Was ist eine Inline-Pumpe? Grundfos TPE und Wilo CronoLine Baureihen

Die kurze Antwort auf die Frage, was eine Inline-Pumpe ist, liegt in der Gehäusegeometrie: Saugstutzen und Druckstutzen haben denselben Nenndurchmesser und liegen auf derselben Achse, deshalb wird die Pumpe wie ein Kugelhahn in Reihe in die Rohrleitung eingebaut. Im Türkischen wird sie auch als „hat üstü pompa“ bezeichnet. Das Wasser tritt waagerecht in das Gehäuse ein, wird im Spiralgehäuse zum Laufrad geführt, und die aus dem Laufrad austretende Strömung wird wieder in die waagerechte Achse umgelenkt und über den Druckstutzen in die Leitung abgegeben.

Die erste Folge dieser Bauweise ist die einfache Montage. Bei einem Endsauggehäuse ist der Saugstutzen axial und der Druckstutzen senkrecht angeordnet; weil beide Stutzen im rechten Winkel zueinander stehen, muss vor und über der Pumpe eine eigene Rohrgeometrie aufgebaut werden. Bei einem Inline-Gehäuse wird dagegen die vorhandene Rohrleitung aufgetrennt, die Pumpe zwischen zwei Flansche gesetzt, und die Arbeit ist erledigt. Bei Nachbesserungen im Heizraum und bei Umbauten, in denen einer bestehenden Anlage eine Pumpe hinzugefügt wird, ist dieser Unterschied allein schon ein Auswahlgrund.

Die zweite Folge ist die Art der Lastaufnahme. In den Baureihen von DN 40 bis DN 100 tragen Rohrleitung und Flanschverbindung das Gewicht der Pumpe; ein eigenes Fundament wird nicht gegossen. Bei den großen Gehäusen über DN 125 verlangt der Hersteller dagegen, die Pumpenfüße auf einer Konsole oder auf Beton abzustützen, weil die Summe aus statischem Gewicht und Wärmeausdehnungskräften die Flanschschrauben beansprucht. Wo diese Grenze liegt, steht in der Montageanleitung jeder Baureihe gesondert und wird nicht geschätzt.

Die dritte Folge ist die Lage des Motors. Der Motor sitzt direkt über dem Gehäuse auf der senkrechten Welle. Das verkleinert die Stellfläche, erfordert aber Deckenhöhe: Wird über dem Motor nicht mindestens 300–500 mm freier Serviceabstand gelassen, lässt sich die Lüfterhaube nicht abnehmen, und die Kühlluft wird eingeschränkt. In Kellern mit niedriger Decke ist dies das erste Maß, das in der Planungsphase abgemessen werden muss. Die Grundlagen zum Funktionsprinzip finden Sie in unserem Ratgeber zur Kreiselpumpe. (Details: Was ist eine Kreiselpumpe? Funktionsprinzip und Einsatzbereiche)

Die Antwort auf die Frage, wie eine Inline-Pumpe funktioniert, ist der klassische Kreiselprozess: Der Elektromotor dreht die Welle, das auf der Welle sitzende Laufrad schleudert das Wasser von der Mitte nach außen, und die am Umfang entstehende Geschwindigkeitsenergie wird im Diffusor des Spiralgehäuses in Druckenergie umgewandelt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Strömung im Gehäuse zweimal die Richtung wechselt, um wieder auf die Eintrittsachse zu gelangen. Diese zusätzliche Umlenkung bedeutet bei demselben Laufrad einen zusätzlichen hydraulischen Verlust in der Größenordnung von etwa 1–3 Prozent.

Diese einstufige Baureihe arbeitet typischerweise im Bereich mittlerer Volumenströme und mittlerer Förderhöhen. In Kreisen von Wohn- und Gewerbegebäuden liegen die Betriebspunkte meist im Bereich von 5–200 m³/h Volumenstrom und 5–40 mWS Förderhöhe; bei großen Industriegehäusen kann der Volumenstrom bis in die Größenordnung von 1.000 m³/h und die Förderhöhe je nach Baureihe über 100 mWS steigen. Da die Katalogwerte je nach Baureihe und Laufraddurchmesser variieren, wird der endgültige Wert in der Auswahlsoftware des Herstellers abgelesen.

Beim Wirkungsgrad werden zwei Werte gemeinsam betrachtet. Der hydraulische Wirkungsgrad liegt bei einstufigen mittleren und großen Gehäusen im Bestpunkt (Punkt des besten Wirkungsgrads, BEP) bei etwa 70–85 Prozent; bei kleinen Gehäusen DN 32 und DN 40 sinkt er auf 55–70 Prozent. Der Motorwirkungsgrad liegt in den Klassen IE3 und IE5 oberhalb von 4 kW bei 89–93 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad vom Kabel bis zum Wasser ist das Produkt beider Werte, und genau diese Zahl gehört in die Energieberechnung.

Auch das Kavitationsverhalten wird von der Gehäusebauart beeinflusst. Da der Saugstutzen waagerecht und auf derselben Achse wie die Leitung liegt, ist auf der Saugseite kein zusätzlicher Bogen nötig; das senkt die Verluste in der Saugleitung und erhöht den vorhandenen NPSH-Wert (NPSHa). Dagegen stört ein Bogen oder Filter unmittelbar vor dem Saugstutzen der Pumpe die Strömung am Laufradeintritt und erhöht den NPSHr-Wert (erforderlicher NPSH-Wert). Den Mechanismus können Sie in unserem Ratgeber zur Kavitation nachlesen. (Details: Was ist Pumpenkavitation? Das Problem, das Pumpen leise zerstört)

Bei Inline-Gehäusen ergeben sich je nach Art, wie der Motor mit der Welle verbunden ist, zwei verschiedene Bauweisen. Eine Pumpe in Blockbauweise ist eine Ausführung, bei der die Motorwelle das Laufrad direkt trägt oder über eine kurze Zwischenkupplung verbunden ist und der Motorflansch direkt an das Pumpengehäuse geschraubt wird. Bei der Bauweise mit getrennter Kupplung befinden sich dagegen zwischen Motor und Pumpe ein Laternenstück, eine eigene Pumpenwelle und eine lösbare elastische Kupplung. Der Unterschied liegt in der Wartungsphilosophie und im Leistungsbereich.

Die Pumpe in Blockbauweise ist kürzer, leichter und günstiger. Da die Motorwelle zugleich die Pumpenwelle ist, entfällt jede Ausrichtung; die im Werk festgelegte Toleranz geht vor Ort nicht verloren. Der typische Einsatzbereich liegt bei etwa 0,25–22 kW. Der Nachteil: Beim Wechsel der Gleitringdichtung muss der gesamte Motor angehoben werden, und die Motorlager nehmen auch die hydraulische Axiallast auf.

Bei der Bauweise mit getrennter Kupplung hat die Pumpe eine eigene Lagereinheit, und die Axiallast trägt nicht der Motor, sondern das Pumpenlager. Nach dem Lösen der Kupplung bleibt der Motor an seinem Platz, und der Service an Dichtung und Lager erfolgt nur über das Laternenstück. Da ein genormter IEC-Motor verwendet wird, ist der Motortausch herstellerunabhängig. Der Preis dafür sind etwa 150–250 mm zusätzliche Baulänge, höhere Anfangsinvestitionen und die Notwendigkeit, die Einstelltoleranz der Kupplung regelmäßig zu prüfen. Diese Bauweise wird überwiegend bei Gehäusen über 15 kW bevorzugt.

• Aufbau — Blockbauweise: Motorflansch direkt mit dem Gehäuse verschraubt, eine Welle; Getrennte Kupplung: Laternenstück, eigene Pumpenwelle und lösbare elastische Kupplung
• Typischer Leistungsbereich — Blockbauweise: etwa 0,25–22 kW; Getrennte Kupplung: etwa 11 kW und mehr, bei großen Gehäusen bis in die Größenordnung von 200 kW
• Baulänge — Blockbauweise: kompakt, bei gleicher DN kürzer; Getrennte Kupplung: etwa 150–250 mm länger, der Bedarf an Deckenhöhe steigt
• Element, das die Axiallast trägt — Blockbauweise: Motorlager; Getrennte Kupplung: die eigene Lagereinheit der Pumpe, der Motor wird von der Last befreit
• Wechsel der Dichtung — Blockbauweise: Der Motor muss angehoben werden; Getrennte Kupplung: Der Motor bleibt an seinem Platz, nur Kupplung und Laternenstück werden demontiert
• Ausrichtung — Blockbauweise: keine Ausrichtung vor Ort; Getrennte Kupplung: Die Kupplungseinstellung wird bei der Montage und bei der regelmäßigen Wartung geprüft
• Kostenpositionen — Blockbauweise: niedrigere Anfangsinvestition, bei Motorausfall kompletter Austausch; Getrennte Kupplung: höhere Anfangsinvestition, günstige Ersatzteile durch den genormten IEC-Motor
• Geeignet für — Blockbauweise: Heiz- und Kühlkreise in Wohn- und Gewerbegebäuden; Getrennte Kupplung: Anlagen mit Dauerbetrieb, hoher Leistung und teuren Betriebsunterbrechungen

Die Antwort auf die Frage, was ein Kartuschenausbau ist, lautet: Alle drehenden und abdichtenden Teile der Pumpe lassen sich in einem Stück aus dem Gehäuse entnehmen. Motor, Kupplung, Welle, Laufrad und Gleitringdichtung sind im Werk zu einem einzigen Modul zusammengebaut; vor Ort wird dieses Modul nach dem Lösen weniger Schrauben nach oben herausgehoben. Das Spiralgehäuse bleibt dabei, ohne von seinen Flanschen gelöst zu werden, in der Rohrleitung.

Die Entsprechung dieses Details vor Ort ist die Zeit. Bei einem klassischen Gehäuse erfordert der Wechsel der Gleitringdichtung, die Pumpe vollständig aus der Leitung auszubauen, die Flanschschrauben zu öffnen, die Dichtungen zu erneuern und nach der Montage eine Dichtheitsprüfung durchzuführen; der Vorgang dauert typischerweise einen halben Tag. Bei der Kartuschenbauweise sinkt derselbe Vorgang nach dem Entleeren der Leitung auf 45–90 Minuten, und die Flanschdichtungen werden gar nicht angefasst. In einer Anlage, die zweimal im Jahr gewartet wird, bedeutet dieser Unterschied unmittelbar Betriebskontinuität.

Der zweite Gewinn ist, dass die Rohrspannung nicht gestört wird. Wenn ein Flansch geöffnet und geschlossen wird, ändert sich die Eigenspannung der Rohrleitung, und auf das Pumpengehäuse wirkt eine neue Kraft; diese Kraft verkürzt bei einer nicht neu ausgerichteten Konstruktion die Lebensdauer der Dichtung. Da das Gehäuse nie ausgebaut wird, beseitigt die Kartuschenmethode dieses Risiko vollständig. Die Baureihen Grundfos TP und Grundfos TPE bieten diese Bauweise serienmäßig; auch bei der Wilo CronoLine IL gilt dieselbe Logik.

Voraussetzung für den Kartuschenausbau ist, dass über und neben dem Motor ausreichend Servicevolumen frei bleibt. Da das Modul senkrecht angehoben werden muss, wird über der Pumpe mindestens die Motorlänge, praktisch 400–800 mm, an freier Höhe benötigt. Bei Montagen ohne diesen Freiraum bleibt der Vorteil der Kartusche auf dem Papier, und der Techniker muss die Pumpe trotzdem aus der Leitung ausbauen. Zu den periodischen Wartungspositionen finden Sie in unserem Ratgeber weitere Informationen. (Details: Pumpenwartung)

Der Unterschied zwischen Inline-Pumpe und Endsaugpumpe beginnt bei der Stutzengeometrie und reicht bis zu Montage, Wartung, Stellfläche und Kostenpositionen. Die Endsaugpumpe ist die klassische Bauart, die in Richtung der Wellenachse ansaugt, über das Gehäuse nach oben fördert und deren Motor auf der waagerechten Achse liegt. Beim Inline-Gehäuse dagegen liegen beide Stutzen auf derselben Achse und haben meist denselben Durchmesser, der Motor steht senkrecht.

Der Unterschied bei der Stellfläche ist messbar. Ein Inline-Gehäuse, das für den Betriebspunkt 50 m³/h und 25 mWS ausgewählt wurde, beansprucht typischerweise 0,25–0,40 m² Grundfläche. Ein im selben Betriebspunkt ausgewähltes Endsaug-Aggregat mit Fundament und Grundrahmen benötigt einschließlich Motorlänge und Rahmenzuschlag typischerweise 0,8–1,2 m² Grundfläche. Der Unterschied beträgt etwa das Dreifache und bedeutet in engen Heizräumen, dass ein weiteres Gerät Platz findet.

Der Unterschied bei der Ausrichtung bestimmt die Dauer der Inbetriebnahme. Bei einem Endsaug-Aggregat mit Kupplung werden der axiale und der winkelige Versatz zwischen Motor und Pumpe mit Messuhr oder Laser-Ausrichtgerät auf 0,05–0,10 mm gebracht; dieser Vorgang erfordert einen Fachmann und wird nach dem Setzen des Fundaments wiederholt. Bei der Inline-Blockbauweise gibt es einen solchen Schritt nicht. Bei Inline-Baureihen mit Kupplung gibt es zwar eine Ausrichtung, aber da die Kupplung im Werk zentriert wird, ist die Arbeit vor Ort deutlich kürzer.

• Stutzengeometrie — Inline: Saug- und Druckstutzen auf derselben Achse, meist gleiche DN; Endsaugpumpe: Saugstutzen axial, Druckstutzen senkrecht, die Durchmesser können unterschiedlich sein
• Grundfläche — Inline: in der Klasse 50 m³/h etwa 0,25–0,40 m²; Endsaugpumpe: in derselben Klasse einschließlich Grundrahmen etwa 0,8–1,2 m²
• Fundament und Grundrahmen — Inline: nicht erforderlich, bei mittleren und kleinen Durchmessern trägt die Rohrleitung die Last; Endsaugpumpe: Betonfundament, Grundrahmen und Schwingungsdämpfer als eigene Positionen
• Ausrichtung vor Ort — Inline: bei Blockbauweise keine, bei Bauweise mit Kupplung kurz; Endsaugpumpe: Laser- oder Messuhr-Ausrichtung mit einer Toleranz von 0,05–0,10 mm zwingend
• Wartungszugang — Inline: Kartuschenausbau, das Gehäuse bleibt in der Leitung; Endsaugpumpe: bei Ausführung mit Rückzugsmöglichkeit bleibt das Spiralgehäuse in der Leitung, aber es wird auf dem Grundrahmen gearbeitet
• Servicehöhe — Inline: über dem Motor sind 400–800 mm freie Höhe erforderlich; Endsaugpumpe: horizontaler Zugang genügt, die Deckenbegrenzung ist kein Problem
• Wirkungsgrad — Inline: wegen der doppelten Umlenkung im Gehäuse etwa 1–3 Prozent niedrigerer hydraulischer Wirkungsgrad; Endsaugpumpe: bei gleichem Laufrad etwas höher
• NPSHr-Verhalten — Inline: Da im Saugbereich kein zusätzlicher Bogen erforderlich ist, sind die Leitungsverluste gering; Endsaugpumpe: Die gerade Rohrstrecke vor dem Saugstutzen ist kritischer
• Kostenpositionen der Montage — Inline: Rohrschnitt, zwei Flansche, Dichtung, Aufhängung; Endsaugpumpe: Fundamentbeton, Anker, Grundrahmen, Ausrichtungsarbeit, flexible Verbindung
• Geeignet für — Inline: Heiz- und Kühlkreise in Gebäuden, Sekundärkreispumpen, Umbauten; Endsaugpumpe: Hauptkreise mit hohem Volumenstrom, Prozessleitungen, schwerer Dauereinsatz

Das Urteil ist klar: Bei jeder Aufgabe, bei der die Stellfläche begrenzt ist, der Betriebspunkt unter 200 m³/h bleibt und die Anlage bereits besteht, wird ein Inline-Gehäuse gewählt. Steigt der Volumenstrom über 300 m³/h, ist das Fördermedium abrasiv oder wird erwartet, dass die Pumpe häufig zusammen mit dem Motor komplett ersetzt wird, ist die Endsaug-Bauweise nach wie vor sinnvoll. Unabhängig von der Gehäusebauart ist die Auswahlmethode dieselbe; Sie können sich unseren Ratgeber zur Pumpenauswahl ansehen. (Details: Wie erfolgt die Pumpenauswahl? Ratgeber zur Berechnung von Volumenstrom und Förderhöhe)

Grundfos TP ist die drehzahlkonstante Hauptfamilie der einstufigen Inline-Kreiselpumpen. Grundfos TPE ist dagegen die mit derselben Hydraulik gefertigte Version, bei der auf den Motor ein integrierter Frequenzumrichter aufgesetzt ist; der Buchstabe E im Code steht genau für diese integrierte elektronische Antriebseinheit. Der Unterschied zwischen TP und TPE liegt also nicht im Gehäuse oder Laufrad, sondern in der Drehzahlregelung.

Die Breite der Baureihe deckt die gesamte Gebäudetechnik ab. Sie bietet einen Bereich, der bei den Gehäusen DN 25 und DN 32 beginnt und bis in die Größenordnung von DN 300 reicht; die Motorleistungen variieren zwischen etwa 0,25 kW und 200 kW. Die Grenze der Fördermediumtemperatur liegt je nach Wahl von Dichtung und Gleitringdichtung bei etwa minus 25 °C bis plus 140 °C, bei einigen Ausführungen auch höher. Der Nenndruck wird mit den Optionen PN 6, PN 10, PN 16 und PN 25 angeboten. Die endgültigen Werte variieren je nach Baureihe und werden in der Auswahlsoftware bestätigt.

Der eigentliche Gewinn der Baureihe Grundfos TPE besteht darin, dass kein externer Antriebsschaltschrank mehr nötig ist. Der Umrichter sitzt auf dem Klemmenkasten des Motors; da das Motorkabel kurz ist, verringern sich elektromagnetische Störungen und Kabelverluste, außerdem wird über den Sensoreingang eine geschlossene Regelung direkt an der Pumpe aufgebaut. Regelungsarten wie konstanter Differenzdruck, Proportionaldruck, konstanter Volumenstrom und konstante Temperatur werden im Gerätemenü ausgewählt.

Auf der Seite der kleinen Baureihen sprechen die Unterfamilien TPE2 und TPE3 mit permanentmagneterregtem Motor und integriertem Umrichter kleinere Kreise an; bei der großen Baureihe wird ein Umrichter verwendet, der auf einen genormten IE3- oder IE5-Motor montiert ist. Die Grundfos MAGNA3, das Nassläufer-Gegenstück derselben Hydraulikfamilie, bietet bis in die Größenordnung von DN 100 eine Lösung ohne Gleitringdichtung und wird bei kleineren Kreisen der TPE vorgezogen. Modelldetails finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Was ist die Grundfos MAGNA3? Unterschiede zwischen MAGNA1 und MAGNA3)

Die Wilo CronoLine IL ist die drehzahlkonstante Familie der Trockenläufer-Inline-Baureihe und wird mit einem genormten IEC-Motor und Kupplung angeboten. Die Wilo CronoLine IL-E ist dagegen die Version desselben Gehäuses mit integrierter elektronischer Drehzahlregelung; der Buchstabe E am Ende des Codes hat dieselbe Bedeutung wie bei Grundfos. Die Wilo Stratos GIGA ist dagegen die Familie des oberen Segments, die mit einem hocheffizienten EC-Motor gefertigt wird und bei der Elektronik und Sensor werkseitig integriert geliefert werden.

Die Einsatzabgrenzung erfolgt nach Leistung und Baureihenbereich. Die Familie Stratos GIGA ist typischerweise bei Gehäusen zwischen DN 32 und DN 100 und im Leistungsbereich von etwa 0,55–11 kW angesiedelt; dank ihres permanentmagneterregten Motors bietet sie im Teillastbetrieb einen deutlichen Wirkungsgradvorteil. Die CronoLine IL und IL-E reichen dagegen von DN 32 bis in die Größenordnung von DN 200 und werden in Kreisen mit hoher Leistung bevorzugt. Die genauen Grenzen der Familien variieren je nach Katalogversion.

Bei der Gebäudeautomation haben alle drei Familien ähnliche Schnittstellen: 0–10 V oder 4–20 mA als analoge Sollwertvorgabe, einen digitalen Freigabeeingang, Relaisausgänge für Störung und Betrieb sowie über aufsteckbare Module Unterstützung für Protokolle wie Modbus RTU, BACnet und Ähnliches. Bei den Regelungsarten stehen konstanter Differenzdruck, Proportionaldruck, konstante Drehzahl und konstante Temperatur zur Verfügung. Zur Funktionsweise der Frequenzregelung können Sie sich unseren Ratgeber ansehen. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

• Motortyp — Grundfos TPE: Asynchronmotor IE3 oder IE5 mit aufgebautem integriertem Umrichter, bei den kleinen Baureihen permanentmagneterregt; Wilo Stratos GIGA: permanentmagneterregter EC-Motor, Elektronik werkseitig integriert
• Typische Baureihe — Grundfos TPE: von DN 25 bis in die Größenordnung von DN 300, etwa 0,25–200 kW; Wilo Stratos GIGA: Bereich DN 32–DN 100, etwa 0,55–11 kW
• Drehzahlkonstante Schwesterbaureihe — Grundfos TPE: Grundfos TP; Wilo Stratos GIGA: Wilo CronoLine IL
• Entsprechung für hohe Leistung — Grundfos TPE: die großen Gehäuse derselben Familie; Wilo Stratos GIGA: außerhalb der Baureihe die Wilo CronoLine IL-E
• Wartungsaufbau — Grundfos TPE: Kartuschenausbau serienmäßig, Gehäuse bleibt in der Leitung; Wilo Stratos GIGA: modularer Zugang zu Kupplung und Gleitringdichtung, Gehäuse bleibt ebenfalls in der Leitung
• Regelungsarten — Grundfos TPE: konstanter und proportionaler Differenzdruck, konstanter Volumenstrom, konstante Temperatur, Mehrpumpenmanagement; Wilo Stratos GIGA: konstanter und proportionaler Differenzdruck, konstante Drehzahl, dynamische Anpassung
• Doppelpumpenoption — Grundfos TPE: Doppelgehäuse mit dem Code TPED; Wilo Stratos GIGA: Doppelausführung mit dem Buchstaben D, bei CronoLine die CronoTwin DL
• Wirkungsgrad im Teillastbetrieb — Grundfos TPE: dank Umrichter hoch, abhängig von der Motorklasse; Wilo Stratos GIGA: wegen des EC-Motors bei 20–40 Prozent Last deutlich im Vorteil
• Geeignet für — Grundfos TPE: gemischte Projekte mit großem Leistungsbereich, Anlagen mit vorhandenem Grundfos-Bestand; Wilo Stratos GIGA: Büro- und Hotelkreise mit mittlerer Leistung und dem Ziel der niedrigsten jährlichen kWh

Eine Doppelpumpe ist eine Bauart, die in einem einzigen Gussgehäuse zwei getrennte Hydrauliken und zwei getrennte Motoren enthält und die Strömung am Austritt über eine Umschaltklappe lenkt. Gegenüber dem Einzelgehäuse bietet sie zwei Vorteile: Redundanz und Wirkungsgrad im Teillastbetrieb. Fällt ein Motor aus, schaltet sich der zweite zu, und der Kreis bleibt nicht stehen; bei niedriger Last ist der Betrieb mit einem Motor effizienter als der gedrosselte Betrieb beider Motoren.

Die Logik des Wechselbetriebs bei der Doppelpumpe ist folgende: Die Regelungseinheit schaltet die beiden Motoren abwechselnd zu und gleicht die gesamten Betriebsstunden an. Das typische Wechselintervall beträgt 24 Stunden; bei manchen Systemen sind 6, 12 oder 168 Stunden wählbar. Das Ziel ist zweifach. Erstens soll die Last verteilt werden, statt dass zwei Motoren und zwei Dichtungen gleichzeitig das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Zweitens soll verhindert werden, dass die Welle einer lange stillstehenden Pumpe festsitzt und die Dichtfläche der Dichtung austrocknet.

Der regelmäßige Probelauf der Reservepumpe ist eine eigene Funktion. Bei Anlagen mit Reserve lässt die Regelungseinheit den nicht laufenden Motor einmal pro Woche 5–30 Sekunden drehen und bewegt dadurch Lager und Dichtung. Wird diese Funktion deaktiviert, läuft die Reservepumpe, die jahrelang nie in Betrieb war, im tatsächlichen Störungsfall nicht an. Der ärgerlichste Fall in der Praxis ist, dass sich die Reserve in dem Moment nicht dreht, in dem auf sie umgeschaltet werden muss.

Auch die Umschaltklappe ist eine eigene Wartungsposition. Die Klappe verschließt die nicht laufende Seite und verhindert so eine Kurzschlussströmung; verkalkt sie und bleibt halb geöffnet, strömt ein Teil des Wassers, das eine Pumpe im Betrieb fördert, über das stillstehende Gehäuse zurück, und der Volumenstrom des Kreises sinkt. Das Anzeichen ist, dass die mit einer einzelnen Pumpe erreichte Förderhöhe deutlich unter der Katalogkennlinie bleibt. Die Prüfung der Klappenbewegung sollte in die Liste der jährlichen Wartung aufgenommen werden.

• Redundanz — Einzel: keine, bei einer Störung steht der Kreis still; Doppel: Auch wenn ein Motor ausfällt, läuft der Kreis weiter
• Wirkungsgrad im Teillastbetrieb — Einzel: arbeitet gedrosselt auf einer einzigen Kennlinie; Doppel: bei niedriger Last arbeitet ein Motor nahe am Bestpunkt
• Spitzenlast — Einzel: durch den maximalen Volumenstrom eines einzelnen Gehäuses begrenzt; Doppel: zwei Motoren im Parallelbetrieb steigern den Volumenstrom auf etwa das 1,6- bis 1,9-Fache
• Grundfläche — Einzel: klein; Doppel: gegenüber zwei getrennten Pumpen und zwei Flanschgruppen etwa 30–40 Prozent kleiner
• Komplexität der Regelung — Einzel: einfach; Doppel: Wechselzeit, Reservelauf und Spitzenlastschwelle werden jeweils gesondert eingestellt
• Wartungspositionen — Einzel: ein Motor, eine Dichtung; Doppel: zwei Motoren, zwei Dichtungen und eine Umschaltklappe
• Geeignet für — Einzel: unterbrechungstolerante Wohnkreise und kleine Gewerbekreise; Doppel: Kreise, deren Ausfall teuer ist, wie Krankenhaus, Rechenzentrum, Hotel und Produktionsstätte

Die Antwort auf die Frage, wie eine Inline-Pumpe ausgewählt wird, besteht aus vier Schritten: den Volumenstrom des Kreises berechnen, den gesamten Druckverlust berechnen, den Betriebspunkt auf der Kennlinie in den Bereich des besten Wirkungsgrads legen und anschließend Stutzengeschwindigkeit und Motorleistung prüfen. Die Wahl von Marke und Baureihe kommt erst nach diesen vier Schritten. Die Reihenfolge der Schritte wird nicht verändert, denn jeder Schritt liefert die Eingangsgröße für den nächsten.

Schritt 1 ist der Volumenstrom. Die Berechnung des Volumenstroms aus der Heizlast erfolgt mit folgender Beziehung: Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T. Dabei ist P die Heizlast in kW, Delta T die Spreizung (Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur) in °C und Q der Volumenstrom in m³/h. Nehmen wir als Beispiel 900 kW Heizlast und 12 °C Temperaturdifferenz: Q gleich 900 geteilt durch 1,163 mal 12 gleich 900 geteilt durch 13,96 gleich 64,5 m³/h. Die Einzelheiten der Volumenstromberechnung finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Wie berechnet man den Pumpenvolumenstrom? m³/h, l/min und Druckberechnung)

Schritt 2 ist die Förderhöhe. Im geschlossenen Kreislauf wird keine statische Höhe überwunden; es wird nur der Reibungsverlust gedeckt. In unserem Beispiel wurden für den entferntesten Kreis ein gesamter Rohrverlust von 9,0 mWS, ein Wärmeübertragerverlust von 6,0 mWS, ein Verlust der Strangregulier- und Regelventile von 4,0 mWS sowie ein Verlust von Filter und Armaturen von 2,0 mWS gemessen. Summe: 9,0 plus 6,0 plus 4,0 plus 2,0 gleich 21,0 mWS. Hinzu kommt ein Auslegungszuschlag von etwa 10 Prozent, und die Zielförderhöhe wird mit 23,0 mWS angesetzt.

Schritt 3 ist die Prüfung der Stutzengeschwindigkeit. Die Berechnung der Geschwindigkeit im Flanschquerschnitt erfolgt mit der Beziehung v gleich Q geteilt durch A. Rechnen wir den Volumenstrom von 64,5 m³/h in Sekunden um: 64,5 geteilt durch 3600 gleich 0,01792 m³/s. Für DN 80 beträgt der Innendurchmesser etwa 82,5 mm, die Querschnittsfläche Pi mal 0,0825 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,005346 m². Ergebnis: v gleich 0,01792 geteilt durch 0,005346 gleich 3,35 m/s. Dieser Wert ist hoch.

Gehen wir auf DN 100: Innendurchmesser etwa 107,1 mm, Fläche Pi mal 0,1071 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,00901 m². Ergebnis: v gleich 0,01792 geteilt durch 0,00901 gleich 1,99 m/s. Dieser Wert liegt in der Mitte des für den Pumpenstutzen akzeptierten Bereichs von 1,5–3,0 m/s und wird gewählt. In der Saugleitung ist das Ziel niedriger: 1,0–2,0 m/s. In der Druckleitung sind 2,0–3,0 m/s, in den Hauptsteigleitungen ein Bereich von 1,5–2,5 m/s gängige Praxis.

Schritt 4 ist die Motorleistung. Die Beziehung lautet: P gleich Q mal H geteilt durch 367 mal Eta. Dabei sind Q in m³/h, H in mWS, Eta der Gesamtwirkungsgrad als Dezimalzahl und P in kW angegeben. Wird in unserem Beispiel ein hydraulischer Wirkungsgrad von 0,78 angesetzt: P gleich 64,5 mal 23,0 geteilt durch 367 mal 0,78 gleich 1483,5 geteilt durch 286,3 gleich 5,18 kW Wellenleistung. Wird durch den Motorwirkungsgrad 0,91 geteilt, beträgt die aus dem Netz aufgenommene Leistung 5,69 kW, und es wird ein 7,5-kW-Motor gewählt.

Der Grund, bei der Motorauswahl einen Zuschlag von 15–25 Prozent zu lassen, ist die Möglichkeit, dass der Betriebspunkt auf der Kennlinie nach rechts wandert. Wenn der Kreis nicht vollständig abgeglichen ist oder ein Ventil weniger Widerstand leistet als erwartet, steigt der Volumenstrom, mit dem steigenden Volumenstrom nimmt auch die Wellenleistung zu, und ein knapp ausgelegter Motor löst den thermischen Schutz aus. Zu den Einheiten und Umrechnungen des Begriffs Förderhöhe können Sie sich unseren Ratgeber ansehen. (Details: Was ist mWS bei Pumpen? Wie viel bar sind 10 mWS?)

Der Betriebspunkt sollte im Bereich von 70 bis 120 Prozent des Bestpunkts liegen; das ideale Band beträgt 80–110 Prozent. Wird dieses Band verlassen, sinkt nicht nur der Wirkungsgrad, sondern am Laufradeintritt und an der Zunge des Spiralgehäuses beginnt eine Strömungsablösung. Das Ergebnis sind steigende Radiallast, kürzere Lagerlebensdauer und hörbare hydraulische Geräusche. Wo Sie auf der Kennlinie stehen, ist ausschlaggebender als die Wahl der Marke.

Eine Verschiebung nach links, also ein Absinken des Volumenstroms unter 60 Prozent des Bestpunkts, erzeugt Rezirkulation und Pulsationen bei niedrigem Volumenstrom. In diesem Bereich erwärmt sich die Pumpe, weil der größte Teil der zugeführten Energie nicht in die Strömung, sondern in die Erwärmung des Wassers geht. Bei einem Gehäuse, das sich dem Volumenstrom null nähert, wenn im Kreis alle Regelventile geschlossen sind, kann der Temperaturanstieg innerhalb weniger Minuten die Grenzen der Dichtung erreichen. Deshalb wird ein Mindestvolumenstrom-Bypass oder eine untere Drehzahlgrenze eingerichtet.

Eine Verschiebung nach rechts bedeutet dagegen Motorüberlastung und Kavitationsrisiko. Mit steigendem Volumenstrom steigt die NPSHr-Kennlinie schnell an; bei gleichen Saugbedingungen kann der erforderliche NPSH-Wert bei 130 Prozent Volumenstrom doppelt so hoch sein wie im Bestpunkt. Die damit einhergehende Zunahme der Wellenleistung bringt den Motor an die thermische Grenze. Ein erheblicher Teil der Entscheidungen zum Pumpenaustausch in der Praxis beruht im Grunde auf einem falsch positionierten Betriebspunkt.

Die Frequenzregelung verändert dieses Bild, ist aber nicht grenzenlos. Wird die Drehzahl gesenkt, ändert sich nach den Affinitätsgesetzen der Volumenstrom proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe mit dem Quadrat der Drehzahl und die Wellenleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl. Eine Absenkung der Drehzahl auf 80 Prozent senkt die Leistung auf etwa 51 Prozent. Sinkt die Drehzahl jedoch unter etwa 40 Prozent, werden Motorkühlung und Schmierung der Dichtung schwächer; die untere Grenze ist die vom Hersteller zugelassene Drehzahl und wird nicht unterschritten.

Inline-Gehäuse finden sich in der mechanischen Gebäudetechnik an vier typischen Positionen: im Hauptkreis von Kessel und Kaltwassersatz, im sekundären Verteilkreis, im Speicherladekreis sowie im Versorgungskreis von Fan-Coil oder Klimazentralgerät. Jede Position hat ihre eigene Charakteristik bei Volumenstrom und Förderhöhe; es ist normal, dass im selben Gebäude vier verschiedene Baureihen gewählt werden. Gemeinsam ist allen, dass es sich um geschlossene Kreise handelt und keine statische Höhe überwunden wird.

Im Primärkreis hat die Pumpe die Aufgabe, über Kessel oder Kältemaschine einen konstanten Volumenstrom zu führen. Gerätehersteller schreiben in der Regel vor, dass ein Mindestvolumenstrom durch den Wärmeübertrager fließen muss; deshalb wird die Primärkreispumpe meist drehzahlkonstant gewählt oder die untere Drehzahl der elektronischen Pumpe begrenzt. Sinkt der Volumenstrom unter diesen Wert, treten am Wärmeübertrager Frostschäden und Hochdruckabschaltungen auf.

Die Sekundärkreispumpe arbeitet dagegen mit veränderlichem Volumenstrom, und hier liegt die eigentliche Energieeinsparung. In einem Fan-Coil-Kreis mit Zweiwegeventilen steigt der Widerstand des Kreises, je mehr Ventile schließen; im Modus Proportionaldruck senkt die Pumpe die Förderhöhe und beseitigt so den überflüssigen Druck. Diese eine Einstellung macht im Jahresverbrauch typischerweise 20–40 Prozent Unterschied aus. Zur Logik auf der Seite der Endgeräte finden Sie in unserem Ratgeber weitere Informationen. (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen)

An der Stelle, an der Primär- und Sekundärkreis getrennt werden, befindet sich eine hydraulische Weiche. Dieses Element macht die Volumenströme der beiden Kreise voneinander unabhängig; ist der Volumenstrom des Sekundärkreises niedriger als der des Primärkreises, fließt das überschüssige Wasser über die Weiche zurück. In Anlagen ohne Weiche überwindet die Sekundärpumpe die Förderhöhe der Primärpumpe oder umgekehrt, und die beiden Pumpen arbeiten gegeneinander. Das Ergebnis sind Volumenstromverluste und schwankende Temperaturen. Zu den Komponenten der Heizungsanlage können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Heizung)

In Kühlkreisen ist zusätzlich ein Umgang mit Kondensat erforderlich. Der Kaltwasserkreis arbeitet typischerweise mit 6–7 °C Vorlauf- und 12–13 °C Rücklauftemperatur; diese Temperaturen liegen unter dem Taupunkt des Heizraums. Auf einer ungedämmten Gehäuseoberfläche entsteht ständig Kondensat, und das abtropfende Wasser gelangt an den Motorlüfter und die elektrischen Anschlüsse. Die Lösung besteht darin, das Gehäuse mit einer Dämmhülle mit Dampfsperre zu umkleiden und darunter eine Tropfschale anzubringen.

Die Montageregeln für Inline-Pumpen lassen sich in drei Punkten zusammenfassen: Wellenrichtung, gerade Rohrstrecke vor dem Eintritt und nach dem Austritt sowie Schwingungsentkopplung. Die Regel zur Wellenrichtung ist einfach: Die Welle muss stets waagerecht liegen, der Motor darf niemals nach unten zeigen. Die Standardmontage ist, dass der Motor senkrecht nach oben steht. Das seitliche Kippen des Motors um die waagerechte Wellenachse ist bei vielen Baureihen zulässig, doch wenn die Motorleistung über einer bestimmten Grenze liegt und das Gehäuse groß ist, schränkt der Hersteller dies ein.

Zeigt der Motor nach unten, bildet sich im Bereich der Dichtung ein Luftpolster, und Wasser dringt in den Klemmenkasten ein; diese Montage wird bei keiner Baureihe akzeptiert. Bei der Montage in einer senkrechten Rohrleitung trägt die Pumpe die Leitung nicht selbst; die Leitung wird durch eigene Aufhängungen gestützt, und die Pumpe gibt nur ihr eigenes Gewicht an die Flansche ab. Die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil auf dem Gehäuse angegeben, und eine verkehrte Montage bedeutet, dass das Laufrad in Gegenrichtung beansprucht wird.

Die Regel zur geraden Rohrstrecke lautet: auf der Saugseite mindestens fünf Durchmesser, auf der Druckseite mindestens drei Durchmesser. Bei einem Gehäuse DN 100 bedeutet das auf der Saugseite etwa 500 mm und auf der Druckseite etwa 300 mm gerade Rohrstrecke. Ein Bogen unmittelbar vor dem Saugstutzen gibt dem Laufradeintritt ein ungleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil; die Folgen sind steigender NPSHr-Wert, Radiallast und Geräusche. Auch der Schmutzfänger wird außerhalb dieser Strecke, vor dem Saugbogen, angeordnet.

Bei der Schwingungsentkopplung wird eine vierstufige Abfolge eingehalten. Die erste Stufe ist, unter die Rohraufhängungen ein Elastomer-Zwischenlager zu legen. Die zweite Stufe ist, am Pumpeneintritt und -austritt eine flexible Verbindung einzufügen. Die dritte Stufe ist, bei Leitungen über DN 50 einen Gummikompensator zu verwenden; der Kompensator unterbricht sowohl die Schwingungen als auch gleicht er die Wärmeausdehnung aus. Die vierte Stufe ist, die Rohre auf beiden Seiten des Kompensators durch unabhängige Festpunkte abzustützen.

Für den Einsatz von Kompensatoren gibt es zwei feste Regeln. Erstens nimmt der Kompensator keine Axiallast auf; werden die Rohre an seinen beiden Enden nicht fixiert, wird das Element gedehnt, und seine Lebensdauer verkürzt sich rasch, in schweren Fällen reißt er ab. Zweitens liegt die Grenze von Standard-Kompensatoren aus EPDM typischerweise bei 100–110 °C, und sie werden in Heißwasserleitungen nicht eingesetzt. Bei Leitungen mit hoher Temperatur werden Typen mit Metallbalg oder sorgfältig geplante Rohrdehnungsschenkel bevorzugt. Zu Armaturen und Verbindungselementen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

Auch die Anordnung der Armaturen ist standardisiert und wird nicht ausgelassen. Von der Saug- zur Druckseite lautet die Reihenfolge: Absperrarmatur, Schmutzfänger, flexible Verbindung, Pumpe, flexible Verbindung, Rückschlagventil, Absperrarmatur. Das Rückschlagventil auf der Druckseite verhindert bei Doppelsystemen und Parallelgruppen die Rückströmung. Manometeranschlüsse werden sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite gesetzt; die Differenz zwischen beiden Manometern ist der schnellste Weg, die tatsächliche Förderhöhe der Pumpe vor Ort abzulesen. Zu Installationsmaterialien können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

Trockenläufer-Inline-Pumpen unterliegen einer anderen Regelung als Nassläufer-Umwälzpumpen. Umwälzpumpen ohne Gleitringdichtung werden nach ErP 641/2009 und EN 16297 mit dem Energieeffizienzindex bewertet, und die Marktgrenze liegt bei einem EEI-Wert unter 0,23. Wasserpumpen mit Gleitringdichtung, also Trockenläufer, werden dagegen nach ErP 547/2012 mit dem Mindesteffizienzindex bewertet, und die Grenze liegt bei einem MEI-Wert von 0,40 und höher.

Die Berechnung des Jahresverbrauchs erfolgt mit drei Eingangsgrößen: durchschnittlich aufgenommene Leistung, jährliche Betriebsstunden und Lastprofil. Im Beispiel des vorherigen Abschnitts mit 64,5 m³/h und 23,0 mWS ergab sich eine aus dem Netz aufgenommene Volllastleistung von 5,69 kW. Läuft diese Pumpe 4.000 Stunden im Jahr und wird mit konstanter Drehzahl bei Volllast gehalten, beträgt der Verbrauch: 5,69 mal 4.000 gleich 22.760 kWh/Jahr.

Nehmen wir an, in denselben Kreis wird ein Modell mit integriertem Frequenzumrichter eingesetzt und das Lastprofil verteilt sich realistisch: 20 Prozent des Jahres bei Volllast, 50 Prozent bei 75 Prozent Volumenstrom, 30 Prozent bei 50 Prozent Volumenstrom. Da sich die Wellenleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl ändert, beträgt die Leistung bei 75 Prozent Volumenstrom etwa 5,69 mal 0,42 gleich 2,39 kW und bei 50 Prozent Volumenstrom etwa 5,69 mal 0,125 gleich 0,71 kW.

Der gewichtete Mittelwert wird wie folgt berechnet: 0,20 mal 5,69 plus 0,50 mal 2,39 plus 0,30 mal 0,71 gleich 1,14 plus 1,20 plus 0,21 gleich 2,55 kW. Jahresverbrauch: 2,55 mal 4.000 gleich 10.200 kWh/Jahr. Der Unterschied gegenüber dem drehzahlkonstanten Betrieb beträgt 12.560 kWh/Jahr, also eine Verringerung um etwa 55 Prozent. Werden Umrichterverluste und der im Teillastbetrieb sinkende Motorwirkungsgrad berücksichtigt, liegt der tatsächlich erzielte Gewinn typischerweise im Bereich von 35–50 Prozent.

Die empfindlichste Annahme dieser Berechnung ist das Lastprofil. Bei einem Primärkreis mit konstantem Volumenstrom ist es sinnlos, von derselben Pumpe eine Einsparung zu erwarten, da die Drehzahl ohnehin nicht abgesenkt werden kann. Die gesamte Einsparung stammt aus den Sekundärkreisen, in denen sich der Volumenstrom tatsächlich ändert. Deshalb wird die Wahl eines Modells mit integriertem Umrichter nicht getroffen, bevor die Regelungsarchitektur des Kreises feststeht. Zu den Positionen des Gewinns bei der Energieeffizienz finden Sie in unserem Ratgeber weitere Informationen. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)