Optimierung Hauswasserwerk

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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.

Mein Problem?

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

Hauswasserwerk Grundfos/Loewe WL3002

Grundfos/Loewe WL3002 (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 WL3002 (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 effektiv bei etwa 2.4 bar schaltet also die Pumpe wieder ein.

Dies führt, insbesondere unter der Dusche bemerkt man dies, zu einem ungleichmäßigen Wasserfluss (mal ansteigend, dann wieder abfallend) 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 abzuziehen sind.

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.

Es wäre hier alternativ der Einsatz einer selbst ansaugenden Kreiselpumpen (ob sie das auch noch sicher tun, wenn sie älter und verschlissen sind?), die auch per Frequenzumrichter druckgeregelt werden können, möglich.

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 machen.

Nachteil beider Pumpentypen ist und das ist Prinzip – bedingt, das Kreiselpumpen einen sehr schlechten Wirkungsgrad insbesondere bei Teillast haben. Da gerade mal so um die 40%, aber auch bei Vollast ist dieser 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.

Vornweg muss ich 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, 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 zudem 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 kein “Anlauffall” ein, bei dem der Schlupf (Drehzahldifferenz zwischen Statordrehfeld und Rotordrehzahl) besonders groß ist, der Motor wird somit praktisch auch im Anlauf wie im Betrieb mit konstanter Drehzahl schlupfarm und somit innerhalb seiner Auslegungparameter betrieben.

Nun stellt sich dann die Frage, wenn schon volle Drehzahlsteuerbarkeit, warum dann nicht gleich eine Konstantdruck – Regelung realisieren. Im ersten Schritt wäre ich aber auch mit einer Zweipunktregelung mit 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 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 0-4 bar absolut, frei programmierbar, in Edelstahl-Ausführung (nahezu gegen alle Chemikalien beständig).
  • Nachtrag 2017-04-11: Aktuell nun den baugleichen SICK Drucksensor mit integriertem Druckschalter, Messbereich nun 0-10 bar relativ (Überdruck) eingebaut.
  • Drehstrommotor 0,75kw in aktueller Hocheffizienzausführung IE2 neu (Fachhandel).
  • Eine passende Taper-Keilriemenscheibe mit Klemm-Montage (ist einfacher zu montieren).

2 Antworten

  1. Manfred Weiser sagt:

    Hallo Michael,

    faszinierend die Druckregelung an Deinem Hauswasserwerk.

    Du hast ja „Interessenten“ dazu aufgefordert sich zu äußern, was ich hiermit nun etwas ausführlich machen möchte, auch um vielleicht noch etwas dazuzulernen…

    Ich habe dasselbe „Problem“, meine Pumpe (eine 4 Kubikmeter/Stunde- Kolbenpumpe W40 aus dem VEB Pumpenfabrik Salzwedel) verrichtet schon seit Mitte der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts zuverlässig seinen Dienst im Keller. Im Laufe der Jahre habe ich dann einen neuen Kunststoff – Zylinder, eine neue Kolbenstange aus Edelstahl und ich glaube drei Paar neue Manschetten verbaut und auch das Öl wurde ab und zu mal gewechselt.
    Nun bin ich auf Deinen Beitrag mit der Druckregelung gestoßen. Ein interessanter Ansatz.
    Ich selbst habe von 1970-73 Steuer- und Regelungstechnik gelernt und traue mir, obwohl schon lange aus dem erlernten Beruf raus, so etwas noch zu. …
    Auf dem Schrottplatz standen mir bei meinem letzten Besuch zwei große ausrangierte Kompressoren gegenüber, von denen ich mir gleich drei Druckmessumformer abgeschraubt habe. Mit dem Messbereich von 0-50psi konnte ich da noch nichts anfangen, aber daheim angekommen und nachgeschaut, stellte sich heraus, dass das etwa 0-3,5Bar sind. Etwas mehr wäre zwar schöner, aber mit einem angepeilten Enddruck im Kessel von 3,2 bis 3,3Bar müsste es gerade noch gehen. Ich habe sie für ein kleines Trinkgeld bekommen. Der Ausgang bringt 4-20mA. In den E-Bay Kleinanzeigen fand ich einen Danfoss VLT5003 Frequenzumrichter (3,1kVA) mit dazugehörendem LC-Filter, den ich dann für 90€ (günstig?) bekommen habe. Der war, wie man mir versicherte, noch bis März 2019 in Betrieb – aber auch vollkommen verdreckt. Nach der fälligen Reinigung sieht er wieder wie neu aus und er funktioniert auch nach ersten Erkenntnissen tadellos.
    Ich sitze nun schon zwei Tage an der Parametrierung, noch nicht an der Pumpe, sondern mit einem regelbaren Netzteil an den 4-20mA Eingangsklemmen in meiner Bastelstube.
    Die Einstellerei ist für mich auch etwas Ungewohntes, aber ich finde mich (langsam)zurecht. Ein paar Tipps von Dir, wie Du dabei vorgegangen bist sind mir mehr als willkommen.

    Genug der Vorrede, ich habe da eine Frage:
    Wenn der „End-Wasserdruck“ erreicht ist, ist der Motor ja im Idealfall an seiner Minimaldrehzahl (die empfohlenen 5Hz) und der FU schaltet seinen Ausgang ab. Das passiert bei meinem Versuchsaufbau aber nicht abrupt, sondern er bekommt immer noch einige „kleine Stromstöße „ (ist auch zu hören) bevor er dann endgültig aus ist. Das ist der sehr langsamen Änderung des Istwertes (den ich jetzt aber nur mit dem Netzteil simuliere) zu verdanken.
    Ich habe einen 750 Liter Windkessel und da steigt der Druck bei laufender Pumpe nur sehr langsam an (ist natürlich auch abhängig von der Größe des vorhandenen Luftpolsters).
    Das Gleiche passiert auch, wenn bei fallendem Druck der Motor vom FU wieder zugeschalten wird. Eine kleine Hysterese wäre da sinnvoll. Die Parametrierung gibt das beim Danfoss aber nicht her, vielleicht stelle ich mir ja auch nur zu dumm an, oder ich finde es einfach nicht…. Ich habe das jetzt (immer noch im Versuchsaufbau!) so gelöst, dass ich parallel zum 4-20mA-Eingang des FU einen Widerstand von 33kOhm geschaltet habe, den ich bei Erreichen der Mindestfrequenz (eingestellt auf 5Hz) von einem kleinen 24V Relais ( welches vom FU angesteuert wird), vom Eingang trennen lasse. Dadurch springt der Istwert um ca. 0,02Bar nach oben – wodurch der Motor sauber abgeschaltet wird. Wenn der Motor dann wieder vom FU bei fallendem Druck angesteuert wird, wird sofort beim Start mit 5Hz die Mindestfrequenz überschritten, das Relais zieht an, der Istwert springt ein klein wenig nach unten und der Motor läuft sauber an. Das Ganze verfälscht aber die Druckanzeige ein wenig, aber damit kann ich leben.
    Wie hast Du, das sicher auch bei Dir auftretende Problem gelöst, kann man am Mitsubishi FU eine Hysterese einstellen, ist das nötig oder tritt bei Dir das Problem nicht auf?

    Einen Tag später…

    Jetzt befindet sich der FU (zur Probe) im Keller und das Relais mit dem 33kOhm Widerstand habe ich wieder entfernt. Es scheint doch ohne, nur mit dem Signal des Druckmessumformers, ganz gut zu funktionieren.

    Aber ein neues Problem zeigt sich. Bei wenig Wasserentnahme dreht sich der Motor ja nur in den unteren Drehzahlen, wobei er sich nach einiger Zeit merklich(!) erwärmt. Das kommt wohl von der mangelhaften Kühlung durch das am Motor fest verbaute Lüfterrad. Der Motor ist nicht unterdimensioniert (ist der Originalmotor der Pumpe). Bisher (ohne Regelung) reichte der 1,0kW Motor aus. Beim Garten bewässern (der Druck schwankt dabei zwischen 2,6 und 3,4 Bar) wird der Motor nur gut handwarm. Ich habe ihn durch einen noch vorhandenen mit 1,1kW ersetzt, aber die Erwärmung bleibt etwa gleich. Jetzt werde ich versuchen auf dem Schrottplatz einen größeren, mit vielleicht 1,5kW aufzutreiben. Einen Neuen kaufen möchte ich noch nicht, erst einmal testen….
    Hattest Du eigentlich auch ein Problem damit?

    Das laute Schließen der Rückschlagklappe in der Ansaugleitung beim Abschalten der Pumpe ist jetzt nicht mehr zu hören. Die Pumpe habe ich im vergangenen Winter auf „Gummifüße“ sprich Silentblöcke gestellt und die Saug- und Druckleitung teilweise durch PE-Rohr ersetzt. Die Arbeit hat sich gelohnt, sie ist im Haus kaum noch wahrzunehmen.
    Jetzt hört man im Keller aber bei geringer Drehzahl das Klappern der Pumpenventile und der Motor surrt etwas.
    Hast Du eigentlich schon Deinen großen Druckkessel gegen einen kleineren ausgetauscht? Wenn ja, wie groß ist der Neue und wie sind die Erfahrungen? Ich kann mir gut vorstellen, dass man dann auch wieder die Regelparameter neu anpassen muss, weil sich die Regelstrecke merklich verändert (ist nicht mehr so träge, reagiert dadurch schneller).

    • Hallo Manfred,

      sehr interessant Deine Versuche, bist ja fast am Ziel.

      Aktuell habe ich (wieder/immer noch) einen 400 Liter Kessel dran, ein Neuer, letztes Jahr leider ein Loch im Alten (und wieder der ganze Keller unter Wasser), in der Eile war nur der Ersatz mit dem gleichen möglich, war einen Tag vor einem nicht verschiebbaren Urlaub. Ist leider auch wieder starr mit der Pumpe gekoppelt, suboptimal für die Geräusche.
      Aber nächstes Jahr (so hoffe ich doch, bei uns sind praktisch keine Heizungsinstallateure zu kriegen – alle haben zu viel zu tun) wird im Rahmen der neuen Heizung aus Platzgründen dann ein durchflossener 100-150L Druckbehälter mit Membran eingebaut (und mit Flexschlauch zur Pumpe). Getestet habe ich das schon (das kleine Puffervolumen), den 400 Liter Kessel so weit gefüllt, das nur etwa 75 Liter Luftvolumen übrig blieb, dann mit Kompressor auf Vordruck gebracht. Kurzum, es ergab sich keine relevante Änderung des Regelverhaltens – passt.

      Anfang des Jahres ging mein FU immer mal wieder in thermische Störung, wenn er längere Zeit mit 5 Hz vor sich hin kroch – die Ursache dafür habe ich noch nicht gefunden, aber ist auch egal, ich habe die Mindestfrequenz etwas angehoben (8-9Hz) und das Problem war weg – hätte auch den maximalen Strom etwas senken können, offenbar zieht der Antrieb bei langsamen Drehzahlen etwas mehr als der Nennstrom.

      Der Mitsubishi – FU hat eine Funktion (Parameter), in der er den Antrieb abschaltet, wenn die Stellgröße unter den (äquivalenten) der Mindestfrequenz fällt, der Antrieb bleibt dann einfach stehen und läuft dann mit den Stopp-Parametern einfach weiter, wenn der Druck minimal gesunken ist. Falls der Danfoss auch so was hat – mal suchen – damit kann man das “kriechen” etwas optimieren.
      Allerdings sollte bei deinem großen Puffer auf eine Erhöhung der Mindestdrehzahl ähnliches bringen, zwar “schießt” der Druck leicht über den Nennwert, aber das sind dann auch nur ein paar hunderstel Bar.

      Erwärmung Motor bei Langsamlauf: Denke mal über einen neuen Motor mit Effizienzklasse 2 oder 3 nach, zumal alte Motoren zum Teil so schlechte Bleche im magnetischen System haben, das die bei den Oberwellen durch die Ansteuerung per FU, gehörig erhöhte magnetische Verluste verursachen – und sich dadurch deutlich stärker erwärmen (ist der Motor von vor 1980, dann ist das vermutlich so – damals wurden Motor für FU-Ansteuerung noch extra ausgelegt).
      Ein Motor mit 1.1-1.3kW kriegt man schon für etwas über 125,–€, dann noch eine Variante mit Temperaturfühler nehmen, sofern der FU dafür einen Eingang hat, dann ist das thermische Problem gelöst – und abgesichert.
      Ggf. geht (für die alten Motoren) auch ein Sinusfilter hinter dem FU, beseitigt auch die Oberwellen, ist aber preislich selten interessant.

      Ansonsten wünsche ich Dir (als Rentner mit “unendlich” Zeit) gutes Probieren – das klappt schon.

      Gruß
      Michael

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