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Experten-Ratgeber zur Technik und Einsatz von Zirkulationspumpen

Was ist eine Zirkulationspumpe? Welche Aufgabe erfüllt sie im Heizungskreislauf und wie wird sie dieser bautechnisch gerecht? Welche Vor- und Nachteile bringt ihr Einsatz?

In großen Trinkwasserversorgungsnetzen hilft eine Zirkulationspumpe, das erwärmte Trinkwasser umzuwälzen. Die stete Zirkulation sorgt einerseits dafür, dass aus dem Hahn stets sofort warmes Wasser fließt und andererseits, dass Legionellen keine Chance haben. Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, wie eine Zirkulationspumpe aufgebaut ist, wie sie funktioniert und wie sie optimal auf das Trinkwassernetz ausgelegt (dimensioniert) wird. Sie erfahren, was Sie beim Einbau der Pumpe zu beachten haben und welche Vor- und Nachteile der Einbau Ihnen bringt.

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Aufgabe und Funktionsprinzip einer Trinkwasserzirkulationspumpe

Grundfos Zirkulationspumpen mit AutoAdapt-Funktion besitzen einen Nassläufer-Permanentmagnetmotor mit Kugelrotortechnik und stellen ihren Betrieb selbsttätig auf das Nutzerverhalten ein. (Foto: Grundfos GmbH)
Grundfos Zirkulationspumpen mit AutoAdapt-Funktion besitzen einen Nassläufer-Permanentmagnetmotor mit Kugelrotortechnik und stellen ihren Betrieb selbsttätig auf das Nutzerverhalten ein. (Foto: Grundfos GmbH)

Eine Zirkulationspumpe ist eine Pumpe, die mit Strom betrieben wird und die dafür sorgt, dass das erwärmte Trinkwarmwasser in den Trinkwasserleitungen stetig im Umlauf ist, also zirkuliert. Den Vorgang nennt man auch Umwälzung, daher wird die Zirkulationspumpe auch als Umwälzpumpe bezeichnet.

Dank der steten Zirkulation wird das Warmwasser an jedem Wasserhahn (an jeder Zapfstelle im Haushalt) unmittelbar geliefert, wenn dieser aufgedreht wird. Ohne Zirkulationspumpe wäre das anders: Dann stünde das erwärmte Wasser in der Leitung und kühlte nach und nach ab. Würde man dann einen Wasserhahn aufdrehen, würde ihm zunächst das kühle Wasser entströmen, bis dann schließlich das nachdrückende warme Wasser folgen würde.

Aus der vorgenannten Aufgabe ergeben sich als typischer Einsatzort für Zirkulationspumpen große, weit verzweigte Leitungsnetze mit konstruktionstechnisch bedingten, vergleichsweise langen Strecken zwischen dem Warmwasserspeicher und den Zapfstellen.

Typischer Einsatz einer Umwälzpumpe in Zirkulationsleitungen

Die Zirkulationspumpe dient dabei jedoch nicht nur dem höheren Komfort: Mit ihrer Installation kommt man auch der Forderung nach einem Höchstmaß an Hygiene nach, um unter anderem ein mögliches Legionellenwachstum auszuschließen. Die Forderung gründet zum einen auf der geltenden Trinkwasserverordnung (TrinkwV), zum anderen ergibt sie sich aus dem DVGW-Arbeitsblatt W551, W552, W553.

Demzufolge ist es Pflicht, dass Großanlagen, bei denen das Wasservolumen in der sogenannten Anbindleitung, also zwischen dem Trinkwassererwärmer und wenigstens einer Entnahmestelle, größer als drei Liter ist (Drei-Liter-Regel), mit einer Zirkulationsleitung samt Zirkulationspumpe (Alternative: eine Begleitheizung) bestückt werden. Bei solch einem Einsatz hat die Zirkulationspumpe die konkrete Aufgabe, das Wasser via die Ring- und die Zirkulationsleitung zurück zum Warmwassererzeuger zu transportieren.

Es gilt: Das Wasser muss am Austritt des Warmwasserbereiters immer mindestens sechzig Grad Celsius heiß sein. Im System darf die Wassertemperatur um nicht mehr als fünf Kelvin niedriger sein als die Wasseraustrittstemperatur am Erwämer.

Kurzbeschreibung wichtiger Pumpenbauteile im Überblick

Zirkulationspumpen können Sie in unterschiedlicher Ausführung kaufen. Zu den wichtigsten Komponenten einer Zirkulationspumpe gehören:

Temperatursensor

Sobald der Sensor eine zu geringe Rücklauftemperatur (empfohlene Regeltemperatur in Kleinanlagen: 60 Grad Celsius, mindestens jedoch 50 Grad Celsius) misst, indem er den Istwert mit dem Sollwert vergleicht, wird die Zirkulationspumpe aktiviert, die das Wasser dann umwälzt, also in Zirkulation bringt.

Zeitschaltuhr

Die Zeitschaltuhr steuert die Verfügbarkeit von Warmwasser, so dass die Zirkulationspumpe nur zu bestimmten Zeiten - den typischen Verbrauchszeiten im Haushalt – läuft und nur dann Warmwasser sofort an den Zapfstellen bereitsteht. Es gilt: Innerhalb eines Tages (24 Stunden) darf die Zirkulationsleitung höchstens für acht Stunden ausgeschaltet werden.

Laut der Energieeinsparverordnung (EnEV 2014) Paragraf 12 Absatz 4 braucht jede Zirkulationspumpe eine Vorrichtung zum automatischen Ein-/Ausschalten.

Zirkulationsregler

Der Zirkulationsregler ist ein Ventil, das sich durch eine Änderung der Temperatur in der Zirkulationsanlage öffnet oder schließt. Diese automatische Regelung wird durch ein Thermostatelement erreicht. Innerhalb dieser Regelbereiche können die Betriebszirkulationstemperaturen frei gewählt werden.

Steuerung

Der Betrieb einer Zirkulationspumpe wird von der Heizungssteuerung einer speziellen Zirkulationspumpensteuerung gesteuert. Die Steuerung ermöglicht über eine schnell beherrschbare Menüführung u.a. die Eingabe von Zirkulationsprofilen, in denen man bestimmte Zeiträume täglich feste Zeiten für den Betrieb der Zirkulationspumpe festlegen kann.

Grundsätzlich ergeben sich bei der Steuerung zwischen der separat gesteuerten und der zentral über den Heizkessel angesteuerten Zirkulationspumpe keine bedeutenden Unterschiede. Die meisten Kesselhersteller haben für die Aktivierung der Zirkulationspumpe zudem einen separaten Zeitkanal vorgesehen, der über eine interne Zeitschaltuhr gesteuert wird. Eine Zeitschaltuhr an der Zirkulationspumpe ist aus diesem Grund dann nicht mehr notwendig.

Materialien der Zirkulationspumpe

Die DIN 1988-200 regelt, welche Werkstoffe im Warmwasserbereich zum Einsatz kommen dürfen. Zugelassen sind sämtliche DVGW-geprüften Werkstoffe. Verzinkte Eisenwerkstoffe oder Blei gehören zu den Werkstoffen, die nicht zum Einsatz kommen dürfen. Für bestehende Anlagen mit solchen Gefahren(werk)stoffen besteht dringender Austauschbedarf.

Pumpenmotor

Häufig werden Spaltrohrmotoren eingesetzt, die eine spezielle Bauart des Nassläufermotors darstellen. Dabei wird die Wicklung des Stators durch ein zylindrisches, möglichst dünnwandiges Rohr (bspw. aus Edelstahl oder Kunststoff) im "Luftspalt" der Maschine (im Statorspalt) gegen das Fördermedium geschützt ist. Im Unterschied zum Spaltrohrmotor besitzt ein Kugelmotor keine umlaufende Lagerwelle, d.h. der Stator überträgt das Magnetfeld auf den sich im wasserführenden Teil der Pumpe befindlichen Rotor. Der wasserführende Teil der Pumpe ist hermetisch mit einer Trennkalotte aus Edelstahl vom Stator getrennt.

Tabelle 1: Übersicht gängiger Zirkulationspumpen, Kennzahlen und Preise
Pumpenmodell Leistung max. Förderhöhe Preise
Vortex BlueOne BWO 155 V Z 2,5 bis 9,0 Watt 1,3 m 160,00 €
WITA UPH 20 2,5 bis 8,0 Watt 0,9 m 70,00 €
Grundfos UPS 15-14 B PM 6,0 bis 8,0 Watt 1,2 m 97,00 €
Wilo Star-Z Nova A 3 bis 4,5 Watt 0,8 m 99,00 €
Lowara Ecocirc Pro 15-1/65 FH 3 bis 9 Watt 1,0 m 87,00 €

Kennzahlen und Dimensionierung der Zirkulationspumpe

In der Zirkulationsanlage hängen Druckverlust und Volumenstrom direkt voneinander ab. Zwischen dem Druckverlust der Anlage, den man in einen Druckhöhenverlust umrechnet, und der Förderhöhe der Pumpe stellt sich immer ein Gleichgewicht ein. Dabei gilt, dass der Druckhöhenverlust der Anlage der Förderhöhe der Pumpe im Betriebspunkt der Anlage entspricht.

Förderhöhe und Fördermenge

Mit Hilfe von Leistungsdiagrammen geben Hersteller in ihren Katalogen den Förderstrom zur Förderhöhe an. Dazu muss man wissen, dass Zirkulationspumpen einen sogenannten Differenzdruck (die Förderhöhe) erzeugen. Ihre Pumpenkennlinie schneidet die Anlagenkennlinie (Rohrnetzparabel). Fällt man aus dem Schnittpunkt das Lot auf die X-Achse des Diagramms, lässt sich der von der Pumpe beförderte Förderstrom ablesen.

Bedeutung der Pumpenkennlinie

Das hydraulische Verhalten der Zirkulationspumpe wird durch die Pumpenkennlinie beschrieben. Sie gibt die Beziehung zwischen Förderhöhe und Fördermenge an. Dabei gelten folgende Beziehungen:

  • bei zunehmender Fördermenge nimmt die Förderhöhe ab
  • bei zunehmender Förderhöhe geht die Fördermenge zurück

Unter der Fördermenge versteht man den von der Pumpe geförderten Volumenstrom. Die Förderhöhe ist die in die Höhe einer Flüssigkeitssäule umgerechnete, von der Zirkulationspumpe aufgebrachte Druckdifferenz. Die Pumpenkennlinie wird von den Herstellern ebenfalls in einem Diagramm dargestellt.

Rohrnetzkennlinie

Die Rohrnetzkennlinie ist anlagenspezifisch und gibt die Beziehung zwischen dem Druckverlust durch Rohrreibung und durch Einzelwiderstände und dem Förderstrom in der Zirkulationsanlage an. Die Zirkulationspumpe muss dabei nicht eine Höhendifferenz überwinden. Das heißt, die im Pumpendiagramm angegebene Förderhöhe, hat nichts mit der Höhe des Gebäudes zu tun, in dem die Pumpe eingebaut werden soll. Eine Zirkulationspumpe mit einer Förderhöhe von 1,25 m kann also durchaus erfolgreich in einem 20 m hohen Gebäude arbeiten.

Berechnung der Zirkulationsanforderungen

Zur Dimensionierung der Zirkulationspumpe benötigt man die Fördermenge der Zirkulationspumpe und den erforderlichen Pumpendruck. Der Förderstrom der Zirkulationspumpe richtet sich nach dem Wasserinhalt des Systems. Nach DIN 1988 Teil 3 ist eine dreimalige stündliche Umwälzung zum Verhindern einer übermäßigen Abkühlung des erwärmten Trinkwassers ausreichend. Dabei wird die Fördermenge und damit der Zirkulationsdurchfluss pauschal mit dem dreifachen Wasserinhalt des Zirkulationskreislaufs (ohne Inhalte von Trinkwassererwärmer und Speicher) ermittelt.

Die Förderhöhe der Zirkulationspumpe wird über die Summe der Druckverluste aus Rohrreibung und Einzelwiderständen des längsten Fließweges vom Anschluss der Zirkulationsleitung an die Versorgungsleitung bis zum Trinkwassererwärmer ermittelt. Die Druckverluste werden über das Formblatt A 7 aus der DIN 1988 Teil 3 und unter Verwendung eines Berechnungsschemas ermittelt. Die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung von max. 0,5 m/s bei Kupferrohr ist dabei einzuhalten. Die Teildurchflüsse errechnen sich aus der Fördermenge der Zirkulationspumpe geteilt durch die Anzahl der Zirkulationsstränge.

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Fachgerechter Pumpen-Einbau im Zirkulationssystem

DIN 1988 und DVGW-Arbeitsblatt regeln, wie Neuinstallationen zur Versorgung mit Trinkwarmwasser inklusive Zirkulationssystem zu berechnen und zu dimensionieren sind.

Zirkulationspumpen legt man für den Zirkulationsstrom aus. Daraus folgt: Sie müssen in die Zirkulationsleitung eingebaut werden. Der Pumpeneinbau kann daher waagerecht, senkrecht oder schräg erfolgen.

Die Pumpenwelle muss dabei allerdings immer waagerecht sitzen. So wird gewährleistet, dass die Wellenlager beim Nassläufer ausreichend Wasser zur Schmierung bekommen. Der Klemmenkasten sollte auf einer Position zwischen 9-, 12- oder 3-Uhr-Stellung für den Tropfwasserschutz montiert werden.

Rückschlagklappe

Damit die Pumpe beim Zapfen nicht entgegen der Strömungsrichtung durchströmt wird, ist eine Rückschlagklappe in der Zirkulationsleitung nötig. Denn eine falsche Durchströmung kann die Pumpe zerstören, wenn der Pumpenmotor läuft. Zuerst entstünde dann ein Lagerschaden, dann würde der Motor heiß laufen. Infolge käme es zu einem Wicklungsschaden.

Drosselventil

Pro Strang beziehungsweise Zone der Zirkulationsleitung ist in den sogenannten Steigesträngen und Versorgungszonen ein sogenanntes Drosselventil zum Einstellen des Volumenstromes einzubauen. Empfohlen werden in den vorderen Strängen oder Zonen Ventile mit thermostatischem Regler ohne Hilfsenergie zur automatischen Optimierung im Betrieb. Das letzte oder die beiden letzten Ventile in einer Verteilleitung sollten dagegen nur per Hand regulierbare Ventile sein.

Ein Drosselventil, das automatisch eine Druckänderung erzeugt, die von den Sensoren der Pumpe registriert wird, verringert die Pumpendrehzahl und spart somit Antriebsenergie (Strom). Als Folgewirkung steht auch an den anderen Strängen kein höherer Differenzdruck an. Das hat den Vorteil, dass die Durchflussmenge in diesen nahezu gleich bleibt. Nicht zu vergessen: Die sich so einstellende geringe Wassermenge ist auch für die Schichtung in einem Warmwasserspeicher günstig.

Wählt man eine mittlere Einspeisung, so gehören jeweils rechts und links ein bis zwei manuelle Regulierventile hin. Auf diese Weise stellt man sicher, dass die Temperatur in der Zirkulationsleitung wenigstens 55 Grad Celsius erreicht.

Vor- und Nachteile im Überblick

Der Tausch einer alten Zirkulationspumpe kann die Stromkosten spürbar senken und die Anschaffungskosten bereits in den ersten 2 bis 3 Betriebsjahren wieder amortisieren. (Grafik: WILO SE)
Der Tausch einer alten Zirkulationspumpe kann die Stromkosten spürbar senken und die Anschaffungskosten bereits in den ersten 2 bis 3 Betriebsjahren wieder amortisieren. (Grafik: WILO SE)

Einen großen Vorteil der Zirkulationspumpe haben wir bereits oben angedeutet: Sie erhöht den Komfort, indem sie beim Öffnen des Wasserhahns sofort Warmwasser herausströmen lässt. Doch das ist nicht alles: Da viele Verbraucher in Haushalten ohne Zirkulationspumpe beim Öffnen eines Wasserhahns zunächst das kalte Wasser ungenutzt abfließen lassen bis das gewünschte warme Wasser folgt, geht auf diese Weise jede Menge Kaltwasser verloren. Insofern hilft der Einsatz einer Zirkulationspumpe auch, Kaltwasser zu sparen.

Ein weiterer großer Vorteil, den die Zirkulationspumpe bringt, ist der Schutz vor Legionellen. Vorausgesetzt, dass die dafür nötige Rücklauftemperatur (möglichst über 55 Grad Celsius) auch in einem System mit Zirkulationspumpe nicht unterschritten wird. Andernfalls würde der Vorteil ins Gegenteil umschlagen, weil eine Zirkulationspumpe Legionellen besonders effektiv im zugehörigen Leitungsnetz verteilen würde. Gründe für eine zu starke Abkühlung könnten sein: 

  • der hydraulische Abgleich des Systems ist fehlerhaft
  • die Pumpe ist für den konkreten Einsatzzweck falsch dimensioniert
  • die Rohrleitungen sind falsch dimensioniert
  • die Rohre sind unzureichend isoliert (Dämmung)
  • sonstige Planungsfehler

Damit sind wir schon bei den Nachteilen angekommen, die eine Zirkulationspumpe mit sich bringt: Fakt ist, eine Zirkulation von Warmwasser ist kostenintensiv, wobei die Kosten bei der Zubereitung des Warmwassers und dem gegebenenfalls nötigen Nachheizen desselben entstehen, da die Preise für fossile Brennstoffe wie Heizgas und Heizöl stetig steigen – zwei der nach wie vor meistgenutzten Heizbrennstoffe hierzulande.

Sind die Heizungsanlagen zudem veraltet und die Rohre beispielsweise schlecht isoliert, wird der Wärmeverlust „unterwegs“ hoch, was die Heizkosten ebenfalls steigen lässt. Hinzu kommt, dass die Zirkulationspumpe strombetrieben wird – auch der kostet Geld.

Experten-Tipp: Seit dem 01. August 2016 fördert die Bundesregierung die energieeffiziente Sanierung durch den Austausch alter Heizungs- und Zirkulationspumpen gegen Hocheffizienzpumpen. Private Hausbesitzer bekommen dazu einen staatlichen Zuschuss von 30 Prozent des Rechnungsbetrags und haben so die Möglichkeit, durch den vorzeitigen Pumpentausch nicht nur Stromkosten, sondern auch bei der Handwerkerrechnung zu sparen.

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Weitere Informationen zur Zentralheizungstechnik

"Technik und Einsatz von Zirkulationspumpen" wurde am 29.09.2016 das letzte Mal aktualisiert.