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16.12.2011

Fachartikel: Stromverbrauch bei Regenwasserpumpen

Wie viel Strom ver­braucht eine Re­gen­was­ser­an­la­ge wirk­lich und wie kann der Strom­ver­brauch re­du­ziert wer­den?


Im Be­reich der öko­lo­gi­schen Haus­tech­nik ist die Re­gen­was­ser­nut­zung ein heute selbst­ver­ständ­li­cher Bau­stein. Der grö­ß­te Teil der Re­gen­was­ser­an­la­gen ist in Ein­fa­mi­li­en­häu­sern in­stal­liert. Al­lein in Deutsch­land wird von einem Be­stand von etwa 1,5 Mil­lio­nen die­ser An­la­gen aus­ge­gan­gen (Quel­le: fbr – Fach­ver­ei­ni­gung Be­triebs- und Re­gen­was­ser­nut­zung e. V.). Er führt zu einer Trink­was­serer­spar­nis von etwa 82,5 Mio. m³/Jahr, ein her­vor­ra­gen­der Bei­trag für un­se­re Um­welt.

Die ty­pi­sche Re­gen­was­ser­pum­pe im Ein­fa­mi­li­en­haus­seg­ment hat eine Leis­tung zwi­schen 700 und 1100 W. Bei einer durch­schnitt­li­chen För­der­men­ge von 55 m³/Jahr er­gibt sich nach ei­ge­nen Test­mes­sun­gen ein En­er­gie­ver­brauch von 1,6 kWh/m³. In Deutsch­land wer­den pro Jahr ca. 132 GWh durch Re­gen­was­ser­pum­pen ver­braucht.

Hier ge­winnt die eu­ro­päi­sche Öko­de­sign-Richt­li­nie 2005/32/EG für en­er­gie­be­trie­be­ne Pro­duk­te (EuP) an Be­deu­tung. Auch die Pum­pen, die in Re­gen­was­ser­an­la­gen Ver­wen­dung fin­den, wer­den von der EuP unter den Punk­ten 8.6 „Stand­by-Ver­lus­te“ sowie 13.11 „Elek­tri­sche Mo­to­ren“ er­fasst: Für fast alle Mo­to­ren mit einer Leis­tung zwi­schen 0,75 und 375 kW wer­den stren­ge Ef­fi­zi­enz­nor­men fest­ge­schrie­ben, die in den kom­men­den Jah­ren um­ge­setzt wer­den müs­sen.

Im fol­gen­den Bei­trag wer­den ei­ni­ge Mög­lich­kei­ten dar­ge­stellt, wie der En­er­gie­ver­brauch in kWh/m³ mi­ni­miert wer­den kann.

Strom­ein­spa­rung durch an­ge­pass­te Pump­leis­tung
Grund­la­ge der Pum­pen­di­men­sio­nie­rung ist die Er­mitt­lung des grö­ß­ten be­nö­tig­ten Was­ser­stroms. Zur Be­rech­nung die­ser Sum­men­för­der­men­ge wer­den nach DIN 1988, Teil 3 die Be­rech­nungs­durch­flüs­se (QR) der ein­zel­nen Ent­nah­me­ar­ma­tu­ren er­mit­telt und ad­diert: ∑QR = QR1 + QR2 + QR3 + ...

Das Ver­hält­nis aus ge­for­der­ter Spit­zen­för­der­men­ge der Pumpe (QSP) und Sum­men­för­der­men­ge (∑QR) der Ent­nah­me­stel­len wird als Gleich­zei­tig­keits­fak­tor (f) be­zeich­net: f = QSP/∑QR

Der Gleich­zei­tig­keits­fak­tor kann umso klei­ner ge­wählt wer­den, je grö­ßer die An­zahl der Ent­nah­me­stel­len ist. Für Wohn­ge­bäu­de weist die DIN 1988 Teil 3 bei sehr klei­nen Sum­men­vo­lu­men­strö­men hohe Gleich­zei­tig­kei­ten aus. Nach Norm er­gä­be sich somit ein Spit­zen­vo­lu­men­strom von 30 l/min im ge­wähl­ten Bei­spiel:

Ver­wen­det wer­den somit bis­lang zu­meist noch die ty­pi­schen Krei­sel­pum­pen mit einer Leis­tungs­auf­nah­me von etwa 900 Watt und einer För­der­leis­tung von 80 Liter/min. Sie ver­brau­chen aber zu 90 Prozent der Zeit er­heb­lich mehr En­er­gie als nötig. Ein Bei­spiel: Der Haupt­ver­brau­cher einer Re­gen­was­ser­an­la­ge, ein WC, be­nö­tigt ma­xi­mal 8 l/min zur Be­fül­lung. Eine Krei­sel­pum­pe mit 900 W Leis­tung ver­sucht nun ver­geb­lich, 80 l/min in den WC-Kas­ten zu för­dern. Dabei ver­puf­fen bei jeder WC-Be­nut­zung bis zu 90 Prozent der En­er­gie. Das ist nur ein Bei­spiel. Große Vo­lu­men­strö­me wer­den bei kei­nem der Ver­brau­cher im Ein­fa­mi­li­en­haus be­nö­tigt.

Mit einem Gleich­zei­tig­keits­fak­tor von nur 0,2 je­doch, also einem Vo­lu­men­strom von 10 l/min, lie­ßen sich noch alle Ver­brau­cher im Haus kom­for­ta­bel ver­sor­gen. Falls meh­re­re Ver­brau­cher gleich­zei­tig lau­fen, wie z.B. Wasch­ma­schi­ne und WC, was re­la­tiv sel­ten ist, ver­län­gert sich le­dig­lich deren Be­füll­zeit. Auch eine Druck­spü­lung, ein Hoch­druck­rei­ni­ger oder ein ein­fa­cher Gar­ten­spren­ger kön­nen mit die­sem Vo­lu­men­strom noch aus­rei­chend ver­sorgt wer­den. Bei einem 20 m Gar­ten­schlauch kann man immer noch 7 m weit mit etwa 8 l/min sprü­hen. Für einen klei­nen Gar­ten ist dies aus­rei­chend. Hier sind die Emp­feh­lun­gen aus der DIN 1988, Teil 3 also schein­bar nicht mehr zeit­ge­mäß und tra­gen somit zur En­er­gie­ver­schwen­dung bei, denn nach der Er­fah­rung sind in der Pra­xis deut­lich klei­ne­re Werte aus­rei­chend.

Im Rah­men einer vom fbr ver­an­lass­ten Be­fra­gung zum Strom­ver­brauch von Re­gen­was­ser­an­la­gen, sind meh­re­re An­la­gen von Kun­den mit Strom­mess­ge­rä­ten aus­ge­stat­tet wor­den. Er­mit­telt wurde ein brei­tes Spek­trum von Stand­by-Leis­tung, An­lauf­ver­hal­ten der ver­schie­de­nen Pum­pen, un­ter­schied­li­che En­er­gie­ver­bräu­che durch un­ter­schied­li­ches Be­nut­zer­ver­hal­ten und an­ge­schlos­se­ne Ver­brau­cher. Die Er­geb­nis­se der Mes­sung über den tat­säch­li­chen Ver­brauch waren:
  • Rainmaster-Eco Regenwasserzentrale mit 90 Watt Membranpumpe: ca. 0,4 kWh/m³
  • Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit handelsüblichem Druck- und Strömungswächter: ca. 1,6 kWh/m³

Mit einer an­ge­pass­ten Pump­leis­tung von z.B. 10 l/min (Leis­tungs­auf­nah­me von 900 W auf 90 W re­du­ziert) kön­nen hier ohne spür­ba­ren Kom­fort­ver­lust mit ein­fa­chen Mit­teln er­heb­li­che 75 Prozent ein­ge­spart wer­den.

Strom­ein­spa­rung durch Ver­min­de­rung der Stand­by Leis­tung
Die Stand­by Leis­tung trägt zu einem nen­nens­wer­ten An­teil am Strom­ver­brauch bei. Auch wenn diese Leis­tungs­auf­nah­me zu­nächst sehr klein scheint, sum­miert sie sich, da sie ja stän­dig an­fällt, zu einer be­acht­li­chen Menge. Bei einer op­ti­mal aus­ge­leg­ten Pumpe könn­te diese En­er­gie theo­re­tisch zur För­de­rung des ge­sam­ten Re­gen­was­sers aus­rei­chen. Hier eine Bei­spiel­rech­nung mit einer ty­pi­schen Stand­by Leis­tung:

365 Tage x 24 h x 1,1Watt = 8,76 kWh => 0,16 kWh/m³

Die Stand­by Leis­tung hängt ins­be­son­de­re von der ver­wen­de­ten Steue­rung ab. Auch eine se­pa­ra­te Füll­stands­an­zei­ge er­höht na­tür­lich die Stand­by Leis­tung. Die fol­gen­de Ta­bel­le gibt einen Über­blick über die Stand­by Leis­tung ver­schie­de­ner Re­gen­was­ser­pum­pen:

Systeme zur weiteren Reduzierung der Standby Leistung werden auch in der Regenwassertechnik in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.

Strom­ein­spa­rung durch Dreh­zahl­steue­rung
Un­ge­re­gel­te Pum­pen lau­fen be­darfs­un­ab­hän­gig mit ma­xi­ma­ler Leis­tung. Das ist mit einem mit Voll­gas fah­ren­den Auto ver­gleich­bar, des­sen Ge­schwin­dig­keit über die Brem­se ge­re­gelt wird. Eine wei­te­re Mög­lich­keit zur Strom­ein­spa­rung ist die Re­ge­lung der Dreh­zahl der Pumpe.

Um den tat­säch­li­chen Strom­ver­brauch zu ver­glei­chen, hat Intewa zu­nächst mehr­stu­fi­ge Ein­pha­sen-Krei­sel­pum­pen mit Dreh­zahl­steue­rung aus­ge­stat­tet. Die Leis­tungs­auf­nah­men bei ver­schie­de­nen Vo­lu­men­strö­men fin­den sich in der fol­gen­den Ta­bel­le:

Auf­grund des schlech­ten Wir­kungs­gra­des die­ser Pum­pen kann kaum Strom ein­ge­spart wer­den. Es ist zu ver­mu­ten, dass auf­grund der hö­he­ren Stand­by Leis­tung der Steue­rung ins­ge­samt im nor­ma­len Be­trieb keine oder eine sehr ge­rin­ge Ein­spa­rung zu er­zie­len ist.

In einem wei­te­ren Ver­such wurde die ge­sam­te Leis­tungs­auf­nah­me über einen de­fi­nier­ten Test­zeit­raum und Zy­klus mit einer Drei­pha­sen-Krei­sel­pum­pe mit und ohne Dreh­zahl­steue­rung auf­ge­nom­men. Das Er­geb­nis sieht nun ganz an­ders aus:

Die Dreh­zahl­steue­rung re­gelt die För­der­leis­tung in Ab­hän­gig­keit vom tat­säch­li­chen Be­darf. Da nur sel­ten alle Ver­brau­cher gleich­zei­tig lau­fen, re­du­zie­ren sich die En­er­gie­kos­ten bei Ver­wen­dung einer Drei­pha­sen­pum­pe um be­mer­kens­wer­te 40 Prozent. Zu­sätz­lich sen­ken Re­gen­was­ser­wer­ke mit Dreh­zahl­steue­rung mit 45 dBA (bei der Be­fül­lung eines WC) ge­gen­über 65 dBA bei einem un­ge­re­gel­ten Re­gen­was­ser­werk die Ge­räusch­be­las­tung auf bald 1/10 des ur­sprüng­li­chen Wer­tes. Durch die klei­ne­ren Dreh­zah­len ver­rin­gert sich zudem der Ver­schleiß in den elek­tro­ni­schen Kom­po­nen­ten und der Pumpe. Ihre Le­bens­dau­er ver­län­gert sich so um 40 Prozent.

Strom­ein­spa­rung durch den Ein­satz von Aus­deh­nungs­ge­fä­ßen
In einer theo­re­ti­schen Be­rech­nung wurde die Leis­tungs­auf­nah­me einer Re­gen­was­ser­zen­tra­le (RMF-40) für ein Mehr­fa­mi­li­en­haus mit 10 WC’s so­wohl mit als auch ohne 150 Liter Aus­deh­nungs­ge­fäß be­trach­tet. Durch das Aus­deh­nungs­ge­fäß kann die Schalt­häu­fig­keit der Pumpe/Tag von 60 auf etwa 7 er­heb­lich re­du­ziert wer­den. Dies führt dazu, dass die Pumpe we­ni­ger An­lauf­strom ver­braucht und in einem bes­se­ren Be­triebs­be­reich ar­bei­ten kann. Ohne Aus­deh­nungs­ge­fäß wird bei jeder WC Be­tä­ti­gung die Pumpe ge­star­tet. Die theo­re­ti­schen Über­le­gun­gen er­ga­ben ein Ein­spar­po­ten­ti­al von bis zu 50 Prozent. In einer Pra­xis­mes­sung sol­len diese Werte nun noch ge­nau­er un­ter­sucht wer­den.

Fazit
Bei der Re­gen­was­ser­nut­zung be­steht ein er­heb­li­ches Po­ten­ti­al Strom ein­zu­spa­ren. Die der­zeit meist ver­wen­de­ten mehr­stu­fi­gen Krei­sel­pum­pen be­nö­ti­gen ca. 1,6 kWh/m³. Ei­ge­ne Un­ter­su­chun­gen haben ge­zeigt, dass im Be­reich Ein­fa­mi­li­en­haus durch die Ver­wen­dung von an­ge­pass­ten Pump­leis­tun­gen ohne son­der­li­chen Kom­fort­ver­lust etwa 75 Prozent Ein­spa­rung zu er­zie­len ist. Dies führt zu einem Ver­brauch von ca. 0,4 kWh/m³ ge­för­der­tem Re­gen­was­ser. Die Stand­by Leis­tung soll­te eben­so be­ach­tet wer­den. Bei den un­ter­such­ten Pro­duk­ten trägt sie mit ca. 0,16 kWh/m³ zum Ver­brauch bei. Bei grö­ße­ren Pum­pen kann die Dreh­zahl­steue­rung den Ver­brauch um ca. 40 Prozent sen­ken. Zu be­ach­ten ist, dass nur ge­re­gel­te Drei­pha­sen­pum­pen tat­säch­lich En­er­gie ein­spa­ren. Zudem er­höht die Dreh­zahl­re­ge­lung die Le­bens­dau­er der Pum­pen und senkt die Ge­räusch­be­las­tung ganz er­heb­lich. Eine wei­te­re Mög­lich­keit zur Re­du­zie­rung ist der Ein­satz von Aus­deh­nungs­ge­fä­ßen von bis zu 50 Prozent. Von den ca. 132 GWh, die in Deutsch­land pro Jahr durch Re­gen­was­ser­pum­pen ver­braucht wer­den, könn­ten also nach der­zei­ti­gem Stand über 50 Prozent, also 66 GWh im Be­stand ein­ge­spart wer­den. Für Neu­pro­duk­te sind viele der oben ge­nann­ten Maß­nah­men nach der eu­ro­päi­schen Öko­de­sign-Richt­li­nie für en­er­gie­be­trie­be­ne Pro­duk­te (EuP) vor­ge­schrie­ben.

Quelle: Intewa

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