Kapitel 8: Hydraulische Einbindung

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1 Kapitel 8: Hydraulische Einbindung Inhaltsverzeichnis 8. Hydraulische Einbindung Allgemeines Aufbau hydraulischer Netzwerke Grundlegende Verteilervarianten Verbraucherschaltungen Grundlegendes Mengenvariable Schaltungen Mengenkonstante Schaltungen Zusammenfassung der Schaltungseigenschaften Zusammenfassung der Einsatzgebiete Pufferspeicher Dimensionierung eines Pufferspeichers Integration eines Pufferspeichers Einbindung einer Solaranlage Quellen 23

2 Hydraulische Einbindung 8. Hydraulische Einbindung Die Einbindung eines Biomasse-Heizkessels erfordert prinzipiell keine speziellen Maßnahmen auf Seite der Hydraulik. Für das Wärmeverwertungssystem ist die Art und Weise wie Wärme bereitgestellt wird nicht von herausragender Bedeutung. Im Umkehrschluss bedeutet dies auch, dass die Auslegung der Anlage allgemein nach Gesichtspunkten des hydraulischen Abgleichs 1, geeigneter Ventilautoritäten 2 etc. stattfinden soll. Eine Ausnahme bilden allerdings die scheitholzbefeuerten Kessel. Da diese Kessel nicht regulierbar sind 3, muss zwingend eine Wärmeabnahme erfolgen, da zum Zeitpunkt des Abbrandes nicht sichergestellt ist, dass die gesamte erzeugte Leistung auch direkt verbraucht wird. Um eine etwaige Überproduktion an Wärme abzufangen ist ein Pufferspeicher im hydraulischen Netz vorzusehen. Wie auch bei anderen Kesseln ist ebenfalls bei Biomassekesseln eine Rücklaufanhebung vorzusehen, so sie nicht bereits vom Hersteller integriert wurde. Sie dient zur Vermeidung übermäßiger Korrosion im Bereich der Wärmetauscherflächen auf der Abgasseite. Als empfehlenswerte Literatur zum Thema Hydraulik in Gebäudeanlagen sei auf das Werk Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 2005/06 von H. Recknagel, erschienen im Oldenburg Industrieverlag 4, verwiesen. 8.1 Allgemeines Die nachfolgenden Beschreibungen von Hydrauliknetzwerken im Allgemeinen und Grundschaltungen der Hydraulik in der Gebäudetechnik im Speziellen beziehen sich im Wesentlichen auf die VDI-Richtlinie VDI In Tabelle 1 sind die in diesem Kapitel verwendeten graphischen Symbole zur Veranschaulichung der Schaltungsvarianten angeführt. 1 Der hydraulische Abgleich bezeichnet die Abstimmung hinsichtlich des Druckverlustes mehrerer Heizkreise untereinander bzw. mehrere Heizkörper in einem Heizkreis. Er bewirkt, dass durch jeden Heizkreis (bzw. Heizkörper) der gleiche (bzw. gewünschte) Massenstrom fließt. 2 Die Ventilautorität beschreibt das Verhältnis von Druckverlust über das Ventil zum Druckverlust über das gesamte hydraulische Netzwerk. Sie gibt somit an wie gut das Ventil greift (zum Regeln verwendet werden kann). 3 Ist das Scheitholzfeuer einmal entfacht, kann es nicht wie z.b. bei Pelletskesseln durch eine geringere Brennstoffzufuhr geregelt werden. 4 Neue Auflagen erscheinen in regelmäßigen Abständen Seite 2

3 Hydrauliknetzwerke Rücklauf motorbetriebenes Ventil Vorlauf Pumpe Fixer Durchfluss Verbraucher Variabler Durchfluss Motorbetriebenes 3- Wege-Ventil Verteiler Pufferspeicher Erzeuger Tabelle 1: graphische Symbole In den nachfolgenden Abbildungen der Grundschaltungen finden sich jeweils zwei Schaltungszustände. Die linke Zeichnung beschreibt immer den Zustand mit geschlossenem Regelventil, während hingegen die rechte Zeichnung ein komplett offenes Regelventil beinhaltet. Die weißen Pfeile im Vor- und Rücklauf symbolisieren die Hauptströmungsrichtung des Heizmediums (siehe Kapitel 8.4). In den Erklärungstexten zu den einzelnen Schaltungen mit Bypass ist von Primär- und Sekundärseite die Rede. Die Primärseite meint in diesen Ausführungen die dem Verteiler nähere, linke Seite der Schaltung, während hingegen die Sekundärseite den Teil rechts vom Bypass bezeichnet. 8.2 Aufbau hydraulischer Netzwerke In hydraulischen Netzen werden prinzipiell unterschiedliche Funktionen erfüllt. Am Beispiel der Wärmebereitstellung wird die notwendige Energie erzeugt, verteilt und verbraucht. Dementsprechend unterscheidet man drei Bereiche in einem Rohrnetzwerk (siehe Abbildung 1), die jeweils spezifischen Aufgaben übernehmen: - Erzeuger - Verteiler - Verbraucher Seite 3

4 Hydraulische Einbindung Abbildung 1: Grundsätzlicher Aufbau eines hydraulischen Netzes Es ergeben sich naturgemäß gewisse Forderungen an die einzelnen Bereiche des gesamten Netzwerkes: Erzeuger - Volumenstrom, sowie Vor- und Rücklauftemperatur müssen den Erzeugerforderungen entsprechen - Möglichst lange Erzeuger-Laufzeiten sind wünschenswert um häufiges Hoch- und Niederfahren zu verhindern (Verbesserung des Jahresnutzungsgrades) - Erzeugerbetrieb muss unabhängig von Übergabezwängen (Wärmeabnahme) möglich sein Verteiler - Fungiert als Bindeglied zwischen Erzeuger und Verbraucher - Verbraucherschaltungen mit gleichem oder ähnlichem Verhalten sollen an einem Verteiler angeschlossen werden Verbraucher - Anpassungsfähigkeit an Leistungsforderung ist zwingend notwendig - Die Verbraucherschaltungen müssen zum Verteiler passen oder umgekehrt (mit oder ohne Differenzdruck) Seite 4

5 Hydrauliknetzwerke 8.3 Grundlegende Verteilervarianten Bei hydraulischen Verteilern wird zwischen Varianten mit oder ohne Hauptpumpe unterschieden. Das Vorhandensein einer Hauptpumpe im Vorlauf bringt mit sich, dass, sofern keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden, ein Differenzdruck zwischen Vorund Rücklauf am Erzeuger anliegt. Ist eine derartige Pumpe nicht in das Verteilsystem integriert, dann wird der Verteiler als drucklos angesehen 5. Eine weitere, dritte Variante ist der Verteiler mit Hauptpumpe und hydraulischer Weiche vor den Verbraucherschaltungen. Diese hydraulische Weiche stellt einen Bypass dar und bewirkt, dass der Verteiler differenzdruckarm arbeitet. Differenzdrucklose Verteiler oder Anschlüsse kommen überwiegend in kleineren Heizungsanlagen zum Einsatz. Sie haben den Vorteil, dass trotz schwankender Bedingungen auf der Erzeugerseite konstante Verhältnisse auf der Verbraucherseite herrschen. Einen Überblick über die Eigenschaften und Einsatzgebiete der beschriebenen Verteilertypen gibt die Tabelle 2. Hauptpumpe OHNE MIT Bypass OHNE OHNE MIT Druckverhältnis Pumpenregelung Volumenstrom über Erzeuger Rücklauftemperatur zu Erzeuger Geeignete Schaltungen Drucklos Druckbehaftet Druckarm - Drehzahl ungeregelt ungeregelt variabel variabel konstant konstant tief tief hoch hoch Ladekreis Beimischschaltung Zonenregelung Drosselschaltung Umlenkschaltung Einspritzschaltung Zonenregelung Drosselschaltung Umlenkschaltung Einspritzschaltung Ladekreis Beimischschaltung Einspritzschaltung* * eine weitere Pumpe muss dafür im Vorlauf vor dem Regelventil einsetzt werden Tabelle 2: Übersicht über Verteilertypen, deren Eigenschaften und Einsatzgebiete [ i ] 5 geringe Vorwiderstände treten lediglich aufgrund der Strömungswiderstände in den Leitungen auf Seite 5

6 Hydraulische Einbindung Eine Erklärung zu den Funktionsweisen der einzelnen Schaltungen gibt nachfolgendes Kapitel Verbraucherschaltungen Grundlegendes Die Leistung an einem Verbraucher oder Erzeuger berechnet sich nach folgender Überlegung: Q * * = V T c p ρ Hierin bedeuten: * Q * V c p ρ Leistung Volumenstrom spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck Dichte T Temperaturdifferenz über Erzeuger oder Verbraucher Für weiterführende Betrachtungen kann die spezifische Wärmekapazität c p und die Dichte ρ als konstant über den geschlossenen Hydraulikkreislauf angesehen werden, was zu einer Vereinfachung des oben gezeigten Zusammenhanges führt. Es gilt: * Q V T * Dies bedeutet, dass sich die Leistung proportional zum Volumenstrom bzw. zur Temperaturdifferenz verhält und zeigt die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Leistung über einen Verbraucher auf. Sowohl eine Variation des Volumenstroms, als auch eine Änderung der Temperaturdifferenz führt zu einer Änderung der Leistung. Dementsprechend ergeben sich zwei Gruppen von Schaltungen 6 : - Mengenvariable Schaltungen (Variation des Volumenstroms) - Mengenkonstante Schaltungen (Variation der Temperaturdifferenz) 6 Alternativ zu dieser Einteilungsmethode kann auch das Verteilnetz zur Kategorisierung herangezogen werden. Je nachdem ob auf dieser Ebene ein Differenzdruck zwischen Vorund Rücklauf anliegt erfolgt die Unterteilung in differenzdruckbehaftete oder differenzdruckfreie Anschlüsse. Seite 6

7 Hydrauliknetzwerke Mengenvariable Schaltungen Drosselschaltung Die Variation der Leistung erfolgt bei dieser Schaltung rein über die Stellung des Ventils im Vorlauf 7. Daraus resultiert eine Beeinflussung des Volumenstroms im gesamten Kreis und somit auch im Verbraucher. Die hier im Vorlauf eingezeichnete Pumpe symbolisiert, dass entweder der Verteiler mit einer Hauptpumpe ausgestattet sein muss oder die Pumpe tatsächlich wie in Abbildung 2 in die Schaltung zu verbauen ist. Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 2: Drosselschaltung Die Drosselschaltung zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: - Tiefe Rücklauftemperatur bei Teillast - Langsame Fließgeschwindigkeit bei Teillast - Variabler Volumenstrom im gesamten Kreis - Zonenventil mit richtiger Autorität auslegen! - Verteiler muss differenzdruckbehaftet sein (oder Pumpe in der Schaltung!) Aufgrund der tiefen Rücklauftemperatur ergeben sich folgende Anwendungsgebiete: - Fernwärme - Brennwertkessel - Anbindung an Pufferspeicher - Zonenregelung bei Radiator- und Fußbodenheizungssystem Bei mehreren Drosselschaltungen im Rohrnetzwerk verschiebt sich durch die Hubänderung am Ventil und der daraus resultierenden Druckänderung der Arbeitspunkt 7 Das Ventil muss nicht zwingend im Vorlauf montiert werden. Die gewünschten Effekte stellen sich bei einer Montage im Rücklauf ebenso ein. Seite 7

8 Hydraulische Einbindung für die Pumpe, was eine Änderung des Energiebedarfs bedeutet. Die auftretende Differenzdruckänderung führt zu einer Beeinflussung der einzelnen Verbraucher. Umlenkschaltung Bei dieser Schaltung handelt es sich im Prinzip um eine Erweiterung bzw. Abwandlung der Drosselschaltung. Die Leistung wird wieder über den Volumenstrom reguliert, mit dem Unterschied, dass der Wassermengenstrom primärseitig konstant gehalten wird. Über das hier im Rücklauf integrierte Dreiwegeventil wird bei Bedarf ein Teil des Vorlaufes direkt in den Rücklauf umgelenkt, was zu einer Reduktion des Volumenstroms im Verbraucher führt. Auch hier steht die Pumpe entweder für einen differenzdruckbehafteten Verteiler oder für eine tatsächliche Pumpe im Schaltungskreis. Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 3: Umlenkschaltung Folgende Merkmale: - Keine leistungsgeregelte Pumpe notwendig, da Volumenstrom im Primärkreislauf konstant - Immer maximale Temperatur des Primärkreislaufes am Verbraucher - Im Teillastbetrieb Anhebung der Rücklauftemperatur - Schnelle Verfügbarkeit des heißen Primärmediums am Verbraucher Anwendungsgebiete: - Luftheizregister 8 - Zonenregelung 9 8 Vorrichtung zum Erhitzen von Luft. Wird oft in Passivhäusern eingesetzt 9 Zonenregelungen übernehmen die Feinregelung der Temperaturen in den einzelnen Räumen (Zonen) eines Gebäudes Seite 8

9 Hydrauliknetzwerke Mengenkonstante Schaltungen Beimischschaltung Einfache Beimischschaltung Diese Schaltung arbeitet mit einer konstanten Strömung im Sekundärkreislauf (siehe Abbildung 4) und reguliert die Leistung über die Vorlauftemperatur. Bei einer Absenkung der Leistungsanforderung wird über das Dreiwegeventil ein Teil des Rücklaufs zum Vorlauf gemischt und so eine niedrigere Temperaturdifferenz über den Verbraucher erreicht. Da diese Schaltung sehr leicht zu realisieren ist erfreut sie sich großer Beliebtheit und ist am Weitesten verbreitet. Es ist kein Differenzdruck auf der Verteilerseite erlaubt, was eine Pumpe im Sekundärkreislauf bedingt. Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 4: Beimischschaltung Eigenschaften: - Gute Regelfähigkeit durch konstanten Volumenstrom im Sekundärkreis - Das Temperaturniveau ist primär- und sekundärseitig annähernd gleich. Daraus folgt, dass mit dieser Schaltung keine Koppelung eines Niedertemperatursystems an ein Hochtemperatursystem realisiert werden kann. Anwendungen: - Heizkörpersysteme (Standardschaltung für Heizkörper) - Luftheizregister Seite 9

10 Hydraulische Einbindung Beimischschaltung mit fixer Vormischung Als Variante der Beimischschaltung kommt auch die sog. Doppelte Beimischung oder auch Beimischung mit fixer (fester) Beimischung zum Einsatz. Bei dieser Schaltung wird ein fixer Bypass in den Sekundärkreislauf verbaut. Auf diese Art können unterschiedliche Temperaturniveaus im Primär- und Sekundärkreislauf realisiert werden. Unabhängig von der Stellung des Dreiwegeventils wird eine fixe Menge des Rücklaufmediums zum Vorlauf gemischt (siehe Abbildung 5). Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 5: Beimischschaltung mit fixer Vormischung Merkmale: - Gute Regelfähigkeit - Temperaturniveaus in Primär- und Sekundärkreislauf unterschiedlich - Differenzdruck primärseitig nicht gestattet. - Keine großen Distanzen (<20m) zwischen Bypass und Regelventil (Dreiwegeventil) Anwendungen: - Allgemein: Verbraucherkreise mit niedrigerer Vorlauftemperatur als Erzeuger - Speziell: Niedertemperaturheizungen (Fußbodenheizung) an einem Hochtemperatursystem Seite 10

11 Hydrauliknetzwerke Einspritzschaltung Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Die Einspritzschaltung erfordert sowohl im Verteiler-, als auch im Verbraucherkreis zwingend jeweils eine Pumpe. Je nach Stellung des Durchgangventils (in Abbildung 6 im Rücklauf eingezeichnet) wird aus dem Primärkreis mehr oder weniger heißes Wasser in den Verbraucherkreis eingespritzt. Dies bedeutet, dass beim Verbraucher der Volumenstrom konstant ist und lediglich das Temperaturniveau des Vorlaufmediums adaptiert wird. Im Erzeugerkreis ergeben sich im Umkehrschluss große Änderungen von Temperatur und Druck, was bei der Einbindung mehrerer Gruppen in das System zu beachten ist. Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 6: Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Eigenschaften: Zur Dimensionierung des Regelventils muss der Differenzdruck über den Verteiler bekannt sein (Differenzdruck über das Ventil > Differenzdruck über den Verteiler) Unterschiedliche Temperaturniveaus für die Primär- und Sekundärseite Anwendungen: Heizkörpersysteme Niedertemperaturheizungen (Fußboden) Luftheizregister Fernheizung Brennwertgeräte Seite 11

12 Hydraulische Einbindung Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil Der Mechanismus funktioniert an sich ähnlich wie die Einspritzschaltung mit Durchgangsventil, mit dem Unterschied, dass eine Vermischung des frisch eingespritzten Vorlaufmediums mit dem angesaugten Rücklaufmedium stattfindet. Aus Abbildung 7 erkennt man, dass sowohl im Primär-, als auch im Sekundärkreis konstante Strömungsbedingungen herrschen. Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet Abbildung 7: Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Eigenschaften: - Ohne Wärmeabnahme hohe Rücklauftemperatur (entspricht der Vorlauftemperatur) - Konstanter Durchfluss im Erzeuger- und Verbraucherkreis - Unterschiedliche Temperaturen im Primär- und Sekundärkreislauf - Geringe oder fast gar keine Totzeit bis zur Bereitstellung von heißem Wasser - Ventilautorität von fast 1 10! Anwendungen: - Heizkörpersysteme - Luftheizregister bei unbekanntem Differenzdruck - Niedertemperaturheizung - Nicht geeignet für Fernwärme aufgrund der eventuell hohen Rücklauftemperatur! 10 Diese Ventilautorität kommt zustande, da nur der geringe Druckabfall über die mengenvariable Strecke für das Regelventil relevant ist. Seite 12

13 Hydrauliknetzwerke Zusammenfassung der Schaltungseigenschaften In Tabelle 3 sind noch einmal übersichtlich wesentliche Eigenschaften der einzelnen Schaltungen dargestellt. Schaltung Primärkreis Rücklauf- Massenstrom anhebung Sekundärkreis Vorlauf- Massenstrom temperatur Besonderheit Drosselschaltung Nein Variabel Konstant Variabel Beeinflussung anderer Verbraucher Druckbehafteter Verteiler Umlenkschaltung Ja Konstant Variabel Variabel Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Nein Variabel Konstant Konstant Keine Beeinflussung anderer Verbraucher Kombination Fußbodenheizung / Radiatoren möglich Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil Ja Konstant Variabel Konstant Immer Primärtemperatur am Regelventil, gute Regelfähigkeit Druckloser Verteiler Beimischschaltung einfach Beimischschaltung doppelt Nein Variabel Variabel Konstant Nein Konstant Variabel Konstant Immer Primärtemperatur am Regelventil, gute Regelfähigkeit Kombination Fußbodenheizung / Radiatoren möglich Tabelle 3: Eigenschaften der Grundschaltungen[ ii ] Seite 13

14 Hydraulische Einbindung Zusammenfassung der Einsatzgebiete Tabelle 4 zeigt zusammenfassend die Einsatzmöglichkeiten der einzelnen Schaltungen. Druckbehafteter Verteiler Druckloser Verteiler Schaltung Drossel- schaltung Umlenkschaltung Einspritzschaltung Einspritz- schaltung Beimischschaltung Beimischschaltung Anwendungsfall Durchgangsventil Dreiwegeventil einfach doppelt Fernwärme X X Brennwertgeräte X Heizkörpersysteme X X X Fußbodenheizung X Kombination Fußbodenheizung / X X X Radiatoren Luftheizregister X X X Zonenregelung X X Tabelle 4: Einsatzgebiete der Grundschaltungen [iii] Seite 14

15 Hydrauliknetzwerke 8.5 Pufferspeicher Ein Zentralheizungskessel wird entsprechend der Heizlast eines Gebäudes (= Wärmeleistung, die ein Gebäude am kältesten Wintertag benötigt) dimensioniert. Diese maximale Auslastung wird aber im Allgemeinen nur während weniger Heiztage im Jahr erreicht. Wie Abbildung 8 zeigt, ist der Kessel an durchschnittlich 6 Tagen ausgelastet. Der Wärmebedarf kann im Verlauf einer Heizperiode erheblich (zwischen 15 und 100 % der errechneten Heizlast) schwanken. Der Kessel muss in dieser Zeit im Teillastbereich betrieben werden. Abbildung 8: Verteilung der Kesselleistung [iv] Für den Betrieb von Pellet- und Hackgutkesseln ist ein Pufferspeicher nicht zwingend erforderlich. Durch die kesseleigene Leistungsanpassung ist der Wärmeüberschuss bei Änderung der Leistungsanforderung geringer. Pellet- und Hackgutkessel können auch im Teillastbereich effizient und mit niedrigen Emissionen betrieben werden. Die Kombination mit einem Pufferspeicher als Lastausgleich ist jedoch üblich und wird zum Teil auch von den Kesselherstellern empfohlen. Bei einem scheitholzbefeuerten Kessel ist aufgrund der diskontinuierlichen Energiebereitstellung ein Pufferspeicher unbedingt zu empfehlen. Dadurch kann die Brenndauer auf Volllaststufe verlängert und die Schalthäufigkeit verringert werden. Dies beeinflusst vor allem die Lebensdauer des Kessels sowie die Emissionen positiv. Die wesentlichen Vorteile bei der Einbindung eines Pufferspeichers sind: Ein höherer Jahresnutzungsgrad der Anlage Ein geringerer Brennstoffverbrauch Geringere Emissionen Seite 15

16 Hydraulische Einbindung Ein erhöhter Heizkomfort durch die Verlängerung der Nachlegeintervalle Verlängerung der Kessellebensdauer Kleinere Kesselleistungen können verwendet werden Je nach Anforderung und Einsatzbereich stehen verschiedene Speichertypen zur Verfügung. Die Brauchwassererwärmung kann separat erfolgen oder in den Pufferspeicher integriert sein. Die Kombination von Holzheizungen mit solarthermischen Systemen für die Brauch- und Heizwassererwärmung erfordert den Einsatz eines speziellen Wärmespeichers. Abbildung 9: Varianten von Pufferspeichern mit und ohne Brauchwasserspeicher bzw. Solarwärmeeinspeisung [ v ] Dimensionierung eines Pufferspeichers Die Dimensionierung des Pufferspeichers nach ÖNORM EN [ vi ] berücksichtigt die Gebäudeheizlast, die Nennwärmeleistung sowie die kleinste Wärmeleistung und erlaubt die Ermittlung der Mindest-Pufferspeichergröße. Die Berechnungsformel lautet: V Sp = 15 TB QN (1 0,3 QH / Qmin ) V Sp = Pufferspeichervolumen in Liter T B = Abbrandzeit in Std. bei Nennlast (brennstoffabhängig) Seite 16

17 Hydrauliknetzwerke Q N = Nennwärmeleistung in kw Q H = Heizlast des Gebäudes in kw Q min = Kleinste Wärmeleistung in kw Abbildung 10: Pufferspeicherinhalt für Heizkessel mit Handbeschickung [vi] Eine überschlägige Pufferspeicherdimensionierung kann über das Füllraumvolumen des Heizkessels erfolgen. Hier kann die Funktion des Pufferspeichers in Lastausgleichspeicher oder Wärme- bzw. Komfortspeicher unterschieden werden. Die Aufgabe des Lastausgleichsspeichers ist die Aufnahme der überschüssigen Wärmemenge einer Kesselfüllung. Der meist größer dimensionierte Pufferspeicher findet als Komfort- bzw. Wärmespeicher bei großem Unterschied zwischen Kesselnennlast und Gebäudeheizlast bzw. zur Erreichung eines höheren Komforts durch eine Verlängerung der Nachlegeintervalle Verwendung [i]. Folgende Faustformeln für den Einsatz eines Pufferspeichers als Lastausgleichsspeicher oder als Wärmespeicher werden verwendet: Seite 17

18 Hydraulische Einbindung Als Lastausgleichsspeicher: Als Faustformel kann hier 8 l Pufferspeichervolumen pro l Füllraumvolumen des Kessels angenommen werden. V Sp [l]= Füllraumvolumen des Heizkessels [l]. 8 Als Wärme- bzw. Komfortspeicher: Als Faustformel kann hier 14 l Pufferspeichervolumen pro l Füllraumvolumen des Kessels angenommen werden V Sp [l]= Füllraumvolumen des Heizkessels [l] Berechnungsbeispiel Gegeben: Nennwärmeleistung Kleinste Wärmeleistung Füllraumvolumen des Kessels Heizlast des Gebäudes Abbrandperiode Q N = 20 kw Q min = 10 kw V Füll = 140 l Q H = 15 kw T B = 6 h Gesucht: Ermitteln Sie die Mindest-Pufferspeichergröße nach ÖNORM EN Schätzen Sie weiters die erforderliche Größe bei Verwendung als Lastausgleichspeicher und bei Verwendung als Komfortspeicher ab. Berechnung: 1. Schritt: Ermittlung der Mindest-Pufferspeichergröße nach ÖNORM EN QH 15 VSp = 15 TB QN (1 0,3 ) = (1 0,3 ) = 990 l Qmin 10 2.Schritt: Speichergröße bei Verwendung als Lastausgleichspeicher Vsp = VFüll 8 = 1120 l 3. Schritt: Speichergröße bei Verwendung als Komfortspeicher Vsp = VFüll 14 = 1960 l Seite 18

19 Hydrauliknetzwerke Integration eines Pufferspeichers Die große Mehrheit der Biomassekessel Hersteller empfiehlt die Integration eines Pufferspeichers in das hydraulische Netzwerk. Wie bereits erwähnt kann der Einsatz eines derartigen Speichers unter anderem zu einem höheren Jahresnutzungsgrad führen. In diesem Kapitel werden zwei unterschiedliche Varianten für die Integration eines Pufferspeichers präsentiert. Serienschaltung In Abbildung 11 ist die serielle Einbindung eines Pufferspeichers in ein Hydrauliknetzwerk dargestellt. Abbildung 11: Serielle Einbindung eines Pufferspeichers Diese Kombinationsart bringt eine vollständige hydraulische Entkoppelung mit sich, was bedeutet, dass der Erzeugerkreis komplett vom Verteilerkreis getrennt wird. Die vom Erzeuger produzierte Wärme wird direkt in den Pufferspeicher (buffer storage) eingebracht, und indirekt aus dem Speicher vom Verteiler wieder entnommen. Dieser Umstand bringt auch mit sich, dass im Fall eines kalten Pufferspeichers die am Verbraucher geforderte Wärme nicht unmittelbar nach Anlaufen des Erzeugers (boiler) zur Verfügung steht, sondern erst wenn das Medium im Pufferspeicher eine hinreichend hohe Temperatur hat. Seite 19

20 Hydraulische Einbindung Parallelschaltung Das Problem der großen Latenz bei der Bereitstellung von Wärme aus dem absolut kalten Zustand versucht die Parallelschaltung von Verteiler und Pufferspeicher zu umschiffen (Abbildung 12). Abbildung 12: Parallele Einbindung eines Pufferspeichers Durch diese Schaltungsvariante kann direkt warmes Wasser vom Erzeuger (Boiler) in den Verteilerkreis geliefert werden, allerdings fällt der Vorteil der hydraulischen Entkopplung weg. Seite 20

21 Hydrauliknetzwerke 8.6 Einbindung einer Solaranlage Die Einbindung einer Solaranlage macht die Verwendung eines Pufferspeichers unabdingbar. Abbildung 9 zeigte bereits beispielhaft das notwendige Speicherdesign um eine zusätzliche Wärmequelle in den Hydraulikkreis zu integrieren. Von Kessel- (und auch Solarkollektor) Herstellern empfohlene Schaltungsvarianten werden in den nachfolgenden Abbildung 13 bis Abbildung 15 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Schaltungen vergleichsweise einfach sind. Als relevante Elemente im Solarkollektorkreislauf sind in jedem Fall eine Wasserpumpengruppe im Rücklauf und ein Druckausgleichsbehälter vorzusehen. Die durch die Sonnenstrahlung im Solarkreislauf gewonnene Energie (Temperaturerhöhung des Fließmediums) wird im Pufferspeicher wieder abgegeben. Da die erreichbaren Vorlauftemperaturen der Kollektoren niedriger als die eines Kessels liegen wird das Register im unteren und somit kühleren Bereich des Speicherinneren genutzt. Die höhere Temperaturdifferenz zwischen solar erhitztem Wasser und Speicherwasser bringt eine Erhöhung der erreichbaren Leistung mit sich. Abbildung 13 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [vii] Seite 21

22 Hydraulische Einbindung Aus den genannten Abbildungen ist ersichtlich, dass für das Fließmedium jeweils ein eigenes Register im Pufferspeicher vorgesehen ist. Der Grund für diesen technischen Aufwand liegt darin, dass für den Solarkreislauf kein normales Wasser verwendet wird. Vielmehr wird ein Frostschutzmittel 11 beigemengt, um etwaigen Schäden in kalten Jahreszeiten vorzubeugen. Eine Vermengung dieses Mittels mit dem Brauchwasser hätte weit reichende gesundheitliche Auswirkungen und gilt es zu verhindern. Abbildung 14 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [viii] In Abbildung 14 ist eine eigene Lösungsvariante für oben beschriebenes Problem dargestellt. So wird bei dieser Schaltung ein externer Wärmetauscher verwendet, der die Energie des Fließmediums im Solarkreis an einen weiteren Wasserkreislauf übergibt. Das so erwärmte Wasser wird aber nicht wie sonst üblich in den Pufferspeicher geleitet um dort das Brauchwasser zu erwärmen, sondern direkt als Brauchwasser verwendet. Diese Schaltungsvariante bringt den Vorteil mit sich, dass für warme Jahreszeiten in denen kein Heizbedarf besteht das Warmwasser direkt von der Solaranlage bereitet wird. Der gezeigte Pelletskessel muss somit nur in Heizperioden verwendet werden um Warmwasser zu Heizzwecken bereitzustellen. 11 Oft kommt für diesen Zweck Propylenglykol zum Einsatz Seite 22

23 Hydrauliknetzwerke Abbildung 15 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [viii] Quellen i In Anlehnung an R. HOCHWARTER Hydraulik in Biomasseanlagen, Vortrag 2005 ii In Anlehnung an HERZ Armaturen: Hydraulik in HKLS-Anlagen, S. 6 September 2007 iii In Anlehnung an HERZ Armaturen: Hydraulik in HKLS-Anlagen, S. 7 September 2007 iv OÖ. Energiesparverband: Biomasseheizanlagen für größere Gebäude, Linz 2006 v Hartmann, H. et.al: Handbuch Bioenergie-Kleinanlagen, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 2003 vi ÖNORM EN 303-5: Heizkessel. Teil 5: Heizkessel für feste Brennstoffe, hand- und automatisch beschickte Feuerungen, Nenn-Wärmeleistung bis 300 kw. Österreichisches Normungsinstitut (Hrsg.), Wien 1999 vii Solarfocus, Planungsunterlagen, Prospekt viii Froeling, Pelletskessel P2 Planungsunterlagen, Prospekt, 2004 Seite 23