Umwälzpumpe (Heiztechnik)
Eine Umwälzpumpe in einer Heizungsanlage ist eine Kreiselpumpe, die das erwärmte Wärmeträgermedium (meist Wasser) zu den Heizkörpern und Hausanschlussstationen im geschlossenen Kreislauf fördert und gleichzeitig von dort das abgekühlte Wasser aus dem Rücklauf wieder zurückführt, um es in der Heizung erneut zu erwärmen.
Definition Heizkreis
Als Heizkreis wird der Kreislauf bezeichnet, in dem die Umwälzpumpe lediglich die Arbeit zur Überwindung der Reibung im Leitungssystem leisten muss. Im geschlossenen Kreislauf findet bilanziert, vom Thermosyphon-Effekt (s. a. Thermosiphon-Konvektionsbremse) abgesehen, keine Hubarbeit statt.
Geschichte
Vor der Verfügbarkeit von elektrischer Energie funktionierten Warmwasserheizungen nach dem Schwerkraftprinzip. Noch bis in die 1960er und in der DDR bis Mitte der 1980er Jahre wurden auch Neubauten damit ausgerüstet. Der westfälische Ingenieur Wilhelm Opländer (Wilo) entwickelte jedoch bereits im Jahr 1928 den weltweit ersten „Umlaufbeschleuniger“ für Heizungskreisläufe und damit den Vorläufer der heutigen Umwälzpumpe.[1]
Mit dem Einsatz von Umwälzpumpen können komplexere Heizkreise mit dünneren Rohren realisiert und die Heizenergie durch bedarfsabhängige Steuerungen effizienter genutzt werden. Heizungsbauer bezeichnen sie gerne als Schwerkraftbeschleuniger. Sie fördern relativ große Wassermengen und bauen dabei nur geringe Pumpendrücke auf, die letztlich vom Rohrströmungswiderstand abhängig sind.
Leistungsanpassung der Heizungs-Umwälzpumpe
Um Stromverbrauch und Verschleiß der Umwälzpumpe zu reduzieren, ist es sinnvoll, sie mit der kleinsten Leistung zu betreiben, die ausreicht, um alle Heizkörper gleichmäßig zu versorgen. Liefert der Heizkessel keine Wärmeenergie, sollte die Pumpe vollständig abgeschaltet werden.
Ungeregelte Umwälzpumpen
Bis zur Entwicklung von kostengünstigen Hocheffizienzpumpen gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurden ungeregelte Umwälzpumpen eingesetzt, deren Leistung und Drehzahl entweder gar nicht oder manuell in wenigen vorgegebenen Stufen eingestellt werden konnte.
Wenn die Summe der Druckverluste (Strömungswiderstände) in einem Heizkreislauf bekannt waren, konnte anhand der Pumpenkennlinie der sich einstellende Volumenstrom und der von der Pumpe aufgebaute Druck ermittelt werden.
Wenn vom Nutzer die Hälfte der Thermostatventile im Heizkreis abgestellt wurden, so sollte sich idealerweise auch der Volumenstrom halbieren, während der Pumpendruck gleich bleiben sollte. Demgegenüber erhöht sich der von einer ungeregelten Pumpe erzeugte Druck, wenn sich der Volumenstrom verringert. Die Pumpe arbeitet sozusagen "gegen den erhöhten Strömungswiderstand an", der durch das Schließen der Thermostatventile verursacht wird.
Durch die unerwünschte Druckerhöhung ergibt sich ein beträchtlicher Energieverlust. Da die Pumpe versucht, mehr Flüssigkeit durch den gedrosselten Heizkreislauf zu drücken, als nötig, können zudem Strömungsgeräusche entstehen.
Differenzdruckregelung
Hier wird Drehzahl und Leistung automatisch dem Bedarf an umgewälztem Wasser angepasst. Dazu wird die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite ermittelt und die Motordrehzahl und damit die Leistung so gesteuert, dass der Differenzdruck weitestgehend konstant bleibt. Der Differenzdruck ist anlagenspezifisch und entsteht durch Reibung des umgewälzten Wasserstromes an den Rohrwandungen und durch Richtungswechsel an jedem Bogen.
Der notwendige Differenzdruck wird häufig bei elektronisch geregelten Pumpen als Förderhöhe in der seit den späten 1970er Jahren nicht mehr gesetzlich konformen Einheit Meter Wassersäule (mWS) angegeben. 10,2 mWS entsprechen 1 bar. Damit ist in geschlossenen Systemen nicht die Anlagenhöhe gemeint, sondern es ist lediglich ein Maß für die Überwindung des Strömungswiderstandes der Gesamtanlage bei gegebener Durchflussmenge.
Volumenstromabhängige Differenzdruckregelung
Hier wird der Sollwert des Differenzdruckes in Abhängigkeit vom Volumenstrom verändert. Diese Regelung berücksichtigt, dass in der Heizungsanlage je nach Bedarf (Abnahme an Wärmeenergie) eine unterschiedliche Menge an warmem Wasser erforderlich wird, um die erforderliche Wärmeleistung in den Hausanschlussstationen bereitzustellen. Sie lohnt sich bei Umwälzpumpen, die größere Heiznetze versorgen und daher einen hohen Energiebedarf (ab 5 Kilowatt elektrisch) aufweisen. Dort spielen die Reibungsverluste des Wassers durch die Umwälzung im Rohrleitungssystem eine größere Rolle.
Energiesparende Umwälzpumpen
Besonders energiesparende Umwälzpumpen (Hocheffizienzpumpen) mit einer selbsttätigen elektronischen Regelung bis herunter zu 5 Watt sind in der Anschaffung zwar teurer als konventionelle Umwälzpumpen mit 40–100 Watt konstanter Leistungsaufnahme, was sich durch geringeren Stromverbrauch amortisieren kann. Zwischen 2005 und 2012 gab es für Umwälzpumpen ein Energielabel. Seit 2013 macht die aufgrund der Ökodesign-Richtlinie ergangene VO (EU) 642/2009 verbindliche Vorgaben über den Energieeffizienz-Index von Umwälzpumpen. Entsprechende Modelle sind mit dem Kürzel „ErP ready“ gekennzeichnet.[2]
Da viele Pumpen während der Heizperiode in der Regel permanent mit konstant hoher Leistungsaufnahme in Betrieb sind, sind sie neben veralteten, schlecht isolierten Kühlgeräten die Hauptverursacher eines erhöhten Stromverbrauchs im Haushalt. Eine Heizungspumpe kann bis zu 20 Jahren in Betrieb bleiben. Bei einer Betriebsdauer von rund 7 Monaten jährlich (210 Tage = 5040 Stunden) benötigt eine alte Umwälzpumpe mit 85 bis 130 Watt Leistungsaufnahme 428–655 kWh an elektrischer Energie – eine geregelte Hocheffizienzpumpe (7–25 Watt Leistung) dagegen nur 35–126 kWh.[3] Wenn pro Heizperiode 400 kWh nicht verbraucht werden, spart eine Hocheffizienzpumpe bei einem Strompreis von 27 ct/kWh jährlich 108 Euro Energiekosten. Das sind 1.620 Euro bei einer angenommenen Betriebsdauer von 15 Jahren – Verzinsung und Strompreissteigerungen nicht berücksichtigt.
Eine neue hocheffiziente Umwälzpumpe kostet mit Einbau etwa 400 bis 500 Euro. Bei einer Einsparung von 100 Euro Energiekosten pro Jahr amortisiert sich eine neue Pumpe daher nach 4 bis 5 Jahren. Das BAFA fördert seit August 2016 die Heizungsoptimierung mit Zuschüssen. Der Ersatz von Heizungspumpen und Warmwasser-Zirkulationspumpen durch hocheffiziente Pumpen wird dabei mit 30 Prozent der Nettoinvestitionskosten gefördert.[4]
Solar-Umwälzpumpe
In einer thermischen Solaranlage wird ein Wärmeträgermedium mittels einer Umwälzpumpe bei ausreichender Sonneneinstrahlung in die Sonnenkollektoren gepumpt, um die Wärmeenergie dann in einem Pufferspeicher zwischenzuspeichern bzw. zur Brauchwassererwärmung oder Heizung zu nutzen. Für diese Anlagen sind spezielle hitzeresistente Solar-Umwälzpumpen erforderlich, da die Sonnenkollektoren das Wärmeträgermedium im Extremfall auf über 200 °C erhitzen können.
Rechtliche Vorschriften
Am 1. Januar 2013 trat die Europäische Ökodesign-Richtlinie (ErP) mit strengen Effizienzvorgaben für Pumpen in Kraft und wird in den Jahren 2015 und 2020 in zwei Stufen nochmals verschärft. Ungeregelte Umwälzpumpen in Nassläuferbauweise und ältere elektronisch geregelte Pumpen dürfen demnach nicht mehr angeboten werden.[5]
Siehe auch
Weblinks
- Heizungspumpen-Test der Stiftung Warentest In: test.de und „test“ Heft 9/2007
- Stiftung Warentest: Heizungspumpen im Test: Jährlich 50 Euro sparen mit neuer Umwälzpumpe, 17. Mai 2018
- Umwälzpumpe erklärt auf YouTube, abgerufen am 7. Oktober 2018.
Einzelnachweise
- Umwälzpumpen: Vom Energieverschwender zum vorbildlichen Stromsparer.
- co2online: „ErP ready“-Heizungspumpen
- Berechnung mit 6000 Stunden auf sparpumpe.de - Vergleich einer alten Pumpe mit einer Hocheffizienzpumpe (Stiftung Warentest)
- BAFA-Liste: Liste der förderfähigen Wärmepumpen mit Prüfnachweis
- Fachinformationszentrum (FIZ) Karlsruhe, BINE Informationsdienst: Hocheffiziente Pumpentechnik wird Pflicht vom 5. Oktober 2012