Kapitel 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen (Version 1.0)

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1 Kapitel 14: (Version 1.0) Inhaltsverzeichnis Kapitel Ziel Grundlagen BBT-Reglement Haustechnikplaner Lüftung Clima. Suisse-Modell-Lehrgang Einleitung Allgemeine Informationen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Umwälzpumpen und Ventilatoren Bauarten von Umwälzpumpen Pumpen-Kennlinien Pumpen mit Drehzahlregulierung Auslegungshinweise für Heizungsanlagen Hydraulische Schaltungen in HLK-Anlagen Auswahldiagramm Luftkühleranschlüsse Drosselschaltung mit Durchgangsventil Umlenk- oder Verteilschaltung mit Dreiwegventil Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Beimischschaltung mit Hauptpumpe und drucklosem Verbraucheranschluss Aufgabe zum Thema Umwälzpumpen Allgemeine Beschreibung Gegebene Daten Gesuchte Daten Checkliste 14:...13 Clima-Suisse / SSHL Seite 1 von 13

2 14.1 Ziel Kennenlernen der Grundbegriffe im Bereich Umwälzpumpen und hydraulische Schaltungen. Verstehen der Zusammenhänge zwischen Heizungs- und Lüftungstechnik. Anwenden des Gelernten in Form einer praktischen Uebung Grundlagen BBT-Reglement Haustechnikplaner Lüftung Art. 5, Praktische Arbeiten und Berufskenntnisse, Drittes Lehrjahr Die Auslegung von Umwälzpumpen ist im BBT-Reglement Haustechnikplaner Fachrichtung Heizung aufgeführt Clima. Suisse-Modell-Lehrgang Ausbildungsinhalt Die Auslegung von Umwälzpumpen ist im Lehrplan Modell-Lehrgang für Haustechnikplaner Fachrichtung Heizung aufgeführt Einleitung In diesem Kapitel soll dem Lehrling nicht berufsfremder Stoff vermittelt werden. Es hilft vielmehr, dass sich die Heizungs- und Lüftungfachleute besser verstehen und dadurch in der Praxis besser zusammenarbeiten können. In diesem Sinne ist es notwendig, dass der Lüftungsplaner die Grundbegriffe im Zusammenhang mit der Auslegung von Umwälzpumpen kennt. Viele der heute eingebauten Umwälzpumpen sind mehrfach überdimensioniert. Um für die Zukunft dem Kunden möglichst niedrige Betriebskosten der Anlage und einen sparsamen Umgang mit der Energie zu gewährleisten, müssen die Pumpen richtig dimensioniert werden. Der Lüftungsplaner kann mit einfachen Kontrollrechnungen die Arbeit des Heizungsplaners überprüfen und bei Problemen noch während der Planung deren Ursachen suchen helfen. Damit eine Lüftungsanlage im gesamten Belastungsbereich einwandfrei arbeiten kann, müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein. Teilprobleme, wie etwa die Wahl der hydraulischen Schaltung eines Lufterhitzeranschlusses, dürfen nicht nur aus der Sicht des Heizungsplaners beurteilt werden, sondern müssen im Gesamtrahmen betrachtet werden Allgemeine Informationen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Umwälzpumpen und Ventilatoren Für den Lüftungsplaner ist es am einfachsten, die Umwälzpumpe einer Heizungsanlage mit dem Ventilator einer Lüftungsanlage zu vergleichen. Das ist deshalb möglich, weil es sich bei beiden Geräten um sogenannte Strömungsmaschinen handelt. Diese Verwandtschaft hat zur Folge, dass viele Gesetze aus der Theorie der Ventilatoren, wie zum Beispiel die Proportionalitätsgesetze (siehe Kapitel 5 sowie Schulstoff), auch für Umwälzpumpen Gültigkeit haben. Typischerweise wird in der Pumpentechnik mit viel höheren Drücken gearbeitet als in der Ventilatortechnik. Im Unterschied zu den Ventilatoren werden Umwälzpumpen in geschlossenen Systemen eingesetzt. Das heisst, das geförderte Medium (z.bsp. Wasser) befindet sich in einem in sich abgeschlossenen Kreislauf, es wird immer wieder dasselbe Medium transportiert. Der Ventilator dagegen saugt auf der einen Seite Aussenluft aus der Umgebung an und befördert diese in eine andere Umgebung, meist in den zu belüftenden Raum Bauarten von Umwälzpumpen Nassläufer-Pumpen: Häufigste in der Haustechnik verwendete Pumpenbauart. In Deutschland werden diese Pumpen Rohroder Kleinpumpen genannt. Diese Pumpen werden stopfbüchsenlos mit Gleitringdichtung in der sogenannten Spaltrohrbauweise (siehe auch Titelbild) mit Wasserschmierung ausgeführt, so dass sie praktisch wartungsfrei sind. Alle rotierenden Teile (einschliesslich des Rotors) liegen dabei im Wasser (daher auch der Name Nassläufer). Trockenläufer-Pumpen: auch Inline-Pumpen genannt. Es handelt sich dabei um Kreiselpumpen mit einem Spiralgehäuse in der Bauart, bei welcher Saug- und Druckstutzen mit gleichen Flanschen in einer Linie aufgebaut sind. Die Verbindung zwischen Motor und Laufrad wird über eine Welle, teilweise mit zwischengeschalteten elastischen Kupplungen hergestellt. Weitere Pumpen-Bauarten: Zwillingspumpen (Pumpen, bei denen Haupt- und Reservepumpe in einem Gehäuse vereinigt sind), Sockelpumpen (als Trockenläufer auf bauseitigem Sockel montiert, für grosse Anlagen) Pumpen-Kennlinien Das Verhalten der Pumpen im Betrieb ist durch die Pumpen- und Rohrleitungskennlinien bestimmt. Die Pumpenkennlinie, welche durch Versuche ermittelt wird, gibt wie beim Ventilator die Beziehung zwischen der Förderhöhe und dem Förderstrom bei konstanter Drehzahl an. Ein Beispiel einer Pumpenkennlinie ist in der nachfolgenden Uebungsaufgabe zu finden. Die Kennlinien haben je nach der Konstruktion des Laufrades einen flachen oder eher steilen Verlauf. Im ersten Fall ergibt sich bei Widerstandsänderungen eine grosse Volumenstromänderung, im zweiten Fall eine geringe Aenderung. Clima-Suisse / SSHL Seite 2 von 13

3 Pumpen mit Drehzahlregulierung Viele Pumpenhersteller bieten Pumpen mit integrierten Drehzahlregelungen an. Diese Geräte basieren je nach Hersteller auf unterschiedlichen Mess- und Regelprinzipen. Generell kann jedoch gesagt werden, dass der Wirkungsgrad drehzahlregulierter Pumpen vor allem bei Teillast deutlich schlechter ist als bei Pumpen mit fester Drehzahl oder mit Drehzahlstufen. Der Einsatz von Pumpen mit Drehzahlregulierung lohnt sich jedoch in folgenden Fällen: - Wenn keine ungeregelte Pumpe mit ausreichend flacher Kennlinie zu finden ist - Für grosse Heizgruppen mit Heizleistungen über 300 bis 400 kw - Bei variablem Durchfluss, wenn der Durchfluss um mehr als 1:2 variiert Dies ist vor allem bei Raumheizungsgruppen in Bürobauten mit viel interner Abwärme (Bürogeräte) zu erwarten, sowie bei Primärkreisen, welche gegen Durchgangsventile Arbeiten (Fernheizungen, evtl. Lüftungsgruppen) Auslegungshinweise für Heizungsanlagen Siehe Umwälzpumpen-Leitfaden des Bundesamtes für Energiewirtschaft (BEW) Hydraulische Schaltungen in HLK-Anlagen Auswahldiagramm Aussenluftanteil gross? Frostgefahr? Ja Nein Lufterhitzer mit konstantem Volumenstrom des Heizungswassers Ja Temperaturschichtung störend? Nein Lufterhitzer mit variablem Volumenstrom des Heizungswassers Hydraulische Konzeption der Gesamtanlagen Schaltung Schaltung Schaltung Schaltung Schaltung (siehe Seite 5) (siehe Seite 6) (siehe Seite 7) (siehe Seite 8) (siehe Seite 9) Drosselschaltung mit Durchgangsventil Umlenk- oder Verteilschaltung mit Dreiwegventil Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Beimischschaltung mit Hauptpumpe und drucklosem Verbraucheranschl. Clima-Suisse / SSHL Seite 3 von 13

4 Luftkühleranschlüsse Die hydraulischen Schaltungen für Wasserkühler werden nicht separat behandelt. Die entsprechenden Hinweise sind bei den hydraulischen Schaltungen für Lufterhitzer aufgeführt. Je nach Anwendung (Kühlen mit oder ohne Entfeuchtung) ist der Anschluss des Wasserkühlers unterschiedlich zu konzipieren. Wasserkühler mit konstantem Volumenstrom Eine Entfeuchtung der Luft stellt sich erst bei grosser Teillast ein. Wasserkühler mit variablem Volumenstrom Durch die tiefen Kühlwassertemperaturen im ganzen Lastbereich wird praktisch immer entfeuchtet. Clima-Suisse / SSHL Seite 4 von 13

5 14.6 Drosselschaltung mit Durchgangsventil (SWKI-Kennziffer , Richtlinie 79-1, Seite 61) Grundschaltung (Lufterhitzer) - Nachwärmer - Luftheizanlagen mit Umluft - Klimaanlagen mit grossem Umluftanteil - nicht geeignet für: Vorwärmer mit grossem AUL-Anteil (Schichtung im LE!) (Luftkühler) - Luftkühler mit Enfeuchtung - Bei Luftkühler mit Entfeuchtung Kaltwasservorlauf unten anschliessen, damit Kondensat nicht über ganzen Kühler herabläuft und quasi wieder befeuchtet! Wirkungsweise - Wasserstrom durch Lufterhitzer kann Werte zwischen 0 und 100 % annehmen - Im Schwachlastbetrieb stark inhomogene Temperaturverteilung im Austauscher (Wasser- und Luftseitig!) - Verbesserung auf der Luftseite durch nachgeschalteten Ventilator zur Luftdurchmischung (Vollständige Durchmischung nicht gewährleistet...) Druckverhältnisse (heizungsseitig) Differenzdruckbehafteter Anschluss Hinweise / Bemerkungen - Clima-Suisse / SSHL Seite 5 von 13

6 14.7 Umlenk- oder Verteilschaltung mit Dreiwegventil (SWKI-Kennziffer , Richtlinie 79-1, Seite 62) Grundschaltung (Lufterhitzer) - Nachwärmer - Luftheizanlagen mit Umluft - Klimaanlagen mit grossem Umluftanteil - nicht geeignet für: Vorwärmer mit grossem AUL-Anteil (Schichtung im LE!) (Luftkühler) - Luftkühler mit Enfeuchtung - Bei Luftkühler mit Entfeuchtung Kaltwasservorlauf unten anschliessen, damit Kondensat nicht über ganzen Kühler herabläuft und quasi wieder befeuchtet! Wirkungsweise - Wasserstrom durch Lufterhitzer kann Werte zwischen 0 und 100 % annehmen - Im Schwachlastbetrieb stark inhomogene Temperaturverteilung im Austauscher (Wasser- und Luftseitig!) - Verbesserung auf der Luftseite durch nachgeschalteten Ventilator zur Luftdurchmischung (Vollständige Durchmischung nicht sicher gewährleistet...) - Warmwasser steht auf für grosse Distanzen sofort zur Verfügung Druckverhältnisse (heizungsseitig) Differenzdruckbehafteter Anschluss Hinweise / Bemerkungen - Clima-Suisse / SSHL Seite 6 von 13

7 14.8 Einspritzschaltung mit Durchgangsventil (SWKI-Kennziffer , Richtlinie 79-1, Seite 63) Grundschaltung (Lufterhitzer) - Vorwärmer mit 100% Aussenluftanteil - Geeignet für alle Arten von Klima- und Lüftungsanlagen (Vor- und Nachwärmer) (Luftkühler) - Luftkühler mit ungeregelter Enfeuchtung Wirkungsweise - Wasserstrom durch Lufterhitzer praktisch konstant - Wasserstrom im Primärnetz kann Werte zwischen 0 und 100% annehmen - Auch im Schwachlastbetrieb und bei variablen Luftmengen praktisch gleichmässige Temperaturverteilung im Lufterhitzer und im Kanal Druckverhältnisse (heizungsseitig) Differenzdruckbehafteter Anschluss Hinweise / Bemerkungen - Clima-Suisse / SSHL Seite 7 von 13

8 14.9 Einspritzschaltung mit Dreiwegventil (SWKI-Kennziffer , Richtlinie 79-1, Seite 64) Grundschaltung (Lufterhitzer) - Gebräuchlichste Schaltung für Vorwärmer - Geeignet für alle Arten von Klima- und Lüftungsanlagen - Nicht geeignet für Anlagen mit grosser Distanz zwischen Verteiler und Stellorgan (Transportzeit) (Luftkühler) - Luftkühler mit ungeregelter Enfeuchtung Wirkungsweise - Wasserstrom durch Lufterhitzer praktisch konstant - Wasserstrom im Primärnetz schwankt von 0 bis 100% - Auch im Schwachlastbetrieb und bei variablen Luftmengen praktisch gleichmässige Temperaturverteilung im Lufterhitzer und im Kanal Druckverhältnisse (heizungsseitig) Differenzdruckbehafteter Anschluss Hinweise / Bemerkungen - Clima-Suisse / SSHL Seite 8 von 13

9 14.10 Beimischschaltung mit Hauptpumpe und drucklosem Verbraucheranschluss (SWKI-Kennziffer , Richtlinie 79-1, Seite 65) Grundschaltung (Lufterhitzer) - unbekanntem Anschlussdifferenzdruck (bestehendes Leitungsnetz) - variablem oder konstantem Luftvolumenstrom - Luftvorwärmer und Luftnachwärmer (Luftkühler) - Luftkühler mit ungeregelter Enfeuchtung Wirkungsweise - Wasserstrom durch Lufterhitzer praktisch konstant - Wasserstrom im Netz 0 bis 100% - Internpumpe kompensiert Widerstand von Verbraucher und Stellorgan Druckverhältnisse (heizungsseitig) Nur zu verwenden mit differenzdruckfreiem, bezw. differenzdruckarmem Anschluss Hinweise / Bemerkungen - Clima-Suisse / SSHL Seite 9 von 13

10 14.11 Aufgabe zum Thema Umwälzpumpen Im folgenden Beispiel wird aufgezeigt, welche Schritte für das korrekte Dimensionieren von Umwälzpumpen in einer Lüftungsanlage notwendig sind Allgemeine Beschreibung Die Lüftungsanlage Untergeschoss wird mit einem Vor- und einem Nachwärmer betrieben. Die technischen Daten der Anlage sind aus den nachfolgenden Unterlagen ersichtlich Gegebene Daten - Luftmengen für Vor- und Nachwärmer im Monobloc gemäss Ausschnitt Datenblatt - Betriebstemperaturen Heizungsanlage primär 90 / 70 C - Hydraulische Schaltung Heizungsanlage gemäss Prinzipschema - Leitungslängen Vor- und Rücklauf total 10 m, mit je 6 Bogen - Druckverlust Leitungen 100 Pa/m, Bogen 100 Pa/Bogen - Druckverlust der Armaturen gemäss Angaben im Unterricht Gesuchte Daten - Lufterhitzer-Leistungen für Vor- und Nachwärmer - Volumentstrom für Heizungsmedium (HM) im Vor- und Nachwärmer - Rohrnetzberechnung (Heizungsseitig) für Vor- und Nachwärmer - Pumpenauslegung der beiden Lufterhitzer-Pumpen (Eintragen der Betriebspunkte im Pumpendiagramm) Clima-Suisse / SSHL Seite 10 von 13

11 Prinzipschema der Lufterhitzer-Anschlüsse Clima-Suisse / SSHL Seite 11 von 13

12 Datenblatt Monobloc-Hersteller (Ausschnitt zur Bearbeitung der Uebungsaufgabe) Kennlinien der Umwälzpumpe Biral Redline M10 (Kopie aus Planungsunterlagen Fabrikat Biral) Clima-Suisse / SSHL Seite 12 von 13

13 14.12 Checkliste 14: Grundlagen Schulstoff - - Recknagel Mess-, Steuer- und Regelanlagen Pumpen - Impulsprogramm - Steuern und Regeln in der HLK-Technik (Form d, März 1986) - RAVEL-Dokumentation 330D: Umwälzpumpen, Auslegung und Betriebsoptimierung - Diverses - Projektierung hydraulischer Schaltungen (Landis&Stäfa, Drucknummer CE1J4001D) - Merkblatt BEW: Leitfaden Umwälzpumpen (Form d) - Richtlinien - SWKI 79-1 Hydraulische Schaltungen in Heizungs- Lüftungs- und Klimaanlagen Notwendige Unterlagen Hydraulische Schaltungen - Prinzipschema der Lüftungs- oder Klimaanlage - Prinzipschema der Heizungsanlage - SWKI-Richtlinie Grundrisspläne mit Standorten der Lufterhizter und des Heizungsverteilers (zur Abschätzung der Distanzen zwischen Stellorgan und Wärmetauscher) Dimensionierung von Umwälzpumpen - Herstellerunterlagen der gewählten Umwälzpumpen-Fabrikate - Druckverlustberechnung des Rohrnetzes der Heizungsanlage - evtl. Dimensionierungs-Software des gewählten Umwälzpumpen-Fabrikates - Datenblätter der Lüftungsanlage (Monobloc-Datenblätter oder Lufterhitzer, -kühler-daten) - Prinzipschema der Heizungsanlage mit der Gruppe Lufterhitzer / Luftkühler Vorgehensweise zur Bestimmung von Umwälzpumpen 1. Bestimmen der Wassermengen und Druckverlustwerte 2. Festlegen der Regelungsart der Pumpe (ungeregelt, Mehrstufig, Differenzdruck,...) 3. Festlegen des Pumpenfabrikates (Erfahrungen, Service-Verfügbarkeit usw.) 4. Bestimmung des erforderlichen Pumpentypes aus Diagrammen 5. Kontrolle, ob Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme im optimalen Bereich sind 6. Kontrolle, ob Regulierungsart (gemäss Punkt 2) für gewählte Pumpe verfügbar 7. Kontrolle, ob Stromart und Pumpenabsicherung den Ansprüchen genügen 8. Pumpentyp mit Betriebspunkt im Diagramm farbig eintragen Hinweise und Tips Die Bestimmung der geeigneten hydraulischen Schaltung erfordert die enge Zusammenarbeit zwischen Heizungs-, Lüftungs- und Regulierspezialisten. Idealerweise werden die Absprachen in Form einer gemeinsamen Besprechung aller Beteiligten gemacht. Dabei ist wichtig, dass sich jeder Teilnehmer entsprechend auf die Sitzung vorbereitet und eventuell notwendige Vorabklärungen trifft! Clima-Suisse / SSHL Seite 13 von 13