Moderne Pumpentechnik

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1 Moderne Pumpentechnik Grundfos auf einen Blick Umsatz 3,2 Mrd. EUR Anzahl Mitarbeiter F&E Investitionen 175 Mio. EUR Produzierte Pumpen ca. 17 Millionen Zentrale in Bjerringbro, Dänemark Produktionsgesellschaften 14 Vertriebsgesellschaften 55 1

2 Rohstoffverknappung und Klimawandel Rohstoffverknappung Quelle: Brandenburgische Landeszentrale für politische Bildung Erhöhung des Meeresspiegels um 2 m Folgen des Klimawandels Der Weltklimarat (IPCC*) geht davon aus, dass bei einem anhaltenden Wirtschaftswachstum die Temperaturen weltweit bis 2100 im Vergleich zu 1900 um 3-6 C ansteigen. Zur Eindämmung des Anstiegs auf eine Obergrenze von 2 C müssen wir unsere Emissionen von Treibhausgasen im Vergleich zu 2008 bis 2050 um 85 Prozent reduzieren. Patagonien 1928 *Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC; Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) 2

3 Energieeinsparpotenzial Viele wissen nicht, dass Pumpen 10% des elektrischen Weltenergiebedarfs verbrauchen. Einsparungspotentiale Produktkategorie Aktueller Stromverbrauch Geschätzte Jährliche Einsparungen Bis 2020 EU (27) Aufgrund der Öko-Design-Richtlinie Elektromotore ~ 1067 TWh ~ 135 TWh ~ TWh(Global,2010) Umwälzpumpen ~ 50 TWh ~ 35 TWh 1 TWh = 1 Mrd. kwh Hausahltsbeleuchtung ~ 84 TWh ~ 39 TWh 1 kwh = 800g CO2Emission Haushaltskältegeräte ~ 122 TWh ~ 6 TWh Haushaltswaschmaschin ~ 51 TWh ~ 2 TWh Haushaltsgeschirrspüler ~ 21 TWh ~ 2 TWh 3

4 Energieeinsparpotenzial Energieeinsparung durch Umstellung auf hocheffiziente Motorentechnik: 5% =Häuslicher Energieverbrauch von 83 Millionen Menschen des jährlichen EU-weiten Stromverbrauchs. Vier Schritte zur Effizienzsteigerung - Energieeffizienz von Pumpe und Motor - Auslegung von Pumpe und Motor - Betriebsweise im hydraulischen System - Intelligenz: selbst > System > Prozess 4

5 Vier Schritte zur Effizienzsteigerung - Energieeffizienz von Pumpe und Motor - Auslegung von Pumpe und Motor - Betriebsweise im hydraulischen System - Intelligenz: selbst > System > Prozess Wirkungsgrad Entscheidend ist, was hinten rauskommt! Wirkungsgrad η = P ab P zu 5

6 Änderung von Klassifizierungen EEI IE Nassläufer Trockenläufer (Motoren) Klassifizierung Nassläufer EEI IE Nassläufer Trockenläufer (Motoren) 6

7 Energie Effizienz Index EU-Durchführungsverordnung 641 vom : seit 2013: EEI < 0,27 seit : EEI < 0,23 Energie-Label ist tot, es lebe der EEI Seit dem (extern) A heute: EEI < 0,40 EEI 0,27 Messlatte für Best in Class liegt bei EEI = 0,20. Seit dem (extern und intern) EEI 0,23 Messlatte für Best in Class bleibt bei EEI = 0,20. Integrierte Pumpen sind dann auch betroffen (OEM) 7

8 Grundfos Projekt Red Wolf 30 Mio. Produkt-Entwicklungskosten ALPHA2 40 Mio. Produkt-Entwicklungskosten MAGNA3 68 Mio. Investition in die Produktionsstandorte Grundfos Deutschland (Wahlstedt) Grundfos Dänemark (Bjerringbro) ALPHA2 Energieeffizienzindex Besser als der EuP/ErP Best in class -Referenzwert 44 % unter EuP 2013-Anforderung 1,00 34 % unter EuP 2015-Anforderung 25 % unter EuP Benchmark -Level 0,27 0,23 0,20 0,15 Typische Bestandspumpe EuP 2013 EuP 2015 Benchmark ALPHA2 85 % Einsparung gegenüber typischer Bestandspumpe (ungeregelt) 8

9 MAGNA3 Energieeffizienzindex Besser als der EuP/ErP Best in class -Referenzwert Über 75 % Einsparung gegenüber einer ungeregelten D-Klasse! 1,00 0,27 0,23 0,20 <0,20 Typische Bestandspumpe EuP 2013 EuP 2015 Benchmark MAGNA3 Entscheidungskriterium Lebenszykluskosten Beispiel vorzeitiger Pumpentausch? 9

10 Planung und Auslegung Planung und Auslegung 10

11 Berechungsbeispiel Pumpenaustausch Im Folgenden wird untersucht, ob der Austausch der vorhandenen, funktionsfähigen Pumpe wirtschaftlich ist. Heizung für Bürotrakt eines Gewerbebetriebes (ca m 2 ): Installierte Pumpe: Grundfos UPS F Alter der Pumpe: 11 Jahre Auslegungspunkt: Förderstrom Q = 22m 3 /h Förderhöhe H = 4,5 m Berechnungszeitraum: 15 Jahre Leistungsdaten Bestandspumpe UPS F Q = 22 m 3 /h H = 4,5 m P1max = 760 W 11

12 Auslegung und LCC-Analyse Vorgaben für die Auslegung 12

13 Vorgaben für die LCC-Analyse Vorschlagsliste: geeignete Produkte 13

14 Vergleich: Auslegungsbetriebspunkt Auslegungsbetriebspunkt Q = 22 m 3 /h H = 4,5 m P 1 = 422 W Einsparung 44 % gegenüber 760 W der alten Pumpe Lastprofil 14

15 Kostendifferenz Kostendifferenz: in 15 Jahren Lebenszykluskosten 15

16 Amortisation Einsparpotenzial: Pumpen in Deutschland 16

17 Klassifizierung von Motoren EEI IE Nassläufer Trockenläufer (Motoren) EU - Klassifizierung für Motoren Durch die CEMEP wurde eine Effizienz-Klassifizierung eingeführt (EFF1,2,3) Das IEC hat in der IEC auf eine neue Klassifizierung (IE 1 bis 4) umgestellt 17

18 Neuer MGE-Motor, besser als IE4 Vergleich mit IE Level IEC Vergleich IE2 vs. MGE 1,1 kw Beispiel: Motorleistung P 2 = 1,1 kw (Dauerbetrieb) IE2-Motor: η =79 % IE4-Motor: η =91 % Aufgenommene Leistung: P 1 = P 2 η motor IE2-Motor: P 1 = 1,39 kw IE4-Motor: P 1 = 1,21 kw Der Unterschied: h/jahr * 0,18 kw = 1.576,8 kwh / Jahr h/jahr * 0,18 kw * 0,28 /kwh = 441 Euro / Jahr 18

19 Vier Schritte zur Effizienzsteigerung - Energieeffizienz von Pumpe und Motor - Auslegung von Pumpe und Motor - Betriebsweise im hydraulischen System - Intelligenz: selbst > System > Prozess Modellgesetze Qx Q n = n x Der Volumenstrom Q ändert sich proportional zur Drehzahl n H H x n = n x 2 Die Förderhöhe H ändert sich quadratisch zur Drehzahl n Px P n = n x 3 Die Leistung P ändert sich in der dritten Potenz zur Drehzahl n Die Leistung P ändert sich in der dritten Potenz zum Förderstrom 19

20 Beispiel Große Pumpe (TPE) Q = 160 m3/h H = 34,7 m n = 100 % P = 20,8 kw Q = 80 m3/h (50%) H = 8,6 m (25%) n = 50 % P = 2,9 kw (14%) Beispiel Kleine Pumpe (MAGNA3) Q = 8 m3/h H = 8 m P = 369 W Q = 4 m3/h (50%) H = 2 m (25%) P = 57 W (15,5%) 20

21 Abfall des Wirkungsgrades P = Q * H * ρ * g Pumpen-Wirkungsgrad am Wirkungsgrad-Bestpunkt: 71,8 % Pumpen-Wirkungsgrad am Betriebspunkt: 41,5 % Vier Schritte zur Effizienzsteigerung - Energieeffizienz von Pumpe und Motor - Auslegung von Pumpe und Motor - Betriebsweise im hydraulischen System - Intelligenz: selbst > System > Prozess 21

22 Pumpen mit variabler Drehzahl Pumpen mit variabler Drehzahl Einfluss des Lastprofils 22

23 Konkret: Das Einsparpotenzial P = Q * H * ρ * g Auslegungspunkt Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie Q Verlauf der Leistungsaufnahme Leistungsanpassung P 1 : 5.0 kw bis 15 kw 23

24 Einsatz regelbarer Pumpen Pumpe im Primärkreis Reihenschaltung von freier Kühlung und Kaltwassersatz Freie Kühlung Einsatz regelbarer Pumpen Betriebspunkt 1: ohne freie Kühlung Druckverlust: 15 m 24

25 Einsatz regelbarer Pumpen Betriebspunkt 2: ohne freie Kühlung Druckverlust: 20 m Einsatz regelbarer Pumpen Betriebspunkt 1: WT Ein, Pumpe ungeregelt Q = 28,3 m 3 H = 23,7 m Förderstrom: Q = 26 m 3 /h Förderhöhe: H = 20,0 m P1 = 2,91 kw 25

26 Einsatz regelbarer Pumpen Einsparpotenzial 1: WT Ein, Pumpe gesteuert Q = 26,0 m 3 H = 20,0 m n = 93% Förderstrom: Q = 26 m 3 /h Förderhöhe: H = 20,0 m P1 = 2,47 kw Reduzierung der Leistungsaufnahme: 2910 W 2470 W = 444 Watt (15,2 %) Einsatz regelbarer Pumpen Betriebspunkt 2: WT Aus, Pumpe ungeregelt Q = 31,5 m 3 H = 22 m Förderstrom: Q = 26 m 3 /h Förderhöhe: H = 15,0 m P1 = 3,05 kw 26

27 Einsatz regelbarer Pumpen Einsparpotenzial 2: WT Aus, Pumpe gesteuert Q = 26,0 m 3 H = 15,0 m n=83% Förderstrom: Q = 26 m 3 /h Förderhöhe: H = 15,0 m P1 = 1,91 kw Reduzierung der Leistungsaufnahme: 3050 W 1910 W = 1140 Watt (37,4 %) Trinkwarmwasser Zirkulation 27

28 TWZ-Pumpen ALPHA2 und Magna3 Anlagenschema Trinkwassererwärmung VL PWH RL PWC PWH-C PWC Potable Water Cold (Trinkwasser kalt) PWH Potable Water Hot (Trinkwasser warn) PWH-C Potable Water Hot Circulation (Trinkwasser Zirkulation) 56 28

29 Verzweigtes TWW-Zirkulationssystem Quelle: Fa. Kemper, Olpe (Dendrit) Einsatzbedingungen - Regularien 29

30 Schnellübersicht DVGW Arbeitsblatt W 551 Abmessung [mm] Wasserinhalt [l/m] 8 x 1 ** 10 x 1 ** 12 x 1 ** 15 x 1 ** 18 x 1 ** 22 x 1 ** 28 x 1 ** 35 x 1 ** 42 x 1 ** 54 x 1 ** 0,028 0,05 0,079 0,133 0,201 0,314 0,491 0,804 1,195 1,963 DIN Berechnungsdurchflüsse Berechnungsdurchflüsse sind nach DIN durchzuführen 30

31 DIN Betriebstemperatur Bei bestimmungsgemäßem Betrieb darf maximal 30 s nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle die Temperatur des Trinkwassers kalt 25 C nicht übersteigen und die Temperatur des Trinkwassers warm muss mindestens 55 C erreichen. Eine Ausnahme bilden die Trinkwassererwärmer mit hohem Wasseraustausch (siehe ) und dezentrale Trinkwassererwärmer (siehe ). DIN Allgemeines ( ) Planungsanforderungen für Gebäude mit besonderer Nutzung, wie z. B. Krankenhäuser, Seniorenwohnheime, Kindergärten, Schulen und Gebäude mit gewerblicher Nutzung, sind mit dem Bauherrn bzw. Betreiber abzustimmen. Für diese Gebäude ist ein Raumbuch zu erstellen, das eine Nutzungsbeschreibung und eine Konzeption für die Trinkwasser-lnstallation enthalten muss. ( ) 31

32 DIN Technikzentralen, Installationsschächte und -kanäle In nach dieser Norm geplanten Trinkwasser-Installationen ist ein bestimmungsgemäßer Wasseraustausch sicherzustellen, damit die Temperatur des Trinkwassers in Trinkwasserleitungen kalt in Technikzentralen sowie Installationsschächten und -Kanälen mit Wärmequellen möglichst nicht auf eine Temperatur von über 25 C erwärmt wird. DIN Allgemeines Am Wasseraustritt des Trinkwasserwärmers mit Zirkulation ist eine Temperatur von mindestens 60 C aus hygienischen Gründen einzuhalten. In zirkulierenden Trinkwasser-Installationen darf ein Temperaturabfall von 5 K nicht überschritten werden. Bei Rohrleitungsinhalten von > 3l sind Zirkulationsleitungen oder selbstregelnde Temperaturhaltebänder einzubauen (siehe ). ( ) ( ) Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, auch mit anderen technischen Maßnahmen und Verfahren die Trinkwasserhygiene sicherzustellen. In diesen Fällen müssen die einwandfreien Verhältnisse durch mikrobiologische Untersuchungen nachgewiesen werden. 32

33 DIN Kommentar Temperatur DIN Kommentar Temperatur und Pumpenlaufzeiten 33

34 DIN Zirkulationsregulierventile Zirkulationsregulierventile dienen dem hydraulischen Abgleich in Zirkulationsanlagen. Es können sowohl statische Regulierventile als auch thermostatische (automatische) Regulierventile zum Einsatz kommen. ( ) DIN Kommentar 6.1 Allgemeines Aus hygienischen Gründen ist das Zirkulationssystem so zu bemessen, dass in allen Leitungsabschnitten des Umlaufsystems die Wassertemperatur um nicht mehr als 5 K gegenüber der Austrittstemperatur des Trinkwassererwärmers unterschritten wird. Der Lastzustand ergibt sich aus den dabei entstehenden Wärmeverlusten des Zirkulations-Systems. Aus diesen wird der notwendige Förderstrom der Zirkulationspumpe berechnet und über Drosseleinrichtungen so verteilt, dass an keiner Stelle des Zirkulationssystems die Temperatur unter 55 C sinkt. Das nachfolgende Bemessungsverfahren berücksichtigt die hygienischen, wirtschaftlichen und betriebstechnischen (Einregulierung) Gesichtspunkte für einen ordnungsgemäßen Betrieb von Zirkulationssystemen in zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen. Der Zirkulatjonsvolumenstrom muss in allen Teilstrecken des Zirkulationssystems die Wärmemenge transportieren können, die bei einer vorgegebenen Wassertemperatur über die Oberfläche des Rohrleitungssystems verloren" geht. Nur wenn dieser Gleichgewichtszustand an jeder Stelle des_zirkulationssystems sichergestellt werden kann, können die angestrebten Temperaturen > 55 C in der Leitungsanlage gehalten werden. 34

35 Einsatzbedingungen - Hydraulik ( Pumpe kann nicht verteilen) Zirkulation ohne Abgleich 35

36 Zirkulation mit Abgleich Parallelschaltung von Strängen H groß 2 x mittel 2 x klein 5 Stränge mit unterschiedlichen Verbrauchern Q 36

37 Parallelschaltung von Strängen H groß 2 x mittel 2 x klein H N +Verteilung Q N Q Betriebsverhalten H klein groß mittel.ohne Abgleich! H N Unterversorgung! Q N Q 37

38 Betriebsverhalten H mittel groß mit Abgleich! klein H N Q N Q Differenztemperatur-Regelung PWH VL T T FU RL PWC T PWH-C PWC Potable Water Cold (Trinkwasser kalt) PWH Potable Water Hot (Trinkwasser warn) PWH-C Potable Water Hot Circulation (Trinkwasser Zirkulation) 38

39 Einsatzbedingungen - Wasserhärte (Nassläufer / Trockenläufer) 39

40 Vier Schritte zur Effizienzsteigerung - Energieeffizienz von Pumpe und Motor - Auslegung von Pumpe und Motor - Betriebsweise im hydraulischen System - Intelligenz: selbst > System > Prozess Grundfos isolutions 40

41 Intelligente Datenerfassung Die Pumpe als Datenlieferant, Beispiele: Leistungsaufnahme Temperatur Differenzdruck Volumenstrom Wärmeleistung Lastprofile Nachtabsenkung Magna3 Ein Temperatursensor in der Pumpe misst direkt (Magna3) die Medientemperatur Erfasst der Sensor innerhalb von ca. 2 Std. einen Temperaturrückgang von C (mind. O,1 C/min.) Nachtabsenkung Steigt die Temperatur um 10 C an Normalbetrieb In allen geregelten Betriebsarten lässt sich die Nachtabsenkfunktion aktivieren WICHTIG: Pumpe muss im VL eingebaut sein! 41

42 Regelungsarten 1 Regelungsarten - Anwendungsbereich Proportional Druckregelung: 2-Rohrsysteme 1-Rohrsysteme teilweise! Achtung bei weitverzweigten Systemen mit langen Zubringer-Leitungen! Konstant Druckregelung Fußbodenheizung 1-Rohrsysteme teilweise! Hauptpumpe zum Verteiler Weitverzweigte Systeme mit langen Leitungen Konstant Temperaturregelung: Trinkwarmwasser Systeme Fixe Drehzahl / Konstante Kennlinie Fußbodenheizung ohne Einzelraumregelung 1-Rohrsysteme Boilerladung teilweise Rücklaufanhebung Alle Systeme, wo keine Regelung erwünscht ist 42

43 Differenztemperaturregelung AUTOadapt H 1. Pumpe regelt auf Regelkurve A (blau) 2. Ventile öffnen, Betriebspunkt erreicht n 100% 3. Ventile öffnen, Q steigt weiter 4. Pumpe adaptiert automatisch 5. Pumpe regelt auf Regelkurve B (rot) H 0 * 55% Q 1 ; n100 % ; Adaption beginnt wenn Q > Q 1 wenn Q stabil - 30 min Wartezeit 1,5m Q Autoadapt - Funktion 43

44 FLOWLimit FLOWLIMIT ermöglicht die Festlegung eines maximalen Förderstromes FLOWLIMIT kann bei jeder Regelungsart aktiviert werden Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m Ventil: 23% offen Qpumpe: 4,0 m³/h Qidm: 3,6 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 179 W 44

45 Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m Ventil: 35% offen Qpumpe: 8,0 m³/h Qidm: 7,4 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 255 W Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m Ventil: 100% offen Qpumpe: 13,0 m³/h Qidm: 12,3 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 370 W 45

46 Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m FLOWLIMIT: 10 m³/h Ventil: 23% offen Qpumpe: 3,6 m³/h Qidm: 12,3 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 179 W Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m FLOWLIMIT: 10 m³/h Ventil: 35% offen Qpumpe: 8 m³/h Qidm: 7,5 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 257 W 46

47 Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Normal Regelungsart: Konstantdruck Sollwert: 7,0 m FLOWLIMIT: 10 m³/h Ventil: 50% offen Qpumpe: 10,0 m³/h Qidm: 9,6 m³/h Hpumpe: 7,0 m P1: 301 W Grundfos FLOWLIMIT Beispiel Betriebsart: Regelungsart: Sollwert: FLOWLIMIT: Ventil: Qpumpe ohne Limit: Qpumpe mit Limit: Qidm: Hpumpe: P1: Normal Konstantdruck 7,0 m 10 m³/h 60% offen 11,0 m³/h 10,0 m³/h 9,6 m³/h 6,0 m 256 W 47

48 FLOWadapt H 1. Funktion wie Autoadapt, mit FlowLimit Funktion 2. Der mit FlowLimit eingestellte Wert stellt das Maximum für Q dar (25% - 90% von Q max ) 3. Wird FlowLimit überschritten, adaptiert die Pumpe automatisch nach unten 4. FlowLimit wird nicht überschritten H 0 * 55% 1,5m FlowLimit Q Intelligente Regelungsarten PUMPE Regulierventil Wärmemengenerfassung FLOWLIMIT AUTOADAPT FLOWADAPT Sollwertschiebung 48

49 Eingänge / Ausgänge Analog Eingang 0-10V oder 4-20mA 2 x Pot.-freie Relais Betrieb Störung Bereitschaft Spannung 1x230V 50Hz Max. 4x/h schalten!! 3x Digital Eingang ext. Start/Stop Min Max Analog Eingang Verwendet für : Sensoren ( z.b. Differenzdruck oder Temperatur) externe Sollwertsignale Temperaturfühler für Wärmemengenzähler Temperatursensor, wenn Pumpe im VL sitzt 49

50 Intelligente Interaktionen Mögliche Betriebsarten: Parallelbetrieb, Wechselbetrieb oder Redundanz Grundfos MAGNA3 kann mittels drahtloser Kommunikation mit einer weiteren MAGNA3 kommunizieren. Die Verbindung zwischen zwei parallel geschalteten Pumpen (Doppelpumpe oder zwei Einzelpumpen) kann mit Hilfe des eingebauten Wizards oder Grundfos GO schnell und einfach hergestellt werden. Nutzen der Leitsystem-Aufschaltung Intelligente GLT-Anbindung Bus-Protokolle BACnet MS/TP BACnet IP LON Profibus-DP PROFINET Modbus RTU Modbus TCP Genibus (proprietär) GLT Konverter GSM, GPRS, GRM 50

51 Bedien- und Analysegerät Grundfos GO ipod Touch 5 Bundle mit MI204 ( ) Apple iphone 3GS/4/4S ipad 1/2/3 ipod Touch 3/4 mit ios 5 Apple iphone 5, 5S und 5C ipad 4/Retina ipod Touch 5 MI 202 ( ) MI 204 ( ) Kostenlose Grundfos GO Software - für Android - für ios Funk (2,1 GHz) Infrarot Android Tablets Android Smartphones MI 301 ( ) Berichte erstellen Inbetriebnahme Einstellung Betriebsüberwachung Datenanalyse Export/Import der Konfigurationsdatei Grundfos GO ist für iphone, ipod, ipad erhältlich. Grundfos GO ist für Android Smartphones erhältlich (Bluetooth Adapter). 51

52 19/01/2016 Export/Import der Konfigurationsdatei Auslesen und abspeichern Ecademy 52

53 Neue Wege der Enerieoptimierung bei Pumpen - Die Pumpe als System - Hocheffizienzpumpen Vielen Dank! 53