{"id":310,"date":"2016-02-01T11:47:00","date_gmt":"2016-02-01T10:47:00","guid":{"rendered":"https:\/\/enbau-online.ch\/heizung-lueftung-elektrizitaet\/?p=310"},"modified":"2020-08-28T08:46:52","modified_gmt":"2020-08-28T06:46:52","slug":"3-1-pumpe-und-netz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/enbau-online.ch\/heizung-lueftung-elektrizitaet\/3-1-pumpe-und-netz\/","title":{"rendered":"3.1 Pumpe und Netz"},"content":{"rendered":"

Die W\u00e4rmeverteilung stellt den Zwischenhandel zwi\u00adschen W\u00e4rmeerzeuger (bzw. K\u00e4lteerzeuger) und W\u00e4rmeabgabe (bzw. K\u00e4lteabgabe) an die Nutzer dar. W\u00e4rmetr\u00e4ger sind meist Wasser oder Luft. Die W\u00e4rme soll transportiert wer\u00adden: zur richtigen Zeit, in der richtigen Menge und Tem\u00adpe\u00adra\u00adtur, an den richtigen Ort. Diese Aufgaben ha\u00adben str\u00f6mungs\u00ad\u00ad\u00ad\u00ad\u00ad\u00ad\u00adtech\u00adni\u00adsche und re\u00adge\u00adlung\u00adstech\u00adni\u00adsche Aspekte.<\/p>\n

3.1.1<\/span> Verhalten hydraulischer Netze<\/h2>\n

Das Verhalten von Rohrnetzen f\u00fcr Fl\u00fcssigkeiten und Kanalnetzen f\u00fcr Luft folgt den gleichen Gesetzen. Bild 3.1 zeigt ein ein\u00adfa\u00adches Netz, \u00fcber wel\u00adchem die fol\u00adgen\u00adde Druck\u00addif\u00adfe\u00adrenz an\u00adliegt (Hy\u00addro\u00adsta\u00adtik):<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

\u0394p<\/span>an<\/span> anliegende Druckdifferenz in Pa
\n\u03c1<\/span><\/em> Dichte in kg\/m3
\n<\/span>g<\/span> Erdbeschleunigung: 9,81 m\/s2
\n<\/span>\u0394z<\/span> H\u00f6hendifferenz in m<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.1 Netz zwischen zwei Wasserbeh\u00e4ltern<\/p>\n

Wenn ein Medium ein Netz durchfliesst, so entsteht ein Reibungsdruckverlust<\/a> (Hydrodynamik):<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

\u0394p<\/span>r<\/span> Reibungsdruckverlust in Pa
\nC<\/span> dimensionsloser Koeffizient, enthaltend Rohrreibungszahl und Widerstandszahlen der Einzelwiderst\u00e4nde [Rec1]
\np<\/span>dyn<\/span> dynamischer Druck oder Staudruck<\/a> in Pa
\nv<\/span> Str\u00f6mungsgeschwindigkeit in m\/s<\/p>\n

F\u00fcr eine <\/a>turbulente Str\u00f6mung<\/span><\/a> in einem un\u00adver\u00ad\u00e4n\u00adder\u00adli\u00adchen Netz ist der Koeffizient C<\/span> praktisch eine Kon\u00adstan\u00adte. Bei einem beliebigen Medium w\u00e4chst somit der Druckverlust quadratisch mit dem Vo\u00adlu\u00admen\u00adstrom:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Die gra\u00adfi\u00adsche Dar\u00adstel\u00adlung die\u00adses Zu\u00adsam\u00admen\u00adhangs wird als Netz- <\/span>oder Anlagekennlinie<\/span><\/a> be\u00adzeich\u00adnet; sie hat die Form einer Pa\u00adra\u00adbel (Bild 3.4e). Der Vo\u00adlu\u00admen\u00adstrom wird sich so ein\u00adstel\u00adlen, dass der Rei\u00adbungs\u00addruck\u00adver\u00adlust gleich der an\u00adlie\u00adgen\u00adden Druck\u00addif\u00adfe\u00adrenz ist.<\/p>\n

Mit einer <\/a>Standard-Druckdifferenz \u0394p<\/span>o<\/span> (bei Wasser: 1 bar) und einem Durchflusskennwert k<\/span>v<\/span> kann auch geschrieben werden:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Der Durchflusskennwert<\/span><\/a> k<\/span>v<\/span> ist derjenige Vo\u00adlu\u00admen\u00adstrom, welcher durch das Netz fliesst, wenn an den Netzenden die Standard-Druckdifferenz anliegt. Er kann direkt gemessen werden, wenn in der An\u00adord\u00adnung gem\u00e4ss Bild 3.1 eine Niveaudifferenz von 10,2 m eingehalten wird (\u03c1<\/span><\/em> = 1000 kg\/m3<\/span>). Wenn eine andere Druck\u00addif\u00adfe\u00adrenz am Netz an\u00adliegt, kann der Durch\u00adflus\u00ads\u00adkenn\u00adwert berechnet wer\u00adden:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

k<\/span>v<\/span> Durchflusskennwert in m3<\/span>\/s (bzw. m3<\/span>\/h)
\nq<\/span>v<\/span> Volumenstrom in m3<\/span>\/s (bzw. m3<\/span>\/h)
\n\u0394p<\/span>o<\/span> Standard-Druckdifferenz: 100’000 Pa
\n\u0394p<\/span>r<\/span> Reibungsdruckverlust in Pa<\/p>\n

F\u00fcr ein un\u00adver\u00ad\u00e4n\u00adder\u00adli\u00adches Netz ist k<\/span>v<\/span> praktisch eine Kon\u00adstan\u00adte. Zu jeder Netzkennlinie<\/a> geh\u00f6rt also ein bestimmter k<\/span>v<\/span>-Wert<\/a>.<\/p>\n

Bei Rohren<\/a> wird der auf die L\u00e4ngeneinheit bezogene Druckverlust als R-Wert<\/span><\/a> bezeichnet (Bild 3.2). Die Pa\u00adra\u00adbeln werden hier infolge der doppelt lo\u00adga\u00adrith\u00admi\u00adschen Auftragung zu Geraden. Der <\/a>nominale Durchmesser DN entspricht (ungef\u00e4hr) dem Rohr-Innendurchmesser in mm. Mit dem Diagramm kann rasch der Druckverlust eines Netzes abgesch\u00e4tzt werden, wenn angenommen wird, der Verlust der Ein\u00adzel\u00adwi\u00adder\u00adst\u00e4n\u00adde (B\u00f6gen, T-St\u00fccke, offene Absperrorgane) sei 1<\/span>\/3<\/span> des gesamten Druckverlusts.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.2 Rohrreibungs-Diagramm f\u00fcr Stahlrohre<\/a> mit Rauigkeit 0,045 mm bei Wasser von 80 \u00b0C (bei 50 \u00b0C ist R 4% gr\u00f6sser) [Rec1]<\/p>\n

Die beschriebenen Gesetzm\u00e4ssigkeiten gelten f\u00fcr be\u00adlie\u00adbi\u00adge unver\u00e4nderliche Netze. Netze k\u00f6nnen zu komp\u00adle\u00adxe\u00adren Netzen verkn\u00fcpft werden. Werden Netze parallel geschaltet, so gilt f\u00fcr den resultierenden kv<\/span>-Wert:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bei Serieschaltung von Netzen gilt:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Druckverluste h\u00e4ngen vom Medium ab. Bei\u00adspiels\u00adwei\u00adse verursachen Frostschutz-Gemische (Sole), je nach Kom\u00adpo\u00adnen\u00adten und deren Konzentration, wesentlich h\u00f6\u00adhe\u00adre Druck\u00adver\u00adlu\u00adste als Wasser. Bei hoher Z\u00e4higkeit oder sehr kleinem Durchmesser wird die Str\u00f6mung<\/a> laminar<\/span><\/a>. Dort gilt ein v\u00f6llig anderes Reibungsgesetz [Rec1].<\/p>\n

3.1.2<\/span> Verhalten von Kreiselpumpen<\/h2>\n

Das Verhalten von Pumpen, Ventilatoren und Ge\u00adbl\u00e4\u00adsen folgt denselben Gesetzm\u00e4ssigkeiten.<\/p>\n

F\u00f6rderkennlinie<\/span><\/a><\/p>\n

Bild 3.3 zeigt eine Pumpe mit konstanter Drehzahl, die mit sehr kurzen Leitungen an zwei grosse Was\u00adser\u00adbe\u00adh\u00e4l\u00adter angeschlossen ist. Die Niveaudifferenz ist ein\u00adstell\u00adbar. Ein grosser Volumenstrom wird fliessen, wenn die Niveaudifferenz null ist. Je gr\u00f6sser die Ni\u00adveau\u00addif\u00adfe\u00adrenz eingestellt wird, desto geringer wird im Allgemeinen der Volumenstrom sein. Die F\u00f6r\u00adder\u00adkenn\u00adli\u00adnie stellt diesen Zusammenhang dar (Bild 3.4a).<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.3 Pumpe zwischen zwei Wasserbeh\u00e4ltern<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.4 Pumpen- und Netzkennlinien
\nKennlinien a bis d: Pumpe mit konstanter Drehzahl, abh\u00e4ngig von gef\u00f6rderten Volumenstrom
\nKennlinie e: Druckverlust eines unver\u00e4nderlichen Netzes, abh\u00e4ngig vom durchfliessenden Volumenstrom<\/p>\n

Anmerkung: Die F\u00f6rderdruckdifferenz \u0394p<\/span> ist grund\u00ads\u00e4tz\u00adlich eine <\/a>Gesamtdruckdifferenz zwischen den Maschinengrenzen (Kapitel 5.4.7). Bei Pumpen f\u00fcr Fl\u00fcssigkeiten ist meistens (im Unterschied zu Ventilatoren) der dy\u00adna\u00admi\u00adsche Druck vernachl\u00e4ssigbar klein neben der F\u00f6r\u00adder\u00addruck\u00addif\u00adfe\u00adrenz.<\/p>\n

Pumpen-Wirkungsgrad<\/span><\/p>\n

Aus Volumenstrom und Druckdifferenz l\u00e4sst sich die hydraulische Nutzleistung <\/span>ermitteln (Bild 3.4c):<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

P<\/span>n<\/span> hydraulische Nutzleistung in W
\nq<\/span>v<\/span> Volumenstrom in m3<\/span>\/s
\n\u0394p<\/span> Druckdifferenz in Pa<\/p>\n

Die elektrische Leistungsaufnahme P<\/span>el<\/span> ist allerdings wegen hydraulischer und motorischer Verluste gr\u00f6s\u00adser als die hydraulische Nutzleistung. Der Ge\u00adsamt\u00adwir\u00adkungs\u00adgrad <\/span>der Pumpe<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

ist stark abh\u00e4ngig vom gef\u00f6rderten Volumenstrom. Bei mittleren Volumenstr\u00f6men wer\u00adden die besten Wirkungsgrade erreicht (Bild 3.4d). Aus Gr\u00fcnden des Stromverbrauchs sollte ein Betrieb im Bereich f an\u00adge\u00adstrebt werden. Der Betrieb mit ma\u00adxi\u00adma\u00adlem Wir\u00adkungs\u00adgrad wird als Bestpunkt oder Op\u00adti\u00admum <\/span>be\u00adzeich\u00adnet. Die meisten Heizungspumpen arbeiten im Bereich der hydraulischen Nutzleistung von 5 W bis 100 W.<\/p>\n

<\/a>Energieeffizienzindex<\/span><\/p>\n

Beurteilt werden Nassl\u00e4ufer<\/a>-Umw\u00e4lzpumpen mit dem Energieeffizienzindex. Der EEI ist im Wesentlichen ein zeitlich gewichteter Mittelwert der elektrischen Leistungsaufnahme. Grundlage sind Messungen bei 25, 50, 75 und 100 Prozent des Volumenstromes gem\u00e4ss einer steigenden Kennlinie (Bild 3.5d). Als 100-Prozent-Punkt gilt der Betriebspunkt mit der gr\u00f6ssten hydraulischen Nutzleistung. Seit 2015 darf der EEI europaweit den Wert von 0,23 nicht mehr \u00fcberschreiten [EG, EnEV].<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.5 F\u00f6rderkennlinien von Pumpen<\/p>\n

Form der F\u00f6rderkennlinie<\/span><\/p>\n

Diese ist in Netzen mit variablem Volumenstrom wichtig. Starke \u00c4nderungen der F\u00f6rderdruckdifferenz sind nachteilig f\u00fcr Regelungsg\u00fcte und hydraulischen Abgleich<\/a>. In Heizkreisen mit Thermostatventilen<\/a> k\u00f6nnen grunds\u00e4tzlich alle Druckdifferenzen bis hin zur maximalen F\u00f6rderdruckdifferenz an den Ventilen anliegen. Oberhalb 0,2 bar Druckdifferenz neigen Thermostatventile aber zu Ger\u00e4uschbildung.<\/p>\n

Horizontale <\/span>oder steigende <\/span>Kennlinien werden mittels einer pumpeninternen Drehzahlregelung erreicht (Konstantdruck- bzw. \u00abProportionaldruck\u00bb-Regelung). Die Elektronik erlaubt im Weiteren, das Druckniveau stufenlos einzustellen. Wenn die Maximaldrehzahl erreicht ist, geht die horizontale bzw. steigende Kennlinie \u00fcber in die Kennlinie mit konstanter Drehzahl (Punkt 3c bzw. 3d). Die elektronischen Pumpen sind, sofern richtig ausgew\u00e4hlt und eingestellt, hydraulisch besonders g\u00fcnstig.<\/p>\n

Pumpenkennlinien bei anderen Medien<\/span><\/p>\n

Wird ein Frostschutzgemisch anstelle von Wasser ge\u00adpumpt, so ergeben sich neue Kennlinien. Bild 3.6 zeigt qualitativ, wie sich die Kennlinien ver\u00e4ndern, wenn ein z\u00e4heres Medium als Wasser verwendet wird. F\u00f6rderdruckdifferenz und Wirkungsgrad nehmen ab, w\u00e4hrend die Leistungsaufnahme steigt. Quantitative An\u00adga\u00adben in [KSB].<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Bild 3.6 F\u00f6rderdruckdifferenz, elektrische Leistung und Gesamtwirkungsgrad einer Pumpe bei Wasser (Index w) und z\u00e4her Fl\u00fcssigkeit (z) [KSB]<\/p>\n

3.1.3<\/span> Zusammenwirken von Pumpe und Netz<\/h2>\n

Betriebspunkt<\/span><\/a><\/p>\n

Wird eine Pumpe (oder ein Ventilator) in ein Netz ge\u00adschal\u00adtet, so er\u00adzeugt diese(r) die am Netz anliegende Druck\u00addif\u00adfe\u00adrenz<\/a>. Das Me\u00addi\u00adum beginnt durch das Netz zu str\u00f6\u00admen. Der Vo\u00adlu\u00admen\u00adstrom wird sich so ein\u00adstel\u00adlen, dass der Rei\u00adbungs\u00addruck\u00adver\u00adlust des Netzes gerade gleich der an\u00adlie\u00adgen\u00adden Druck\u00addif\u00adfe\u00adrenz ist. Der Be\u00adtriebs\u00adpunkt wird so\u00admit durch den Schnittpunkt von Netzkennlinie und F\u00f6r\u00adder\u00adkenn\u00adli\u00adnie dargestellt (Bild 3.4).<\/p>\n

\u00c4hnlichkeitsgesetze<\/span><\/a><\/p>\n

Diese Gesetze f\u00fcr Pumpen und Ventilatoren be\u00adschrei\u00adben das Ver\u00adhal\u00adten bei verschiedenen Drehzahlen. Unter den Vor\u00adaus\u00adset\u00adzun\u00adgen<\/p>\n