Standort: Hamburg, Deutschland
Herausforderung: Einführung einer drehzahlgeregelten Druckerhöhungsanlage bei Gewährleistung höchster Betriebssicherheit auch beim Betrieb mit Notstrom-Aggregaten
Lösung: Einsatz des Frequenzumrichters DG1 von Eaton mit integriertem Fire Mode
Ergebnis: Mit der drehzahlgesteuerten Druckerhöhungsanlage hat Alfred Schneider eine Lösung entwickelt, die sich flexibel an die unterschiedlichsten Anforderungen, wie z.B. Gebäude mit verschiedenen Druckzonen anpassen lässt.
Durch Frequenzumrichter mit einem integrierten konfigurierbaren Fire Mode in Verbindung mit einem robusten und hitzebeständigen Design, lassen sich die Vorteile drehzahlgeregelter Antriebe jetzt auch in Druckerhöhungsanlagen nutzen
Die Alfred Schneider GmbH u. Co KG wurde vor mehr als 70 Jahren gegründet und zählt heute zu den führenden Herstellern von Feuerschutzschränken und Produkten der Löschwassertechnik. Das Industrieunternehmen mit Standorten in Söhrewald bei Kassel und in Rheda-Wiedenbrück bietet unter anderem Druckerhöhungsanlagen, Wandhydranten, Löschwasser- Einspeiseeinrichtungen, Schutzschränke, Vorlagebehälter und Trennstationen. Dank der langjährigen Erfahrung aus dem Bereich des Brandschutzes ist das Unternehmen, bzw. dessen Mitarbeiter, auch bei der Gestaltung von Normen aktiv und kann seine Kunden umfassend und qualifiziert beraten. Die Kunden werden dabei über die reine Produktlieferung hinaus auch bei der Anlagenauslegung bis hin zur Konzeption kompletter Wandhydrantenanlage und ähnlicher Feuerlöschsysteme betreut. Als OEM-Lieferant werden die gefertigten Produkte kundenspezifisch produziert und in der Regel von den Kunden dann unter deren eigenen Markennahmen in Verkehr gebracht.
Druckerhöhungsanlagen in Feuerlöschanlagen sorgen dafür, dass an den Schlauchanschlussstellen bzw. Wandhydranten eines Gebäudes ausreichend Löschwasser bereitgestellt wird. Über eine Pumpe erhöht die Anlage den Druck in der Löschwasserleitung auf das geforderte Niveau. Dabei werden trotz aller aktuellen Entwicklungen in der Antriebstechnik nach wie vor Schütze zur Schaltung der Pumpen eingesetzt. „Die Branche ist sehr konservativ was neue Technologien betrifft“, so Lars Biskupek, Bereichsleiter Feuerschutz bei der Alfred Schneider GmbH, einem der führenden Hersteller von Feuerschutzschränken und Produkten der Löschwassertechnik. „Man ist erst prinzipiell kritisch gegenüber elektronischen Systemen eingestellt, da in einem Notfall eine eingeschränkte Zuverlässigkeit befürchtet werde.“
Erster Ansatz der Experten von Aquatech war, die konventionellen Elektromotoren durch besonders energieeffiziente IE4-Motoren zu ersetzen. Um das energiezehrende Arbeiten der Pumpen gegen die Schieber zu vermeiden und ein sanftes Anfahren und Ausschalten der Pumpen zu ermöglichen, realisierte Aquatech einen drehzahlgesteuerten Betrieb der Motoren. Dazu wurden die Motorstarter durch Frequenzumrichter vom Typ PowerXL DG1 von Eaton ersetzt. Aquatech arbeitet bereits seit rund 30 Jahren mit Eaton zusammen und kannte daher die Vorteile des DG1. Die PowerXL Frequenzumrichter sind für die Motorsteuerung bis zur höchsten Effizienzklasse IE4 konzipiert. Dank eines besonderen Verfahrens zur Optimierung des Wirkungsgrades verbraucht der DG1 zudem im Vergleich zu anderen Frequenzumrichtern für den Antrieb von Motoren zwischen 2 bis 10 Prozent weniger Energie.
Nachteile bei Schaltung über Schütze
Doch die traditionelle Bauweise birgt Nachteile in sich: Zum einen können über Schütze geschaltete Löschwassersysteme nur eine bestimmte Drehzahl fahren, so dass die Leistung bzw. der Druck der Pumpe nicht variiert werden kann. Das ist bei „einfachen“ Löscheinrichtungen ausreichend. Der Aufbau mit Schützen wird jedoch kompliziert, wenn an eine Löschwasserleitung verschiedene Löscheinrichtungen angeschlossen werden, die jeweils andere Drücke benötigen. Zum anderen entsteht beim Anfahren der Pumpe ein hoher Anlaufstrom. Er belastet das Netz und die gesamte elektrotechnische Ausrüstung. Im laufenden Betrieb, wenn also Löschwasser entnommen wird, kann zudem durch eine zu hohe Entnahmemenge ein Überstrom entstehen, wie Lars Biskupek weiter erklärt: „Die Pumpen sind auf eine bestimmte Literleistung ausgelegt. Wenn diese Leistung überschritten wird – zum Beispiel, weil Wasser aus zu vielen Hydranten gleichzeitig entnommen wird – verlässt das System die ursprünglich ausgelegte Kennlinie und es entsteht ein Überstrom. Da laut Norm kein Motorschutz installiert sein darf, der Motor sich also nicht abschalten kann, droht die Gefahr des Ausfalls des Notstromgenerators.“ Für die Firma Alfred Schneider war dies ausschlaggebend dafür, die Antriebstechnologie einer Druckerhöhungsanlage neu zu konzipieren, so dass sie auch sicher über ein Notstrom-Aggregat betrieben werden kann.
Frequenzumrichter als optimale Lösung
Das Unternehmen entschied sich daher, mit Hilfe eines Frequenzumrichters ein Feuerlöschsystem mit einer drehzahlgeregelten Druckerhöhungsanlage zu entwickeln. Dazu wurde statt des Schützes ein Frequenzumrichter vom Typ PowerXL DG1 von Eaton eingesetzt. „Der DG1 hat standardmäßig einen Fire Mode integriert“, nennt Biskupek einen Grund für die Wahl. In diesem Modus – den genauso auch der kompakte, eher für einfachere Applikationen ausgelegte DC1 von Eaton bietet – sind interne Schutzfunktionen deaktiviert. Die Motorschutzeinrichtungen im Stromkreis der Pumpe dienen in dem Modus nur zur Signalisierung von Störungen, führen aber nicht zur Abschaltung. Damit erfüllt der Frequenzumrichter die Anforderungen der DIN 14462 und der VdS-Richtlinie. Sollte die Druckerhöhungsanlage selbst Feuer, Rauch oder hohen Temperaturen ausgesetzt sein, arbeitet diese selbst beim Überschreiten von Grenz- und Auslösewerten weiter und versorgt Wandhydranten oder Sprinkler zuverlässig so lange wie irgend möglich mit Löschwasser. Der Fire-Mode ist dabei umfangreich konfigurierbar – es lassen sich Sollwerte, umschaltbare Sollwerteingänge oder eine drahtbruchsichere Aktivierung einrichten. Der DG 1 ist zudem besonders robust und hitzebeständig konzipiert. Alfred Schneider setzt eine IP54-Variante ein, die außerhalb eines Schaltschranks installiert werden kann und somit auch keine Belüftung bzw. Kühlung benötigt.
Ströme sicher begrenzen
„Vor allem aber ermöglicht der Frequenzumrichter eine Strombegrenzung“, so Lars Biskupek weiter. Der Umrichter lässt sich zum einen so einstellen, dass der Anlassstrom nicht über den Nennstrom des Notstrom-Aggregats steigt. So kann das Aggregat einzig entsprechend des Bedarfs der sonstigen Haustechnik ausgelegt werden, der nur im Notfall (oder bei Tests) auftretende Anlassstrom einer mit Schütz geschalteten Druckerhöhungsanlage muss nicht berücksichtigt werden. Für den Betrieb im Notfall haben die Experten von Alfred Schneider den DG1 zudem so programmiert, dass im Falle einer zu hohen Stromaufnahme die Drehzahl heruntergeregelt wird. „Damit sinkt zwar der Druck in den Entnahmestellen, aber wir liegen wieder im normalen Strombereich – und schützen die Sicherheitsstromversorgung vor einem Schaden oder sogar Ausfall.“ Damit steigt die Betriebssicherheit der gesamten Anlage erheblich.
Einfache Einrichtung von bis zu vier Druckbereichen
Doch die Ansteuerung der Druckerhöhungsanlage über einen Frequenzumrichter bietet weitere Vorteile: „Wir erreichen damit eine sehr hohe Flexibilität, die Anlage auf die örtlichen Gegebenheiten anzupassen“, so Lars Biskupek. So lassen sich mit dem DG1 bis zu vier verschiedene Druckbereiche einstellen. Damit kann zum Beispiel je nach dem, an welcher Art von Entnahmestelle Wasser entnommen wird, die Drehzahl so gesteuert werden, dass der für die jeweilige Entnahmestelle notwendige Druck zur Verfügung gestellt wird. „Wir haben das bei der Löschanlage auf einem Industriegelände realisiert“, so Biskupek. „Hier sollten über die gleiche Anlage zum einen Überflurhydranten mit 1,5 bar, zum anderen Wandhydranten mit 4 bar versorgt werden.“ Die Entnahmestellen werden dabei mit Kontakten ausgestattet, über die der Frequenzumrichter „weiß“ welche Löscheinrichtung gerade geöffnet wurde und über die entsprechende Drehzahl der Pumpe den dafür notwendigen Druck bereitstellt. „Je nachdem welches Löschgerät genutzt wird, können wir über die drehzahlgeregelte Druckerhöhungsanlage den Druck in der Leitung optimal anpassen“, unterstreicht Biskupek. Bei einer anderen Applikation setzt Alfred Schneider eine drehzahlgeregelte Druckerhöhungsanlage ein, um trotz einer undichten, unterirdischen Löschwasserleitung immer für ausreichend Druck zu sorgen. "„Sobald wegen der Leckage der Druck in der Leitung unter 0,5 bar fällt, fährt der Frequenzumrichter die Pumpe hoch und bringt den „Ruhedruck“ wieder auf 2 bar. Wird im Brandfall Wasser entnommen, wird der Druck auf 6 bar hochgefahren“, erläutert Lars Biskupek. Zudem kann über den Frequenzumrichter der Druck nachgeregelt werden: Wird zum Beispiel ein Hydrant geöffnet, sinkt der Druck in der Leitung. Mit der Drehzahlregelung kann die Leistung der Pumpe sanft soweit gesteigert werden, bis der gewünschte bzw. erforderliche Druck wiederhergestellt ist. Die Überwachung des Leitungsdrucks erfolgt dabei über einen Drucksensor in der Löschwasserleitung.
In hohen Gebäuden lassen sich Druckzonen realisieren
Bei höheren Gebäuden besteht zudem die Möglichkeit, über den Eaton DG1 bis zu vier Druckzonen einzurichten. Je nachdem, in welchem Stockwerk der Wandhydrant geöffnet wird, steuert der Frequenzumrichter die Pumpe nur bis zu der Leistung hoch, die tatsächlich benötigt wird. Dazu wird an jeder Entnahmestelle – also am Ventil des Wandhydranten - ein Endschalter installiert, der das Öffnen signalisiert. Die Schalter werden einzeln mit feuerfesten Kabeln, die zudem auf Drahtbruch-/Kurzschluss überwacht werden auf die Steuerung geführt, die dann in Abhängigkeit des geöffneten Ventils den erforderlichen Druck dem Frequenzumformer meldet. So wird der Steuerung zuverlässig signalisiert, in welcher Etage bzw. in welcher Druckzone ein Feuer bekämpft wird. „Allerdings ist das eine Sonderlösung und darf nur mit einer Ausnahmegenehmigung der zuständigen Brandschutzbehörde in Deutschland realisiert werden“, betont Lars Biskupek. Mehrere Druckzonen in einem Gebäude sind erst bei Gebäudehöhen ab 35m zwingend erforderlich. Bei den bis dato von Alfred Schneider realisierten Lösungen, wie zum Beispiel zahlreichen Hamburger Mehrfamilienhäusern, war die Gebäudehöhe geringer als 30m, so dass mit nur einer Druckzone gearbeitet werden konnte. Die Verdrahtung der Anlage erfolgte konventionell, doch der DG1 von Eaton bietet auch Kommunikationsschnittstellen für verschiedene Bus-Systeme, unter anderem für Ethernet oder das in der Gebäudetechnik häufig eingesetzte BACnet.
Flexible Lösung, die die Anlage schont und Kosten spart Mit der über den Eaton DG1 drehzahlgesteuerten Druckerhöhungsanlage hat Alfred Schneider eine Lösung entwickelt, die sich an die unterschiedlichsten Gebäude und Anforderungen anpassen lässt. Durch die im Frequenzumrichter integrierte Strombegrenzung wird ein Notfall-Generator entlastet und kann kleiner dimensioniert werden – vor allem aber kann eine Beschädigung wegen eines Überstroms vermieden werden. Insgesamt sinkt der Strombedarf der gesamten Anlage, wodurch geringere Investitionskosten anfallen. Durch die Ansteuerung über Kontakte oder Drucksensoren können in einer Anlage verschiedene Drücke für unterschiedliche Entnahmestellen einfach bereitgestellt werden. Zudem schont das „sanfte“ Anfahren der Pumpe die Gesamtanlage und diese wird, im Vergleich zur Schaltung über Schütze, mechanisch deutlich geringer belastet. „Mit einer drehzahlgeregelten Druckerhöhungsanlage können mehrere Optionen gleichzeitig abgedeckt werden“, so das Fazit von Lars Biskupek. „Die Stärke des Frequenzumrichters DG1 ist die Flexibilität.“
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