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Zusammenschaltung von mehreren Pumpen

Alle bisherigen Ausführungen bezogen sich jeweils auf eine Kreiselpumpe. Es gibt in der Praxis aber Betriebssituationen, in denen eine Einzelpumpe nicht die an sie gestellten Forderungen erfüllen kann. In solchen Fällen werden zwei oder mehr Pumpen installiert. Je nach dem Einsatzzweck installiert man die Pumpen in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung.

Noch bevor auf die Einzelheiten der Betriebsfunktionen eingegangen wird, sei auf einen grundsätzlichen, aber oft gehörten Fehler hingewiesen:

Es ist falsch zu behaupten, dass generell zwei gleiche Pumpen in Reihenschaltung die doppelte Förderhöhe und dass zwei gleiche Pumpen in Parallelschaltung den doppelten Förderstrom fördern würden. Dies ist zwar theoretisch möglich, aber konstruktions- und anlagenbedingt nicht zu erreichen.

Pumpen in Reihenschaltung

Wenn zwei Pumpen hintereinander eingebaut werden, so addieren sich die Pumpenkennlinien, d. h., wenn sie gegen einen geschlossenen Schieber arbeiten, so addiert sich der erzeugte Druck. Die Nullförderhöhe bei zwei gleich großen Pumpen verdoppelt sich damit. Bei der Betrachtung des anderen Extrempunktes, d. h. bei druckloser Förderung, können zwei Pumpen keine größere Flüssigkeitsmenge transportieren als nur eine Pumpe. Für die Praxis heißt das, dass sich für beide Anteile der hydraulischen Arbeit anteilige Erhöhungen ergeben:

  • Auf der senkrechten Achse des Kennliniendiagramms – also für die Förderhöhe H – gilt, dass die Erhöhung umso kräftiger ausfällt, je weiter links sich die Anlagenkennlinie befindet.
  • Auf der horizontalen Achse des Kennliniendiagramms – also für den Förderstrom Q˙ – gilt, dass die Erhöhung äußerst gering ausfällt

Anwendungsbeispiel:

mehrere Pumpenkreise (Pumpen in Reihenschaltung) In großen Heizungsanlagen werden aus regelungstechnischen Gründen mehrere Heizkreise verlegt. Manchmal sind auch mehrere Kessel installiert.

Die Pumpen für dieWarmwasserbereitung (WWB) und für die Heizkreise HK 1 und HK 2 arbeiten unabhängig voneinander. Die Umwälzpumpen wurden zur Überwindung der jeweiligen Systemwiderstände ausgelegt. Jede dieser drei Pumpen steht in Reihe zur Kesselkreispumpe KP. Diese hat die Aufgabe, den schon im Kesselkreis auftretenden Widerstand zu überwinden.

Die vorausgehende theoretische Betrachtung ging von gleich großen Pumpen aus. So wie im abgebildeten Schema können aber die Förderleistungsdaten für jede Pumpe anders sein.

Eine große Gefahr bei dieser Installation ist dann gegeben, wenn die Förderleistungen nicht sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Wird durch die Kesselkreispumpe ein zu hoher Pumpendruck erzeugt, können eine oder alle Verteilerpumpen einen zu großen Restvordruck am Saugstutzen erhalten. Sie arbeiten dann nicht mehr als Pumpe, sondern als Turbine (generatorischer Betrieb). Sie werden angeschoben. Dadurch treten Betriebsstörungen und Pumpendefekte in kürzester Zeit auf. Diese Problemstellung kann mit der Entkopplung, z. B. mit einer hydraulischenWeiche, gelöst werden.

Pumpen in Parallelschaltung

Wenn zwei Pumpen parallel zueinander eingebaut werden, so addieren sich die Pumpenkennlinien, d. h., wenn sie ohne Druck, also gegen ein offenes Rohr arbeiten, so addiert sich der Förderstrom.

Die maximale Fördermenge bei zwei gleich großen Pumpen verdoppelt sich damit. Es wurde schon darauf hingewiesen, dass dieser Kennlinienpunkt nur ein theoretischer Grenzwert ist.

Bei der Betrachtung des anderen Extrempunktes, d. h. bei der Nullförderhöhe, können zwei parallel laufende Pumpen keine größere Förderhöhe erbringen als nur eine Pumpe.

Für die Praxis heißt das, dass sich für beide Anteile der hydraulischen Arbeit auch hier anteilige Erhöhungen ergeben:

  • Auf der waagerechten Achse des Kennliniendiagramms– also für den Förderstrom Q˙ – gilt, dass die Erhöhung umso kräftiger ausfällt, je weiter rechts sich die Anlagenkennlinie befindet.
  • Auf der senkrechten Achse – also für die Förderhöhe H – gilt, dass die Erhöhung am kräftigsten in der Mitte der Kennlinien ausfällt.

Anwendungsbeispiel: Parallelbetrieb

Wenn der Heizenergiebedarf seinen Höchstwert erreicht, laufen die Pumpen I und II gemeinsam im Parallelbetrieb. Die dafür erforderlichen Regelgeräte sind bei modernen Pumpen in Aufsteckmodulen bzw. im Elektronikmodul mit entsprechendem Zubehör enthalten. Ein integriertes Doppelpumpenmanagement übernimmt die energetisch optimerte Zu- und Abschaltung der Spitzenlastpumpe.

Da jede der beiden in der Doppelpumpe zusammengebauten Einzelpumpen wieder mehrstufig schaltbar ist oder stufenlos geregelt wird, ergibt sich ein breites Spektrum der Pumpenanpassung an den Heizungsbedarf.

Bei Ausfall einer Pumpe werden noch mehr als 50%des Förderstromes zur Verfügung gestellt. Nach Heizkörperbetriebsdiagramm bedeutet das immer noch eine Heizleistung von mehr als 83%, die vom Heizkörper abgegeben werden kann.

Anwendungsbeispiel: Haupt- und Reservepumpe

Der Sinn einer Heizung ist es, dieWohnungen in der kalten Jahreszeit zu erwärmen. Deshalb ist es empfehlenswert, für den Störfall in jedem Heizkreis eine Reservepumpe vorzusehen. Das gilt z. B. für Mehrfamilienhäuser, Krankenhäuser und öffentliche Einrichtungen.

Andererseits entstehen durch den Einbau einer zweiten Pumpe einschließlich der dazu erforderlichen Armaturen und der Regelung deutlich höhere Installationskosten. Einen guten Kompromiss bilden die von der Industrie angebotenen Doppelpumpen. In einem Gehäuse sind zwei Laufräder mit ihren Antriebsmotoren untergebracht.

Im Reserve-Betrieb laufen die beiden Pumpen I oder II im zeitlichenWechsel (z. B. jeweils 24 Stunden). Die andere Pumpe steht. Ein Rückfluss des geförderten Mediums durch die stehende Pumpe wird durch eine serienmäßig eingebaute Umschaltklappe verhindert. Wenn, wie am Anfang dieses Abschnittes geschildert, eine der beiden Pumpen ausfallen sollte, erfolgt eine automatische Störumschaltung auf die betriebsbereite Pumpe.

Spitzenlastbetrieb mit mehreren Pumpen

Bei Anlagen mit einem großen Förderstrom werden auch mehrere Teillast-Einzelpumpen installiert, z. B. in ein Krankenhaus mit 20 Gebäuden und einem zentral liegenden Kesselhaus. Im folgenden Beispiel sind große Trockenläuferpumpen mit einer integrierten Elektronik parallel zueinander installiert. Je nach den Erfordernissen können solche Spitzenlast-Anlagen aus zwei und mehr gleich großen Pumpen bestehen.

Die Regelung hält in Verbindung mit dem Signalgeber den Gesamtpumpendruck konstant (Δ p-c). Es ist dabei völlig unerheblich, welche Förderströme die Thermostatventile an allen Heizkörpern durchlassen und wie viele der vier Pumpen aktuell in Betrieb sind.

Ist in solch einer aufgeführten Anlage ein hydraulischer Abgleich erfolgt, werden diese Schaltungen auch dafür genutzt, über eine Schlechtpunktauswertung die Versorgung sicherzustellen. Hierbei wird – wie der Name es schon ausdrückt – der Signalgeber an den schlechtest zu versorgenden Punkt der Anlage installiert. Das Steuersignal vom Signalgeber wird dann zum Schaltgerät geleitet und wird dort den Anlagengegebenheiten und der Trägheit der Anlage angepasst. Die angeschlossenen Pumpen werden dann vom Steuergerät über ihre beispielsweise integrierte Elektronik entsprechend angesteuert.

Die im Beispiel dargestellte Gesamtanlage wird folgendermaßen geregelt:

Die Grundlast- oder Hauptpumpe PH mit integrierter Elektronik wird stufenlos zwischen ihrer Maximaldrehzahl n = 100 %und einer Minimaldrehzahl n = 40 %geregelt, ausgelöst durch den Differenzdruck-Signalgeber DDG. Dadurch bewegt sich der Teillast-Förderstrom gleitend im Bereich QT1 < = 25 %.Wenn ein Förderstrom QT > 25 %benötigt wird, schaltet die erste Spitzenlastpumpe mit ebenfalls integrierter Elektronik PS1 mit voller Drehzahl hinzu. Die Hauptpumpe PH wird weiter stufenlos geregelt, sodass ihr Einfluss auch den Gesamtförderstrom zwischen 25 %und 50 %nach dem Bedarf einstellt.

Dieser Vorgang wiederholt sich durch das Zuschalten der Teillast-Pumpen mit integrierter Elektronik PS2 und PS3, jeweils mit ihrer vollen Drehzahl. Der maximale Wärmebedarf des gesamten Krankenhauses wird abgedeckt, wenn alle vier Pumpen in ihrer größten Leistung arbeiten – dann liefern sie den Volllast-Förderstrom V˙V. In gleicherWeise werden die Spitzenlast- Pumpen mit integrierter Elektronik PS3 bis PS1 bei verringertemWärmebedarf wieder abgeschaltet.

Um eine möglichst gleichmäßige Betriebszeit aller Umwälzpumpen zu erreichen, wird die Aufgabe der geregelten Hauptpumpe im täglichen Wechsel rollierend weitergegeben.

Für große Anlagen ist der Vorteil langjähriger geringer Betriebskosten wichtiger als kleine Investitionskosten. Denn vier kleinere Pumpen mit integrierter Elektronik und Steuerung können mehr kosten als eine große Pumpe ohne Steuerung.

Wird aber beispielsweise ein Betriebszeitraum von zehn Jahren berücksichtigt, können die Investitionskosten für Steuerung und Pumpen mit integrierter Elektronik durch die Einsparungen um ein Mehrfaches eingeholt werden. Als weiterer Nebeneffekt entsteht eine bessere Versorgung der Anlage mit weniger Geräuschen nd erhöhter Wirtschaftlichkeit durch verbesserte Versorgung der Verbraucher. Dies kann sogar zu einer deutlichen Einsparung der Primärenergie führen.