Pumpendimensionierung und hydraulischer Abgleich Siegbert Scheihing Dipl. Ing. (FH)
Die Förderhöhe ergibt sich aus den Widerständen Formstücke Armaturen Heizkörper WILO-Heizungsumwälzpumpe Rohrleitungen Heizkessel 2
Die Fördermenge ergibt sich aus der benötigten Wärme Heizkörper WILO-Heizungsumwälzpumpe Heizkessel 3
Förderhöhe H [mws] Der Betriebspunkt ergibt sich aus: Förderdruck Wassermenge Fördermenge V [m³/h] 4
Druckverlust H [mws] Die Anlagenkennlinie: Regel: Eine unveränderliche Anlage hat immer EINE Kennlinie, die deren Verhältnisse beschreibt. Die Kennlinie verläuft durch den Betriebspunkt. Sie beschreibt den Zusammenhang von Fördermenge und Anlagenwiderstand. Fördermenge V [m³/h] 5
Druckverlust H [mws] Die Anlagenkennlinie: 4 1 1 2 Fördermenge V [m³/h] 6
Rohrnetzparabel Umrechnung Kurvendarstellung 7
Rohreibungsdiagramm für Stahl (Beispiel) 8
Druckverlust [mm/m] Beispiel Druckverluste einer Stahlleitung als Kennlinie 140 Kennlinie für Stahlrohr 1 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 Volumenstrom [m³/h] 9
Druckverlust H [mws] Die Anlagenkennlinie Praxis Eine Anlage (Heizungsanlage) erfährt durch externe Eingriffe permanente Veränderungen. (z.b. Thermostatventile) Hieraus resultieren ständig unterschiedliche Kennlinien, die alle links der Auslegungskennlinie liegen (Teillastbetrieb). Fördermenge V [m³/h] 10
Druckverlust H [mws] Die Pumpenkennlinie: Fördermenge V [m³/h] 11
Druckverlust H [mws] Anlagenkennlinie BP Pumpenkennlinie Fördermenge V [m³/h] 12
Förderhöhe H m Pumpenregelung - Ungeregelte Pumpe H 2 Teillast, neuer Betriebspunkt H 1 Max. Kühl-/Heizlast: Betriebspunkt = Maximalpunkt Q 2 Förderstrom Q m³/h Q 1 13
Drehzahlregelung Elektronisch stufenlos geregelt > Selbsttätige Regelung mit unterschiedlichen Reglungsarten Elektronikpumpen haben sehr viele Drehzahlstufen > Kennlinienfeld 14
Förderhöhe H m Drehzahlregelung Elektronisch stufenlos geregelt > Selbsttätige Differenzdruckregelung n max n regel 1. Eine Sensorik ermittelt die aktuelle Förderhöhe (Istwert). H 2 n regel n regel n regel n regel n regel 2 Ungeregelte Pumpe 2. Die Elektronik erkennt die Abweichung zwischen dem Sollwert (Punkt 1) und dem Istwert (Punkt 2). H 1 3 1 3. Der Regler reduziert die Drehzahl und bringt die Förderhöhe wieder auf den Sollwert (Punkt 3). Q 1 Q 2 Förderstrom Q m³/h 15
Jahres - Temperaturverlauf Häufigkeit (Tage/a) um 7.00 Uhr Häufigkeit (Tage/a) um 14.00 Uhr Ortsabhängiges Klimaprofil 16
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Auslegung von Umwälzpumpen und Ermittlung des Betriebspunktes
Warum Pumpen nachrechnen? > Bei älteren Bestandsanlagen meist Überdimensionierung! > Möglichkeit kleinere Pumpe anzubieten > Erhöhung der Kundenzufriedenheit > Vermeidung von Anlagengeräuschen > Energieeinsparung 19
spez. Wärmebedarf [W/m²] Abschätzung des Wärmebedarfs über Wohnfläche und spez. Wärmebedarf nach DIN 4701, Ausgabe 1983 Gebäudeart Gebäudealtersklassen bis 1958 1959-68 1969-73 1974-77 1978-83 ab 1984 Einfamielienhaus freistehend 180 170 150 115 95 75 Reihenhaus Eckhaus 160 150 130 110 90 70 Mitelhaus 140 130 120 100 85 70 Mehrfamilienhaus bis 8 WE 130 120 110 75 65 50 > 8 WE 120 110 100 70 60 50 20
Berechnung des Wärmebedarfs Q N = A N 1.000 Q spez [ kw ] A N = beheizte Nutzfläche [ m² ] Q spez = spez. Wärmebedarf gemäß HeizAnlV [W/m²] 21
Berechnung des Volumenstroms V PU = Q N 0,86 [m³/h] V pu = Volumenstrom der Pumpe 0,86 = 1 / 1,163 (spez. Wärmekapazität [Wh/kgK] ) = Auslegungs-Temperatur-Differenz [K] = 10-20 K für Standard-Anlagen 22
Berechnung der Förderhöhe HPu = R L ZF [mws] 10.000 R = Rohrreibungskoeffizient (ca. 100 Pa/m) L = größte Länge der Leitungen (VL + RL) 2.0 Z = Zuschlagsfaktor für 0.0 1.0 3.0 4.0 Summe der Einzelwiderstände für Formstücke/ Armaturen = 1,3} gesamt für Thermostatventile = 1,7 } für Formstücke/ Armaturen = 1,3 gesamt für Thermostatventile = 1,7 nur ca. 2,2 nur ca. 2,6 für Mischer = 1,2 23
Einfamilienwohnhaus mit 120 m² beheizter Wohnfläche und spez. Wärmebearf von 100 W/m² Q n = V Pu = H Pu = 120 m² 100 W/m² 1000 12 KW 0,86 20 K 100 Pa/m 40 m 2,6 10.000 = 12 KW = 0,52 m³/h = 1,04 mws 24
Einfamilienwohnhaus mit 120 m² beheizter Wohnfläche und spez. Wärmebearf von 100 W/m² 25
Mehrfamilienwohnhaus mit 10 Wohnungen a 80 m² und spez. Wärmebearf von 110 W/m² (Bj. 1970) Q n = V Pu = H Pu = (10*80 m²) 110 W/m² 1000 ~ 80 KW 0,86 20 K 100 Pa/m 200 m 2,6 10.000 = 88 KW = 3,5 m³/h = 5,2 mws 26
Mehrfamilienwohnhaus mit 10 Wohnungen a 80 m² und spez. Wärmebearf von 110 W/m² (Bj. 1970) 27
Förderhöhe H Die richtige Auswahl von Umwälzpumpen Eine kleinere Pumpe wählen, wenn der Betriebspunkt in diesem Bereich liegt. Die Pumpe ist optimal gewählt, wenn der Betriebspunkt hier liegt Eine größere Pumpe wählen, wenn der Betriebspunkt in diesem Bereich liegt. 28
Die richtige Auswahl von Umwälzpumpen Eine kleinere Pumpe wählen, wenn der Betriebspunkt in diesem Bereich liegt. H Die Pumpe ist optimal gewählt, wenn der Betriebspunkt hier liegt Wählbare Förderleistung!! Eine größere Pumpe wählen, in diesem Bereich V 29
Anwendung der hydraulischen Netztechnik Der Abgleich Hydraulischer Abgleich
Hydraulischer Abgleich und Förderbedingungen der KfW > Die Förderung von Niedertemperaturkesseln entfällt > Nach dem Einbau neuer Heiztechnik ist ein hydraulischer Abgleich vorzunehmen > Hocheffizienzpumpen werden besonders gefördert 31
VOB Teil C DIN 18 380 Abs. 3.5 3.5 Einstellung der Anlage > 3.5.1 Die Anlagenteile sind so einzustellen, dass die geforderten Funktionen und Leistungen erbracht und die gesetzlichen Funktionen erfüllt werden. Der hydraulische Abgleich ist so vorzunehmen, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb, also z.b. auch nach Raumtemperaturabsenkungen oder Betriebspausen der Heizanlage, alle Wärmeverbraucher entsprechend ihrem Wärmebedarf mit Heizwasser versorgt werden. 32
Umsetzung der EnEV 33
Umsetzung der EnEV Schema Leitungswärmeverluste Raumheizung 34
Beispiel : dp = 0,5 mws dp = 1,0 2,5 mws dp = 1,5 mws dp = 1,5 mws Wärmebedarf Q = 2 KW je HK Spreizung = 15 K Volumenstrom V = 0,11 m³/h 35
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 Hydraulisch abgeglichene Anlage: 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Zwei abgeglichene Heizkreise mit je 3 mws Differenzdruck eingestellt auf 0,11 m³/h Gesamtkennlinie 3 mws und 0,22 m³/h 0 36
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 Hydraulisch abgeglichene Anlage: 18 16 14 12 10 8 6 Passend ausgelegte Pumpe 4 2 0 37
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 Hydraulisch nicht abgeglichene Anlage 18 16 14 12 10 Heizkörper 1: 0,11 0,15 m³/h; 1,5 3 mws Heizkörper 2: 0,11 m³/h; 3 mws HK 1 HK 2 8 6 4 2 0 38
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 Hydraulisch nicht abgeglichene Anlage 18 16 14 12 neuer Betriebspunkt bei max. Förderhöhe 3 mws Daraus resultiert eine zu hohe Fördermenge 0,27 m³/h entspricht 0,05 m³/h (23 % zu viel) 10 HK 1 HK 2 8 6 4 2 0 39
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 Hydraulisch nicht abgeglichene Anlage: 18 16 14 12 10 8 6 Richtig ausgelegte Pumpe 4 2 0 40
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV 38 l/h 83 % 31 l/h 68 % 21 l/h 46 % 12 l/h 26 % 45 l/h 98 % 38 l/h 83 % 28 l/h 60 % 18 l/h 39 % 79 l/h 173 % 64 l/h 140 % 46 l/h 101 % 31 l/h 68 % 145 l/h 316 % 118 l/h 257 % 86 l/h 187 % 55 l/h 120 % 190 l/h 415 % 156 l/h 338 % 113 l/h 246 % 73 l/h 159 % V = 1387 l/h DN 32 DN 25 DN 25 DN 20 41
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV [m] 6 Förderhöhe 5,6 5,2 4,8 4,4 4 max. 3,6 3,2 2,8 2,4 max. 2 min. 1,6 1 1,2 0,8 min.. 0,4 [kw] 0,09 0,085 0,08 0,075 0,07 0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Leistungsaufnahme P1 min.. max. 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 [m³/h] V = 1387 l/h ; dp= 2,5 mws ca. 70 /a Stromkosten ca. 180 Invest 42
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV 43 Präsentationstitel Infrarotthermografie MM/JJ
Auswirkung von mangelhaftem hydraulischen Abgleich: 44
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV [m] 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Förderhöhe 1 min. max. [kw] 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Leistungsaufnahme P1 min. max. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 [m³/h] V = 3224 l/h ; dp= 3,5 mws ca. 130 /a Stromkosten ca. 400 Invest 45
Volumenstrom mit Sicherheitspumpe 82 l/h 175 % 75 l/h 160 % 72 l/h 154 % 46 l/h 100 % 103 l/h 226 % 95 l/h 203 % 91 l/h 194 % 59 l/h 129 % 171 l/h 373 % 157 l/h 336 % 152 l/h 324 % 99 l/h 216 % 280 l/h 612 % 258 l/h 552 % 249 l/h 532 % 164 l/h 120 % V = 3424 l/h 374 l/h 817 % 345 l/h 738 % 333 l/h 712 % 219 l/h 479 % DN 32 DN 25 DN 25 DN 20 46
Armaturen für den hydr. Abgleich 47
Umsetzung des hydraulischen Abgleichs: Voreinstellbare Thermostatventile p < 0,2 bar H PU > 2m Differenzdruckregler 48
Umsetzung des hydraulischen Abgleichs: Funktion: >Anpassung der Wärmeabgabe des Heizkörpers durch das Thermostatventil (TV) an den Wärmebedarf des Raumes. Volumenstrombegrenzung am Heizkörper: >Volumenstrom nach Wärmebedarf des Raumes >Kleine mittlere große Heizleistung = kleiner mittlerer großer Einstellwert >Auslegungsdifferenzdruck für das Thermostatventil (TV) oder den Stellantrieb (SA) : 40 bis 140 mbar 49
Volumenstrom mit voreingestellten TV [m] Förderhöhe 2,8 2,6 2,4 2,2 2 max 1,8 1,6 2 m 1,4 1,2 1 1,5 m 1 0,8 1 m 0,6 min 0,4 0,2 [kw] 0,032 0,03 0,028 0,026 0,024 0,022 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 Leistungsaufnahme P1 2 m 1,5 m 1 m min max 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 [m³/h] V = 1005 l/h ; dp= 2,0 mws ca. 13 /a Stromkosten ca. 300 Invest 50
Volumenstrom mit voreingestellten Thermostatventilen 49 l/h 108 % 47 l/h 103 % 44 l/h 96 % 55 l/h 120 % 51 l/h 111 % 48 l/h 105 % 45 l/h 98 % 56 l/h 122 %!! 53 l/h 116 % 50 l/h 109 % 49 l/h 107 % 42 l/h 92 % 54 l/h 118 % 53 l/h 116 % 52 l/h 113 % 44 l/h 96 % V = 1005 l/h 57 l/h 124 % 56 l/h 122 % 55 l/h 119 % 45 l/h 98 % DN 32 DN 25 DN 25 DN 20 51
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV [m] Förderhöhe 6 5,6 5,2 4,8 4,4 4 3,6 3,2 2,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 [kw] 0,09 0,085 0,08 0,075 0,07 0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 1 Leistungsaufnahme P1 min. min. max. 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 [m³/h] min. max... max. Förderhöhe [m] 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 [kw] 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Leistungsaufnahme P1 1 min. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 [m³/h] min. max. max. Förderhöhe [m] 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 [kw] Leistungsaufnahme P1 0,032 0,03 0,028 0,026 0,024 0,022 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 1 2 m 2 m 1,5 m 1,5 m 1 m 1 m min min 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 [m³/h] max max ca. 70 /a Stromkosten ca. 180 Invest ca. 130 /a Stromkosten ca. 400 Invest ca. 13 /a Stromkosten ca. 300 Invest 52
Volumenstrom mit nicht voreingestellten TV 1800 1600 1400 Ursprungl. Lösung Behelfslösung Ideallösung 1200 1000 800 600 400 200 0 Invest 1. Jahr 2. Jahr 3. Jahr 4. Jahr 5. Jahr 6. Jahr 7. Jahr 8. Jahr 9. Jahr 10. Jahr 53
Hydraulik und Regeltechnik in Heizungs- und Zirkulationsnetzen Erhöhung und Minderung der Heizleistung
Aufgabenstellung: Bei nicht ausreichender Wärmeversorgung ( z. B. bei nicht abgeglichenen Anlagen) wird von Heizungsbauern oftmals versucht durch Erhöhen der Drehzahl oder durch Einbau einer stärkeren Pumpe (höherer Volumenstrom) die Wärmemenge zu erhöhen. Der Nutzen einer solchen Lösung steht meist in keinem Verhältnis zu den Nachteilen, die auftreten (Energieverbrauch und Lärm). 55
Differenzdruck in mbar Differenzdruck in m Volumenstrombegrenzung durch Thermostatventil-Voreinstellung 1000 500 Voreinstellung 1 2 3 4 5 6 7 N 10 5 3 200 140 100 60 40 100 50 18 l/h 27 l/h 160 l/h 240 l/h Aus- legungs- Bereich 2 1 0,6 0,4 20 10. Q TV bei 15K. Q TV bei 20K 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2 3 4 5 6 8 10 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2 3 4 5 6 8 10 Volumenstrom in l/h 0,2 0,1 kw 56
Durchflusserhöhung einer Heizungsanlage durch Einsatz größerer Pumpen 400 % H 120 % 100 % Die durch schlechte Einregulierung verursachte Minderleistung von Heizkörpern kann man durch Erhöhung des Durchflusses nur bedingt ausgleichen. 100% 110% 200% Q 57 DIE KÄUFER
Heizkörperkennlinien 112 % 100 % 100 % 200 % 58
Heizleistung % Heizkörper-Betriebsdiagramm 90/70 C 112 100 2% 83 50 10% 0 50 100 200 Volumenstrom % 59
el. Leistung Förderhöhe Wärmemenge Pumpenhydraulik 3 % 102% 97% HEIZKÖRPERKENNLINIE Fördermenge Q [m³/h] PUMPENKENNLINIE BP 100 % Fördermenge Q [m³/h] 40 % LEISTUNGSKENNLINIE Fördermenge Q [m³/h] 60
Eine zu große Pumpen-Förderleistung führt zu erhöhtem Differenzdruck (Geräusche) und Stromverbrauch. Die Heizleistung verändert sich dagegen nur unerheblich. Fehler im hydraulischen Abgleich können nur sehr begrenzt mit überhöhter Pumpen-Förderleistung kompensiert werden. Die optimalste, intelligenteste und selbstlernende Leistungsanpassung der Pumpe und Regelung kann den hydraulischen Abgleich nicht ersetzen. 61
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