Modell B: Systemoptimierung

Modell B schafft eine rechnerische Grundlage für den Vergleich technischer Varianten und die Auswahl einer fachlich begründeten, optimalen Lösung für das betrachtete Pumpensystem. Im Folgenden wird dieser Ansatz am Beispiel einer Druckerhöhungsanlage erläutert.

Im Mittelpunkt steht nicht ein einzelner Betriebspunkt, sondern das Verhalten der modellierten Pumpenanlage über den durch Lastprofil und Eingangsbedingungen bestimmten Bereich. Die Modellbetrachtung zeigt, wie Förderhöhe, Arbeitsbereiche der Pumpen, Frequenzbetrieb, Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme das energetische Ergebnis einer technischen Variante prägen.

Modellbeschreibung

Kurzprofil Rechenmodell B mit Modellgrundlage, Modellrechnung und Ergebnis

Ausgangsdaten der Modellbetrachtung

Für Modell B werden zeitbezogene Betriebsdaten und technische Randbedingungen zusammengeführt. Am Beispiel einer Druckerhöhungsanlage sind dies in der Regel vorhandene Werte zu Förderstrom, Vordruck, Ausgangsdruck und Energieverbrauch sowie – für eine neue Systemvariante – Pumpenkennlinien und Anforderungen an den Ausgangsdruck.

Berechnete Betriebsgrößen

Aus den Eingangsdaten leitet Modell B die maßgebenden Betriebsgrößen der modellierten Pumpenanlage ab: Betriebspunkte in unterschiedlichen Lastfällen, die erforderliche Förderhöhe und die zugehörigen Förderströme der Pumpen. Dabei werden Pumpenzuschaltung, Stufenbetrieb und Frequenzregelung berücksichtigt. Daraus ergeben sich hydraulische und elektrische Leistung, Wirkungsgrad sowie der Gesamtenergiebedarf der betrachteten Pumpenanlage über den festgelegten Zeitraum.

Warum Lastprofile entscheidend sind

Ein einzelner Nennpunkt oder Betriebspunkt reicht für die energetische Bewertung nicht aus. Entscheidend ist, wie häufig und wie lange die Anlage in bestimmten Lastbereichen arbeitet. Erst dadurch wird sichtbar, welche Pumpenkombination, Regelstrategie oder technische Variante im Betrieb energetisch günstig ist.

Rechnerische Bausteine

Druck und erforderliche Förderhöhe

Bei einer Druckerhöhungsanlage ergibt sich die erforderliche Förderhöhe aus der Differenz zwischen Ausgangs- und Eingangsdruck:

Herf(t) ≈ [paus(t) − pein(t)] · 10,197

Damit werden zeitbezogene Druckwerte in die hydraulische Anforderung an die Pumpenanlage überführt.

Pumpenkennlinie und Frequenzbetrieb

Die Pumpenkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Förderhöhe. Für die Modellrechnung kann sie zum Beispiel als approximierte Kennlinie dargestellt werden:

H50(Q) = a · Q² + b · Q + c

Bei frequenzgeregelten Pumpen wird der Betrieb auf eine äquivalente Stelle der 50-Hz-Kennlinie bezogen:

Q50 = Q / s

H(Q,s) = s² · H50(Q/s)

Leistung, Wirkungsgrad und Energiebedarf

Die hydraulische Leistung ergibt sich aus Förderstrom und Förderhöhe:

Phyd = ρ · g · Q · H

Die elektrische Leistungsaufnahme berücksichtigt die Wirkungsgrade von Pumpe, Motor und Frequenzumrichter:

Pel = Phyd / (ηP · ηM · ηFU)

Über das Lastprofil wird daraus der Energiebedarf im betrachteten Zeitraum bestimmt:

E ≈ Σ Pel,i · Δti

Bewertung der technischen Variante

Modell B zeigt, ob eine technische Variante über das betrachtete Lastprofil in geeigneten Arbeitsbereichen betrieben werden kann. Im Variantenvergleich werden nicht nur einzelne Betriebspunkte bewertet, sondern das Zusammenspiel von Pumpenkombination, Regelstrategie, Förderhöhe, Wirkungsgrad und Energiebedarf.

Energiebedarf und Lebenszykluskosten

Die energetische Bewertung bildet eine Grundlage für die wirtschaftliche Einordnung der Modernisierungsvariante. Als Orientierung: Bei Pumpensystemen können Energiekosten bis zu rund 85 % der Life Cycle Cost (LCC) ausmachen; Investition sowie Wartung, Instandhaltung und weitere Betriebskosten werden ergänzend berücksichtigt.

Übertragung auf andere Anlagenbereiche

Der gleiche Modellansatz kann auf andere Pumpensysteme übertragen werden. Je nach Anlagenbereich ändern sich die Randbedingungen – etwa Brunnen- oder Entnahmebedingungen, Speicher- und Druckzonen, Zuflussprofile, Schaltpunkte oder Behältervolumen. Unverändert bleibt der Grundgedanke: reale Lastprofile werden mit Kennlinien, Betriebsgrenzen und Energiebedarf zusammengeführt.