Kapitel 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen

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Projektieren Haustechnikplaner Lüftung 3. Lehrjahr
Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen
Kapitel 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen
(Version 1.0)
Inhaltsverzeichnis Kapitel 14
14.1
14.2
14.2.1
14.2.2
14.3
14.4
14.4.1
14.4.2
14.4.3
14.4.4
14.4.5
14.5
14.5.1
14.5.2
14.6
14.7
14.8
14.9
14.10
14.11
14.11.1
14.11.2
14.11.3
14.12
Ziel ...................................................................................................................................................................................2
Grundlagen ......................................................................................................................................................................2
BBT-Reglement Haustechnikplaner Lüftung......................................................................................................................2
Clima .Suisse-Modell-Lehrgang..........................................................................................................................................2
Einleitung.........................................................................................................................................................................2
Allgemeine Informationen..............................................................................................................................................2
Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Umwälzpumpen und Ventilatoren............................................................2
Bauarten von Umwälzpumpen..........................................................................................................................................2
Pumpen-Kennlinien...........................................................................................................................................................2
Pumpen mit Drehzahlregulierung.......................................................................................................................................3
Auslegungshinweise für Heizungsanlagen ........................................................................................................................3
Hydraulische Schaltungen in HLK-Anlagen...................................................................................................................3
Auswahldiagramm............................................................................................................................................................3
Luftkühleranschlüsse.........................................................................................................................................................4
Drosselschaltung mit Durchgangsventil.............................................................................................................................5
Umlenk- oder Verteilschaltung mit Dreiwegventil..............................................................................................................6
Einspritzschaltung mit Durchgangsventil ...........................................................................................................................7
Einspritzschaltung mit Dreiwegventil.................................................................................................................................8
Beimischschaltung mit Hauptpumpe und drucklosem Verbraucheranschluss....................................................................9
Aufgabe zum Thema Umwälzpumpen ........................................................................................................................10
Allgemeine Beschreibung................................................................................................................................................10
Gegebene Daten ............................................................................................................................................................10
Gesuchte Daten..............................................................................................................................................................10
Checkliste 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen ....................................................................................13
© Clima-Suisse / SSHL
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14.1
Ziel
Kennenlernen der Grundbegriffe im Bereich Umwälzpumpen und hydraulische Schaltungen. Verstehen der Zusammenhänge
zwischen Heizungs- und Lüftungstechnik. Anwenden des Gelernten in Form einer praktischen Uebung.
14.2
Grundlagen
14.2.1
BBT-Reglement Haustechnikplaner Lüftung
Art. 5, Praktische Arbeiten und Berufskenntnisse, Drittes Lehrjahr
Die Auslegung von Umwälzpumpen ist im BBT-Reglement Haustechnikplaner Fachrichtung Heizung aufgeführt.
14.2.2
Clima.Suisse-Modell-Lehrgang
Ausbildungsinhalt
Die Auslegung von Umwälzpumpen ist im Lehrplan Modell-Lehrgang für Haustechnikplaner Fachrichtung Heizung aufgeführt.
14.3
Einleitung
In diesem Kapitel soll dem Lehrling nicht berufsfremder Stoff vermittelt werden. Es hilft vielmehr, dass sich die Heizungs- und
Lüftungfachleute besser verstehen und dadurch in der Praxis besser zusammenarbeiten können. In diesem Sinne ist es
notwendig, dass der Lüftungsplaner die Grundbegriffe im Zusammenhang mit der Auslegung von Umwälzpumpen kennt.
Viele der heute eingebauten Umwälzpumpen sind mehrfach überdimensioniert. Um für die Zukunft dem Kunden möglichst
niedrige Betriebskosten der Anlage und einen sparsamen Umgang mit der Energie zu gewährleisten, müssen die Pumpen richtig
dimensioniert werden. Der Lüftungsplaner kann mit einfachen Kontrollrechnungen die Arbeit des Heizungsplaners überprüfen
und bei Problemen noch während der Planung deren Ursachen suchen helfen.
Damit eine Lüftungsanlage im gesamten Belastungsbereich einwandfrei arbeiten kann, müssen verschiedene Voraussetzungen
erfüllt sein. Teilprobleme, wie etwa die Wahl der hydraulischen Schaltung eines Lufterhitzeranschlusses, dürfen nicht nur aus der
Sicht des Heizungsplaners beurteilt werden, sondern müssen im Gesamtrahmen betrachtet werden.
14.4
Allgemeine Informationen
14.4.1
Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Umwälzpumpen und Ventilatoren
Für den Lüftungsplaner ist es am einfachsten, die Umwälzpumpe einer Heizungsanlage mit dem Ventilator einer Lüftungsanlage
zu vergleichen. Das ist deshalb möglich, weil es sich bei beiden Geräten um sogenannte Strömungsmaschinen handelt. Diese
Verwandtschaft hat zur Folge, dass viele Gesetze aus der Theorie der Ventilatoren, wie zum Beispiel die Proportionalitätsgesetze
(siehe Kapitel 5 sowie Schulstoff), auch für Umwälzpumpen Gültigkeit haben. Typischerweise wird in der Pumpentechnik mit viel
höheren Drücken gearbeitet als in der Ventilatortechnik.
Im Unterschied zu den Ventilatoren werden Umwälzpumpen in geschlossenen Systemen eingesetzt. Das heisst, das geförderte
Medium (z.Bsp. Wasser) befindet sich in einem in sich abgeschlossenen Kreislauf, es wird immer wieder dasselbe Medium
transportiert. Der Ventilator dagegen saugt auf der einen Seite Aussenluft aus der Umgebung an und befördert diese in eine
andere Umgebung, meist in den zu belüftenden Raum.
14.4.2
Bauarten von Umwälzpumpen
Nassläufer-Pumpen: Häufigste in der Haustechnik verwendete Pumpenbauart. In Deutschland werden diese Pumpen Rohroder Kleinpumpen genannt. Diese Pumpen werden stopfbüchsenlos mit Gleitringdichtung in der sogenannten
Spaltrohrbauweise (siehe auch Titelbild) mit Wasserschmierung ausgeführt, so dass sie praktisch wartungsfrei sind. Alle
rotierenden Teile (einschliesslich des Rotors) liegen dabei im Wasser (daher auch der Name Nassläufer).
Trockenläufer-Pumpen: auch Inline-Pumpen genannt. Es handelt sich dabei um Kreiselpumpen mit einem Spiralgehäuse in der
Bauart, bei welcher Saug- und Druckstutzen mit gleichen Flanschen in einer Linie aufgebaut sind. Die Verbindung zwischen
Motor und Laufrad wird über eine Welle, teilweise mit zwischengeschalteten elastischen Kupplungen hergestellt.
Weitere Pumpen-Bauarten: Zwillingspumpen (Pumpen, bei denen Haupt- und Reservepumpe in einem Gehäuse vereinigt
sind), Sockelpumpen (als Trockenläufer auf bauseitigem Sockel montiert, für grosse Anlagen).
14.4.3
Pumpen-Kennlinien
Das Verhalten der Pumpen im Betrieb ist durch die Pumpen- und Rohrleitungskennlinien bestimmt. Die Pumpenkennlinie, welche
durch Versuche ermittelt wird, gibt wie beim Ventilator die Beziehung zwischen der Förderhöhe und dem Förderstrom bei
konstanter Drehzahl an. Ein Beispiel einer Pumpenkennlinie ist in der nachfolgenden Uebungsaufgabe zu finden.
Die Kennlinien haben je nach der Konstruktion des Laufrades einen flachen oder eher steilen Verlauf. Im ersten Fall ergibt sich
bei Widerstandsänderungen eine grosse Volumenstromänderung, im zweiten Fall eine geringe Aenderung.
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14.4.4
Pumpen mit Drehzahlregulierung
Viele Pumpenhersteller bieten Pumpen mit integrierten Drehzahlregelungen an. Diese Geräte basieren je nach Hersteller auf
unterschiedlichen Mess- und Regelprinzipen. Generell kann jedoch gesagt werden, dass der Wirkungsgrad drehzahlregulierter
Pumpen vor allem bei Teillast deutlich schlechter ist als bei Pumpen mit fester Drehzahl oder mit Drehzahlstufen. Der Einsatz von
Pumpen mit Drehzahlregulierung lohnt sich jedoch in folgenden Fällen:
14.4.5
-
Wenn keine ungeregelte Pumpe mit ausreichend flacher Kennlinie zu finden ist
-
Für grosse Heizgruppen mit Heizleistungen über 300 bis 400 kW
-
Bei variablem Durchfluss, wenn der Durchfluss um mehr als 1:2 variiert
Dies ist vor allem bei Raumheizungsgruppen in Bürobauten mit viel interner Abwärme (Bürogeräte) zu erwarten, sowie bei
Primärkreisen, welche gegen Durchgangsventile Arbeiten (Fernheizungen, evtl. Lüftungsgruppen).
Auslegungshinweise für Heizungsanlagen
Siehe Umwälzpumpen-Leitfaden des Bundesamtes für Energiewirtschaft (BEW).
14.5
Hydraulische Schaltungen in HLK-Anlagen
14.5.1
Auswahldiagramm
Aussenluftanteil gross?
Frostgefahr?
Ja
Lufterhitzer mit konstantem
Volumenstrom des
Heizungswassers
Nein
Temperaturschichtung
störend?
Ja
Nein
Lufterhitzer mit variablem
Volumenstrom des
Heizungswassers
Hydraulische Konzeption der
Gesamtanlagen
Schaltung 4.3.3.1
Schaltung 4.3.3.2
Schaltung 4.3.3.3
Schaltung 4.3.3.4
Schaltung 4.4.4.5
(siehe Seite 5)
(siehe Seite 6)
(siehe Seite 7)
(siehe Seite 8)
(siehe Seite 9)
Drosselschaltung mit
Durchgangsventil
Umlenk- oder
Verteilschaltung mit
Dreiwegventil
Einspritzschaltung mit
Durchgangsventil
Einspritzschaltung mit
Dreiwegventil
Beimischschaltung mit
Hauptpumpe und
drucklosem
Verbraucheranschl.
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14.5.2
Luftkühleranschlüsse
Die hydraulischen Schaltungen für Wasserkühler werden nicht separat behandelt. Die entsprechenden Hinweise sind bei den
hydraulischen Schaltungen für Lufterhitzer aufgeführt. Je nach Anwendung (Kühlen mit oder ohne Entfeuchtung) ist der
Anschluss des Wasserkühlers unterschiedlich zu konzipieren.
Wasserkühler mit konstantem Volumenstrom
Wasserkühler mit variablem Volumenstrom
Eine Entfeuchtung der Luft stellt sich erst bei
grosser Teillast ein.
Durch die tiefen Kühlwassertemperaturen im
ganzen Lastbereich wird praktisch immer
entfeuchtet.
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14.6
Drosselschaltung mit Durchgangsventil
(SWKI-Kennziffer 4.3.3.1, Richtlinie 79-1, Seite 61)
Grundschaltung
Einsatzgebiet
(Lufterhitzer)
Einsatzgebiet
(Luftkühler)
Wirkungsweise
-
Nachwärmer
Luftheizanlagen mit Umluft
Klimaanlagen mit grossem Umluftanteil
-
nicht geeignet für: Vorwärmer mit grossem AUL-Anteil (Schichtung im LE!)
-
Luftkühler mit Enfeuchtung
Bei Luftkühler mit Entfeuchtung Kaltwasservorlauf unten anschliessen, damit Kondensat nicht über
ganzen Kühler herabläuft und quasi wieder befeuchtet!
-
Wasserstrom durch Lufterhitzer kann Werte zwischen 0 und 100 % annehmen
Im Schwachlastbetrieb stark inhomogene Temperaturverteilung im Austauscher (Wasser- und
Luftseitig!)
Verbesserung auf der Luftseite durch nachgeschalteten Ventilator zur Luftdurchmischung
(Vollständige Durchmischung nicht gewährleistet...)
-
Druckverhältnisse
(heizungsseitig)
Differenzdruckbehafteter Anschluss
Hinweise / Bemerkungen
Seite 5 von 13
14.7
Umlenk- oder Verteilschaltung mit Dreiwegventil
Grundschaltung
Einsatzgebiet
(Lufterhitzer)
-
Nachwärmer
Luftheizanlagen mit Umluft
Klimaanlagen mit grossem Umluftanteil
-
nicht geeignet für: Vorwärmer mit grossem AUL-Anteil (Schichtung im LE!)
Einsatzgebiet
(Luftkühler)
-
Luftkühler mit Enfeuchtung
Bei Luftkühler mit Entfeuchtung Kaltwasservorlauf unten anschliessen, damit Kondensat nicht über
ganzen Kühler herabläuft und quasi wieder befeuchtet!
Wirkungsweise
-
Wasserstrom durch Lufterhitzer kann Werte zwischen 0 und 100 % annehmen
Im Schwachlastbetrieb stark inhomogene Temperaturverteilung im Austauscher (Wasser- und
Luftseitig!)
Verbesserung auf der Luftseite durch nachgeschalteten Ventilator zur Luftdurchmischung
(Vollständige Durchmischung nicht sicher gewährleistet...)
Warmwasser steht auf für grosse Distanzen sofort zur Verfügung
-
Druckverhältnisse
(heizungsseitig)
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14.8
Einspritzschaltung mit Durchgangsventil
Grundschaltung
Einsatzgebiet
(Lufterhitzer)
-
Vorwärmer mit 100% Aussenluftanteil
Geeignet für alle Arten von Klima- und Lüftungsanlagen (Vor- und Nachwärmer)
Einsatzgebiet
(Luftkühler)
-
Luftkühler mit ungeregelter Enfeuchtung
Wirkungsweise
-
Wasserstrom durch Lufterhitzer praktisch konstant
Wasserstrom im Primärnetz kann Werte zwischen 0 und 100% annehmen
Auch im Schwachlastbetrieb und bei variablen Luftmengen praktisch gleichmässige
Temperaturverteilung im Lufterhitzer und im Kanal
Druckverhältnisse
(heizungsseitig)
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14.9
Einspritzschaltung mit Dreiwegventil
Grundschaltung
Einsatzgebiet
(Lufterhitzer)
-
Gebräuchlichste Schaltung für Vorwärmer
Geeignet für alle Arten von Klima- und Lüftungsanlagen
Nicht geeignet für Anlagen mit grosser Distanz zwischen Verteiler und Stellorgan (Transportzeit)
Einsatzgebiet
(Luftkühler)
-
Wirkungsweise
-
Wasserstrom im Primärnetz schwankt von 0 bis 100%
Auch im Schwachlastbetrieb und bei variablen Luftmengen praktisch gleichmässige
Temperaturverteilung im Lufterhitzer und im Kanal
Druckverhältnisse
(heizungsseitig)
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14.10 Beimischschaltung mit Hauptpumpe und drucklosem Verbraucheranschluss
Grundschaltung
Einsatzgebiet
(Lufterhitzer)
-
unbekanntem Anschlussdifferenzdruck (bestehendes Leitungsnetz)
variablem oder konstantem Luftvolumenstrom
Luftvorwärmer und Luftnachwärmer
Einsatzgebiet
(Luftkühler)
-
Wirkungsweise
-
Wasserstrom im Netz 0 bis 100%
Internpumpe kompensiert Widerstand von Verbraucher und Stellorgan
Druckverhältnisse
(heizungsseitig)
Nur zu verwenden mit differenzdruckfreiem, bezw. differenzdruckarmem Anschluss
Seite 9 von 13
14.11 Aufgabe zum Thema Umwälzpumpen
Im folgenden Beispiel wird aufgezeigt, welche Schritte für das korrekte Dimensionieren von Umwälzpumpen in einer
Lüftungsanlage notwendig sind.
14.11.1 Allgemeine Beschreibung
Die Lüftungsanlage Untergeschoss wird mit einem Vor- und einem Nachwärmer betrieben. Die technischen Daten der Anlage
sind aus den nachfolgenden Unterlagen ersichtlich.
14.11.2 Gegebene Daten
-
Luftmengen für Vor- und Nachwärmer im Monobloc gemäss Ausschnitt Datenblatt
Betriebstemperaturen Heizungsanlage primär 90 / 70 °C
Hydraulische Schaltung Heizungsanlage gemäss Prinzipschema
Leitungslängen Vor- und Rücklauf total 10 m, mit je 6 Bogen
Druckverlust Leitungen 100 Pa/m, Bogen 100 Pa/Bogen
Druckverlust der Armaturen gemäss Angaben im Unterricht
14.11.3 Gesuchte Daten
-
Lufterhitzer-Leistungen für Vor- und Nachwärmer
Volumentstrom für Heizungsmedium (HM) im Vor- und Nachwärmer
Rohrnetzberechnung (Heizungsseitig) für Vor- und Nachwärmer
Pumpenauslegung der beiden Lufterhitzer-Pumpen (Eintragen der Betriebspunkte im Pumpendiagramm)
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Prinzipschema der Lufterhitzer-Anschlüsse
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Datenblatt Monobloc-Hersteller
(Ausschnitt zur Bearbeitung der Uebungsaufgabe)
Kennlinien der Umwälzpumpe Biral Redline M10
(Kopie aus Planungsunterlagen Fabrikat Biral)
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14.12
Checkliste 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen
Grundlagen
5
Schulstoff
-
- Recknagel
2.3.7
Mess-, Steuer- und Regelanlagen
2.3.6-1 Pumpen
- Steuern und Regeln in der HLK-Technik (Form. 724.606 d, März 1986)
- RAVEL-Dokumentation 330D: Umwälzpumpen, Auslegung und Betriebsoptimierung
- Projektierung hydraulischer Schaltungen (Landis&Stäfa, Drucknummer CE1J4001D)
- Merkblatt BEW: Leitfaden Umwälzpumpen (Form.805.164d)
- SWKI 79-1
Hydraulische Schaltungen in HeizungsLüftungs- und Klimaanlagen
- Impulsprogramm
- Diverses
- Richtlinien
Notwendige Unterlagen
4
Hydraulische Schaltungen
- Prinzipschema der Lüftungs- oder Klimaanlage
- Prinzipschema der Heizungsanlage
- SWKI-Richtlinie 79-1
- Grundrisspläne mit Standorten der Lufterhizter und des Heizungsverteilers
(zur Abschätzung der Distanzen zwischen Stellorgan und Wärmetauscher)
Dimensionierung von Umwälzpumpen
- Herstellerunterlagen der gewählten Umwälzpumpen-Fabrikate
- Druckverlustberechnung des Rohrnetzes der Heizungsanlage
- evtl. Dimensionierungs-Software des gewählten Umwälzpumpen-Fabrikates
- Datenblätter der Lüftungsanlage (Monobloc-Datenblätter oder Lufterhitzer, -kühler-Daten)
- Prinzipschema der Heizungsanlage mit der Gruppe Lufterhitzer / Luftkühler
Vorgehensweise zur Bestimmung von Umwälzpumpen
!
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Bestimmen der Wassermengen und Druckverlustwerte
Festlegen der Regelungsart der Pumpe (ungeregelt, Mehrstufig, Differenzdruck, ...)
Festlegen des Pumpenfabrikates (Erfahrungen, Service-Verfügbarkeit usw.)
Bestimmung des erforderlichen Pumpentypes aus Diagrammen
Kontrolle, ob Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme im optimalen Bereich sind
Kontrolle, ob Regulierungsart (gemäss Punkt 2) für gewählte Pumpe verfügbar
Kontrolle, ob Stromart und Pumpenabsicherung den Ansprüchen genügen
Pumpentyp mit Betriebspunkt im Diagramm farbig eintragen
Hinweise und Tips
G
Die Bestimmung der geeigneten hydraulischen Schaltung erfordert die enge
Zusammenarbeit zwischen Heizungs-, Lüftungs- und Regulierspezialisten.
Idealerweise werden die Absprachen in Form einer gemeinsamen Besprechung
aller Beteiligten gemacht. Dabei ist wichtig, dass sich jeder Teilnehmer entsprechend
auf die Sitzung vorbereitet und eventuell notwendige Vorabklärungen trifft!
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Kapitel 14: Umwälzpumpen / Hydraulische Schaltungen

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