Optimierung von Pumpensystemen:
Tipps und Tricks

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Pumpenauswahl

Pumpenkennlinie

Die Abbildung unten zeigt eine Pumpenkennlinie. Diese Kennlinie zeigt das Verhältnis zwischen der Förderhöhe und der Durchflussmenge. Bei der Auswahl der passenden Pumpe müssen die Systemeigenschaften bekannt sein. Diese Eigenschaften bezeichnen den Zusammenhang zwischen der durch ein System strömenden Durchflussmenge und dem Druckabfall im System (statisch und dynamisch).

Der Punkt, an dem sich System- und Pumpenkennlinie schneiden, entspricht dem Betriebspunkt der Pumpe. Es ist wichtig, dass der Betriebspunkt innerhalb des Anwendungsbereiches der Pumpe liegt. Liegt der Betriebspunkt zu weit links oder rechts, wirkt sich dies ungünstig auf die Nutzungsdauer der Pumpe aus. Am wünschenswertesten ist ein Betriebspunkt, der so nahe wie möglich am Best Efficiency Point (BEP) liegt, wie es in der folgenden Abbildung bei Systemkennlinie A der Fall ist.

Wenn sich der Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie weit links oder rechts befindet (Systemkennlinie B in der Abbildung), wird die Pumpe außerhalb ihres Betriebsbereichs eingesetzt. Das führt zu einem unzureichenden Wirkungsgrad der Pumpe, und darüber hinaus wird die Pumpe falsch belastet, was eine verkürzte Nutzungsdauer zur Folge hat.

Die Ermittlung der Systemeigenschaften ist daher ein wichtiger Schritt bei der Pumpenauswahl. Aus Untersuchungen geht hervor, dass der Betriebspunkt bei zahlreichen Pumpen von deren optimalem Einsatzbereich abweicht. Dadurch verbraucht die Pumpe nicht nur mehr Energie, auch der Verschleiß nimmt zu, und die Nutzungsdauer verkürzt sich.

Elektromotor

Pumpen werden von einem Elektromotor angetrieben. Es muss nicht nur die Effizienzklasse bekannt sein, sondern es ist auch wichtig zu wissen, dass der Wirkungsgrad vor allem bei Teillast stark abnehmen kann. Der Wirkungsgrad eines Motors wird mit der IE-Klasse angegeben. Daher gilt: Wenn eine Pumpe ausgetauscht werden muss, ist es ratsam und rentabel, den Elektromotor gegen einen Elektromotor mit einer möglichst hohen Effizienzklasse auszutauschen.

Pumpenleistung

Ebenso wie der Elektromotor hat auch die Pumpe einen bestimmten Wirkungsgrad. Durch die Auswahl der passenden Pumpe (Abstimmung von Pumpengehäuse- und Impellerdurchmesser) kann eine hohe Energieersparnis erzielt werden. Zudem ergibt sich dadurch die korrekte Belastung der Pumpe, sodass die Nutzungsdauer optimal ist.

Regelung

Ein Pumpensystem kann auf unterschiedliche Arten geregelt werden. Durch die Auswahl der passenden Regelung lässt sich Energie einsparen. Zudem kann durch die optimale Abstimmung der Sensoren auch hier häufig eine Einsparung erzielt werden.

Drehzahlregelung

Zahlreiche Systeme verfügen über Regelventile, mit denen die Durchflussmenge beeinflusst werden kann. Ein Regelventil sorgt für Widerstand und ist im Grunde ein Energievernichter. Durch den Einbau eines Frequenzumrichters kann die Kapazität der Pumpe ebenfalls beeinflusst werden, sodass sich dieselbe Wirkung mit weniger Energie erzielen lässt.

Die Regelung der Pumpendrehzahl sorgt für die Anpassung der Pumpenkennlinie, wodurch sich der Betriebspunkt auf der Systemkennlinie verschiebt. Auf diese Weise lässt sich die Pumpe an veränderte Systembedingungen anpassen. Dieser Vorgang ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Beim Einsatz einer Drehzahlregelung ist es wichtig, dass die System- und die Pumpenkennlinie sowohl in Voll- als auch in Teillast gut aufeinander abgestimmt sind.

Sollwert

Viele Pumpen mit Drehzahlregelung werden auf der Grundlage eines festen Drucks oder eines Druckunterschieds geregelt. Die einfachste Einsparungsmöglichkeit besteht darin, den Sollwert falls möglich zu verringern. Eine andere Möglichkeit stellt die dynamische Druckregelung dar, bei der der Sollwert für den Druck an die benötigte Durchflussmenge angepasst wird; dies ist zum Beispiel mit einem SCADA-System möglich.

Hauptpumpe/abhängige Pumpe

Zahlreiche Systeme verfügen über mehrere Pumpen, die parallel angeordnet sind und über eine Ein/Aus-Regelung bzw. eine Drehzahlregelung verfügen. Durch die präzise Ermittlung der Pumpeneigenschaften sowohl bei separatem als auch bei kombiniertem Einsatz lässt sich eine intelligente Anlaufstrategie entwickeln, bei der stets die effizienteste Kombination aus Pumpen und Drehzahlen in Betrieb genommen wird.

System

Jedes System ist einzigartig. Mit dem richtigen Systemaufbau kann viel Pumpenenergie eingespart werden. Beim Systemaufbau ist u. a. auf folgende Punkte besonders zu achten:

Leitungsdurchmesser – Der Leitungsdurchmesser beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit und den Widerstand (Druckabfall) in einem System und damit die benötigte Pumpenenergie. Häufig werden Leitungsdurchmesser recht knapp bemessen, um Installationskosten zu sparen.

Das führt allerdings zu hohem Energieverbrauch während der gesamten Nutzungsdauer der Anlage. Durch eine generell großzügigere Auslegung der Leitungssysteme wird über die gesamte Nutzungsdauer der Anlage Pumpenenergie eingespart. Die höheren Installationskosten machen sich dadurch schnell und großzügig bezahlt.

Overflow – Viele Anlagen verfügen über Einregulierungsventile oder druckgesteuerte Klappen, die die Durchflussmenge auf einem Minimum halten, wenn keine Abnahme erfolgt. Durch zu hohen Overflow wird laufend zu viel Wasser verpumpt und Energie verbraucht. Die richtige Einstellung solcher Ventile und Klappen spielt daher eine wichtige Rolle.

Vor- und nachgeschaltetes Zubehör – Die Saug- und Druckanschlüsse einer Pumpe haben zumeist einen kleineren Leitungsdurchmesser als erforderlich. In diesem Fall werden Übergangsadapter oder Reduzierstücke mit einer Verjüngung benötigt. Ein häufiger Fehler besteht darin, das Zubehör zwischen der Verjüngung und der Pumpe zu platzieren.

Aufgrund des geringen Durchmessers kosten die Zubehörteile zwar weniger, allerdings führt die hohe Strömungsgeschwindigkeit durch diese Teile zu einem größeren Druckabfall (niedriger kV-Wert). Durch diesen zusätzlichen Druckabfall verbraucht die Pumpe zusätzliche Energie. Dieser Vorgang wird in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wenn Zubehörteile im Leitungsabschnitt mit dem größeren Durchmesser platziert werden, sind die Investitionskosten zwar höher, allerdings macht sich das durch die Einsparungen beim Energieverbrauch schnell bezahlt.