Pumpendrehzahl und Vorlauftemperatur

Mit weniger Aufwand zu mehr Effizienz am Pufferspeicher

Einige regenerative Wärmeerzeuger, wie Holz- bzw. Pelletskessel oder BHKW, dürfen nur mit einer festen Rücklauftemperatur betrieben werden. Dazu wird eine Rücklaufanhebung (RLA) eingesetzt, die Teile des Wärmeerzeugervorlaufes in seinen Rücklauf einspeist. Sehr häufig wird dabei die Pumpendrehzahl unnötig hoch gewählt, was die Effizienz der Pufferspeicherbeladung vermindert.

Vorlauftemperatur entscheidend

Welche Wärmemenge schlussendlich vom Pufferspeicher aufgenommen werden kann, hängt nicht zuletzt von der Vorlauftemperatur ab: Wird bspw. ein 1 m³ Pufferspeicher von 30°C auf 75°C aufgeheizt, so kann er bis zu 52,5 kWh aufnehmen; bei 90°C Vorlauftemperatur wären es 70 kWh – ein sattes Plus von 33%! Ein Kessel mit 35 kW hätte also bei 90°C Vorlauftemperatur eine maximale Laufzeit von 2 h, bei 75°C jedoch nur von 1,5 h.

Wärmemenge = 7/6 × Puffervolumen × Delta-T
Wärmemenge = 7/6 × 1 m³ × (75-30)K = 52,5 kWh
Wärmemenge = 7/6 × 1 m³ × (90-30)K = 70,0 kWh

Volumenstrom entscheidend

Wie nun kann die Vorlauftemperatur eines Wärmeerzeugers mit RLA angehoben werden? Ganz einfach durch Verkleinerung des Volumenstromes! Wird ein Wärmeerzeuger mit 35 kW Leistung von 1 m³/h durchströmt, so liegt seine Vorlauftemperatur 30 K über der Rücklauf­temperatur; bei 2 m³/h sind es nur 15 K. Beträgt die festgelegte Rücklauftemperatur 60°C, so ergibt sich bei einem Volumenstrom von 2 m³/h eine Vorlauftemperatur von 75°C, bei 1 m³/h eine von 90°C. Darüber hinaus spart die Halbierung des Volumenstromes 7/8 oder 87,5% der elektrisch aufgewandten Pumpenleistung ein.

Delta-T = 6/7 × Leistung : Volumenstrom
Delta-T = 6/7 × 35 kW : 1 m³/h = 30 K
Delta-T = 6/7 × 35 kW : 2 m³/h = 15 K

Am Ende bringt’s die Schichtung

Doch damit nicht genug: Damit der Puffer die gesamte Wärmemenge aufnehmen kann, darf das in ihm enthaltene 30°C kalte Wasser nicht mit heißem Wasser aus dem Wärmeerzeuger vermischt werden. Denn die Beladung kann nur solange durchgeführt werden, bis der Puffer unten 60°C erreicht hat. Danach kann die Rücklauftemperatur nicht mehr auf 60°C geregelt werden; der Wärmeerzeuger muss abgeschaltet werden. Verantwortlich für die Vermischung von heißem und kaltem Wasser im Pufferspeicher ist der Volumenstrom durch den Pufferspeicher: Je größer er ist, desto stärker ist die Verwirbelung und Vermischung von heißem und kaltem Wasser. Es lohnt sich also ein Blick auf die Volumenströme.

Abbildung 1a

Bild 1a zeigt einen weniger als halbvollen Pufferspeicher, der von einem Kessel mit 35 kW Wärme beladen wird. Aus dem unteren Pufferanschluss kommt das Wasser mit einer Temperatur von 30°C. Die Rücklaufanhebung (RLA), die die Kesselrücklauftemperatur auf 60°C hält, wird durch die Pumpe mit einem Volumenstrom von 1 m³/h durchströmt. Das Delta-T begrägt also 30 K und die Vorlauftemperatur 90°C. Die RLA mischt also Wasser mit 30°C und 90°C zu gleichen Teilen von je 0,5 m³/h in den Rücklauf. Folglich beträgt auch der Wasserdurchsatz durch den Pufferspeicher 0,5 m³/h.

Abbildung 1b

In Bild 1b wurde dem gegenüber die Pumpe der RLA auf den doppelten Volumenstrom von 2 m³/h eingestellt. Somit beträgt das Delta-T am Wärmeerzeuger 15 K und die Vorlauftemperatur 75°C. Jetzt müssen zwei Teile 75°C (1,33 m³/h) mit einem Teil 30°C (0,67 m³/h) vermischt werden, um die gewünschten 60°C im Rücklauf zu erhalten. Der Wasserdurchsatz durch den Pufferspeicher beträgt jetzt also 0,67 m³/h, ebenfalls ein Plus von 33%. Nur ist dieses Plus ein dickes Minus für die Schichtung! Denn 33% mehr Wasserdurchsatz bedeutet aber auch 33% mehr Fließgeschwindigkeit, was 78% mehr kinetische Energie zu Folge hat, denn: Wer 33% schneller fährt, hat einen um 78% längeren Bremsweg.

Abbildung 2a

Bild 2a zeigt den mehr als halbvollen Pufferspeicher. Die Rücklaufanhebung (RLA) hält die Kesselrücklauftemperatur auf 60°C; sie wird durch die Pumpe mit einem Volumenstrom von 1 m³/h durchströmt. Das Delta-T begrägt also nach wie vor 30 K und die Vorlauftemperatur 90°C. Der 35 kW Kessel entnimmt dem unteren Pufferanschluss jetzt das Wasser mit einer Temperatur von 45°C. Die RLA mischt also jetzt zwei Teile Wasser von 45°C (0,67 m³/h) mit einem Teil von 90°C (0,33 m³/h) in den Rücklauf. Folglich beträgt der Wasserdurchsatz des Pufferspeichers jetzt 0,67 m³/h.

Abbildung 2b

In Bild 2b wurde wiederum die Pumpe der RLA auf den doppelten Volumenstrom von 2 m³/h eingestellt. Somit beträgt das Delta-T 15 K und die Vorlauftemperatur 75°C. Jetzt müssen 75°C mit 45°C zu gleichen Teilen (je 1,0 m³/h) vermischt werden, um die gewünschten 60°C im Rücklauf zu erhalten. Der Wasserdurchsatz durch den Pufferspeicher beträgt jetzt also 1,0 m³/h, was einem Plus von 50% entspricht. Wer 50% schneller fährt, hat aber einen um 125% längeren Bremsweg.

Alles auf einen Blick

Die Zusammenfassung fällt absolut eindeutig aus:

kleine Drehzahl große Drehzahl
Wärmemenge groß (+) klein (-)
Wärmenutzen hoch (+) niedrig (-)
Stromverbrauch wenig (+) viel (-)

 

Alles spricht für einen möglichst kleinen Volumenstrom durch den Wärmeerzeuger. Da stellt sich die Frage: Wie klein darf der Volumenstrom denn überhaupt werden? Nicht so kein, dass die maximal zulässige Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers überschritten wird! Also so klein wie möglich, aber so groß wie nötig. Das probiert man am besten bei der Inbetriebnahme der Anlage aus, in dem man den Wärmeerzeuger auf maximale Leistung bringt und dann die Pumpendrehzahl so einstellt, dass die höchstmögliche Vorlauftemperatur erreicht wird, die einen störungsfreien Betrieb sicherstellt.

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