Pumpenintelligenz im Wohnbereich – Neue Phase der Heizungstechnik

Fachmessen dienen dazu einem Fachpublikum die neusten Trends, Highlights und Innovationen der Branche zu präsentieren. Der Pumpenhersteller WILO geht auf der diesjährigen ISH in Frankfurt noch einen Schritt weiter und will mit der Markteinführung von Geniax eine technische Revolution vorzeigen und mit ihr eine neue Phase der Heizungstechnik beschreiten. In einer Vorpremiere zur Markteinführung präsentierte Wilo jüngst im neuen Düsseldorfer VDI –Haus am Flughafen der Fachpresse das dezentrale Pumpensystem „Geniax“. Der VDI, der sich selbst als Wegbereiter der Technik sieht, hat in seinem im November 2008 eröffneten Gebäude, die zukunftsweise Technologie des dezentralen Pumpensystems "Geniax" bereits installiert. „Bei „Geniax" handelt es sich um eine revolutionäre Idee für optimale Anlagenhydraulik, maximalen Heizkomfort und reduzierten Heizenergiebedarf“, wie Prof. Dr.-Ing. Rainer Hirschberg, Professor für technischen Ausbau und ressourcenschonendes Bauen und Facility Management im Fachbereich Architektur der FH Aachen und bis 12/2008 Präsidiumsmitglied des VDI, auf der Veranstaltung betonte. Hirschberg wurde seitens Wilo gebeten, aus dem Blickwinkel des unabhängigen Wissenschaftlers und des vereidigten Sachverständigens, dass neu entwickelte dezentrale Pumpensystem zu analysieren.

Dezentrales Pumpensystem "Geniax"

Bei dem dezentralen Pumpensystem handelt es sich um ein durchdachtes Gesamtsystem, bei dem drehzahlgeregelte Miniaturpumpen die Thermostatventile an den Heizflächen bzw. Heizkreisen ersetzen. Zum System gehören weiterhin eine Raumbedieneinheit und eine zentrale Managementeinheit mit Schnittstelle zum Wärmeerzeuger. Der dahinter stehende Grundgedanke ist, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen der Bedarf im Raum eine große Rolle spielt. Das Prinzip der „Angebotsheizung“ mit zentraler Heizungspumpe wird durch eine „Bedarfsheizung“ abgelöst.

In herkömmlichen Systemen läuft eine zentrale Verteilpumpe unabhängig vom Bedarf im Raum, sie ist allenfalls gekoppelt an Beginn und Ende einer Heizperiode. Sie ist zwar geregelt, kann aber wegen der Zentralität nicht auf den spezifischen Bedarf jedes einzelnen Raums eingehen. Sie kennt normalerweise nicht den realen Bedarf im Raum. Bei "Geniax" war die Idee entstanden, immer zu dem Zeitpunkt, wenn der Bedarf im Raum entsteht, dem Heizkörper als wärmeübergebendes Medium die Energie zuzuführen, und zwar in der Menge und in der Temperatur, die gerade benötigt wird. Der für die Pumpenregelung erforderliche Massestrom wird an jedem Heizkörper zur Verfügung gestellt, und so lässt sich jeder einzelne Heizkörper mit Hilfe eines Raumtemperatursensors, der als Referenz dient, durch seine Miniaturpumpe regeln. In seinem Vortrag erläuterte Hirschberg, dass man hier ein PI-Verhalten eines Reglers hat und keinen Proportionalregler mehr, so wie dies das Thermostatventil darstellt, welches ja immer aufgrund seiner Eigenschaften proportionale Regelabweichungen hat und infolge dessen auch nicht so exakt regelt. Es zeigt sich der wesentliche Effekt bei dieser Pumpenregelung: Die Pumpe läuft tatsächlich immer nur solange, wie Bedarf an einem einzelnen Heizkörper besteht.

Entwicklung zu "Geniax"

Für Wilo krönt diese Innovation einen seit über 80 Jahren andauernden Innovationszyklus, dessen Startpunkt in dem Patent des ersten Umlaufbeschleunigers, der Vorläufer der heutigen Heizungsumwälzpumpe, 1928 gesehen wird. Die bisherigen Entwicklungen Wilos hatten zum Ziel Stromantrieb effizient zu gestalten, Strom zu sparen. Erstmalig mit dieser Innovation von 2009 wendet sich Wilo damit nicht mehr dem Thema Stromsparen zu, sondern einem anderen Kundennutzen: dem Einsparen von Heizenergie. Vorstandssprecher Dr. Thomas Schweisfurt begründete diese Veränderung damit, dass mittlerweile mit den Hocheffizienzpumpen und Verbesserungen bei der Regelungstechnik das technisch machbare Stromeinsparpotential mit 93 Prozent gegenüber ungeregelten Standardpumpen, wie es bspw. das Referenzobjekt Maritim Airport Hotel Hannover gezeigt hat, weitgehend erreicht ist. Man wird noch neue Generationen der Hocheffizienzpumpen entwickeln, aber stärker wird sich Wilo jetzt einer anderen Dimension zu wenden - die Innovationsanstrengungen gehen in Richtung Einsparung von Heizenergie. Innovationen, die zudem nicht mehr im Heizungskeller aufwarten, sondern Pumpenintelligenz wird zukünftig im Wohnbereich sichtbar. Wilo hat sich bereits ab 1999 intensiv in Vorstudien mit dem Thema beschäftigt.

Prof. Dr.-Ing. Frank-Hendrik Wurm, Leiter des Forschungs- und Technologiezentrums Wilos, erzählte zur Entstehung des Projektes, dass man sich bei Wilo Gedanken darüber gemacht hat, wie man die Heiztechnik noch vorantreiben kann, angesichts der über 600 Terrawattstunden (TWh) Primärenergieaufwand, der in Deutschland betrieben werden muss, um die Raumwärme zur Verfügung zu stellen. Das beste Potential schien laut Wurm darin zu bestehen, das Gesamtsystem zu innovieren und dabei sowohl den Energieverbrauch zu reduzieren als auch den Komfort zu erhöhen. Dazu mussten neue Wege in der Systemtechnik gewählt werden. Ein Konzept erschien den Entwicklern sehr tragfähig zu sein, nämlich die Idee, die Thermostatregelventile an den Heizungen durch Miniaturregelpumpen zu ersetzen und ein völlig neues Regelkonzept zu erarbeiten. Damit stand man vor der immens großen Herausforderung, Pumpen zu entwickeln, die so klein wie ein Regelventil und am Heizkörper befestigbar sind, aber dabei gleichzeitig so leise sind, dass daneben gearbeitet und geschlafen werden kann.

Dazu hat man dann eine ganze Reihe universitärer Partner in das Projekt eingebunden, die teilweise damit beschäftigt waren, Wilo in der Entwicklung einer Mikropumpe samt Mikromotor zu unterstützen. Mittlerweile hat man 25 Patente angemeldet und erteilt bekommen, dabei aber auch mehr als ein Viertel des gesamten Forschungs- und Entwicklungsbudgets investiert, um all die innovativen Schritte bis hin zum dezentralen Pumpensystem gehen zu können. Weiterhin beschäftigten sich Partner damit, bestehende Systeme zu analysieren und die entstandenen Ideen auf ihre Tragfähigkeit, hinsichtlich der Ziele Heizenergieeinsparung und Komforterhöhung für den Nutzer zu überprüfen. Einer der Kernpartner dabei war Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Richter, Professor für Heizungs- und Raumlufttechnik am Institut für Energietechnik der TU Dresden, und sein Team. Seit 2001 begleitete Richter die Entwicklung des dezentralen Pumpensystems wissenschaftlich.

Nachweis der Energieeinsparung

Richter und sein Team haben im Laufe der Jahre zahlreiche Gebäude- und Anlagensimulationen sowie Feldtests durchgeführt. Bei den ersten Feldtests in Dortmund wurden intensive messtechnische Untersuchungen durchgeführt, das Nutzerverhalten musste aber nachgebildet werden (Fenster geöffnet u. ä.). Anfänglich wurde die Idee auch von Experten angezweifelt, aber gleich die ersten Untersuchungen brachten als Vergleichsergebnis eine Heizenergieeinsparung von 20 Prozent beim dezentralen Pumpensysten gegenüber dem Thermostatventilsystem. Da ein Großteil der Forschungen auf der Basis anerkannter Simulationen erarbeitet wurde, konnten ausgesprochen viele Untersuchungen mit den vielfältigsten Einflussgrößen durchgeführt werden, um die Ergebnisse abzusichern.

Für die Simulation wurden Modellgebäude aller Art (Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, Bürogebäude) hergerichtet. Richter wies in diesem Zusammenhang auf die internationale Vorgehensweise hin, dass man sich in der praktischen Untersuchung nicht auf die in den Normen gängige Aufwandszahl bezieht, sondern versucht, eine plausiblere Größe zu finden. „Es ist üblich, für die energetische Bewertung ein konventionelles System als Bezugssystem zu wählen, um die Energieeinsparung, die mit dem neuen System gefunden wurde, zu benennen. Allerdings bietet dieses Verfahren bei dem Bezug auf das System eine gewisse Willkür, wenn man nicht fair daran geht“, so Richter in seinem Vortrag.

Laut Richter lebt das System in erster Linie von der optimalen Anlagenregelung. „Das Energiespar- potenzial des neuen Systems beruht auf einer deutlichen Reduzierung der Wärmeverluste sowohl in der Wärmeerzeugung und -verteilung als auch in der Wärmeübergabe“, hob er hervor. Einer der Gründe sei eine bedarfsgeführte Vorlauftemperaturregelung, durch die sich eine Verringerung der durchschnittlichen Systemtemperaturen und damit eine deutlich verbesserte Brennwertnutzung im Vergleich zur konventionellen Lösung mit Überströmventil erzielen lasse. Denn im Gegensatz zur witterungsgeführten Regelung berücksichtigt das dezentrale Pumpensystem auch, dass vielfach aufgrund von solaren Gewinnen und inneren Lasten eine niedrigere Vorlauftemperatur zur Deckung der Heizlast ausreicht.

Bei der Wärmeübergabe in den Raum erfolgt die Einsparung durch die präzise Regelung als solche und ein flinkes Reagieren des Reglers, durch automatische Heizunterbrechung bei Fensterlüftungsvorgängen, durch eine komfortable Möglichkeit zur raumweisen Vorgabe von Heizzeiten, durch eine selbstlernende Aufheiz- und Heizendeoptimierung, eine Schnellaufheizfunktion und den Wegfall des manuellen hydraulischen Abgleichs.

Automatischer hydraulischer Abgleich

Aus seiner Sachverständigenpraxis berichtet Hirschberg, dass eines der vorgefunden Hauptprobleme in Heizanlagen der fehlende hydraulische Abgleich ist. In 70 Prozent der Fälle spielen der hydraulische Abgleich und die nicht einregulierten Anlagen in den Beweisthemen, die vor Gericht verhandelt werden, eine Rolle. In kleineren Gebäuden ist es laut Hirschberg nahezu die Regel, dass der hydraulische Abgleich nicht durchgeführt wurde, und schon gar nicht im Modernisierungsbereich. „Dort dümpeln die Systeme so vor sich hin, es werden einfach die Heizkörper demontiert und neue montiert und kaum einer beschäftigt sich damit, anschließend den hydraulischen Abgleich zu machen. Und solange die Räume warm werden, hat der Endkunde auch keine Veranlassung darüber nachzudenken, dass da irgendetwas faul ist. Er dreht halt solange am Thermostatventil rum, bis es eben doch wieder einigermaßen passt, “ beschrieb Hirschberg die Erfahrungen aus der Praxis.

Den Gegensatz dazu bildet für ihn das dezentrale Pumpensystem, weil jenes ja genau vom Konzept her das realisiert, nämlich an jeder Stelle bedarfsgerecht Wärme zu liefern. „Und es ist klar, wenn die Pumpe, die den Widerstand des Heizkörpers zu überwinden hat, direkt am Heizkörper sitzt, immer nur dann läuft, wenn er an ist, dann braucht man keinen hydraulischen Abgleich. Die Frage eines hydraulischen Abgleichs erledigt sich von selbst“, so Hirschberg.

Bei seinen Untersuchungen zu den Energieeinsparpotentialen, die Hirschberg nach dem normativen Verfahren gemacht hat, kommt er auf ein Potential von etwa 18 Prozent, bei denen aber die Einsparung durch die bedarfsgeführte Vorlauftemperatur nicht berücksichtigt wird. So kommt auch Hirschberg wie sein Kollege Richter insgesamt zu dem gleichen Ergebnis: „Wir haben den insbesondere sehr hohen Anteil Einsparung an thermischer Energie, und der wird ganz verlässlich in der Größenordnung von etwa 20 Prozent liegen, insoweit decken sich unsere Zahlen, die ja ganz unabhängig voneinander entstanden sind, völlig, und es sind auch was die Qualität der Zahlen angeht, ja, tatsächlich Werte, die auf den Bedarf bezogen sind.“

Komponenten und Installation des Dezentralen Pumpensystems

Die für das dezentrale Pumpensystem notwendigen Komponenten und ihre Installation erläuterte Dr. Thorsten Kettner, Leiter für den Bereich "Systemtechnik" im Forschungs- und Entwicklungszentrum bei Wilo und einer der geistigen Väter des Projekts von Beginn an. Die nur 62 mm große Pumpe enthält als bekanntes Element der Hocheffizienzpumpen den Permanentmotor. Daneben sind aber auch neue Elemente notwendig, wie bspw. eine ganz spezielle Wicklungstechnik, die Luftspaltwicklung, die das sehr geringe Geräuschniveau der Pumpen ermöglichen. Für die hoch präzisen miniaturisierten Bauteile kamen High-Tech-Materialien aus dem Bereich der Kunststofftechnik zum Einsatz, um auch eine Belastbarkeit der Teile sicherzustellen.

Zum Einbau der Pumpe in das Rohr wird ein Pumpenadapter genutzt, je nach Einbausituation in den Ausführungen Durchgang, Hahnblock Durchgang oder Hahnblock Eck. Es handelt sich hierbei um branchenübliche Abmessungen und Anschlusstechniken, sodass der Installateur seine bekannten Techniken anwenden kann. Zunächst wird nur der Pumpenadapter eingesetzt und erst später bei der Fertiginstallation erfolgt der Einbau der Pumpe selbst, dann werkzeuglos. Mit einer Vierteldrehung lässt sich die Pumpe in den Pumpenadapter einschrauben. Und das besondere dabei ist, dass dies auch bei befülltem System erfolgen kann, weil eine spezielle Dichttechnik eingebaut wurde. Durch die Drehung der Pumpe wird das System mit einem Keramikscheibensystem verschlossen, und der Ein- und Ausbau kann so auch bei Druck auf dem System erfolgen. Das ist deshalb vorteilhaft, so Kettner, weil man in der Rohbauinstallation bspw. das System schon prüfen und abdrücken kann und erst später dann die Pumpe einbaut. Weitere Komponente ist eine Pumpenelektronik, die in der Nähe der Pumpen installiert wird und diese über eine Kabelverbindung steuert. Für Pumpen und Pumpenelektroniken stehen Design-Abdeckungen von Herstellern aus dem Schalterbereich oder eine Wilo-Abdeckungen, die die Besonderheit aufweist, dass sich das Anschlusskabel in der Abdeckung unterbringen lässt. Dazu gehören noch spezielle Abdeckungen für die Pumpe selbst. Sie wird mit einer Abdeckkappe versehen, oder die gesamte Pumpeneinheit wird abgedeckt.

Darüber hinaus erläuterte Kettner die Bedienebene. Hierzu gehören Raumbediengeräte – mit unterschiedlichen Funktionsumfängen für Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser und Nutzimmobilien sowie optional ein Zentralbediengerät.
Das Gehirn des gesamten Systems ist, wie Kettner betonte, eine zentrale Managementeinheit mit Schnittstelle zum Wärmeerzeuger. Sie übernimmt in Abstimmung auf den Wärmebedarf in den einzelnen Räumen und die Vorgaben aus den Raumbediengeräten das Management aller Komponenten im Gesamtsystem Heizung. Der gesamte Datenaustausch erfolgt über einen spezifischen Bus, auch die 24 Volt-Spannungsversorgung.

Planung und Inbetriebnahme des Dezentralen Pumpensystems

Bei der Planung lässt sich ein solches System nach den bekannten Regeln der Technik, gängige Auslegungsregeln im Bereich Elektrotechnik und Hydraulik, realisieren. Hierfür wird Auslegungsunterstützung durch bekannte Planungssoftware geben. Anders als bei herkömmlichen Systemen aber muss anfänglich einmal ein Objekt projektiert werden. Das bedeutet, wie Kettner erläutert, einmal muss das "Geniax"-System erfahren, wie viele Räume das Gebäude hat, wie viele Pumpen in den Räumen eingebaut sind usw. - dies wird in einer Konfiguration festgelegt, ein Vorgang der sich Projektierung nennt. Zur Unterstützung wird es dazu eine Software von Wilo geben. Diese Projektierung kann auf einem beliebigen Computer stattfinden - die Ausgabe ist eine kleine Speicherkarte, die dann in das "Geniax"-System gesteckt wird. Damit weiß das "Geniax"-System dann, um was für ein Gebäude es sich handelt, welche Räume dort zu finden sind usw.  Alle weiteren Prozesse laufen dann automatisch ab. Vor Ort wird keine weitere Programmierung erforderlich und "Geniax" führt dann komplett durch die Inbetriebnahme.

Lohnt sich "Geniax"?

Bei der Beantwortung dieser selbstverständlich spannenden Frage für den Nutzer müssen neben dem Einsparpotential von rund 20 Prozent Heizenergie aber auf der anderen Seite die Mehrkosten dieses zu machen, wählte man seitens Wilo die gleichen Grunddaten, die in einer Modellrechnung der Deutschen Energieagentur (dena) zu den Amortisationszeiten für verschiedene Sanierungsmaßnahmen aus dem Jahr 2006 ausgewiesen wurden. Dabei zeigte sich laut Kettner, dass man mit dem dezentralen Pumpensystem im Vergleich zu den anderen energetischen Verbesserungsmaßnahmen im Altbau mit 5 Jahren deutlich kürzere Amortisationszeiten habe. Um die Frage nach den Amortisationszeiten auch für einen Neubau bspw. mit Fußbodenheizung beantworten zu können, hat Kettner noch ein zweites Beispiel durchgerechnet. Dazu wurde ein Gebäude, welches Wilo aktuell auch realisiert, genutzt. Als gewählter Energiebedarf wurde der in der Berechnung des Architekten ausgewiesene genommen. Für dieses Beispiel ergibt sich eine Amortisationszeit von etwa 6 Jahren. So fällt Kettners Antwort auf die Frage, ob sich "Geniax" lohnt ,wie folgt aus: „'Geniax' ermöglicht rund 20 Prozent Heizenergieeinsparung. Insgesamt ergeben sich attraktive Amortisationszeiten im Neu- und Altbau und ein großer Gewinn an Wohnkomfort.“

Ausblick
Der „Start ins neue Zeitalter der Heizungssysteme“ soll mit der ISH fallen. Man hat sich laut Schweisfurth  durch unabhängige Experten bestätigen lassen, dass es sich hier wirklich um mehrere Dimensionen des Kundennutzens handelt. „Energieeinsparung und maximaler Komfort und um die optimierte Hydraulik. Hierbei werden nicht nur Minipumpen die Thermostatventile ersetzen, sondern es handelt sich um ein durchdachtes System, mit einer vernünftigen Amortisationszeit, welches von qualifizierten Partnern im Vertrieb und Fachhandwerk bewältigt werden kann. Hierbei wird das Angebot an Material, Schulungen und Trainings erweitert sowie gemeinsam Referenzen entwickelt, um die Markteinführung des Systems gemeinsam zu bewerkstelligen.“ Doch bis dahin werden noch viele Gespräche mit Großhandel und Marktpartnern zu führen sein.

Als erstes will man mit dem Projektgeschäft beginnen, sich mit den eigenen Ressourcen in Vertrieb und technischer Beratung zunächst auf den gewerblichen Bereich konzentrieren und hier das Objekt- und Projektgeschäft gemeinsam mit dem Großhandel vorwärts bringen. Auch weitere Kooperationen sind durchaus angedacht. „Wir sind offen gewesen für Kooperationen in der ganzen Entwicklungsphase und wir sind weiter offen für Kooperationen mit den Heizgeräteherstellern, für Kooperationen mit Gebäudeleittechnikern und möglicherweise mit anderen Schnittstellenherstellern, mit denen wir in diesem Bereich möglicherweise zusammenarbeiten können“, betonte Schweissfurth. Allerdings wird das System erst mal nur als reines Wilo-System auf den Markt kommen, ein reines OEM-Produkt ist ausgeschlossen. „Man wird keine OEM-Lösung herbeiführen, wo dann Wilo überhaupt nicht mehr drauf ist“, macht Schweisfurth klar. Aber im Rahmen einer Partnerschaft wäre es als OEM Produkt bspw. mit Co-Branding vorstellbar.