Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand. Teil 1: Die Notwendigkeit einer Optimierung

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1 Optimierung vn Heizungsanlagen im Bestand Die vrliegende mehrteilige Serie befasst sich mit dem Thema Energieeinsparung im Gebäudebestand durch Optimierung der vrhandenen Heizungsanlagen. Dabei wird die Anlagentechnik als Gesamtsystem betrachtet, es sllen nicht nur "einzelne Kmpnenten" verbessert werden. Neben der Erläuterung des Zusammenspiels einzelner Anlagenbestandteile steht die zeit- und kstensparende Umsetzung durch Einsatz vn Sftwarelösungen im Zentrum der Ausführungen. Teil 1: Die Ntwendigkeit einer Optimierung Seite 1 Teil 2: Einflüsse der Anlagentechnik auf die Optimierung Seite 9 Teil 3: Optimierung der Hydraulik Seite 20 Teil 4: Sftwarelösung und Praxisbeispiel Seite 32 Teil 5: Wertanalyse für Detailprbleme Seite 44 Teil 1: Die Ntwendigkeit einer Optimierung Energieeinsparung im Bestand Im Zusammenhang mit der EnEV wird viel über neue Technlgien in neuen Gebäuden philsphiert: vr allem zur Schnung der Primärenergiereserven und zur Verminderung des CO 2 -Ausstßes. Dabei darf man eines nicht aus den Augen verlieren: das größte Energieeinsparptential liegt im Gebäudeund Anlagenbestand. 92 % aller Whn- und Nutzflächen in Deutschland entfallen auf Gebäude, die nch vr dem Inkrafttreten der Wärmeschutzverrdnung vn 1995 errichtet wrden sind. Diese Gebäude verbrauchen 97 % der Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung aufgewendet wird (vgl. Abbildung 1). Energieverbrauch (qualitativ) vr bis bis bis bis 1977 WSchV 1977 WSchV 1982 WSchV 1995 Zubau bis 2010 NEH PH Flächenanteil in % Abbildung 1 Energieverbrauch der Gebäude in Deutschland Auf Grund vn im Vrfeld prgnstizierten Energieeinsparungen werden immer mehr Gebäude baulich saniert. Leider werden dabei ft die alten Heizungs- und Trinkwarmwasserbereitungsanlagen in ihrem Urzustand belassen und nicht an die veränderten Verhältnisse angepasst. Wenn die Energieeinsparung in der Praxis dann dch nicht s üppig ausfällt, wie erwartet, ist die Enttäuschung - vr allem auf Seiten der Nutzer - grß. In der Fachwelt wird die Abweichung des tatsächlichen Verbrauchs vn der Prgnse ft dem Nutzer der den Witterungsverhältnissen zugeschben. Die Autren sehen jedch die Anpassung der Anlagentechnik an die neuen baulichen Verhältnisse als eines der wichtigsten Mittel zur Realisierung der geplanten Energieeinsparung an. Das Prblem "Optimierung vn Heizungsanlagen im Bestand" sll daher in mehreren Artikeln näher erörtert werden. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 1

2 Einen Überblick wichtiger Themen und Zusammenhänge, die in den einzelnen Teilen des Aufsatzes erläutert werden, sind in Abbildung 2 dargestellt. Eine genauere Angabe zu den Inhalten flgt am Ende des vrliegenden ersten Teils. Sanierung des Baukörpers Vrgaben der Nutzer: fühlbare Wärme an den Heizkörpern bei Heizgrenze Vrgaben aus Sicht der Energieeinsparung: niedriges Temperatur niveau hhe Spreizung für geringe Pumpenleistungen Vrgaben des Schrnsteins: Mindestabgastemparatur Vrgaben der Heizkstenerfassung: Mindestvrlauftemperatur Optimales Temperaturniveau Vrgaben der Heizflächen: ausreichendes Temperaturniveau zur Deckung aller Raumheizlasten guter (hher) Wärmeübertragerkennwert Vrgaben der THKV: Mindestvlumenstrm (kleinste verfügbare k V -Werte) Vrgaben des Wärmeerzeugers: Mindestvlumenstrm besndere Anfrderungen an Vrlauf- der Rücklauftemperatur Vrgaben des Wärmeerzeugers: integriertes Überströmventil? integrierte Pumpe? Vrgaben des Rhrnetzes: Stranglängen Druckgefälle Vrgaben der Räume: Raumheizlasten Vlumenströme Vereinfachte Rhrnetzberechnung Vrgaben der Pumpe: feste Förderhöhe? Stufenpumpe? stufenls einstellbare Pumpe? Vrgaben der Heizkörper: Heizkörperleistungen vrhandene Ventile der Rücklaufverschraubungen (RLV) Pumpenauslegung Einstellwerte für die Pumpe Hydraulischer Abgleich Einstellwerte für Thermstatventile der RLV Abbildung 2 Zusammenhänge bei der Anlagenptimierung Gründe für eine Anpassung des Temperaturniveaus Die Frage, wann und warum das alte Temperaturniveau der Anlagentechnik in einem Gebäude verändert werden sllte, sll an einem Beispiel erläutert werden. Das Beispielgebäude sei ein größeres Mehrfamilienhaus, aus dem zwei Räume in Abbildung 3 schematisch gezeigt sind. Der linke Raum (Raum 1) ist ein Innenraum, der rechte (Raum 2) ein Eckraum dieses Gebäudes. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 2

3 Situatin vrher: kw 2.4 kw 2 Räume. Temperaturniveau: 80/60 C. Je ein Heizkörper, passend zur Heizlast und zum gewählten Temperaturniveau (Plandaten sind bekannt). 1.2 kw 2.4 kw 16 m², 75 W/m² 20 m², 120 W/m² Situatin nach der Sanierung: kw 2.4 kw Für Raum 1 verringert sich die Heizlast auf 67 % des alten Wertes. Für Raum 2 auf 50 % des alten Wertes. (Die Leistungen der Heizkörper gelten für das alte Temperaturniveau 80/60 C) 0.8 kw 1.2 kw 16 m², 50 W/m² 20 m², 60 W/m² Abbildung 3 Beispielräume Vr der Sanierung stimmen die realen Heizkörperleistungen (die reale Heizkörperleistung ergibt sich aus der Heizkörpergröße bzw. Nrmleistung und dem gewähltem Temperaturniveau) mit den Raumheizlasten überein. Durch die Sanierung (Fensteraustausch, Außenwanddämmung und Dachdämmung) sinken die Raumheizlasten. Allerdings verringert sich die Raumheizlast im Außenraum (Raum 2) stärker als im Innenraum (Raum 1). Der Grund hierfür ist der höhere Anteil sanierter Flächen bezgen auf die gesamten Umschließungsflächen beim Außenraum. Die Sanierung macht sich ums mehr bemerkbar, je mehr Begrenzungsflächen eines Raumes vn ihr betrffen sind. Im gegenteiligen Extremfall, einem Innenflur, der gar nicht vn der Sanierung betrffen wäre, würde sich die Heizlast überhaupt nicht ändern. Fest steht nach der Sanierung flgendes: beide Heizkörper besitzen aufgrund der gleich gebliebenen Systemtemperaturen eine zu grße Leistung. Das Temperaturniveau muss daher angepasst werden. Verschwendungsptential Nun mag man sich die Frage stellen, warum das Temperaturniveau überhaupt geändert werden sll? Es sind dch allerrts Thermstatventile in den Anlagen eingebaut, die bei Bedarf einfach schließen und die Heizkörperleistung smit autmatisch reduzieren. Der wichtigste Grund ist die Gefahr der unbemerkten Energieverschwendung durch den Nutzer - sfern die Anlage dies zulässt. Dieses Phänmen, das durch nicht ausreichende Qualitätssicherung auf Seiten der Anlagentechnik entsteht, wird auch als "Verschwendungsptential der Anlagentechnik bezeichnet. Für das Beispielgebäude bedeutet das: bwhl der Baukörper saniert ist und das Gebäude theretisch nur nch die halbe Energiemenge im Vergleich zu vrher benötigen würde, kann die Anlage immer nch die alte Energiemenge liefern, weil die Heizflächen, die hydraulischen Einstellungen und die Vrlauftemperatur gleich geblieben sind. Der Außenraum weist 1,2 kw überflüssige Leistung auf, der Innenraum 0,4 kw. Insgesamt sind als 1,6 kw Wärmeleistung (das entspricht 80 %) mehr verfügbar, Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 3

4 als überhaupt benötigt werden. Dieses Mehrangebt an Leistung kann zu einer - vm Nutzer unbemerkten - Energieverschwendung führen. Wärme kann zum Beispiel durch ständig gekippte Fenster abgelüftet werden, hne dass die betreffenden Räume wirklich auskühlen. Die Fenster bleiben als, da unbemerkt, unnötig lange ffen. Das Verschwendungsptential besagt allerdings nicht, dass die vlle Überkapazität in jedem Fall sinnls verbraucht wird. Der Nutzer entscheidet wesentlich darüber. Klar ist jedch auch: je weniger Überkapazität bereitgestellt wird, dest weniger kann verschwendet werden. Ein Weg - und aus Sicht der Investitinsksten gesehen, ein sehr günstiger - zur Anpassung der Anlagenleistung an die neuen Verhältnisse ist die Wahl eines neuen Temperaturniveaus und ein anschließender hydraulischer Abgleich der Anlage. Festlegen der neuen ntwendigen Übertemperatur Am Beispiel der beiden Räume aus Abbildung 3 wurde bereits gezeigt, dass die Heizlasten in den einzelnen Räumen bei der Sanierung nicht gleichmäßig sinken. Es muss bei der Wahl eines neuen Temperaturniveaus daher erst einmal festgestellt werden, welcher Heizkörper nach der Sanierung die geringste (thermische) Überdimensinierung seiner Heizkörperleistung gegenüber der Raumheizlast aufweist. Nach diesem Heizkörper richtet sich das neue Temperaturniveau. Für die beiden Beispielräume ergeben sich bei den alten Temperaturverhältnissen flgende Verhältnisse: Im Raum 1 ist eine Überdimensinierung des Heizkörpers vn 150 %, im Raum zwei vn 200 % festzustellen. Das bedeutet, dass der Heizkörper im Innenraum 1 - thermisch gesehen - der ungünstige ist. Nach ihm richtet sich die mögliche Absenkung des neuen Temperaturniveaus. Für die Bestimmung des neuen Temperaturniveaus wird zunächst die alte lgarithmische Übertemperatur ϑ ln des Netzes benötigt. Sie beträgt bei den alten Auslegungsbedingungen 80/60/20 C: ϑ ϑv ϑr = ϑv ϑ ln ϑ ϑ R L = K ln ln, alt = L 49,3K Gleichung 1 Dann wird mit Hilfe einer der drei grundlegenden Heizkörpergleichungen (Therien hierzu sind in anderen Literaturquellen zu finden, z. B. in [3]) die neue Übertemperatur bestimmt. Die Heizkörpergleichung lautet in ihrer Grundfassung: Q& Q& neu alt ϑ = ϑ ln,neu ln,alt n Gleichung 2 Nach dieser Gleichung verhalten sich neue und alte Leistung eines Heizkörpers Q & - bis auf den Einfluss des Heizkörperexpnenten n - prprtinal zu den vrhandenen lgarithmischen Übertemperaturen. Für den thermisch ungünstigsten Raum 1 ergibt sich die neue lgarithmische Übertemperatur durch Umstellen der Gleichung wie flgt: ϑ 1/ n 1/1,3 neu 0,8kW ln, neu = ϑ ln,alt = 49,3K = alt 1,2kW Q& Q& 36,1K Gleichung 3 Dabei sind die Leistungen bekannt (es sind die Raumheizlasten), und der Heizkörperexpnent n wird mit 1,3 - typisch für einen Gliederheizkörper - angesetzt. Gut nachzuvllziehen sind die Zusammenhänge im Auslegungsdiagramm für Heizkörper, das für den Heizkörper 1 in Abbildung 4 gezeigt wird. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 4

5 Auslegungsdiagramm für Heizkörper - Raum 1 Q & / Q & N m & / m& N Heizkörperexpnent n: 1,3 Nrrmauslegung: 80 / 60 / 20 C 60 t V t V 1,2 50 t R 1,0 1,1 3,0 Temperaturdifferenz t R - t L, in [K] ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 4 0,7 0,8 2 0,9 0,3 0,4 1,5 3 0,5 0,6 1 0,7 0,8 1,0 10 0,1 0, Temperaturdifferenz t V - t L, in [K] Abbildung 4 Heizkörperauslegungsdiagramm für Raum 1 0,1 Punkt 1 im Bild ist der alte Auslegungspunkt. Er ist eingetragen bei 100 % Leistung ( Q& /Q& n = 1, 0 - Linien vn ben links nach unten rechts) und bei 100 % Massenstrm ( m& / m& n = 1, 0 - Linien vn unten links nach ben rechts). Dieser Zustand wird gerade erreicht bei einer Vrlauftemperatur vn 80 C (60 K Temperaturdifferenz auf der x-achse) und einer Rücklauftemperatur vn 60 C (40 K Temperaturdifferenz auf der y-achse). Punkt 2 ist eingetragen bei der geringeren Leistung (2/3 der ursprünglichen Leistung Q& / Q& n = 0, 67 ) nach der Sanierung, aber immer nch beim vllen alten Massenstrm ( m& / m& n = 1, 0 ). Alle Punkte, die auf der eingezeichneten blauen Linie liegen, sind Punkte mit der gleichen neuen Leistung, die mit der gleichen lgarithmischen Übertemperatur vn 36,1 K erreicht werden kann. Daher kmmen alle Punkte auf dieser Linie als neue Betriebspunkte in Betracht - nicht nur der eingezeichnete Punkt 2. Drei mögliche Paarungen vn Vr- und Rücklauftemperatur für das neue Temperaturniveau am Heizkörper 1 könnten als sein: 63/50 C (Punkt 2 - mit altem Massenstrm m& /m& n = 1, 0 ), 71/44 C (Punkt 3 - mit 50 % des alten Massenstrmes m& / m& n = 0, 5 ) der 58/54 C (Punkt 4 - mit dreifachem Massenstrm m& / m& n = 3, 0 ). Weitere Paarungen werden in Abbildung 5 wiedergegeben. Die im Bild gestrichelt eingetragene Linie symblisiert die lgarithmische Temperatur vn 56,1 K. Sie ist die Summe aus Raumtemperatur (20 C) und lgarithmischer Übertemperatur (36,1 K). Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 5

6 Temperaturniveaus für HK 1 Vrlauftemperatur Rücklauftemperatur Vr- und Rücklauftemperatur, in [ C] Spreizung, in [K] Abbildung 5 Mögliche Temperaturniveaus für Heizkörper 1 Ebens wie für Raum 1 kann auch für Raum 2 ein Heizkörperauslegungsdiagramm erstellt werden. Es ist in Abbildung 6 wiedergegeben. Auslegungsdiagramm für Heizkörper - Raum 2 Q & / Q & N m & / m& N Heizkörperexpnent n: 1,3 Nrrmauslegung: 80 / 60 / 20 C 60 t V t V 1,2 50 t R 1,0 1,1 3,0 Temperaturdifferenz t R - t L, in [K] ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 2 0,7 0,8 3 0,9 0,3 0,4 1,5 0,5 0,6 1 0,7 0,8 1,0 10 0,1 0, Temperaturdifferenz t V - t L, in [K] Abbildung 6 Heizkörperauslegungsdiagramm für Raum 2 0,1 Für den zweiten Raum - mit der größeren Überdimensinierung - ist ebenfalls der alte Auslegungspunkt (1) bei 80/60 C eingetragen. Hier beträgt die neue, aus den Leistungen bestimmte lgarithmische Übertemperatur ϑ ln = 28,9 K. Auf der eingetragenen rangenen Linie liegen die möglichen Temperaturpaarungen, die diese Übertemperatur ermöglichen und mit denen die neue Leistung für Heizkörper 2 erreicht werden kann. Punkt 2 symblisiert wie ben einen der neuen Auslegungspunkte, hier denjenigen mit gleichem Massenstrm ( m& /m& n = 1, 0) wie vrher. Er wird bei Auslegungstemperaturen vn 54/44 C erreicht. Die ntwendige Vrlauftemperatur wird aber vm Heizkörper 1 bestimmt. Sll drt z.b. der alte Massen- Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 6

7 strm beibehalten werden, dann muss das ganze Netz mit einer Auslegungsvrlauftemperatur vn t V,A = 63 C betrieben werden (siehe Abbildung 4). Für den Heizkörper 2 bedeutet das, dass der Massenstrm auf nur 40 % seines alten Wertes sinkt (Punkt 3). Anhand dieser Betrachtungen wird flgendes deutlich: selbst wenn das Netz vrher hydraulisch abgeglichen war, muss der Abgleich nach der Sanierung wiederhlt werden, weil sich die thermischen und damit die hydraulischen Verhältnisse grundlegend ändern können! Es wird auch deutlich: die Wahl der neuen Vrlauftemperatur steht grundsätzlich ffen. Die einzige Bedingung ist, dass alle Räume warm werden und für den thermisch ungünstigsten Raum die lgarithmische Übertemperatur erreicht wird. Die Rücklauftemperaturen stellen sich an allen Heizkörpern autmatisch ein. Damit ergibt sich eine mittlere Rücklauftemperatur für das ganze Netz. In diesem Punkt ähnelt das Verfahren der Heizkörperauslegung nach der VDI 6030 [4]. Praxis: Fehlende Daten für den Bestand Eine Frage, die sich dem Praktiker beim Lesen sicherlich schn gestellt haben wird, sll an dieser Stelle beantwrtet werden: Wie sll bei fehlenden Daten über das alte Gebäude und die alte Anlage vrgegangen werden? Wenn nicht bekannt ist: welches Temperaturniveau in der Altanlage gefahren wird (die Vrlauftemperatur kann über die Reglereinstellungen ermittelt werden, die sich einstellende Rücklauftemperatur ist aber in der Regel unbekannt), b die vrhandenen Heizkörper passend zur alten Heizlast dimensiniert waren und welche Heizlasten vr der Sanierung überhaupt vrlagen, ist wie nachflgend beschrieben zu verfahren. Anstelle des "alten" Zustandes vr der Sanierung, für den die Daten fehlen, ist der "Nrmzustand des Heizkörpers" einzusetzen. Das bedeutet: in Gleichung 1 ist statt der "alten" lgarithmischen Übertemperatur die "Übertemperatur bei Nrmtemperaturen" bei zu verwenden. Diese Nrmtemperaturen sind in der EN 442 mit 75/65/20 C festgelegt, wnach die Übertemperatur Gleichung 1 ϑ ln,alt = 49,8 K beträgt. Bei diesem Nrm-Temperaturpaar dkumentieren Hersteller die Heizkörperleistungen in Katalgen. In Gleichung 2 wird dann an Stelle der "alten" unbekannten Raumheizlast die Nrmheizleistung des Heizkörpers bei 75/65/20 C eingesetzt. Sie ist für den vrhandenen Heizkörper mit Hilfe vn Katalgdaten zu bestimmen. Trtz der beschriebenen veränderten Vrgehensweise ergibt sich die gleiche neue lgarithmische Übertemperatur nach Gleichung 3. Allerdings gilt auch für diese Vrgehensweise, dass die neue Raumheizlast bekannt sein muss. Eine - zumindest überschlägige - Heizlastbestimmung für den sanierten Zustand muss vrliegen der durchgeführt werden. Weiteres Vrgehen Die Wahl einer bestimmten Vrlauftemperatur für das ganze Netz wird vn zahlreichen Faktren bestimmt. Einzelne Einflüsse sind bereits in Abbildung 2 aufgezeigt wrden, z.b. Bedingungen, die der Wärmeerzeuger an Vr- und Rücklauftemperaturen stellt der auch vrhandene Heizkstenerfassungsgeräte, die eventuell eine bestimmte Mindest-Vrlauftemperatur erfrdern. Betrachtet man all diese Randbedingungen, wird klar: alle Frderungen können nicht in vllem Umfang und gleicher Qualität erfüllt werden, es müssen zwangsläufig Priritäten gesetzt werden. Mit den Fragen, welche Randbedingungen bei der Wahl der Vrlauftemperatur und beim hydraulischen Abgleich zu beachten sind, wie eine Optimierung in der Praxis umgesetzt werden kann und weiteren Einzelthemen beschäftigen sich die späteren Teile der Serie. Parallel zur Ausgabe dieser Serien wird das Prblem Optimierung vn Anlagen im Bestand auch in die Praxis umgesetzt und getestet. Zwei wichtige Prjekte seinen kurz genannt: in einem vn der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Feldprjekt werden nch in diesem Jahr etwa 70 Gebäude in Nrddeutschland mit dem in dieser Serie beschriebenen Verfahren ptimiert. Die resul- Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 7

8 tierende Energieeinsparung, der Ksten- und Zeitaufwand werden dabei auch quantitativ dkumentiert. Ein zugehöriges Sftwareprgramm derzeit beim enercity-klimaschutzfnds prklima in Hannver eingesetzt und getestet. Die Ergebnisse dieser Prjekte fließen in die Inhalte dieser Serie ein. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 8

9 Teil 2: Einflüsse der Anlagentechnik auf die Optimierung Rückblick: Ntwendigkeit der Optimierung Der erste Teil des Artikels beschäftigte sich mit der Frage, warum auf eine bauliche Mdernisierung im Gebäudebestand eigentlich immer eine anlagentechnische Optimierung flgen sllte. Kurz zusammengefasst lautet die Antwrt: mit der Sanierung sinken die Raumheizlasten und die Gebäudeheizlast. Wenn die Anlage nicht an die neuen Bedingungen angepasst wird, hat sie weiterhin die alte Leistung und kann auch nach der Mdernisierung die gleiche Wärmemenge wie vrher abgeben. Es besteht die Gefahr einer - ggf. unbemerkten - Energieverschwendung durch den Nutzer, z. B. durch dauerhaft gekippte Fenster. In einer Pumpenwarmwasserheizung verändern sich nach der baulichen Mdernisierung die Vlumenströme, die zum Erreichen der ntwendigen Wärmeabgabe der Heizflächen nötig sind. Daher stimmt i. A. auch der hydraulischen Abgleich nicht mehr, sfern die Heizungsanlage vrher überhaupt hydraulisch abgeglichen war. Im Zuge einer Optimierung sllte auf den hydraulischen Abgleich ein Hauptaugenmerk gerichtet werden. Vraussetzungen für die Wahl des Temperaturniveaus Bleibt nach der baulichen Mdernisierung die alte Vrlauftemperatur bestehen, sind in der Regel alle Heizflächen überdimensiniert. Um die Heizkörperleistung an die neuen Verhältnisse anzupassen, muss die Übertemperatur des Systems (mittlere Temperatur über Raumtemperatur) herabgesetzt werden. Die Abhängigkeit zwischen neuer Heizkörperleistung. neu zu wählender Vrlauftemperatur und sich in Abhängigkeit vn der Überdimensinierung des Heizkörpers bezgen auf die Raumheizlast ergebenden Rücklauftemperatur wird durch die lgarithmische Übertemperatur ausgedrückt. Mit unterschiedlich gewählten Vrlauftemperaturen stellen sich an jedem Heizkörper andere Rücklauftemperaturen ein. Dabei gibt es für jede Vrlauftemperatur im Netz immer genau eine sich einstellende Rücklauftemperatur an jedem Heizkörper und damit eine mittlere Rücklauftemperatur im Netz. Die möglichen Paare vn Vr- und Rücklauftemperatur ergeben für jeden Heizkörper immer dieselbe lgarithmische Übertemperatur. Diese wird vn der nötigen Wärmeabgabe des Heizkörpers vrgegeben. Der Heizkörper, der nach der Mdernisierung des Gebäudes die geringste Überdimensinierung bezgen auf die Raumheizlast aufweist, wird als der thermisch ungünstigste bezeichnet. Aus der Gebäudeaufnahme und einer (ggf. vereinfachten) Heizlastberechnung müssen zur Optimierung des Temperaturniveaus bekannt sein (siehe erster Teil des Aufsatzes): alle Raumheizlasten nach der Mdernisierung, die Nrmheizlasten der jeweils installierten Heizflächen bzw. die Heizlasten bei einem bestimmten Temperaturniveau, die daraus bestimmten ntwendigen lgarithmischen Übertemperaturen für jeden Heizkörper der thermisch ungünstigste Heizkörper (größte lgarithmische Übertemperatur). Randbedingungen für die Wahl des Temperaturniveaus Die zunächst sehr grß erscheinende Anzahl der möglichen Temperaturniveaus wird durch die Randbedingungen der Nutzung, aber vr allem durch die vrhandenen Anlagenkmpnenten und -systeme begrenzt. Diese sind in Abbildung 7 zusammengestellt und werden im flgenden Text erläutert. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 9

10 Nutzer Wärmeübergabe, dezentrale Regelung und Heizkstenerfassung fühlbare Temperatur auch in der Übergangszeit garantierte Funktin der Heizkstenerfassung am Markt verfügbar kleinste Thermstatventile und deren Regelverhalten Ventilautrität und resultierendes Regelverhalten Wärmeübertragerkennwert der Heizflächen und resultierendes Regelverhalten Maximale praktikable Spreizung und Schnellaufheizung Wärmeverteilung Minimierung vn Hilfsenergien Minimierung der Verteilverluste Vrhandene Druckerhöhung im Netz und ableitbare Knsequenzen Wärmeerzeugung Temperaturbegrenzung bei Kesseln Mindestvlumenstrm bei Brennwertkesseln Temperaturbegrenzung bei Fernwärme Temperaturbegrenzung bei Wärmepumpen Abbildung 7 Einflüsse auf die Wahl des neuen Temperaturniveaus Einfluss des Nutzers: fühlbare Temperatur Die Wahl einer bestimmten Vrlauftemperatur wird im Mehrfamilienhaus durch das Nutzerempfinden beeinflusst. Auch bei höheren Außentemperaturen in der Übergangszeit sllte um Beschwerden der Bewhner vrzubeugen für den Nutzer "fühlbar" sein, dass die Heizung in Betrieb ist. Dazu müssen gewisse Mindestvrlauftemperaturen vrhanden sein. Setzt man bei etwa 12 C Außentemperatur vraus, dass die Vrlauftemperatur wenigstens 30 C erreicht, damit ein "Wärmeeindruck" entsteht, dann muss die Auslegungsvrlauftemperatur 65 C und mehr betragen. Dieses Kriterium findet im Einfamilienhausbereich weniger Anwendung, da die Nutzer in der Regel besser über ihre Heizungsanlage infrmiert sind. Einschränkungen durch die Heizkstenerfassung Auch die im Mehrfamilienhaus typischen installierten Heizkstenerfassungsgeräte können Anfrderungen an die Mindestvrlauftemperatur stellen. S sllte bei Einsatz vn knventinellen Verdunstern die mittlere Heizkörpertemperatur bei der Auslegung über C liegen. Für neuere elektrnische Ein- und Zweifühlergeräte ist ein Einsatz ab ca C mittlerer Heizkörpertemperatur bei Auslegungsbedingungen möglich. Die mittlere Heizkörpertemperatur wird vn den ursprünglichen Auslegungstemperaturen und dem Grad der Überdimensinierung der Heizkörper nach der Mdernisierung bestimmt. War die Heizung früher auf 70/50 C ausgelegt (mittlere Heizkörpertemperatur bei der Auslegung in erster Näherung 60 C), knnten Verdunster eingesetzt werden. Wenn die Raumheizlasten nach der Mdernisierung aber auf etwa die Hälfte sinken, dann sind mittlere Heizkörpertemperaturen vn etwa 40 C am Auslegungstag zu erwarten. Dieser Wert stellt sich unabhängig vn der Wahl der Vr- und Rücklauftemperatur ein, denn es handelt sich um den Mittelwert aus beiden (vgl. Auftragung in Abbildung 12). Es muss in diesem Fall über eine andere Abrechnungsart nachgedacht werden, z.b. die Umrüstung auf elektrnische Ein- der Zweifühlergeräte. Ventilautrität vn Thermstatventilen Die Ventilautrität a V eines Thermstatventils ist ein Maß für das Regelverhalten des Ventils im Zusammenspiel mit dem hydraulischen Netz. In Gleichung 4 ist die Definitin in zwei unterschiedlichen Schreibweisen wiedergegeben. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 10

11 av pthkv p = = THKV Gleichung 4 pverfügbar pthkv + pnetz Die Ventilautrität ist das Verhältnis vn Druckabfall über dem Thermstatventil p THKV zum maximal verfügbaren Druck p verfügbar. Der verfügbare Druck kann auch ausgedrückt werden als Summe des Druckabfalls über dem Ventil p THKV und über dem restlichen Netz p Netz. Fließt im Netz kein Wasser, d.h. es sind alle Thermstatventile geschlssen, liegt am Ventil der maximal verfügbare Druck an. Der maximal verfügbare Druck wird durch die Pumpe vrgegeben, ggf. auch durch einen eingesetzten Differenzdruckregler der ein Überströmventil. Der Druckabfall im Netz wird bestimmt durch Leitungslängen und Einbauten zwischen Pumpe und Ventil. Das Regelverhalten ist ums besser, je höher die Ventilautrität a V ist. Sie kann maximal 1,0 werden, wenn der Druckabfall im restlichen Netz vernachlässigbar klein ist. In diesem idealen Fall verhalten sich Ventilhub und der durch das Thermstatventil fließende Vlumenstrm prprtinal zueinander. Bei 50 % geschlssenem Ventil fließen nur nch 50 % des maximalen Vlumenstrms. Je kleiner die Ventilautrität a V wird, dest mehr weicht das Betriebsverhalten des Ventils vn der Linearität ab. Deutlich zu erkennen sind die Zusammenhänge in Abbildung 8, drt im I. Quadranten. Bei einem zu 50 % geschlssenen Ventil fließen bei der gezeichneten Ventilautrität immer nch 75 % des maximalen Vlumenstrms. Die merkliche Verminderung des Vlumenstrmes wird in den unteren Hubbereich verschben. In der Praxis hat sich bewährt, die Ventilautrität für den im Netz am hydraulisch ungünstigst gelegenen Heizkörper nicht kleiner als a V = 0,30 zu wählen. Hydraulisch ungünstig heißt: der Druckverlust in den Vr- und Rückleitungen ist für diesen Heizkörper am größten verglichen mit allen anderen Heizkörpern. Meist ergibt sich der höchste Druckverlust bei dem Heizkörper, der am weitesten vn der Pumpe entfernt ist, d. h. der die längste Leistungslänge aufweist. Alle anderen, hydraulisch günstiger gelegenen Heizkörper weisen dann bessere (größere) Ventilautritäten auf, weil die Netzdruckverluste kleiner sind, die Pumpendruckerhöhung aber gleich bleibt. Weitere Ausführungen flgen im nächsten Teil der Serie. Wärmeübertragerkennwert der Heizflächen Ebens wie das Regelverhalten eines Thermstatventils vn der Ventilautrität a V bestimmt wird, gibt es einen Kennwert für die Regelbarkeit der Heizflächen selbst. Dieser Kennwert ist der Wärmeübertragerkennwert a, der in Gleichung 5 definiert ist. ϑv,a ϑr,a a = Gleichung 5 ϑv,a ϑl Der Wärmeübertragerkennwert ist das Verhältnis der Temperaturspreizung zwischen Vr- und Rücklauf am kältesten Tag ϑ V,A - ϑ R,A zur Vrlaufübertemperatur ϑ V,A - ϑ L (ϑ L ist die Temperatur im Raum). Er wird - bei vrgegebener Übertemperatur des Heizkörpers - größer, wenn die Spreizung zunimmt. Das Regelverhalten der Heizfläche ist ums besser, je höher der Wärmeübertragerkennwert a ist. Er kann im besten Fall 1,0 betragen. In diesem idealen Fall verhalten sich der Vlumenstrm durch den Heizkörper und seine Leistungsabgabe prprtinal zueinander. Bei 50 % des fließenden Vlumenstrms wird nur nch 50 % der maximalen Leistung abgegeben. Je kleiner der Wärmeübertragerkennwert a wird, dest mehr weicht das Betriebsverhalten des Heizkörpers vn der Linearität ab. Auch dieser Zusammenhang ist Abbildung 8 dargestellt, drt im II. Quadranten. Dargestellt ist etwa eine Auslegung bei 90/70 C. Bei einer Reduzierung des Vlumenstrms auf 25 % des Auslegungswertes wird immer nch 50 % der maximalen Leistung abgegeben. Eine Verminderung der Leistungsabgabe erflgt erst bei sehr kleinen Vlumenströmen. Um eine einigermaßen gute Regelbarkeit zu gewährleisten, sllte der Wärmeübertragerkennwert a für den thermisch ungünstigsten Heizkörper s grß wie möglich sein, jedch nicht kleiner als 0,2. Thermisch ungünstig heißt, wie bereits eingangs erläutert: dieser Heizkörper benötigt die höchste Übertemperatur zur Deckung der Raumheizlast, weil er am wenigsten überdimensiniert ist. An die- Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 11

12 % % % % 0% % % % % sem Heizkörper ergibt sich eine ausreichen hhe Übertemperatur bei vrgegebener Vrlauftemperatur nur bei einer ebenfalls recht hhen Rücklauftemperatur. Die Spreizung zwischen beiden Werten ist gering und führt damit zu einem kleinen Wärmeübertragerkennwert. Alle anderen, thermisch günstigeren Heizkörper weisen eine größere Überdimensinierung auf. Hier werden geringere Übertemperaturen benötigt, es stellen sich niedrigere Rücklauftemperaturen ein. Die Wärmeübertragerkennwerte sind größer und damit besser als am thermisch ungünstigsten Heizkörper. Zusammenspiel Wärmeübertragerkennwert und Ventilautrität Das Zusammenspiel zwischen der Regelbarkeit des Ventils (Ventilautrität) und der Heizflächen (Wärmeübertragerkennwert) ist in der bereits mehrfach angesprchenen Abbildung 8 dargestellt. Auswirkung vn Wärmeübertragerkennlinie und Ventilautrität auf die Regelbarkeit der Raumtemperatur Vlumenstrm durch Heizkörper und THKV 100% ideal 75% Ventilautrität sinkt ideal Leistung des Heizkörpers II III Wärmeübertragerkennwert sinkt 50% 25% 25% 50% 75% 100% I IV Ventilhub (Öffnung) des Thermstatventils ideal Raumtemperatur Abbildung 8 Auswirkungen unterschiedlicher Ventilautritäten und unterschiedlicher Wärmeübertragerkennwerte auf die Regelbarkeit Das Bild zeigt in seinem IV. Quadranten den Zusammenhang zwischen dem Ventilhub und der sich einstellenden Raumtemperatur. Man sieht deutlich: weil im realen Betrieb weder für die Ventilautrität nch für den Wärmeübertragerkennwert die idealen (linearen) Kennlinien erreicht werden können, ergibt sich eine sehr stark durchgebgene (entartete) Kurve. Ein Schließen des Thermstatventils bewirkt zunächst fast keine Minderung der abgegebenen Heizleistung. Die Raumtemperatur ändert sich nicht wesentlich. Erst im unteren Viertel des Hubbereiches beginnt die eigentliche Regelung. Die Effekte der geringen Ventilautritäten und geringen Wärmeübertragerkennwerte können sich gegenseitig derart verstärken, dass praktisch nur nch eine Zweipunktregelung möglich ist. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 12

13 Verfügbarkeit vn Thermstatventilen Der hydraulische Abgleich, der zur Optimierung des Heizsystems unbedingt durchgeführt werden muss, bedingt den Einbau vn zusätzlichen Festwiderständen im Netz. Dazu werden an den Heizkörpern meist Thermstatventile mit Vreinstellung (= zusätzlicher Widerstand) eingesetzt. Darüber hinaus können auch einstellbare Rücklaufverschraubungen vrgesehen werden. In diesem Artikel sll nur auf die heute gebräuchlichste Lösung in Frm vn vreinstellbaren Thermstatventile (THKV) eingegangen werden und deren heutige Verfügbarkeit und Einsatzgrenzen näher erläutert werden. Die Wahl des Temperaturniveaus wird vn der Wahl der THKV entscheidend mitbestimmt. Auf die hydraulischen Zusammenhänge geht der 3. Teil der Serie näher ein. THKVs mit Vreinstellung sind in bestimmten Größen (DN) und Durchlasswerten - den k V -Werten - verfügbar. Der k V -Wert ist in Gleichung 6 definiert: k V 1 bar = V & THKV Gleichung 6 pthkv Der k V -Wert für den Auslegungsfall wird mit dem Vlumenstrm durch das Ventil und dem Druckabfall über dem Ventil im Auslegungszustand berechnet. Beide Werte hängen vn der Dimensinierung des Netzes ab. Die nötige Auslegungsleistung des Heizkörpers Q & HK, A wird durch die vrhandene Raumheizlast bestimmt. Damit liegen die mittlere Heizkörpertemperatur bzw. die Übertemperatur des Heizkörpers fest. Je nach Wahl der Vrlauftemperatur ϑ V,A ergibt sich smit eine bestimmte Rücklauftemperatur ϑ R,A und damit nach Gleichung 7 der Vlumenstrm V & THKV durch das Thermstatventil. Q V & & HK,A THKV = 1,17kWh/(m³K) ( ϑv,a ϑr,a ) Gleichung 7 Der Druckabfall über dem Thermstatventil p THKV wird durch das vrgeschaltete Netz und die Druckerhöhung der Pumpe bestimmt. Der Druck, den die Pumpe aufbaut, wird teilweise in den Vr- und Rücklaufleitungen (und allen vrhandenen Einbauten) bis zum Ventil aufgebraucht. Der verbleibende Rest muss durch das Ventil abgebaut werden. Auf den k V -Wert, den die Bedingungen für den Auslegungsfall vrgeben, muss das Ventil ausgelegt werden. Dazu werden Herstellerunterlagen - in Frm vn Tabellen der Diagrammen - herangezgen. Eine mögliche Darstellung zeigt Abbildung 9. Zur Auswahl eines Ventils mit einer bestimmten Vreinstellung wird nch eine andere Kenngröße benötigt: der P-Bereich. Dieser Wert gibt an, wie viel Grad Celsius (der Kelvin) Raumtemperaturerhöhung dazu führen, dass das Ventil vm Auslegungszustand (z.b. 20 C Raumtemperatur) ausgehend schließt. Ein P-Bereich vn 2 K bedeutet, dass bei 22 C Raumtemperatur das Ventil vll geschlssen ist. Ein grßer P-Bereich bedeutet für ein Ventil, dass es nicht s empfindlich auf Raumtemperaturerhöhungen reagiert und daher besser (d.h. hier mit geringerem Schwingverhalten und mit weniger Neigung zum Zweipunktverhalten) regelbar ist. Andererseits bedeutet ein hher P-Bereich auch, dass im Raum bei Fremdwärmeanfall (Snneneinstrahlung usw.) eine größere Abweichung vm Sllwert (20 C) vrhanden ist. Wie ben ausgeführt, würde das Ventil mit einem P-Bereich vn 2 K erst bei 22 C im Raum vll geschlssen sein. Diese erhöhte Temperatur ist energetisch ungünstig, weil die Verluste durch Lüftung und Transmissin dann höher sind, als nötig. Für die Auslegung vn Thermstatventilen werden - je nach Quelle - daher verschiedene Empfehlungen für die Wahl eines P-Bereiches gegeben: es hat sich swhl aus Gründen der Energieeinsparung als auch aus Gründen der Regelbarkeit als praktikabel erwiesen, den P-Bereich im Bereich vn 0,7 bis 2,0 K zu wählen. Die Verfügbarkeit vn Ventilen wird anhand eines Beispiels gezeigt. Drei Räume sllen hier exempla- Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 13

14 risch gegenübergestellt und jeweils ein Thermstatventil bzw. eine Vreinstellung gewählt werden. Die Randdaten der drei Räume sind s gewählt, dass sich für den k v -Wert der Thermstatventile zwei Extrema und ein mittlerer Wert ergeben. Raum 1 könnte ein kleineres Kinderzimmer in einem Niedrigenergiegebäude (30 W/m²) mit Brennwerttherme (hher Druckabfall über dem Ventil) sein. Bei Raum 3 kann es sich um ein kleineres Whnzimmer in einem älteren Mehrfamilienhaus (100 W/m²) handeln. Raum bezgene Heizlast, in [W/m²] Raumfläche, in [m²] Heizlast, in [W] Temperaturspreizung, in [K] Vlumenstrm, [m³/h] 0,010 0,041 0,092 Druckabfall über dem Ventil, in [mbar] k V, in [m²/h] 0,02 0,11 0,41 Die drei Ventile (bzw. deren Vreinstellung), die gewählt werden, sllen jeweils P-Bereiche vn 0,7...2,0 K aufweisen. Abbildung 9 zeigt ein Auslegungsdiagramm für ein herkömmliches vreinstellbares Thermstatventil. übliches vreinstellbares Thermstatventil 0,50 theretisch VE 6 (ffen) kv, in [m³/h] 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 abgestrebter Bereich für den P-Bereich Zielwert für Raum 3 VE 5 VE 4 0,15 0,10 Zielwert für Raum 2 VE 3 VE 2 0,05 0,00 Zielwert für Raum 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 P-Bereich, in [K] Abbildung 9 k v -Wert eines üblichen Ventils mit verschiedenen Vreinstellungen VE Im Bild sind die "Zielwerte" für den k v -Wert der einzelnen Räume als farbige waagerechte Linien eingetragen. Weiterhin ist der anzustrebende Bereich für den P-Bereich gekennzeichnet. Die gewählte Vreinstellung für das Ventil sllte sich swhl auf der Zielwertlinie für k v, als auch im anzustrebenden P-Bereich befinden. Für Raum 3 mit einem berechneten k V -Wert vn 0,41 m³/h kann das THKV hne Vreinstellung (VE 6) eingebaut werden. Es hat dann einen P-Bereich vn 1,5 K. Für Raum 2 müsste eine sehr hhe Vreinstellung (etwa VE 2,2) des THKV vrgenmmen werden. Die Regelbarkeit ist in diesem Fall bereits sehr schlecht, weil der stetige Regelbereich nur sehr klein ist. Verflgt man die Kurve VE 2 beginnend vm Nullpunkt, dann steigt die Kurve bis etwa zum P- Bereich vn 0,2 K fast prprtinal (linear) an. Bis etwa 0,5 K flacht sie im weiteren Verlauf stark ab, danach ist sie im Prinzip eine Waagerechte. Das bedeutet aber, dass das Ventil bereits bei einer Raumtemperaturerhöhung vn 0,5 K im Raum vll geschlssen ist. Es gibt praktisch nur ein Zweipunktverhalten. Für Raum 1 kann praktisch kein Ventil gewählt werden, weil die kleinste Vreinstellung des Ventils VE 1 Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 14

15 (VE 1) nch unterschritten werden müsste. Für die Anwendungsfälle 1 und 2, als Thermstatventile mit kleinen benötigten k V -Werten sllten besser vreinstellbare Feinstregulierventile verwendet werden. Ein typisches Herstellerdiagramm zeigt Abbildung 10. feinsteinstellbares Thermstatventil 0,50 theretisch VE 6 (ffen) kv, in [m³/h] 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 abgestrebter Bereich für den P-Bereich Zielwert für Raum 3 VE 4 0,15 0,10 0,05 0,00 Zielwert für Raum 2 Zielwert für Raum 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 P-Bereich, in [K] VE 5 VE 3 VE 2 VE 1 Abbildung 10 k v -Wert eines feinsteinstellbaren Thermstatventils mit verschiedenen Vreinstellungen VE Für den Raum 3 mit der grßen Heizlast und dem nötigen hhen k V -Wert vn 0,41 m³/h kann das feinsteinstellbare Ventil nicht eingesetzt werden, es ist zu klein für diesen Anwendungsfall. Der "Zielwert" vn k V wird erst bei vll ffenem Ventil erst bei einem P-Bereich vn 2,7 K erreicht. Dieser Wert liegt außerhalb des anzustrebenden P-Bereichs. Für Raum 2 mit mittleren Auslegungsdaten wäre das feinsteinstellbare Ventil einsetzbar. Die Vreinstellungen 4 der 5 könnten gewählt werden. Es würden sich zugehörige P-Bereiche vn etwa 0,75 K bzw. 1,7 K ergeben. Für Raum 1 müsste die größte Vreinstellung (VE 1) gewählt werden, um den sehr kleinen nötigen k V - Wert zu erreichen. Der zugehörige P-Bereich kann nicht angegeben werden. Das Ventil ist praktisch entweder vll auf (unterhalb ca. 20 C) der ganz geschlssen (berhalb ca. 20,3 C). Eine stetige (prprtinale) Regelung erflgt als nur im P-Bereich vn 0 bis 0,3 K. Das Regelverhalten ähnelt auch hier dem einer Zweipunktregelung. Die Einsatzgrenze der heute verfügbaren vreinstellbaren Ventile liegt als bei einem minimalen k V -Wert vn 0,02 m³/h. Nch kleinere Ventile sind nicht verfügbar bzw. nch kleinere k V -Werte sind nicht einstellbar. Das Regelverhalten ist aber nur bei k V -Werten berhalb vn 0,15 m³/h und bei Einsatz vn feinsteinstellbaren Ventilen einigermaßen prprtinal. Die begrenzte Verfügbarkeit vn vreinstellbaren THKV mit ausreichend kleinen k V -Werten limitiert s die Auswahl beliebig grßer Spreizungen. Die Wahl der Vrlauftemperatur richtet sich als auch nach dem k V -Wert. Im Netz sllten daher möglichst nicht zu kleine Vlumenströme fließen, und der Druckabfall über dem Ventil sllte nicht zu hch sein. Letzteres lässt sich bei Einsatz vn Wandkesseln mit kleinem Wasserinhalt jedch ftmals nicht vermeiden, siehe Erläuterungen im nächsten Teil des Artikels. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 15

16 Schaut man sich die Randbedingungen für Raum 1 und 2 an, ist klar: hier handelt es sich um typische Räume im Niedrigenergiegebäude der gut sanierten Bestand. Die Prbleme der hhen Vreinstellungen und der dadurch bedingten recht schlechten Regelbarkeit sind als kein Einzelfall. Thermstatventile mit niedrigeren Einsatzgrenzen sind gefragt! An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass es slche Thermstatventile schn am Markt gibt. Es handelt sich hierbei nicht um vreinstellbare Thermstatventile, sndern um Thermstatventile mit austauschbaren Ventilkegeln (k V -Kegeln). Jeder Kegel hat einen anderen Durchflusswert; der passende Kegel kann je nach Bedarf in das Ventil eingesetzt werden. Ein Herstellerdiagramm zeigt Abbildung 11. Thermstatventil mit austauschbaren k V -Kegeln 0,50 Einsatz 6 kv, in [m³/h] 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 abgestrebter Bereich für den P-Bereich Zielwert für Raum 3 Einsatz 5 Einsatz 4 0,15 0,10 0,05 0,00 Zielwert für Raum 2 Zielwert für Raum 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 P-Bereich, in [K] Abbildung 11 k v -Wert eines Thermstatventils mit austauschbaren k V -Kegeln Einsatz 3 Einsatz 2 Einsatz 1 Ein deutlich erkennbarer Unterschied zu den vreinstellbaren Ventilen ist der sehr prprtinale Verlauf aller sechs Kennlinien (jede für einen der 6 verschiedenen Einsätze) im kmpletten Bereich bis zur üblichen Einsatzgrenze eines P-Bereiches vn 2 K. Im Beispiel könnte dieses (kleinste verfügbare) Thermstatventil für den Raum 3 mit dem Ventilkegel 6 eingesetzt werden. Ein P-Bereich vn etwa 1,8 K ergäbe sich. Für Raum 2 könnten die Einsätze 3, 4 der 5 gewählt werden. Jeder würde zu einem anderen P-Bereich führen. Sinnvll wäre sicher der mittlere Einsatz Nr. 4 mit einem P-Bereich vn etwa 1,2 K. Auch für Raum 1 mit der geringen Heizlast ließe sich ein Kegel finden: Einsatz Nr. 1 führt immerhin nch zu einem P-Bereich vn 0,7 K. Die gute Regelbarkeit sei hier am Beispiel des Raumes 2 nch erläutert. Der P-Bereich beträgt bei Auslegung (Einsatz 4) 1,2 K. Das bedeutet: wenn die Temperatur im Raum 20 C beträgt, ist das Ventil ganz geschlssen. Steigt sie auf 20,6 C ist es halb und bei 21,2 C vll geschlssen. Der Schließverlauf hängt als recht linear vn der Raumtemperatur ab. Die Einschränkung der minimalen Einsatzgrenze auf einen k V -Wert vn 0,02 m³/h kann auch für Thermstatventile mit austauschbaren Ventilkegeln aufrechterhalten werden. Unterhalb dieses Wertes lassen sich keine einsetzbaren Kegel mehr finden. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 16

17 Maximale Spreizung Bei der Wahl des Auslegungstemperaturniveaus sllte darauf geachtet werden, dass die Spreizung zwischen Vrlauf- und Gesamtrücklauftemperatur im Netz nicht mehr als 25 Kelvin beträgt. Die Spreizung an den thermisch ungünstigen Heizkörpern im Netz ist dabei kleiner als 25 K, an thermisch günstigen Heizkörpern stellt sich eine höhere Spreizung ein. Es werden dadurch nicht allzu "extische" Temperaturniveaus nach der Optimierung zustande kmmen. Die Begrenzung stellt außerdem sicher, dass die Ttzeiten im Netz - wegen sehr geringer Vlumenströme - nicht zu hch werden und die Temperaturschichtung in den Heizkörpern für den Nutzer akzeptabel ist. Der Extremfall, dass die Spreizung vn 25 K im Netz wirklich erreicht wird, tritt nur sehr selten ein. Oft kann die maximale Spreizung gar nicht gewählt werden, weil für die resultierenden sehr kleinen Vlumenströme (und der daraus resultierenden kleinen k V -Werte) keine Thermstatventile mehr gefunden werden können. Minimierung der Verteilverluste Eine Frderung bei der Wahl des Temperaturniveaus (Übertemperatur) kann zusätzlich sein, die Verteilverluste des Heizungsnetzes gering zu halten. Hierzu könnte das Temperaturniveau insgesamt herabgesenkt werden. Dieser Ansatz ist bei der nachträglichen Optimierung einer bestehenden Anlage nicht zielführend. Niedrigere Übertemperaturen lassen sich in ein und demselben Gebäude nur mit größeren Heizflächen erreichen. Weil die Heizkörpergrößen festliegen, ist auch die ntwendige Übertemperatur für jeden Heizkörper bestimmt. Zu jeder Übertemperatur gehören Paare vn Vr- und Rücklauftemperatur, deren Mittelwert etwa immer gleich ist. Diese Tatsachen wurden bereits erläutert. Wählt man als geringere Vrlauftemperaturen, um die Wärmeverluste der Vrlaufleitungen zu vermindern, dann stellen sich wärmere Rücklauftemperaturen ein und die Wärmeverluste der Rücklaufleitungen steigen. Hier kann nicht - jedenfalls nicht durch geschickte Wahl eines Temperaturniveaus - ptimiert werden. Minimierung der Hilfsenergien Zur Verminderung der Antriebsenergie der Umwälzpumpe sllten möglichst kleine Vlumenströme im Netz umgewälzt werden. Diese sind an hhe Temperaturspreizungen geknüpft. Hhe Spreizungen erhält man immer dann, wenn der Wärmeübertragerkennwert hch ist. Beide Werte sind aneinander gekppelt. Da der Wärmeübertragerkennwert s grß wie möglich gewählt werden sll, stellt sich autmatisch die geringste Hilfsenergie ein. Temperaturbegrenzungen bei Kesseln Kessel stellen je nach Typ verschiedene Anfrderungen an die Vr- und Rücklauftemperaturen des Netzes, die bei der Optimierung beachtet werden müssen. Eine minimale, nicht zu unterschreitende Rücklauftemperatur muss z. B. bei Standardkesseln eingehalten werden, damit es nicht zur Kndensatin im Kessel kmmt. Eine niedrige mittlere Heizwassertemperatur vermindert die Kesselverluste (erhöht den Nutzungsgrad) bei Niedertemperaturkessel und steigert den Brennwerteffekt für zwangsdurchströmte Brennwertthermen. Für (bdenstehende) Brennwertkessel sllten geringe Rücklauftemperaturen zur Erhöhung der Brennwertnutzung erreicht werden. Diese Bedingung ist bereits autmatisch erfüllt, wenn für die Heizkörper hhe Wärmeübertragerkennwerte gewählt werden, denn die Kennwerte sind aneinander gekppelt. Mindestvlumenstrm bei Kesseln Für zwangsdurchströmte Brennwertthermen mit kleinen Wasserinhalten ( V / Q& Kessel Kessel < 1...1, 5 l/kw) muss in der Regel ein Kesselmindestvlumenstrm während der Brennerlaufzeiten eingehalten werden, damit es nicht zur Überhitzung der Geräte kmmt. In der Regel geben die Hersteller diesen Mindestvlumenstrm nicht explizit an. Er hängt vn der Temperatur, mit der das Wasser in den Kessel eintritt, der maximal erlaubten Temperatur im Kessel, der eingestellten Kesselleistung und dem im Kessel gespeicherten Wasservlumen ab. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 17

18 Da der Wert i. d. R. unbekannt ist, und - sfern er dch bekannt ist - nicht prblemls auf jede Betriebsbedingung umgerechnet werden kann, wird er bei der Optimierung des Temperaturniveaus nicht berücksichtigt. Begründet wird diese pragmatische Vrgehensweise durch die Tatsache, dass bei Einsatz slcher Geräte prinzipiell immer eine Einrichtung zur Sicherstellung des Vlumenstrms werksseitig vrhanden ist (internes Überströmventil) der der Einbau vm Hersteller dringend empfhlen wird (externes Überströmventil, hydraulische Weiche, Dreiwege-Thermstatventil). Die sich ergebenden negativen Knsequenzen, z. B. verminderter Brennwertnutzen durch zu hhe Rücklauftemperaturen (hier sind nicht die Rücklauftemperaturen der Heizkörper gemeint, sndern die erhöhten Rücklauftemperaturen durch ein Überströmen vn Vrlaufwasser in den Rücklauf), lassen sich nur schwerlich durch die krrekte Wahl eines Temperaturniveaus beseitigen. Temperaturbegrenzungen bei Fernwärme und Wärmepumpen Bei Gebäuden, die an Fernwärmenetze angeschlssen sind, stellen die primärseitig vrhandenen Temperaturen Anfrderungen an die Wahl der sekundärseitigen Vrlauftemperatur bzw. die sich ergebende Rücklauftemperatur. Die Auslegungsvrlauftemperatur für das sekundäre Heiznetz muss unterhalb der primär vrhandenen Temperatur liegen - incl. eines Abschlages für den ggf. zwischengeschalteten Wärmeübertrager. Gleiches gilt für die Auslegungsrücklauftemperatur, weil die Fernwärmeversrger in der Regel eine maximale, nicht zu überschreitende Rücklauftemperatur für ihr Netz vrschreiben. In Systemen mit Wärmepumpen sllten die Vrlauftemperaturen bzw. auch die mittleren Heizwassertemperaturen niedrig sein, um gute Arbeitszahlen zu gewährleisten. Wahl eines Temperaturniveaus Unter Berücksichtigung aller Randbedingungen kann für ein gegebenes Gebäude der Bereich eingegrenzt werden, in dem das ptimale Temperaturniveau liegt. Verdeutlicht werden sll dies an zwei Beispielen. Das erste Beispiel sei ein Mehrfamilienhaus mit Kessel (maximale Vrlauftemperatur) und Heizkstenverteilern (Verdunster). Aufgrund der vrhandenen Raumheizlasten und der installierten Heizkörper können für jeden Raum Paare vn möglichen Vr- und Rücklauftemperaturen für den Auslegungsfall bestimmt werden. Sämtliche vrher genannten Randbedingungen für das Temperaturniveau werden für alle Heizkörper im Netz nach einem einheitlichen Schema geprüft. Die ptimale Temperaturpaarung ist schließlich die, bei der für alle Heizkörper die genannten Bedingungen erfüllt sind. Findet sich dabei kein Temperaturniveau, kann z. B. ein Wertanalyseverfahren angewendet werden. Dazu mehr im 4. Teil der Serie. Der Übersicht halber ist die Vrgehensweise nur für einen knkreten Heizkörper des MFH - nicht das ganze Gebäude - in Abbildung 12 erläutert. Mögliche Temperaturniveaus im MFH mit Kessel (beispielhaft) Vr- und Rücklauftemperatur, in [ C] zu geringe Temperatur bei Heizgrenze zu geringer Wärmeübertragerkennwert zu hhe Spreizung im System zu kleine kv-werte der Thermstatventile zu hhe Kessetemperatur Vrlauftemperatur Rücklauftemperatur Spreizung, in [K] Abbildung 12 MFH mit Kessel Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 18

19 Der weiße Bereich in der Mitte zeigt die Temperaturen, auf die das Netz auslegt werden kann, um alle Randbedingungen zu erfüllen. Die farbig markierten Bereiche werden im Flgenden erläutert. Aus den möglichen Wertepaaren für Vr- und Rücklauftemperatur fallen all jene heraus, bei denen die Vrlauftemperatur über 75 C liegt, denn der Kessel kann diese Temperatur nicht erreichen. Weiterhin ergeben sich für alle Wertepaare mit Vrlauftemperaturen berhalb vn 72 C sehr hhe Spreizungen an den einzelnen Heizkörpern und damit sehr geringe Vlumenströme. Erst unterhalb vn 72 C Vrlauftemperatur werden an allen Heizkörpern vernünftige k V -Wert für die Thermstatventile erreicht. Nur diese Vrlauftemperaturen kmmen daher für das Netz in Betracht. Vrlauftemperaturen berhalb 69 C führen für das Netz zu einer mittleren Systemspreizung - berhalb 30 K (für den Heizkörper aus Abbildung 12 ergibt sich eine Spreizung vn 28 K). Um die Ttzeiten im Netz und die Temperaturschichtung in den Heizkörpern nicht zu hch werden zu lassen, werden diese Vrlauftemperaturen nicht gewählt. Bei Auslegungen unterhalb 58 C Vrlauftemperatur ergeben sich zu kleine Wärmeübertragerkennwerte für die Heizflächen. Sie sllten nicht gewählt werden. Strenger limitiert wird diese Bedingung nch durch die Nutzeranfrderungen. Vrlauftemperaturen unter 65 C werden nicht gewählt, damit sich in den Übergangsjahreszeiten nch fühlbar warme Heizkörper ergeben. Die Heizkstenverteiler können an allen Heizkörpern weiterverwendet werden, denn die mittlere Heizkörpertemperatur liegt für alle Heizkörper berhalb vn etwa bei 55 C unabhängig vn der Spreizung. Damit ergibt sich für das Netz ein möglicher Auslegungsbereich der Temperaturen zwischen 65/45 C und 69/40 C. Für ein Einfamilienhaus mit Wärmepumpe sind die geschilderten Zusammenhänge in Abbildung 13 wiedergegeben. Mögliche Temperaturniveaus im EFH mit Wärmepumpe (beispielhaft) Vr- und Rücklauftemperatur, in [ C] zu geringer Wärmeübertragerkennwert zu kleine kv-werte der Thermstatventile zu hhe Vrlauftemparatur für die Wärmepumpe Vrlauftemperatur Rücklauftemperatur zu hhe Spreizung im System Spreizung, in [K] Abbildung 13 Beispiel EFH mit Wärmepumpe Damit sich gut regelbare Thermstatventile der Heizflächen ergeben, die Leistungsziffer der Wärmepumpe nicht zu schlecht wird und auch keine zu hhen Spreizungen im Netz auftreten, wird der ptimale Bereich in diesem Fall auf ca C Auslegungsvrlauftemperatur bei ca C krrespndierender Rücklauftemperatur eingeschränkt. Weiteres Vrgehen Mit den Fragen, wie Rhrnetz und Pumpe ptimiert werden können und wie eine Anlagenptimierung preisgünstig, d.h. vr allem mit möglichst geringem Zeitaufwand mit Sftwareunterstützung in die Praxis umgesetzt werden kann beschäftigen sich die späteren Teile der Serie. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 19

20 Teil 3: Optimierung der Hydraulik Die vrangegangenen Teile haben die Ntwendigkeit der Optimierung vn Heizungsanlagen im Gebäudebestand verdeutlicht und die Wahl eines angepassten Temperaturniveaus beschrieben. Nachdem die Vrlauftemperatur für das Netz sinnvll festgelegt ist und auch die sich einstellenden Rücklauftemperaturen für die einzelnen Heizkörper bekannt sind, beschäftigt sich dieser Artikel mit hydraulischen Fragestellungen. Die vrhandene Anlage sll - anhand der Randdaten einer Vr-Ort- Aufnahme - hydraulisch abgeglichen werden. Dazu müssen die Pumpförderhöhe überprüft und ggf. angepasst und Thermstatventile ggf. ausgewählt und deren Einstellwerte ermittelt werden. Hydraulischer Abgleich: Definitin und Nutzen Unter Hydraulischem Abgleich vn Heizungsanlagen versteht man das Einbringen definierter Festwiderstände in das Rhrnetz mit dem Ziel, jeden Verbraucher mit dem geplanten Vlumenstrm zu versrgen. Die Festwiderstände müssen dazu dezentral in der Anbindeleitung (Vr- der Rücklauf) eines Verbrauchers mit eigener Einrichtung zur Einzelraumregelung (z. B. THKV) angerdnet werden. Es kann sich um die Vreinstellung vn Thermstatventilen, einstellbare Rücklaufverschraubungen der snstige Einstelldrsseln handeln. Zentrale Festwiderstände, die den Vlumenstrm für mehrere angeschlssene Verbraucher begrenzen (z. B. Strangregulierventile), bewirken keinen Abgleich dieser Verbraucher untereinander. Der Einstellwert (k V -Wert) - besser der ntwendige Druckverlust - für jeden der Festwiderstände muss aus einer Rhrnetzberechnung ermittelt werden. Das Vrgehen im Neubau und Bestand hne aufgenmmenes Rhrnetz wird unten beschrieben. Wird kein Hydraulischer Abgleich vrgenmmen, verschieben sich die hydraulischen - und damit die thermischen - Verhältnisse in der Anlage. Für das umgewälzte Heizungswasser wirken nahe der Pumpe gelegene Heizkörper hne definierten Festwiderstand wie Kurzschlüsse. Die pumpennahen Heizkörper werden überversrgt, entfernt liegende unterversrgt der gerade ausreichend versrgt (Bild 1). a b Abbildung 14 Heizungsanlage hne (a) und mit (b) hydraulischem Abgleich Flgen eines nicht durchgeführten hydraulischen Abgleichs sind unter anderem: Erhöhte elektrische Leistungsaufnahme der Pumpe. Geräuschprbleme, wenn die ntwendige Pumpenförderhöhe sehr grß wird, um auch die entferntesten Verbraucher zu versrgen. Die Thermstatventile an pumpennahen Heizkörper müssen dann sehr stark drsseln, um nur einen geringen Teil des angebtenen Vlumenstrms durch den Heizkörper fließen zu lassen. Durch die starke Überversrgung einzelner Heizkörper ist deren Regelfähigkeit eingeschränkt. Da die Thermstatventile schn im Auslegungszustand fast geschlssen sind, können sie auf Fremdwärme kaum reagieren. Es kmmt zu einem Zweipunktregelverhalten. Öffnen die Thermstatventile z. B. nach einer Absenkphase, s ist der Durchfluss durch die pumpennahen Heizkörper praktisch kaum begrenzt. Sie bilden einen Kurzschluss bis die entsprechenden Räume aufgeheizt sind. An den pumpenfernen Heizkörpern wird gleichzeitig der Durchfluss gemindert. Die Wiederaufheizung erflgt stark ungleichmäßig. Optimierung vn Heizungsanlagen Jagnw/Halper/Timm/Sbirey Seite 20

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