Heiztechnik – Stromfresser Umwälzpumpe

Die Leitungen der marktgängigen Pumpen – im Folgenden sei die Betrachtung auf Modelle für Ein- und Zweifamilienhäuser beschränkt – variieren stark. Sehr alte Pumpen arbeiten mit elektrischen Leistungsaufnahmen von über 100 W. Dagegen kommen moderne intelligente Pumpen mit kleinen Leistungsaufnahmen von ca. 10 W bis 20 W aus. Laufen die Pumpen permanent, was bei älteren Modellen oft die Regel ist, dann entsprechen 10 W elektrischer Leistung auf das halbe Jahr (angenommen: Heizbetrieb nur im Winter) gerechnet eine elektrische Arbeit von 43,8 kWh. Bei einem Arbeitspreis von 25 Euro-Cent/kWh schlagen diese 10 W Pumpenleistung mit jährlich rund 11 Euro zu Buche. Die Reduktion der Pumpenleistung (Einstellung direkt an der Pumpe auf eine niedrigere Leistungsstufe) um 30 W erspart somit Kosten in Höhe von ca. 33 Euro pro Jahr bzw. 2,75 Euro / Monat. Der Austausch einer alten Pumpe mit sehr hoher Leistungsaufnahme gegen eine intelligente Pumpe führt zu erheblich größeren Einsparungen und amortisiert sich nach zwei bis vier Jahren (ja nach Modell). - Hier können die Einsparungen pro Jahr durchaus dreistellig sein. Rechnen lohnt sich also!

Noch in großer Zahl – vor allem in Altbauten – verbaut sind permanent laufende Umwälzpumpen mit hoher Leistungsaufnahme. Wie gesehen, schlägt sich eine zu hoch gewählte Pumpenleistung auf die Stromrechnung deutlich nieder. Ein Indiz dafür, dass die Pumpenleistung zu hoch eingestellt ist, ist die Rücklauftemperatur. Heizkörper geben Wärme an die Umgebungsluft ab. Dabei kühlt sich das Wasser im Heizkreislauf ab. Ist die Pumpenleistung zu hoch, ändert sich daran natürlich nichts, jedoch werden große Wassermengen durch den Kreislauf gepumpt. Um die erforderliche Wärmemenge an den Raum abzugeben, muss das Wasser deswegen weniger Temperatur pro Volumeneinheit abgeben, als würde das Wasser langsamer fließen. Im Ergebnis ist die gemessene Rücklauftemperatur viel zu hoch.

Spezielle Steuerungen messen die Vor- und Rücklauftemperatur und steuern ein Mischerventil. Dieses Mischerventil leitet noch ausreichend heißes Wasser ohne Kesseldurchlauf erneut in den Vorlauf des Heizkreises und reduziert damit die Brennerlaufzeiten deutlich. Allerdings ist diese technische Maßnahme nicht dafür entwickelt worden, die völlig überflüssige Hochdruckspeisung des Heizkreises zu kompensieren, sondern die Wärmeenergie des bereits erhitzten Wassers optimal zu nutzen.

Eine Reduktion der Pumpenleistung ist in einem solchen Fall, wo die Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauf zu gering ist, möglich und sinnvoll. Zuvor sollte jedoch der Durchfluss in den verschiedenen Höhenebenen optimal eingestellt werden. Dies geschieht über das Ventil der Rücklaufverschraubung.

(rs/01-2016)

Durchflussbegrenzung im Heizkreislauf

Ein Beispiel: In einem mehrstöckigen Gebäude sind die Familien der mittleren Stockwerke durchaus mit der Heizleistung der Anlage zufrieden. Im obersten Stockwerk wird kein Heizkörper wirklich warm und die Bewohner der untersten Etagen leben in vollkommen überhitzten Räumen. Es sei angenommen, dieser Zustand tritt ein, wenn alle Thermostate an den Heizkörpern voll vollkommen geöffnet sind. Ziel soll es nun sein, in allen Etagen ein gleichmäßiges Temperaturprofil zu erhalten und die eingesetzte Energie möglichst optimal zu nutzen.

Hier kann in einem ersten Schritt der maximale Durchfluss angepasst werden. Sich dabei auf die Disziplin und Kooperation der Bewohner zu verlassen, wird nicht weit führen. Diese werden den kompletten Spielraum ihrer Thermostate zur Regelung der Raumwärme ausnutzen. Der maximale Durchfluss kann allerdings statisch über die Rücklaufverschraubung begrenzt werden.

Es gilt, dem von der Heizung kommendem Wasser im Vorlaufkreis eine Widerstandsstruktur zu bieten, so dass alle Heizkörper gleichmäßig durchflossen werden. Man kann sich das im übertragenen Sinne im Vergleich mit einer Parallelschaltung in einem elektrischen Stromkreis vorstellen: Es fließt durch alle (parallel geschalteten) Widerstände nur dann der gleiche Strom, wenn jeder vom Knoten ausgehende Strang den gleichen Widerstandswert hat.

Beim Heizungssystem bedeutet dies, dass die Gesamtwiderstände aus Rohrleitung und Heizkörper an den abgehenden Knotenpunkten gleich sein müssen. Der Widerstand der höher gelegenen Heizkörper ist – auch bei vollkommen baugleichen Heizkörpern – grundsätzlich größer. Grund ist der Reibungswiderstand an der Rohrinnenseite und die Schwerkraft, die dem aufstrebenden Wasser entgegen wirkt. Auch Abkühlung über die Rohrwände spielt eine – wenn auch geringe – Rolle.

Der Temperaturunterschied des Wassers war bei früher sehr geläufigen Schwerkraftheizungen entscheidend für die Funktion der gesamten Anlage. Zudem wurden hier sehr große Rohrquerschnitte verwendet und die Heizungsanlage reagierte sehr träge. Eine Schwerkraftheizung funktioniert durch die Dichteunterschiede des Wassers bei verschiedenen Temperaturen. Heißes Wasser hat eine geringere Dichte als Kaltes: Es steigt deswegen auf. Verliert das Wasser im Rohrsystem an Temperatur, so nimmt dessen Dichte zu und bremst den Effekt.

In modernen Heizungssystemen ist dieser Effekt allerdings minimal, denn der Wassertransport im Heizkreislauf wird mithilfe von Pumpen getrieben. Im Grunde genommen müsste die Pumpe lediglich Reibungswiderstände und dynamische Verluste durch die Abkühlung des aufsteigenden Wassers ausgleichen. Die Umwälzpumpe kann ein signifikanter Stromfresser sein. Darum ist es sinnvoll, die Pumpenleistung auf das unbedingt notwendige Maß zu begrenzen.

Zuvor sollten jedoch die Durchflüsse optimal eingestellt sein. In einem letzten Schritt wird die Vorlauftemperatur soweit reduziert, dass in allen Etagen eine angenehme Wärme einstellbar ist. Diese drei Schritte helfen, Energie zu sparen: Eine niedrigere Vorlauftemperatur spart Heizenergie und eine geringe Pumpenleistung spart elektrische Energie.

(rs/01-2016)

Rebound-Effekt

In Diskussionen über Studien zur Elektromobilität, zur regenerativen Energie allgemein und zur Energieeffizienz wird immer wieder eine erstaunliche Feststellung gemacht: Der Energiebedarf wird steigen, obwohl die Geräte deutlich effizienter mit der Energie umgehen. Belegt dieser „Rebound-Effekt“, dass die Energiesystemtransformation gescheitert ist? Oder zeigt diese Entwicklung sogar, dass die „Energiewende“, wie die Energiesystemtransformation weitläufig bezeichnet wird, möglicherweise das Klima und die Umwelt schadet?

Der englische Begriff „Rebound“ hat verschiedene Bedeutungen: So kann er für „Abprall“ oder sogar „Rückschlag“ stehen, aber auch für einen „Aufschwung“. Doch was verursacht den „Rückschlag“ zum eigentlich ganz anders erwarteten Ergebnis von Energieeffizienzmaßnahmen?

Weltweit steigt der Energiebedarf

Grundsätzlich ist zunächst festzustellen, dass der weltweite Energiebedarf massiv zunehmen wird und zu bedienen ist. Dies begründet sich damit, dass insbesondere in Schwellenländern wie China und Indien immer mehr Menschen vom aufkeimenden Wohlstand profitieren können. Zudem leben in diesen Ländern rund 30% der gesamten Weltbevölkerung und diese Staaten befinden sich erst am Beginn ihrer eigenen Entwicklungsphase, auch wenn sie bereits große Wirtschaftsmächte darstellen. Steigender Wohlstand in den Schwellenländern darf aber keinesfalls überbewertet werden, denn die soziale Entwicklung ist bei weitem noch nicht ausreichend. Die weltweite Zahl der in akuter Armut lebender Menschen ist und bleibt bis auf Weiteres eklatant hoch!

Zum steigenden Energiebedarf wird auch die fortschreitende Automatisierung in der Produktion beitragen. Was einst Menschenhand erschaffen hat, fertigen nun Maschinen. Dank der Entwicklung, die sich hinter dem Begriff Industrie 4.0 verbirgt, werden nicht nur Fertigungsprozesse automatisiert, sondern diese global vor allem nach dem Gesichtspunkt der Kostenreduktion bzw. Kostenvermeidung strukturiert und verlagert. So werden Produktionsstätten nicht nur in so genannte Billiglohnstaaten verlegt, sondern auch die Ferntransporte für Produktionsgüter und Waren zunehmen.

Energieeffizient und doch mehr Energiekonsum?

Es ist nicht nur der Schock beim Erhalt der Stromrechnung, sondern auch Alltag eines jeden Fachverkäufers im Elektro- und Elektronikhandel am Reklamationsstand: Obwohl sparsame Geräte mit Einstufungen in die Energieeffizienzklasse AA oder gar AAA erworben werden, steigt der Energieumsatz spürbar an. Ist also „all das Gerede“ um Energieeffizienz nur Lug und Betrug?

Es lässt sich nicht leugnen, dass auch daran etwas Wahres dran ist, denn Energieeffizienzklassen müssen in ihrer Definition richtig verstanden werden. Beispiele dafür sind zahlreich zu finden. Man betrachte eine Waschmaschine oder einen Geschirrspülautomaten. Diese präsentieren sich sehr gern mit hervorragenden Energieeffizienzklassen in den Katalogen, jedoch gelten diese Angaben nur für ausgewählte Waschprogramme. In der Regel dauern die energieeffizienten Waschprogramme deutlich länger und finden auch bei geringeren Temperaturen statt. Setzt man nun beim Gebrauch der Geräte auf kurze Zeiten und hohe Temperaturen, so wird deutlich mehr Energie umgesetzt. Von einer Ersparnis ist nicht mehr zu reden!

Ebenso sieht es bei moderner Unterhaltungselektronik aus, wie zum Beispiel bei Flachbildschirmen. Diese Geräte werden als sparsam angepriesen. Richtig ist allerdings, dass sie sparsamer gegenüber einem in der Bildschirmgröße vergleichbaren Gerät sind. Flachbildschirme sind jedoch in der Regel mit deutlich größeren Bildschirmdiagonalen, sowie zusätzlichen Leistungsmerkmalen wie „Ambilight“ und Audio-Systeme ausgerüstet und entlasten damit insgesamt nicht den Energiehaushalt.

Als besonders wenig Energie umsetzend werden LED-Leuchtmittel angesehen. In der Tat ist deren Lichtleistung bei vergleichsweise geringer eingesetzter elektrischer Leistung sehr groß. Würde man also 1:1 die Glühlampen gegen LED-Leuchtmittel mit vergleichbarer Lichtleistung ersetzen, wären die Einsparungen tatsächlich signifikant. Die LED-Technik bietet aber vollkommen neue Möglichkeiten im Design von Leuchten, denn sie strahlen nicht viel Wärme ab und es können sehr kleine und doch lichtstarke Leuchtmittel eingesetzt werden. Damit lassen sich beachtliche Effekte erzielen. Diese Leuchten sind meist jedoch mit sehr vielen LED-Leuchtmitteln ausgestattet. Design und die erzielbaren Lichteffekte tragen dazu bei, dass die aufgenommene Gesamtleistung letztlich höher ist als bei einer einfachen Glühlampe.

Signifikant nachteilig wirkt sich der Rebound-Effekt, den sparsame Technologien mit sich bringen, auf die Mobilität aus! - Das Auto ist – auch wenn Experten und einige Studien das Gegenteil postulieren – nach wie vor ein Statussymbol. Ein großes und schnelles Auto leistet sich nicht jedermann, denn Leistung ist nur mit entsprechenden Unterhaltskosten zu bekommen. Frühere „8-Zylinder“ waren reine „Spritfresser“. Wer in seinem Haushaltsbudget auf den Cent achten musste, wählte den Kleinwagen.

Wenn nun große Sportwagen und SUVs im Verbrauch deutlich kostengünstiger werden und deren Finanzierung erleichtert wird, dann ist der Effekt zu beobachten, dass die Einsparung, die durch sparsame Motoren möglich wäre, nicht in einer Senkung von Kosten und auch Emissionen „mitgenommen“ wird. Statt dessen wird die Chance genutzt, auf die nächst höhere Fahrzeugklasse umzusteigen. Sowohl Emissionswerte insgesamt als auch Unterhaltskosten stagnieren also, anstatt sich in fallenden Werten auszuwirken.

Die Entwicklung kleiner, sparsamer und dennoch leistungsfähiger Motoren führt also nicht zwangsweise zur Entlastung von Straßen und zu weniger Emissionen, sondern zur stärkeren Belastung besonders der Innenstädte durch die Nachfrage zunehmend längerer und breiterer Fahrzeuge. Der Trend zum „City-SUV“, einem geländetauglichen Fahrzeug, was ausschließlich in der Stadt auf kurzen Wegen verwendet wird, ist seit Jahren deutlich zu erkennen.

Fazit

Der Rebound-Effekt in der Energietechnik, der sich durch einen Anstieg des Energiekonsums oder zumindest durch eine signifikant geringere Einsparung trotz des Einsatzes wesentlich energieeffizienterer Geräte zeigt, ist in erster Linie durch das Verhalten der Menschen begründet. Prestige, das Ausschöpfen der Möglichkeiten, auch wenn dies nicht zwingend nötig wäre und ein nach wie vor nicht vorhandenes Umweltbewusstsein führen dazu, dass Einsparungen der Geräte im Energiekonsum durch die Masse von Geräten kompensiert werden. Global ist darüber hinaus auch ein zunehmender Wohlstand in den Schwellenländern zu berücksichtigen, der den weltweiten Energiebedarf in der Zukunft massiv steigen lassen wird.

(rs/01-2016)