Energiesparende Umwälzpumpen: Wie sie funktionieren, worauf Sie achten und wie Sie die richtige auswählen

Warum der Energieverbrauch in Umwälzpumpensystemen ernsthafte Aufmerksamkeit verdient

Umwälzpumpen gehören zu den am häufigsten übersehenen Energieverbrauchern in Gebäudetechnik, industriellen Prozesssystemen und Fernwärmenetzen. Im Gegensatz zu HVAC-Kältemaschinen oder Heizkesseln, die aufgrund ihrer sichtbaren Größe und ihres offensichtlichen Energiebedarfs Aufmerksamkeit erregen, arbeiten Umwälzpumpen kontinuierlich im Hintergrund – oft mit fester Geschwindigkeit und voller Leistung, unabhängig davon, ob das System zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich den vollen Durchfluss benötigt. In einem typischen Heizsystem für Privathaushalte kann die Umwälzpumpe 5–10 % des gesamten Stromverbrauchs eines Haushalts ausmachen. In Gewerbegebäuden mit mehreren Wasserkreisläufen, industriellen Kühlkreisläufen und Fernwärmeanlagen kann die von Pumpsystemen verbrauchte Gesamtenergie 20–30 % der gesamten elektrischen Last der Anlage ausmachen. Dieses Ausmaß des Verbrauchs macht die Verbesserung der Pumpeneffizienz zu einer der Interventionen mit der höchsten Kapitalrendite, die sowohl im Gebäudeenergiemanagement als auch in der Optimierung industrieller Prozesse verfügbar sind. Dennoch wird sie systematisch nicht ausreichend genutzt, da die Ineffizienz eher still und allmählich als offensichtlich und akut auftritt.

Der Übergang von Umwälzpumpen mit fester Drehzahl zu einstufigen Umwälzpumpen mit variabler Drehzahl und energiesparenden Umwälzpumpen mit variabler Drehzahl stellt den bedeutendsten Fortschritt in der Pumpentechnologie der letzten drei Jahrzehnte dar. Das Verständnis, was moderne Energiesparpumpen auszeichnet, wie sie ihre Effizienzsteigerungen erzielen und wie man sie für eine bestimmte Anwendung richtig auswählt und spezifiziert, ist die praktische Grundlage jedes ernsthaften Programms zur Energieeinsparung in Gebäuden oder Prozessen.

Wie herkömmliche Umwälzpumpen mit fester Drehzahl Energie verschwenden

Um zu verstehen, warum energiesparende Umwälzpumpen solch dramatische Effizienzsteigerungen liefern, muss man zunächst verstehen, warum ihre Vorgänger so viel Energie verschwenden. Herkömmliche Umwälzpumpen verwenden Wechselstrom-Induktionsmotoren, die mit einer festen Drehzahl arbeiten, die durch die Netzfrequenz bestimmt wird – typischerweise 50 Hz in Europa und den meisten Teilen Asiens, 60 Hz in Nordamerika. Dies bedeutet, dass sich das Pumpenlaufrad mit konstanter Geschwindigkeit dreht, unabhängig vom tatsächlichen Durchflussbedarf des Systems zu jedem Zeitpunkt. In einem Heiz- oder Kühlkreislauf variiert der Wärmebedarf kontinuierlich mit der Außentemperatur, der Belegung, dem Solargewinn und den Betriebsplänen. Ein Heizsystem, das darauf ausgelegt ist, bei Spitzenbedingungen im Winter – etwa 10–15 Tage pro Jahr – die volle Leistung zu liefern, arbeitet an den verbleibenden 350 Tagen, wenn der Bedarf teilweise, mäßig oder minimal ist, unter der gleichen Vollleistungsbedingung.

Die Physik dieser Situation wird durch die Pumpenaffinitätsgesetze bestimmt, die besagen, dass der Stromverbrauch mit der Potenz der Drehzahl variiert. Eine Pumpe, die mit 80 % ihrer Auslegungsdrehzahl läuft, verbraucht nur 51 % ihrer Volldrehzahlleistung (0,8³ = 0,512). Eine Pumpe, die mit 60 % der Auslegungsdrehzahl läuft, verbraucht nur 22 % der Leistung bei voller Drehzahl. Diese Beziehungen bedeuten, dass selbst geringfügige Reduzierungen der Betriebsgeschwindigkeit – die dadurch erreicht werden, dass die Pumpengeschwindigkeit an den tatsächlichen Systembedarf angepasst wird, anstatt kontinuierlich mit voller Geschwindigkeit zu laufen – zu unverhältnismäßig großen Reduzierungen des Energieverbrauchs führen. Eine Pumpe mit fester Drehzahl, die 8.760 Stunden pro Jahr mit voller Leistung läuft, während das System nur 500 dieser Stunden lang den vollen Durchfluss benötigt, verschwendet enorme Mengen an Strom in einer Weise, die ohne Regelungstechnik mit variabler Drehzahl baulich unvermeidbar ist.

Die Technologie hinter modernen energiesparenden Umwälzpumpen

Moderne energiesparende Umwälzpumpen erreichen ihre Effizienz durch die Integration von drei Schlüsseltechnologien: elektronisch kommutierte Permanentmagnetmotoren, integrierte Frequenzumrichter und intelligente Steuerungsalgorithmen, die die Pumpenleistung kontinuierlich an den Systembedarf anpassen. Diese drei Elemente arbeiten als untrennbares System und nicht als unabhängige Komponenten zusammen, weshalb die Leistung integrierter energiesparender Pumpeneinheiten das, was durch die Nachrüstung einer herkömmlichen Induktionsmotorpumpe mit einem Frequenzumrichter erreicht werden kann, deutlich übertrifft.

Elektronisch kommutierte Permanentmagnetmotoren

Der Motor einer hocheffizienten Umwälzpumpe ist ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnetmotor (auch ECM genannt – elektronisch kommutierter Motor) und nicht der Wechselstrom-Induktionsmotor, der in herkömmlichen Pumpen verwendet wird. Permanentmagnetmotoren eliminieren die Kupferverluste des Rotors, die einen erheblichen Teil der Energiedissipation des Induktionsmotors ausmachen, da das Rotorfeld durch Permanentmagnete und nicht durch induzierten Strom erzeugt wird. Dadurch erzielen ECM-Motoren einen Volllastwirkungsgrad von 90–95 % im Vergleich zu 75–85 % bei entsprechenden Induktionsmotoren und – was entscheidend ist – bleibt ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Teillastbetriebspunkten erhalten. Ein Induktionsmotor, der mit 30 % der Nennlast betrieben wird, fällt typischerweise auf einen Wirkungsgrad von 60–65 %; Ein Permanentmagnet-ECM-Motor behält bei gleicher Teillast einen Wirkungsgrad von 85–90 % bei. Da Umwälzpumpenanlagen den Großteil ihrer Betriebsstunden im Teillastbetrieb verbringen, ist dieser Teillast-Wirkungsgradvorteil in der Praxis weitaus wichtiger als der Nenn-Volllast-Wirkungsgrad allein.

Integrierte Frequenzumrichter

Der integrierte elektronische Antrieb in einer energiesparenden Umwälzpumpe wandelt die eingehende Wechselstromversorgung in einen Gleichstrom mit variabler Frequenz und variabler Spannung und anschließend in einen Wechselstromausgang um, der die Motorgeschwindigkeit als Reaktion auf Steuersignale präzise steuert. In einer speziellen Umwälzpumpeneinheit ist dieser Antrieb speziell für den Motor konzipiert, den er steuert – Impedanzanpassung, Schaltfrequenz und Wärmemanagement sind alle für den jeweiligen Motor optimiert und nicht die allgemeine Optimierung, die für einen universellen VFD erforderlich ist. Dieser integrierte Ansatz liefert Antriebswirkungsgrade von 97–99 % im Vergleich zu 93–96 % bei Allzweck-VFDs und eliminiert Installationskomplexität, Verkabelungsanforderungen und potenzielle EMV-Probleme, die mit separaten Antriebsinstallationen verbunden sind.

Intelligente Steuermodi und Algorithmen

Die in modernen energiesparenden Umwälzpumpen eingebettete Steuerungsintelligenz ist es, die die Fähigkeit zur variablen Drehzahl in tatsächliche Energieeinsparungen im realen Anlagenbetrieb umsetzt. Führende Pumpenhersteller bieten mehrere Steuermodi an, die für unterschiedliche Systemtypen und Betriebsphilosophien geeignet sind. Die proportionale Druckregelung hält den Differenzdruck an der Pumpe proportional zur Durchflussrate aufrecht. Wenn der Durchflussbedarf sinkt, wird der Solldruck entsprechend reduziert, wodurch die Pumpe stärker verlangsamt werden kann, als dies bei einer konstanten Differenzdruckregelung möglich wäre. Die Konstantdruckregelung hält unabhängig vom Durchfluss einen festen Differenzdruck aufrecht und eignet sich für Systeme, bei denen der Druckverlust an einem einzigen Punkt konzentriert und nicht über das Netzwerk verteilt ist. Die temperaturbasierte Steuerung, die in einigen Heizungspumpenmodellen verfügbar ist, passt die Pumpengeschwindigkeit basierend auf der Vor- und Rücklauftemperaturdifferenz des Systems an, verlangsamt die Pumpe, wenn die Temperaturdifferenz kleiner wird (was auf einen geringeren Wärmebedarf hinweist), und erhöht die Geschwindigkeit, wenn sie größer wird. Die von mehreren Premium-Herstellern angebotene automatische Anpassungssteuerung ermöglicht es der Pumpe, die tatsächlichen Betriebseigenschaften des Systems im Laufe der Zeit zu erlernen und ihren eigenen Sollwert kontinuierlich zu optimieren, ohne dass manuelle Eingaben bei der Inbetriebnahme erforderlich sind.

Energieeffizienzklassifizierungen und behördliche Standards

Die Energieeffizienz von Umwälzpumpen wird durch den Energieeffizienzindex (EEI) quantifiziert und reguliert, eine durch die ErP-Richtlinie (Energiebezogene Produkte) der Europäischen Kommission eingeführte Kennzahl, die den tatsächlichen Energieverbrauch einer Pumpe über einen repräsentativen Bereich von Betriebsbedingungen im Vergleich zu einer Referenzpumpe misst. Die EEI-Skala reicht von 0 bis 1, wobei niedrigere Werte für eine bessere Effizienz stehen. Die folgende Tabelle fasst die aktuellen und historischen EEI-Grenzwerte und ihre praktischen Auswirkungen auf den Pump-S zusammen