Durch ein neuartiges Motorenkonzept macht die Umwälzpumpe Wilo-Stratos ein Stromsparpotenzial von bis zu 80 % zugänglich. Sie arbeitet wartungsfrei und geräuscharm wie herkömmliche Nassläuferpumpen. Mitsamt der integrierten Regelung lässt sie sich in Kühlungen so gut wie in Heizungen einsetzen.
Hansjürgen Kech ist Leiter Entwicklung elektrische Maschinen und Elektronik, Jürgen Resch ist Leiter Marketing Heizung bei der Wilo GmbH in Dortmund
Etwa 3,5 % des jährlichen Stromverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland geht auf das Konto von Umwälzpumpen. Allein in Heizungsanlagen sind über 30 Millionen Aggregate im Einsatz. Insgesamt liegt ihr Energieverbrauch in derselben Größenordnung wie derjenige der Deutschen Bahn, einschließlich aller Straßen- und U-Bahnen. Diese hat im Jahr 1995 etwa 15,6 Mrd. kWh Strom verbraucht. Umwälzpumpen verschlingen enorme Mengen an Energie!
Der größte Teil der heute installierten Pumpen sind so genannte Nassläufer. Das konstruktive Merkmal eines Nassläufers besteht darin, dass der Rotor, der das Laufrad antreibt, selbst im Fördermedium sitzt. Die eingebauten Lager werden durch das Fördermedium geschmiert. Daher gibt es auch keine Gleitringdichtungen, die gewartet und ausgetauscht werden müssen. Diese Pumpen haben den Vorteil, dass sie wartungsfrei sind und nahezu geräuschlos arbeiten. In der bisherigen Ausführung bezahlen sie allerdings ihre Wartungsfreiheit und Laufruhe mit einem niedrigen Wirkungsgrad. Denn die Abgrenzung des Fördermediums zum Strom-führenden Stator übernimmt ein Spaltrohr aus nichtmagnetisierbarem Edelstahl. Der große Luftspalt führt zusätzlich zu hohen Energieverlusten. Angesichts der Betriebsdauer solcher Pumpen von etwa 6000 h im Jahr eröffnet sich ein enormes Einsparpotenzial, wenn die Aggregate effizienter arbeiten.
Die Wilo GmbH hat daher die neue Pumpenbaureihe Wilo-Stratos mit dem Ziel entwickelt, diesen Energiebedarf drastisch zu reduzieren. Und das ist gelungen: Im Vergleich zu Standardpumpen konnte der Stromverbrauch um bis zu 80 % gesenkt werden. Das verdankt die Stratos dreierlei Neuerungen, die konstruktiv Hand in Hand gehen: Erstens einer Motorentechnologie, die auf einem Synchronantrieb basiert. Dabei rotiert ein Dauermagnetrotor genau so schnell wie das Drehfeld des Stators und reduziert die Motorenverluste erheblich (ECM-Technologie: Electronic Commutated Motor). Hinzu kommen zweitens eine neuartige Nassraumkapselung und drittens Verbesserungen des hydraulischen Wirkungsgrades durch diverse konstruktive Maßnahmen. Mit dieser neuen Bauweise liefert Wilo die weltweit erste Nassläuferpumpe mit ECM-Technologie, die sowohl für Heizungs- als auch Kaltwasseranwendungen geeignet ist bei Medientemperaturen zwischen -10° C und +110° C.
Bei der Entwicklung lag der Fokus auf dem Bereich der Leistungsaufnahme bis 1000 W. In diesem Bereich werden heute immer noch Pumpensysteme mit Asynchronmaschinen in Spaltrohrtechnik verwendet – den besagten Nassläufern mit niedrigem Wirkungsgrad.
Um die Antriebe einzugrenzen, die für energiesparende Pumpen in Frage kommen, wurden unterschiedliche Motorenkonzepte untersucht. Im Vordergrund standen Wirkungsgrad, Prozessfähigkeit, Kundenakzeptanz und Kosten. Die Ergebnisse wiesen eindeutig Vorteile für EC-Motoren mit Dauermagnet-Rotoren als zukünftige Pumpenantriebe auf, da sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren besitzen.
Unter Beachtung der physikalischen Zusammenhänge lassen sich beim EC-Motor als Pumpenantrieb folgende Vorteile erkennen:
– Halbierung der Leistungsaufnahme
– Deutlich verbesserter Motorwirkungsgrad im Voll- und auch Teillastbereich
– Verbesserter Hydraulikwirkungsgrad
– Verringerung von Baugröße und Gewicht.
Die elektronisch kommutierten Antriebe funktionieren physikalisch so: Die Dauermagnete im Rotor erzeugen den magnetischen Fluss im Motor. Werden die Wicklungen des feststehenden Stators bestromt, kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den elektrischen und magnetischen Polen. Die auftretenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte führen zu Drehbewegungen. Der elektronische Kommutator muss nun die Spulen immer dann einschalten, wenn die umlaufenden Rotormagnete eine günstige Position für die Drehbewegung haben. Sensoren erfassen diese Rotorposition.
Die elektronische Kommutierung übernimmt ein Umrichter, der sich zwischen Netz und Motor befindet. Bei modernen Antrieben wird die sinusförmige Bestromung durch eine Leistungselektronik erzeugt, die im Motor integriert ist. Anders als bei Ansynchronmaschinen ist direkter Netzbetrieb nicht möglich.
Die auch „Brushless-Motoren“ genannten EC-Motoren kommen bereits in Trockenläuferbauweise vor, zum Beispiel in Lüftern oder als Geräteeinbaumotoren. Langjährige Felderfahrungen mit Leistungen zwischen 50 und 1000 W in größeren Serien gibt es aber noch nicht.
Ein Schwerpunkt der Entwicklungsanstrengungen galt dem Ziel, den EC-Motor mit Dauermagnet-Rotor auch für Anwendungen im Kaltwasserbereich verwenden zu können. Herkömmlich geregelte Nassläuferpumpen sind bislang nur für Heizungen geeignet. Praktiker kennen das Problem: Wenn die Pumpe steht, kann Schwitzwasser entstehen. Läuft sie dann, verdampft das Schwitzwasser durch die Eigenerwärmung. Bei der Wilo-Stratos ist darum die gesamte Konstruktion darauf ausgerichtet, Schwitzwasser zu vermeiden.
Den Gesamtwirkungsgrad des Aggregats bestimmen der Motor und die Hydraulik gemeinsam. Beide Teilwirkungsgrade ließen sich bei der Stratos verbessern. Sogar im Vergleich zu Synchronmotoren mit konventioneller Nassraumkapselung arbeitet der EC-Motor dank des nichtmetallischen Spaltrohres wesentlich effizienter. Höhere Drehzahlen als bei Asynchronantrieben verbessern den hydraulischen Wirkungsgrad.
Dazu tragen zusätzlich auch konstruktive Maßnahmen bei. So verringern die dreidimensional gekrümmten Schaufeln und die glattere Oberfläche des Laufrades die Reibungsverluste. Dass der Wirkungsgrad gerade auch im Teillastbereich stark erhöht werden konnte, ist ein entscheidender Vorteil, weil Heizungspumpen bis zu 98 % ihrer Zeit im Teil- oder Schwachlastbereich laufen.
Im Vergleich zu Standardpumpen lassen sich daher wie erwähnt insgesamt bis zu 80 % der Betriebskosten einsparen (siehe Diagramme).
Während bei großen Antriebsleistungen die absolute Energieeinsparung im Vordergrund steht, kann die individuelle Einsparung beim Endverbraucher gering sein. Doch durch die große Stückzahl entsteht ein wichtiges volkswirtschaftliches und ökologisches Argument für sparsamere Pumpen. Produkte mit niedrigerem Energieverbrauch sind in der Regel teurer in Herstellung und Verkaufspreis. Seit jedoch Kompaktumrichter verfügbar sind und Leistungs- sowie Mikroelektronik weitere Fortschritte erzielt haben, hat sich die Situation verbessert. Die kurze Amortisationszeit für die Mehrkosten rechnet sich für den Anwender. Die Lebenszykluskosten für Umwälzpumpen – also vor allem die Stromkosten – machen ein Vielfaches der Anschaffungskosten aus und sollten besonders beachtet werden.
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