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Heizungs-Umwälzpumpe

Definition: eine Pumpe, die in einem Zentralheizungssystem das Heizwasser umwälzt

Englisch: circulation pump of a central heating system

Kategorien: Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 09.05.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Heizungs-Umwälzpumpe
Abbildung 1: Eine Heizungs-Umwälzpumpe in einem Mehrfamilienhaus.

Bei einer Zentralheizung wird die erzeugte Heizwärme fast immer mit Hilfe von warmem Wasser von dem Wärmeerzeuger (z. B. einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe) zu den Heizkörpern oder einer Fußbodenheizungsinstallation transportiert. Das Heizwasser muss hierfür in der Regel mit einer Heizungs-Umwälzpumpe (auch Heizkreispumpe genannt) bewegt werden, die sich in der Nähe des Wärmeerzeugers (im Heizkeller) befindet, und zwar entweder im Vorlauf oder (heute üblicher und auch meist besser) im Rücklauf. Kaum mehr verwendet werden Schwerkraftsysteme, bei denen das Heizwasser allein durch die Temperaturunterschiede umgewälzt wird, ohne dass eine Pumpe benötigt wird. Dies funktioniert nämlich nur dann zuverlässig, wenn relativ hohe Vorlauftemperaturen verwendet werden (was heute meist nicht mehr der Fall ist) und die Druckverluste in den Leitungen gering sind (was dicke Leitungen ohne starke Biegungen voraussetzt).

In einem Heizkeller können sich zusätzliche Umwälzpumpen befinden, z. B. für die Versorgung eines Warmwasserspeichers. Solche Pumpen laufen häufig nur kurzzeitig (während der Speicheraufladung), weswegen ihr Energiebedarf weniger ins Gewicht fällt.

In aller Regel führt man kleinere Umwälzpumpen als Nassläufer-Kreiselpumpen aus, die keine Dichtung für eine rotierende Pumpenwelle benötigen. Wesentlich effizienter können freilich Trockenläuferpumpen sein, wie sie im höheren Leistungsbereich üblich sind.

Benötigte Pumpenleistung

Die Umwälzpumpe soll genügend leistungsstark sein, um eine ausreichende Menge von Heizwasser umwälzen zu können. Hierfür muss sie gegen einen gewissen Gegendruck arbeiten, der durch Strömungsverluste in den Rohrleitungen entsteht und durch Heizkörperventile (evtl. mit Thermostaten) weiter erhöht werden kann. Wenn zu wenig Heizwasser umgepumpt wird, muss für eine ausreichende Heizleistung die Vorlauftemperatur angehoben werden, was meist unerwünscht ist.

Andererseits ist auch eine unnötige starke Umwälzung unerwünscht, weil die Pumpe dann unnötig viel elektrische Energie verbraucht, womöglich auch lästige Strömungsgeräusche erzeugt (z. B. an Heizkörperventilen) und die Rücklauftemperatur ansteigen lässt. Letzteres kann die Effizienz z. B. einer Wärmepumpe oder eines Brennwertkessels beeinträchtigen. Ein Indiz für eine unnötig hohe Pumpenleistung ist, wenn die Rücklauftemperatur häufig nur wenige Grade unter der Vorlauftemperatur liegt, die Temperaturspreizung also sehr gering ist.

Die Dimensionierung einer Anlage mit Umwälzpumpe sollte folgendermaßen vorgenommen werden:

  • Zunächst wird festgelegt, wie viel Wasser das System umwälzen muss. Dies ist einfach: Der Durchfluss ergibt sich aus der zu transportierenden Wärmeleistung und der vorgesehenen Temperaturspreizung (Differenz von Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur). Beispielsweise findet man für eine Heizleistung von 20 kW und eine Temperaturspreizung von 10 Kelvin einen Volumenstrom von 0,48 Litern pro Sekunde. (Für Heizkörper statt Fußbodenheizung kann die Temperaturspreizung etwas höher gewählt werden, was einen niedrigeren Volumenstrom ergibt.)
  • Das Leitungssystem sollte so ausgelegt werden, dass der vorgesehene Durchfluss ohne einen allzu hohen Gegendruck möglich ist. Werte von 10 bis 20 kPa (entsprechend 1 bis 2 m Förderhöhe) wären gut.
  • Das Produkt von Volumenstrom und Druckdifferenz ergibt nun die benötigte hydraulische Leistung. (Beispielsweise findet man für 0,48 l/s und 10 kPa Gegendruck eine hydraulische Leistung von 4,8 W.) Diese Leistung gilt es nun auf effiziente Weise bereitzustellen. Hierfür muss unbedingt eine Pumpe mit geeigneter Pumpenkennlinie ausgewählt werden. Als Faustregel kann man die Pumpe so auswählen, dass die Maximalwerte von Durchfluss und Druck ungefähr dem Doppelten der angestrebten Werte entsprechen. Darüber hinaus sollte die Pumpe natürlich gut konstruiert sein. Dies kann über den Pumpenwirkungsgrad kontrolliert werden: Das Verhältnis von benötigter hydraulischer Leistung und elektrischer Leistungsaufnahme soll möglichst hoch sein – bei einer Heizungs-Umwälzpumpe möglichst über 50 %. Obwohl ein Pumpenwirkungsgrad von 50 % nicht besonders anspruchsvoll wirkt, wird ein solcher Wert von vielen Pumpen nicht erreicht. Mit den Zahlen des obigen Beispiels hätte man bei 50 % Wirkungsgrad eine Stromaufnahme von 4,8 W / 0,50 = 9,6 W. (Bei 20 kPa Gegendruck wären es immer noch unter 20 W.) Viele heute laufende Umwälzpumpen brauchen jedoch eher 100 W, was immerhin über 20 € Stromkosten pro Monat verursachen kann.

Es ist auch von Interesse, im Betrieb zu kontrollieren, ob die Pumpenleistung angemessen ist. Indizien für eine zu hohe Pumpenleistung sind eine zu geringe Temperaturspreizung sowie laute Fließgeräusche. Bei einer zu niedrigen Pumpenleistung dagegen werden manche Heizkörper nicht mehr ausreichend versorgt, während die Temperaturspreizung hoch ist. Bei regelbaren Pumpen kann dies dann entsprechend korrigiert werden.

Energiebedarf von Umwälzpumpen

Der elektrische Energiebedarf von Heizungsumwälzpumpen ist häufig erheblich und weitaus höher als technisch unvermeidbar. Dies kann verschiedene Ursachen haben:

  • Die Leistung der Umwälzpumpe ist häufig viel zu hoch angesetzt. Bei manchen Pumpen lässt sich die Drehzahl einstellen (oft in zwei oder drei Stufen), und eine Absenkung kann erhebliche Energieeinsparungen mit sich bringen. Allerdings ist eine zu starke Pumpe, die auf kleinster Stufe betrieben wird, meistens immer noch ineffizient gegenüber einem gut dimensionierten Modell.
  • Viele (vor allem alte) Umwälzpumpen sind technisch mangelhaft entwickelt und deswegen sehr ineffizient. Moderne Geräte enthalten einen viel effizienteren Elektromotor und auch eine hydraulisch besser ausgelegte Kreiselpumpe.
  • Wenn z. B. aufgrund guter Sonneneinstrahlung die Raumtemperaturen ansteigen und die Thermostatventile der Heizkörper schließen, erzeugt eine mit konstanter Drehzahl laufende Umwälzpumpe einen unnötig starken Druck. Gerade in dieser Situation, wenn kaum Umwälzung benötigt wird, steigt der Strombedarf besonders an, und zusätzlich können lästige Strömungsgeräusche entstehen. Diese Probleme werden vermieden von modernen differenzdruckgeregelten Umwälzpumpen, bei denen die Drehzahl automatisch geregelt wird, um einen ausreichenden Druck zu erreichen. (Besonders gute Pumpen mit volumenstromabhängiger Differenzdruckregelung erhöhen den Differenzdruck, wenn die geförderte Wassermenge zunimmt.) In diesem Fall nimmt die Stromaufnahme deutlich ab (anstatt zu), wenn die Heizkörperventile schließen.
  • Eine weitere Voraussetzung für eine gute Energieeffizienz ist, dass die Pumpenkennlinie gut zu den Druckverhältnissen im Leitungssystem passt; dieser Aspekt wird im Artikel über Pumpen erklärt.

In ungünstigen Fällen kann die ungeregelte Heizungs-Umwälzpumpe in einem Einfamilienhaus durchaus 100 W betragen und damit mehr als 25 % des gesamten Strombedarfs ausmachen (häufig mehr als alle Standby-Verbraucher zusammen) – obwohl ihre hydraulische Pumpleistung oft unter 10 W liegt. Häufig lohnt sich deswegen der Austausch der Pumpe gegen eine moderne Hocheffizienzpumpe sowohl ökonomisch als auch ökologisch, selbst wenn die alte Pumpe noch jahrelang funktioniert hätte. Die finanzielle Amortisation des Austausches erfolgt häufig schon in wenigen Jahren. Gute Umwälzpumpen sind häufig mit einem Energielabel versehen.

Die richtige Wahl und Einstellung einer Heizungsumwälzpumpe ist ein wesentlicher Teil des hydraulischen Abgleichs der Zentralheizungsanlage.

Selbstverständlich sollte eine Heizungs-Umwälzpumpe abgeschaltet werden, sobald die Umwälzung im Heizkreis unnötig – beispielsweise im Sommer, oder auch teilweise zur Nachtzeit. Dies erfolgt bei vielen Anlagen automatisch im Zuge der Nachtabsenkung. Bei alten Anlagen muss dies manuell geschehen und wird dann leicht vergessen, wodurch unter Umständen monatelang eine elektrische Leistung von 100 W verschwendet wird. Bei modernen Anlagen wird die Pumpe automatisch an- und ausgeschaltet, so dass dies nicht passieren kann. Es ist auch möglich, dass die Pumpe in Zeiten geringen Wärmebedarfs mehrmals täglich für einige Zeit abgeschaltet wird.

Bei längerem Verbleiben im ausgeschalteten Zustand kann eine Umwälzpumpe festsitzen. Dies kann verhindert werden, indem man die Pumpe in den Sommermonaten gelegentlich kurz einschaltet. (Wenige Sekunden genügen.) Manche elektronische Pumpenregelung tut dies automatisch.

Wärmedämmung

Ein weiterer energetischer Aspekt von Umwälzpumpen ist, dass alte Pumpen häufig nicht wärmegedämmt sind und somit unnötige Wärme in den Heizraum verlieren. Moderne Pumpen enthalten eine Wärmedämmung (z. B. aus Schaumstoff) zumindest für den wasserführenden Teil.

Dezentrale Heizungspumpen

Anstelle einer einzelnen (zentralen) Heizkreispumpe nahe beim Wärmeerzeuger ist es auch möglich, jeden Heizkörper mit einer dezentralen Miniaturpumpe zu versehen. Heute sind hocheffiziente Pumpen verfügbar, die eine sehr niedrige Aufnahmeleistung von der Größenordnung 1 W haben. Eine solche Pumpe ist ähnlich groß wie ein Heizkörperthermostat und übernimmt auch dessen Funktion: Die Pumpe wird nur dann betrieben, wenn die Raumtemperatur unterhalb des gewünschten Werts liegt.

Der prinzipielle Vorteil des dezentralen Ansatzes ist, dass jeweils nur in den Teilen der Zentralheizungsanlage Wasser bewegt werden muss, wo es auch nötig ist. (In konventionellen Anlagen arbeitet die zentrale Heizkreispumpe manchmal unnötig gegen geschlossene Thermostatventile an.) Von daher ist eine Einsparung an elektrischer Antriebsenergie möglich, wenn die Miniaturpumpen nicht weniger effizient sind als die sonst verwendete größere zentrale Pumpe. Sogar eine Reduktion des Heizenergieverbrauchs von 20 % wurde in einem Vergleichstest vom Fraunhofer Institut für Bauphysik gefunden [1]. Dies dürfte aber vor allem daran liegen, dass im Testgebäude mit den Miniaturpumpen eine deutlich stärkere Nachtabsenkung realisiert wurde – wobei sich die Frage stellt, ob man beim konventionellen System hierfür nicht einfach die Vorlauftemperatur nachts hätte deutlich stärker absenken müssen. Bei wärmegedämmten Gebäuden spielt die Nachtabsenkung ohnehin eine geringere Rolle.

Der Einsatz vieler dezentraler Pumpen hat leider auch diverse Nachteile, die in [1] nicht diskutiert werden. Die Kosten für die Installation dürften erheblich höher liegen, vor allem auch weil jede Miniaturpumpe mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Wenn das System zudem einen zentralen Regler enthält, mit dem alle Pumpen verbunden sein müssen, entsteht ein großer Aufwand für die Verkabelung an, was vor allem bei Sanierungen sehr problematisch ist. Hinzu kommt der Umstand, dass technische Ausfälle bei einem System mit vielen kleinen Pumpen wohl viel wahrscheinlicher sind als bei einem System mit nur einer größeren Pumpe.

Aus den genannten Gründen ist der konventionelle Ansatz wohl zu bevorzugen. Ein niedriger Verbrauch elektrischer Energie ist auch hier möglich, wenn eine hocheffiziente Pumpe eingesetzt und sinnvoll geregelt wird und das Leitungssystem hydraulisch sinnvoll ausgelegt und abgeglichen ist. Die dann immer noch auftretenden unvermeidlichen Drosselverluste dürften nicht sehr stark ins Gewicht fallen – jedenfalls viel weniger als die oben genannten häufigen Probleme bei älteren Anlagen mit ineffizienten und/oder überdimensionierten Pumpen und fragwürdigen hydraulischen Verhältnissen.

Literatur

[1]BINE Projektinfo 13/2006: Dezentrale Heizungspumpen, http://www.bine.info/fileadmin/content/Publikationen/Projekt-Infos/2006/Projekt-Info_13-2006/projekt_1306internet-x.pdf
[2]Blog-Artikel: "Heizungsumwälzpumpen, die übersehenen Energievergeuder"

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Pumpe, Zentralheizung, Vorlauftemperatur, Temperaturspreizung, hydraulischer Abgleich von Zentralheizungsanlagen, Schwerkraftsystem
sowie andere Artikel in den Kategorien Haustechnik, Wärme und Kälte

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