IE , MEI und EEI: Merkmale und Kennzeichnung hocheffizienter Pumpen

(12.4.2017; ISH-Bericht) Effizienzbezeichnungen wie „IE 5“ beschreiben den Wirkungsgrad eines Pumpenmotors, liefern aber im System keine wirklich belastbare Antwort. Entscheidend ist vielmehr der gemeinsame Wirkungsgrad aus Elektromotor, Pumpenhydraulik und elektronischer Regelung angepasst an den Bedarf im Teillastbereich, der in der überwiegenden Zeit im Jahr gefahren wird.

Rund zehn Prozent des weltweiten Energieverbrauchs entfallen Schätzungen zufolge auf Pumpen. Kein Wunder also, dass vor dem Hintergrund der EU-Klimaziele und der deutschen Energiewende die Gesetzgebung Pumpen als relevante Energieverbraucher in den Fokus genommen hat. So sind beispielsweise Nicht-KMU verpflichtet, den Energieverbrauch zu analysieren, um Effizienzmaßnahmen einzuleiten. In der Regel werden dabei insbesondere energieintensive Querschnittstechnologien erfasst. Dazu zählt die betriebliche Versorgung mit Wärme und Kälte, Wasser und Dampf - durchweg also Verteilsysteme, in denen Pumpen über viele Jahren hinweg zuverlässig arbeiten. Viele davon verbrauchen unnötig viel Energie, weil sie längst nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen. Bei Energieaudits oder durch ein Energiemanagementsystem werden ineffiziente Pumpen schnell ausfindig gemacht. Ein Austausch rechnet sich dann fast immer, wenn die neue Pumpe hocheffizient ist und auf das jeweilige System abgestimmt wurde.

Pumpeneffizienz ist nicht Motoreneffizienz

Effizienzangaben für elektrische Verbraucher haben sich eingebürgert. Die Ökodesign-Richtlinie der Europäischen Union, auch ErP-Richtlinie genannt, setzt dazu die Maßstäbe - für Konsum- ebenso wie für Industriegüter. Ziel ist es, durch vereinfachte Kennzeichnungen, Produkte hinsichtlich ihrer Energieeffizienz vergleichen zu können. Bei Pumpen wird die Vergleichbarkeit allerdings durch verschieden wirkende physikalische Vorgänge erschwert. Denn ein Motor wandelt ...

• zunächst elektrische in mechanische Energie um und
• dann über das Laufrad wiederum mechanische in hydraulische Energie.

Für jeden dieser Prozesse ist ein Wirkungsgrad zu errechnen, der aber mit unterschiedlichen Indizes dargestellt wird. Doch nur die Gesamtbetrachtung gibt letztlich Aufschluss darüber, wie gut der Wirkungsgrad einer Pumpe tatsächlich ist. Darüber hinaus sind der Lastverlauf des Verteilsystems und die Pumpenregelung entscheidend für maximale Einspareffekte.

IE (International Efficiency)

Die Angabe zum International Efficiency (IE) bezieht sich direkt auf den Wirkungsgrad des Elektromotors. Betrachtet wird hierbei also die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische. Berechnungsgrundlage für die Einstufung eines Elektromotors ist die inzwischen überarbeitete Norm IEC 60034-30-2. Die Skala reichte bis vor kurzem von IE1 (schlechtester Wert) bis IE4 (bester Wert). Da jedoch schon seit einigen Jahren Elektromotoren auf dem Markt sind, die besser als IE4 sind, wurde die Norm aktualisiert. Nun dürfen Elektromotoren mit IE5 gelabelt werden. Die Ökodesign-Richtlinie gibt eine Zeitachse vor, ab wann Elektromotoren mit bestimmten Effizienzklassen nicht mehr auf den Markt gebracht werden dürfen. So müssen Elektromotoren mit einer elektrischer Leistung zwischen 0,75 und 375 kW seit dem 1.Januar 2017 IE3 oder IE2 mit Frequenzumformer erreichen.

MEI (Mindest-Effizienz-Index)

Angaben zum Mindest-Effizienz-Index (MEI) beziehen sich auf den hydraulischen Wirkungsgrad von Wasserpumpen (für Medientemperaturen zwischen -10 und +120 °C). Der Wirkungsgrad verschiedener Pumpentypen wird im Bestpunkt, bei Teillast und Überlast mit einer Formel ermittelt, die in der EU-Verordnung Nr. 547/2012 veröffentlicht ist.

Der MEI setzt die Messergebnisse der jeweiligen Pumpe in Relation zu dem energieeffizientesten Produkt auf dem Markt Stand 2010. Dabei markiert ein heutiger MEI von 0,7 den seinerzeit besten Referenzwert und ein MEI von 0,1 den schlechtesten.

• Ein aktueller MEI von 0,4 sagt aus, dass 40% der anderen am Markt angebotenen Pumpen einen schlechteren hydraulischen Wirkungsgrad haben.
• Die Angabe MEI ≥ 0,7 sagt aus, dass über 70 Prozent der anderen verfügbaren Pumpen dieses Typs im Wirkungsgrad schlechter sind.

EEI (Energie-Effizienz-Index)

Dieser Indexwert ist der realistischste, um die Effizienz einer Pumpe einzuordnen. Er wird derzeit aber nur für Nassläufer-Umwälzpumpen angewandt. Ermittelt wird hierbei die elektrische Leistungsaufnahme in Relation zur hydraulischen Förderleistung. Die veränderlichen Bedarfe im Teillastverhalten werden bei der EEI-Berechnung berücksichtigt. Ähnlich wie der MEI stellt der EEI einen Verhältniswert dar und ist keine absolute Messgröße. Zur Festlegung des EEI geht die Verordnung von Referenzwerten verfügbarer Pumpen aus. Dabei markiert EEI 0,27 den Mindesteffizienzwert und EEI 0,20 den seinerzeit besten. Beispiel: Eine Pumpe mit dem EEI 0,27 nimmt im Vergleich zu dem von der EU zugrunde gelegten Referenzwert nur 27% an elektrischer Leistung auf, bei einem EEI ≤ 0,20 sogar weniger als 20 Prozent.

Lebenszykluskosten ausschlaggebend

Über frei zugängliche Online-Tools wie wilo-select.com kommen Fachhandwerker auf zwei kurzen Wegen zur effizienten Pumpe:

• Bei dem einen ist die Typenbezeichnung der Bestandspumpe in die Datenbank einzutragen. Von den gängigsten Fremdfabrikaten hat Wilo die Kennwerte hinterlegt. Per Klick wird dann analog zu den hydraulischen Parametern und zur Bauart eine Auswahl passender Hocheffizienzpumpen in Nass- und Trockenläuferbauart für den möglichen Austausch angezeigt.
• Ist der Pumpentyp nicht exakt zu ermitteln, sieht die Datenbank „Wilo-Select“ alternativ die Eingabe der hydraulischen Daten zur Bestimmung einer neuen effizienten Pumpe vor. Generell wird für alle vorgeschlagenen Pumpen der Betriebskostenverlauf über 15 Jahre dargestellt.

wilo-select.com

Effizienzsteigerung durch Regelungstechnik

Ein wichtiges Effizienz-Merkmal, das gerade bei unbekannten Netzstrukturen im Bestand hilft, ist die Spreizung des Drehzahlbereichs. Bei der Wilo-Stratos GIGA beispielsweise reicht er von 500 bis 5.130 Umdrehungen pro Minute. Das ermöglicht einen energiesparenden Betrieb der Pumpe in unterschiedlichen Teillastbereichen.

Über voreinstellbare Regelarten passt die Pumpenelektronik die Drehzahl dem Bedarf an:

• Mit der Regelungsart „Differenzdruck konstant“ (Δ p-c) hält die Pumpe den Differenzdruck über den gesamten Förderstrombereich konstant auf dem eingestellten Differenzdruck-Sollwert. Die Einstellung wird z.B. für Heizkesselkreise eingesetzt, in denen die Pumpe zu einem Wärmetauscher oder einer hydraulische Weiche fördert. Die Förderhöhe ändert sich hier nicht, nur die erzeugte Wärmemenge variiert.
• Anders hingegen verhalten sich die Sekundär-Verbraucherkreise. Werden die an unterschiedlicher Stelle im Leitungsnetz platzierten Thermostatventile betätigt, verändern sich die Druckverhältnisse stetig. Bei voreingestellter Regelungsart „Differenzdruck variabel“ (Δ p-v) passt die Pumpe ihre Leistung entlang einer Kennlinie dem veränderlichen Bedarf der Verbraucher an. Mit zunehmendem Förderstrom steigt entlang dieser Kennlinie auch die Förderhöhe.

Sollwertvorgaben für den Differenzdruck können aber auch durch eine Gebäudeautomation angepasst werden. Je nach Betriebsfall lässt sich damit die Effizienz weiter steigern. Eine Wilo-Stratos GIGA verfügt dazu über steckbare Module, um die Pumpenelektronik über verschiedene Bussysteme mit der Gebäudeautomation zu verbinden, beispielsweise Modbus, BACnet, CAN, PLR oder LON.

Effizienzsteigerung und Hydraulik

Viel Energie lässt sich sparen, wenn Leitungsnetze den tatsächlichen Bedarfen angepasst werden. Doch ein Umbau auf vielleicht geringere Rohrdimensionen ist oftmals nicht wirtschaftlich. Lässt sich jedoch das hydraulische Kennfeld eines Versorgungsnetzes ermitteln, kann gegebenenfalls die Pumpengröße bedarfsgerecht reduziert und damit der Betriebspunkt optimiert werden.

In Verteilungen mit wenigen, aber im Vergleich zu den Teillastzuständen hohen Spitzenlasten können auch zwei parallel arbeitende Pumpen / Doppelpumpensysteme installiert werden. Die aktuell von Wilo eingeführte Hocheffizienz-Inline-Doppelpumpe Wilo-Stratos GIGA-D ist ein Beispiel dafür. Jede Pumpenseite verfügt über eine eigene Elektronik, die jedoch miteinander kommunizieren. So sind verschiedene Betriebsarten möglich:

• von der Aufteilung einer Haupt- und Reservepumpe für Störungsfälle
• bis hin zu einem energetisch abgestimmten Parallelbetrieb, der die beiden Pumpen im Spitzenlastbetrieb wirkungsgradoptimiert zuschaltet.

Weitere Informationen zu Hocheffizienzpumpen wie der Wilo-Stratos GIGA können per E-Mail an Wilo angefordert werden.