Strahlpumpen in TGA-Anlagen

Veraltete Heizungen, die meis­tens nur einen geringen Wir­kungsgrad haben, lassen sich etwa durch moderne Brennwert­technik, Wärmepumpen, BHKW oder Fernwärmeanlagen ener­ge­tisch sinnvoll ersetzen. Einfache Maßnahmen für weitere Einspar­effekte sind beispielsweise moderne Regler kombiniert mit einem Außenfühler, die sich auf wechselnde Außentemperaturen einstellen und Wärme entsprechend dem Bedarf bereitstellen. Entsprechende Schaltzeiten bewirken Temperaturabsenkungen in der Nacht, auch tagsüber etwa bei Vollzeit-Berufstätigen, in Urlaubszeiten sowie die Abschaltung von Zirkulationspumpen – je nach Bedarf. Darüber hinaus bringen die hydraulische Einregulierung und damit die Reduzierung der transportierten Wassermenge eine beachtliche Energieeinsparung und so eine deutliche Verringerung der Stromkosten[2].

Aus energetischen Gründen sind heute tiefe Rücklauftemperaturen gewünscht. Dies wird erreicht durch die Aufschaltung der Temperaturdifferenzen – Vorlauf abzüglich Rück­lauf­temperatur – auf eine Umwälzpumpe mit Frequenzumformer.

Energieeinsparung durch die Strahlpumpentechnologie

Eine immer noch zu wenig bekannte bzw. beachtete Technik im Hinblick auf Energieeinsparung ist die Strahlpumpentechnologie. Sie ist sowohl im Neubau als auch bei Modernisierungen schon seit Jahrzehnten bei Heizung, Lüftung und Klima mit großem Erfolg im Einsatz und wurde permanent weiterentwickelt. Sie eignet sich für jede moderne Wärmeerzeugung mittels Solaranlagen, Holzheizungen, Wärmepumpen, Fernheizung und BHKW, kann jedoch ebenso bei Öl- und Gasheizungen energiesparend eingesetzt werden. Je nach Bedarf regeln sie auch Lüftungs- und Kälteanlagen. Ihr Grundprinzip ist die Verwertung von meistens vorhandenem oder zu erzeugendem Differenzdruck in Hydrauliksystemen.

Die Strahlpumpe bewirkt eine große Temperaturspreizung über die Verbraucherkreise. In Kombination mit witterungsabhängiger Regelung und Boilervorrangschaltung führt das zu einer niedrigen Rücklauftemperatur, die besonders wichtig ist bei Wärmeübergabestationen für Fernwärme. Strahlpumpen sind in unterschiedlichen Ausführungen als Muffen- oder Flanschstrahlpumpen von 10 W bis 40 MW einsetzbar und können vom Einfamilienhaus bis zur Großindustrie ihren vielfältigen, energiesparenden Einsatz finden. Dafür gibt es außer den im Artikel vorgestellten zahlreiche weitere Beispiele:

Die Strahlpumpentechnologie ermöglicht eine hohe Regelgüte und eine optimale Wärmenutzung. Sie führt u.a. dazu, dass Umwälzpumpen inklusive entsprechender Steuerungen und den dazugehörigen Datenpunkten sowie Differenzdruckregler und Armaturen wie Rückschlagventile und Mengenbegrenzer überflüssig werden und wegfallen können. Die Investitionskosten reduzieren sich deutlich, bei einem Anschluss an die Fernwärmeversorgung beispielsweise bis zu 80 %. Anstelle der elektrodynamischen Wasser-Wärmeverteilung durch Mischregelung über Dreiwegeventil und Umwälzpumpe führt die hydrodynamische Wasser-Wärmeverteilung mittels Strahlpumpentechnologie zu einer hydraulischen Stabilität des Energieverteilnetzes. Die lange Lebensdauer der Strahlpumpe – 15 Jahre nach VDI 2067 gegenüber ca. zehn Jahren bei Umwälzpumpen – senkt die Kosten ebenfalls und sorgt für eine höhere Verfügbarkeit der Anlage. Je weniger Geräte und Armaturen die Anlage braucht, desto geringer ist der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand.

Wassererwärmung nach dem Durchflussprinzip

Der Einbau einer Trink­wasser­erwär­mungs­anlage nach dem Durchflussprinzip mit der Strahlpumpentechnologie führt zur Einsparung von Warmwasserspeichern mit hohem Energiebedarf. Abhängig vom Bedarf werden Kompaktstationen [3] in Wärmeleistungsbereichen von 5 kW bis 1500 kW eingesetzt, für größere Leistungen mit Zirkulationspumpe (Bild 1).

Weil Warmwasserspeicher oder Warmwasserbereiter dann nicht mehr nötig sind, ist die Gefahr durch Legionellen im Trinkwasser gemindert. Denn die Bakterien vermehren sich bevorzugt im stehenden, erwärmten Wasser. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zum konventionellen System – eine Drosselregelung mit Durchgangsventil – sind die niedrigen primärseitigen Temperaturen am Wärmeaustauschereingang. Die Gefahr von Verkalkung des Plattenwärmetauschers und von Materialspannungen wird so erheblich vermindert.

Die Strahlpumpe mischt die Primärvorlauftemperatur von hier 125 °C mithilfe von Rücklaufbeimischung auf die benötigten 65 °C wie im Beispiel herunter. Ein Regelfühler, der die Heizmitteltemperatur begrenzt, dient damit dem Schutz vor Verkalkung. Wenn nicht gezapft wird, z. B. nachts, entsteht bei laufender Zirkulationspumpe durch die gute Isolierung der langen Warmwasserleitungen nur maximal 5 % Wärmeverlust. Bei 100 kW sind das nur ca. 5 kW Wärmeverluste über die Zirkulationsleitung, die man „nachheizen“ muss.

Kleine Kompaktstationen bis ca. 40 kW benötigen als Durchlauf­er­hitzer (Bild 2) nicht viel Platz, da Speicher und Zirkulations­pum­pe entfallen. Das erwärmte Was-

ser steht hier eben-

so wie bei den Stationen für größere Leistungen aufgrund sehr schneller Regelantriebe nahezu verzögerungsfrei beim Öffnen der Zapfstelle zur Verfügung, so dass keine Wärmeverluste bis zum Ankommen des temperierten Wassers entstehen. Nach dem Schließen und erneutem Öffnen besteht keine Verbrühungsgefahr. Die Kompaktstationen sind deshalb für Wohnungen und den kleinen Haushalt ebenso geeignet wie große Stationen für Wohnanlagen oder Industriegebäude.

Drei Beispiele für
Heizungsanlagen

Modernisierung einer direkt beheizten Wohnanlage

Ziel der Investition für die Modernisierung der Heizungsanlage in einem Plattenbau in Berlin mit 304 Wohneinheiten war eine Verringerung der Energiekosten, etwa durch eine Verringerung des Anschlusswertes und die Senkung von Energieverlusten im Betrieb der Anlage. Vor allem wollte man aber auch die zu­ver­lässige, störungsfreie Versor­gung der Wohnungen. Die moderne Hausanschluss (HAST)-Fernwärmestation (Bild 3) mit integrierter Strahlpumpe trug diesen Wünschen Rechnung.

Durch den Einbau von Wär­me­über­gabestationen mit Strahl­pum­pen passt die Wärme­leis­tungs­regelung den Volu­men­strom über den gesamten Last­be­reich an den jeweiligen Be­darf an. Damit sind keine Diffe­renz­druckregler notwendig. Die maximale Vorlauftemperatur wurde hier auf 85 °C begrenzt, die Rücklauftemperatur lag aufgrund des alten übrigen Teils der Anlage bei ca. 60 °C, was je­doch je nach Bedarf variiert.

Außer der niedrigen Rück­lauf­tem­peratur ergab sich auch eine Verringerung der not­wen­digen Wassermenge mit ent­sprechender Kostenreduzierung, da die vertraglich festgelegte, maximale Wassermenge in einer Fernwärmeanlage oft 50 % der Gesamtheizkosten eines Jahres beträgt.

Die Prüfung der voraussichtlichen Amortisierungsdauer an Hand der zur Verfügung stehenden Daten ergab in diesem Fall eine jährliche Einsparung von 6832 €, woraus sich eine voraussichtliche Amortisierungszeit von weniger als sechs Jahren für die Investitionskosten von 40 500 € ergab [4].

Hinsichtlich der Energieeinsparung ergab die Auswertung des ersten Betriebsjahres 6 % im Vergleich zu einem baugleichen Gebäude ohne Strahlpumpentechnik. Während einer Heizperiode erfolgte die Optimierung der Heizkurve mit Datenaufzeichnung über eine Onlineverbindung. Das Monitoring dient den Verbesserungsmöglichkeiten bei Nutzungszeiten, Absenkbetrieb, Heizkurve, Anpassung des Anschlusswertes usw. und sollte immer Bestandteil der Erneuerung von Anlagentechnik sein.

Modernisierung in einem Schul­gebäude

Die energetische Modernisie­rung der Heizungsanlage eines ca. 35 Jahre alten, großen, verzweigten Schulgebäudes in Villach mit zahlreichen Ver­brau­chern sollte die aus­reichende Ver­sor­gung einiger wei­ter entfernten Verbrau­cher sicherstellen und andererseits den großen Pumpenenergieverbrauch beenden [5].

Zur Wärme­versorgung nicht erreichter Gebäudeteile waren nach und nach zusätzliche Umwälzpumpen eingebaut worden, mit entsprechendem Stromverbrauch. Der Stromverbrauch der Pumpen vor und nach der Modernisierung der Hei­zungs­anlage ist in Bild 4 darge­stellt. Mit der Umrüstung der veralteten Heizungsanlage auf Brennwerttechnik, verbunden mit der Umstellung auf eine hydrodynamische Wasser-Wärmeverteilung mittels Strahlpumpentechnologie und genauer Einregulierung, konnten die Ziele der Modernisierung sehr gut erfüllt werden. Einerseits wurden alle Bereiche warm und andererseits wurden zahlreiche elektrodynamische Umwälzpumpen ersetzt.

Die hohe Temperaturspreizung und die niedrigen Rücklauftemperaturen als Folge der hydrodynamischen Wasser-Wärmeverteilung ohne Umwälz­pum­­pen sind sowohl für die Brenn­wert­technik, wie hier, als auch besonders für Fernwärme­heizungsanlagen, wie in den anderen Beispielen, sehr geeignet.

Die Einsparung von Umwälzpumpen, Differenzdruckreglern und Armaturen verringert auch hier Investitions-, Wartungs- und Instandhaltungskosten wesentlich. Zu der beträchtlichen Einsparung an Heizenergie durch die Umstellung von Ölbrenner auf Gas-Brennwerttechnik kam die enorme Einsparung an Pum­pen­energie und damit auch an CO₂-Emission. Die gesamte Anlage vereinfachte sich durch die Strahlpumpentechnologie beträchtlich.

Holzhackschnitzel-Fernheizwerk

Für umweltfreundliche Wärme im Feriengebiet Olang/Südtirol sorgt ein Holzhackschnitzelwerk, beheizt mit dem lokal vorhande­nen Brennstoff Holz und moder­ner Anlagentechnik [6]. Die Wär­me aus der Heizzentrale gelangt von dort durch frequenzge­regelte Umwälz­pumpen über ein ver­zweig­tes Leitungsnetz zu den Ver­brau­chern wie Privathäuser, Pensionen und Hotels. Die Ein­speisung der Wärme erfolgt indirekt über Plattentauscher und die für Heizung und Warmwasserbereitung sowie für Lüftung gewünschte Wärmemenge lässt sich mithilfe der Strahlpumpe auf der Primärseite präzise und störungsfrei regeln.

Eine stetige Aufschaltung der primärseitigen Rücklauftemperatur über den Mi­kro­prozessor auf die sekundärseitige Vorlauftemperatur bei jedem Energieabnehmer gewährleistet eine tiefe Rücklauftemperatur. Das heißt: Wird die berechnete und ausgelegte Rücklauf­temperatur überschritten, so wird sie in einem einstellbaren Verhältnis auf die Vorlauftemperatur aufgeschaltet und senkt diese dann ab.

Schaltungen, Messwertveränderungen und eventuelle Störungen erscheinen über die Gebäudeleittechnik auf dem zentralen PC der Leitwarte, was ein sofortiges Eingreifen ermöglicht. Die zentrale Erfassung des Wärmeverbrauchs im Leitstand der Heiz­zentrale erlaubt u.a. dem Verbraucher am Display des Mikro­prozessors zu Hause jederzeit den Verbrauch zu sehen und durch Ändern von Parametern zu beeinflussen.

Fazit

Eine moderne Regelungstechnik und die Strahlpumpentechnologie verbessern die Wirtschaftlichkeit von Heizungs-, Lüftungs- sowie Kälteanlagen und leisten damit einen Beitrag zur Energiewende in Deutschland. Die schnelle Amortisierungszeit der Investitionskosten und die langfristige finanzielle Entlastung bei der Heizenergie und der Instandhaltung motivieren Investoren.

Literatur: