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Energieeffizienz durch Frequenzumrichtertechnik

Sie arbeiten meist im Verborgenen und doch: Pumpen, Lüfter und Kompressoren sind für viele Bereiche unseres Alltags von großer Bedeutung. Sie müssen Tag für Tag zuverlässig arbeiten. Denn ohne die von ihnen übernommen Aufgaben, wie beispielsweise die Belüftung und Kühlung von Gebäuden, gestaltet sich unser Leben erheblich schwieriger. All diese Anwendungsgebiete erfordern funktionierende Pumpen, Lüfter und Kompressoren.
Seit Jahren steigen die Energiepreise und damit das Interesse an Energieeinsparungen in Anwendungen der Industrie, des Handels und des Gewerbes. Bei Eigentümern und Betreibern sind Lösungen für einen sparsamen Umgang mit Energie in den Produktionshallen sowie Wohn- und Bürogebäuden gefragt. Eine Schlüsseltechnologie für eine erhöhte Energieeffizienz stellt die elektrische Antriebstechnik dar. Sie gibt derzeit als die effektivste Lösung, den Energieverbrauch schnell und deutlich zu senken.

Drehzahlregelung mit quadratischem Lastmoment

Pumpen und Lüfter sind gut geeignet, um Einsparungen zu erzielen. Auch in der Gebäudetechnik kommt heute eine große Zahl von ihnen zum Einsatz. Gerade bei Ventilatoren und Kreiselpumpen, also Strömungsmaschinen mit einer quadratischen Lastkennlinie, geht der Energieverbrauch in der 3. Potenz mit der Drehzahl zurück. Eine weit verbreitete Lösung ist daher, diese Geräte mit quadratischem Kennlinienverlauf mit modernen Frequenzumrichtern auszurüsten und damit ihre Drehzahl an den jeweiligen aktuellen Leistungsbedarf anzupassen. Denn in den meisten Fällen sind die Pumpen und Lüfter in der Gebäudetechnik auf den ‚worst case‘ ausgelegt, so z.B. in Klimaanlagen auf den heißesten Tag des Jahres, an dem sie dann ihre Höchstleistung bringen müssen. Die gesamte übrige Zeit laufen sie dementsprechend natürlich nur im Teillastbetrieb. Analoges gilt auch für Druckerhöhungsanlagen in Hochhäusern. Und an dieser Stelle kommen die Frequenzumrichter ins Spiel. Dabei spricht auch die Tatsache für eine solche Maßnahme, dass sinkende Preise die Umrichter immer attraktiver machen. Aber Achtung: Nicht alle Pumpen und Ventilatoren sind für eine Drehzahlregelung geeignet.

Drehzahlregelung als Sparfaktor

Um Überraschungen bei der Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern zu vermeiden, sollte der Betreiber in der Projektierungsphase beachten, dass sich mit Änderung der Drehzahl auch der Arbeitspunkt und somit der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine ändert. Zur Vermeidung unwirtschaftlicher und kontraproduktiver Maßnahmen ist es daher notwendig, alle Aspekte, sowohl in technischer wie auch kommerzieller und logistischer Art, vor einer Investitionsentscheidung zu prüfen. Damit die Kosten und die Effektivität durch den Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen und Lüfter stimmen, sollte der Anwender eines Frequenzumrichters diesen nicht nach dem günstigsten Preis, sondern nach dem wirtschaftlich sinnvollsten und attraktivsten Angebot über die Gesamtlebenszeit auswählen.

Wirkungsgrad als Auswahlkriterium

Nach wie vor kommen in älteren Systemen, aber auch bei Neuanlagen, bei vielen Pumpen oder Ventilatoren häufig 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 dabei – wie oben schon erwähnt – in der 3. Potenz! So benötigt ein Lüfter z.B. bei der halben Drehzahl nur ein Achtel der Leistung. Dieses Verhalten gilt analog für alle Strömungsmaschinen mit quadratischem Verlauf der Kennlinie. Wie oben schon beschrieben, müssen die Systeme in der Gebäudetechnik auf die Spitzenlast ausgelegt sein. Daraus ergibt sich zwangsläufig ein hoher Anteil an Teillastbetrieb. Dieser Tatsache tragen Hersteller von Strömungsmaschinen inzwischen Rechnung. Sie legen ihre Aggregate daher teilweise so aus, dass das Wirkungsgradoptimum bei ca. 70% der Fördermenge liegt. Anwender sollten daher bei einer Nachrüstung bestehender Anlagen oder Neukonzeption bei der Auswahl der eingesetzten Strömungsmaschinen darauf achten, wo das Wirkungsgradoptimum liegt und mit dem Teillastprofil ihrer Anwendung abstimmen, ob eine solche Auswahl für ihre Anlage sinnvoll ist.

Kaskadierung häufig sinnvoll

Im Zusammenspiel aus Strömungsmaschine und Umrichter ergibt sich ein Drehzahlbereich, in dem das System Energie spart. In diesem Bereich sollte die Maschine die meiste Zeit laufen. Ist der Unterschied zwischen der maximal benötigten Leistung und dem durchschnittlichen Teillastbetrieb zu groß, muss der Betreiber eine andere Lösung ins Auge fassen. In diesen Fällen benötigt der Anwender dann eine Lösung für den Mehrgerätebetrieb, die trotzdem oben beschriebene Vorteile bietet. Gründe für den Einsatz eines solchen Anlagenaufbaus gibt es viele. Der wichtigste Grund liegt in der optimalen Einstellung des Arbeitspunktes in Abhängigkeit von der jeweils benötigten Leistung im System. Dies kann z.B. bei einem großen Regelbereich mit Einsatz nur einer Pumpe, die für den ‚worst case‘ ausgelegt ist, einen Wirkungsgrad bedeuten, der nur bei 10 bis 20% liegt. Das Mehrpumpensystem liegt im Vergleich dazu meist bei über 70%. Daher ist es sinnvoll, eine Kaskadierung der Anlage vorzunehmen. Oft rechnen sich auch bei einem Umbau einer bestehenden Anlage die Investitionen nach kurzer Zeit. Bei der 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 erhältlich.

Spezialistenrat sinnvoll

Für eine optimale Lösung mit der maximalen Energieeffizienz muss der Anwender auf jeden Fall abschätzen, welche Vor- und Nachteile eine bestimmte technische Lösung hat. Dabei ist zu beachten, dass meist der Preis mit der Güte/Qualität der technischen Lösung steigt. Da es für Anwender in der heutigen Zeit fast unmöglich ist, alle technischen Geräte bis ins letzte Detail zu kennen und auch die Komplexität des Zusammenspiels aller Komponenten steigt, ist es durchaus sinnvoll, bei Bedarf Experten hinzuzuziehen und mit ihnen alle technischen Vor- und Nachteile zu klären.

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