Frequenzumrichter steigern Energieeffizienz

Pumpen und Lüfter sind hervorragend geeignet, Einsparungen zu erzielen. Auch in der Gebäudetechnik kommt heute eine große Zahl von ihnen zum Einsatz. Gerade Kreiselpumpen und Ventilatoren, also Strömungsmaschinen mit einer quadratischen Lastkennlinie, senken den Energieverbrauch in der dritten Potenz bei Reduzierung der Drehzahl.

Drehzahlregelung bei quadratischem Lastmoment

Eine Lösung stellt somit die Ausrüstung dieser Geräte mit quadratischem Kennlinienverlauf mit modernen Frequenzumrichtern dar. So lässt sich ihre Drehzahl optimal an den jeweils aktuellen Leistungsbedarf anpassen. Denn in den meisten Fällen sind die Pumpen und Lüfter in der Gebäudetechnik auf den „worst case“ ausgelegt. So beispielsweise bei Klimaanlagen auf den heißesten Tag des Jahres, an dem sie ihre Höchstleistung bringen müssen. Die gesamte übrige Zeit laufen sie dementsprechend natürlich im Teillastbetrieb. Analoges gilt auch für Druckerhöhungsanlagen in Hochhäusern.

Hier spielen dann die Frequenzumrichter ihre Stärke aus. Dabei spricht auch die Tatsache für die elektronischen Drehzahlregler, dass sinkende Preise die Umrichter immer attraktiver machen.

Drehzahlregelung als Sparfaktor

Um Überraschungen bei der Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern zu vermeiden, sollten Betreiber in der Projektierungsphase beachten, dass sich mit Änderung der Drehzahl auch der Arbeitspunkt und der Wirkungsgrad ändern. Zur Vermeidung unwirtschaftlicher und kontraproduktiver Maßnahmen ist es daher notwendig, alle Aspekte, sowohl in technischer wie auch kommerzieller Art, vor einer Investitionsentscheidung zu prüfen. Um die Kosten und die Effektivität durch den Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen und Lüfter zu optimieren, sollte der Anwender eines Frequenzumrichters diesen nicht nach dem günstigsten Preis, sondern nach dem wirtschaftlich sinnvollsten und attraktivsten Angebot über die Gesamtlebenszeit auswählen.

Wirkungsgradverlauf bei Strömungsmaschinen

Nach wie vor kommen in bestehenden Installationen, aber auch in Neuanlagen, bei vielen Pumpen oder Ventilatoren, Drallklappen, Drosseln oder Dreiwegeventile zum Einsatz, um so den Druck oder den Volumenstrom an den aktuellen Leistungsbedarf anzupassen.

Erfolgt die Regelung einer Kreiselpumpe mittels Drosselklappe, verschiebt sich durch die Drosselung der Arbeitspunkt der Maschine entlang der Pumpenkennlinie. Es kommt nur zu einer minimalen Reduzierung der benötigten Energie im Vergleich zum Nennarbeitspunkt der Pumpe.

Bei einer Pumpenreglung über die Drehzahl, verschiebt sich der Arbeitspunkt entlang der Anlagenkennlinie. Die benötigte Energie reduziert sich im Vergleich zur Drosselregelung dabei – wie oben schon erwähnt - in der dritten Potenz! So benötigt ein Lüfter z. B. bei der halben Drehzahl nur ein Achtel der Leistung. Dieses Verhalten gilt analog für alle Strömungsmaschinen mit quadratischem Verlauf der Kennlinie.

Im Kennliniendiagramm sind neben der Pumpen- und Anlagenkennlinie auch einige Wirkungsgradgrenzen dargestellt. Sowohl durch Drosselregelung, als auch durch Drehzahlregelung bewegt sich der Arbeitspunkt aus dem Wirkungsgradoptimum heraus.

Im Energiediagramm wird der Energieverbrauch einer ausgewählten Pumpe bei Drehzahlregelung gezeigt. Etwa bei 32 Hz beginnen die zusätzlichen Verluste der Pumpe die Einsparung zu übersteigen. In der dargestellten Anlage liegt die energieoptimale Frequenz demnach bei 38 Hz. Bei einer ungeregelten Pumpe wäre die Energiebilanz noch wesentlich schlechter.

Wie oben schon beschrieben, müssen die Systeme in der Gebäudetechnik auf die Spitzenlast ausgelegt sein. Daraus ergibt sich zwangsläufig ein häufiger Teillastbetrieb. Dieser Tatsache tragen Hersteller von Strömungsmaschinen inzwischen Rechnung. Sie legen ihre Aggregate teilweise so aus, dass das Wirkungsgradoptimum bei ca. 70 % der Fördermenge liegt. Anwender sollten daher bei Nachrüstung bestehender Anlagen oder einer Neukonzeption bei der Auswahl der eingesetzten Strömungsmaschinen darauf achten, wo das Wirkungsgradoptimum liegt und mit dem Teillastprofil ihrer Anwendung abstimmen, ob eine solche Auswahl für ihre Anlage sinnvoll ist.

Kaskadierung häufig sinnvoll

Im Zusammenspiel aus Strömungsmaschine und Umrichter ergibt sich ein Drehzahlbereich, in dem das System Energie spart. In diesem Bereich sollte die Maschine die meiste Zeit laufen. Ist der Unterschied zwischen der maximal benötigten Leistung und dem durchschnittlichen Teillastbetrieb zu groß, muss der Betreiber eine andere Lösung ins Auge fassen.

In diesen Fällen benötigt der Anwender dann eine Lösung für den Mehrgerätebetrieb, die trotzdem oben beschriebene Vorteile bietet. Einsatzbeispiele dafür sind Druckerhöhungs- oder Wasserverteilungsanlagen (Bewässerungssysteme), mehrzellige Kühlturmgebläse, Sekundärwasserpumpeninstallationen wie sie in der Kühltechnik auftreten oder Pumpensysteme in Fernwärmeversorgungen.

Gründe für den Einsatz eines solchen Anlagenaufbaus gibt es viele. Der wichtigste Grund liegt in der optimalen Einstellung des Arbeitspunktes in Abhängigkeit von der jeweils benötigten Leistung im System. Dies kann z. B. bei einem großen Regelbereich mit Einsatz von nur einer Pumpe, die für den „worst case“ ausgelegt ist, einen Wirkungsgrad bedeuten, der nur bei beispielsweise 10 bis 20 % liegt. Das Mehrpumpensystem liegt im Vergleich dazu meist bei über 70 %.

Daher ist es sinnvoll, eine Kaskadierung der Anlage vorzunehmen. Oft rechnen sich auch bei einem Umbau einer bestehenden Anlage die Investitionen nach kurzer Zeit. Bei der Kaskadierung von Pumpen deckt eine drehzahlgeregelte Pumpe die Grundlast ab. Steigt der Verbrauch, schaltet der Frequenzumrichter weitere Pumpen nacheinander zu. Die Pumpen arbeiten so möglichst in ihrem Wirkungsgradoptimum. Die Regelung einer Pumpe sorgt immer für die energetisch beste Ausnutzung des Systems. Das gleiche System kann analog auch Lüfter ansteuern. Entsprechende Kaskadenregler sind als externe Baugruppen erhältlich.

Spezialisten machen sich bezahlt

Für eine optimale Lösung mit der maximalen Energieeffizienz muss der Anwender auf jeden Fall abschätzen, welche Vor- und Nachteile eine bestimmte technische Lösung hat. Dabei ist zu beachten, dass meist der Preis mit der Güte/Qualität der technischen Lösung steigt. Da es für Anwender in der heutigen Zeit fast unmöglich ist, alle technischen Geräte bis ins letzte Detail zu kennen und auch die Komplexität des Zusammenspiels aller Komponenten steigt, ist es durchaus sinnvoll, bei Bedarf Experten hinzuzuziehen und mit ihnen alle technischen Vor- und Nachteile zu klären.