Die Hidden Champions der Energieeffizienz: Energieeinsparung bei Pumpen und Lüftern
Energieeinsparung bei Pumpen und Lüftern
Steigende Energiepreise, politischer und gesellschaftlicher Druck für mehr Umweltschutz, weniger Energieverbrauch und weniger CO₂-Emissionen, eine bessere Wettbewerbsfähigkeit durch gesenkte Produktionskosten oder ein besseres Image – unternehmerische Gründe für eine Energieoptimierung sind vielfältig.
Strömungsmaschinen wie Pumpen, Lüfter und Kompressoren, die zahlreiche notwendige Prozesse in Gebäuden steuern, verbrauchen viel Energie. Dennoch müssen sie Tag für Tag zuverlässig arbeiten. Denn ohne die von ihnen übernommen Aufgaben, wie beispielsweise Belüften und Kühlen von Gebäuden, gestaltet sich unser Leben erheblich schwieriger und weniger komfortabel. Doch sorgen sie in Zeiten steigender Energiepreise auch für hohe Kosten. Eigentümer und Betreiber suchen daher Lösungen für einen sparsamen Umgang mit Energie in Werks- und Produktionshallen, in Rechenzentren ebenso wie in Wohn- und Bürogebäuden. Potenziale um Energie zu sparen, gibt es in der Gebäudeautomation genügend. Eine der Schlüsseltechnologien für eine verbesserte Energieeffizienz ist die elektrische Antriebstechnik. Sie hilft bei der Prozessoptimierung und bietet momentan die effektivste Möglichkeit, Energie und Kosten zu sparen.
Einsparung bei Pumpen und Lüftern mit quadratischen Kennlinien
In Gebäuden kommen zahlreiche Strömungsmaschinen zum Einsatz
Bei Pumpen und Lüftern lassen sich hervorragend Einsparungen erzielen und vor allem in der Gebäudetechnik kommt eine große Zahl von ihnen zum Einsatz. Über die Hälfte der von Elektromotoren betriebenen Anwendungen in industriellen Gebäuden sind solche Strömungsmaschinen. Besonders Kreiselpumpen und Ventilatoren, also Strömungsmaschinen mit einer quadratischen Lastkennlinie, senken den Energieverbrauch in der dritten Potenz bei Reduzierung der Drehzahl. Ein Antrieb, der mit halber Drehzahl läuft, nimmt dementsprechend nur 12,5 % seiner Nennleistung auf.
100% * 0,83 = 51%: Drehzahlreduktion von 20% bewirkt Einsparungen von 49%
100% * 0,53 = 12,5%: Drehzahlreduktion von 50% bewirkt Einsparungen von 87,5%
Lastprofil einer Raumbelüftungsanlage
Eine weit verbreitete Lösung ist, Geräte mit quadratischem Kennlinienverlauf mit modernen Frequenzumrichtern auszurüsten und damit ihre Drehzahl optimal an den jeweils aktuellen Leistungsbedarf anzupassen. Denn in den meisten Fällen sind Pumpen und Lüfter in der Gebäudetechnik auf den ungünstigsten Fall ausgelegt; Klimaanlagen beispielsweise auf den heißesten Tag des Jahres, an dem sie dann ihre Nennleistung bringen müssen. Die gesamte übrige Betriebszeit laufen sie hingegen im Teillastbetrieb. Das gilt beispielsweise auch für Druckerhöhungsanlagen in Hochhäusern. Die Abbildung zeigt das typische Lastprofil einer Raumbelüftungsanlage. 85% der Zeit läuft der Lüfter im Teillastbetrieb.
Und an dieser Stelle kommen Frequenzumrichter ins Spiel. Für sie spricht auch, dass sinkende Preise die Umrichter immer attraktiver machen. Aber Achtung: Nicht alle Pumpen und Ventilatoren sind für eine Drehzahlregelung gleich gut geeignet.
Drehzahlregelung als Sparfaktor
Nach wie vor kommen in älteren Systemen, aber auch bei Neuanlagen, bei vielen Pumpen und Ventilatoren Drallklappen, Drosseln oder Dreiwegeventile zum Einsatz, um den Druck oder den Volumenstrom innerhalb der Anwendung an den aktuellen Leistungsbedarf anzupassen.
Erfolgt die Regelung einer Kreiselpumpe mittels Drosselklappe, verschiebt sich durch die Drosselung der Arbeitspunkt der Maschine entlang der Pumpenkennlinie. Es kommt nur zu einer minimalen Reduzierung der benötigten Energie im Vergleich zum Nennarbeitspunkt der Pumpe.
Bei einer Pumpenreglung über die Drehzahl, verschiebt sich der Arbeitspunkt entlang der Anlagenkennlinie. Die benötigte Energie reduziert sich im Vergleich zur Drosselregelung in der dritten Potenz!
Dieser Zusammenhang gilt analog für alle Strömungsmaschinen mit quadratischem Verlauf der Kennlinie. Lüfter benötigen beispielsweise bei halber Drehzahl nur ein Achtel der Leistung.
Energieverbrauch einer Pumpe bei Drossel- und Drehzahlregelung.
Wirkungsgradverlauf bei Strömungsmaschinen
Kennliniendiagramm einer ausgewählten Pumpe
Im Kennliniendiagramm sind neben der Pumpen- und Anlagenkennlinie auch einige Wirkungsgradgrenzen dargestellt. Sowohl durch Drosselregelung als auch durch Drehzahlregelung bewegt sich der Arbeitspunkt aus dem Wirkungsgradoptimum heraus.
Die Drehzahlregelung stellt in jedem Szenario die bessere Energiebilanz bereit. Dennoch sollten Anwender für jede Anlage die energieoptimale Frequenz ermitteln, damit zusätzliche Verluste die Einsparung durch Drehzahlregelung nicht übersteigen.
Beachten Sie bereits in der Projektierungsphase, dass sich mit Änderung der Drehzahl auch der Arbeitspunkt und somit der Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen ändert.
Die Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern bietet viele weitere Vorteile
Ist der Unterschied zwischen der maximal benötigten Leistung und dem durchschnittlichen Teillastbetrieb zu groß, sollten Sie als Betreiber die Lösung eines Mehrgerätebetriebs betrachten. Bei der sogenannten Kaskadierung von Pumpen deckt eine drehzahlgeregelte Pumpe die Grundlast ab. Steigt der Verbrauch, schaltet der Frequenzumrichter weitere Pumpen nacheinander zu. Die Pumpen arbeiten so möglichst in ihrem Wirkungsgradoptimum. Die Regelung einer Pumpe sorgt immer für die energetisch beste Ausnutzung des Systems. Das gleiche System kann analog auch Lüfter ansteuern. Entsprechende Kaskadenregler sind als externe Baugruppen oder schon in intelligentesten Frequenzumrichtern integriert, erhältlich.
Schonender Maschinenbetrieb
Der Einsatz der Drehzahlregelung reduziert die Zahl der Start- und Stoppvorgänge mit voller Drehzahländerung drastisch. Zudem vermeiden sanfte Anlauf- und Verzögerungsrampen eine unnötige mechanische und elektrische Belastung der Anlagenteile.
Geringerer Wartungsaufwand
Der Frequenzumrichter erfordert keine Wartung. Bei Betrieb mit reduzierten Drehzahlen erhöhen sich die Anlagenstandzeiten. Laststöße, die beim direkten Zuschalten von Motoren entstehen, entfallen, was eine Beschädigung von Anlagenteilen durch diese Stöße vermeidet.
Entlastung der Prozesssteuerung
Intelligente Frequenzumrichter können Teilaufgaben aus frei programmierbaren Steuerungen dezentral vor Ort in der Antriebseinheit übernehmen und kleinere Regelungs- und Überwachungsaufgaben selbst durchführen. Dies reduziert in der zentralen Steuerung den benötigten Speicherplatz sowie die Größe und erhöht ihre Geschwindigkeit.
Optimaler Systemwirkungsgrad – nur Gesamtbetrachtung hilft
Auch wenn die Regelung von Strömungsmaschinen mit modernen, intelligenten Frequenzumrichtern ein erster Schritt für die Reduzierung von Energiekosten und CO₂-Emissionen ist – maximale Einsparungen sind damit noch nicht garantiert. Denn gerade bei Lüftungssystemen wie beispielsweise in der Fallstudie über den Produktionsstandort von Volkswagen in Navarra, Spanien, spielen insgesamt vier Faktoren eine wesentliche Rolle:
- der Wirkungsgrad des Ventilators,
- der Motorwirkungsgrad,
- der Kupplungswirkungsgrad sowie
- der Wirkungsgrad der Drehzahlregelung.
Nachhaltige Lüftungstechnik: VW spart 20 % Energie und 350 Tonnen CO₂
Volkswagen setzt bei der Belüftung einer der größten Montagehallen im Werk Navarra auf das EC+ Konzept von Danfoss und Novenco. ‚EC+‘ steht für das intelligente Zusammenspiel der optimal ausgewählten Systemkomponenten Frequenzumrichter, Motor und Ventilator. Die neue RLT im VW-Werk bietet auf diese Weise höchste Energie- und Kosteneffizienz. Denn letztlich ist die elektrische Antriebstechnik mit der bestmöglichen Drehzahlvorgabe die Schlüsseltechnologie für mehr Energieeffizienz bei Lüftern und Pumpen.
Im Vergleich mit der bisherigen Lüftungsanlage verfügen die 6 neuen RLT-Geräte gemeinsam über ein Gesamteinsparpotenzial – bezogen auf den Nennbetrieb pro Jahr – von 747.429 kWh elektrischer Energie, 350 Tonnen CO₂ und 199.115 Euro Stromkosten im ersten Jahr. Diese Berechnung ergibt sich für einen Energiepreis von 26,64 Cent/kWh. Weitere zugrundeliegende Annahmen der Berechnung sind der CO₂-Emissionsfaktor mit 468 g/kWh und 8.760 jährliche Betriebsstunden.
Neben diesen deutlichen Einsparungen bei Energie und Kosten sind die neuen Geräte auch um 30 Prozent kürzer und leichter.
VW Navarra spart Energie, CO2 und Kosten mit dem EC+ Konzept von Danfoss und Novenco
Entdecken Sie Ihre Energieeffizienz-Champions!
Energie ist und bleibt teuer. Dazu kommt, dass Unternehmen im Rahmen ihrer ESG-Ziele die CO₂-Emissionen reduzieren müssen. Viele Firmen investieren deshalb in erneuerbare Energien wie Photovoltaik auf dem Dach oder kaufen grünen Strom ein.
Reicht das? Entdecken Sie in diesem Online-Tool die versteckten Energieeffizienz-Champions in Ihrem Gebäude. Sie erfahren, mit welchen Einstellungen Sie am meisten Energie, Kosten und gleichzeitig Emissionen sparen.
Übrigens, das dargestellte Gebäude basiert auf der Danfoss-Produktion in Graasten, Dänemark. Alle Wertegrößen der Einsparungen und die damit zusammenhängenden Berechnungen sind auf die Abmaße dieses Gebäudes bezogen. Starten Sie Ihr Energieeffizienz-Match!
Mit Experten sprechen
Egal, ob Neubauprojekt oder Bestandsgebäude: In gewerblich genutzten Gebäuden muss ein präzises Gleichgewicht zwischen dynamischem Wachstum und nachhaltigem Management sichergestellt werden. Ob in Hotels, Büros, Rechenzentren oder öffentliche Einrichtungen, mit Produkten und Antriebslösungen von Danfoss für die Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern können Sie erhebliche Energieeinsparungen, Emissionsreduzierungen und Kostensenkungen erzielen. Wir unterstützen Sie dabei mit Fachberatung zu spezifischen Anwendungen und zu ganzheitlichen Lösungen für optimale Effizienz in Ihrem Gebäude. Sie haben Fragen rund um das Thema Energieeffizienz mit Antriebstechnik in Ihrem Gebäude? Dann buchen Sie einfach einen Termin im Online-Experten-Kalender.
