Heizungsanlagen - für Laien erklärt
Heizungsanlagen - für Laien erklärt

Die Heizungspumpe

1. Allgemeines

 

Die Heizungspumpe befördert das im Heizkessel erwärmte Wasser zu den Heizkörpern, damit es hier seine Wärme abgeben kann.

 

 

1.1. Der Aufbau einer Heizungspumpe

 

Eine Heizungspumpe besteht aus folgenden Bestandteilen:

  • dem Pumpengehäuse
  • dem Motor
  • dem Laufrad

 

Bei den Heizungspumpen unterscheidet man zwischen

  • Nassläufern
  • Trockenläufern

 

Bei den Nassläufern liegt der Rotor des Elektromotors im Heizungswasser. Das Wasser kühlt den Motor und schmiert die Lager. Nassläufer zeichnen sich durch eine große Laufruhe aus.

 

Bei den Trockenläufern kommt das Wasser nicht mit dem Motor in Berührung. Sie werden zur Förderung großer Wassermengen eingesetzt.

Bild 1: Aufbau einer Nassläufer-Heizungspumpe

Heizungspumpen werden auch nach ihrer Regelbarkeit unterschieden. Es gibt

  • ein- oder mehrstufige ungeregelte Pumpen
  • elektronisch regelbare Pumpen
  • Hocheffizienzpumpen

 

Die ungeregelten Pumpen, auch Standardpumpen genannt, arbeiten ständig mit konstant hoher Leistung. Sie erkennen Veränderungen im Rohrleitungsnetz nicht und pumpen mit ungedrosselter Leistung weiter, selbst wenn mehrere oder alle Heizkörperventile geschlossen sind.

 

Elektronisch regelbare Pumpen und Hocheffizienzpumpen erkennen Veränderungen im Rohrleitungsnetz und passen ihre Leistung den veränderten Druckverhältnissen an.

1.2. Die Wassermenge

 

Mit der Wärmebedarfsberechnung kann man für jeden Heizkörper die erforderliche Wärmeleistung und die dazu benötigte Wassermenge berechnen. Die Summe aller Heizkörper-Wassermengen und der Wassermengen in den Rohrleitungen ist die Wassermenge, die die Pumpe fördern muss.

Die gebräuchlichsten Wassermengeneinheiten sind:

1 m³/h (Kubikmeter pro Stunde) = 1000 l/h (Liter pro Stunde)

1 m³/h = 16,66 l/min = 0,27 l/sec

1 l/sec = 60 l/min

 

1.3. Der Förderdruck

 

Die gebräuchlichsten Druckeinheiten sind (aufgerundet):

1 bar = 1000 mbar (Millibar)

1 bar = 10 mWS (Meter Wassersäule)

100 mbar = 1 mWS

 

In einem Heizungsrohrnetz bildet jedes Stück gerade Rohrleitung, jedes Rohrleitungsformstück (Ecken, Bögen, Verengungen, Erweiterungen usw.), jeder Heizkörper und jedes Ventil für das Heizungswasser einen Strömungswiderstand, hinter dem der Wasserdruck niedriger ist als davor (Druckverlust). Die Summe dieser Druckverluste, die durch eine Rohrleitungsberechnung ermittelt werden kann, muss die Pumpe überwinden.

 

Das soll am folgenden Schema näher erklärt werden:

Bild 2: Strangschema einer Zweirohr-Heizungsanlage

Eine Heizungsanlage wird so ausgelegt, dass sich an jedem Heizkörper ein Druckverlust von ca. 100 mbar vom Eintritt in das Heizkörperventil bis zum Austritt aus dem Heizkörper einstellt.

 

Für die Berechnung des erforderlichen Pumpendrucks wird immer die Rohrleitung des Heizkörpers, der am weitesten von der Pumpe entfernt ist, betrachtet. Dies ist im obigen Schema der Heizkörper 32.

 

Angenommen,

  • der Druckverlust in der Rohrleitung von der Pumpe bis zum Heizkörper 32 beträgt 40 mbar
  • der Druckverlust über Heizkörperventil und Heizkörper beträgt 100 mbar
  • der Druckverlust vom Heizkörper 32 zum Pumpeneintritt (Rohrleitungsverluste + Druckverlust im Kessel) beträgt 60 mbar

Dann muss die Pumpe einen Druck von 40 + 100 + 60 = 200 mbar erzeugen.

Hinweis: Der Druck, der benötigt wird, um das Wasser in die Höhe zu drücken, muss bei der Pumpenauslegung nicht berücksichtigt werden, weil er im Rücklauf-Fallstrang durch das Gewicht des Wassers wieder zurückgewonnen wird.

1.4. Die Leistungsaufnahme einer Pumpe

 

Die Leistung, die der Pumpe an der Antriebswelle zur Verfügung gestellt werden muss, errechnet sich nach folgenden Formeln:

Formel 1 Leistungsaufnahme einer Pumpe
Formel 2 Leistungsaufnahme einer Pumpe

2. Die Auslegung einer Heizungspumpe

 

Für die Bestimmung der Pumpenleistung werden zwei Größen benötigt:

  • die Wassermenge, die die Pumpe fördern muss
  • den Druck, den die Pumpe erzeugen muss

 

 

2.1. Die Pumpenkennlinie

 

Die Pumpenkennlinie zeigt an, welche Wassermenge eine Pumpe bei welchem Druck fördert.

Bild 3: Beispiel einer Pumpenkennlinie

Eine Pumpe erzeugt entweder einen hohen Druck bei einer geringen Fördermenge oder einen geringen Druck bei einer großen Förder-menge.

 

Der obigen Pumpenkennlinie kann man z. B. entnehmen, dass diese Pumpe eine Wassermenge von 420 l/min mit einem Druck von 320 mbar fördert.

2.2. Die Anlagenkennlinie

 

Wenn man Wasser durch eine Heizungsanlage drücken will, braucht man einen gewissen Druck. Will man viel Wasser durch eine Heizungsanlage drücken, braucht man einen hohen Druck und umgekehrt.

Die Anlagenkennlinie einer Heizungsanlage sagt aus, welcher Druck benötigt wird, um gewisse Wassermengen durch diese Heizungs-anlage zu drücken.

Bild 4: Beispiel einer Anlagenkennlinie

Der obigen Anlagenkennlinie kann man z. B. entnehmen, dass ein Druck von 85 mbar benötigt wird, um 420 l/min durch die Anlage zu drücken.

 

2.3. Der Betriebspunkt

 

Der Punkt, an dem die Anlagenkennlinie die Pumpenkennlinie schneidet, ist der Betriebspunkt einer Pumpe.

Bild 5: Betriebspunkt einer Pumpe

3. Der Betrieb einer Pumpe im Teillastbereich

 

3.1. Die Anlagenkennlinie im Teillastbereich

 

Die Anlagenkennlinie im Bild 4 stellt den Zustand „Alle Heizkörper-ventile geöffnet“ in einer Zweirohr-Heizungsanlage dar. Hier benötigt man einen relativ geringen Druck, um das Wasser durch die Heizungsanlage zu drücken.

Wenn aber einige Heizkörperventile geschlossen werden (Küche, Flur, Schlafzimmer usw.), was sehr häufig der Fall ist, benötigt man einen höheren Druck, um das Wasser durch die wenigen noch offenen Heizkörperventile zu drücken.

 

Im folgenden Diagramm werden die Anlagenkennlinien ein und derselben Heizungsanlage bei den Betriebszuständen „Alle Heiz-körperventile geöffnet“ (untere Linie), „Wenige Heizkörperventile geschlossen“ (mittlere Linie) und „Mehrere Heizkörperventile geschlossen“ (obere Linie) dargestellt.

Bild 6: Anlagenkennlinien einer Heizungsanlage

Dem obigen Diagramm kann man entnehmen, dass man bei dieser Heizungsanlage z. B. einen Druck von

  • ca. 85 mbar benötigt, um 420 l/min durch die Anlage zu drücken, wenn alle Heizkörperventile geöffnet sind.
  • ca. 130 mbar benötigt, um 420 l/min durch die Anlage zu drücken, wenn wenige Heizkörperventile geschlossen sind.
  • ca. 300 mbar benötigt, um 420 l/min durch die Anlage zu drücken, wenn mehrere Heizkörperventile geschlossen sind.

3.2. Der Betriebspunkt einer ungeregelten Pumpe im Teillastbetrieb

 

Wenn in einer Heizungsanlage Heizkörperventile geschlossen werden, ändert sich – wie bereits erläutert – die Anlagenkennlinie, nicht aber die Pumpenkennlinie.

 

Die Zusammenhänge zwischen der Pumpenkennlinie und den Anlagen­kennlinien sollen im folgenden Diagramm erklärt werden.

 

Dabei sollen

  • die untere (blaue) Linie die Anlagenkennlinie darstellen, wenn alle Heizkörperventile geöffnet sind. Die Pumpe drückt dann 420 l/min durch die Anlage (Auslegungszustand).
  • die mittlere (dunkelgrüne) Linie die Anlagenkennlinie darstellen, wenn einige Heizkörperventile geschlossen sind und nur noch eine Wassermenge von 280 l/min benötigt wird.
  • die obere (rote) Linie die Pumpenkennlinie darstellen.
Bild 7: Betriebspunkte einer einstufigen ungeregelten Pumpe

Dem obigen Diagramm kann man Folgendes entnehmen:

 

  • Betriebspunk 1: Hier schneidet die Anlagenkennlinie „Alle Heiz­körper­­ventile geöffnet“ die Pumpenkennlinie. Anhand dieses Punktes (Auslegungspunkt) wird die Größe der Pumpe bestimmt. Die Pumpe drückt hier 420 l/min mit einem Druck von ca. 190 mbar durch die Heizungsanlage. Ihre Leistungsaufnahme beträgt laut Formel 2:
  • Betriebspunkt 2: Hier schneidet die Anlagenkennlinie „Mehrere Heizkörperventile geschlossen“ die Pumpenkennlinie. Für die weiteren Betrachtungen wird angenommen, dass so viele Heizkörperventile geschlossen sind, dass statt der 420 l/min nur noch 280 l/min benötigt werden. Obwohl also nur 280 l/min benötigt werden, fördert die Pumpe jetzt 365 l/min und das mit einem Druck von 310 mbar.
  • Notwendig wäre eine Pumpe mit einem Betriebspunkt, wie er im Diagramm als „Punkt 3“ eingezeichnet ist, nämlich 280 l/min bei 170 mbar. Die Pumpe ist also für diesen Betriebszustand stark überdimensioniert.

 

Dies zeigt auch die Berechnung der aufgenommenen Leistungen:

 

Für den Betriebspunkt 2 gilt:

Für den Punkt 3 gilt:

Die Folgen für diese Überdimensionierung sind erheblich:

 

  • Wesentlich höhere Stromkosten
  • Durch den hohen Druck und die große Wassermenge kommt es zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren und Ventilen, was zu Strömungsrauschen führt.
  • Ist die Heizungsanlage nicht hydraulisch abgeglichen, werden die Heizkörperventile mit diesem hohen Druck, für den sie gar nicht ausgelegt sind, beaufschlagt. Dadurch verschlechtert sich ihr Regelverhalten erheblich. Es kann sogar so weit kommen, dass sie gar nicht mehr regeln.

 

 

3.3. Die Betriebspunkte einer zweistufigen ungeregelten Pumpe

 

Im folgenden Diagramm wird der Betrieb einer zweistufigen ungeregelten Pumpe erklärt. Dabei sollen

  • die untere (dunkelblaue) Linie die Anlagenkennlinie einer Heizungsanlage darstellen, wenn alle Heizkörperventile geöffnet sind und dabei eine Wassermenge von 420 l/min benötigt wird.
  • die obere (hellblaue) Linie die Anlagenkennlinie dieser Heizungs­anlage darstellen, wenn mehrere Heizkörperventile geschlossen sind und nur noch eine Wassermenge von 345 l/min benötigt.
  • die rechte (dunkelrote) Linie die Pumpenkennlinie einer zweistufigen ungeregelten Pumpe mit hoher Drehzahl darstellen.
  • die linke (orange) Linie die Pumpenkennlinie dieser Pumpe bei niedriger Drehzahl darstellen.
Bild 8: Betriebspunkte einer zweistufigen ungeregelten Pumpe

Dem obigen Diagramm kann man Folgendes entnehmen:­

 

  • ­­Betriebspunk 1: Hier schneidet die Anlagenkennlinie „Alle Heiz­körper­­ventile geöffnet“ die Pumpenkennlinie. Anhand dieses Punktes (Auslegungspunkt) wird die Größe der Pumpe bestimmt. Die Pumpe drückt hier 420 l/min mit einem Druck von ca. 190 mbar durch die Heizungsanlage (siehe auch Bild 7).
  • Betriebspunkt 2: Hier schneidet die Anlagenkennlinie „Mehrere Heizkörperventile geschlossen“ die Pumpenkennlinie „Hohe Drehzahl“. Hier arbeitet die Pumpe, wenn sie manuell auf hohe Drehzahl gestellt ist. Sie fördert 360 l/min mit einem Druck von 310 mbar (zu viel Wasser, zu hoher Druck).
  • Betriebspunkt 3: Hier schneidet die Anlagenkennlinie „Mehrere Heizkörperventile geschlossen“ die Pumpenkennlinie „Niedrige Drehzahl“. Hier arbeitet die Pumpe, wenn sie manuell auf niedrige Drehzahl gestellt ist. Sie fördert 320 l/min mit einem Druck von 245 mbar ( zu wenig Wasser, zu geringer Druck).
  • Punkt 4: Hier wäre der optimale Betriebspunkt. Würde die Pumpe hier arbeiten, würde sie 345 l/min mit einem Druck von 280 mbar (mehr ist nicht erforderlich) durch die Heizungsanlage drücken.

 

Wenn man – so wie hier – vor der Entscheidung steht, ob man die Pumpe mit der hohen oder der niedrigen Drehzahl laufen lässt, soll man immer die niedrige Drehzahl wählen. Dadurch erhalten die Heizkörper wohl etwas weniger Wasser, was sich jedoch kaum auf die Leistung der Heizkörper auswirkt. Denn Heizkörper geben immer noch ca. 84 % ihrer Auslegungsleistung ab, selbst wenn sie nur von 50% der Auslegungs­wassermenge durchströmt werden.

 

3.4. Die regelbaren Pumpen

Pumpen werden durch Änderung ihrer Drehzahl geregelt.

Eine Verdoppelung der Drehzahl ergibt

  • eine doppelte Fördermenge
  • einen vierfachen Förderdruck
  • einen achtfachen Leistungsbedarf

 

Elektronisch geregelte Pumpen und Hocheffizienzpumpen regeln ihre Drehzahl automatisch so, dass sie immer mit optimalem Betriebspunkt arbeiten.

 

Hocheffizienzpumpen sind stufenlos elektronisch geregelte Pumpen mit neuartigen (effizienten) Synchronmotoren. Diese sog. Permanent­magnetmotoren oder ECM -Motoren (EC-Motor = elektronisch-commu­tierter Motor) brauchen bis zu 80 % weniger Strom als herkömmliche Motoren und haben auch bei niedrigen Drehzahlen einen sehr guten Wirkungs­grad.

Seit Januar 2013 dürfen von der Industrie nur noch hocheffiziente Heizungsumwälzpumpen in den Handel gebracht werden.

 

4. Schlussbemerkung

 

Heizungspumpen sind in einem Gebäude meistens die größten Stromverbraucher. Vor allem dann, wenn sie in einem Bereich arbeiten, für den sie viel zu groß sind. Das ist in über 95 % ihrer Laufzeit der Fall. Es lohnt sich deshalb immer, Standardpumpen gegen regelbare, am besten noch gegen Hocheffizienzpumpen auszutauschen. Die Anschaffung gerade dieser Hocheffizienzpumpen amortisiert sich in wenigen Jahren.

Jürgen Wüst

Dipl.-Ing. (FH)

 

24.7.2013

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