältigung der Last entspricht. Im Wesentlichen sind die Steuerungen so eingerichtet, dass zwischen Vor- und Rücklauf auf beiden Seiten des Entkopplers ein Null-Delta-T aufrechterhalten wird. In diesem Fall befindet sich das System im perfekten Gleichgewicht, ohne dass ein übermäßiger Durchfluss zu den Kältemaschinen auftritt. Dies führt zu einer optimalen Kühlerleistung und niedrige Delta-T-Bedingungen werden vermieden. Durch den Einsatz verteilter Pumpen kann Kühlenergie eingespart werden, die die Energieeinsparungen der Pumpen übersteigen kann. Die Steuerung sollte außerdem über einen Kältemaschinenschutz-Steuermodus für Zeiten mit geringem Durchfluss verfügen. Dies kann durch die Überwachung des Differenzdrucks des Kühlers oder die Verwendung eines Durchflusssensors erreicht werden. Wenn der Mindestdurchfluss des Kühlers erreicht ist, halten die Primärpumpen die erforderliche Drehzahl aufrecht, um den Kühler zu schützen, bis der Kühlwasserbedarf steigt.

Der Einsatz intelligenter verteilter Pumpen auf diese Weise hat mehrere Vorteile.

Das System ist selbstausgleichend, sodass keinerlei Ausgleichs- oder Steuerventile erforderlich sind. Dies reduziert Zeit und Kosten während des Test- und Auswuchtprozesses.

Verbessertes Delta-T der Kältemaschine, da intelligente Pumpen genau auf die Last abgestimmt sind, so dass kein Überpumpen auftreten kann. Darüber hinaus verfügen viele intelligente Pumpen über eine Durchflussbegrenzungsfunktion.

Die Leistung der angeschlossenen Pumpen ist geringer, da jede Pumpe für einzelne Spulen dimensioniert ist und kein Steuer- oder Ausgleichsventil vorhanden ist. Ein Regel- und Ausgleichsventil weist typischerweise einen Druckabfall zwischen 5 und 10 Pfund pro Quadratzoll (psi) auf.

Die Pumpenenergie wird geringer sein, da kein Mindestdifferenzdruck im System eingehalten werden muss. Der Pumpenwirkungsgrad bleibt nahezu konstant, da die verteilte Pumpe einer reinen Reibungssystemkurve ohne feste Förderhöhe folgt. Die Energieeinsparung der Pumpe kann im Vergleich zu einem herkömmlichen System 50 bis 80 % betragen.

Der Durchfluss kann mit der verteilten Pumpe sofort gesteuert werden, so dass die Steuerung präzise ist und auch keine Angst vor einem Überdruck der Steuerventile besteht, der ihre Steuerbarkeit beeinträchtigt.

Niedrigere Installationskosten als ein Primär-/Sekundärsystem aufgrund des Wegfalls von Steuerventilen und einer geringeren Pumpenleistung (kann etwas teurer sein als ein VPF-System).

Angesichts der jüngsten Fortschritte in der Pumpentechnologie und der VFD-Zuverlässigkeit gibt es nur wenige Nachteile des verteilten Pumpens, aber einige sind es wert, aufgeführt zu werden.

Alle Spulen müssen über eine Pumpe verfügen. Für kritische Anwendungen, bei denen Redundanz erforderlich ist, kann eine Doppelpumpenanordnung oder ein alternatives Verteilungsdesign erforderlich sein.

Größenbereich intelligenter Pumpen: Kleine Umwälzpumpen mit weniger als 5 bis 10 Gallonen pro Minute (gpm) verfügen selten über integrierte Steuerungen, die ein Lufttemperatursignal aufnehmen und eine Austrittslufttemperatur aufrechterhalten. Regelventile werden jedoch selten in Durchflussbereichen unter 10 gpm verwendet. In diesen Fällen werden Gebläsekonvektoren mit einfachen Ein-/Aus-Ventilen verwendet. In diesem Fall kann eine differenzdruckgesteuerte intelligente Pumpe verwendet werden, um den Durchfluss für eine Gruppe von Gebläsekonvektoren bereitzustellen .

Das Konzept des verteilten Pumpens ist nicht neu. Es wird seit mindestens 15 Jahren diskutiert. Vor zehn bis 15 Jahren galt diese Lösung aufgrund der Kosten für einzelne Komponenten von Pumpen, Motoren, Antrieben und Sensoren sowie des Installations- und Inbetriebnahmeaufwands als zu teuer. Heutzutage können Pumpen mit integrierten Steuerungen, Druck- und Temperatursensoren und einer einfachen Anbindung an Gebäudemanagementsysteme ausgestattet werden. Inline-Pumpen mit Permanentmagnet-/elektronisch kommutierten Motoren und Nassrotor-Designs bieten überlegene Effizienz und wartungsfreien Betrieb, die oft die gleichen Installationskosten verursachen wie moderne integrierte Steuer- und Ausgleichsventillösungen.

Steven T. Taylor, Optimizing Design & Control of Chilled Water Plants Teil 1: Auswahl des Kaltwasserverteilungssystems, ASHRAE Journal, Juli 2011

Sam KH Lam, Chris Tham, Sunil Saseedharan, Liong Yin Churn, Adrian Wang, Distributed Pumping Chilled Water Hydronic System for Air-conditioning Systems, Juli 2017

ASHRAE Handbook IP Edition 2016, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensysteme und -geräte

Reece Robinson ist Spezialistin für Schulungen und technische Inhalte im Bereich Commercial Building Services für Grundfos. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.grundfos.com.