Pumpenschaltung und -regelung

Die Schaltung und Regelung der Netzpumpen entscheidet über Versorgungssicherheit und Energieeffizienz eines thermischen Netzes. Parallelschaltungen eignen sich für Netze mit hohem Volumenstrom und flacher Netzkennlinie, Serienschaltungen für hohe Förderhöhen bei geringem Volumenstrom. Die Differenzdruckregelung am Netzschlechtpunkt — statt an der Pumpe selbst — minimiert den Pumpenstromverbrauch und stellt sicher, dass an jeder Übergabestation der erforderliche Mindestdifferenzdruck von typisch 0,4—1,0 bar anliegt.

Pumpenschaltungen

Parallelschaltung

Die Parallelschaltung von Pumpen ist in thermischen Netzen mit hohem Volumenstrom und verhältnismäßig geringer Förderhöhe (flache Netzkennlinie) vorteilhaft. Merkmale:

• Die parallel angeordneten Pumpen sollten den gleichen Pumpentyp aufweisen
• Lastabhängige Ansteuerung: Bei kleiner Last läuft eine Pumpe allein, bei größerer Last werden beide Pumpen mit synchroner Drehzahl betrieben
• Eine der Pumpen dient als Reservepumpe (Redundanz)

Die Förderhöhe bleibt bei Parallelschaltung konstant, während sich der Volumenstrom addiert.

Serienschaltung

Die Serienschaltung ist in thermischen Netzen mit großer Förderhöhe und verhältnismäßig geringem Volumenstrom (steile Netzkennlinie) vorteilhaft:

• Parallel zu jeder Pumpe wird ein Bypass mit automatischer Absperrklappe angeordnet
• Bei kleiner Last arbeitet eine Pumpe allein, bei größerer Last werden beide Pumpen gemeinsam betrieben
• Die Volumenströme bleiben gleich, die Förderhöhen addieren sich

Eine Druckerhöhungspumpe in der Peripherie des Netzes wird ebenfalls in Serienschaltung mit der Hauptpumpe betrieben.

Redundanz und Ausbau

Da die Pumpen für den Betrieb eines thermischen Netzes von zentraler Bedeutung sind, wird die Redundanz der Netzpumpen empfohlen. Gebräuchliche Anordnungen:

• 2 × 100 %: Einfachste Lösung, aber kostenintensiv bei großen Netzen
• 3 × 50 %: Guter Kompromiss zwischen Verfügbarkeit und Kosten
• 4 × 33 %: Bei großen Netzen, da Investitionskosten kleiner Pumpen überproportional sinken

Für die ersten Betriebsjahre eines im Aufbau befindlichen Netzes reicht oft ein Bruchteil der geplanten Pumpleistung. Es empfiehlt sich, anfänglich kleinere Pumpen zu installieren und diese bei Bedarf durch größere zu ersetzen.

Schwachlast- und Sommerpumpe

Die Minimaldrehzahl von Umwälzpumpen beträgt ca. 25 % der maximalen Drehzahl. Bei thermischen Netzen mit großer Differenz zwischen maximalem und minimalem Volumenstrom kann es sinnvoll sein, eine separate Sommerpumpe vorzusehen:

• Auslegung auf den Schwachlastbetrieb (< 20 % des Winterbedarfs)
• Höherer Wirkungsgrad im geringen Lastbereich
• Pumpenkennfeld muss sich mit dem der Hauptpumpen überlappen

Pumpenregelung

Konstantdruckregelung

Bei der Konstantdruckregelung wird der Differenzdruck über die Pumpe bei sich änderndem Volumenstrom konstant gehalten:

• Der Betriebspunkt folgt im Teillastbereich der konstanten Pumpenregelkennlinie horizontal
• Einfache Regelung, aber weniger effizient im Teillastbetrieb
• Geeignet für kleinere Netze und Anlagen mit konstantem hydraulischem Widerstand

Proportionaldruckregelung

Bei der Proportionaldruckregelung sinkt der Differenzdruck mit abnehmendem Volumenstrom:

• Der Betriebspunkt folgt der proportionalen Pumpenregelkennlinie abfallend
• Effizienter als Konstantdruck, da bei Teillast weniger Energie verbraucht wird
• Geeignet für die meisten thermischen Netze

Differenzdruckregelung im Netz

Für eine optimale Regelung wird der Differenzdruck nicht an der Pumpe selbst, sondern an einer oder mehreren Referenzmessstellen im Netz gemessen. Diese befinden sich typischerweise am Netzschlechtpunkt — der Stelle mit dem geringsten Differenzdruck.

Die Pumpen werden so geregelt, dass an jeder Übergabestation der minimal erforderliche Differenzdruck (typisch 0,4 — 1,0 bar) zwischen Vor- und Rücklauf vorhanden ist.

Vorteile der netzbasierten Differenzdruckregelung:

• Optimale Versorgung aller Kunden
• Minimaler Pumpenergiebedarf
• Vermeidung von Über- oder Unterversorgung

Regelung bei mehreren Einspeisepunkten

Bei thermischen Netzen mit mehreren Wärmezentralen an verschiedenen Standorten müssen die Pumpengruppen koordiniert werden:

• Ein Einspeisepunkt als Master: Übernimmt die Druckregelung
• Weitere Einspeisepunkte als Slave: Fördern eine definierte Wärmeleistung oder folgen einer Kennfeldvorgabe
• Der Algorithmus muss sicherstellen, dass zwischen den Einspeisepunkten kein Strömungsstillstand auftritt

Energiebedarf der Pumpen

Der jährliche Energiebedarf der Pumpen wird über die Mittelwerte der resultierenden Durchflussmengen und Förderdrücke aus der Jahresdauerlinie des Netzes bestimmt. Als überschlägige Näherung gilt:

mit $P_P$ als nominaler Pumpenleistung und $t_{VBK}$ als Vollbetriebsstunden der Kunden.

Aus Erfahrung beträgt der jährliche Energiebedarf der Pumpen bei optimaler Auslegung zwischen 0,5 % und 1,0 % der verteilten Wärmeenergie. Werte deutlich darüber deuten auf eine Überdimensionierung oder suboptimale Regelung hin.

Fazit

Die richtige Kombination aus Pumpenschaltung und Regelstrategie ist entscheidend für die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit eines thermischen Netzes. Moderne drehzahlgeregelte Pumpen mit netzbasierter Differenzdruckregelung bieten das größte Einsparpotenzial. Die Wahl zwischen Parallel- und Serienschaltung richtet sich nach der Netzkennlinie, während die Redundanzstrategie die Versorgungssicherheit gewährleistet.

Weiterführende Artikel: Pumpenauslegung beschreibt die Dimensionierung von Volumenstrom und Förderhöhe als Grundlage der Pumpenwahl, Netzregelung behandelt die übergeordneten Regelstrategien im Zusammenspiel mit der Pumpenregelung, und Netzfahrweisen erläutert, wie gleitende und konstante Betriebsweisen die Anforderungen an die Pumpenregelung beeinflussen.

Quellen und Normen

• DIN EN 16297 — Pumpen — Drehzahlveränderbare Pumpen — Besondere Anforderungen und Prüfungen
• VDI 2073 Blatt 1 — Hydraulik wassergeführter Anlagen — Grundlagen
• AGFW FW 515 — Regelung und Steuerung in Fernwärmenetzen