Mit Strahlpumpen die Kosten senken

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• Die Strahlpumpentechnik bewirkt eine große Temperaturspreizung im Verbraucherkreis und eine niedrige Rücklauftemperatur. Das erhöht den Nutzungsgrad von Wärmeerzeugern bzw. ermöglicht eine Optimierung des Fernwärmebezugs.
• Bei der Fernwärmeübergabe kann die Regelgenauigkeit durch eine Strahlpumpe gegenüber einer Drosselschaltung erhöht werden. Eine niedrige primärseitige Rücklauftemperatur kann gewährleistet werden, wenn sie zur Korrektur der sekundärseitigen Vorlauftemperatur genutzt wird.

Im Sinne der Energiewende sollte das Augenmerk stets auf die Energieeinsparung gerichtet sein. Jede für die Temperierung von Gebäuden und die Trinkwassererwärmung dauerhaft nicht benötigte Kilowattstunde hilft, den bis 2020 bzw. 2050 gesteckten Zielen näherzukommen. Die Potenziale und damit auch die Chancen sind enorm: Rund 40 % der in Deutschland eingesetzten Endenergie entfällt auf den Gebäudesektor [1], insbesondere für Raumwärme und die Trinkwassererwärmung. Mehr als die Hälfte von rund 17,9 Mio. Wärmeerzeugern im Bestand gilt als ineffizient, modernisiert werden allerdings nur etwa 4 % pro Jahr.

Neben dem Ersatz alter Wärmeerzeuger mit geringem Nutzungsgrad durch Brennwerttechnik, Wärmepumpen, BHKWs sowie Nah- und Fernwärmeanlagen können bereits mit kostengünstigen regelungstechnischen Maßnahmen erhebliche Einsparungen erzielt werden, beispielsweise durch die bedarfsgerechte Anpassung der Heizleistung, die intelligente Regelung der Vorlauftemperatur sowie die Angleichung der Heizzeit und der Betriebsbereitschaft an die tatsächliche Nutzung. Auch durch einen Hydraulischen Abgleich können beachtliche Energieeinsparungen erzielt werden [2].

Strahlpumpen für Heizungsanlagen …

Eine zu selten genutzte Lösung zum Energieeinsparen ist die Strahlpumpentechnik – obwohl sie seit Jahrzehnten im Neubau und bei Modernisierungen mit großem Erfolg eingesetzt und permanent weiterentwickelt wird. Sie eignet sich für jede Wärmeerzeugung: Solaranlagen, Holzheizungen, Wärmepumpen, Fernheizung, Öl-, Gas- und Kohleheizungen. Die Strahlpumpe bewirkt eine große Temperaturspreizung über die Verbraucherkreise und führt so zu einer niedrigen Rücklauftemperatur. Das erhöht den Nutzungsgrad von Wärmeerzeugern bzw. ermöglicht eine Optimierung des Fernwärmebezugs.

Die Strahlpumpentechnik garantiert eine hohe Regelgüte. Gleichzeitig können Umwälzpumpen inklusive entsprechender Steuerungen und dazugehörige Datenpunkte, Strangventile und Differenzdruckregler entfallen. Entsprechend können die Investitions- und Wartungskosten gesenkt werden. Die lange Lebensdauer einer Strahlpumpe senkt ebenfalls die Kosten und sorgt für eine höhere Verfügbarkeit der Anlage. Die Mischregelung mit einer Strahlpumpe anstelle einer Drosselregelung mit konventionellen Regelventilen oder einer Mischregelung mit Dreiwegeventil und Umwälzpumpe hat eine netzstabilisierende Wirkung.

… und die Trinkwassererwärmung

Durch die Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip mithilfe einer Strahlpumpe Abb. 1 können Trinkwarmwasserspeicher mit hohem Bereitschaftsenergiebedarf entfallen. Gleichzeitig wird die Trinkwasserhygiene verbessert, die Speicherung von großen Trink­wassermengen begünstigt durch mehrere ­Faktoren beispielsweise die Ansiedlung und Vermehrung von Legionellen. Ein weiterer ­Vorteil ergibt sich beim Durchflussprinzip durch niedrigere Temperaturen am primär­seitigen Eintritt in den Wärmeübertrager. Die Gefahr von Verkalkung und Materialspannungen wird dadurch erheblich vermindert. Kleine Kompaktstationen mit 5 kW Heizleistung Abb. 2 sind für einzelne Wohnungen ebenso verfügbar, wie große Stationen mit beispielsweise 1500 kW Heizleistung für Wohnanlagen oder ­Industriegebäude [3].

Modernisierungsbeispiel Wohnanlage

Bei der Modernisierung einer Heizungsanlage für eine Wohnanlage mit 304 Wohneinheiten sollten die Energiekosten durch die Verringerung des Anschlusswerts und die Verminderung von Energieverlusten im Betrieb gesenkt und eine störungsfreie Versorgung der Wohnungen gesichert werden. Der Einbau einer HAST-Fernwärmestation Abb. 3 mit integrierter Strahlpumpe entsprach diesem Ziel voll und ganz. Die Wärmeübergabestation passt den Volumenstrom über eine Wärmeleistungsregelung mit der Strahlpumpe im gesamten Lastbereich an den jeweiligen Bedarf an. Differenzdruckregler in den Strängen sind damit nicht notwendig. Die Vorlauftemperatur wurde auf 85 °C begrenzt, die maximale Rücklauftemperatur liegt aufgrund der bestehenden Wärmeverteilung bei ca. 60 °C, je nach Lastsituation jedoch deutlich darunter.

Durch die Absenkung der Rücklauftemperatur konnte die maximale Wassermenge mit einer entsprechenden Kosteneinsparung verringert werden; die vertraglich festgelegte maximale Wassermenge in einer Fernwärmeanlage (Anschlusswert) macht oft bis zu 50 % der jährlichen Gesamtheizkosten aus, insbesondere wenn die Wassermenge aufgrund einer eigentlich unzulässig hohen Rücklauftemperatur überproportional erhöht werden muss.

Die Berechnung der jährlichen Kosten für einen Betrachtungszeitraum von 15 Jahren ergab eine mittlere Einsparung von 6832 Euro/a. Danach beträgt die Amortisationszeit für die Gesamtinvestitionskosten von 40 500 Euro voraussichtlich sechs Jahre. Die Auswertung des ersten Betriebsjahres ergab eine Energieeinsparung von 6 % im Vergleich zu einem baugleichen Gebäude ohne Strahlpumpentechnik [4]. Während einer Heizperiode erfolgte die Feinjustierung der Heizkurve anhand der Datenaufzeichnung über eine Online-Verbindung. Das Monitoring dient der Optimierung von Absenk­betrieb, Heizkurve, Anpassung des Anschlusswertes usw. und sollte immer Bestandteil der ­Erneuerung von Anlagentechnik sein.

Modernisierungsbeispiel Schule

Die energetische Modernisierung der Heizungsanlage eines großen, verzweigten Schulgebäudes mit zahlreichen Verbrauchern fand mit der Auflage einer Sicherstellung der Wärmeversorgung sämtlicher Verbraucher und einer verbesserten Wirtschaftlichkeit statt [5]. Zudem sollte der hohe Stromverbrauch für die Pumpen beendet werden; hydraulischen Defiziten wurde zuvor mit dem Einbau weiterer Umwälzpumpen begegnet. Der Pumpen-Stromverbrauch vor und nach der Modernisierung der Heizungsanlage ist in Abb. 4 dargestellt.

Durch den Ersatz der veralteten Wärmeerzeugung durch Brennwerttechnik und die Umstellung auf eine hydrodynamische Wasser-Wärmeverteilung mittels Strahlpumpen und die genaue Einregulierung wurden auch alle anderen Maßgaben voll erfüllt. Die hohe Temperaturspreizung und die niedrige Rücklauftemperatur als Folge der hydrodynamischen Wasser-Wärmeverteilung bieten beste Voraussetzungen für eine hohe Brennwertnutzung. Der Entfall von Umwälzpumpen, Differenzdruckreglern und weiteren Armaturen verringerte auch hier die Investitions-, Wartungs- und Instandhaltungskosten wesentlich.

Nah-/Fernwärme

Das Feriengebiet Olang, Südtirol, wird über ein Holzhackschnitzel-Fernheizwerk mit Wärme versorgt [6]. Die Wärmeverteilung zu den Privathäusern, Pensionen und Hotels erfolgt über ein verzweigtes Leitungsnetz und drehzahlgeregelte Umwälzpumpen. Die Wärmeeinspeisung erfolgt indirekt über Plattenwärmeübertrager und wird über eine Strahlpumpe auf der Primärseite präzise und störungsfrei geregelt. Die Mischregelung anstelle einer Drosselregelung ermöglicht eine sehr genaue Einhaltung der sekundärseitigen Solltemperatur.

Eine stetige Aufschaltung der primärsei­tigen Rücklauftemperatur auf die sekundärseitige Sollvorlauftemperatur bei jedem Energieabnehmer gewährleistet eine niedrige Rücklauftemperatur. Das Übertragungsverhältnis, mit dem sich die Rücklauftemperatur auf die Vorlauftemperatur auswirkt, ist einstellbar.

Alle Messwertveränderungen, Schaltvorgänge und eventuelle Störungen werden simultan an einen zentralen Leitwarten-PC übertragen, was bei Bedarf ein sofortiges Eingreifen ermöglicht. Die zentrale Erfassung des Wärmeverbrauchs erlaubt es den Abnehmern, u. a. ­ihren Wärmebezug zu Hause am Display des ­Mikroprozessors jederzeit zu sehen und den Wärmeverbrauch durch das Ändern von Parametern zu beeinflussen.

Fazit

Moderne Regelungs- und Strahlpumpentechnik verbessern die Wirtschaftlichkeit von Heizungs-, Kälte- und Lüftungsanlagen mit einer Wasser-Wärmeverteilung. Durch die schnelle Amortisation der Investitionskosten und die langfristige finanzielle Entlastung bei den Energie- und Instandhaltungskosten lassen sich Investoren zu einer energetischen Optimierung oder Modernisierung motivieren. •

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGA dossier Hydraulischer Abgleich: Webcode 849

Literatur

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Energiewende Gebäudesanierung. Berlin, https://www.bmuv.de/

[2] Gebauer, M.: Vereinfachung des hydraulischen Abgleichs in Heizungsanlagen. Berlin: Springer-VDI-Verlag, HLH 3-2011

[3] Kilpper R.; Bälz U.: Wirtschaftliche Wassererwärmung mit Kompaktstationen. Berlin: Huss-Verlag, MGT 11-2011

[4] Gebauer M.: Strahlpumpen senken die Betriebskosten – Modernisierung von Fernwärmestationen. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 02-2013, Webcode 392613

[5] Kilpper R.; Bälz U.: Energetische Modernisierung einer Heizungs­anlage mit Strahlpumpen. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, HLH 12-2010

[6] Kilpper R.: Bälz U.: Umweltfreundliche Wärme durch moderne ­Technologie. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, HLH 1-2012

Mithilfe der Energie des Treibstrahls bzw. Vorlaufs, saugt die Strahlpumpe, auch Dreiwegeinjektorventil oder Jetomat genannt, Wasser aus dem Rücklauf an und wälzt es über den Verbraucherkreis ohne Umwälzpumpe um, wobei die angesaugte Menge mithilfe einer Düse regelbar ist Abb. 1 . In der damit erhaltenen Mischung ergibt sich die optimale Temperatur und Menge für den Verbraucherkreis. Die Rücklauftemperatur ist dadurch deutlich niedriger als bei einer konventionellen Lösung mit Regelventil und Umwälzpumpe und kann sehr genau überwacht werden.

ist seit mehreren Jahren als Fachjournalistin bei der Firma W. Bälz & Sohn tätig, https://www.baelz.de/

Prof. Dr. Uwe Bälz ist nach langjähriger Tätigkeit als Geschäftsführer der Firma W. Bälz & Sohn, Heilbronn, heute in dem Unternehmen technischer Berater für Forschung und Vertrieb. Gleichzeitig ist Bälz Dozent für Heizungstechnik an der Beuth Hochschule für Technik Berlin.