Kunststoffe bieten Vorteile beim Design von Umwälzpumpen

Bedingt durch die vielfältigen Designmöglichkeiten von Kunststoff-Spritzguss oder 3D-Druck kann man sehr komplexe oder auch diffizile Teile fertigen.

Das half bei der Formgebung einer neuen Pumpenventileinheit – dem Grundfos Smart Hydro Block. Hierbei handelt es sich nicht nur um die Kombination von Pumpe und Umschaltventil in einem Kunststoffgehäuse, sondern erstmalig gelang es auch, ein Umschaltventil zu entwickeln, das keinen Stellmotor mehr benötigt.

Viele Handwerker akzeptieren Kunststoffe in der Heizungsanlage nur mit Widerwillen. Kunststoff – oder wie man oft auch sagt: Plastik – wird zurzeit in weiten Teilen des öffentlichen Lebens sehr negativ bewertet. Dabei geht es meist um Plastikabfall in den Weltmeeren oder Mikroplastik im Nahrungszyklus oder aber um die schwierige Kompostierbarkeit von Plastikabfällen. In anderen – meist technischen – Bereichen aber gibt es schon seit Jahrzehnten kaum Alternativen und eine hohe Akzeptanz von Kunststoffen.

Kunststoffe in der Technik werden aus verschiedenen Gründen Metallen vorgezogen:

• Höhere Beständigkeit gegen spezielle Fördermedien,
• höhere Flexibilität bei der Designgestaltung,
• geringeres Gewicht,
• automatisierter Herstellprozess mit niedrigen Produktionskosten.

Dem stehen aber oftmals verschiedene Beschränkungen entgegen:

• Hohe Investitionskosten für Spritzgusswerkzeuge und Spritzgussmaschinen,
• geringere mechanische Belastbarkeit,
• Temperatur- und Druckbegrenzungen,
• geringere Akzeptanz bei Handwerkern und Verbrauchern.

Während die Stand-alone-Umwälzpumpen, die meist vom Handwerker vor Ort eingebaut werden, überwiegend Metallgehäuse aus Grauguss, Edelstahl, Messing oder Bronze verwenden, werden in Heizgeräten schon seit Jahrzehnten komplexe Pumpengehäuse aus Kunststoff verwendet. Gerade in Gas-Kombiheizgeräten hat sich deren Vorteil in Bezug auf Gewicht und Komplexität durchgesetzt. So bieten die Gestaltungsmöglichkeiten große Vorteile, wenn es um die Integration benötigter Zusatzfunktionen und die Kompaktheit des Designs geht.

Stand-alone-Umwälzpumpen verwenden heute noch meist Grauguss-Inline-Pumpengehäuse mit Außengewinde- oder Flanschanschlüssen. Hauptargument für deren Design ist die mechanische Belastbarkeit bei nicht-spannungsfreier Montage und überzogene Anforderungen an die Systemdruckbelastbarkeit. Aber zusätzliche Funktionen wie die Integration eines Luftabscheiders, eines Umschalt- oder Mischventils und von zusätzlichen Anschlüssen für Sensoren, Sicherheitsventil, Ausdehnungsgefäß, Filter oder Füll- und Entleerungshahn sind seltene Ausnahmen.

Viele externe Pumpen sind nicht spannungsfrei eingebaut, so dass sie zusätzlich noch das Gewicht der darüber befindlichen Rohrleitung beziehungsweise die Spannungen durch nicht passgerechte Montage – zum Beispiel durch Seiten- oder Höhenversatz – aufnehmen müssen. Hinzu kommen Belastungen bei der Montage, wenn zum Beispiel die Verschraubung mit zu großer Kraft angezogen wird. Für diese Unzulänglichkeiten ist ein Metallgehäuse meist besser geeignet. Auch kann es überhöhte Systemdrücke meist besser aushalten; wobei man sich fragen muss, in wie vielen Heizungsanlagen mit Systemdrücken über 3 bar zu rechnen ist.

Die Anschlussdimensionen sind auch häufig Grund, eine Inline-Stand-alone-Umwälzpumpe zu wählen. Der überwiegende Teil von kleinen Umwälzpumpen bis 100 W verwendet Inline-Gehäuse mit 180 mm Einbaulänge und Außengewinde mit G 1 ½" für Rohrleitungen DN25. Dabei könnten die meisten Pumpen auch kürzer bauen (z.B. 130 mm) oder ohne nennenswerte Wirkungsgradverluste Verschraubungen G 1"/DN15 verwenden. Doch die mangelnde Verfügbarkeit beim Großhandel und die Austauschbarkeit lassen den Handwerker meist zum Standard greifen.

Blickt man jedoch in den OEM/Kesselhersteller-Bereich, so findet man hier Kunststoffgehäuse in unterschiedlichen Ausführungen. Gerade in Gas-Wandheizgeräten kommt es auf Kompaktheit an und die Gehäuse müssen zusätzliche Funktionen bieten. Inline-Gehäuse mit Anschlussgewinde sind die Ausnahme.

Die meisten Anschlüsse sind Steckanschlüsse, in die beispielsweise Kupferrohre mit Bördelung gesteckt und mit O-Ring und Steckclip fixiert werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch ein spannungsfreier Einbau.

Auch kann der Anschluss in verschiedenen Ausführungen erfolgen:

• Inline (Einlass/Auslass fluchtend),
• Endsuction (Einlass von hinten),
• Ein- und Auslass versetzt oder seitlich angeordnet,
• Backpanel (Ein- und Auslass nach hinten auf Montageplatte montiert),
• Spezialanschluss für Plattenwärmeübertrager.

Viele Gehäuse bieten zusätzliche Anschlüsse für Zusatzkomponenten wie:

• Entlüfter,
• Ausdehnungsgefäß,
• Sicherheitsventil,
• Druck-/Temperatursensor,
• Bypass,
• Füll- und Entleerung,
• Plattenwärmeübertrager für die Warmwassererzeugung.

Ferner werden auch Zusatzfunktionen integriert angeboten:

• Luftabscheider mit integriertem automatischen Schnellentlüfter,
• Schmutzfilter,
• Umschalt- bzw. Mischventil mit Stellantrieb,
• Rückflussverhinderer,
• automatisches Bypassventil,
• Nachfülleinrichtung.

Diese Erstausrüsterpumpen werden sowohl in Standardausführungen für verschiedene Kunden als auch kundenspe-zifisch für eine Herstellergruppe oder einzelne Projekte angeboten. Ihr Design kann dabei den Geräteanforderungen individuell angepasst werden und dadurch eine optimale Funktionseinheit mit dem Gerät darstellen. Die Liefereinheiten vom Pumpenhersteller können aus der Pumpe selbst oder aus einem Hydroblock (Pumpe-Ventil-Einheit) oder vorgefertigten integrierten Hydraulikeinheiten ("IWC") komplett mit Sekundär-Warmwasser-Wärmeübertrager bestehen.

Bei den Pumpenköpfen handelt es sich meist um Standardausführungen, die unter Umständen auch baugleich mit den Handelsvarianten sein können. Allerdings werden heutzutage überwiegend Hocheffizienzpumpen eingesetzt, die nicht autonom regeln wie Stand-alone-Pumpen, sondern über ein Stellsignal (z.B. PWM oder LIN-Bus) von der Kesselsteuerung in der Drehzahl verstellt und so den unterschiedlichen Leistungsanforderungen angepasst werden können.

Das Kunststoff-Spritzguss-Verfahren

Derartige Designvarianten lassen sich nur durch die optimalen Formgebungsoptionen von Kunststoffgehäusen verwirklichen. Gerade bei hohen Stückzahlen werden heute meist keine Schmelzkerne verwendet, sondern bewegliche mechanische Kerne, die nach dem Spritzgussvorgang wieder aus dem fertigen Kunststoffteil herausgezogen und wiederverwendet werden können. Solche komplexen Spritzgusswerkzeuge sind sehr aufwendig und unterliegen einer regelmäßigen Wartung bzw. Aufarbeitung. Die Investitionskosten können sich bei komplexen Varianten auf mehr als 100.000 Euro belaufen. Obwohl ihre Standzeit durchaus mehrere 100.000 Schuss betragen kann und die Materialkosten nicht sehr hoch sind, rechnen sich derartige Lösungen nur bei hohem Produktionsvolumen.

Einsatzgrenzen von Polyamid PA 6.6 in Umwälzpumpen

Seit den 1990er-Jahren produziert und vertreibt Grundfos Pumpengehäuse und hydraulische Komponenten aus Polymerkunststoff und zwar überwiegend aus PA 6.6 mit 30 Prozent Glasfaseranteil. Es gilt dabei folgender Montagehinweis: Bei Kunststoffgehäusen ist der Clipanschluss mit Klammer oder Stift wegen der geringen Spannungen die optimale Anschlussart. Bei Schraubanschlüssen muss die gesamte Gewindelänge genutzt werden. Das maximal zulässige Anzugsmoment (z.B. 30 Nm) ist in den technischen Daten der Pumpe angegeben. Es wird die Verwendung von EPDM-Dichtungen empfohlen. Wegen der Gefahr der Überlastung sollten keine Kunststoffdichtungen für den Anschluss von externen Pumpen außerhalb der Heizgeräte verwendet werden. Alle Pumpengehäuse aus PA 6.6 sind für den Einbau in Geräten vorgesehen.

Die voraussichtliche Lebensdauer von Kunststoffgehäusen aus PA 6.6 in Heizungsanwendungen ist von der Medientemperatur und dem Anlagendruck abhängig. Die Medientemperatur darf 95 °C und der Anlagendruck 3 bar (0,3 MPa) nicht übersteigen. Die voraussichtliche Lebensdauer hängt auch vom Zeit-Temperatur-Profil der Anwendung ab. Sie kann mithilfe einer gleichwertigen konstanten Medientemperatur berechnet werden. Der Einfluss der Medientemperatur im Bereich zwischen 60 und 95 °C auf die voraussichtliche Lebensdauer ist im Diagramm dargestellt.

Die Ökodesign-Richtlinie (EuP/ErP)

Die EU hat in der EuP/ErP-Richtlinie Anforderungen zum Klimaschutz aufgestellt. Seit 2013 müssen Nassläufer-Umwälzpumpen die Ökodesign-Anforderungen erfüllen, die in der Verordnung 641/2009/EU und deren Ergänzung 622/2012/EU festgelegt sind. Seit 1. August 2015 müssen alle Nassläufer-Umwälzpumpen einen Energieeffizienzindex (EEI) besitzen, der bei maximal 0,23 liegt. Das gilt auch für in Heizgeräten, Solaranlagen und Wärmepumpen eingebaute Umwälzpumpen. Der Referenzwert für besonders effiziente Umwälzpumpen beträgt 0,20. Die Verfahren zur Messung der Übereinstimmung mit der EU-Richtlinie sind in den zugehörigen Normen EN 16297-2/-3:2012 festgelegt. Die Energieeffizienz von externen Umwälzpumpen wird gemäß EN 16297-2 mit eingestellter Proportionaldruck-Kennlinie gemessen. Für integrierte Umwälzpumpen ohne Proportionaldruckregelung kann das externe Stellsignal für derartige Messungen verwendet werden.

Als "in ein Produkt integrierte Umwälzpumpe" gilt gemäß EU-Verordnung Nr. 622/2012 eine Umwälzpumpe, die für den Betrieb innerhalb eines Produkts (Gerätes) bestimmt ist und mindestens eines der folgenden Konstruktionsmerkmale aufweist:

Um die Vergleichbarkeit mit externen Pumpen zu gewährleisten, werden integrierte Umwälzpumpen mit einem Referenzpumpengehäuse geprüft. "Referenzpumpengehäuse" bezeichnet ein vom Hersteller bereitgestelltes Pumpengehäuse, bei dem Einlass- und Auslassstutzen auf einer Achse liegen und das für die Verbindung mit dem Rohrleitungssystem einer Heizungsanlage oder dem Sekundärkreislauf eines Kühlverteilungssystems bestimmt ist. Die Konformität mit den Verordnungen wird durch Anbringen des CE-Kennzeichens bestätigt. Austauschpumpen für integrierte Umwälzpumpen, die vor dem 1. August 2015 verkauft wurden und die Anforderungen der Ökodesign-Verordnung nicht erfüllen, dürfen voraussichtlich noch bis Dezember 2021 in Verkehr gebracht werden.

Umschaltventile für Kombiheizgeräte

In Gas-Kombiheizgeräten werden Umschaltventile verwendet, die den Heizwasserstrom geräteintern von Heizbetrieb auf die Warmwassererzeugung und zurück umschalten können. Sie sitzen entweder auf der Vorlauf- oder der Rücklaufseite des internen Wasserkreislaufes. Klappenventile stellen eine praxisgerechte Lösung für integrierte Umschaltventile dar. Der große Vorteil dieses Ventils liegt in seiner Zuverlässigkeit, da es keine dynamische Abdichtung aufweist. Im Gegensatz zu Kolbenventilen bewegt sich der Hebelarm nicht axial vorwärts oder rückwärts, sondern kippend mit einer festen statischen Dichtung. Deshalb gibt es fast keinen Verschleiß. Als Stellglieder können Schritt- oder Synchronmotoren verwendet werden. Sie erhalten den Umschaltbefehl heutzutage meist aus der Gerätesteuerung über ein separates Stellsignal oder durch Umschaltung deren Spannungsversorgung.

Aktuelle (Pumpen-)Innovation: Grundfos Smart Hydro Block "SHB"

Bedingt durch die vielfältigen Designmöglichkeiten von Kunststoff-Spritzguss oder neuerdings 3D-Druck kann man sehr komplexe oder auch diffizile Teile fertigen. Das half bei der Formgebung einer neuen Pumpenventileinheit dem Grundfos Smart Hydro Block. Hierbei handelt es sich nicht nur um die Kombination von Pumpe und Umschaltventil in einem Kunststoffgehäuse, sondern erstmalig gelang es auch, ein Umschaltventil zu entwickeln, das keinen Stellmotor mehr benötigt.

Nur durch die Drehzahl und Drehrichtung der Pumpe wird über die Wasserströmung innerhalb des Pumpengehäuses eine Disk oder Matrize aus Kunststoff in zwei verschiedene Stellungen gebracht, sodass zum Beispiel entweder der Pumpeneinlass vom Heizungskreislauf oder der vom Trinkwarmwasser-Sekundärwärmeübertrager (TWW) geöffnet wird. Der Heizwasserkreislauf läuft also entweder im Heizbetrieb oder im Warmwasserbetrieb. Zum Zwecke der Umschaltung wird hierbei kurzzeitig die Pumpe gestoppt, sodass die Disk sich vom Pumpenboden löst und in eine freie Position kommen kann. Wird dann die Laufraddrehrichtung umgekehrt und mit extrem niedriger Fördermenge gefahren, wird die Disk in eine neue Lage mitgeschleppt. In dieser Position wird bei normaler Drehrichtung und höherer Drehzahl die Disk dann wieder auf den Pumpenboden gedrückt und fixiert, sodass der alternative Pumpeneintritt geöffnet bleibt.

Dieses Spiel lässt sich auch umkehren, sodass eine Umschaltung in die Ausgangsposition erfolgt. Eine integrierte Pumpenintelligenz erkennt die Position der Disk und übernimmt den Umschaltvorgang, wenn über ein anwendungsspezifisches PWM- oder LIN-Bus-Profil eine entsprechende Pumpenansteuerung erfolgt. Damit ist in typischen Anwendungen, wie einem Gas-Kombiwasserheizer, kein Synchron- oder Schritt-Stellmotor mit dem notwendigen Ansteuerungssignal erforderlich. Man spart also nicht nur das Umschaltventil, sondern auch den Schrittmotor-Treiber, das Signalkabel bzw. Versorgungskabel und den Stellmotor selbst. Das bedeutet nicht nur eine Kostenersparnis, sondern durch weniger Komponenten auch ein geringeres Ausfallrisiko.

Fazit

Zurzeit befinden sich die Pumpen bei Geräteherstellern in der Feldtestphase und man arbeitet auch an einer Variante mit der Umschaltmöglichkeit auf der Pumpenauslassseite, die zum Beispiel in einem Gussgehäuse außerhalb des Wärmeerzeugers sitzen könnte und in komplexen Anlagen die Wasserverteilung oder die TWW- bzw. Pufferspeicher-Auf- oder -Entladung steuert. Selbst eine Funktion als Mischventil scheint nicht utopisch. Eine Nachrüstung in existierenden Gerätebaureihen ist allerdings nur bedingt möglich, da die Ventilfunktion im Pumpengehäuse integriert ist und das Design der Hydraulikeinheit und auch der Regeleinheit angepasst werden muss.

Bei externer Anwendung fällt das Umschaltventil weg und an seine Stelle würde eine Umwälzpumpe mit drittem Heizkreisanschluss treten. Die physikalische und auch hydraulische Größe der Pumpe wäre aber kompatibel mit heute gängigen Varianten und durch ihre Komplexität eine riesige Innovation in der Heizungsbranche. Selbst die Effizienz der Pumpe wird nur unwesentlich beeinflusst und gegenüber einer Pumpe-plus-Ventil-Lösung optimiert. Überall wo man heute vor der Wahl steht, ein Umschaltventil oder eine zusätzliche Umwälzpumpe (z.B. TWW-Speicherladung) zu wählen, könnte eine solche Version zum Einsatz kommen und Platz und Kosten einsparen.