Optimierung Hauswasserwerk

Drehstrommotor

Ein neuer Motor wurde leider notwendig, da der Originalmotor von Grundfos eine 380V/440V (Dreieck/Stern) Ausführung war, der FU aufgrund der Baugröße aber nur an 1NPE/230VAC arbeitet und somit nur einen 230V/400V (Dreieck/Stern) – Motoren treiben kann.

Aber der Neue ist ein zeitgemäßer Hocheffizienzantrieb (Klasse IE2), er ist 15-20% effizienter als der Alte (der doch immerhin schon deutlich über 15 Jahre alt war – Stand des Umbau’s 2013).

Eine neue Riemenscheibe musste auch sein, der Originalmotor hatte leider keinen Norm-Wellendurchmesser, die Riemenscheibe konnte ich also nicht übernehmen. Hier dann eine Taper-Scheibe genommen, die kann man ohne Aufschrumpfen problemlos montieren.

Das ganze kostete nicht die Welt (105€ + 15€).

Den alten Motor habe ich dann erfolgreich per „Bucht/Ebäh“-Kleinanzeigen verkauft als Ersatzmotor für die WL3000/3002 bzw. WN301, da die passende Riemenscheibe ja nicht demontiert wurde, letztlich kostete mich dann der neue Antrieb gerade mal 50€. Der Motor tut heute noch seine Dienste irgendwo in Mecklenburg/Vorpommern.

Drucksensor

SICK-Absolutdrucksensor 0-4bar

Den Wasserdruck nun auf über 4 bar anzuheben (Drucksensor macht es ja mit seinem Messbereich möglich) macht allerdings keinen Sinn,  da man deutlich über 3,5 Bar Wasserdruck sowieso nicht nutzen kann, das sonst er im Pumpen-Wind-Gehäuse der WN301 integrierte Überdruck/Überström – Ventil (typ. Öffnungsdruck dieser etwa 4  bar (Version „Blau“)) sonst bei jedem Kolbenhub leicht öffnen.

Grund hierfür, dieses Überdruckventil „sieht“ als Druck die Differenz zum Unterdruck der Saugseite, wodurch der maximale Ausgangsdruck um den Unterdruck der Saugseite reduziert ist. Auch wir haben, ganz nah am Rhein im Sommer im Kellerniveau noch etwa 4 m Saughöhe (also -0.4 bar) zu überwinden.

Aktuell habe ich den Drucksensor Sollwert auf 3,6 bar, Regelung läuft wie bekannt sehr gut. Druckschalter auf 3.4 – 3.7 bar eingestellt. Nun tritt zwar das oben beschriebene Öffnen des Überduckventils minimal auf – aber nur im Sommer bei niedrigem Grundwasserstand.

Achtung: Sollten Sie nachfolgende Informationen verwenden und in einer eigenen Lösung umsetzen wollen, beachten Sie bitte die technischen Anforderungen an die fachgerechte Ausführung von Elektroinstallationen, sowie auch die einschlägigen Vorschriften der Trinkwasserhygiene (DVGW u.a.). Für die hier gemachten Aussagen, Erläuterungen und Beschreibungen lehnen wir jegliche Haftung ab.

Aufbau und Inbetriebnahme

Die obigen Komponenten in einen Spelsberg-Kleinverteiler eingebaut, den ich mir netterweise von Spelsberg (ELS) als kostenloses Muster kommen ließ.

Die restlichen Bauteile, ein paar Reihenklemmen, einen Not-STOPP-Schalter (der FU hat hier speziellen Eingänge dafür – sicheres Abschalten der Leistungsendstufe), einen Umschalter, um am FU den Reglerbetrieb abschalten zu können.

Ein paar Meter abgeschirmte mehradrige Leitung (LAPP Ölflex CY 4×1.5qmm), da die Verbindungsleitung FU zu Motor abgeschirmt ausgeführt werden muss, sonst können die Störstrahlungsgrenzwerte (EMV-Emmisionen) für den Haushalts/Kleingewerbebereich nicht eingehalten werden.

Wie habe ich die elektrische Verschaltung und die FU-Programmierung/Konfiguration durchgeführt:

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  Condor-Membrandruckschalter

  Den bauseits vorhandenen Membran-Druckschalter am Windkessel habe ich als zusätzlichen „Sicherheits“- Schalter weitergenutzt, er schaltet, sollte der FU einen Defekt aufweisen und nicht mehr auf seine Steuersignale reagieren, spätestens bei 4 bar Überdruck die Stromversorgung des FU auf der Netzspannungsseite (230VAC) ab. Damit wird auch verhindert, das die Überdruckventile in der Pumpe dauerhaft (bei jedem Kolbenhub) öffnen, der Verschleiß an der Pumpe wird so minimiert. Dieser dient somit der Erhöhung der Betriebssicherheit beim Auftreten des ersten Fehlers (hier Ausfall der Regel- / Steuerfunktionen des FU).

• Vom SICK Drucksensor den 4-20mA Istwert – Ausgang als Istgröße auf den FU geführt. Diesen Analog – Eingang habe ich am FU dann so parametrisiert, das ich direkt den Reglersollwert als Druck in [Bar] einprogrammieren kann. Als Druckwert wurde letztlich ein Druck von 3.6 bar als Sollwert vorgegeben. Die Reglereinstellungen habe ich dann empirisch optimiert, so das ein schneller, aber weitest gehendst überschwingungsfreier Betrieb sich ergibt.
• Vom SICK-Drucksensor zusätzlich dessen Schaltausgang (hat ja die Doppelfunktion Drucksensor/Druckschalter), der auf einen Ausschaltdruck von 3,7 bar, wieder einschalten bei 3.4bar programmiert wurde, auf einen FU-Schalteingang geführt. Dieser elektronische Druckschalter wird der Regelung im FU übergeordnet, so das bei Regelfehler eine schöne weiche Abschaltung/Einschaltung mit geführter Beschleunigungs- /Brems- Rampe (1 sec) durchgeführt wird.
• Einen Drehkippschalter ebenso auf den FU geführt, der Eingang wurde so parametrisiert, das damit die FU-Druckregelung an-/abgeschaltet werden kann. Somit kann ich den „klassischen“ Druckschalterbetrieb nutzen, oder die Funktion der PID-Druckregelung.

Ein Tipp für den Fach-Installateur („Klempner“): Im folgenden Bild sehen Sie den Drucksensor und den Druckmanometer korrekt montiert in sogenannten „Manometer“ – Sitzen. Nicht einfach in eine passende Gewindebuchse mit Teflonband-/Teflonschnur oder noch schlimmer Hanf dicht – „gemurkst“ (nur konische Gewinde dichtet man mit Hanf – habt ihr im 1. Lehrjahr gelernt, aber ganz schnell vergessen 😉 ). Im Manometersitz wird dieser korrekt mit einem metallischen (Kupfer) Dichtring gedichtet; handfest Eindrehen und mit einer viertel Umdrehung dichten – so macht man das … (die Korrosionsflecken, die im Bild sichtbar sind, rühren nicht von Undichtigkeiten, sondern sind Reste der Dichtigkeitsprüfung mit Lecksuchspray, die ich dummerweise nicht abgewischt hatte).

Windkessel mit Manometer, Füllventil und Drucksensor, Manometer und Drucksensor.

Inbetriebnahme, Parameter-Optimierung, alles läuft bestens, die Pumpe läuft nun konstant mit etwa 12-15% Drehzahl, wenn nur eine größere Wasserentnahmestelle geöffnet ist. Änderungen in der Abnahmemenge (Wasserfluss) werden prompt und stetig ausgeregelt.

Die Erkenntnis war hier auch, das seltenst die Drehzahl über 50% ansteigt, auch wenn viel Wasser im Haus abgenommen wird.

Nur wenn zusätzlich mindestens mit zwei Gartenbewässerungsschläuche zusätzlich Wasser abnehmen, geht die Pumpe mal deutlich über 50% Drehzahl, den Maximal – Betriebsfall mit einer Abnahme von 3000l/h konnte ich bis dato im Hauswassernetz gar nicht simulieren. (Dennoch ist die Auslegung der Pumpe in Ihrer Größe richtig, wenn wir unser 3-Familienhaus auch mit der entsprechenden Personenzahl belegen würden.)

Schaltkasten mit Frequenzumrichter und Ansteuerung für ein elektrischen Kalkschutzgerät (nicht mehr in Betrieb)

Die Druckregelung, erfolgt auf besser 0.02bar, was will man mehr, das kann man wirklich als konstanten Druck bezeichnen.

Die Parametriesierung des PID – Reglers wurde übrigens so vorgenommen (über die Funktion „Mindestdrehfrequenz“) das bei Abnahmeentfall (oder extrem geringer Abnahme) der Druck etwa 0.05bar über den Regel – Sollwert ansteigt, dann bleibt der Motor stehen, er wird aber nicht wirklich abgeschaltet (der Motor schon, aber der Regler nicht, er wird in seinem aktuellen Zustand „eingefroren“). Wird der Sollwert dann wieder um etwa 0.02 bar unterschritten, nimmt der FU den Regelbetrieb wieder auf, dies erfolgt dann ganz ohne Anlauf-Überschwinger oder Ähnlichem.

Wichtige Erkenntnisse am Rande:

• Der FU muss auf einen Mindestdrehzahl von 5 Hz (also 10% Drehzahl) programmiert werden, um im Zahnradgetriebe der Kolbenpumpe die Ölförderung sicher zu gewährleisten, sonst läuft nämlich das vom großen Zahnrad aus dem Ölsumpf noch oben mitgeführte Getriebeöl schneller zurück als das Zahnrad sich nach oben dreht. Das kleine, oben liegende, Zahnrad (getrieben von der großen Riemenscheibe) würde es auf Dauer die mangelnde Öl-Versorgung mit erhöhtem Verschleiß quittieren.
• Da die Kolbenpumpe eine wellen- (sinus-) förmig ansteigendes und absinkendes Drehmoment vom Motor verlangt (Drehmomentmaximum im unteren Totpunkt (UT) und oberen Totpunkt (OT) des Kolbens, die Pumpe hat ja einen doppelt wirkenden Hubkolben), sollte unbedingt am FU die Funktion der „Drehfeldkorrektur“-Regelung aktiviert sein, so wird eine Schlupf-Kompensation (ist ja ein Asynchronmotor) vorgenommen und eine permanent (nahezu) konstante Wellendrehzahl am Antrieb erreicht.
• Im Rahmen der Umbauten hatte ich auch den Keilriemen getauscht, nun  natürlich auf einen Keilriemen mit Zahnung, dessen Verluste sind bei Umlauf um die kleine Riemenscheibe auf der Motorwelle geringer. Auch musste, da der FU das maximale Anlaufdrehmoment nun sauber begrenzt, die Riemenvorspannung nicht mehr so stramm sein, der Riemen zeigt dennoch keinerlei sichtbaren Schlupf, Abrieb ist gar nicht feststellbar. Gut für die Lagerbelastung am Motor und der Pumpenseite, aber auch für die Lebensdauer des Keilriemens.

Einbau einer „neuen“ Pumpe in 01/2021

Generalüberholte WN301 – 01/2021

Auch ein „Wasserknecht“ braucht Pflege.

Wurde um 2010, nach etwa 15 Jahren Betrieb, eine Vorort-Wartung durchgeführt (Kolben, Stopfbuchse, Ventilplatte getauscht), so musste nun Anfang 2021 die Pumpe ausgetauscht werden, da sie zunehmend zum „Hammerwerk“ wurde – das Pleuellager ist offenbar verschlissen. Zudem wurde sie undicht an der Stopfbuchse – ein nachstellen hilft nix, die Kolbenstange ist derart eingelaufen, da versagt die beste Stopfbuchse.

Eingebaut wurde nun eine komplett überholte WN301 – quasi ein 1:1 Austausch ohne irgendwelche Anpassungen der Anschlüsse. Sie sollte nun wieder 25 Jahre halten, die alte Pumpe wird zurückgegeben.

Lieferant war hier ein privater Anbieter aus Detern / Friesland, gefunden über EBAY-Kleinanzeigen. Aber auch andere, z.B. die Fa. Steffens – Pumpen bieten, wenn sie eine passende Pumpe am Lager haben, einen Austauschservice an. Übrigens, die Fa. Steffens baut nun auch einige Loewe – Wasserknecht Pumpentypen komplett neu.

Fazit:

Die Anlage läuft so nun schon seit  7 Jahren ohne jeglichen Ausfälle.

• Mein Ziel, absolut konstante Druckverhältnisse im Hauswassernetz, wurde voll erfüllt.
• Der Kostenaufwand hielt sich mit etwa 400€ und ein paar Stunden Arbeit absolut in Grenzen.
• Allerdings muss man, wenn man alle Komponenten neu kauft, die Verdrahtungs- und Installationsarbeiten (durch Fachhandwerker) hinzu rechnet, schon mit einem regulären Straßenpreis von 1500-1800€ rechnen.
• Im nächsten Schritt, wenn meine Heizungsanlage modernisiert wird, entfällt der riesige Pufferspeicher und wird durch einen kleineren (80-100L) Edelstahl-Membran-Ausgleichsbehälter (Trinkwasser – tauglich) ersetzt, denn der Große ist nun absolut überflüssig.

Ein Wort noch zur Energiebilanz: Der Jahresstromverbrauch liegt möglicherweise minimal höher als bei der „alten“ Lösung, aber Komfort ist im Allgemeinen auch nicht für lau zu bekommen. Der FU hat eine permanente Energieaufnahme von etwa 5W (also etwa 44kWh/a), durch den konstanten Druck von 2.92 bar (dies ist etwas niedriger als der bisherige mittlere Druck von (4+2.4)/2 = 3.2 bar) ist der Energiebedarf im Mittel um knapp 9% niedriger im Förderbetrieb, zusätzlich aber durch den mindestens 15% effizienteren Antrieb noch optimiert, also effektiv etwa 22% als Minderleistung. Dies kompensiert den permanenten Ruheleistungsbedarf ganz gut, ob der effizientere Förderbetrieb im Jahresmittel den Ruhebedarf kompensiert, kann ich nicht sagen, habe ich nicht gemessen.

Alles in allem – Konstant-Druckregelung wie mit einer Kreiselpumpe – aber auf deutlich angehobenen Wirkungsgrad-Niveau.

Habe ich Ihr Interesse geweckt? Sprechen Sie mich an ……