Auslegung Solepumpe

Solepumpen sind oft stark überdimensioniert [ FAWA04 ]. Eine korrekte Auslegung kann zu grosser Einsparung führen. In der Hälfte untersuchter Bestandsanlagen beträgt der Anteil der elektrischen Leistungsaufnahme der Solepumpen mehr als 13% der Kompressorleistung [ FAWA04 ]. Korrekt ausgelegte Solepumpen verbrauchen einen Anteil von 2-4% und verbessern so die Arbeitszahl um teilweise mehr als 10 %.

Leider haben einige Wärmepumpenmodelle die Solepumpe bereits im Gerät fest installiert. Diese Pumpen sind normalerweise Standardpumpen um das Gerät möglichst billig anbieten zu können die oft auch überdimensioniert sind, damit der Minimaldurchfluss in allen Fällen garantiert wird. Wärmepumpen mit externen oder tauschbaren Solepumpen sind deshalb vorzuziehen.

Solekonzentration

Einen wesentlichen Einfluss auf den Druckverlust in der Erdsonde hat die Solekonzentration. Mit zunehmendem Frostschutzmittelanteil der Sole wird diese zähflüssiger (höhere Viskosität) und die Wärmekapazität sinkt. Letzteres führt dazu dass für den Transport der selben Energiemenge mehr Sole umgewälzt werden muss. Beides erhöht die Aufnahmeleistung der Solepumpe.

Die Solekonzentration sollte folglich so gering wie möglich gewählt werden. Damit sicher nichts einfrieren kann sollte die Frostschutztemperatur der tiefsten Verdampfertemperatur die je auftreten kann entsprechen. Diese liegt je nach Wärmepumpenmodell rund 4-5 K unter der tiefsten Rücklauftemperatur des Solekreises. Eine Wärmepumpe schaltet üblicherweise bei Unterschreitung eines gewissen Werts der Sole-Rücklauftemperatur automatisch ab. Tiefer geht die Temperatur also sicher nicht. Bei knapp ausgelegter Wärmequelle kann diese Temperatur als Ansatz für die Frostschutzgrenze dienen. Bei gut dimensionierten Wärmequellen wird diese Temperatur aber nicht annähernd erreicht und eine höhere Frostschutzgrenze ist möglich. Die Wärmequelle sollte aber vorher genau berechnet (simuliert) werden. Sicherheitshalber kann auch die Abschalttemperatur der Wärmepumpe entsprechend dieser höheren Frostschutzgrenze eingestellt werden. Bei Erdsonden ist auch ein reiner Wasserbetrieb möglich sofern die Rücklauftemperatur 3-4 °C (je nach Wärmepumpe) nie unterschreitet. Es sind einige solche Anlagen erfolgreich in Betrieb [ NANI05 ]

Berechnung des Druckverlusts und der Fördermenge

Um eine Pumpe auswählen zu können muss deren Arbeitspunkt bekannt sein, d.h. deren Fördermenge und der Druckverlust im System den sie zu überwinden hat. Dieser Arbeitspunkt ist nicht konstant. Durch die unterschiedliche Viskosität der Sole bei unterschiedlichen Temperaturen verschiebt sich dieser stetig. Es wird normalerweise der Arbeitspunkt bei 0 °C Soletemperatur herangezogen.

Der minimale Durchfluss durch den Verdampfer der Wärmepumpe bzw. die maximale Spreizung im Solekreis wird von vielen Herstellern vorgegeben. Dieser muss aber nicht mit dem energetisch optimalen übereinstimmen. Mit Absprache des Herstellers kann die Anlage oft auch mit leicht abweichenden Durchflüssen betrieben werden. Der Durchfluss wirkt sich in der 3. Potenz auf den Leistungsbedarf der Solepumpe aus. Ein etwas geringerer Durchfluss bzw. höhere Spreizung kann den Verbrauch der Pumpe drastisch senken, erhöht aber gleichzeitig den Verbrauch der Wärmepumpe (ca. linear mit dem Durchfluss, bzw. rund 1.3% pro um 1 K höhere Spreizung).

Zur Ermittlung der Pumpenparameter gibt es im Internet frei verfügbare Programme, z.B. das auf Excel basierende EWSDruck. Durch die Angabe der Anzahl, Art und Länge der Sonden, der Solenart und -Temperatur, Druckverluste im Verdampfer und der Zuleitung, der Spreizung über dem Solekreis und relevanter Wärmepumpenparameter können Durchfluss und Druckverlust rasch berechnet werden. Es können so auch verschiedene Vatianten für abweichende Spreizung und Soletemperaturen durchprobiert werden. Zu beachten ist, dass die Kälteleistung der Wärmepumpe mit der jeweils eingestellten Soletemperatur übereinstimmen muss. Kennt man den Wirkungsgrad der Pumpe kann deren Leistungsaufnahme direkt abgelesen werden. So kann unter Berücksichtigung des Mehrverbrauchs der Wärmepumpe die optimale Spreizung im Solekreis ermittelt werden und die Solepumpe darauf ausgelegt werden, sofern der Hersteller den Betrieb bei der entsprechenden Spreizung zulässt.

Auswahl der Pumpe

Bei der Wahl der passenden Solepumpe muss man darauf achten, dass sie für das gewählte Frostschutzmittel und den Temperaturbereich der Sole zugelassen ist.

Standardpumpen haben gewöhnlich feste Kennlinien. Findet man kein Modell bei dem der Arbeitspunkt auf eine Kennlinie fällt (was die Regel ist), wählt man das Modell aus, bei dem die Kennlinie näher am optimalen Arbeitspunkt liegt.

Es empfiehlt sich aber statt einer Standardpumpe mit bescheidenem Wirkungsgrad eine Hocheffizienzpumpe mit Permanentmagnet Motor zu nehmen. Diese spart durch ihre optimierte Bauart bis zu 2/3 an Energie. Da die Leistung in der Regel hoch ist, macht dies auch absolut einen hohen Betrag aus. Nimmt man z.B. statt einer 300 W Standardpumpe eine 100 W Hocheffizienzpumpe, lassen sich bei 1800 Betriebsstunden jährlich 360 kWh sparen. Bei modulierenden oder knapp ausgelegten Wärmepumpen oder bei passiver Kühlung im Sommer sind die Laufzeiten wesentlich länger mit entsprechend höherer Einsparung.

Die Drehzahlregelung die eine solche Pumpe mitbringt, wird zwar nicht zum Regeln benötigt wie bei einer Heizungspumpe aber man kann damit den Arbeitspunkt optimal einstellen. Den wirklichen Gewinn erhält man aber durch die optimierte Bauart die einen hohen Wirkungsgrad beschert. Bei Passiv Kühlung über die Erdsonde kann eine Drehzahlregelung sehr sinnvoll sein. So kann der Durchfluss zum Kühlen stark reduziert werden.

Hocheffizienzpumpen der Energieklasse A sind zwar etwas teuerer als Standardpumpen. Durch die Energieeinsparung ist der Mehrpreis aber in den meisten Fällen binnen weniger Jahre amortisiert.

Zur Zeit sind nur die Pumpen der Baureihe Stratos (ohne Eco) der Firmen Wilo bzw. EMB als Energiespar-Solepumpe geeignet. Die Firmen Biral sowie Grundfos haben keine passenden Hocheffizienzpumpen im Programm die auch für Temperaturen um 0 °C zugelassen sind.

Einbauort der Solepumpe

Oft wird argumentiert die Solepumpe müsse in den Vorlauf (warme Seite) der Erdsonde eingebaut werden, damit die Abwärme der Pumpe von der Wärmepumpe genutzt werden kann. Tatsächlich fliesst diese Abwärme grösstenteils in die Sole. Jedoch ist deren Temperaturanhebung vernachlässigbar klein. Ein Beispiel: Fliesst ein Wärmestrom von 5 kW durch die Sole, vergrössert eine Solepumpe mit 100 W diesen um 2%, sofern die gesamte Wärme in die Sole fliesst. Bei konstantem Durchfluss wird die Spreizung um diese 2% vergrössert. Bei 3 K Spreizung nimmt sie um 0.06 K zu, d.h. die Sole-Vorlauftemperatur erhöht sich um diesen Wert. Die Leistungszahl der Wärmepumpe steigt um 2.5 % pro 1 K höherer Soletemperatur. Die 0.06 K führen also zu einer um 2.5*0.06 = 0.15 % verbesserten Effizienz, also vernachlässigbar. Daher ist auch das Argument falsch, es sei nicht so tragisch die Solepumpe zu gross auszulegen, da deren Abwärme der Wärmepumpe zu gute komme.

Der Einbau der Pumpe in den Vor- oder Rücklauf des Sondenkreises ist also energetisch völlig gleichwertig und kann nach hydraulischen Gesichtspunkten erfolgen. Ein Einbau in den wärmeren Vorlauf führt zu weniger Schwitzwasser, ist also aus dieser Sicht vorteilhafter.