Stromverbrauch bei Regenwasserpumpen

Wie viel Strom verbraucht eine Regenwasseranlage wirklich und
wie kann der Stromverbrauch reduziert werden?

Im Bereich der ökologischen Haustechnik ist die Regenwassernutzung ein heute selbstverständlicher Baustein. Der größte Teil der Regenwasseranlagen ist in Einfamilienhäusern installiert. Allein in Deutschland wird von einem Bestand von etwa 1,5 Millionen dieser Anlagen ausgegangen (Quelle: fbr – Fachvereinigung Betriebs- und Regenwassernutzung e. V.). Er führt zu einer Trinkwasserersparnis von etwa 82,5 Mio. m³/Jahr, ein hervorragender Beitrag für unsere Umwelt.

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Die typische Regenwasserpumpe im Einfamilienhaussegment hat eine Leistung zwischen 700 und 1100 W. Bei einer durchschnittlichen Fördermenge von 55 m³/Jahr ergibt sich nach eigenen Testmessungen ein Energieverbrauch von 1,6 kWh/m³. In Deutschland werden pro Jahr ca. 132 GWh durch Regenwasserpumpen verbraucht.
Hier gewinnt die europäische Ökodesign-Richtlinie 2005/32/EG für energiebetriebene Produkte (EuP) an Bedeutung. Auch die Pumpen, die in Regenwasseranlagen Verwendung finden, werden von der EuP unter den Punkten 8.6 „Standby-Verluste“ sowie 13.11 „Elektrische Motoren“ erfasst: Für fast alle Motoren mit einer Leistung zwischen 0,75 und 375 kW werden strenge Effizienznormen festgeschrieben, die in den kommenden Jahren umgesetzt werden müssen.

Im folgenden Beitrag werden einige Möglichkeiten dargestellt, wie der Energieverbrauch in kWh/m³ minimiert werden kann.

Stromeinsparung durch angepasste Pumpleistung

Grundlage der Pumpendimensionierung ist die Ermittlung des größten benötigten Wasserstroms. Zur Berechnung dieser Summenfördermenge werden nach DIN 1988, Teil 3 die Berechnungsdurchflüsse (QR) der einzelnen Entnahmearmaturen ermittelt und addiert: ∑QR = QR1 + QR2 + QR3 + ...

Das Verhältnis aus geforderter Spitzenfördermenge der Pumpe (QSP) und Summenfördermenge (∑QR) der Entnahmestellen wird als Gleichzeitigkeitsfaktor (f) bezeichnet: f = QSP/∑QR

Der Gleichzeitigkeitsfaktor kann umso kleiner gewählt werden, je größer die Anzahl der Entnahmestellen ist. Für Wohngebäude weist die DIN 1988 Teil 3 bei sehr kleinen Summenvolumenströmen hohe Gleichzeitigkeiten aus. Nach Norm ergäbe sich somit ein Spitzenvolumenstrom von 30 l/min im gewählten Beispiel:

  Anzahl Wassermenge Summe
Spülkästen WC 2 8 l/min 16 l/min
Wasserhähne 1 18 l/min 18 l/min
Waschmaschinen 1 15 l/min 15 l/min
------------------------------------------------------------------ ---------- ---------- ----------
    ∑QR = 49 l/min
    QRSp = 30 l/min

Verwendet werden somit bislang zumeist noch die typischen Kreiselpumpen mit einer Leistungsaufnahme von etwa 900 Watt und einer Förderleistung von 80 Liter/min. Sie verbrauchen aber zu 90 % der Zeit erheblich mehr Energie als nötig. Ein Beispiel: Der Hauptverbraucher einer Regenwasseranlage, ein WC, benötigt maximal 8 l/min zur Befüllung. Eine Kreiselpumpe mit 900 W Leistung versucht nun vergeblich, 80 l/min in den WC-Kasten zu fördern. Dabei verpuffen bei jeder WC-Benutzung bis zu 90 % der Energie. Das ist nur ein Beispiel. Große Volumenströme werden bei keinem der Verbraucher im Einfamilienhaus benötigt.

Mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von nur 0,2 jedoch, also einem Volumenstrom von 10 l/min, ließen sich noch alle Verbraucher im Haus komfortabel versorgen. Falls mehrere Verbraucher gleichzeitig laufen, wie z.B. Waschmaschine und WC, was relativ selten ist, verlängert sich lediglich deren Befüllzeit. Auch eine Druckspülung, ein Hochdruckreiniger oder ein einfacher Gartensprenger können mit diesem Volumenstrom noch ausreichend versorgt werden. Bei einem 20 m Gartenschlauch kann man immer noch 7 m weit mit etwa 8 l/min sprühen. Für einen kleinen Garten ist dies ausreichend. Hier sind die Empfehlungen aus der DIN 1988, Teil 3 also scheinbar nicht mehr zeitgemäß und tragen somit zur Energieverschwendung bei, denn nach der Erfahrung sind in der Praxis deutlich kleinere Werte ausreichend.

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90 Watt Leistungsaufnahme anstelle von 900 W

Im Rahmen einer vom fbr veranlassten Befragung zum Stromverbrauch von Regenwasseranlagen, sind mehrere Anlagen von Kunden mit Strommessgeräten ausgestattet worden. Ermittelt wurde ein breites Spektrum von Standby-Leistung, Anlaufverhalten der verschiedenen Pumpen, unterschiedliche Energieverbräuche durch unterschiedliches Benutzerverhalten und angeschlossene Verbraucher. Die Ergebnisse der Messung über den tatsächlichen Verbrauch waren: 

RAINMASTER-Eco Regenwasserzentrale mit 90 Watt Membranpumpe: ca. 0,4 kWh/m³
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit handelsüblichem Druck- und Strömungswächter: ca. 1,6 kWh/m³

Mit einer angepassten Pumpleistung von z.B. 10 l/min (Leistungsaufnahme von 900 W auf 90 W reduziert) können hier ohne spürbaren Komfortverlust mit einfachen Mitteln erhebliche 75 % eingespart werden.

Stromeinsparung durch Verminderung der Standby Leistung
Die Standby Leistung trägt zu einem nennenswerten Anteil am Stromverbrauch bei. Auch wenn diese Leistungsaufnahme zunächst sehr klein scheint, summiert sie sich, da sie ja ständig anfällt, zu einer beachtlichen Menge. Bei einer optimal ausgelegten Pumpe könnte diese Energie theoretisch zur Förderung des gesamten Regenwassers ausreichen. Hier eine Beispielrechnung mit einer typischen Standby Leistung: 
365 Tage x 24 h x 1,1Watt = 8,76 kWh => 0,16 kWh/m³
Die Standby Leistung hängt insbesondere von der verwendeten Steuerung ab. Auch eine separate Füllstandsanzeige erhöht natürlich die Standby Leistung. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Standby Leistung verschiedener Regenwasserpumpen:

  Standby [W]
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit handelsüblichem Druck- und Strömungswächter 0,7
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit Drehzahlsteuerung 1,6
Regenwasserzentrale 800 Watt mit mehrstufiger Kreiselpumpe mit Druck- und Strömungswächter 1,6
Regenwasserzentrale mit 90 Watt Membranpumpe mit Druckwächter RAINMASTER-Eco 0,7

Systeme zur weiteren Reduzierung der Standby Leistung werden auch in der Regenwassertechnik in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.

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Stromeinsparung durch Drehzahlsteuerung

Ungeregelte Pumpen laufen bedarfsunabhängig mit maximaler Leistung. Das ist mit einem mit Vollgas fahrenden Auto vergleichbar, dessen Geschwindigkeit über die Bremse geregelt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Stromeinsparung ist die Regelung der Drehzahl der Pumpe.

Um den tatsächlichen Stromverbrauch zu vergleichen, hat INTEWA zunächst mehrstufige Einphasen-Kreiselpumpen mit Drehzahlsteuerung ausgestattet. Die Leistungsaufnahmen bei verschiedenen Volumenströmen finden sich in der folgenden Tabelle:

Einphasenpumpe 1 ~230 ÷ 400V / 50Hz 350 l/h 550 l/h >1000 l/h
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit handelsüblichem Druck- und Strömungswächter 533 W 550 W 800 W
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt mit Drehzahlsteuerung RAINMASTER Favorit -SC 512 W 535 W 790 W

Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades dieser Pumpen kann kaum Strom eingespart werden. Es ist zu vermuten, dass aufgrund der höheren Standby Leistung der Steuerung insgesamt im normalen Betrieb keine oder eine sehr geringe Einsparung zu erzielen ist.

In einem weiteren Versuch wurde die gesamte Leistungsaufnahme über einen definierten Testzeitraum und Zyklus mit einer Dreiphasen-Kreiselpumpe mit und ohne Drehzahlsteuerung aufgenommen. Das Ergebnis sieht nun ganz anders aus:

Dreiphasenpumpe 3 ~230 ÷ 400V / 50Hz 300 l/h 600 l/h 1200 l/h
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt, mit handelsüblichem Druck- und Strömungswächter 656 Wh 733 Wh 777 Wh
Mehrstufige Kreiselpumpe 800 Watt, 380 Volt mit Drehzahlsteuerung 276 Wh = ca. 58 % Einsparung 617 Wh = ca. 16 % Einsparung 686 Wh = ca. 12 % Einsparung

Die Drehzahlsteuerung regelt die Förderleistung in Abhängigkeit vom tatsächlichen Bedarf. Da nur selten alle Verbraucher gleichzeitig laufen, reduzieren sich die Energiekosten bei Verwendung einer Dreiphasenpumpe um bemerkenswerte 40 %. Zusätzlich senken Regenwasserwerke mit Drehzahlsteuerung mit 45 dBA (bei der Befüllung eines WC) gegenüber 65 dBA bei einem ungeregelten Regenwasserwerk die Geräuschbelastung auf bald 1/10 des ursprünglichen Wertes. Durch die kleineren Drehzahlen verringert sich zudem der Verschleiß in den elektronischen Komponenten und der Pumpe. Ihre Lebensdauer verlängert sich so um 40 %.

Stromeinsparung durch den Einsatz von Ausdehnungsgefäßen
In einer theoretischen Berechnung wurde die Leistungsaufnahme einer Regenwasserzentrale (RMF-40) für ein Mehrfamilienhaus mit 10 WC’s sowohl mit als auch ohne 150 Liter Ausdehnungsgefäß betrachtet. Durch das Ausdehnungsgefäß kann die Schalthäufigkeit der Pumpe/Tag von 60 auf etwa 7 erheblich reduziert werden. Dies führt dazu, dass die Pumpe weniger Anlaufstrom verbraucht und in einem besseren Betriebsbereich arbeiten kann. Ohne Ausdehnungsgefäß wird bei jeder WC Betätigung die Pumpe gestartet.  Die theoretischen Überlegungen ergaben ein Einsparpotential von bis zu 50 %. In einer Praxismessung sollen diese Werte nun noch genauer untersucht werden.

Fazit
Bei der Regenwassernutzung besteht ein erhebliches Potential Strom einzusparen. Die derzeit meist verwendeten mehrstufigen Kreiselpumpen benötigen ca. 1,6 kWh/m³. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass im Bereich Einfamilienhaus durch die Verwendung von angepassten Pumpleistungen ohne sonderlichen Komfortverlust etwa 75 % Einsparung zu erzielen ist. Dies führt zu einem Verbrauch von ca. 0,4 kWh/m³ gefördertem Regenwasser. Die Standby Leistung sollte ebenso beachtet werden. Bei den untersuchten Produkten trägt sie mit ca. 0,16 kWh/m³ zum Verbrauch bei. Bei größeren Pumpen kann die Drehzahlsteuerung den Verbrauch um ca. 40% senken. Zu beachten ist, dass nur geregelte Dreiphasenpumpen tatsächlich Energie einsparen. Zudem erhöht die Drehzahlregelung die Lebensdauer der Pumpen und senkt die Geräuschbelastung ganz erheblich. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung ist der Einsatz von Ausdehnungsgefäßen von bis zu 50 %. Von den ca. 132 GWh, die in Deutschland pro Jahr durch Regenwasserpumpen verbraucht werden, könnten also nach derzeitigem Stand über 50 %, also 66 GWh im Bestand eingespart werden. Für Neuprodukte sind viele der oben genannten Maßnahmen nach der europäischen Ökodesign-Richtlinie für energiebetriebene Produkte (EuP) vorgeschrieben.

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