Energielabel für Umwälzpumpen

A-Klasse mit ECM-Technologie

Im Rahmen des Kyoto-Abkommens wird das Ziel verfolgt, den weltweiten CO²-Ausstoss deutlich zu verringern. Als ein wesentliches Steuerelement wird die Energiekennzeichnung besonders energierelevanter Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Kühlschränke vorgeschrieben, um dem Endverbraucher eine Entscheidungshilfe zugunsten energiesparender Geräte zu geben.

Neues Kundenbewusstsein für stille Energiefresser

Einer der grössten und anonymsten Energieverbraucher in einem Durchschnittshaushalt sind Umwälzpumpen. Obwohl eine Kennzeichnung für Umwälzpumpen vom Gesetzgeber noch nicht vorgeschrieben ist, führt EMB Pumpen AG ab 2006 ein komplettes Programm an Pumpen für alle Gebäudegrössen, welche der effizientesten Klasse, der Energieklasse A, angehören und wird diese auch entsprechend Kennzeichnen. Mit der Lancierung dieses Projektes will EMB Pumpen AG bei Betreibern von Anlagen das Bewusstsein für den Energieverbrauch von Pumpen wecken, bevor diese Thematik per Gesetz vorgeschrieben wird.

Potential frühzeitig erkannt und entsprechend gehandelt

Es ist nicht das erste Mal, dass der Rheinfelder Pumpenspezialist Masstäbe in Sachen Effizienz setzt. Blicken wir zurück, so brachte EMB Pumpen AG bereits 1988 mit der E-Baureihe die erste elektronisch geregelte Nassläuferpumpe auf den Schweizer Markt.

Die Effizienz der Asynchronmotoren wurde in den vergangenen Jahren stetig verbessert. Nun ist die technologische Grenze dieses Motorentyps in Sachen Energieverbrauch jedoch erreicht. Ein wesentlicher Schritt gelang dann 2001 mit der Einführung der Baureihe EMB-Stratos in ECM-Motorentechnik (EC = Electronic Commutated). Die Basis dieser neuen Motorart ist ein Synchronmotor mit Dauermagnetrotor. Das umlaufende Statormagnetfeld wird durch eine elektronische Kommutierung erzeugt. Die Statorwicklungen werden für die erforderliche Wechselwirkung der elektrischen und magnetischen Pole gezielt angesteuert.

Grösste Einsparungen im Haushalt

Die Bedeutung dieser Entwicklung wird aus einer Analyse der IEA (Internationale Energieagentur, Paris) offensichtlich [1]. Daraus geht hervor, dass kleine Heizungspumpen in Europas Haushalten im Jahre 2030 circa 43.000 GWh Strom verbrauchen werden. Verblüffend ist der Vergleich mit anderen Haushaltsgeräten: Waschmaschinen werden zum Beispiel nur 22.000 GWh benötigen. Bei dieser Zukunftsprognose wird angenommen, dass dieselben Pumpentypen wie heute mit denselben prozentualen Anteilen im Einsatz sind. Noch interessanter ist jedoch, was die weiteren Berechnungen der IEA zeigen: Durch konsequente Ausnutzung der ECM-Motorentechnologie und neuster Hydrauliktechnik bei Pumpen könnte dieser Energieverbrauch um ca. 30.000 GWh, also um fast 70 Prozent gesenkt werden. Damit ergibt sich bei Pumpen eines der grössten Einsparpotenziale im gesamten Haushaltsstrombereich.
1/2 – Die bewährte EMB-Stratos und die neue EMB-ECO-Star
beide in ECM-Synchron-Technologie.

Energieklasse A – das neue Label für ECM-Pumpen von EMB Pumpen AG

Mit der Einführung der neuen EMB-ECO-Star (Bild 1) verfügt das Hause EMB zusammen mit der Baureihe Stratos über eine vollständige Palette an Umwälzpumpen, welche die hohe Hürde der A-Klassigkeit in Sachen Energieeffizienz erfüllt (Bild 2). Damit wird es in Zukunft möglich, vom Einfamilienhaus bis hin zu Grossüberbauungen und Industrieanlagen mit dem Einsatz der entsprechenden Pumpen einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion des Energieverbrauches zu leisten. Neben der Klassifizierung gibt es jedoch weitere entscheidende Faktoren für den Energieverbrauch einer Pumpe. Hier ist der Planer unentbehrlich: Durch die Auslegung des Rohrnetzes, die Abstimmung der Komponenten untereinander und die Vermeidung von Leerlaufphasen (zum Beispiel durch eine automatische Nachtabsenkung der Pumpe) lassen sich weitere Einsparpotenziale erschliessen.

Der lange Weg zum Energielabel für Pumpen

Die besondere Zielsetzung war, das reale Betriebsverhalten der Pumpen im Heizungsbetrieb für die Energieklassifizierung zu berücksichtigen. Zudem musste das Klassifizierungssystem für alle europäischen Staaten gültig und anwendbar sein. Deshalb wurde in einem ersten Schritt eine europaweite Marktanalyse durchgeführt, die die Häufigkeit verschiedener Anlagentypen und Betriebsweisen abbildet.

Ergebnisse dieser Studie [2] sind, dass beispielsweise die Wärmeübergabe im Raum zu 75% der Anwendungen durch Heizkörper, zu 13% durch Gebläsekonvektoren und zu 12% durch Fussbodensysteme realisiert wird. Die Regelung der Raumtemperatur erfolgt im Wesentlichen entweder durch manuelle Ventileinstellung (49%) oder durch Thermostatregelventile im Vor- oder Rücklauf (49%).
3 – Simulationstechnische Untersuchung des Betriebsverhaltens von Heizungsumwälzpumpen in Gebäuden

Auf Basis der gesammelten Anlagendaten lässt sich mit Hilfe von Simulationen und Messungen das typische Betriebsverhalten von Heizungspumpen ermitteln. Als Beispiel ist in Bild 3 schematisch ein Gebäude mit Thermostatventilen dargestellt. In der Simulation kann nun der hydraulische Bedarf der Anlage, d.h. der benötigte Volumenstrom und Differenzdruck, auf Basis des Wärmebedarfes zu jedem Zeitpunkt des Jahres ermittelt werden. Ein Ergebnis dieser Simulationen zeigt Bild 4.
4 – Typische Volumenstromvariabilität und Differenzdruckbedarf in einer Heizungsanlage

Aufgrund des Regeleingriffs der Thermostatventile ergibt sich ein über einen weiten Bereich variabler Volumenstrom und ein Differenzdruckbedarf, der mit zunehmendem Volumenstrom ansteigt. Weiterführende Aussagen können erzielt werden, wenn die Betriebspunkte nach ihrer Häufigkeit sortiert werden.
5 – 90% der häufigsten Betriebspunkte eines Jahres: Starkes Teillastverhalten mit Dp-variabel Charakteristik

In Bild 5 sind 90% der am häufigsten auftretenden Betriebspunkte eines Jahres dargestellt. Daraus lässt sich deutlich erkennen, dass die Heizungspumpe überwiegend im Teillastbereich arbeitet. Der dargestellte Differenzdruckverlauf gleicht einer Dp-variabel Charakteristik von geregelten Pumpen.

Vergleichbare Analysen wurden für unterschiedliche Gebäudetypen wie Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie Nicht-Wohngebäude, verschiedene Wärmedämmstandards und Anlagenbedingungen durchgeführt [3]. Die Ergebnisse sind grundsätzlich mit dem in Bild 4 und 5 gezeigten Resultat vergleichbar. Aus diesen Analyseergebnissen kann ein typisches Betriebsverhalten bzw. Lastprofil für Heizungspumpen abgeleitet werden, wenn die Daten entsprechend in Volumenstromklassen eingeteilt werden (Bild  6). Die anteilige Betriebszeit der Pumpen ist bei kleinen Volumenströmen besonders hoch.
6 – Lastprofil für den Betrieb von Heizungspumpen

Geltungsbereich des Energielabels für Heizungspumpen

Um eine sinnvolle Vergleichbarkeit der Energieklassifizierung zu ermöglichen, müssen bestimmte Randbedingungen erfüllt sein.

I) Anwendung in der Heizungstechnik
Das oben dargestellte Lastprofil gilt für Anwendungen in der Heizungstechnik. Für andere Anwendungen – beispielsweise in der Kälte- und Klimatechnik oder Trinkwasserzirkulation – können sich andere Lastprofile und somit andere Energiekennwerte ergeben.

II) Eigenständiger Betrieb der Pumpen (Stand alone)
Insbesondere Pumpen, die in Wandgeräten eingebaut sind, werden von der Heizgerätesteuerung in Abhängigkeit vom Brennprozess ein- und ausgeschaltet oder drehzahlgeregelt. Die erzielten Ergebnisse lassen sich auf diese herstellerspezifischen Lösungen nicht übertragen.

III) Kreiselpumpen in Nassläuferbauweise
Pumpen anderer Bauart sind technisch nicht vergleichbar und führen daher zu ungültigen Klassifizierungsergebnissen.

IV) Elektrische Aufnahmeleistung P1 bis 2.500 W
7 – Referenzkurve für die energetische Bewertung von Heizungspumpen; Abweichungen – wie bei einer Standardpumpen – führen zu einem höheren Energie Effizienz Index

Das Klassifizierungsverfahren

Die Klassifizierung der Energieeffizienz von Heizungspumpen erfolgt durch ein messtechnisches Verfahren. Dabei wird die Leistungsaufnahme der Heizungspumpe in vier verschiedenen Betriebspunkten gemäss des oben dargestellten Lastprofils gemessen (Bild 7). Da, wie oben dargestellt, für viele Anlagen eine Dp-variabel Regelcharakteristik vorteilhaft ist, dient diese Regelkurve als Referenz. Abweichungen von der Regelkurve führen zu höheren Energiekennwerten. Die ermittelten Leistungsaufnahmen in den vier Betriebspunkten werden mit den Zeitanteilen aus dem Lastprofil gewichtet.

Die so errechnete mittlere Leistungsaufnahme der Pumpe wird dann ins Verhältnis zu einer typischen Leistungsaufnahme vergleichbarer Heizungsumwälzpumpen mit gleicher hydraulischer Leistung gesetzt. Dies ist die so genannte Referenzleistungsaufnahme, die aus Messungen einer Vielzahl von handelsüblichen Pumpen ermittelt wurde.

Das Ergebnis der Berechnung ist der Energie-Effizienz-Index, EEI. Je kleiner der EEI, desto weniger elektrische Energie verbraucht die Pumpe, und desto besser ist die Energieklassifizierung.
 mit
 ,
 :Maximale hydraulische Leistung der Pumpe (Nennpunkt)
Tabelle 1 zeigt die Wertebereiche des EEI der Energieklassen A-G.

Autoren:

Dr. Thorsten Kettner
Stephan Schmied
Dr. Frank-Hendrik Wurm
Daniel Kneubühler

Literatur:

[1] Alan Meier: Energy Efficiency Policy: A Global Perspective, EEDAL’03 Conference, September 2003, Turin.

[2] Nils Bidstrup, et al: Classification of Circulators, EEDAL’03 Conference, September 2003, Turin.

[3] Rainer Hirschberg, «Bestimmung der Belastungsprofile von Heizungsumwälzpumpen in der Gebäudetechnik», VDMA-Bericht, Mai 2001.

[4] Rainer Hirschberg, «Bestimmung der Belastungsprofile von Heizungsumwälzpumpen in der Gebäudetechnik – Vergleichende Betrachtung für Süd- und Nordeuropa», VDMA-Bericht, März 2002.

[5] Hansjürgen Kech, Franz Meyer, «Stromsparende Pumpen für Heizungs- und Solaranlagen», BINE Informationsdienst, Projektinfo 13/01.