Pumpentechnik im „The Squaire“
Bedarfsabhängig geregelte Umwälzpumpen
Das Großgebäude „The Squaire“ gliedert sich direkt über dem ICE-Fernbahnhof am Frankfurter Flughafen in sechs Bauteile mit Business- und Conference-Center, Hotels und einer auf den Bedarf von Arbeitenden und Reisenden abgestimmten Infrastruktur aus Gastronomie, Geschäften und verschiedenen Dienstleistungen. Der langgestreckte Baukörper mit elf Nutzungs- und Technikebenen bedeutet für die Versorgung mit Heizung und Kälte lange, weit verzweigte Leitungswege und damit eine ebenso anspruchsvolle wie sensible Anlagenhydraulik. Drehzahlgeregelte Umwälzpumpen passen die Versorgung der Heiz- und Kühlsysteme genau dem jeweiligen Leistungsbedarf an.
Regelgenauigkeit in der Anlagenhydraulik
Die Heizwärme für „The Squaire“, das die Grenzen zwischen Gebäude und Stadt überschreitet, wird vom Fernwärmenetz des Frankfurter Flughafengeländes abgezweigt. Die Hauptverteiltrasse für die Wärmeversorgung verläuft über dem ICE-Bahnhof oberhalb der Deckenverkleidung, die wegen der durchgebogenen, organischen Form „Fischbauch“ genannt wird. Die Kälteversorgung für das moderne Bauwerk mit der großflächigen Glasfassade kann bis zu einer Außentemperatur von +10 °C über freie Kühlung bewerkstelligt werden, bevor Kältemaschinen den darüber hinausgehenden Kühlbedarf abdecken.
Innerhalb des Gebäudekomplexes galt es für die Verteilung der Heiz- und Kühlenergie eine passende Versorgungsinfrastruktur zu entwickeln. Durch die Abmessungen des Bauwerks mit 660 m Länge und 45 m Höhe verteilt sich diese auf mehrere Technikzentralen. Das dementsprechend weitverzweigte Leitungsnetz dehnt sich über insgesamt elf Nutzungs- und Technikebenen aus. Damit stellen sich hohe Anforderungen an die Anlagenhydraulik, die besonders im Teillastbetrieb und bei auftretenden Lastwechseln schwer beherrschbar ist. Ein Hauptverteiler in jeder Technikzentrale bildet den jeweiligen hydraulischen Nullpunkt für die Heizungs- und Kälteverteilungen. Zubringerpumpen transportieren die Heizwasser- und Kaltwasserströme zu den Verteilern. An den Abgängen dieser Verteilersysteme versorgen drehzahlgeregelte Umwälzpumpen die Heiz- und Kühlkreise.
Automatische Leistungsanpassung
Für eine bedarfsgerechte Regelung sind die eingesetzten KSB-Umwälzpumpen mit der stufenlosen Pumpendrehzahlregelung „PumpDrive“ ausgerüstet. Das Drehzahlregelsystem registriert über einen Sensor fortlaufend Veränderungen und passt die Förderdaten stufenlos dem tatsächlichen Bedarf an. Bei abnehmendem Förderstrom registriert das Drehzahlregelsystem einen Druckanstieg. Daraus werden in Abhängigkeit vom Solldruck die benötigte Förderleistung errechnet und die Drehzahl der Pumpe entsprechend angepasst. Steigt der Verbrauch wieder an, reagiert die Drehzahlregelung auf den daraus resultierenden Druckabfall und erhöht die Pumpenleistung.
Bei stark schwankendem Förderstrom sichert eine so genannte „dynamische Druckkompensation“ den konstanten Druck bei den Verbrauchern. Dies wird erreicht, indem die Druckverluste in den Rohrleitungen in den Sollwert mit einbezogen werden. Die Betriebskosten für den elektrischen Antrieb der Pumpen vermindern sich dadurch um bis zu 60 %. Als Absperrarmaturen wurden für die Heizungs- und Kälteverteilungen strömungsgünstige KSB-Absperrklappen der Baureihe „Boax“ (www.ksb.com) eingesetzt. Die niedrigen Widerstandsbeiwerte vermindern die Summe der Einzelwiderstände, so dass dadurch zusätzlich Energie für den Pumpenbetrieb eingespart werden kann.
Bedarfsgerechte Verteilung von Heiz- und Kühlenergie
Beheizt und gekühlt wird das Gebäude über Bauteilaktivierung sowie Heiz- und Kühldecken. Das Prinzip ist hierbei, die Grundlasten über die Bauteilaktivierung zu decken. Die Heiz- und Kühldecken übernehmen den darüber hinausgehenden Heiz- und Kühlbedarf. Bei kurzzeitigen Bedarfsspitzen wird zusätzlich über die RLT-Anlagen geheizt oder gekühlt. Um bei Bedarf schnell zwischen den Betriebsarten Heizen und Kühlen wechseln zu können, sind Wärmetauscher zwischengeschaltet. Das Heizsystem arbeitet mit zwei verschiedenen Systemtemperaturen.
Die Hochtemperaturkreise (85/45 °C) versorgen die RLT-Anlagen, die Bauteilaktivierungen werden vorlaufseitig mit 45 °C bei 10 K Spreizung versorgt. Das Temperaturniveau der Rückläufe aus den Hochtemperaturkreisen wird über dreistufige Zortström-Verteiler unmittelbar für die Flächenheizsysteme weiterverwendet.
Wie die Hydraulik für die Kälteverteilungen aufgebaut ist, zeigte vor Ort ein Blick in die Technikzentrale für Bauteil 1: Ein Vorverteiler mit insgesamt fünf drehzahlgeregelten Umwälzpumpen der Baureihe „Etaline“ versorgt den Kältehauptverteiler mit den benötigten Kaltwasser-Massenströmen. Für eine schnelle Reaktionsfähigkeit im Kältesystem sorgt ein Pufferspeicher mit 3000 l Speichervolumen.
Trotz der großen Heiz- und Kühlflächen in den neun Etagen wird die Wärme- und Kälteenergie bedarfsgerecht und fein dosiert verteilt. Damit lassen sich vor allem die hydraulisch sensiblen Systeme wie die Thermische Bauteilaktivierung effizient und regelgenau betreiben. Die Drehzahlregelung der Umwälzpumpen lässt bei Schwachlast auch sehr kleine Volumenströme zu. Das Anlagensystem ist damit in der Lage, schnell wieder von Kälte- auf Wärmeversorgung umzuschalten, ohne dass dadurch die Hydraulik aus dem Gleichgewicht gerät. So sorgt die automatische Leistungsanpassung zum Beispiel dafür, dass die Umwälzpumpen bei Kühlbetrieb nicht mehr Kaltwasser als nötig durch die kleinen Rohrquerschnitte der Bauteilaktivierung fördern. Dadurch lässt sich vermeiden, dass wegen zu hoher Volumenströme die Kältemaschinen zu früh anspringen.
Fabrikatunabhängige Pumpenregelung
Neben der Energieeinsparung bewirkt die leistungsangepasste, stufenlose Drehzahlregelung durch den sanft geregelten Pumpenanlauf und die verminderte Zahl von Start-/Stoppvorgängen auch die mechanischen Belastungen für die Pumpen. Die „PumpDrive“-Einheiten werden direkt am Motorgehäuse montiert. Darüber hinaus ist das Drehzahlregelsystem unabhängig vom Motorfabrikat einsetzbar. Für eine auf Energieoptimierung ausgerichtete Pumpensteuerung sind damit keine zusätzlichen, separaten Regelungskomponenten erforderlich. So kann die Regelung aller im Objekt vorgesehenen Pumpen mit einem einheitlichen Regelsystem bewerkstelligt werden.
Das Drehzahlregelsystem ist busfähig und unterstützt die Übertragungsprotokolle LON, Modbus und Profibus. Für die Heizungs- und Kälteversorgung im Objekt „The Squaire“ wurden die „PumpDrive“-Einheiten in der Ausführung Advanced (mit Bedieneinheit und Display) eingesetzt, so dass das Gebäudetechnik-Servicepersonal des Facility Managements direkt an den Pumpen oder über die Gebäudeleittechnik die Betriebszustände und Parameter abfragen und bei Bedarf anpassen kann.
