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Die Dezentralisation ist ein größerer Initiator für sozialen Wandel, als man es sich auf den ersten Blick träumen läßt.    John Naisbitt

20.07.2017

Meldung

18.04.2017: Wilo: Neue Energieeffizienzklasse IE5 für EC-Motoren

Nach dem Energieaudit ist vor dem Pumpenwechsel – welche Lösung ist die sparsamste?

Technischer Fortschritt, schneller als die Normung: Die hocheffiziente Trockenläufer-Pumpe `Wilo-Stratos GIGA´ ist bereits seit 2001 auf dem Markt. Nun liegt die Norm vor, um den Motor mit der passenden Effizienzklasse IE5 auch kennzeichnen zu dürfen.

Gewissermaßen „hinter den Kulissen“ sind SHK-Fachhandwerker zunehmend als Berater von Energiebeauftragten gefordert, denn der Gesetzgeber verstärkt die Spurensuche nach ineffizienten Energieverbrauchern – speziell in Unternehmen, die nicht zu den kleinen und mittelständischen zählen (Nicht-KMU). Solche Betriebe sind zu regelmäßigen Energieaudits oder alternativ zum Aufbau eines Energiemanagementsystems verpflichtet. Querschnittstechnologien wie Pumpensysteme gehören dann in der Regel zu den ersten, die analysiert werden. Werden hier Energieverschwender ausgemacht, stellt sich aber sofort die Frage: Welche neue Pumpe ist für die jeweilige Aufgabe die sparsamste?

Effizienzbezeichnungen wie IE 5 beschreiben einen hohen Wirkungsgrad des Pumpenmotors, liefern aber allein dem Fachhandwerker keine wirklich belastbare Antwort. Entscheidend ist vielmehr der gemeinsame Wirkungsgrad aus Elektromotor aus Elektromotor, Pumpenhydraulik und elektronischer Regelung der Pumpe angepasst an den Bedarf im Teillastbereich, der in überwiegenden Zeit im Jahr gefahren wird.

Alt und robust, aber ineffizient

Rund zehn Prozent des weltweiten Energieverbrauchs entfallen auf Pumpen, so Schätzungen. Diese Marke verdeutlicht zugleich die hohe Zahl an installierten Aggregaten. Kein Wunder also, dass vor dem Hintergrund der Klimaziele der Europäischen Union und der Energiewende der Bundesrepublik Deutschland die Gesetzgebung Pumpen als Energieverbraucher in den Fokus nimmt. Zum Beispiel sind Nicht-KMU verpflichtet, den Energieverbrauch zu analysieren, um Effizienzmaßnahmen einzuleiten. In der Regel werden hierbei zunächst energieintensive Querschnittstechnologien erfasst. Dazu zählt beispielsweise die übergeordnete betriebliche Versorgung mit Wärme und Kälte, Wasser und Dampf und – durchweg Verteilsysteme also, in denen Pumpen arbeiten. Und das aufgrund ihrer robusten Bauweise auch noch nach vielen Jahren äußerst zuverlässig. Aber sie verbrauchen zugleich oft sehr viel Energie, weil sie nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen. Bei Energieaudits oder durch ein Energiemanagementsystem werden ineffiziente Pumpen schnell ausfindig gemacht. Ein Austausch rechnet sich dann fast immer, wenn die neue Pumpe hocheffizient ist und auf das jeweilige System abgestimmt wurde.

Der Aufbau der Trockenläufer-Pumpe macht deutlich, dass Effizienz nicht allein eine Sache des Motors ist: Die Steuerelektronik passt hier optimal zum EC-Motor und regelt die Drehzahl energiesparend bei wechselnden Teillasten. Die Hydraulik übertrifft außerdem den MEI von 0,7.Die Auswahl der Pumpe wird dabei meistens dem SHK-Fachhandwerker als Experten überlassen. Umso wichtiger ist Hintergrundwissen über die Effizienzindikatoren von Pumpen allgemein und wie sich die optimale Pumpe für den jeweiligen Anwendungsfall herausfinden lässt.

Pumpeneffizienz ist nicht Motoreneffizienz

Effizienzangaben für elektrische Verbraucher haben sich eingebürgert. Die Ökodesign-Richtlinie der Europäischen Union, auch ErP-Richtlinie genannt, setzt dazu die Maßstäbe – für Konsum- ebenso wie für Industriegüter. Ziel ist es, durch vereinfachte Kennzeichnungen, Produkte hinsichtlich ihrer Energieeffizienz vergleichen zu können. Bei Pumpen wird die Vergleichbarkeit allerdings durch verschieden wirkende physikalische Vorgänge erschwert. Denn ein Motor wandelt zunächst elektrische Energie in mechanische um und über das Laufrad wiederum in hydraulische. Für jeden dieser Prozesse ist ein Wirkungsgrad zu errechnen, der aber mit unterschiedlichen Indizes dargestellt wird. Doch nur die Gesamtbetrachtung gibt letztlich Aufschluss darüber, wie gut der Wirkungsgrad einer Pumpe tatsächlich ist. Darüber hinaus sind im Übrigen zusätzlich der Lastverlauf des Verteilsystems und die Pumpenregelung entscheidend für maximale Einspareffekte.

Dem SHK-Fachhandwerker begegnen beim Pumpenvergleich drei verschiedene Energieeffizienzindizes:

  • IE (International Efficiency): Diese Effizienzangabe bezieht sich auf den Wirkungsgrad des Elektromotors. Betrachtet wird hierbei also die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische. Berechnungsgrundlage für die Einstufung eines Elektromotors ist die inzwischen überarbeitete Norm IEC 60034-30-2. Die Skala reichte bis vor kurzem von IE1 (schlechtester Wert) bis IE4 (bester Wert). Da jedoch schon seit einigen Jahren Elektromotoren auf dem Markt sind, die besser als IE4 sind, wurde die Norm aktualisiert. Nun dürfen Elektromotoren mit IE5 gelabelt werden. Die Ökodesign-Richtlinie gibt eine Zeitachse vor, ab wann Elektromotoren mit bestimmten Effizienzklassen nicht mehr auf den Markt gebracht werden dürfen (siehe ganz unten).
  • MEI (Mindest-Effizienz-Index): Diese Angabe bezieht sich auf den hydraulischen Wirkungsgrad von Wasserpumpen (für Medientemperaturen zwischen -10 °C und +120 °C). Der Wirkungsgrad verschiedener Pumpentypen wird im Bestpunkt, bei Teillast und Überlast mit einer Formel ermittelt, die in der EU-Verordnung Nr. 547/2012 veröffentlicht ist. Der MEI setzt die Messergebnisse der jeweiligen Pumpe in Relation zu dem energieeffizientesten Produkt auf dem Markt (Stand 2010). Dabei markiert MEI = 0,7 den seinerzeit besten Referenzwert und MEI = 0,1 den schlechtesten. Beispiel: Ein MEI = 0,4 sagt aus, dass 40 Prozent der anderen am Markt angebotenen Pumpen einen schlechteren hydraulischen Wirkungsgrad haben. Die Angabe MEI ≥ 0,7 sagt aus, dass über 70 Prozent der anderen verfügbaren Pumpen dieses Typs im Wirkungsgrad schlechter sind. Die Ökodesign-Richtlinie gibt eine Zeitachse vor, ab wann Pumpen mit einem definierten MEI nicht mehr auf den Markt gebracht werden dürfen (siehe ganz unetn).
  • EEI (Energie-Effizienz-Index): Dieser Indexwert ist der realistischste, um die Effizienz einer Pumpe einzuordnen, wird derzeit aber nur für Nassläufer-Umwälzpumpen angewandt. Ermittelt wird die elektrische Leistungsaufnahme in Relation zur hydraulischen Förderleistung. Die veränderlichen Bedarfe im Teillastverhalten werden bei der EEI-Berechnung berücksichtigt. Ähnlich wie der MEI stellt der EEI einen Verhältniswert dar und ist keine absolute Messgröße. Zur Festlegung des EEI geht die Verordnung von Referenzwerten verfügbarer Pumpen aus. Dabei markiert EEI 0,27 den Mindesteffizienzwert und EEI 0,20 den seinerzeit besten. Beispiel: Eine Pumpe mit dem EEI 0,27 nimmt im Vergleich zu dem von der EU zugrunde gelegten Referenzwert nur 27 Prozent an elektrischer Leistung auf, bei einem EEI ≤ 0,20 sogar weniger als 20 Prozent. Die Ökodesign-Richtlinie gibt eine Zeitachse vor, ab wann Pumpen mit bestimmten EEI nicht mehr auf den Markt gebracht werden dürfen (siehe ganz unten).

Die Verschiedenheit der Angabe zur Energieeffizienz zeigt, wie schwierig es für SHK-Fachhandwerker sein kann, bei einem Pumpenaustausch für den jeweiligen Anwendungsfall die effizienteste Lösung zu finden.  Besonders gilt das bei Trockenläufern, denn für diese Pumpentypen hat die EU noch keine Verordnung zur Ermittlung eines EEI erlassen. Was aber prinzipiell möglich ist, denn „die Vorgehensweise zur Definition des Gesamtwirkungsgrad bei Nassläufern lässt sich auf Trockenläufer anpassen. Dieser Prozess erfolgt derzeit in den Gremien“, sagt Wilo-Produktmanager Jörg Keller. „Wenn es um den reinen Austausch einer alten gegen eine hocheffiziente Pumpe geht – und das ist bei vielen Versorgungsnetzen im ersten Schritt das Einfachste und Wirtschaftlichste – kann ein Fachhandwerker aber auch schon mit wenigen Mausklicks die richtige Pumpe finden“, so Keller und verweist dabei auf das umfangreiche Online-Auslegungs- und Auswahl-Tool für Pumpen: „Wilo-Select 4 online“.

Lebenszykluskosten ausschlaggebend

Über das frei zugängliche Online-Tool von Wilo (wilo-select.com) kommen Fachhandwerker auf zwei kurzen Wegen zur effizientesten Lösung: Der eine ist, einfach die Typenbezeichnung der Bestandspumpe in die Datenbank einzutragen. Von den gängigsten Fremdfabrikaten hat Wilo die Kennwerte hinterlegt. Per Klick wird dann analog zu den hydraulischen Parametern und zur Bauart eine Auswahl passender Hocheffizienzpumpen in Nass- und Trockenläuferbauart für den möglichen Austausch angezeigt.

Vergleichen lassen sich insbesondere die Trockenläuferpumpen dabei nicht allein über die Effizienzangaben wie IE5, MEI ≥ 0,7. „Wirklich ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit ist die Betrachtung der Lebenszykluskosten der Trockenläuferpumpen“, stellt Jörg Keller heraus. „Dabei ist die geringe elektrische Leistungsaufnahme eines IE5-Motors natürlich ein wichtiger Aspekt – aber eben auch nur einer. Der Algorithmus in der Vergleichsdatenbank bezieht alle Kosten- und Effizienzwerte mit ein, die für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach dem LCC-Verfahren oder nach VDI 2067 erforderlich sind.“

Ist der Pumpentyp nicht exakt zu ermitteln, sieht die Datenbank „Wilo-Select“ alternativ die Eingabe der hydraulischen Daten zur Bestimmung einer neuen effizienten Pumpe vor. Generell wird für alle vorgeschlagenen Pumpen der Betriebskostenverlauf über 15 Jahre dargestellt. Energiebeauftragte schätzen dabei besonders, dass die Werte der neuen Pumpe der Bestandspumpe gegenübergestellt werden. So ist die Investition insbesondere im Rahmen des genormten Energiemanagementsystems ISO EN DIN 50001 exakt zu bewerten.

Merkmale hocheffizienter Pumpen

In dem Bestreben, die Effizienz stetig zu verbessern, hat sich die Pumpentechnologie verändert. Die wichtigsten Merkmale hocheffizienter Pumpen zu kennen, hilft Fachhandwerkern, die Lösungen der verschiedenen Hersteller auch im Hinblick auf die Installationspraxis und Optimierungsmöglichkeiten im Betrieb zu bewerten. Am Beispiel der Trockenläufer-Pumpe „Wilo-Stratos GIGA“ wird dies besonders deutlich.

Die „Wilo-Stratos GIGA“ ist für die Förderung von Heizungswasser (nach VDI 2035), Kaltwasser und Wasser-Glykol-Gemischen ohne abrasive Stoffe in Heizungs-, Kaltwasser- und Kühlsystemen entwickelt. Die hydraulische Leistung reicht bis Förderhöhen von bis zu 51 Meter Wassersäule bzw. einen Volumenstrom von bis zu 120 m3/h.

Zu den Effizienzmerkmalen sagt Jörg Keller: „Der Elektromotor der `Wilo-Stratos GIGA´ übertrifft seit jeher die Effizienzklasse IE4. Doch weil die gemäß gültiger Norm bislang die höchste war, konnten wir zuletzt nur mit der Angabe >IE4 auf den deutlichen besseren Wirkungsgrad hinweisen. Daher freuen wir uns, dass nun die Norm mit unserer technischen Entwicklung gleichgezogen hat und wir die Stratos GIGA Baureihe mit IE 5 labeln dürfen.“

Um diesen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Trockenläufer-Pumpe mit einem EC-Motor ausgestattet. EC steht für „electronical commutation“. Das bedeutet, dass durch die Bauart des Rotors mit Permanentmagneten eine Elektronik die Stromrichtung ändert, um das erforderliche elektrisches Drehfeld zu erzeugen. Das Drehfeld bewegt den Rotor und über die Motorwelle dann das Laufrad der Pumpe. Im Vergleich zu asynchron laufenden AC-Motoren weisen synchron laufende EC-Motoren weniger Verluste auf. Ein weiterer technologischer Unterschied ist, dass AC-Motoren von dem festen Drehfeld des Stromnetzes abhängen und somit nur über einen zusätzlichen Frequenzumformer regelbar werden.

„Durch die exakte Abstimmung von Elektronik, EC-Motor und Laufrad in einem System ist der Gesamtwirkungsgrad der `Wilo-Stratos GIGA´ besser als bei einer freien Kombination von AC-Motor und Frequenzumformer. Außerdem konnten wir so Gewichtseinsparungen von bis zu 55 Prozent und eine Reduktion der Baugröße von bis zu 39 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Pumpen erzielen“, schildert Jörg Keller Vorteile, die über die reine Energieeffizienz hinausgehen: „Außerdem bietet die Regelelektronik viele Möglichkeiten der Anpassung an die gegebene Hydraulik und das Lastverhalten einer Anlage. Das steigert wiederum die Effizienz des gesamten Systems.“

Effizienzsteigerung durch Regelungstechnik

Ein weiteres Merkmal, das gerade bei unbekannten Netzstrukturen im Bestand hilft, durch einen Pumpentausch die tatsächlichen Betriebskosten nachhaltig zu reduzieren, ist die Spreizung des Drehzahlbereichs. Bei der `Wilo-Stratos GIGA´ ist der beispielsweise bis zu dreimal größer als bei vergleichbaren geregelten Pumpen; er reicht von 500 bis zu 5.130 Umdrehungen pro Minute. Vorteil ist ein energiesparender Betrieb der Pumpe in unterschiedlichen Teillastbereichen.

Über voreinstellbare Regelarten passt die Pumpenelektronik die Drehzahl zudem dem Bedarf an: Mit der Regelungsart „Differenzdruck konstant“ (Δ p-c) hält die Pumpe den Differenzdruck über den gesamten Förderstrombereich konstant auf dem eingestellten Differenzdruck-Sollwert. Die Einstellung wird z.B. für Heizkesselkreise eingesetzt, in den die Pumpe zu einem Wärmetauscher oder eine hydraulische Weiche fördert. Die Förderhöhe ändert sich hier nicht, nur die erzeugte Wärmemenge variiert.

Anders hingegen verhalten sich die Sekundär-Verbraucherkreise. Werden die an unterschiedlicher Stelle im Leitungsnetz platzierten Thermostatventile betätigt, verändern sich die Druckverhältnisse stetig. Bei voreingestellter Regelungsart „Differenzdruck variabel“ (Δ p-v) passt die Stratos GIGA ihre Leistung entlang einer Kennlinie dem veränderlichen Bedarf der Verbraucher an. Mit zunehmendem Förderstrom steigt entlang dieser Kennlinie auch die Förderhöhe.

Sollwertvorgaben für den Differenzdruck können aber auch durch eine Gebäudeautomation angepasst werden. Je nach Betriebsfall lässt sich damit die Effizienz weiter steigern. Die `Wilo-Stratos GIGA´ verfügt so über steckbare Module, um die Pumpenelektronik über verschiedene Bussysteme mit der Gebäudeautomation zu verbinden, beispielsweise Modbus, BACnet, CAN, PLR oder LON.

Effizienzsteigerung und Hydraulik

Viel Energie lässt sich sparen, wenn Leitungsnetze den tatsächlichen Bedarfen angepasst werden. Doch ein Umbau auf vielleicht geringere Rohrdimensionen ist oftmals nicht wirtschaftlich. Lässt sich jedoch das hydraulische Kennfeld eines Versorgungsnetzes ermitteln, kann gegebenenfalls die Pumpengröße bedarfsgerecht reduziert und damit der Betriebspunkt optimiert werden.

In Verteilungen mit wenigen, aber im Vergleich zu den Teillastzuständen hohen Spitzenlasten können auch zwei parallel arbeitende Pumpen installiert werden. Um dafür im Bestand einen aufwendigen Umbau zu vermeiden, bietet Wilo Doppelpumpensysteme an, die an eine bestehende Rohrleitung angeschlossen werden. Die jetzt neu eingeführte Hocheffizienz-Inline-Doppelpumpe `Wilo-Stratos GIGA-D´ ist ein Beispiel dafür. Jede Pumpenseite verfügt über eine eigene Elektronik, die jedoch miteinander kommunizieren. So sind verschiedene Betriebsarten möglich: von der Aufteilung einer Haupt- und Reservepumpe für Störungsfälle bis hin zu einem energetisch abgestimmten Parallelbetrieb, der die beiden Pumpen im Spitzenlastbetrieb wirkungsgradoptimiert zuschaltet

Fazit

Um Pumpensysteme energetisch zu optimieren, reicht die IE-Kennzeichnung bei weitem nicht aus. Stattdessen sind der Gesamtwirkungsgrad einer Pumpe sowie die Hydraulik und der Lastverlauf des Versorgungsnetzes zu betrachten. Bei Optimierungen in Bestand, beispielsweise im Nachgang von Energieaudits oder im Rahmen eines Energiemanagementsystems, ist es für Fachhandwerker allerdings oftmals schwierig, die Anlagenkennlinie zu ermitteln und das Leitungsnetz zu optimieren. Dennoch sind durch den Austausch alter Pumpen gegen elektronisch geregelte Pumpen mit EC-Motoren signifikante Einspareffekte möglich. Wie hoch diese Effekte sind, hängt unter anderem von der Effizienz der Pumpe ab. Indexwerte geben hier Fachhandwerkern eine Orientierung: Neu ist, dass die Norm IEC 60034-30-2 nun als Energieeffizienzwert für Elektromotoren die Klassifizierung IE5 zulässt. Bis dato sind solche Hocheffizienzmotoren mit ≥ IE4 gekennzeichnet worden.

Da allerdings der hydraulische Wirkungsgrad bei Pumpen eine ebenso große Rolle spielt, wird bei Trockenläufer-Pumpen dazu auch der Index MEI angegeben. Bei Nassläufer-Pumpen ist bereits der Index EEI gängig, der den Gesamtwirkungsgrad aus elektrischer und hydraulischer Effizienz mit elektronischer Regelung anhand eines realistischen Belastungsprofils ausdrückt. Die gleiche Logik ließe sich auch auf Trockenläufer anwenden. Es bleibt abzuwarten, wann die Gremien diese Möglichkeit in der Normgebung einführen.

Um es Fachhandwerkern zu vereinfachen, die jeweils wirtschaftlichste Pumpe herauszufinden, bietet Wilo eine Online-Datenbank, die die ausschlaggebenden Lebenszykluskosten automatisch errechnet.

Weitere Informationen unter www.wilo.de

Extra Info

Gesetzgeber forciert Energieeffizienz

Die ErP-Richtlinie verschärft schrittweise die  Mindestenergieeffizienzanforderungen für Pumpen:

  • Trockenläufer-Wasserpumpen: ab 1. Januar 2015 ≥ MEI 0,40
  • Elektromotoren mit elektrischer Leistung 0,75 bis 375 kW: ab 1.Januar 2017 IE3 oder IE2 mit Frequenzumformer
  • Nassläufer-Umwälzpumpen: seit dem 1. August 2015 EEI ≤ 0,23 (Pumpenaustausch in Wärmeerzeugern ausgenommen), ab 1. Januar 2020 EEI ≤ 0,23 generell

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