Manueller hydraulischer Abgleich ist unnötig

Mit dem „Dezentralen Pumpensystem“, das Wilo auf der ISH 2009 präsentieren wird, leistet das Unternehmen Pionierarbeit: An die Stelle einer „Angebotsheizung“ mit zentraler Heizungspumpe und Drosselregelung tritt eine „Bedarfsheizung“, bei der jede Heizfläche indi­viduell durch eine Miniaturpumpe die be­nö­tigte Heizwassermenge erhält. Schlecht versorgte Heizkörper in hydraulisch nicht ­optimalen Heizsystemen gehören damit der Vergangenheit an. Vor allem wurde erstmals ein Konzept entwickelt, durch das sich die Energieeffizienz des gesamten Heizungssystems gegenüber dem konventionellen Systemaufbau deutlich verbessern lässt – nicht nur beim Stromverbrauch der Pumpen, sondern insbesondere auch beim Heizenergieaufwand.

Pumpen laufen nur, wenn Wärme benötigt wird

Das Dezentrale Pumpensystem wurde primär für konventionelle Zentralheizungen entwickelt. Genauer gesagt für Zweirohrsysteme mit Flächen- oder Radiatorenheizungen mit Auslegungsmassenströmen bis ca. 100 l/h pro Heizkreis in Verbindung mit den heute üblichen Wärmeerzeugern. Einsatzbereiche sind Neubauten sowie die Nachrüstung von Altbauten. Das System kann sowohl in Ein- und Mehrfamilienhäusern als auch in Nutz­immobilien wie Bürogebäuden eingebaut werden. Die Systemgruppe Pumpe besteht dabei aus den drei Kernkomponenten:

1. Pumpe (ein Modell für alle Einsatzfälle)

2. Pumpenadapter (je nach Bedarf in folgenden Ausführungen: Durchgang, Hahnblock Durchgang, Hahnblock Eck)

3. Pumpenelektronik

Im Mittelpunkt des Konzeptes steht eine neue Generation sehr kleiner Pumpen, mit der von den Hocheffizienzpumpen bekannten stromsparenden EC-Motorentechnologie. Die Miniaturpumpen laufen nur, wenn im entsprechenden Raum Wärme benötigt wird. Sie sind zudem so leise sind, dass sie auch in Schlafräumen betrieben werden können. Alle Schallschutzanforderungen werden dabei erfüllt. Der Geräuschpegel liegt deutlich unter dem in der strengsten Stufe III der VDI-Richtlinie 4100 („Schallschutz von Wohnungen“) festgelegten Grenzwert von 25dB(A). Durch die Vermeidung von Störgeräuschen, die beim Betrieb falsch eingestellter Heizungsanlagen mit zentraler Pumpe entstehen können, sind Heizungssysteme mit dem Dezentralem Pumpensystem sogar besonders leise.

„Zentrale Intelligenz“ übernimmt Steuerungs- und Regelaufgaben

Entscheidender Bestandteil ist – neben den Miniaturpumpen und ihrer Pumpenelektronik – ein zentraler Server mit Schnittstelle zum Wärmeerzeuger. Als „zentrale Intelligenz“ übernimmt der Server alle Steuerungs- und Regelaufgaben im Gesamtsystem. Er kann mit bis zu 252 Systemelementen – Bediengeräte und Pumpenelektroniken – kommunizieren. Geht man pro Raum von je einem Heizkörper und einem Bediengerät aus, können mit einem einzigen Zentralgerät rein rechnerisch 126 Räume angesteuert werden.

Optional sind fest verdrahtete, batteriefreie Raum- und Zentralbediengeräte verfügbar. Die Verlegung der Anschlussleitungen kann dabei in der Bau- oder Sanierungsphase ohne großen Mehraufwand erfolgen. Das System ist zudem offen zur Einbindung in Gebäudeautomationssysteme.

Server und Pumpen kommunizieren über einen Wilo-CAN-Bus. Der Server sammelt Soll- und Istwertdaten aus den Raumbe­diengeräten, gibt eine Vorlaufsolltemperatur an den Wärmeerzeuger vor, verwaltet Zeitprofile und die Regelung der Raumtemperaturen und übernimmt die Ansteuerung der Pumpen über die Pumpenelektroniken. Über die Raumbediengeräte können die Raumsolltemperaturen vorgegeben sowie Zeitprofile eingestellt werden. Pumpenelektroniken steuern die EC-Motoren der Pumpen an und sorgen auf Basis der vom Server gesendeten Befehle für die variable Drehzahlregelung.

Bei mechanischen Störungen oder bei Ausfall der Spannungsversorgung (z.B. Beschädigung eines Kabels durch äußere Einflüsse) können die anderen Pumpen im System weiterlaufen. Bei Ausfall des Bussystems laufen alle Pumpen auf einer definierten Notdrehzahl, das Gebäude wird somit weiter komplett beheizt.

Energieeinsparungen von etwa 20% in Feldtests

Das Server reguliert nicht nur – über die Pumpenelektroniken – Laufzeiten und Drehzahlen der einzelnen Pumpen, sondern stimmt über die Schnittstelle zum Wärmeerzeuger auch die Vorlauftemperatur auf den Wärmebedarf der Räume ab. Im Gegensatz zur witterungsgeführten Regelung berücksichtigt das System auch, dass aufgrund von solaren Gewinnen und inneren Lasten mitunter eine niedrigere Vorlauftemperatur zur Deckung der Heizlast ausreichend ist. Die Pumpen selbst werden so geregelt, dass die Raumtemperaturvorgaben präzise erreicht und gehalten werden.

Bei gemischten Kreisen (Heizkörper, Flächenheizung) ist ebenfalls eine optimale Abstimmung auf die individuellen Raumtemperaturvorgaben möglich, indem der Server die Mischer separat ansteuert bzw. den Primärmassenstrom drosselt.

Bei der Warmwasserbereitung gibt es keine Änderung: Die Regelung wird hier wie bisher vom Wärmeerzeuger übernommen.

Das Dezentrale Pumpensystem ermöglicht eine besonders bedarfsgerechte und damit energieeffiziente Versorgung der Heizkörper. Hinzu kommt, dass der Drosselverlust bei der Wärmeübertragung entfällt. Insgesamt wurden für die Heizenergie in von der TU Dresden begleiteten Feldtests Einsparungen von etwa 20 % gemessen. Dieses Ergebnis wurde durch umfangreiche Simulationsrechnungen der Wissenschaftler bestätigt. Die relativen Einsparungen im Niedrigenergiehaus liegen etwas höher. Im Altbau ist die absolute Einsparung aufgrund des höheren Verbrauchs jedoch größer.

Vor diesem Hintergrund rechnen sich die Mehrkosten für das energieeffiziente und komfortable System – je nach Objekt und Ausstattung – innerhalb von rund fünf bis zehn Jahren; in einigen Fällen sogar schneller.

Es wird stets ein hydraulisch ideales System realisiert

Hydraulische Mängel in Heizungsanlagen führen heute insbesondere in mehrstöckigen Gebäuden zu ungleichmäßiger Wärmeverteilung und damit zu überhöhtem Energieverbrauch. In der Praxis wird häufig versucht, ­dies durch überdimensionierte Pumpen oder durch die Anhebung der Vorlauftemperatur zu kompensieren. Aus Sicht des SHK-Fachhandwerks besteht der entscheidende Vorteil des Dezentralen Pumpensystems darin, dass der manuelle hydraulische Abgleich entfällt. Die Pumpen werden durch den zentralen Server, auf dem sämtliche Betriebsdaten der Anlage konzentriert sind, systemübergreifend koordiniert und untereinander abgeglichen. Der hydraulische Abgleich nach VOB Teil C erfolgt also mittels der Projektierungssoftware des Systems. Durch die Begrenzung der Solldrehzahl jeder einzelnen Pumpe auf einen extern ermittelten Vorgabewert werden Volumenströme und Förderhöhen so aufeinander abgestimmt, dass stets ein hydraulisch ideales System realisiert wird. Dementsprechend wird jede Heizfläche präzise mit der benötigten Wassermenge versorgt, Energieverluste durch hydraulische Mängel können wirksam verhindert werden.

Hohe Regelgüte und schnelle Aufheizung

Mit dem Dezentralen Pumpensystem wird im Zusammenspiel zwischen Raumbediengerät und Server eine hohe Regelgüte, d.h. relativ kurze Ausregelzeiten, sowie eine hohe Regelstabilität und -genauigkeit erreicht. Die Minimierung von Regelabweichungen der Raumtemperatur erhöht den Wohnkomfort erheblich. Demgegenüber neigen herkömmliche Systeme mit Thermostatventilen bei großen Heizleistungsreserven – etwa durch hohe Wärmegewinne, eine hohe Vorlauftemperatur oder durch große Heizflächen – zu einem instabilen Regelverhalten, verbunden mit großen Temperaturschwankungen. In der Praxis verstärken oft Nutzereingriffe diese Tendenz noch zusätzlich.

Indem direkt auf die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers Einfluss genommen werden kann, erreicht das Dezentrale Pumpensystem zudem die gewünschte Raumtemperatur schneller als das klassische witterungsgeführte System. Dies wird durch eine kurzfristige Anhebung der Vorlauftemperatur – bei Bedarf auch über die Heizkurve hinaus – erreicht. Eine raumweise Schnellaufheizung ist so ebenfalls möglich.

Präzisere und konstantere Nachtabsenkung

Auch die energiesparende automatische Absenkung auf eine definierte Raumtemperatur – z.B. nachts – lässt sich mit dem Dezentralen Pumpensystem viel präziser erreichen und konstanter halten als mit Thermostatventilen. Denn hier erfolgt eine verzögerungsfreie, direkte Reduzierung der Wärmeabgabe in den Raum, während dies beim konventionellen Heizsystem nur indirekt durch Absenkung der Vorlauftemperatur möglich ist. Dann erfolgt jedoch ein automatisches Öffnen der Thermostatventile, d.h. die niedrigere Vorlauftemperatur wird durch ein Ansteigen der Heizkörpermasseströme zum Teil wieder kompensiert. Beim Dezentralen Pumpensystem wird dagegen – bei entsprechenden baulichen Verhältnissen und Absenkzeiten – bis auf die gewünschte Raumtemperatur abgesenkt. Die­se wird dann bis zum Ende der Absenkzeit gehalten. Eine Ansteuerung durch den Server ermöglicht das Abschalten des Wärmeerzeugers, so lange die Räume auskühlen.

Mehr Komfort durch die integrierte Aufheizoptimierung

Ein weiteres interessantes Komfortmerkmal, durch das sich zudem die Energieeffizienz weiter verbessern lässt, ist die Möglichkeit Zeitprofile zu programmieren. Die gewünschten Temperaturen können also raumweise vorgegeben werden. Dazu kann der Benutzer über die Raumbediengeräte verschiedene Einstellungen vornehmen – wie z.B. Datum, Uhrzeit und persönliche Zeitprofile mit individuellen Aufheiz- und Absenkzeiten – sowie die gewünschten Raumtemperaturen zuordnen. Hierdurch lässt sich nicht nur beispielsweise die berufsbedingte Abwesenheit an Wochentagen berücksichtigen, sondern auch die unterschiedlichen Raumnutzungen im ­Tagesverlauf.

Indem die auf den Zeitprofilen basierende Steuerung der einzelnen Pumpen zentral erfolgt, sorgt der Server auch bei im Tagesverlauf unterschiedlichen Temperaturverteilungen im Gebäude stets für maximale Energieeffizienz. An dieser Stelle zeigt sich ein entscheidender Unterschied zu konventionellen Systemen z.B. mit zeitgesteuerten Thermostaten. Bei diesen gibt der Nutzer den Zeitpunkt für den Kesselstart vor und muss dabei eine Zeitreserve für die Aufheizung einrechnen. Beim Dezentralen Pumpensystem wird lediglich die Nutzungszeit programmiert. Eine Aufheizoptimierung sorgt dann automatisch dafür, dass die definierte Raumtemperatur zum richtigen Zeitpunkt erreicht wird. Der Server kennt in seiner Eigenschaft als Zentralrechner den nächsten Sollwertsprung aufgrund des hinterlegten Zeitprofils und ermittelt aus aktuellen Rahmenbedingungen, wie Außentemperatur und Sprunghöhe, den optimalen Aufheizzeitpunkt.

Was ändert sich bei Projektierung und hydraulischer Planung?

Für die Programmierung und Einregulierung durch den SHK-Fachhandwerksbetrieb stellt Wilo eine Projektierungssoftware zur Verfügung. Hierbei wird eine Objektbeschreibung – z.B. Gebäudedaten und Zahl der beheizten Räume – hinterlegt und eine Zuordnung der gewünschten Komponenten des Dezentralen Pumpensystems vorgenommen. Anschließend werden die grundlegenden System­parameter errechnet und eine Konfigura­tionsdatei für den Server erstellt. Mit Hilfe dieser Konfigurationsdatei kann die Anlage später in Betrieb genommen werden. Die Dateneingabe ist von der eigentlichen Montage der Anlage unabhängig. Daher kann die Projektierung bereits in der Planungsphase vorgenommen werden, also bevor das das Heizungssystem installiert und in Betrieb genommen ist.

Die eigentliche hydraulische Planung ist vergleichbar mit dem klassischen System und ändert sich nur im letzten Auslegungsschritt. Für die Einbindung der Pumpen in das hydraulische System gibt es, je nach Gebäudegröße und Art der Wärmeerzeugung, unterschiedliche Hydraulikvarianten. In kleineren Installationen mit nur einem Heizkreis und einem Wandgerät muss der Wärmeerzeuger aufgrund seiner hohen internen Druckverluste durch eine hydraulische Weiche von der Wärmeübergabe entkoppelt werden. Das gleiche gilt für Großanlagen mit Zubringerpumpe. Dieser Schritt kann bei bodenstehenden Wärmeerzeugern mit geringen internen Druckverlusten entfallen.

Die Förderhöhe der Pumpen ist kleiner als bei zentralen Pumpen. Speziell bei Fußbodenheizkreisen muss daher auf eine korrekte Dimensionierung geachtet werden. Über die 0–10-Volt-Schnittstelle, die heute schon bei vielen Wärmeerzeugern verfügbar ist, kann die bedarfsgeführte Vorlauftemperatur realisiert werden. Es ist auch problemlos möglich, zwei Heizkreise mit unterschiedlichen Vor­lauftemperaturen einzubinden.

Pumpenaustausch auch im ­laufenden Heizbetrieb möglich

Die Miniaturpumpen wurden für einen langjährigen Betrieb sehr robust konstruiert und sind für Heizungsanlagen mit einer Füllwasserqualität nach VDI 2035 ausgelegt. Für eine besonders hohe Lebensdauer spricht die Tatsache, dass die jährliche Betriebsdauer der Pumpen deutlich niedriger ist als bei zentralen Pumpen. Denn die Laufzeit richtet sich ausschließlich nach der Bedarfssituation des einzelnen Raumes; eine Mindestlaufzeit ist übrigens nicht einzuhalten.

Für den Anschluss an Kompaktheizkörper werden fertig vormontierte Hahnblöcke angeboten. Dort ist die Pumpe im Rücklauf montiert.

Für Heizkörper mit seitlichem Anschluss gibt es den „Pumpenadapter Durchgang“, der im Rücklauf positioniert wird.

Der Austausch der Pumpen ist ohne eine Entleerung der Anlage möglich. Entsprechende Absperrvorrichtungen sind im Pumpenadapter bzw. Hahnblock integriert. Die Miniaturpumpen werden bei der Installation des Systems im Handumdrehen mit Hilfe eines Serviceadapters aufgeschraubt. Diese Technik erlaubt bei Bedarf einen schnellen Pumpenaustausch sogar im laufenden Betrieb der Heizungsanlage.

Der Nutzer kann die Zeitprofile selbst verändern

Die Einstellung von Zeitprofilen für An- und Abwesenheit erfolgt durch den Nutzer über das jeweilige Raumbediengerät. Das System weist durch die Werkseinstellung bei Inbetriebnahme bereits geeignete Grundeinstellungen auf. Der Nutzer kann bei Bedarf mit sehr geringem Aufwand eine Anpassung vornehmen. Dazu wurde ein intuitives, leicht erlernbares Bedienkonzept entwickelt und die Bedienerfreundlichkeit ebenfalls in Feldtests auf den Prüfstand gestellt. Symbole erleichtern die Eingabe unterschiedlicher Zeit- und Temperaturprofile. Die Änderung eines Zeitprofils ist rasch möglich. Die Wunschtemperatur wird exakt, schnell und mit einer hohen Regelgüte erreicht.

Durch eine Vernetzung der verschiedenen Wärmeverbraucher über das Dezentrale Pumpensystem wird die Betriebsüberwachung der einzelnen Räume vereinfacht, da der Server alle verfügbaren Informationen des Systems sammelt und auswertet. Zudem besteht die Möglichkeit, sich per Fernzugriff am System anzumelden und so von außen – z.B. über das Internet – eine Systemdiagnose durchzuführen.

Das Dezentrale Pumpensystem steht in den Startlöchern, sich seinen Platz im Markt als Alternative zum konventionellen Systemaufbau zu erkämpfen. Die erheblichen Vorteile bei Anlagenhydraulik und Komfort sowie die hohen Energiesparpotenziale sprechen dafür, dass Wilo hiermit einen weiteren bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung der Pumpentechnologie setzt.

Ergänzend zum Fachbeitrag befragte SBZ-Redakteur Jürgen Wendnagel den Wilo-Vorstandssprecher Dr. Thomas Schweisfurth zu einigen Aspekten rund um die Markteinführung des Dezentralen Pumpensystems.

SBZ: Welche Vision verfolgt Ihr Unternehmen mit dem neuen Dezentralen Pumpensystem?

Schweisfurth: Mit dem Dezentralen Pumpensystem tragen wir erstmals PumpenIntelligenz auch in den Wohnbereich hinein. Damit wird Wilo-Technologie, die ja in den anderen Bereichen meist im Verborgenen arbeitet, für den Nutzer erstmals unmittelbar erlebbar. Das Besondere des Systems ist dabei für ihn gar nicht so sehr die Pumpe selbst, obwohl sie jetzt direkt am Heizkörper sitzt. Entscheidender ist vielmehr, dass das Heizungssystem mit unserem neuen „Server“ eine zentrale Intelligenz erhält, die Wärmeerzeugung und Hydraulik bedarfsgerecht und flexibel steuert. Damit kann das Dezentrale Pumpensystem völlig neue Maßstäbe bei Komfort und Energieeffizienz setzen.

SBZ: Wo lagen rückblickend die besonderen Herausforderungen bei der Entwicklung des Systems?

Schweisfurth: Mit dem Dezentralen Pumpensystem wird Wilo – und das ist ein ganz wesentlicher Schritt – vom Komponenten- zum Systemanbieter im Heizungsbereich. Hierfür waren diverse und in einigen Bereichen auch neue Schnittstellen zum übrigen System zu definieren und abzustimmen. Darüber hinaus galt es, eine völlig neu­artige zentrale Steuerung mit intelligenter Regelung und besonderen Softwareanforderungen zu entwickeln.

SBZ: Und die Pumpe selbst?

Schweisfurth: Ein weiterer ganz wichtiger Technologiesprung, so muss man es in diesem Fall bezeichnen, ist die Entwicklung sehr kleiner, aber dennoch leistungsfähiger und vor allem auch zuverlässiger Miniaturpumpen, die nicht größer als ein herkömmliches Thermostatventil sind.

SBZ: Heizkörper werden zunehmend unter Designaspekten vermarktet. Welche De­sign­strategie verfolgen Sie beim Dezentralen Pumpensystem?

Schweisfurth: Wilo hat sich schon früh mit dem Thema Design aller im Wohnbereich sichtbaren Komponenten auseinander gesetzt. So haben wir zur Gestaltung der Raumbediengeräte sowie der Abdeckungen von Hahnblöcken und Netzwerkdosen mit einer namhaften Designagentur zusammen gearbeitet. Neben der Technik wird auch die Optik unseres neuen Systems ein Schwerpunkt auf der ISH 2009 in Frankfurt sein.

SBZ: Welche Aktivitäten planen Sie zur Markteinführung?

Schweisfurth: Das System werden wir zur ISH 2009 vorstellen. Die Markteinführung selbst wird durch ein umfassendes Marketingkonzept flankiert, das alle wichtigen Zielgruppen und Marktpartner ansprechen wird. So wollen wir das System möglichst schnell flächendeckend bekannt machen. Das SHK-Fachhandwerk werden wir wie gewohnt bedarfsgerecht bei der Vermarktung und Verarbeitung unterstützen.

SBZ: Sind in diesem Zusammenhang auch spezielle Schulungsprogramme für das SHK-Fachhandwerk geplant?

Schweisfurth: Die enge Kooperation mit der SHK-Branche hat auch beim Dezentralen Pumpensystem oberste Priorität. Ergänzend zur Einführung des neuen Systems wollen wir natürlich alle erdenklichen Hilfestellungen für die Praxis geben. Die Vorbereitungen, um Planer und Installateure gezielt zu schulen, laufen daher bereits auf Hochtouren. Parallel zum Marktstart wird unser Schulungskonzept stehen.

SBZ: Herr Dr. Schweisfurth, vielen Dank für das Gespräch.

Unser Autor Dr. Thorsten Kettner ist Manager Systems im Research and Technology Center bei Wilo SE, 44263 Dortmund, Telefon (02 31) 41 02-0, Telefax (02 31) 41 02-755, E-Mail: wilo@wilo.com, https://wilo.com/de/de/