Pumpen, Antriebe und Systeme Bedarfsgerecht Planen – Auslegen – Regeln
VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V.Karlsruher Bezirksverein,
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer VereinUnterbezirksverein Karlsruhe
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 2
- Einführung
- Haupteinflußgrößen der Energiekosten bei Pumpen- Förderhöhe- Volumenstrom- ErP Richtline, Kennwerte Pumpen- hydraulischer Wirkungsgrad- Wirkungsgrad von elektrischen Antriebe
- Auslegung von Kreiselpumpen- optimaler Betriebspunkt- Mehrfachbetriebspunktauswahl- Überwachung und Optimierung im Betrieb
PumpMeter und SES
- Bedarfsgerecht Regeln- Grundlagen- Eingriffsmöglichkeiten an Pumpen- Lastabhängige Sollwertverschiebung- DFS Regelung
- Beispiele- Kühlwasser
Energieeffizienz - Planen Regeln AuslegenVDI Karlsruhe
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Mit der Erfindung des „Kesselspeiseautomaten“ legte Johannes Klein vor 140 Jahren den Grundstein für das heute weltweit erfolgreiche Unternehmen KSB.
Herstellung von
� Armaturen seit 1872
� Pumpen seit 1873
Alles begann mit einer Idee
Erfahrung seit 1871
Wir ziehen Bilanz
Die aktuellen Konzernzahlen
4
Geschäftsjahr 2014
Auftragseingang: 2.321,2 Mio. €
Umsatz: 2.181,7 Mio. €
Mitarbeiter: 16.309
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Bedarfsgerecht Planen – Regeln - AuslegenGrundlagen der Drehzahlregelung
- Haupteinflußgrößen der Energiekosten bei Pumpen- Förderhöhe- Volumenstrom- hydraulischer Wirkungsgrad- Wirkungsgrad von elektrischen Antriebe
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Energiebedarf von Kreiselpumpen
n = Lebenszyklus in Jahren
z = Anzahl der Pumpen
KE = Energiepreis
ρ = Dichte des Fördermediums
g = Erdbeschleunigung = f(Qp(t)) !
{ }∫∑ ⋅⋅⋅⋅
⋅⋅==
1
0
t
t MP
PPz
1je dt
(t)H(t)QgC
ηηρ
EKn
t0.. t1 = Beginn und Ende des Betriebszyklus‘ im Jahr
Qp(t) = momentaner Förderstrom der Einzelpumpe
Hp (t) = momentane Förderhöhe der Einzelpumpe
ηp = Wirkungsgrad Pumpe
ηM = Wirkungsgrad Motor
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Hp: Förderhöhe der Pumpe
{ }∫∑ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅=
=
1
0
t
t MP
PPz
1je dt
(t)H(t)QgC
ηηρ
EKn
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Rohrleitung?
H1 H2Q1 Q2
1
V21V H
H1HHH −=−= η
wegen gilt
konstant Q Q fürHH
211
2 ===η
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimierenBeispiel für Nennweite DN 100: Etaline 80-210/1852
Q= 104 m³/hHstat = 8,5m ; Hges = 49m
Rohr und Formteile
Länge[m]
Anzahl Nennweite[DN]
Verluste[m]
Volumenstromm[m³/h]
Rohr 200 100 28 104Absperrarmatur
BOA- SC3 100 6,0 104
Rückschlagklappe
Serie 2000 1 100 2,5 104
SchmutzfängerBOA-S
1 100 3,0 104
RegelventilBOA-SC-CVE 1 125 1,0 104
Summe =40,5
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Etaline Etaline 80-210/1852
Q= 104m³/h; H= 49m
P= 13,1kW
8,5 m
49 m
Rohrleitung Nennweite DN 100
ηηηη = 1-Hv
H1
50 m
40 m
30 m
20 m
10 m
0 25 m³/h 50 m³/h 75 m³/h 100 m³/h
104 m³/h
Q
H
ηηηη = 1- 40,5
49= 17%
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Rohrleitung Nennweite DN 100
Pumpe Brutto zzgl. Mw St 11.300,- €
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimierenBeispiel für Nennweite DN 150: Etaline 125-250/754
Q= 104 m³/hHstat = 8,5m ; Hges = 18,2m
Rohr und Formteile
Länge[m]
Anzahl Nennweite[DN]
Verluste[m]
Volumenstromm[m³/h]
Rohr 200 125/ 150 6,1 104Absperrarmatur
BOA- SC3 125/ 150 1,0 104
Rückschlagklappe
Serie 2000 1 100 0,8 104
SchmutzfängerBOA-S
1 150 0,8 104
RegelventilBOA-SC-CVE 1 125 1,0 104
Summe =9,7
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Etaline 125-250/754
Q= 104m³/h; H= 18,2m
18,2m
8,5m9,7
18,2ηηηη = 1- = 46%
P= 5,5kW
Rohrleitung Nennweite DN 150
50 m³/h Q
104 m³/h
ηηηη = 1- Hv
H1
30 m
H
20 m
10 m
100 m³/h
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Förderhöhe optimieren
Rohrleitung Nennweite DN 150
Pumpe Brutto zzgl. Mw St 8.500,- €
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Armaturen
Rückschlagklappe Serie 2000Verlustbeiwerte ( Zeta-Werte ) im Vergleich zu herkömmlichen Rückschlagarmaturen
Serie 2000 Rückschlagklappe PN16
BOA-RVK Rückschlagventil
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Armaturen
Rückschlagklappe Standard vs. Serie 2000Energieaufwand im Vergleich
Abschätzung des Energieaufwandes der Pumpe für ein Bauteile
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Armaturen
Rückschlagklappe Standard vs. Serie 2000Energieaufwand im Vergleich
Verlusthöhe von Einzelwiderständen
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Armaturen
Rückschlagklappe Standard vs. Serie 2000Energieaufwand an der Pumpe im Vergleich, Beispiel
Serie 2000 Rückschlagklappe PN16 BOA-RVK RückschlagventilGrundlagen:
250kWth, dT=20K
Q = 10,75m³/h
DN65 Rohrleitung
w = 0,77m/s
Stutzen Pumpe DN40 (w=2,2m/s)DN65, ζ = 2,27
Hv zDN65 = 0,0686m
DN65, ζ = 5,82
Hv zDN65 = 0,1759m
Hv zDN40 = 1,384mPelpumpeDN65 = 4W
PelpumpeDN65 = 10,3W
PelpumpeDN40 = 81,07W
Systemkomponenten
19
� Pumpenwirkungsgrad bestimmt durch
− Medium
− Konstruktion von Gehäuse, Laufrad, Lagerung
− Werkstoffe
� Rückschlagklappen und Armaturen, Einzelwiderstände bestimmen
– Höhenverluste
Alle Komponenten müssen betrachtet werden:
Einklemm-Absperrv entil BOA-SuperCompact®
Rückf lussv erhinderer SERIE 2000
Beruhigungsstrecke 5-10x DN
Pumpe Etaline mit KSB SuPremE®-Motor, PumpDriv e und PumpMeter
Absperrklappe BOAX®-S/-SF
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Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 20
Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
{ }∫∑ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅=
=
1
0
t
t MP
PPz
1je dt
(t)H(t)QgC
ηηρ
EKn
: Wirkungsgrade von Pumpe und Motor
Was versteht man unter ErP?
ErP = Energy-related Products
Mit den ErP-Verordnungen sollen bis 2020 die „20/20/20“-Ziele erreicht werden:
20 % weniger Treibhausgase
20 % mehr erneuerbare Energien
20 % mehr Energieeffizienz
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� Einsparpotenzial!
30 % des Energieverbrauchs in der Industrie entfällt auf Pumpen!
ErP-Richtlinie
Glossar
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Kürzel Erklärung
IE x(Motoren)
International Efficiency x – Wirkungsgradklasse, die Aussagen zum Wirkungsgrad von Motoren macht. Je höher x, desto höher der Wirkungsgrad. Zur Zeit sind 4 Wirkungsgradklassen im Gebrauch: IE1 (Standardwirkungsgrad); IE2 (Hoher Wirkungsgrad); IE3 (Premium Wirkungsgrad);IE4 (Super Premium Wirkungsgrad); Angaben zur Einordnung von Motoren in die Wirkungsgradklassen 2 und 3 befinden sich im Anhang I der EG 640/2009
MEI(Wasser-pumpen)
Mindesteffizienzindex, dimensionslose Zahl, die angibt, wie viel Wasserpumpen einen schlechteren Wirkungsgrad haben als die Pumpe, auf die sich der MEI bezieht. MEI=0,4 bedeutet, dass 40 % der am Markt angebotenen Pumpen einen schlechteren Wirkungsgrad haben. Bezugsgröße ist eine europaweite Erhebung aus dem Jahr 2010. Genaue Vorschriften zur Bestimmung des Mindestwirkungsgrades bei einem vorgegebenen MEI befinden sich im Anhang III der EG 547/2012
EEI(HUP)
Energieeffizienzindex, dimensionslose Zahl, die angibt, um wie viel die Leistungsaufnahme einer Heizungsumwälzpumpe unter einer vorgegebenen Referenzleistungsaufnahme liegt. Als Referenzleistungsaufnahme wurde die Grenze zwischen den Klassen D und E des EU-Energielabels gewählt. Ein EEI=0,27 bedeutet, dass diese HUP nur 27 % der Leistungs-Aufnahme einer Pumpe hat, die im Grenzbereich D-E des EU-Energielabels platziert ist. Messverfahren zur Bestimmung des EEI befinden sich im Anhang II der EG 641/2009
Zeittafel ErP-Richtlinien Umsetzung in der EU
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Produkt 16.06.2011 01.01.2013 01.01.2015 01.08.2015 01.0 1.2017 01.01.2020
Wasser-pumpen
- MEI ≥ 0,10 MEI≥ 0,40
Motoren IE2 IE3 oder IE2 mit FU P= 7,5 kW –375kW
IE3 oder IE2 mit FUP= 0,75 kW -375 kW
Heizungs-umwälz-pumpen
- EEI ≤ 0,27 (Ausnahme: HUP in Wärmeerzeu-gern)
EEI ≤ 0,23(Ausnahme:Ersatz-HUP in Wärmeerzeugern
EEI ≤ 0,23
Grobübersicht, Details aus den Verordnungen müssen berücksichtigt werden
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Wasserpumpen MEI nach ErP-Richtlinie Mindesteffizienzindex, dimensionslose Zahl, die angibt, wie viel Wasserpumpen einen schlechteren Wirkungsgrad haben als die Pumpe, auf die sich der MEI bezieht. MEI=0,4 bedeutet, dass 40 % der am Markt angebotenen Pumpen einen schlechteren Wirkungsgrad haben. Bezugsgröße ist eine europaweite Erhebung aus dem Jahr 2010. Genaue Vorschriften zur Bestimmung des Mindestwirkungsgrades bei einem vorgegebenen MEI befinden sich im Anhang III der EG 547/2012. Die höchste Klassifizierung ist 0,7.
Produkt 16.06.11 01.01.13 01.01.15 01.08.15 01.01.17 01.0 1.20
Wasser-pumpen
MEI ≥ 0,10
MEI ≥ 0,40
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Wasserpumpen MEI nach ErP-Richtlinie auf demDatenblatt ausgewiesen.
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Vollständige Kennlinie einer Kreiselpumpe
� Zusammenhang zwischen Förderstrom und Förderhöheund Wirkungsgrad
� Zusammenhang zwischen Förderstrom und notwendigem Vordruck
� Zusammenhang zwischen Förderstrom und notwendigem
Leistungsbedarf
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Leistungsreduktion durch:
� Abdrehen / Ausdrehen des Laufrades
� Bei mehrstufigen Pumpen:Ausbauen von Stufenlaufrädern
Leistungserhöhung durch:
� Anpassen der Laufradschaufeln
� Polieren von Pumpenteilen
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimierenDas Herz jeder Kreiselpumpe
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Exemplarisches Kennfeld einer Kreiselpumpeohne Antriebsmotor
Hydraulischer Wirkungsgradverlauf
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 30
Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Motorwirkungsgradklassen IEx nach ErP-Richtlinie International Efficiency x – Wirkungsgradklasse, die Aussagen zum Wirkungsgrad von Motoren macht. Je höher x, desto höher der Wirkungsgrad. Zur Zeit sind 4 Wirkungsgradklassen im Gebrauch:IE1 (Standardwirkungsgrad); IE2 (Hoher Wirkungsgrad); IE3 (Premium Wirkungsgrad);IE4 (Super Premium Wirkungsgrad); Angaben zur Einordnung von Motoren in die Wirkungsgradklassen 2 und 3 befinden sich im Anhang I der EG 640/2009
Produkt 16.06.11 01.01.13 01.01.15 01.08.15 01.01.17 01.0 1.20
Motoren IE2 IE3 oderIE2 mit FU
P= 7,5 kW –375kW
IE3 oder IE2 mit FU P= 0,75 kW
–375kW
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Der Motorwirkungsgrad ist u.a. abhängigvon:
� Baugröße und Bauart� Güte und Menge der aktiven Materialien� Läuferausführung und Luftspalt� Gesamtkonzeption
In Europa werden IEC-Normmotoren in drei Effizienzklassen eingeteilt.
Neben den Asynchronmotoren kommtneuen Antriebskonzepten zunehmendBedeutung zu.
Hocheffiziente Antriebe
Antriebsarten
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Regelbereich und Wirkungsgrade
Hy draulischer Wirkungsgrad einer Kreislepumpe
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Haupteinflussgrößen der EnergiekostenWirkungsgradkennfeld Asynchronmotor IE2
� Der Wirkungsgrad ist bei voller Drehzahl bis zu einer Belastung von 50% nahezu konstant
� Unter 50% Belastung sinkt er stark ab
� Bei Drehzahlabsenkung entlang des für Pumpen typischen Drehmoment-bedarfs ebenso
Energy Efficiency by KSB
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Haupteinflussgrößen der EnergiekostenWirkungsgradkennfeld Asynchronmotor IE3
� Der Wirkungsgrad ist bei voller Drehzahl bis zu einer Belastung von 50% nahezu konstant
� Unter 50% Belastung sinkt er stark ab
� Bei Drehzahlabsenkung entlang des für Pumpen typischen Drehmoment-bedarfs ebenso
Energy Efficiency by KSB
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Haupteinflussgrößen der EnergiekostenWirkungsgradkennfeld KSB SuPremE-Motor
Energy Efficiency by KSB
� Der Wirkungsgrad ist bei Drehzahlveränderung und verändertem Drehmoment-bedarf deutlich stabiler
� entspricht IE4 gem. IEC/TS 60034-31 Ed. 1, 2010-4
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren Hocheffiziente Antriebe
Auswahl des richtigen Antriebs
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Hocheffiziente Antriebe
KSB SuPremE® -Motor
� Synchron-Reluktanzmotor
� Rotor mit Flusssperrenschnitt
� Magnetfrei
– Materialverfügbarkeit– Ressourcenschonend
� entspricht IE4 gem. IEC/TS 60034-31 Ed. 1, 2010-4
��
�
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 40
Hocheffiziente Antriebe
SuPremE® -Motor
KonstruktionKSB SuPremE-Rotor
Welle PassfederLüfterrad
Beidseitig isoliertesElektroblech mit
Flusssperrenschnittgem. U.S.-Patent
5.818.140
Deckscheibe
BlechpaketDeckscheibe
41Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I
2009 2011 2017
Quelle Zeitstrahl bis 1998: ABB, 2011ab 2000: Ergänzung KSB
• (f) Rotor laminaton REEL SSP-motor acc. to patent Prof. A. Vagati• (f) KSB SuPremE®-M otor (präsentiert auf der ISH 2009, Frankfurt)
vor endgültiger Def. der IE4-Norm (Super Premium Efficiency)• (g) Synchronous motor and drive Package (Hannover messe 2011)• (h) REEL SuPremE®-M otor Studie (Hannover messe 2011)
(g)
(h)
(i)
TechnologieHistorie der Synchron-Reluktanz-Motortechnologie
(f)
42Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 44
KSB SuPremE®
Der Motor
2poliges Läuferblech und das sich daraus ergebende Reluktanzprinzip.
Reluktanz = magnetische Widerstand
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 45
Hocheffiziente Antriebe
KSB SuPremE® -Motor
Synchron-Reluktanzmotor
� Rotor mit Flusssperrenschnitt
� Magnetfrei
– Materialverfügbarkeit– Ressourcenschonend
� entspricht IE4 gem. IEC/TS 60034-31 Ed. 1, 2010-4
� Verwendung unkritischer, langlebiger Materialien
� Ausgereiftes Reluktanz-Prinzip
� Hohe Lebensdauer der Lager durch kühleren Rotor
� Verzicht auf Sensoren reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit
��
�
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 46
KSB SuPremE®
Kompatibel
� Befestigungspunkte entsprechen denen der EN 50347
� Gewährleistet den kompatiblen Einsatz zu IE2/ IE3 -Asynchronmotoren
� Nachrüstung möglich !
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 47
KSB SuPremE®
Der Vorreiter in Energieeffizienz
� Erreicht heute schon die Wirkungsgrad-anforderungen an Elektromotoren gemäß der IE4-Norm (IEC/CD 60034-30 Ed.2)
� Deutliche Wirkungsgradvorteile im Teillastbereich gegenüber geregelten IE3
� Stabiler Wirkungsgradvorteil im gesamten Lastbereich
* Quelle: Dipl.-Ing. M. Wiele, Prof . Prof . h. c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, Hochschule Hannov er, Univ ersity of Applied Sciences and Arts, Fakultät I, Antriebe und Automatisierungstechnik
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Wirkungsweise von KreiselpumpenMotorenanalyse Wirkungsgrade
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 49
Wirkungsweise von KreiselpumpenAntriebstechnik mehrfach ausgezeichnet
Deutscher Energieeffizienzpreis Perpetuum 2014Preisträger Jurypreis – Niederspannungselektromotor - KSB SuPremE der KSB AG:Durch einen neuen technischen Ansatz (Konstruktion) wird ein im Markt positioniertes/eingesetztes hochvolumiges Standardmassenprodukt (Niederspannungselektromotor) so verändert und effizienzseitig so optimiert, dass der Energieverbrauch bei gleicher Anwendung und gleichen Randbedingungen drastisch abgesenkt wird. www.ksb.com/SuPremE
Die KSB AG wurde mit dem Niederspannungselektromotor KSB SuPremE bei der heutigen Verleihung des Deutschen Energieeffizienzpreises Perpetuum 2014 mit dem Jurypreis als überzeugendste Energieeffizienzinnovation ausgezeichnet. Der Publikumspreis ging an die yetu AG mit dem Home Energy Management System (HEMS). Die Verleihung fand im Rahmen der Jahresauftaktkonferenz der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF) statt. Der Deutsche Energieeffizienzpreis Perpetuum wurde erstmalig durch die DENEFF in Zusammenarbeit Climate-KIC, dem EU-Netzwerk für Klima-Innovationen, verliehen. Elf nominierte Finalisten präsentierten zuvor ihre Projekte vor der achtköpfigen Jury und den rund 250 Teilnehmern der Konferenz in einem sogenannten „Elevator Pitch“.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 50
Auslegung von KreiselpumpenKSB Tool zur Abschätzung des Einsparpotenzials bei Antrieben
http://www.ksb.com/static/ffrechner/supremer/index-de.html
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Heizungsumwelspumpen HUP EEI nach ErP-Richtlinie Energieeffizienzindex, dimensionslose Zahl, die angibt, um wie viel die Leistungsaufnahme einer Heizungsumwälzpumpe unter einer vorgegebenen Referenzleistungsaufnahme liegt. Als Referenzleistungsaufnahme wurde die Grenze zwischen den Klassen D und E des EU-Energielabels gewählt. Ein EEI=0,27 bedeutet, dass diese HUP nur 27 % der Leistungs-Aufnahme einer Pumpe hat, die im Grenzbereich D-E des EU-Energielabels platziert ist. Messverfahren zur Bestimmung des EEI befinden sich im Anhang II der EG 641/2009
Produkt 16.06.11 01.01.13 01.01.15 01.08.15 01.01.17 01.0 1.20
HUP EEI ≤ 0,27 (Ausnahme: HUP in Wärmeerzeu-gern)
EEI ≤ 0,23(Ausnahme:Ersatz-HUP in Wärmeerzeugern
EEI ≤ 0,23
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
- Lastprofil gilt nur für die Heizungstechnik
- Eigenständiger Betrieb der Pumpe vorausgesetzt
- Kreiselpumpen in Nassläuferbauart (HUP)
- el.Leistung bis 2.500W
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Wirkungsgrad optimieren
Nassläuferpumpen Bewertung Energie-Effizienz-Index (EEI)
Q25% Q50% Q75% Q100%
Q
t
Zusätzliches EnergieZusätzliches Energie--Einsparpotenzial*Einsparpotenzial*
Betriebsart EcoBetriebsart Eco--Modus = 40%Modus = 40%
* im Vergleich zum EEI
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Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Volumenstrom optimieren
Qp: Fördermenge der Pumpe
{ }∫∑ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅=
=
1
0
t
t MP
PPz
1je dt
(t)H(t)QgC
ηηρ
EKn
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 55
Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Volumenstrom optimieren
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Auslegungspunkt
Förderhöhe H [%]
Volumenstrom Q [%]
Kennlinie dp konstant Pumpe
variable Sollwertnachführung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 56
Haupteinflussgrößen der Energiekosten
Affinitätsgesetze !!!
Q2 = Q1 ⋅ n 2
n1
Förderstrom
H 2 = H 1 ⋅ n 2
n1
2
Förderhöhe
P2 = P1 ⋅ n 2
n1
3
Leistungsaufnahme
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Bedarfsgerecht Planen – Regeln - AuslegenGrundlagen der Drehzahlregelung
- Auslegung von Kreiselpumpen- optimaler Betriebspunkt- Mehrfachbetriebspunktauswahl- Überwachung und Optimierung im Betrieb- PumpMeter und SES
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Betrieb im Optimum spart Energie und erhöht die Lebensdauer
Quelle: nach Judy Hodgson (Du Pont): “Predicting Maintenance Costs Accurately ”, Pumps & Sy stems, April 2004
53
92
Förd
erhö
he [
%]
Förderstrom [%]
Austausch-wirbel
Teillast-wirbel
Lauf radv erschleiß
Kürzere Lebensdauer
Lager und GLRD
Kav itation
Überhitzung
Kürzere Lebensdauer Lager
und GLRD
Kennlinie
Kav itation
Normal: -30%..+15%
Gut: -20%..+10%
Ideal =-10% ..+5%vom Optimum
Lebensdauer [%]
10
100
TypischerWirkungsgrad-
verlauf
Auslegung von Kreiselpumpen
Betriebspunkt und Lebensdauer
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Auslegung von Kreiselpumpen
Mehrfachbetriebspunktauslegung !!
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Auslegung von Kreiselpumpen
Mehrfachbetriebspunktauslegung !!
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 62
Auslegung von Kreiselpumpen
Mehrfachbetriebspunktauslegung !!
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 63
Auslegung von KreiselpumpenKSB Auslegungstools EasySelect und KSBase Consult
http
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sult.
de/S
tart
Mai
n.as
px
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Auslegung von KreiselpumpenKSB Auslegungstools für Unterwegs
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Auslegung von KreiselpumpenKSB Dokumentation
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So werden Pumpen bis jetztbetrieben
Sicherheit ist anders …
Einleitung
Besser zu wissen, wo die Pumpe läuft …
Nur im Bereich um „Q opt““““
ist mit maximaler Verfügbarkeit zu rechnen.
67
Nur im Bereich um „Q opt“
ist der Wirkungsgrad der Pumpe optimal.
Verfügbarkeit
ηηηηopt
H H
Q Q
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Auslegung von Kreiselpumpen
Betriebspunkte überwachen und optimieren
� Intelligenter Druckaufnehmer mit Vor-Ort-Anzeige
� Werkseitig komplett montiert
� Auf Ihre Pumpe parametriert
� Sofort betriebsbereit
� Zeigt ggf. Optimierungspotentiale zur Steigerung von Verfügbarkeit und Energieeffizienz auf
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I
Qualitative Betriebspunktanzeige
Kennliniendarstellung mit vier SegmentenAufteilung der Pumpenkennlinie in 4 Bereiche
� Extreme Teillast*
– Schädlicher Betriebsbereich < 0,3 mal Qopt
� Teillast*
– Ungünstiger Betriebsbereich < 0,7 mal Qopt
� Optimum
– Guter Betriebsbereich 0,7 – 1,2 mal Qopt
� Überlast
– Grenzw ertiger Betriebsbereich > 1,2 mal Qopt
Qualitativ e Betriebspunktanzeige im Display PumpMeter
Betrieb im Bereich der Überlast, > 1,2 mal Qopt
* Je nach Charakteristik der Pumpenkennlinie werden bei Betrieb in Teillast die ersten beidenViertel der Kennlinie nicht dif f erenziert und gleichzeitig angezeigt.
69
Analyse
Auslesen des Lastprofils
PumpMeter zeichnet dieBetriebsstunden auf.
� Einteilung der Stunden nach Betriebsbereich
� Über einen Zeitraum von bis zu 10 Jahren
� Ausschließlich Lastprofil, keine zeitlichen Verläufe(� kein Flugschreiber)
PumpMeter zählt die Schalt-spiele der Pumpe.
70
Auslesen des Lastprof ilsPlanen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I
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Auslegung von Kreiselpumpen
Betriebspunkte überwachen und optimieren
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Auslegung von Kreiselpumpen
Betriebspunkte überwachen und optimieren
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Analyse des Systems
Übersicht der möglichen Einsparpotenziale� KSB-Berater betrachten
immer das gesamte hydraulische System umdie maximalen Einspar-potenziale zu heben.
System
KomponenteCa. 3,5%
Bis zu60%
Modul
Bis zu10%
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Analyse des Systems
Der System Effizienz Service der KSB
� führt Anlagenbegehungen durch
� erstellt Analysen
� schlägt Maßnahmen zur Reduktion von Energie- und Instandhaltungskosten vor
� führt diese durch
� und überprüft durch Messung deren Erfolg
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Bedarfsgerecht Planen – Regeln - AuslegenGrundlagen der Drehzahlregelung
- Bedarfsgerecht Regeln- Grundlagen- Eingriffsmöglichkeiten an Pumpen- Lastabhängige Sollwertverschiebung- DFS Regelung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 76
Bedarfsgerecht Regeln, GrundlagenVerlustkennlinie eines geschlossenen Rohrnetzes
Verlust im Rohrnetz:
- Rohrreibungsverluste [R]
- Einzelwiderstände [Zeta]
-Apparate [R oder Zeta]
- Im offenen Kreislauf sind noch diegeodätische Höhe und der Enddruckzu berücksichtigen.
geschlossenes System
offenes System
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 77
Bedarfsgerecht Regeln, Grundlagen Verlustkennlinie eines geschlossenen Rohrnetzes
Verlust im Rohrnetz ergeben ein Kennlinie die immer quadratisch ist !Das bedeutet:
Halber Volumenstrom � Viertel Förderhöhe
Q ~ H²
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 78
Bedarfsgerecht Regeln, Grundlagen Verlustkennlinie eines geschlossenen Rohrnetzes
Verlust im Rohrnetz ergeben ein Kennlinie die immer quadratisch ist !Das bedeutet:
Halber Volumenstrom � Viertel Förderhöhe
Q ~ H²
Die Anlagenkennlinie wird nur durch die Regel/Zonenventile verändert und wird durch die Dimensionierung der Rohrleitungen festgelegt. Eine Pumpe ist dafür nicht verantwortlich !!
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 79
Bedarfsgerecht Regeln, Grundlagen Pumpen und Anlagenkennlinie ergeben den Betriebspun kt
Betriebspunkt
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Bedarfsgerecht Regeln, Grundlagen Konstantdruckregelung
Notw endigeFörderhöhe für Volumenstrom
Tatsächliche Förderhöhe für Volumenstrom
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Wirkungsweise von KreiselpumpenProportionaldruckregelung
Notw endigeFörderhöhe für Volumenstrom
Tatsächliche Förderhöhe für Volumenstrom
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 82
Wirkungsweise von KreiselpumpenKSB ECO-Mode bei Calio !! Oder DFS-Funktion bei Pum pDriveEinsparung mit einem Pumpenlastprofil BlauerEngel bis zu 40%Einsparung gegenüber proportionaler Regelkennlinien!
Notw endigeFörderhöhe für Volumenstrom
Tatsächliche Förderhöhe für Volumenstrom
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Bedarfsgerechte Regelung (Pumpe)
Förderstromanpassung
• Einbau einer Drosselarmatur in die
Anlage (meist druckseitig nach der Pumpe)
• Beeinflussung der Anlagenkennlinie durch
gezieltes Verändern des Anlagenw iderstands
(stärkere Drosselung ⇒ steilere Anlagen-
kennlinie)
• Pumpenbetrieb bei konstanter Drehzahl
• Dennoch geringe Leistungseinsparung
gegenüber Vollastbetrieb (vgl. Diagramm)
Drosselung
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Bedarfsgerechte Regelung (Pumpe)
Förderstromanpassung
Bypassregelung
• Anordnung einer Bypassleitung
parallel zur Pumpe
• Unterteilung des Förderstroms druckseitig
von der Pumpe in Nutzförderstrom
und Bypassförderstrom
• Rückführung des Bypassförderstroms
zur Saugseite der Pumpe
• Pumpenbetrieb im Volllastbetriebspunkt
• Keine Leistungseinsparung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 85
Bedarfsgerechte Regelung (Pumpe)
FörderstromanpassungParallelschaltung von Pumpen
• Parallelschaltung mehrerer Pumpen
in einer Anlage
• Dadurch Addition der Förderströme der
einzelnen Pumpen bei gleicher Förderhöhe
• Kennlinie für den Parallelbetrieb mehrerer
Pumpen durch Addition der Teilförder-
ströme der beteiligten Pumpen bei jew eils
gleicher Förderhöhe
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 86
Bedarfsgerechte Regelung (Pumpe)
Förderstromanpassung
Q 2 = Q 1 ⋅ n 2
n 1
Förderstrom
H 2 = H 1 ⋅n 2
n 1
2
Förderhöhe
P 2 = P 1 ⋅n 2
n 1
3
Leistungsaufnahme
Frequenzregelung der Antriebe von Pumpen
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Bedarfsgerechte Regelung (Pumpe)
Förderstromanpassung
Schema einer geregelten Pumpe
Schema mehrerer geregelter Pumpen
Pumpenf örderstrom
Pumpen-f örderhöhe
Betriebsbereich bei einer geregelten und zwei ungere gelt en Pumpen
erweiterter Betriebsbereich, wenn alle drei Pumpen geregelt sind
Förderstromanpassung durch Kombination von Parallelschaltung und Pumpenregelung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 88
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Konventionelles Heizungssysteme
Kessel 1 Kessel 2
Kessel-Vorlauf
Kessel-Rücklauf
Vorlauf temperatur
Thermostatv entil
Thermostatv entil
∆p=p1-p2
Raum 2Raum 1
Witterungsgeführte RegelungWitterungsgeführte RegelungHydraulische Schaltung des Hauptverteilers über 3W Ventil mengenkonstant.Regelt die benötigte thermische Leistung am Verbraucher ( Tv ~ Ta )( Q = m*c*dT)
Unterlagerter Regelkreis, Unterlagerter Regelkreis, ZonenventileZonenventileReduzierte Volumenströme durch Wirkung der Thermostatventile bei inneren Lasten.Pumpe
ReglerAußentemperatur
Absperrv entil
Vorlauf p1
Absperrv entil
Hyd
raul
isch
e W
eich
e
Heizkörper Heizkörper
Rücklauf p2
Rückschlag-klappe
Absperrv entilAbsperrv entil
Q2 = variabel
Q1 = variabel
M
Strangregulierv entil
Q = Q1 + Q2 = konstant
PumpenregelungPumpenregelungReagiert auf Veränderungen der Anlagenkennlinie und nicht auf die Lastanforderung der w itterungsgeführten Regelung
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Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Auslegungspunktohne Fremdwärme
Förderhöhe H [%]
Volumenstrom Q [%]Systemsteuerkennlinie
Fremdwärmeeinf luss
Fremdwärmeeinf luss
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Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Witterungsgeführte RegelungWitterungsgeführte RegelungDie Hydraulische Schaltung über das 3W Ventil w ird durch eine hydraulische Ersatzschaltung mit 2W Ventilen in ein mengenvariablen Kreis verw andelt.Regelt die benötigte thermische Leistung am Verbraucher über Vorlauftemperatur und Masse.( Q = m*c*dT)
Unterlagerter Regelkreis, Unterlagerter Regelkreis, ZonenventileZonenventileReduzierte Volumenströme durch Wirkung der Thermostatventile bei inneren Lasten.
PumpenregelungPumpenregelungReagiert w eiter auf Veränderungender Anlagenkennlinie und w ird im Sollw ert über 0-10V auf die benötigte Förderhöhe eingestellt. Q~H²
Messv entil
Q2 = variabel
Q = Q1 + Q2 = variabelVorlauf temperatur
Regler
Außentemperatur
Leistungssignal
Pumpe
Unterverteiler 1
SRV THV THVRadiator Radiator
Unterverteiler 2
SRV THV THVRadiator Radiator
Absperrv entilAbsperrv entil
Vorlauf p1
Kessel 1 Kessel 2
Kessel-Vorlauf
Kessel-Rücklauf Hy
drau
lisch
e W
eich
e
Rücklauf p2
M
Systrobox
Q1 = variabel
M
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 91
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 92
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Vorlauf-Temperatur [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Vol
ume
nstro
m [
% ]
3-Wege-Ventil20%10% 30% 40% 50% 60%70% 80%90%100%Thermische Leistung
Steigungsänderungder Heizkennlinie
Parallelverschiebungder Heizkennlinie
Heizkörperdiagramm und Volumenströme
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 93
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Leistungsabgabe im Heizkörperdiagramm
trad
ition
ell
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 94
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
1x Regelventil mitSteuerung Systrobox
1x Regelventil fürBeimischleitung
1x Meßventil
Meßcomputer nicht im Lieferumfang wird bei der Init ialisierung beigestellt
BOA-Systronic
DN 20 bis DN 200
0,5m³/h bis 185m³/h
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 95
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 96
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Ø = 672 W
Ø = 165 W
3-Wege-Schaltung BOA-Systronic
Messwerte DeTe Imobilien Heidelberg
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 97
Bedarfsgerechte Regelung (System)
Vorlaufregelung mit lastabhängiger Sollwertnachführu ng der Pumpe
Anlagenkennwerte:
- Heizlast 100kWth
- Förderhöhe 5m
-Fördermenge 4,3m³/h (20K)
-Hocheffizienzpumpe 25-80
Teillast:
-Außentemperatur 3,2°C
- 30kW inneren Lasten.
Ergebnis:
- Einsparung 707kWh pro Jahr gegenüber herkömmlichem System mit einer Hocheffizienzpumpe 25-80
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 98
Bedarfsgerecht Planen – Regeln - AuslegenGrundlagen der Drehzahlregelung
- BeispieleMessungen und Analysen
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 99
Beispiele 1
Kühlkreislauf Freiburg – Analyse 2014Kühlkreislauf
250m³/h; 85m aufgeteilt auf 4Pumpen+1Redundant
Anschlußleistung pro Pumpe 37kW
Kaskadenschaltung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 100
Beispiele 1
Kühlkreislauf Freiburg– Analyse 2014Kühlkreislauf
Durch die vorhandene Leittechnik konnte ein Jahresgang von Volumenstrom und Druck ausgewertet werden.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 101
Beispiele 1
Kühlkreislauf Freiburg – Analyse 2014Kühlkreislauf
Die maßgebenden Lastpunkte wurden in die Pumpenkennlinie übertragen. Nachrüstung von FU und Synchronreluktanzmotor wurde betrachtet.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 102
Beispiele 1
Kühlkreislauf FreiburgKühlkreislauf
Kennwerte übersichtlich undnachvollziehbar darstellen.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 103
Beispiele 2
Kühlkreislauf, Kinzigtal. Kühlkreislauf
400m³/h; 60m aufgeteilt auf 4Pumpen+1Redundant
Anschlußleistung pro Pumpe 22kW
Kaskadenschaltung
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 104
Beispiele 2
Kühlkreislauf, Kinzigtal. Kühlkreislauf
Messung erfolgte über 3Wochen mit Ultraschal
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 105
Kühlkreislauf
Pumpengröße, Regelbereich und Pumpenmanagment wurde angepasst.
Beispiele 2
Kühlkreislauf, Kinzigtal.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 106
Kühlkreislauf
Sicherung der Verfügbarkeit, Verminderung des Energieaufwands
Beispiele 2
Kühlkreislauf, Kinzigtal.
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 107
Bedarfsgerecht Planen – Regeln - AuslegenGrundlagen der Drehzahlregelung
- Energiesparende Armaturen
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 108
Energiespararmaturen Regulieren und Absperren.
Warum Einregulieren ?
- Bedarfsgerechte Wärmeverteilung
- Nur notwendiger Volumenstrom
wird umgewälzt
- Reduzierung der Pumpenenergie
- Reduktion der Strömungsgeräusche
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 109
Energiespararmaturen Regulieren und Absperren.
Wieso genau Einregulieren ?
20% mehr Volumenstro
m
n2/n1 = 1,2
Mehr el.Leistung notwendig ! 3
1
212
⋅=
n
nPP
Mehr Förderhöhe notwendig !
H 2 = H1 ⋅n2
n1
2
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 110
Energiespararmaturen Regulieren und Absperren.
Messgenauigkeit von Regulierventilen – Quelle: UNI K aiserslautern -
111
BOA-Control und BOA-Control IMS
Weichdichtende Flanschen-Strangregulier- Mess- und Absperrventile
BOA-Control IMS
Mit fest integrierter Ultraschallsensorik bis DN350
BOA-Control
Vorbereitet für mobile Ultraschallsensorik bis DN200
Grundlagen Pumpen Energieeffizienz I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 05.02.2015 I
112
BOA-CVE Control IMS
BOA-Control IMS mit elektrischen Antrieben
Bis DN 200 verfügbar*
Dynamische Strangregulierung in Verbindung mit MS 420
Eigener Regelkreis mittels MS 420 und Prozeßregler im Antrieb realisierbar (keine übergeordnete Regelung notwendig)
* Eine nachträgliche Automatisier ung bestehender Ventile ist nicht möglich
Grundlagen Pumpen Energieeffizienz I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 05.02.2015 I
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 113
Energiespararmaturen Regulieren und Absperren.
Absperrklappen von KSB
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 114
Armaturen
Rückschlagklappe Serie 2000Verlustbeiwerte ( Zeta-Werte ) im Vergleich zu herkömmlichen Rückschlagarmaturen
Serie 2000 Rückschlagklappe PN16
BOA-RVK Rückschlagventil
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 115
Einsparpotentiale
System – Modul - Komponenten
Optimierung von Einzel-w irkungsgraden
Design/Oberfläche
Motoren
Reserven bei der Auslegung
Pumpe im Optimum
Rohrleitung/Armaturen
Konstruktion der Pumpe
Regelstrategie
Hydraulischer Abgleich
M3~
3~3~
M3~
3~3~
MBis zu60%
ca.4 %
Bis zu20%
System
Modul
Komponenten
Planen Regeln Auslegen I Dipl.Ing.(FH) Urban Benz I 14.04.2015 I 116
Dipl.Ing.(FH)
Urban [email protected]+49 172 627 4184
Unsere Technik. Ihr Erfolg
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