Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric: Wasserdruck ohne Schwankungen

Ein Krankenhaus benötigt für Patienten ausreichend viel und gut ausgebildetes Krankenhauspersonal. Aber auch die Infrastruktur muss stimmen. Alleine der Wasserbedarf ist immens. Schwankender Wasserdruck stört den eng getakteten Klinikalltag. In einem deutschen Krankenhaus standen bei einem angestrebten Druck von 5,5bar Druckschwankungen von 1 bis 1,5bar an der Tagesordnung. Mithilfe von Mitsubishi Electric Frequenzumrichtern konnte Instandhaltungsexperte Martin Eberhardt Elektromotoren die vorhandene Druckerhöhungsanlage des Krankenhauses auf konstanten Wasserdruck umrüsten und den Energieverbrauch der Anlage optimieren.
Ein funktionierendes Facility Management ist bei großen Gebäuden nicht mehr wegzudenken, denn die Erwartungen an den Komfort des Alltags sind klar umrissen: die richtige Temperatur, gute Lüftungssysteme, bequeme Infrastrukturen und natürlich ein konstanter Wasserdruck. Dabei müssen stetig Einsparungen in Energie und Kosten vorgenommen werden. Viele ältere Applikationen verursachen jedoch gerade im Energieverbrauch unnötig hohe Kosten und liefern nur unzureichende Ergebnisse. Einsparpotenziale und Verbesserungen lassen sich oft schon durch kleinere Umrüstarbeiten erzielen, wie beispielsweise im Wasserverteilungssystem. Häufig reicht in hohen Gebäuden, komplexen industriellen Prozessen oder weit verzweigen Netzen der Druck nicht aus, das (Trink-)Wasser gleichmäßig zu verteilen. Kann innerhalb des Wasserverteilungssystems die konstante Bereitstellung des Wassers an allen Entnahmestellen nicht mehr gewährleistet werden, kommen Druckerhöhungsanlagen zum Einsatz. Mehrere Pumpen, in der Regel zwei bis sechs, erhöhen dann den Druck entsprechend und stellen die Wasserverteilung überall gleichermaßen sicher. Unterschiedlich häufige und verschieden große Wassermengen, wie in einem großen Gebäudekomplex, fordern das Wasserverteilungssystem in besonderer Weise.

Die Problemstellung

In dem Krankenhaus bestand die Druckerhöhungsanlage aus vier Pumpen, die je nach Bedarf und im Wechsel ab- oder zugeschaltet wurden. Konkret bedeutete dies: Sinkt der Wasserdruck im System, weil beispielsweise ein Wasserhahn aufgedreht wird, schaltet sich eine weitere Pumpe zu. Diese arbeitet nun mit gleicher Kraft wie die bereits laufende Pumpe(n) und der Druck steigt schlagartig an. Der jetzt vorliegende Druck überschreitet häufig den benötigten Wasserdruck und es entsteht ein sogenannter ‚Drucksprung‘. Dieser erhöht sich zusätzlich, wenn gleichzeitig im Wasserverteilungssystem an anderer Stelle ein Hahn geschlossen wird. Das Steuersystem schaltet dann die Pumpe wieder ab, ein Vorgang der allerdings bis zu 20s dauern kann. Der Druck fällt daraufhin wieder schlagartig ab. Auf diese Weise kam es im Krankenhaus zu deutlich schwankendem Wasserdruck von 1 bis 1,5bar. Bei einem gewünschten Druck von 5,5bar sind diese Schwankungen so stark spürbar, dass sie das Maß des Tolerierbaren überschreiten.

Die Lösung

Instandhaltungsexperte Martin Eberhardt Elektromotoren entwickelte für diesen speziellen Anwendungsfall eine Lösung zur Optimierung der Druckerhöhungsanlage, die genau auf die vorliegenden Bedingungen zugeschnitten ist. Die bereits vorhandenen Pumpen werden weiter verwendet und auch sonst waren keine großen Umrüstarbeiten nötig. Armin Bente, Projektleiter bei Martin Eberhardt Elektromotoren erklärte: „Wir haben bei diesem Projekt einen Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric verwendet. Der FR-F 740 ist auf die besonderen Herausforderungen des Pumpenmanagements ausgelegt und kann die Steuerung von bis zu vier Motoren übernehmen. Bei dieser Druckerhöhungsanlage haben wir also das Leistungspotential des FR-F 740 voll ausgeschöpft. Die Zuschaltung einer SPS-Steuerung wird unnötig und wir haben gleichzeitig ein Energieeinsparpotenzial von etwa 10% umgesetzt.“ Die Energieeinsparung wird durch die Funktionsweise des Frequenzumrichters erreicht. Das Stromnetz liefert eine feste Spannung und Frequenz, die der Umrichter in variable Spannungen und Frequenzen umwandelt. Auf diese Weise liefert der FR-F 740 genau die Leistung, die für den Aufbau des momentan benötigten Drucks nötig ist. Drucksprünge, die überschüssigen Wasserdruck erzeugen und dadurch mehr Energie verbrauchen als eigentlich benötigt, werden vermieden.

Effektives Motormanagement durch Multi-Motor-Funktion

Den verwendeten Frequenzumrichter zeichnet eine Multi-Motor-Funktion aus, mit der er bis zu vier Motoren gleichzeitig antreiben kann. Dabei ist ein Motor frequenzgeregelt, während die anderen zu- oder abgeschaltet werden. Auf diese Weise entsteht ein effektives Motormanagement, das eine schnelle und flexible Reaktion ermöglicht. In der optimierten Anlage werden jetzt drei der vier Pumpen bei Bedarf zu- oder abgeschaltet, während die vierte druckabhängig geregelt ist. Während vorher nur die Pumpleistung jeder einzelnen Pumpe um 100% zu- oder abgeschaltet werden konnte, passt sich die druckabhängige Regelung an den spezifisch vorliegenden Wasserbedarf an und liefert nur den benötigten Druck. Für diese Aufgabe wird ein Drucksensor im System integriert. Neben dem konstanten und gleichmäßigen Wasserdruck ist auch eine flexible Reaktion auf sprunghaften Anstieg oder Abfall im Wasserbedarf möglich. Als Resultat liegen die Druckschwankungen der optimierten Anlage statt bei 1 bis 1,5bar lediglich bei 0,2 bis 0,3bar und damit im tolerierbaren, kaum merkbaren Bereich. Der Wechselbetrieb der vier Pumpen wird beibehalten, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten.

Stand-alone Betrieb ohne SPS

Das integrierte Motormanagement des Frequenzumrichters FR-F 740 von Mitsubishi Electric kommt in der Architektur dieser Druckerhöhungsanlage ohne weitere externe Steuerungselemente wie beispielsweise Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) aus. Neben einer reduzierten Komponenten- und Hardware-Anzahl entfallen beispielsweise auch Software-Entwicklungskosten. Der Frequenzumrichter muss lediglich programmiert und parametriert werden, dann ist die Anlage betriebsbereit. Ausgangskarten passen den FR-F 740 an die spezifische Druckerhöhungsanlage an und liefern die nötigen Ausgänge für die Umschaltschütze, die dann die Ansteuerung der einzelnen Pumpen übernehmen.

Minimale Ausfallzeit

Da viele Einstellungen und der Zusammenbau des Schaltschranks bereits im Vorfeld erfolgten, minimierte sich die Ausfallzeit der Druckerhöhungsanlage für das Gebäude. Der Stand-alone-Betrieb des Frequenzumrichters ohne SPS reduziert dank geringer Komponentenzahl und minimiertem Programmierungsaufwand die Kosten und Entwicklungszeit. Die Umsetzung des gesamten Projekts dauerte nicht länger als zwei Wochen.