Hydraulischer Abgleich

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1 3 Hydraulischer Abgleich Laborversuche an der Demonstrationswand Krier Guy Seite 61

2 Inhalt: Messung einer Rohrnetzkennlinie / Anlagenkennlinie Ermitteln von Pumpenkennlinien Durchführen eines hydraulischen Abgleichs Vergleich zwischen ungeregelter Pumpe und geregelter Hocheffizienzpumpe Funktion des Bypasses mit Überströmventil Krier Guy Seite 62

3 Inhaltsverzeichnis: 1. Die Demonstrationswand Schematische Darstellung / Abbildung der Demonstrationswand Detaillierte Stückliste der montierten Komponenten Laborversuch Laborversuch Laborversuch Ermittlung der Pumpenkennlinien der ungeregelten Pumpe Hydraulischer Abgleich: Fallstudie an der Versuchswand Durchführung des hydraulischen Abgleichs Laborversuch Vergleich der Pumpenkennlinien Ermittlung der elektrischen Leistungsaufnahmen Einfluss von Bypass und Überströmventil Krier Guy Seite 63

4 1. Die Demonstrationswand Zur Durchführung der folgenden Laborversuche wurde eine Heizungsanlage auf kleinstem Raum an einer Demonstrationswand, der Wilo-Brain-Wand von der Firma Wilo nachgebaut. Die Wand verfügt über die entscheidenden Komponenten einer Pumpenwarmwasserheizung die notwendig sind, um die hydraulischen Vorgänge in der Anlage nachvollziehen und verstehen zu können. Da für das Verständnis der hydraulischen Vorgänge die Rolle des Wärmeerzeugers eher zweitrangig ist, wurde er auf dieser Versuchswand nur symbolisch dargestellt. So konnten nebenbei natürlich auch die Kosten der Wand und der konstruktive Aufwand reduziert werden. Um den Laborversuchen besser folgen zu können, sollten die montierten Komponenten und ihre Positionierung an der Wand bekannt sein. Auf den folgenden Seiten sind eine schematische Darstellung, ein Foto der Wand und eine Übersicht der Komponenten aufgeführt. Krier Guy Seite 64

5 1.1 Schematische Darstellung / Abbildung der Demonstrationswand 21 ϑ ϑ ϑ E Anmerkung: die Sinnbilddarstellung erfolgte nicht normgerecht! Legende: Abbildung 1.1.1: Schema der Wilo-Brain Demonstrationswand 1. Ungeregelte Mehrstufenpumpe 2. Geregelte Hocheffizienzpumpe 3. Kugelhähne 4. Durchflussmesser 25 l/h 5. Differenzdruckregler 6. Durchflussbegrenzer 3 l/h 7. Strangregulierventil 8. Differenzdruckmanometer (DDM) mit Anschlussleitung (rot und blau) 9. Lufttopf waagrecht, transparent 1. Entlüfter transparent 11. Lufttopf senkrecht, transparent 12. Getriebekugelhahn, Mehrstufen-Kugelhahn 13. Ausdehnungsgefäß (MAG), transparent 14. Anschlussleitung MAG (Regulierung Vordruck) 15. Anschlussleitung MAG-Rohrnetz 16. Handpumpe zum Befüllen 17. Sicherheitsgruppe (Sicherheitsventil, Entlüfter, Manometer) 18. Schmutzfänger 19. Durchflussmesser 64 l/h 2. Heizkörper mit Heizkörperventilen, verschiedene Ausführungen 21. Überströmventil 23. Kugelhahn (Zuschaltung Bypass) 24. Durchlussmesser 1l/h Krier Guy Seite 65

6 Abbildung 1.1.2: Abbildung der Wilo-Brain Demonstrationswand Legende: 1. Ungeregelte Mehrstufenpumpe 2. Geregelte Hocheffizienzpumpe 3. Kugelhähne 4. Durchflussmesser 25 l/h 5. Differenzdruckregler 6. Durchflussbegrenzer 3 l/h 7. Strangregulierventil 8. Differenzdruckmanometer (DDM) mit Anschlussleitung (rot und blau) 9. Lufttopf waagrecht, transparent 1. Entlüfter transparent 11. Lufttopf senkrecht, transparent 12. Getriebekugelhahn, Mehrstufen-Kugelhahn 13. Ausdehnungsgefäß (MAG), transparent 14. Anschlussleitung MAG (Regulierung Vordruck) 15. Anschlussleitung MAG-Rohrnetz 16. Handpumpe zum Befüllen 17. Sicherheitsgruppe (Sicherheitsventil, Entlüfter, Manometer) 18. Schmutzfänger 19. Durchflussmesser 64 l/h 2. Heizkörper mit Heizkörperventilen, verschiedene Ausführungen 21. Überströmventil 22. Elektrisches Leistungsmessgerät 23. Kugelhahn (Zuschaltung Bypass) Krier Guy Seite 66

7 1.2 Detaillierte Stückliste der montierten Komponenten Krier Guy Seite 67

8 Fortsetzung: Stückliste der montierten Komponenten Krier Guy Seite 68

9 2. Laborversuch 1 Druckverlust in Abhängigkeit des Volumenstromes Ziel des Versuches ist es, die Druckverluste einer Teilstrecke einer Heizungsanlage bei unterschiedlichen Volumenströmen durch Messung zu ermitteln. Der Zusammenhang Druckverlust in Abhängigkeit des Volumenstromes soll graphisch dargestellt werden. Einstellungen an der Demonstrationswand / Messverlauf: Vor Versuchsbeginn muss sichergestellt sein, dass die Anlage korrekt befüllt und entlüftet wurde, dafür sind unter Umständen folgende Schritte durchzuführen: a) Vordruck des MAG-Ausgleichsgefäßes (Pos-13) mit Hilfe des Luftpolsters der Handpumpe (Pos-16) durch pumpen aufbauen. Dafür muss der Schlauch (Pos- 14) am oberen Bereich der Handpumpe angeschlossen sein. Manometer auf 1, bar einstellen und Absperrhahn während dem Füllen öffnen. b) Sämtliche Absperrarmaturen (Kugelhähne (Pos-23), Getriebekugelhahn (Pos- 12), Thermostatventile (Pos-2)) müssen geöffnet werden. (Achtung: Voreinstellung und absperrbare Rücklaufverschraubungen überprüfen und wenn nötig komplett öffnen). c) Entlüftungsschrauben öffnen. d) Unteren Schlauch der Handpumpe an die Anlage anschließen. e) Handpumpe zum Befüllen (Pos-16) bei geschlossenen Ventilen an der Handpumpe auf 1,5 bar Anlagendruck aufpumpen. f) Hahn an der Handpumpe (16) öffnen. g) Wasser in die Anlage aufsteigen lassen und Entlüftungsschrauben bei Wasseraustritt schließen. h) Wasser nachpumpen, bis ein Anlagendruck von 1,5 bar erreicht ist. i) Beide Pumpen (Pos-1 + Pos-2) nacheinander einschalten und wieder ausschalten, damit sich die Luft im oberen Bereich der Anlage absetzen kann. j) Entlüften der Anlage über die Entlüftungsschrauben. k) Nachfüllen der Anlage. Anmerkung: Auch nach dem Nachfüllen der Anlage muss unter Umständen nochmals entlüftet werden! (Vgl.: Informationsmaterial Wilo-Brain classic plus, 1.Auflage 211) Krier Guy Seite 69

10 Ist die Anlage entlüftet, sind die Kugelhähne an der Wand so einzustellen, dass sich der im Anlagenschema 2.1 hervorgehobene Wasserlauf einstellt ϑ 7 ϑ ϑ E Anlagenschema 2.1 Zu beachten ist, dass der Getriebekugelhahn (Pos-12) vollkommen geöffnet ist! Der Versuch wird mit der ungeregelten Umwälzpumpe (Pos-1) durchgeführt. Ihre Drehzahl wird stufenweise von der kleinsten (Stufe 1) bis zur höchsten Stufe (Stufe 3) verändert durch Umschalten des Stufenschalters am Gehäuse der Pumpe. Der rote Schlauch des Differenzdruckmessers (Pos-8 Abbildung 1.1.2) ist oberhalb und der blaue Schlauch unterhalb der ungeregelten Heizungsumwälzpumpe anzuschließen. Der Pumpendifferenzdruck wird am Differenzdruckmesser abgelesen. Der Volumenstrom ist am Volumenstromessumformer (Pos-4) abzulesen. Krier Guy Seite 7

11 Die elektrische Leistungsaufnahme der Pumpe wird am elektrischen Leistungsmessgerät (Pos-22) abgelesen. Alle gemessenen Werte sind in die Auswertetabelle einzutragen. Pumpenleistung P 2 und Gesamtwirkungsgrad sind zu berechnen Der Druckverlust in Abhängigkeit des Volumenstroms wird im Diagramm aufgezeichnet. Messprotokoll: Pumpenstufe: Niedrigste (Stufe 1) Mittlere (Stufe 2) Höchste (Stufe 3) Volumenstrom in l/h Druckverlust in bar,12,22,33 El. Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W 31,6 8,5 149,8 Gesamtwirkungsgrad /h Krier Guy Seite 71

12 Auswertung der Ergebnisse Die Analyse der Messergebnisse führt zu folgenden Beobachtungen: Ein steigender Volumenstrom führt zu einem nicht linearen Anstieg des Druckverlustes. Die Messpunkte im Diagramm können zu einer quadratisch-wachsenden Kennlinie verbunden werden. Man bezeichnet diese Kennlinie: Rohrnetzkennlinie oder Anlagenkennlinie. Die gemessenen Druckverluste sind zurückzuführen auf die Verrohrung, auf Armaturen, Querschnittsverengungen usw. Die durch Messung erhaltenen Druckverluste in der Teilstrecke könnten ebenfalls rechnerisch ermittelt werden. Die Grundlagen hierzu bildet die Rohrnetzberechnung. In den meisten Fällen, insbesondere bei Altbauten, ist eine genaue rechnerische Ermittlung der Druckverluste nicht möglich, da genaue Informationen über die Verrohrung fehlen. Die Druckverluste werden vom Heizungsinstallateur oft nur überschlägig berechnet oder, im schlechtesten Fall, grob abgeschätzt. Krier Guy Seite 72

13 3. Laborversuch 2 Ermittlung der Rohrnetzkennlinien verschiedener Teilstrecken Die Druckverluste in jeder einzelnen Teilstrecke, die zu den drei Heizflächen der Versuchswand führt, soll bei unterschiedlichen Volumenströmen (Pumpenstufen) ermittelt werden. Danach ist die Anlagenkennlinie für den Auslegungsfall (alle Thermostatventile voll geöffnet) zu ermitteln. Die Werte sind in die Tabelle einzutragen und graphisch darzustellen. Einstellungen an der Demonstrationswand / Messverlauf: Vor Versuchsbeginn muss sichergestellt sein, dass die Anlage korrekt befüllt und entlüftet wurde. (zur Vorgehensweise siehe Laborversuch 1) Der Anlagendruck soll 1,5bar betragen. Der Versuch wird mit der ungeregelten Umwälzpumpe (Pos-1) durchgeführt. Ihre Drehzahl wird stufenweise von der kleinsten (Stufe 1) bis zur höchsten Stufe (Stufe 3) verändert durch Umschalten des Stufenschalters am Gehäuse der Pumpe. Der rote Schlauch des Differenzdruckmessers (Pos-8 Abbildung 1.1.2) ist oberhalb und der blaue unterhalb der ungeregelten Heizungsumwälzpumpe anzuschließen. Der Pumpendifferenzdruck wird am Differenzdruckmesser abgelesen. Der Volumenstrom ist am Volumenstromessumformer (Pos-4) abzulesen. Die Kugelhähne an der Wand sind so einzustellen, dass Heizwasser nur durch den jeweils verlangten Heizkörper strömt. (siehe Anlagenschema 3.1) Um die Rohrnetzkennlinie der drei Teilstrecken nacheinander zu ermitteln, müssen die Thermostatventile der nicht gemessenen Teilstrecken komplett geschlossen werden. Das Thermostatventil der gemessenen Teilstrecke wird maximal geöffnet. Alle gemessenen Werte sind in das Messprotokoll einzutragen. Der Druckverlust in Abhängigkeit des Volumenstroms wird im Diagramm aufgezeichnet. Die Messpunkte sind zu Rohrnetzkennlinien zu verbinden. Krier Guy Seite 73

14 21 ϑ ϑ ϑ Anlagenschema E *) Bemerkung an den Versuchsleiter: Vor Versuchsbeginn ist die Rücklaufverschraubung der oberen Heizfläche so einzustellen, dass sich bei höchster Pumpenstufe ein Volumenstrom von etwa 7l/h am Schauglas der Heizfläche einstellt. Das Einstellen auf den richtigen Wert ist relativ schwierig, was auch erklärt wieso Rücklaufverschraubungen für eine sehr präzise Voreinstellung eigentlich ungeeignet sind. Durch die Voreinstellung soll ein erhöhter Druckverlust, bedingt durch eine größere Entfernung von der Pumpe, simuliert werden. Die Voreinstellung des Thermostatventils des mittleren Heizkörpers ist auf Position 4 zu drehen, die des unteren Heizkörpers auf Position 6. Krier Guy Seite 74

15 Messprotokoll: Pumpenstufe: Niedrigste (Stufe 1) Mittlere (Stufe 2) Höchste (Stufe 3) Teilkreis oberer Heizkörper separat Volumenstrom in l/h Druckverlust in bar Teilkreis mittlerer Heizkörper separat Volumenstrom in l/h Druckverlust in bar.21,365,45 Teilkreis unterer Heizkörper separat Volumenstrom in l/h Druckverlust in bar Alle Thermostatventile maximal geöffnet (kompletter Strang) Volumenstrom in l/h Druckverlust in bar Krier Guy Seite 75

16 Druckverlust Δp in bar Travail de candidature,5,45,4,35,3,25,2,15,1 Kenn Kenn Kenn Anlag Poly. Poly. Poly. Anlagenkennlinie, alle Thermostatventile offen Poly. Kennlinie Teilstrecke mit unterstem Heizkörper Kennlinie Teilstrecke mit mittlerem Heizkörper,5 Kennlinie Teilstrecke mit oberstem Heizkörper Volumenstrom V in l/h Abbildung 3.2: Druckverlust in Abhängigkeit des Volumenstroms Auswertung der Ergebnisse Die Analyse der Messergebnisse führt zu folgenden Beobachtungen: Die Rohrnetzkennlinie des Teilkreises mit dem obersten Heizkörper steigt am steilsten an. Der Druckabfall ist in dieser Teilstrecke am größten. In Heizungsanlagen ist dies üblicherweise der Fall für die Teilstrecke mit der am weitesten von der Pumpe entfernten Heizfläche. Der Grund sind die längeren Rohrleitungen. Krier Guy Seite 76

17 Druckverlust Δp in bar Travail de candidature 4. Laborversuch Ermittlung der Pumpenkennlinien der ungeregelten Pumpe Für den ersten Teil dieses Laborversuches sollen die Ergebnisse aus Laborversuch 2 wieder aufgegriffen werden. Im Diagramm sollen alle Messpunkte, die mit einer Pumpenstufe ermittelt wurden zu einer Kennlinie verbunden werden.,5 Pumpenkennlinie: Höchste Pumpenstufe,45,4,35,3 Kennlinie ob Kennlinie mi Kennlinie un Pumpenkenn Pumpenkenn,25,2,15,1,5 Pumpenkennlinie: Mittlere Pumpenstufe Pumpenkennlinie: Niedrigste Pumpenstufe Volumenstrom V in l/h Pumpenkenn Poly. (Kennli Poly. (Kennli Poly. (Kennli Poly. (Pumpe Poly. (Pumpe Poly. (Pumpe Poly. ( Abbildung 4.1.1: Pumpenkennlinien Insgesamt ergeben sich drei Kennlinien. Sie charakterisieren bei einer gewählten Pumpenstufe den gelieferten Volumenstrom in Abhängigkeit des herrschenden Pumpendruckes. Es handelt sich um die Pumpenkennlinien der ungeregelten Pumpe. Es gilt folgende wichtige Feststellung: Ein Betriebspunkt der Anlage ist dort, wo Rohrnetzkennlinie und Pumpenkennlinie sich schneiden. Krier Guy Seite 77

18 4.2. Hydraulischer Abgleich: Fallstudie an der Versuchswand Es wird davon ausgegangen, dass jeder Heizkörper der Versuchswand einen Raum eines Wohnhauses mit Wärme versorgen soll. Temperaturspreizung und maximale Vorlauftemperatur der Anlage wurden bestimmt. Die Heizlastberechnung hat für den Auslegungsfall für die drei Räume jeweils einen Mindestheizwasservolumenstrom von 7 l/h ergeben. Die vorherigen Messungen der Strömungswiderstände in den Teilstrecken haben gezeigt (vgl. Abbildung und Laborversuch 2), dass die Teilstrecke mit dem oberen Heizkörper den größten Druckverlust aufweist, er bestimmt den notwendigen Pumpendifferenzdruck. Es soll der stationäre (quasi statische) hydraulische Abgleich der Anlage bei Nennlastbetrieb für den Auslegungsfall durchgeführt werden. Einstellungen an der Demonstrationswand / Messverlauf: Für die Messungen sind die gleichen Einstellungen an der Demonstrationswand vorzunehmen als im Laborversuch 2. Die Thermostatventile der einzelnen Heizkörper sind entweder voll zu schließen oder maximal zu öffnen. Die genauen Einstellungen sind dem Messprotokoll zu entnehmen. Die Volumenströme durch jede Heizfläche werden an den einfachen, durchsichtigen Durchflussanzeigen, die vor den Heizkörpern angebracht sind, abgelesen und in das Messprotokoll eingetragen. Anmerkung: Während den Vorbereitungen zum Versuch wurde ein Offset zwischen der Durchflussanzeige (Pos-24) und den gemessenen Werten am digitalen Volumenstrommessumformer (Pos-8) festgestellt. Sehr geringe Volumenströme werden von dem digitalen Volumenstrommessumformer nicht wahrgenommen. Krier Guy Seite 78

19 Messprotokoll: Im Messprotokoll wird die Abkürzung TV für Thermostatventil benutzt. Messung 1: ungeregelte Pumpe; höchste Stufe Nur oberes TV offen Nur mittleres TV offen Nur unteres TV offen Alle TV offen Volumenstrom in l/h durch den oberen Heizkörper (TV geschlossen) (TV geschlossen) 68 Volumenstrom in l/h durch den mittleren Heizkörper (TV geschlossen) > 1 l/h (TV geschlossen) > 1 l/h Volumenstrom in l/h durch den unteren Heizkörper (TV geschlossen) (TV geschlossen) > 1 l/h > 1 l/h Gesamtvolumenstrom (Gemessen mit Pos-4) in l/h Differenzdruck an der Pumpe in bar,47,46,45,43 Anmerkung: Die Volumenstromanzeige (Pos-24 Abbildung 3.1) kann nur Volumenströme bis maximal 1 l/h anzeigen. Messung 2: ungeregelte Pumpe; mittlere Stufe Nur oberes TV offen Nur mittleres TV offen Nur unteres TV offen Alle TV offen Volumenstrom in l/h durch den oberen Heizkörper 6-63 (TV geschlossen) (TV geschlossen) 48-5 Volumenstrom in l/h durch den mittleren Heizkörper (TV geschlossen) > 1 l/h (TV geschlossen) > 1 l/h Volumenstrom in l/h durch den unteren Heizkörper (TV geschlossen) (TV geschlossen) > 1 l/h > 1 l/h Gesamtvolumenstrom (Gemessen mit Pos-4) in l/h 47, Differenzdruck an der Pumpe in bar,38,36,35,33 Krier Guy Seite 79

20 Auswertung der Ergebnisse Die Analyse der Messergebnisse führt zu folgenden Beobachtungen: Die höchste Pumpenstufe reicht gerade noch aus um bei Volllast (alle TV offen) am obersten Heizkörper den geforderten Volumenstrom zu erreichen. Wird die Pumpe auf die mittlere oder niedrigste Stufe umgestellt, würde im Auslegungsfall der Raum mit dem oberen Heizkörper nicht mehr ausreichend mit Wärme beliefert werden. Durch den mittleren und unteren Heizkörper fließt ein sehr hoher Volumenstrom (sogar ausserhalb des Anzeigenbereiches der Volumenstromanzeige Pos-24; Abbildung 3.1). Besonders im Teillastbetrieb wird unnötig Pumpenantriebsenergie verbraucht. Die Regelbarkeit der Thermostatventile wird durch die hohe, anliegende Druckdifferenz verschlechtert. Die hohe Fliessgeschwindigkeit macht sich durch laute Strömungsgeräusche am Thermostatventil bemerkbar Durchführung des hydraulischen Abgleichs Um die Volumenströme durch den mittleren und unteren Heizkörper zu reduzieren, muss eine Voreinstellung der Thermostatventile durchgeführt werden => die Anlage wird hydraulisch abgeglichen. Um die Voreinstellung an den beiden abzugleichenden unteren Heizkörpern durchzuführen, werden bei laufender Pumpe (höchste Pumpenstufe) und maximal geöffneten Thermostatventilen, die Thermostatköpfe abgeschraubt. Die Volumenströme durch die Heizkörper sind durch Verdrehen der Voreinstellung auf etwa 7 l/h einzupegeln. Danach soll die vorherige Messung aus Kapitel 4.2 mit der höchsten Pumpenstufe wiederholt werden. Die Ergebnisse sind in das Messprotokoll einzutragen. Krier Guy Seite 8

21 Messung 1: ungeregelte Pumpe; höchste Stufe Nur oberes TV offen Nur mittleres TV offen Nur unteres TV offen Alle TV offen Volumenstrom in l/h durch den oberen Heizkörper 68-7 (TV geschlossen) (TV geschlossen) 68 Volumenstrom in l/h durch den mittleren Heizkörper (TV geschlossen) 7 (TV geschlossen) 7 Volumenstrom in l/h durch den unteren Heizkörper (TV geschlossen) (TV geschlossen) Gesamtvolumenstrom (Gemessen mit Pos-4) in l/h Differenzdruck an der Pumpe in bar,46,46,45,45 Auswertung der Ergebnisse Die Analyse der Messergebnisse führt zu folgenden Beobachtungen: Alle Volumenströme wurden durch den Abgleich auf den geforderten Wert bei Volllast im Auslegungsfall (7 l/h) reduziert. An den Thermostatventilen findet bei Volllast keine Geräuschbildung mehr statt. Krier Guy Seite 81

22 Anmerkungen: 1. Alle bisherigen Laborversuche erfolgten zum besseren Verständnis der Problematik ausschließlich mit einer ungeregelten Heizungspumpe. Mittlerweile sind drehzahlgeregelte Hocheffizienzpumpen Stand der Technik. Die Grundproblematik des hydraulischen Abgleichs ändert sich jedoch nicht mit der Verwendung einer Hocheffizienzpumpe. 2. Da bei dem Versuch eine ungeregelte Umwälzpumpe benutzt wurde, erfolgte keine Drehzahlanpassung an den Volumenstrombedarf. Ohne zusätzlichen Bypass mit Überströmventil, läuft die Pumpe besonders im Teilllast- und insbesondere im Nulllastbetrieb nicht unter optimalen Betriebsbedingungen. Es wird kein oder zu wenig Heizwasser gefördert, um die Pumpe ausreichend zu kühlen. Die Folge ist ein Überhitzen des Pumpenmotors. Durch den Bypass erfolgt ein permanentes Umwälzen des Heizwassers. Krier Guy Seite 82

23 5. Laborversuch 4 => Vergleich zwischen ungeregelten und geregelten Pumpen In diesem Versuch sollen eine ungeregelte und eine geregelte Pumpe miteinander verglichen werden. Bei der geregelten Pumpe wird zudem noch zwischen den Regelungsarten Δp = konstant bzw. Δp = variabel unterschieden. Der Versuch setzt sich aus drei Teilen zusammen: in einem ersten Teil werden die Pumpenkennlinien der verschiedenen Pumpen und Pumpenregelungsarten verglichen und kommentiert. Anmerkung: ist ausreichend Zeit zu Verfügung können die Pumpenkennlinien auch eigenständig an der Versuchswand aufgenommen werden. In einem zweiten Teil sollen die elektrischen Leistungsaufnahmen, bzw. der Energieverbrauch der Pumpen ermittelt, verglichen und kommentiert werden. In dem dritten Teil soll auf die Daseinsberechtigung eines Bypasses mit Überströmventil in einer Heizungsanlage mit geregelter Pumpe eingegangen werden. 5.1 Vergleich der Pumpenkennlinien Abbildung bis zeigen Resultate einer Messung, die als Ziel hatte, den Differenzdruck Δp (= Förderhöhe) in Abhängigkeit des Volumenstromes der ungeregelten Pumpe sowie der drehzahlgeregelten Pumpe experimentell zu ermitteln. Für die geregelte Hocheffizienzpumpe wurde die Regelungsart Δp = konstant beziehungsweise Δp = variabel gewählt. Um die Pumpenkennlinien an der Versuchswand zu ermitteln, wurde der Strömungswiderstand in der Anlage mit Hilfe des Getriebekugelhahnes (vgl. Abbildung 1.1.2; Pos-12). variiert. Die Getriebekugelhahnstellung wurde verändert zwischen den 5 Positionen: voll geöffnet; 15 l/h; 1 l/h; 5 l/h und vollständig geschlossen. Krier Guy Seite 83

24 Differenzdruck Δp in bar Differenzdruck Δp in bar Travail de candidature Messergebnisse: Gemessene Pumpenkennlinien der ungeregelten Pumpe,7,6,5 Höchste Stufe Mittlere Stufe Niedrigste Stufe,4,3,2, Volumenstrom V in l/h Abbildung 5.1.1: Differenzdruck (= Förderhöhe) in Abhängigkeit des geförderten Volumen-stroms für eine ungeregelte Pumpe,7,6,5 Gemessene Pumpenkennlinien der geregelten Pumpe Regelungsart Δp = konstant Δp =,6bar Δp =,5bar Δp =,4bar Δp =,3bar Δp =,2bar Δp =,1bar,4,3,2, Volumenstrom V in l/h Abbildung 5.1.2: Differenzdruck (= Förderhöhe) in Abhängigkeit des geförderten Volumenstroms für eine geregelte Hocheffizienzpumpe. Regelungsart Δp = konstant Krier Guy Seite 84

25 Differenzdruck Δp in bar Travail de candidature,7,6,5 Gemessene Pumpenkennlinien der geregelten Pumpe Regelungsart Δp = variabel Δp =,6bar Δp =,5bar Δp =,4bar Δp =,3bar Δp =,2bar Δp =,1bar,4,3,2, Volumenstrom V in l/h Abbildung 5.1.3: Differenzdruck (= Förderhöhe) in Abhängigkeit des geförderten Volumenstroms für eine geregelte Hocheffizienzpumpe. Regelungsart Δp = variabel Die Analyse der erhaltenen Resultate führt zu folgenden Beobachtungen: Bei der ungeregelten Pumpe steigt mit fallendem Volumenstrom der anstehende Pumpendifferenzdruck und damit steigt auch die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers, was an den Thermostatventilen zu Geräuschbildung führt. Bei der geregelten Hocheffizienzpumpe mit der Regelungsart Δp = konstant, bleibt der Pumpendruck bei abnehmendem Volumenstrom unverändert auf dem eingestellten Wert. Dies führt zu einer Einsparung an Pumpenantriebsenergie und zu Vermeidung von Strömungsgeräuschen. Bei der geregelten Pumpe mit der Regelungsart Δp = variabel wird der Pumpendifferenzdruck mit abnehmendem Volumenstrom reduziert. Die Pumpe muss und Δp v messen und ihre Leistung entsprechend anpassen. Krier Guy Seite 85

26 5.2 Ermittlung der elektrischen Leistungsaufnahmen In diesem zweiten Versuchsteil soll die elektrische Leistungsaufnahme (bzw. der Energieverbrauch) der ungeregelten und der geregelten Pumpe an der Versuchswand für vereinzelte Punkte ermittelt werden. Anschließend sollen der Pumpenwirkungsgrad berechnet werden. Einstellungen an der Demonstrationswand / Messverlauf: Die Kugelhähne an der Wand sind so einzustellen, dass sich der im Anlagenschema hervorgehobene Wasserlauf einstellt. Beim Wechsel von der ungeregelten zur geregelten Pumpe müssen die Kugelhähne vor bzw. nach der Pumpe entsprechend geöffnet oder geschlossen werden um den Heizwasserstrom entsprechend umzuleiten ϑ 7 ϑ ϑ Anlagenschema E Krier Guy Seite 86

27 Mit dem Getriebekugelhahn (Pos-12) wird ein variabler Netzwiderstand erzeugt. Dadurch können z.b. Nennlast und unterschiedliche Teillasten einer richtigen Heizungsanlage simuliert werden. Die Stellung des Getriebekugelhahnes wird, wie bei der vorherigen Ermittlung der Pumpenkennlinien, zwischen den Positionen variiert: voll geöffnet; 15 l/h; 1 l/h; 5 l/h; und vollständig geschlossen. Am Differenzdruckmesser (Pos-8; Abbildung 5.2.1) werden die Differenzdrücke an den Pumpen gemessen. Dafür sind ein roter und ein blauer Schlauch mit Schnellkupplungen vorgesehen. Der rote Schlauch wird oberhalb, der blaue Schlauch unterhalb der jeweils gemessenen Pumpe angebracht. Beide Schläuche werden mit dem Differenzdruckmesser verbunden. Die abgelesen Messwerte werden in die vorbereitete Tabelle eingetragen. Die jeweilige elektrische Leistungsaufnahme der verwendeten Pumpe wird am Leistungsmessgerät abgelesen (Pos-22; Abbildung 5.2.1) und ebenfalls in die Tabelle eingetragen. Messverlauf: Zuerst soll die Messung an der ungeregelten Pumpe für die drei unterschiedlichen Schaltstufen erfolgen. Anschließend soll die geregelten Hocheffizienzpumpe vermessen werden. Die Pumpeneinstellungen bezüglich Förderhöhe, Nachabsenkung und Regelungsart (Δp = konstant beziehungsweise Δp = variable) sind am Bedienungsmenü der Pumpe vorzunehmen. Die Einstellwerte sind den Tabellen aus dem Messprotokoll zu entnehmen. Krier Guy Seite 87

28 Messprotokoll: Messung 1: ungeregelte Pumpe (vgl. Bild 5.1.1); höchste Stufe Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 2: ungeregelte Pumpe; mittlere Stufe Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 3: ungeregelte Pumpe; niedrigste Stufe Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Krier Guy Seite 88

29 Messung 4: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=const.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.6bar (Förderhöhe H = 6mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 5: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=const.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.3bar (Förderhöhe H = 3mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 6: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=const.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.1bar (Förderhöhe H = 1mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Krier Guy Seite 89

30 Messung 7: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=var.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.6bar (Förderhöhe H = 6mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 8: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=var.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.3bar (Förderhöhe H = 3mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Messung 9: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=var.; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.1bar (Förderhöhe H = 1mWS) Volumenstrom in l/h Differenzdruck in bar Leistungsaufnahme in W Pumpenleistung in W Gesamtwirkungsgrad in % Krier Guy Seite 9

31 Pumpenwirkungsgrad ηges in % Elek. Pumpenantriebsleistung in W Travail de candidature Die Messergebnisse können in ein Diagramm eingetragen werden: 7 Elektrische Pumpenantriebsleistung für die verschiedenen Pumpen und Pumpenregelungsarten 6 5 Höchste Stufe / ungeregelt 4 Mittlere Stufe / ungeregelt Niedrigste Stufe / ungeregelt 3 Δp =,6bar Regelung Δp=const. Δp =,3bar Regelung Δp=const. 2 Δp =,1bar Regelung Δp=const. Δp =,6bar Regelung Δp=var. 1 Δp =,3bar Regelung Δp=var. Δp =,1bar Regelung Δp=var Volumenstrom V in l/h Abbildung 5.2.2: Elektrische Antriebsleistung P 1 Gesamtwirkungsgrad der unterschiedlichen Pumpen 5, 45, 4, 35, 3, 25, 2, 15, 1, 5, Höchste Stufe / ungeregelt Mittlere Stufe / ungeregelt Niedrigste Stufe / ungeregelt Δp =,6bar Regelung Δp=const. Δp =,3bar Regelung Δp=const. Δp =,1bar Regelung Δp=const. Δp =,6bar Regelung Δp=var. Δp =,3bar Regelung Δp=var. Δp =,1bar Regelung Δp=var., Volumenstrom V in l/h Abbildung 5.2.3: Gesamtwirkungsgrad η Ges Krier Guy Seite 91

32 Die Analyse der erhaltenen Resultate führt zu folgenden Beobachtungen: Die Leistungsaufnahme der geregelten Hocheffizienzpumpe liegt in jedem Regelbereich unter der Leistungsaufnahme der ungeregelten Heizungsumwälzpumpe. Wird die geregelte Hocheffizienzpumpe mit der Regelungsart Δp = variabel betrieben, liegt die Leistungsaufnahme noch einmal unter der sich ergebenden Leistungsaufnahme für die Regelungsart Δp = konstant. Bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme fördert die Hocheffizienzpumpe in jedem Fall einen höheren Volumenstrom als die ungeregelte Pumpe. Der Gesamtwirkungsgrad der Hocheffizienzpumpe liegt entscheidend über dem der ungeregelten Pumpe. Krier Guy Seite 92

33 5.3 Einfluss von Bypass und Überströmventil Ziel dieses dritten Versuchsteils ist es herauszufinden, wie sich eine geregelte Hocheffizienzpumpe verhält, wenn sie in eine Anlage verbaut wird, die über einen Bypass mit Überströmventil verfügt. Es sollen der Volumenstrom im Bypass bestimmt werden, die elektrische Leistungsaufnahme und der Differenzdruck an der jeweiligen Pumpe. Die Thermostatventile der Anlage sollen nach und nach geschlossen werden, um einen Teillast- und Nulllastbetrieb zu simulieren. Welche Funktion erfüllt der Bypass mit Überströmventil in Heizungsanlagen? Er hat als Funktion, den Differenzdruck in der Anlage nicht über einen eingestellten Maximaldruck anwachsen zu lassen. Wird das Druckgefälle insbesondere über die Thermostatventile zu hoch, beeinflusst dies deren Regelbarkeit und es machen sich störende Fließgeräuschen bemerkbar (ein anzustrebender Maximalwert am Thermostatventil ist ein Differenzdruck von nur 15mbar). Wird die Anlage mit einer ungeregelten Pumpe betrieben, können durch den begrenzten Differenzdruck, z.b. bei Nulllast, Schäden durch Überhitzen an der Heizungspumpe vermieden werden. Einstellungen an der Demonstrationswand / Messverlauf: Die Kugelhähne an der Wand sind so einzustellen, dass sich der im Anlagenschema hervorgehobene Wasserlauf einstellt. Beim Wechsel von der ungeregelten zur geregelten Pumpe müssen die Kugelhähne vor bzw. nach der Pumpe entsprechend geöffnet oder geschlossen werden, um den Heizwasserstrom entsprechend umzuleiten. Alle Thermostatventile sind komplett zu öffnen. Die Voreinstellung an den Thermostatventilen bzw. an den Rücklaufverschraubungen sind auf null zurückzusetzen. Krier Guy Seite 93

34 21 ϑ ϑ ϑ Anlagenschema E Das Überströmventil (Pos-21) ist so weit zuzudrehen, bis bei voll geöffneten Thermostatventilen gerade kein Durchfluss durch den Bypass mehr erfolgt. Der eingestellte Wert sollte in etwa 2mbar ergeben. Der Volumenstrom über den Bypass kann am Volumenstrommessgerät (Pos-19) abgelesen werden. Am Differenzdruckmesser (Pos-8; Abbildung 5.3.1) werden die Differenzdrücke an den Pumpen gemessen. Dafür sind ein roter und ein blauer Schlauch mit Schnellkupplungen vorgesehen. Der rote Schlauch wird oberhalb, der blaue Schlauch unterhalb der jeweils gemessenen Pumpe angebracht. Beide Schläuche werden mit dem Differenzdruckmesser verbunden. Die abgelesenen Messwerte werden in die vorbereitete Tabelle eingetragen. Krier Guy Seite 94

35 Messverlauf: In einer ersten Messreihe soll die ungeregelte Pumpe mit dem Bypass verwendet werden. Anschließend soll die geregelte Hocheffizienzpumpe benutzt werden. Es soll bei dieser Pumpe zwischen der Regelungsart Δp = konstant und Δp = variabel unterschieden werden. Während jeder Messreihe werden die Thermostatventile nach und nach komplett geschlossen. Der Bypass wird zum Schluss geschlossen: Kugelhahn (Pos-23). Die Messwerte: Differenzdruck, Volumenstrom durch den Bypass und elektrische Leistungsaufnahme der Pumpe sollen abgelesen und in das Messprotokoll eingetragen werden. (Anmerkung: Thermostatventil wird im Folgenden mit T abgekürzt!) Krier Guy Seite 95

36 Messprotokoll: Messung 1: ungeregelte Pumpe; niedrigste Stufe Alle TV offen 1 TV geschlossen 2 TV geschlossen 3 TV geschlossen Bypass und TV geschlossen Differenzdruck in bar Volumenstrom im Bypass in l/h Leistungsaufnahme in W Messung 2: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=const; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.2bar (Förderhöhe H = 2mWS) Alle TV offen 1 TV geschlossen 2 TV geschlossen 3 TV geschlossen Bypass und TV geschlossen Differenzdruck in bar Volumenstrom im Bypass in l/h Ca Leistungsaufnahme in W Messung 3: geregelte Hocheffizienzpumpe; Regelungsart Δp=var; Nachtabsenkung ein; Pumpendifferenzdruck =.2bar (Förderhöhe H = 2mWS) Alle TV offen 1 TV geschlossen 2 TV geschlossen 3 TV geschlossen Bypass und TV geschlossen Differenzdruck in bar Volumenstrom im Bypass in l/h Ca Leistungsaufnahme in W Krier Guy Seite 96

37 Die Analyse der erhaltenen Resultate führt zu folgenden Beobachtungen: Bei der ungeregelten Pumpe fließt bei geschlossenen Thermostatventilen ein erheblicher Volumenstrom durch den Bypass. Hierbei wird unnötig elektrische Antriebsenergie verbraucht, obwohl dies nicht notwendig wäre. Sind sowohl die Thermostatventile als auch das Überströmventil geschlossen, machen sich bei der ungeregelten Pumpe hörbare Fließgeräusche bemerkbar. Wird die Pumpe zu lange unter dieser Bedingung betrieben, wird es durch Überhitzung zu einem Versagen der Pumpe kommen. Bei geschlossenen Thermostatventilen und geschlossenem Bypass verschwinden die Fließgeräusche wenn die geregelte Hocheffizienzpumpe verwendet wird. Die Pumpe kann sich durch Reduzierung der Drehzahl an die geforderte Nulllast anpassen. Bei der geregelten Hocheffizienzpumpe wird, unabhängig der Regelungsart, bei geschlossenen Thermostatventilen dennoch ein Volumenstrom durch den Bypass gefördert. Dieser Volumenstrom wäre eigentlich nicht notwendig. => Es gilt: Beim Betrieb mit einer geregelten Pumpe werden Bypass und Überströmventil nicht benötigt! Krier Guy Seite 97

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