Die Umwälzpumpe und das IoT

Nichts in der Gebäudetechnik wird in diesen Tagen so sehr diskutiert wie die Digitalisierung und Konnektivität von Heizungssystemen und deren Komponenten sowie deren Einbindung in das Internet of Things (IoT, Internet der Dinge).

IoT bezeichnet die zunehmende Vernetzung von Geräten, Sensoren etc. via IP-Netz. Im Bereich der Gebäudetechnik werden technische Verfahren und Systeme unter dem Oberbegriff "Smart Home" vernetzt. Mit Hilfe von "Smart Metern", das heißt intelligenten Zählern für Energie, lassen sich Energieverbraucher, die in ein Kommunikationsnetz eingebunden sind, so steuern, dass die Energie optimal genutzt wird. Auch die industrielle Arbeitswelt wird sich durch Industrie 4.0 und die zunehmende Digitalisierung der Wirtschaft deutlich verändern. Doch wie passen Umwälzpumpen – noch dazu wenn sie in Heizgeräten integriert sind – in diesen Kontext?

In puncto Datensicherheit sind sicherlich Off-Line-Systeme wesentlich sicherer als On-Line-Systeme. Und dass diese Vernetzung mehr oder minder große Risiken birgt, halten uns verschiedene Fachleute, Autoren und Pressemeldungen immer wieder vor Augen:

• Die sechs in der US-Richtlinie "Strategic Principles for Securing the IoT" des U.S. Department of Homeland Security genannten Prinzipien sind zwar für die weltweiten Akteure nicht verbindlich. Sie zeigen aber, dass sich sogar höchste Staatsgremien damit befassen, die IT-Sicherheit im IoT zu erhöhen. (Quelle: Computer-Woche/Malte Pollmann)

• Die Diskussionen um "Fake-News" und Wahlmanipulationen zeigen die Angreifbarkeit aller Bereiche des täglichen Lebens.

• Der Techno-Thriller von Marc Elsberg "Blackout – Morgen ist es zu spät" spielt in näherer Zukunft und hauptsächlich in Europa. Der Roman erzählt anschaulich über zwei Wochen die katastrophalen Auswirkungen eines großflächigen Stromausfalls in Europa, der unter anderem durch Manipulation der intelligenten Stromzähler in Italien und Schweden oder von Sensoren in Kraftwerken ausgelöst wird.

• Am 21.10.2016 berichteten die Nachrichtendienste: Wegen einer massiven DDoS-Attacke (Distributed-Denial-of-Service) waren die Services großer US-Internetdienste, darunter unter anderem Twitter, Paypal, Netflix und Spotify, am Freitagabend in Teilen der USA und Europas zeitweise nicht zu erreichen. Bei sogenannten DDoS-Angriffen werden so viele gleichzeitige Anfragen von vielen verschiedenen Geräten auf einen oder mehrere Server geschickt, bis diese schlicht überlastet sind. Die Anfragen kamen teilweise von vernetzten Haushaltsgeräten, also aus dem IoT: Sicherheitskameras, Kühlschränke, Thermostate, digitale Videorekorder – all jene Geräte, die unschuldig und unbeachtet in Haushalten rund um die Welt stehen.

Natürlich gibt es auch positive Ansätze:

• Im Rahmen des EU-geförderten Projekts "GreenCom" wurde auf der dänischen Insel Fur eine wirklichkeitsnahe "Smart Grid"-Testumgebung installiert, die Schwankungen von Stromerzeugung und -nachfrage vorhersagt und entsprechend reagiert. Die Idee: Ein solches intelligentes Stromnetz erkennt Kapazitätsprobleme durch die Kontrolle und Vorhersage der Energiebedarfe und der Verfügbarkeiten der angeschlossenen Haushalte rechtzeitig. Dadurch soll der sonst notwendige Netzausbau vermieden oder zumindest größtmöglich reduziert werden. (Quelle: Computer-Woche/Manfred Bremmer)

• Smarte Heizungssysteme sind zunehmend bei deutschen Konsumenten gefragt. In der Deloitte "Smart Home Survey" erklärten Verbraucher 2015 ihre Kaufabsicht und ihr Interesse an "Smart Home"-Lösungen. Während an erster Stelle Alarmsysteme genannt wurden, folgten bereits an zweiter Stelle mit 34 Prozent Nennungen Heizung und Thermostate. Auch Wohnungs- und Immobilienunter­nehmen bewerteten neben gesetzlich vorgeschriebener Rauchmelder den Bereich Energiemanagement als wichtigstes künftiges Einsatzfeld. (Quelle: Studie 2015 der SmartHome Initiative Deutschland e.V.).

Doch brauchen wir auch vernetzte Umwälzpumpen? Was will bzw. braucht der Verbraucher? Was bieten die Hersteller? Wie gewährleistet man die Sicherheit?

Größere Standalone-Umwälzpumpen werden schon seit Jahren primär auf der Feldbusebene in komplexe Gebäudemanagement-Systeme eingebunden. Kabellose Kommunikation jedoch erfolgt meist nur zwischen größeren Pumpen und dem Wartungs- bzw. Servicepersonal, um Einstellungen vorzunehmen oder Analysedaten abzufragen.

Einen interessanten da­rüber hinausgehenden Kommunikationsansatz bietet die Grundfos-"Alpha3", indem der Bluetooth-Adapter "Alpha Reader" die Volumenstromübertragung zu Smartphones herstellt. Mit Hilfe der "Go Balance"-App lässt sich auf diese Weise ein hydraulischer Abgleich von Radiatoren- oder Fußbodenheizungen durchführen.

In kleineren Anlagen und Etagen­heizungen jedoch will heutzutage kaum jemand direkt mit der meist integrierten Pumpe "sprechen", sondern das Heizungssystem als Ganzes oder raumweise überwachen bzw. steuern. Gerade aber in diesem Zusammenhang wird es immer wichtiger, alle Kom­ponenten, also auch die Umwälzpumpe, zu vernetzen. Durch ihre integrierte Elektronik stellt sie nicht nur ein sehr flexibles Stellglied, sondern auch einen multiplen Sensor dar, mit dessen Hilfe sich sowohl die Hydraulik als auch der Energieverbrauch optimieren lassen.

Standalone-Umwälzpumpen werden üblicherweise intern differenzdruckgeregelt – entweder nach Kon­stantdruck (∆p konstant) oder Proportionaldruck (∆p variabel). Jedoch können integriert geregelte Pumpen nur den Differenzdruck zwischen Pumpenein- und -ausgang erfassen und sind in den meisten Fällen auch nicht mit einem externen Signalein- und -ausgang versehen. Es gibt aber zunehmend gute Gründe dafür, gerade bei integrierten Pumpen ein Stellsignal aufzuschalten und Rückmeldungen zu geben. Soll die Pumpenleistung nach anderen Kriterien, wie zum Beispiel zur Verbrennungs­optimierung, Temperaturregelung oder Umschaltung der Betriebsart, gesteuert werden, so kann der Anlagenregler die Pumpe über ein Stellsignal in der Drehzahl verstellen. Hierfür wurden in der Vergangenheit analoge Stellsig­nale wie 0-10 V oder 4-20 mA verwendet.

PWM-Kommunikation

Seit nunmehr 25 Jahren werden aber schon Pumpen mit PWM-Kommunikation in Gas-Kombiheizgeräten verbaut. Über dieses digitale Niederspannungs-Stellsignal, das im VDMA-Einheitsblatt 24224 spezifiziert wird, wird zum Beispiel die Drehzahl der Umwälzpumpe den jeweiligen Bedürfnissen des Heizgerätes angepasst oder ein- und ausgeschaltet. Damit kann man in Brennwertgeräten die Verbrennung und die Kondensatnutzung optimieren und in Kombigeräten die Leistung zwischen Heizung und Warmwasserbereitung umschalten.

Während die 1-Weg-PWM-Kommunikation vom Geräteregler zur Pumpe im VDMA-Einheitsblatt 24224 "Nassläufer-Umwälzpumpen – Spezifikation von PWM Ansteuerungssignalen" definiert ist, wird das Rückmeldesignal bei der 2-Wege-PWM-Kommunikation oftmals kundenspezifisch zwischen dem Pumpen- und dem Heizgerätehersteller festgelegt.

PWM-2-Wege-Kommunikation

Über eine dritte Steuerleitung in Umwälzpumpen mit 2-Wege-PWM-Kommunikation (z. B. alle Grundfos-"UPM"-Pumpen) lassen sich hierbei auch Meldungen zurücksenden, wie beispielsweise Stromaufnahme, Betriebsmodus, Warn- oder Alarmmeldungen. Ein wesentliches Kriterium für den optimalen Betrieb in hydraulischen Kreisläufen ist die Kenntnis des Förderstroms. So wurde bei der sogenannten "Kennfeldpumpe" das Rückmeldesignal verwendet, um volumenstromabhängig den Differenzdruck ähnlich einer integrierten Proportionaldruck-Kennlinie zu regeln. Auch muss der Mindestvolumenstrom beim Betrieb von Zwangsumlaufheizgeräten gewährleistet werden. In anderen Heizgeräten, wie Wärmepumpen oder thermischen Solaranlagen, ist die Erfassung des Volumenstroms sehr interessant.

Gerade bei ECM-Pumpen ist die Volumenstromabschätzung schon sehr gut reproduzierbar, erreicht aber die Genauigkeit von Volumenstrom-Sensoren meist noch nicht.

LIN-Bus

Zunehmend werden aber mehr Datenpunkte oder die Einbindung in eine seri­elle Kommunikation mit mehreren intelligenten Gerätekomponenten gewünscht. Hierfür wird ein Datenbus benötigt, der den Anforderungen der Heizgeräteindustrie genügt. Zu diesem Zweck arbeitet zurzeit eine VDMA-Subgroup im Arbeitskreis Heizungsumwälzpumpen an der Spezifikation eines geräteintegrierten Bussystems auf Basis des LIN-Busses (Local Interconnect Network, ISO 17987-3):

• Die Automobilbranche hat LIN für die kostenoptimierte, fahrzeugintegrierte Kommunikation entwickelt.
• LIN-BUS könnte sich als neuer Kommunikationsstandard für Umwälzpumpen in Heizgeräten etablieren.
• Er gilt als etablierter unabhängiger Standard und zeichnet sich durch geringe Mehrkosten bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit aus.
• Mit seiner Hilfe lassen sich seriell verschiedene Daten zur Steuerung, Überwachung und Analyse über-mitteln. Diese Datenpunkte sind von den verwendeten Produkten abhängig.
• Es lassen sich "smartere" Gesamt­lösungen schaffen, die die komplexen Daten ideal verarbeiten.
• In Produktion und Service lässt das übermittelte "elektronische Typenschild" eine hohe Rückverfolgbarkeit im Sinne von Industrie 4.0 zu.
• Für die Heizgerätesteuerung reduziert er die notwendigen Ein- und Ausgänge, die einen wesent­lichen Kostenfaktor darstellen.

Etwaige Komponenten- und Gerätehersteller sind aufgefordert, sich beim VDMA Fachverband Pumpen + Systeme zu informieren.

Kabellose Datenübertragung

Hierbei muss zwischen einer geräteinternen Kommunikation und einer geräteexternen Datenübertragung unterschieden werden. Wie schon erwähnt, wird eine externe Kommunikation zu Smartphones, Notebooks, Internetroutern oder direkt ins Breitband-Internet meist zu Monitoring- oder Analysezwecken (Ferndiagnose) oder wie bei der "Alpha3" zum hydraulischen Abgleich gewünscht.

Geräteintern werden integrierte Umwälzpumpen üblicherweise mit PWM oder Bus über ein separates Signalkabel angebunden, zumal dessen Länge meist unter 3 m liegt. Allerdings gibt es auch Lösungen, bei denen eine kabellose Übertragung gewählt wurde, da zum Beispiel kein zweiter Kabeleingang zur Verfügung steht (z. B. Grundfos Frischwassermodul).

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Pumpenmanagement "Zoneadapt"

Da, wie schon zuvor gesagt, intern ge­regelte externe Umwälzpumpen meist nur den Differenzdruck zwischen Pumpeneintritt und -austritt erfassen und regeln können, findet in parallelen Heizkreisen eine mehr oder minder starke Beeinflussung der Heizkreise statt. Das versucht man beispielsweise durch hydraulische Weichen oder differenzdrucklose Verteiler zu vermeiden. Was allerdings eine Primärkreispumpe voraussetzt und üblicherweise zu negativen Auswirkungen auf die Medientemperaturen führt.

Will man in Anlagen mit mehreren Heizkreisen ohne hydraulische Weiche den Strang-Differenzdruck regeln, so müsste man den Differenzdruck zwischen Heizkreis-Vor- und -Rücklauf erfassen. Verzichtet man darauf, ergeben sich undefinierte Betriebszustände, die unter Umständen zu Unter- oder Überversorgung selbst in abgeglichenen Heizkreisen führen kann.

Betrachten wir ein Heizsystem mit drei ungemischten Heizkreisen mit gemeinsamem Wärmeerzeuger ohne hydraulische Weiche:

Jeder Heizkreis ist für einen Volumenstrom von 1 m³/h bei einem Differenzdruck von 100 hPa = 1 m ausgelegt. Im gemeinsamen Kesselkreis ohne Pumpe tritt bei einem Volumenstrom von 3 m³/h ein Druckverlust von 300 hPa = 3 m auf. Die drei Heizkreispumpen sollen auf Konstantdruck geregelt werden. Doch welcher Differenzdruck soll eingestellt werden?

Läuft nur eine Pumpe, muss sie bei 1 m³/h eine Förderhöhe von 1 + 3/9 m = 1,33 m erzeugen. Laufen alle drei gemeinsam, muss jede dagegen bei 1 m³/h eine Förderhöhe von 1 + 3 m = 4 m erzeugen. Laufen nur zwei Pumpen davon, muss jede bei 1 m³/h eine Förderhöhe von 1 + 3*4/9 m = 2,33 m erzeugen. Eine Einstellung von 4 m würde zur überwiegenden Überversorgung mit Geräuschproblemen und zu hohen Rücklauftemperaturen führen. Eine Einstellung von weniger würde zur zeitweiligen Unterversorgung in den unterschiedlichen Heizkreisen führen.

Eine integrierte Proportionaldruckregelung reagiert nur auf den Differenzdruck im jeweiligen Heizkreis und würde bei Zuschaltung anderer Pumpen bzw. Heizkreise die Pumpe herunterregeln, da der Druckverlust im Primärkreis steigt und die Pumpe daher annimmt, dass der Heizbedarf abgenommen hat.

Um diese Problematik in den Griff zu bekommen, könnte man eine Differenzdruckregelung je Strang einbauen, bei der der Differenzdruck zwischen Strang-Vor- und -Rücklauf erfasst wird:

Allerdings würde das zu stark erhöhten Anlagenkosten führen. Pumpen mit integrierter Differenzdruckregelung und externen Differenzdruckgebern werden zurzeit aber nur im oberen Leistungsbereich angeboten.

Um diesen zusätzlichen regelungstechnischen Aufwand zu vermeiden, arbeitet Grundfos daher zurzeit an "Zoneadapt", einer Weiterentwicklung des "Autoadapt"-Verfahrens zur automatischen Anpassung der Pumpenregelungskennlinien an den tatsächlichen Bedarf der Anlage. Hierbei melden alle parallel arbeitenden Pumpen ihre Betriebszustände an einen Systemregler, der daraus die benötigten Leistungen ermittelt und über ein Stellsignal ausregelt. Der notwendige Datenaustausch könnte dabei über 2-Wege-PWM-Signal, Bus oder auch kabellos erfolgen.

Ergo: Es gibt viele Gründe und Wege, mit einer Umwälzpumpe zu kommunizieren. Welches Kommunikationsverfahren sich durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Man muss aber davon ausgehen, dass die Digitalisierung auch nicht vor der integrierten Umwälzpumpe stehen bleibt.

Literatur

[1] R.W. Senczek: Drehzahlregelung von Pumpen mit Drehstrommotoren, HeizungsJournal, März/April 1990

[2] R.W. Senczek: Ist die Bus-Kommunika­tion zwischen Pumpen und GLT-Anlagen sinnvoll? Heizungs-Journal, März 1995

[3] VDMA-Einheitsblatt VDMA 24224: Nassläufer-Umwälzpumpen – Spezifikation von PWM Ansteue-rungs­signalen, November 2013

[4] VDMA-Einheitsblatt VDMA 24222: Flüssigkeitspumpen – Heizungspumpen – Datenpunkte für Feldbussysteme, Februar 1998

[5] P. Pärisch: Hydraulischer Abgleich am Heizkreisverteiler, IHKS Fachjournal 2015

[6] Niels Due Jensen, Rolf-Werner Senczek, Thomas Blad: Verfahren zur Leistungsbegrenzung von elektrisch angetriebenen Heizungsumwälzpumpen, Patent DE 19504232 A1, Februar 1995

[7] Carsten Skovmose Kallesoee, Erik Olsen, Lars R Enevoldsen, Pierre Vadstrup, Per Barth, Nils Bidstrup: Verfahren zum Steuern einer drehzahlregelbaren Heizungsumwälzpumpe, Patent DE 10163987 A1, Dezember 2001