15. Juni 2020

Druckerhöhungsanlagen: über die Vorzüge der Proportionaldruckregelung und die Aufteilung eines Gebäudes in Druckzonen

Oft bereits im Mehrfamilienhaus, vielfach im Geschossbau und in jedem Fall im Hochhaus sind für die Trinkwasser- und Brauchwasserversorgung Druckerhöhungsanlagen (DEA) auszulegen und zu installieren. Eine kluge Planung und eine an den Lifecycle-Kosten orientierte Auswahl der Technik reduzieren Investitions- und Betriebskosten und sichern die Trinkwasserhygiene.

Die formalen Vorgaben zur Planung und für den Betrieb von Druckerhöhungsanlagen in Gebäuden sind in der DIN 1988500 und DIN EN 8062 niedergelegt. Das kann der TGA-Planer mit am Markt verfügbarer Technik und zusammen mit seinem Knowhow problemlos umsetzen. Das „Funktionieren“ an sich ist wichtig, darf aber nicht allein entscheidend sein. Was dem Betreiber womöglich erst später schmerzhaft klarer wird: Um einen konstanten Wasserdruck in Gebäuden aufzubauen bzw. zu halten, muss relativ viel Energie aufgewendet werden – das kostet Geld. Es lohnt sich, dafür die für den Einsatzfall am besten geeignete (und über die Jahre kostengünstigste) Anlagenkonfiguration auszuwählen.

Wichtige und weniger wichtige Parameter
Eine Druckerhöhungsanlage besteht aus vielen Bauteilen, die mehr oder weniger die Auslegung der Anlage, die Leistung und den Energieverbrauch beeinflussen. Welches sind jedoch die wichtigsten Bauteile, die unbedingt berücksichtigt werden müssen? Grundfos hat dazu untersucht, welchen Einfluss bestimmte Parameter auf die hydraulischen Eigenschaft en von Druckerhöhungsanlagen besitzen. Dazu beschreibt ein Einflusskoeffizient IC, welches Gewicht Änderungen eines bestimmten Parameters auf die Gesamtleistung der Druckerhöhungsanlage zukommt.

Ein Beispiel: Wenn der Druckverlust in Steigleitungen einen IC-Koeffizienten von 5 % besitzt, wird der Druck der Druckerhöhungsanlage nur um maximal 5 % reduziert. Solche Kenntnisse sind sehr wichtig bei der Anlagenprojektierung, da sich der Planer dann auf die Parameter konzentrieren kann, die das Ergebnis wirklich beeinflussen, statt seine Zeit mit der Bestimmung und Auslegung von Anlagenteilen zu vergeuden, die das Ergebnis nur marginal verändern.
In Tabelle 1 sind einige der oft berücksichtigten Parameter aufgelistet und in der Reihenfolge ihrer Einflusskoeffizienten für die Leistung einer Druckerhöhungsanlage sortiert. Die oberen vier Parameter haben einen IC-Wert von über 50 %, daher sollte bei der Auslegung der Wert dieser Parameter möglichst genau bestimmt werden.

Energieverbrauch hängt von der Konfiguration ab
Eine einzelne DEA, die das gesamte Gebäude mit Wasser versorgt, führt zu erheblichen Druckunterschieden im System. Die Druckerhöhungsanlage im Keller verfügt über die Pumpleistung, um den Druckverlust bis zum obersten Stockwerk zu überwinden. Dies bedeutet aber auch, dass der Leitungswasserdruck in den unteren Etagen ein akzeptables Niveau überschreitet. Mit Überdruckventilen muss Druck reduziert werden. Mit anderen Worten: Man muss nicht nur in zusätzliche Komponenten investieren, sondern auch zuvor generierten Druck „vernichten“.
Die bessere Konfiguration sieht so aus: Durch Aufteilen eines hohen Gebäudes in Druckzonen kann der Planer die Fördermenge und den Druck für jede individuelle Zone definieren. Der Vorteil: Die jeweils zuständige DEA arbeitet dann spezifisch für das Lastprofil jeder Zone. Die derart geplanten und ausgelegten Druckerhöhungsanlagen passen sich intelligent den Anforderungen an und machen Druckentlastungsventile überflüssig.
Die Berechnung des Energieverbrauchs zeigt am Beispiel eines 20stöckigen Krankenhauses den Vorteil einer Aufteilung in Druckzonen gegenüber einer zentralen DEA. Die Basisdaten: Ein 800-Betten-Gebäude mit einem Wasserverbrauch von 300 m3/Jahr pro Bett. Der vorgeschriebene Betriebsdruck liegt zwischen 2,5 und 4 bar. Das Objekt ist 80 m hoch, mit einer Geschosshöhe von je 4 m. Ergebnis: Eine einzelne Druckerhöhungsanlage verbraucht 106 530 kWh Strom pro Jahr. Das in Zonen geteilte System fordert hingegen nur 72 937 kWh/Jahr ab – immerhin 31,5 % weniger.

Sensoren liefern relevante Daten
Neben der Aufteilung in Druckzonen ist die Regelung des Proportionaldruckes sinnvoll. Diese Regelungsart (in HLK-Anlagen bereits Standard) senkt den Druck bei niedrigem Durchfluss und erhöht den Druck bei hohem Durchfluss. Der Betreiber spart erheblich Wasser und Energie und profitiert zudem von einem gleichmäßigeren Druck unabhängig vom Wasserverbrauch.
Dazu benötigt die DEA natürlich entsprechende Daten. Die Installation mehrerer Drucksensoren für die potenziell kritischen Bereiche bzw. für jeden Wasserverbraucher ermöglicht es, den Wasserdruck an den Bedarf anzupassen. Die Sensoren können dabei an beliebigen Stellen im System montiert werden.
Die Pumpensteuerung überwacht kontinuierlich die eingehenden Signale und passt die Leistung der Pumpenanlage dem Sensor an, der den höchsten Druckbedarf meldet. Das bedeutet, dass die Druckerhöhungsanlage den (eventuell nur temporär) kritischen Bereichen „folgt“. Ist der Verbrauch niedrig und gibt es keine Bedarfsspitzen, verringert die DEA ihre Leistung so weit, bis nur noch der Mindestbedarf innerhalb der kritischen Bereiche abgedeckt wird. Gibt es mehrere potenziell kritische Bereiche in einem System, ist die Installation von mehr als einem Drucksensor eine Möglichkeit, viele Berechnungen zu umgehen.
Somit ist klar: Bei der Planung komplexer Wassersysteme müssen die kritischen Bereiche definiert werden. Dies erfordert eine Berechnung des Gesamtdruckverlusts.

Nachgefragt
IKZ-FACHPLANER: Sie sprachen es an: Druckzonen in einem hohen Gebäude sind sinnvoll, damit in den unteren Etagen kein Druck vernichtet werden muss. Ab welcher Gebäudehöhe ist eine Aufteilung in Druckzonen sinnvoll?
Manuel Elbert: Bei Gebäuden mit mehr als zehn Stockwerken sind normalerweise Druckzonen vorzusehen. Generell ist zu beachten, dass der erforderliche Mindestfließdruck pFL (> 1,5 bar) an der hydraulisch ungünstigsten Stelle verfügbar sein muss, zudem ist der maximale Ruhedruck einzuhalten (pR ‹ 5 bar). Bei sehr hohen Gebäuden werden in der Regel mehrere Druckzonen aus jeweils 8 bis 10 Stockwerken gebildet.

IKZ-FACHPLANER: Um die kritischen Bereiche in einem Gebäude zu identifizieren, ist eine Druckverlustberechnung notwendig. Wie geht man dabei vor?
Manuel Elbert: Bei einer Druckverlustberechnung sind sowohl die statischen als auch dynamischen Verluste von Leitungen, Rohrbögen und anderen Komponenten zu berücksichtigen. Die statische Förderhöhe ist der Abstand vom Druckstutzen der DEA bis zur höchsten Entnahmestelle im Gebäude oder in der Druckerhöhungszone. Sie ist immer vorhanden. Dynamische Verluste hängen vom Wasserdurchfluss ab. Je größer der Durchfluss, desto größer die dynamischen Verluste in den Rohrleitungen, Anschlussteilen usw. Die Gesamtförderhöhe der Druckerhöhungsanlage errechnet sich also zur Summe aus dem statischen und dynamischen Druckverlust sowie dem notwendigen Überdruck an der Entnahmearmatur.

IKZ-FACHPLANER: Sie hatten erwähnt, der Mindestdruck-Betrieb ist möglich bei Systemen mit einem Sensor in der Anlage. Also tatsächlich nur ein Sensor? Gibt es mehrere kritische Bereiche, ist kein Mindestdruck-Betrieb möglich, weil nur ein Sensor installiert werden kann?!
Manuel Elbert: Der Mindestdruck-Betrieb ist möglich bei Systemen mit einem Sensor in der Anlage – das schließt ja nicht aus, mehrere Sensoren zu installieren. Gibt es mehrere potenziell kritische Bereiche in einem System, ist die Installation von mehr als einem Drucksensor anzuraten.

Mindestdruck? Höchstdruck? Beides?
Wichtig ist zu bedenken, welche Anforderungen das System zu erfüllen hat. Gibt es sowohl einen erforderlichen Mindestals auch einen Höchstdruck oder nur einen Mindestdruck?
Im Mindestdruck-Betrieb hält die Druck erhöhungsanlage den Mindestdruck unabhängig vom Wasserbrauch aufrecht. Unterschreitet der Druck an einem oder mehreren Sensoren den voreingestellten Wert, erhöht die DEA so lange den Druck, bis dieser wieder über dem Grenzwert liegt. Der Mindestdruck-Betrieb ist möglich bei Systemen mit einem Sensor oder Systemen, bei denen sich der Sensor am Pumpenverteiler befindet.
Im „Prioritäts-Betrieb“ hält die DEA unabhängig vom Wasserbrauch den Mindest- und Höchstdruck aufrecht. Diese Betriebsart wird in Systemen mit mehr als einem Sensor eingesetzt, bei denen sowohl ein Mindestals auch ein Höchstdruck einzuhalten ist. In diesem Fall kann es passieren, dass ein Sensor versucht, den Druck zu erhöhen, während ein anderer gegenhält. Bei der Inbetriebnahme muss daher (je nach Kritikalität eines Verbrauchers) eine Priorisierung der Sensoren erfolgen.
Ist der kritische Bereich definiert und gibt es keinen Hauptverbraucher, kann hier der Hauptsensor installiert werden. Wird an dieser kritischen Stelle ein externer Sensor verwendet, ist dort der notwendige Druck sichergestellt.

Proportional- versus Konstantdruck
Das System unter Konstantdruck zu betreiben, liegt in hohen Gebäuden mit großer statischer Förderhöhe nahe, da die dynamischen Verluste unbedeutend erscheinen. Die meisten kommerziellen Gebäude fallen jedoch nicht in die Kategorie „Wolkenkratzer“. Das bedeutet, dass in vielen Fällen das Verhältnis zwischen dynamischen und statischen Verlusten umgekehrt wird. Wenn es mehr dynamische als statische Verluste gibt, gewinnt der Proportionaldruck an Bedeutung. Eine Regelung nach dem Proportionaldruck kann den Druck an den tatsächlichen Bedarf anpassen. Wird der Systemdurchfluss reduziert, reduziert sich proportional dazu auch der Druck.
Bei den Druckerhöhungsanlagen des Typs „Hydro MPC“ von Grundfos ist der Proportionaldruckbetrieb Standard und kann auch dann erfolgen, wenn das System nicht mit Fern-Sensoren ausgestattet ist. In diesem Fall arbeitet die Steuerung mit einem Drucksensor, der sich am Auslass des Verteilers der DEA befindet.
Zur Verdeutlichung ein Vergleich der beiden Regelungsarten: Basis sei ein 90 m hohes Gebäude mit einem Auslegungsdurchfluss von 35 m3/h. Die DEA (Doppelpumpenanlage „Hydro MPCE CRE206“) sei durch folgende Werte gekennzeichnet:

• statischer Druckverlust 40 mWS oder 390 kPa,
• dynamischer Druckverlust 390 kPa,
• Druck an der Entnahmearmatur 150 kPa,
• Auslegungsförderhöhe 930 kPa,
• Auslegungsdurchfluss: 35 m3/h.

Durch das Betreiben der Pumpen im Proportionaldruckbetrieb ergeben sich jährliche Energieeinsparungen von 33 % gegenüber dem Konstantdruckbetrieb. Bei Nulldurchfluss kann die Leistung der Druckerhöhungsanlage auf 58 % (Einfluss bei Nulldurchfluss) der Auslegungsförderhöhe reduziert werden.

Überwachung der DEA
Ist die DEA gut geplant und ausgewählt, sollte auch deren Verfügbarkeit sichergestellt werden. Eine zustandsorientierte vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) ist werterhaltendes Asset Management. Grundfos bietet dafür das „Grundfos iSolutions Monitor“ (GiM) kann der Betreiber den Betriebszustand von mehrstufigen Hochdruckpumpen der Baureihe „CR“ überwachen und Prozessausfälle vermeiden. Es handelt sich um ein Überwachungssystem auf der Basis eines Multifunktionssensors mit einem lokalen Display auf der Pumpe, SCADA-Integration zu Prozessleitsystemen und optionaler Cloud-Anbindung. Der Sensor identifiziert frühzeitig fehlerhafte Bedingungen, die zum Ausfall der Pumpe führen können.

Der „GiM“ verfolgt dabei nicht nur die Vibrationen einer Pumpe, um Verschleißprobleme in Lagern aufzudecken. Die meis ten Pumpenausfälle sind auf Prozessfehler zurückzuführen. So kann ein Trockenlauf z. B. schnell zu einer Beschädigung der Wellenabdichtung führen. Das Gerät überwacht auch Faktoren, die zu einer schlechten System- und Pumpenleistung beitragen.
Dies ermöglicht es dem Betreiber, die Wartung zu einem betriebstechnisch passenden Zeitpunkt einzuplanen. Der „GiM“ ist für alle „CR“Pumpen verfügbar und kann auch nachgerüstet werden.

Fazit
Die Vorteile des Proportionaldruckbetriebes ergeben sich zum einen aus dem Komfort für den Betreiber: Die DEA passt die Förderhöhe an den tatsächlichen Bedarf an, der Verbraucher hat somit jederzeit einen gleichbleibenden Wasserdruck am Wasserhahn. Zum anderen reduziert er die Kosten: Denn die Förderhöhe reduziert sich je nach tatsächlich benötigtem Druck; ein niedrigerer Systemdruck bedeutet niedrigere Energiekosten. Nicht zuletzt profitiert der Betreiber von einem geringeren Verschleiß an Rohren, Anschlussteilen, Ventilen und Pumpen.

Autor: Manuel Elbert, Vertriebsdirektor Projektgeschäft CBS Deutschland und Österreich, bei Grundfos

Bilder: Grundfos

www.grundfos.de