Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen in Kaltwassersätzen und Wärmepumpen

Seit den 1990er Jahren gehört die Ansteuerung der Primärpumpen für den Verbraucherkreislauf zur Grundausstattung von Kaltwassersätzen und Wärmepumpen oder zumindest ist diese Funktion als Zubehör verfügbar. Die Betriebslogik ist dabei simpel und effektiv. Sobald der externe Freigabekontakt des Gerätes geschlossen wird, wird die Pumpe angefordert.

Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich dabei um eine externe oder eine im Gerät installierte Pumpe handelt. Die Regelung des Gerätes stellt dabei sicher, dass vor dem Verdichteranlauf eine Pumpenvorlaufzeit und nach Abschaltung des Gerätes durch den Freigabekontakt eine Pumpennachlaufzeit realisiert wird. Die notwendige Schnittstelle zu einer Gebäudeleittechnik und die Implementierung der Regelungslogik kann für die Pumpenansteuerung entfallen.

In der Konsequenz bedeutet dies, dass die Pumpe immer in Betrieb ist, wenn der Freigabekontakt geschlossen ist, auch dann, wenn über einen langen Zeitraum keine Lastanforderung anliegt. Je unabgestimmter der Freigabekontakt beschaltet wird, desto höher der Energiebedarf des Gerätes und der Pumpe.

Die Sniffer-Funktion ist seit Anfang der 2010er Jahre als Weiterentwicklung der einfachen Pumpenansteuerung verfügbar. Der Unterschied besteht darin, dass nach dem Abschalten des letzten Verdichters aufgrund des erreichten Sollwertes die Pumpe nicht kontinuierlich im Betrieb bleibt, um die Temperaturen im Hydraulikkreislauf zu erfassen.

Funktionsweise der Sniffer-Funktion

Die Sniffer-Funktion kann über den Regler aktiviert werden, sodass nach dem Ausschalten des letzten Verdichters die Nachlaufzeit der Pumpe eingehalten wird und diese dann abgeschaltet wird. Über einen Parameter im Regler kann bestimmt werden, wie lange die Pumpe deaktiviert bleiben soll (Zeit x). Nach Ablauf dieser Zeit wird die Pumpe wieder aktiviert. Die Dauer des Pumpenbetriebes kann ebenfalls frei parametriert werden (Zeit y). Ist die Sollwertabweichung groß genug, um wieder einen Verdichter zu starten, bleibt die Pumpe im Betrieb. Liegt die Sollwertabweichung unterhalb der Regeltoleranz, wird die Pumpe wieder für die Zeit x deaktiviert. Durch diese Intervallschaltung kann gerade im unteren Teillastbetrieb viel Pumpenenergie eingespart werden.

Die Sniffer-Funktion greift jedoch erst ein, nachdem der letzte Verdichter deaktiviert wurde. Das bedeutet, dass Anwendungen wie Prozess- oder IT-Kühlung, wenn überhaupt, nur bedingt von dieser Funktionalität profitieren, da zumeist die Mindestlastabnahme über der minimalen Leistungsstufe des Gerätes liegt und so immer ein Verdichter aktiv ist.

Hier kommt erstmals eine drehzahlgeregelte Pumpe zum Einsatz. Das heißt, neben dem digitalen Ausgangskontakt zur Pumpenansteuerung steht ein Signal von 0 bis 10 V als Regelgröße für die interne oder bauseitige Pumpe zur Verfügung. In der Praxis stimmen die tatsächlichen Druckverluste des hydraulischen Systems meist nicht mit den berechneten Werten überein. Um dem vorzubeugen, wird die Pumpe oft ein wenig überdimensioniert.

Der zu viel geförderte Volumenstrom wird durch ein Regulierventil am Austritt des Gerätes durch einen künstlich erzeugten Druckabfall kompensiert, sodass der Volumenstrom mit den Auslegungsbedingungen übereinstimmt. Nachteilig an dieser klassischen Variante sind die einmaligen Kosten für das Regulierventil und die kontinuierlich erhöhten Betriebskosten aufgrund des zusätzlich erzeugten Druckabfalls. Je stärker die Pumpe überdimensioniert wurde, desto höher die Betriebskosten.

Über den Regler des Gerätes kann mit der Funktion des parametrierbaren Volumenstroms das Signal von 0 bis 10 V so eingestellt werden, dass der Volumenstrom den Auslegungsbedingungen entspricht. Nach der Parameter-Einstellung während der Inbetriebnahme arbeitet die Pumpe kontinuierlich mit der eingestellten Drehzahl. Durch die Anpassung an den benötigten Volumenstrom kann das Regulierventil entfallen, sodass der Pumpenbetrieb effizienter wird.

Ein weiterer positiver Effekt ist die Tatsache, dass der Volumenstrom sowohl für den Kühl- als auch Heizbetrieb individuell parametriert werden kann. Somit löst man zudem das Problem der unterschiedlich benötigten Volumenströme bei reversiblen Wärmepumpen. Das System arbeitet unabhängig von der Betriebsart mit dem eingestellten Volumenstrom im Auslegungszustand. Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Funktion dieser Betriebsweise ist eine ausreichend groß dimensionierte Pumpe.

Hinweis: Bei der Pumpenansteuerung, der Sniffer-Funktion und dem parametrierbaren Volumenstrom muss der Volumenstrom über dem Wärmetauscher des Gerätes im stationären Betrieb konstant sein. Dabei ist es unerheblich, ob das System für einen Primär- oder einen Primär- und Sekundärkreislauf ausgelegt wurde. Die Installation eines Primärkreislaufes erfordert 3-Wege-Ventile an den Verbrauchern, damit ein konstanter Volumenstrom gewährleistet wird. Bei einem vorhandenen Sekundärkreislauf muss die Ansteuerung und Regelung der Sekundärpumpen bauseitig erfolgen.

Die Abkürzung VPF beschreibt den Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen im Primärkreislauf. Der Zusatz „.D“ steht für einen „Decoupler“, was eine Entkopplung des Primär­ und Sekundärkreislaufes bedeutet. Bei dieser Lösung wird der Erzeugerkreislauf hydraulisch vom Verbraucherkreislauf getrennt. Das Gerät regelt die Pumpe des Primärkreislaufes bzw. Erzeugerkreislaufes. Die Regelung der Pumpen im Sekundärkreislauf erfolgt bauseits.

Funktionsweise der VPF.D-­Regelung

Bei der VPF.D-Regelung wird die Drehzahl der Pumpe so weit wie möglich reduziert, ohne dabei zwei wesentliche Aspekte außer Acht zu lassen.

01. Die Drehzahlregelung der Pumpe erfolgt zur Leistungsregelung über die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher des Gerätes. Die nominelle Temperaturdifferenz am Wärmetauscher kann über Parameter im Regler anhand der Auslegungsbedingungen eingegeben werden. Beim Einschalten des Gerätes regelt die Pumpe den Volumenstrom auf die im Regler parametrierbare Nenndrehzahl. Nach einer entsprechenden Vorlaufzeit wird die Drehzahl der Pumpe so angepasst, dass die Temperaturdifferenz über dem Wärmetauscher innerhalb der neutralen Zone liegt. Bei abnehmender Kälte­ oder Heizleistung reduziert sich die Anzahl der aktiven Verdichter. Aufgrund der dadurch reduzierten Temperaturdifferenz an dem Wärmetauscher des Gerätes verringert sich langsam die Drehzahl der Pumpe, um so die nominelle Temperaturdifferenz wiederherzustellen. Bei steigender Kälte­ oder Heizleistung wird die Anzahl der aktiven Verdichter erhöht, sodass die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher steigt. Die Pumpe erhöht die Drehzahl, um die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher in den neutralen Bereich zu bringen.

Bis zu diesem Punkt ist die Regelungsart identisch mit der im ersten Abschnitt beschriebenen VPF.E­-Regelung. Bei der VPF.D­-Regelung kommt als weitere Komponente der Abgleich der Volumenströme im Primär­ und Sekundärkreislauf hinzu.

02. Der Volumenstrom im Primärkreislauf muss stets größer sein als der Volumenstrom im Sekundärkreislauf. Der bauseits zu installierende Temperaturfühler T1 misst die Medium­Austrittstemperatur des Gerätes. Der Temperaturfühler T2 wird in der Bypass­-Leitung montiert. Sofern der Volumenstrom im Primärkreislauf größer ist als der Volumenstrom im Sekundärkreislauf, sind die gemessenen Temperaturwerte an den Fühlern T1 und T2 gleich. Sobald die an T2 gemessene Temperatur höher ist als die Temperatur T1, bedeutet dies, dass der Volumenstrom im Sekundärkreislauf größer ist als im Primärkreislauf. In diesem Fall wird die Drehzahl der Pumpe im Primärkreislauf erhöht.