Optimierung Hauswasserwerk

Wir wohnen auf dem Land (Dorf, tiefe Provinz oder wie man es auch bezeichnen möchte) … wo nur in Teilbereichen eine öffentliche Wasserversorgung vorhanden ist, in unserer Ecke unserer Gemeinde eben nicht.

Artikel in 2021-01 überarbeitet.

Mein Problem?

Seit rund 18 Jahren stört mich an unserer Hauswasserversorgung (Hauswasserwerk) der ständigen Druckwechsel. Besonders merkt man dies im Obergeschoss unseres Wohnhauses. Ursache hierfür ist die leider zu große Mindestdruckdifferenz des Membran-Druckschalters, der die Pumpe schaltet.

Grundfos/Loewe WN301 (Baujahr 1996) mit 0.75kW Drehstrommotor (Effizienzklasse IE2)

Zur Erläuterung: Wir haben ein klassisches Hauswasserwerk mit Pufferspeicher (Windkessel) und einer 3000l/h fördernden Kolbenpumpe von Grundfos / Loewe, Typ WN301 (4 bar Version mit Drehstrommotor 0.75kW, Baujahr 1996). Der Druckspeicher, ein verzinkter 400 Liter Behälter sichert durch sein federndes Luftvolumen im oberen Bereich einen stetigen Wasserfluss, ohne das die Pumpe permanent arbeiten muss.

Diese wird über besagten Membran-Druckschalter, einem Condor MDR5/5 bei etwa 4 bar abgeschaltet, die Wiedereinschaltschwelle liegt aber min. 2.0 bar (lässt sich bis auf minimal etwa 1.6 bar runterdrehen) niedriger, also schaltet effektiv bei etwa 2.4 bar die Pumpe wieder ein.

Dies führt, insbesondere unter der Dusche bemerkt man dies, zu einem ungleichmäßigen Wasserfluss (an- und abschwellend) aufgrund der großen Druckunterschiede der Schaltschwellen. Speziell im Obergesch0ß ist dies deutlich spürbar, da dort durch die Gebäudehöhe vom Wasserdruck etwa 0.7 bar (7 m Wassersäule bezogen auf das Kellerniveau) bereits fehlt.

Suche nach Alternativen

Nun habe ich nach Alternativen gesucht;

Heute werden entweder Schachtbrunnen mit darin hängenden Tiefbrunnenpumpen (mehrstufige Unterwasser-Kreiselpumpen) verwendet, die gibt es auch druckgeregelt mit Frequenzumrichter. Kommt nicht in Frage, da müsste ich ja einen neuen Brunnen bohren …. der vorhandene ist ein geschlagener Brunnen auf Basis eines 2″ – Rohres mit gelochtem Kopf.

Eine Alternative wäre der Einsatz einer selbst ansaugenden Kreiselpumpe (ob die das auch noch sicher tun, wenn sie älter und verschlissen sind?), die auch per Frequenzumrichter druckgeregelt werden können.

Letztlich braucht man in beiden Fällen nur noch ein kleines Membran-Druckgefäß zum abpuffern von Druckstößen und Reduzierung der notwendigen Geschwindigkeit der Druckregelung, in dem wir die Regelstrecke langsamer macht.

Nachteil beider Pumpentypen ist der ist Prinzip – bedingt schlechte Wirkungsgrad von Kreiselpumpen; er liegt, insbesondere bei Teillast, gerade mal so um die 40%, aber auch bei Volllast ist er nicht besonders üppig (70-80%).

Da ich hinsichtlich mangelnder Energieeffizienz ein etwas empfindliches Gemüt habe, fallen diese Lösungen weg, zumal Kreiselpumpen auch nicht als besonders leise einzustufen sind.

Gedanken zur optimalen Lösungen

Nun bin ich berufsbedingt immer auf der Suche nach optimalen Lösungen (zumindest nach meiner Betrachtungsweise) und habe sie auch hier gefunden.

Vorweg muss man sagen, die „altmodische“ Hubkolbenpumpe am Hauswasserwerk hat einen riesigen Vorteil, auch wenn solche Pumpen seit Erfindung der Dampfmaschine in ihren Grundprinzip unverändert sind; ihr Wirkungsgrad liegt weit über 90%!!

Dazu kommt, dass sie aufgrund des Kolbenprinzips völlig problemlos auch aus tiefstehenden Wasserniveaus selbst ansaugend sind.

Es wäre also ein Unding, auf eine solch effiziente Pumpe zu verzichten.

Aber wie komme ich hier zu Konstantdruckregelung?

Direkt gar nicht, denn die Hubkolbenpumpe ändert mit der Drehzahl / Hubzahl ausschließlich die Fördermenge, der Druck ergibt sich indirekt aus den Widerständen im System. Das heißt, ein Puffervolumen in Form eines Membrandruckgefäßes, oder auch ein Windkessel wie vorhanden, wird zwingend benötigt.

Reduzieren des Differenzdruckes auf ca. 0.2-0.5 bar wäre ein Ansatz. Machbar mit einem elektronischen, programmierbaren Druckschalter, passende Mechanische sind hier leider nicht am Markt erhältlich.

Großer Nachteil ist hierbei aber; die Schalthäufigkeit der Pumpe steigt enorm an, weniger bis gar nicht gut für den Energieverbrauch (Anlaufphasen) und vor allem auch für den Drehstrommotor selbst, zumal je nach Kolbenstellung der Pumpe dieser im Anlauf gegen den vollen Druck arbeiten muss (also sehr viel Drehmoment im Anlauf benötigt). Schnell wäre hier dann elektrischer Defekt am Motor zu erwarten, der Drehmomentverlauf des Motors bei großem Schlupf ist auch nicht überragend.

Die Lösung fand ich dann in einer Frequenzumrichter (FU) – Ansteuerung des Motors.

Der Frequenzumrichter ist derart konfigurierbar, das man das Anlauf(über)-Drehmoment für den Motor genau einstellen und begrenzen kann (typisch hier Faktor 2 zum Nenndrehmoment). Durch eine vernünftig flache Anlauf-Rampe tritt auch nahezu kein „Anlauffall“ ein, bei dem der Schlupf (Drehzahldifferenz zwischen Statordrehfeld und Rotordrehzahl) besonders groß ist, der Motor wird somit praktisch auch aus kleinsten Drehzahlen, wie im Betrieb mit konstanter Drehzahl, schlupfarm und somit innerhalb seiner Auslegungsparameter betrieben.

Nun stellt sich dann die Frage, wenn schon volle Drehzahlsteuerbarkeit, warum dann nicht gleich eine Konstantdruck – Regelung realisieren. Im ersten Schritt wäre aber auch mit einer Zweipunktregelung mit elektronischem Druckschalter eine wohl ausreichende Lösung, ohne Nachteile hinsichtlich Energieverbrauch und Motorüberlastung.

Nun Datenblätter gewälzt, im wesentlichen habe ich mir die FU der Hersteller Hitachi, Mitsubishi und Toshiba angesehen (diese sind die Marktführer bei „Klein“-Umrichtern). Die Grundmodelle der Typen mit weniger als 1.5kW Leistung bieten solche Features (übergeordnete PID – Reglerfunktionen) nicht, jedoch das jeweils etwas teurerer „Edel“-Modell. Letztlich habe ich mich dann für einen Mitsubishi FR-D720 entschieden, da dieser die meisten gewünschten Features mitbringt, die mir wichtig erschienen.

Dieser ermöglicht direkt mit der Steuerelektronik des FU eine PID – Druckregelung aufzubauen, aber auch noch vieles mehr.

Nun brauchte ich noch einen Drucksensor mit 4-20mA Stromschnittstelle (oder 0-10V Ausgang) und optimalerweise einem Druckbereich von 0-4 bar, um auch im benutzten Druckbereich (bis knapp 4 bar Überdruck) eine vernünftig großen Istwert zu bekommen.

Da es sich um ein Versuchsprojekt handelte, habe ich hierzu nach passenden Komponenten in der „Bucht/Ebäh“ gesucht und diese letztlich auch gefunden:

• Frequenzumrichter FU Mitsubishi FR-D720 aus Insolvenzverkauf neu, also nur  etwas „abgelagert“ und halt ohne Garantie.
• Zum FU passender Mitsubishi – Netzfilter (wir sind ja im häuslichen Bereich und nicht in der Industrie, da gehört so was zwingend vor den FU).
• SICK Drucksensor mit integriertem Druckschalter, Messbereich 0-10 bar, frei programmierbar, in Edelstahl-Ausführung (nahezu gegen alle Chemikalien beständig).
• Drehstrommotor 0,75kw in aktueller Hocheffizienzausführung IE2 neu (Fachhandel).
• Eine passende Taper-Keilriemenscheibe mit Klemm-Montage (ist einfach zu montieren).