Pumpe auf dem Teststand

Jetzt habe ich endlich mal gemessen, was die elektronische Drehzahlregelung mit der Pumpe macht. Also Prüfstand mit Bordmitteln aufgebaut: Messung des Durchflusses mit Eimer und Stoppuhr, Druck mit analogem Manometer und Wirkleistung mit einem Energiemesser.

Messaufbau mit Invertersteuerung,
Manometer und Energiemesser

Mein Fazit nach Auswertung der Messungen:

• Die Druckregelung spart Energie. 
• Die Einsparung ist am höchsten im unteren Leistungsbereich der Pumpe
  
• Angesichts des relativ geringen Energiebedarfs für die Wasserförderung dauert es aber sehr lange, bis sich eine je nach Hersteller einige 100 Euro teure Inverter-Pumpenssteuerung amortisiert. Beim Betrieb eines Gartensprengers verbraucht man im konkreten Beispiel statt 500 nur 400 Watt und spart pro Betriebsstunde etwa 0,1 kWh ein. Das entspricht 3 Cent pro Stunde. Bis zur Amortisierung würde es also einige tausend Betriebsstunden dauern. 
• Trotz der geringen Ersparnis überwiegt für mich beim Einsatz der Invertersteuerung der Komfort eines konstanten Wasserdrucks. 
• Unnötig hoher Druck bzw. Überdimensionierung der Pumpe führt zu hohem spezifischem Energiebedarf (kWh/m³) und Kosten (EUR/m³)
• Die richtige Auswahl der Pumpe je nach Wassermenge und Druck spart Energie. Ein Anhaltspunkt dafür ist, wenn der Arbeitspunkt etwa am Punkt des höchsten Wirkungsgrades der Pumpe liegt (an dem oft auch der Nennwert der Pumpe liegt)
  

Im Einzelnen:

Messaufbau und -durchführung:

Die Pumpe liefert maximal 3,9 bar, davon ist noch die Saughöhe abzuziehen. Deshalb werden am Aufstellungsort maximal ca. 3,5 bar erreicht. Die Messungen erfolgten bei drei eingestellten Druck-Sollwerten (2,0, 2,5 und 3,0 bar) sowie bei ungeregeltem Betrieb (dazu wurde mit 4 bar ein Druckwert eingestellt, den die Pumpe nicht erreichen kann – dann läuft sie dauerhaft mit voller Drehzahl). Jeder Punkt in den Messkurven bedeutete harte Arbeit: im Garten am Wasserhahn einen passenden Durchfluss einstellen, Zeit stoppen, runter in den Keller, Druck und Leistung ablesen. Wenn der Wert nicht passte, dann alles nochmal.

Die Pumpen-Kennlinie zeigt je nach eingestelltem Druck ein Konstantdruckverhalten, bis zu dem Durchfluss, an dem die normale Pumpen-Kennlinie (rot) erreicht wird. Von da an folgt der Druck mit zunehmendem Durchfluss der ungeregelten Pumpen-Kennlinie, nimmt also mit steigendem Durchfluss ab. 

Die elektrische Leistung der Pumpe liegt im geregelten Betrieb unter der Leistung der ungeregelt betriebenen Pumpe. Das Ausmaß der Leistungsreduktion hängt davon ab, wieweit der Drucksollwert unter dem Maximaldruck der Pumpe eingestellt ist.  

Interessant ist der Energieverbrauch, der für die geförderte Wassermenge aufgewendet werden muss. Auch hier zeigt sich im Konstantdruckbetrieb eine Energieeinsparung. Diese ist vom Druck abhängig. Die Erklärung ist einfach: im ungeregelten Betrieb wird je nach Durchflussmenge ein Druck aufgebaut, der höher als der für die Betriebsart (z.B. Versorgung eines Gartensprengers) nötige Druck ist. Druck bedeutet in der Pumpen-Kennlinie auch Förderhöhe. Eine zu hohe Förderhöhe für das Wasser bedeutet unnötig aufgebrachte mechanische Energie. Der (niedrigere) Konstantdruck sorgt dafür, dass Energieverluste vermieden werden. 

Dieselben Werte unten nochmal im doppeltlogarithmischen Diagramm. Das ist für damit nicht vertraute zwar schwieriger abzulesen. Es hilft aber, die obigen Hyperbeln besser zu verstehen. Dass sich hier Geraden ergeben, weist darauf hin, dass die Messergebnisse plausibel sind.

Der Wirkungsgrad der Pumpe ist, wie man im Diagramm sehen kann, unabhängig vom eingestellten Druck.

Das bedeutet, dass die durch die Regelung erzeugte Energieeinsparung allein aus dem exakt für die Anwendung bereitgestellten Konstantdruck resultiert, welcher geringer als der sich aus der Pumpen-Kennlinie ergebende Druck ist (wie oben bereits erklärt). Interessant ist, dass die Pumpe nicht ineffizienter wird, wenn sie mit reduzierter Drehzahl läuft. Allerdings ist die Drehzahländerung auch gering. Selbst bei den Messungen im unteren Durchflussbereich zeigte die Steuerung noch 42 Hz an. 

Wikipedia sagt zu den Einflussfaktoren der Drehzahl auf die Pumpendaten: Q~n; H~n²; P~n³. Die Kennlinie wird also an mehreren Stellen beeinflusst, deshalb reichen so kleine Reduzierungen der Frequenz gegenüber der Netzfrequenz von 50 Hz aus, um die Regelung umzusetzen.

Fehlerbetrachtung:

Zu jeder Messung gehört auch eine Fehlerbetrachtung. Hier wäre relevant: 

Druck: Der Druck auf der Druckseite wurde mit einem analogen Druckmesser Klasse 1.6 gemessen (1,6 % Messabweichung). Der Unterdruck auf der Saugseite wurde nicht gemessen, sondern aus der Höhe der Pumpe über dem Wasserspiegel zuzüglich einem Zuschlag für Fußventil und Wasserfilter abgeschätzt. Die Pumpe steht 2,60 m über dem Wasserspiegel. In die Rechnung flossen 3 m ein. Wichtig ist das nur für die Berechnung des Wirkungsgrades. Die anderen dargestellten Ergebnisse beruhen direkt auf der gemessenen elektrischen Leistung. 

Leistung: Die elektrische Wirkleistung wurde mit dem Energiemessgerät Voltcraft Energy Logger 3500 gemessen. Für den Leistungsbereich 5 bis 3.500 W ist eine Messabweichung von 1% angegeben.

Durchfluss: Die Durchflussmessung erfolgte mit einem 10-Liter-Wassereimer und Stoppuhr. Bei geringem Durchfluss (10 bis 20 Liter je Minute) ließ sich das auch ganz gut machen. Bei höherem Durchfluss und auch noch Luftblasen durch das einströmende Wasser war es etwas schwieriger, ganz exakt die Zeit zu stoppen, zu der die 10-Liter-Markierung erreicht wurde. Den Messfehler beim Messen der Zeit zum Füllen des 10-Liter-Eimers schätze ich auf ca. 0,5 Sekunden. Der Durchfluss ist damit der ungenaueste unter den Messwerten.

Motor-Wirkungsgrad: Im Wirkungsgrad-Diagramm ist zum Vergleich die Wirkungsgrad-KL aus dem Datenblatt eingetragen. Diese ist dort aber nur für die Pumpe eingetragen, ohne den Motor-Wirkungsgrad, also bezogen auf P2 (Leistung an der Pumpenwelle). Für den Motor ist kein Wirkungsgrad angegeben, jedoch die Angabe P1 = 850 W, P2 = 550 W. Daraus ergibt sich ein Motor-Wirkungsgrad von 65%, mit dem der Pumpen-Wirkungsgrad multipliziert wurde, um auf den Gesamtwirkungsgrad zu kommen, der im Diagramm eingetragen ist. 

Pumpen-Kennlinie (WILO MHIL 104):