C Wärmeverteilung. 2 Dimensionierung und Druckverlust. Heizungs- und Energietechnik Dimensionierung und Druckverlust. Themen

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1 C Wärmeverteilung 2 Themen Die Dimensionierung des Wärmeverteilsystems, Materialien, Leistungs- und Energieaufwand für den Druckverlust, Dimensionierungsrichtgrössen, Druckverlusttabellen, Schiefer Lineal, Gestaltung der Druckverlusttabelle, Der Druckverlust des Wärmeverteilsystems, Druckverlust der Leitungen, Druckverlust der Einzelwiderstände (Bogen, Abzweiger, Vereinigungen, Armaturen). Zielsetzung: Sie können das optimale (funktional, bautechnisch, betrieblich, energetisch) Wärmeverteilsystem für eine gegebene Gebäude- oder Überbauungssituation dimensionieren und den Druckverlust berechnen. Inhaltsverzeichnis Das Ziel Der Druckverlust in Rohren Der Druckverlust mit Einzelwiderständen (Abzweiger und Bogen) Die Dimensionierung Druckverlust bei Regulierventilen Der statische hydraulische Abgleich Tabellen Literatur- und Quellenverzeichnis Prof. Werner Betschart Seite - 1

2 Formel und Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Moody-Diagramm VDI... 7 Abb. 2 Druckverlusttabelle SWKI... 9 Abb. 3 Ablöseerscheinungen Formstücke Abb. 4 Einzelwiderstände im Heizungskreis Abb. 5 Einzelwiderstände in Bogen und Abzweiger (HSLU) Abb. 6 Formulare für Druckverlustberechnung und Einzelwiderstände Abb. 7 Anlagebeispiel Abb. 8 Stoffwerttabelle Wasser VDI Prof. Werner Betschart Seite - 2

3 2.1 Das Ziel Prof. Werner Betschart Seite - 3

4 2.2 Der Druckverlust in Rohren Inhalt Der Druckverlust von Rohren Ziele: Den Druckverlust von Rohren berechnen können. Prof. Werner Betschart Seite - 4

5 Beispiel: Für ein Heizungsrohr (Heizungswasser von 80 C), d = 57 x 2,3 mm, mit einer Rohrrauhigkeit von mm, einer Länge von 25 Meter fliessen 4409 kg/h. Es ist folgendes zu bestimmen oder zu berechnen: a) Strömungsgeschwindigkeit b) kinematische Viskosität c) Reynoldszahl Re mit der Bestimmung der Strömungsart d) relative Rohrrauhigkeit e) Rohrreibungszahl f) dynamischer Druck g) Druckverlust pro Meter Rohr (R-Wert) Prof. Werner Betschart Seite - 5

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7 Abb. 1 Moody-Diagramm VDI Prof. Werner Betschart Seite - 7

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9 Abb. 2 Druckverlusttabelle SWKI Prof. Werner Betschart Seite - 9

10 2.3 Der Druckverlust mit Einzelwiderständen (Abzweiger und Bogen) Inhalt Der Druckverlust Armaturen und Fittings Ziele: Den Druckverlust von Armaturen und Fittings berechnen können Abb. 3 Ablöseerscheinungen Formstücke Prof. Werner Betschart Seite - 10

11 Abb. 4 Einzelwiderstände im Heizungskreis Prof. Werner Betschart Seite - 11

12 [-] [-] Heizungs- und Energietechnik 1.00 Re=2320 Zusammenfassung der - Werte von 90 Bogen von Mannesmann ( 22x1.5) Wassertemperatur von ca. 20 C =27.032m Mittelwert bei üblichen Wasser- geschwindigkeiten und Wasser- temperatruen in Heizungsanlagen m [kg/ h] -Werte für ein Mannesmann T-Stück ( ) Vereinigung; Wassertemperatur um ca. 20 C Durchgang =0.276(w 1 /w 3 ) p * * w Angabe Mannesmann: Durchgang 1 Angabe Mannesmann: Abzweig Abb. 5 Einzelwiderstände in Bogen und Abzweiger (HSLU) Abzweig = /(w 2 /w 3 ) w1/w3 [-] w2/w3[-] Prof. Werner Betschart Seite - 12

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16 Fortsetzung des Beispiels: Für ein Heizungsrohr (Heizungswasser von 80 C), d = 57 x 2,3 mm, mit einer Rohrrauhigkeit von mm, einer Länge von 25 Meter fliessen 4409 kg/h. Es ist folgendes zu bestimmen oder zu berechnen: Druckverlust der Einzelwiderstände Gegeben: 3 Bögen mit je einem -Wert von Gesucht: h) Druckverlust der Bögen i) Druckverlust der Gesamtleitung Prof. Werner Betschart Seite - 16

17 2.4 Die Dimensionierung Inhalt Dimensionierung von Heizungsleitungen Ziele: Heizungsleitungen dimensionieren können Die Wärmeabgabe erfolgt heute vorwiegend über Heizkörper, Flächenheizung oder kombinierten Systemen. Die Triebkraft der Wasserförderung bei der Pumpenwarmwasserheizung (PWW-Heizung) ist der Pumpendruck. Die Schwerkraftwirkung kann heute praktisch vernachlässigt werden. Als Vorteile für die PWW Heizung kann aufgeführt werden: - gut regulierbar, schnelles Aufheizen möglich, geringe Trägheit - kleine Rohrleitungs-Durchmesser - dadurch geringe Druckverluste der Wärmeverteilung - und grosse Freiheit in der Rohrführung Als Nachteile können aufgeführt werden: - Abhängigkeit von der Elektrizität. Elektroenergie - Verbrauch - Wartung für die Pumpe (sehr bescheiden) und - mögliche Geräuschquelle der Umwälzpumpe (heute auch eher selten) Prof. Werner Betschart Seite - 17

18 Optimalen Nennweiten einer PWW-Heizung sind bei gegebenen Wärmeleistungen und Leitungsdispositionen von verschiedenen Faktoren abhängig. Es sind dies: Kapitalgebundene Kosten: Kosten durch - Investitionen (Rohrpreis, Wärmedämmung, Montage) - Zinsen - Nutzungsdauer - graue Energie für die Herstellung der Rohre - Dämmungen usw. Verbrauchsgebundene Kosten: Kosten hervorgerufen durch: - den Druckverlust und somit Leistungsbedarf für den Transport (Pumpe) - Energiebedarf für den Transport des Mediums (Pumpe) - Energiebedarf die Wärmeverluste der Leitungen(Wärmeerzeuger). Prof. Werner Betschart Seite - 18

19 Dimensionierung in der Heizungstechnik In der Heizungstechnik rechnet man mit Erfahrungswerten um das Netz zu dimensionieren. So wird für die Vordimensionierung eines Rohrnetzes mit einem mittleren R-Wert gerechnet. für kleinere Netze, Ausdehnung für grössere Netze, Ausdehnung R m = Pa/m R m = Pa/m oder mit der mittleren Geschwindigkeit für: Hausverteilungen (kleine Rohr - Nennweiten) kleinere Fernleitungen grosse Fernleitungsnetze (grosse Rohrnennweiten) w = m/s w = m/s w = bis 3 m/s Prof. Werner Betschart Seite - 19

20 Für die Warmwasserheizungen gilt: Die Teilstrecken eines Stromkreises sind Leitungsabschnitte mit gleichen Wassermengen und Rohrdurchmessern. Die Vordimensionierung des Durchmessers des massgebenden Wasserstromkreises erfolgt mit dem R m -Wert aus den R-Wert Tabellen. Dabei wird die Methode des schiefen Lineals verwendet. Das heisst: für kleinere Leistungen setzen wir kleinere R Werte ein. für grössere Leistungen setzen wir grössere R Werte ein. oder anders ausgedrückt: für Leitungen an der Peripherie setzen wir kleinere R Werte ein. für Leitungen in der Zentrale setzen wir grössere R Werte ein. Prof. Werner Betschart Seite - 20

21 Zuordnung der Zeta-Werte bei Abzweigern: Prof. Werner Betschart Seite - 21

22 Abb. 6 Formulare für Druckverlustberechnung und Einzelwiderstände Prof. Werner Betschart Seite - 22

23 Beispiel: Dimensionieren und Zetawertberechnung von Leitungen Gegeben ist folgende Anlage: Gesucht: a) Nummerieren der Teilstrecken b) Massenstromberechnung der TS 1-5 c) Vordimensionieren der TS 1-5 d) Zeta-Wert berechnen der TS 1-5 e) Druckverlust berechnen der TS 1-5 Weitere Verbraucher mit = 3500 W VL = 50 C RL = 40 C p = 6000 Pa Heizkörper = 350 W VL = 50 C RL = 40 C Vom Wärmeerzeuger: VL = 70 C Abb. 7 Anlagebeispiel Weitere Gruppen mit folgenden Zusammengefassten Gruppendaten = W VL = 50 C RL = 40 C Prof. Werner Betschart Seite - 23

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27 2.5 Druckverlust bei Regulierventilen Inhalt berechnung Ziele: Den Druckverlust von Regulierventilen berechnen können. Thema: Das Regulierventil und die vereinfachte Auslegung (mehr zur detaillierten Auslegung in der MSR-Technik) Regulierventile werden nicht über Zeta-Werte definiert, sondern über den k VS -Wert Der k VS - Wert muss durch Messungen bestimmt werden. Dabei versteht man unter dem k VS - Wert eines Ventils den Volumenstrom in m 3 /h, der sich bei einem Druckunterschied von 1 bar, zwischen Ein- und Ausgang eines Ventils bei maximalem Hub einstellt. Wenn das Ventil in einer Zwischenstellung steht spricht man vom k V Wert. Prof. Werner Betschart Seite - 27

28 Technische Daten für ein Thermostatenventil: Thermostatenventil 1/2" Einstellungen Einstellung N k V und k VS m 3 /h bar Technische Daten für eine Rücklaufverschraubung: Rücklaufverschraubung 1/2" Einstellungen Einstellung N k V und k VS m 3 /h bar Prof. Werner Betschart Seite - 28

29 Aufgabe: In unserer kleinen Heizungsanlage sind ein Thermostatenventil und eine Rücklaufverschraubung eingebaut. Gesucht: Der Druckverlust des Thermostatenventils und der Rücklaufverschraubung im offenen Zustand ist zu berechnen. Prof. Werner Betschart Seite - 29

30 Aufgabe: In unserer kleinen Heizungsanlage ist ein Regulierventil eingebaut. Gesucht: Der Druckverlust des Regulierventils. Technische Daten für ein Regulierventil: Regulierventil Durchmesser DN k VS m 3 /h bar Gewähltes Ventil: DN ½ DN 15 k VS 0.63 m 3 /h bar Prof. Werner Betschart Seite - 30

31 Heizungs- und Energietechnik Prof. Werner Betschart Seite - 31

32 2.6 Der statische hydraulische Abgleich Inhalt berechnung Ziele: Den hydraulischen Abgleich im statischen Auslegungsfall berechnen können. Weitere Verbraucher mit = 3500 W VL = 50 C RL = 40 C p = 6000 Pa Prof. Werner Betschart Seite - 32

33 Heizungs- und Energietechnik Prof. Werner Betschart Seite - 33

34 Aufgabe: In unserer kleinen Heizungsanlage muss der statische hydraulische Abgleich berechnet werden Gesucht: Die Einstellung der Rücklaufverschraubung. Prof. Werner Betschart Seite - 34

35 Die Herleitung des k VS -Wertes. Grundsätzlich könnte auch eine Armatur über den Einzelwiderstand einer definiert werden: p V V * * 2 w 2 Prof. Werner Betschart Seite - 35

36 2.7 Tabellen Abb. 8 Stoffwerttabelle Wasser VDI Prof. Werner Betschart Seite - 36

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38 KAEHR Heizungs- und Energietechnik Spezifische Druckverlust-Werte in Rohren 50 C Medium Wasser 50 C [kg/m³] 988 Rohr-Material: Stahl Rohr e [mm] h [kg/ms] 5.47E-04 R AUSSENDURCHMESSER/WANDICKE NENNWITE [ZOLL ODER MM] [PA/M] 3/8 1/2 3/ /4 1 1/ Prof. Werner Betschart Seite - 38

39 KAEHR Heizungs- und Energietechnik Spezifische Druckverlust-Werte in Rohren 50 C Medium Wasser 50 C [kg/m³] 988 Rohr-Material: Stahl Rohr e [mm] h [kg/ms] 5.47E-04 R AUSSENDURCHMESSER/WANDICKE NENNWITE [ZOLL ODER MM] [PA/M] 3/8 1/2 3/ /4 1 1/ Prof. Werner Betschart Seite - 39

40 KAEHR Heizungs- und Energietechnik Spezifische Druckverlust-Werte in Rohren 50 C Medium Wasser 50 C [kg/m³] 988 Rohr-Material: Stahl Rohr e [mm] h [kg/ms] 5.47E-04 R AUSSENDURCHMESSER/WANDICKE NENNWITE [ZOLL ODER MM] [PA/M] 3/8 1/2 3/ /4 1 1/ Leandro Kaehr (Student HSLU-2009/12) Prof. Werner Betschart Seite - 40

41 2.8 Literatur- und Quellenverzeichnis Recknagel, Sprenger, Schramek, 2010/11, Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Oldenburg Verlag München Wagner, Walter, Regelarmaturen, 1. Auflage, Würzburg, Vogel 1996 Wagner, Walter, Wärmeübertragung, 6. Auflage, Würzburg, Vogel 2004 Wagner, Walter, Wärmeaustauscher, 3. Auflage, Würzburg, Vogel 2005 Günter Cerbe u. Gernot Wilhelms, Technische Thermodynamik, 15. Auflage, München, Hanser, 2008 Ihle / Prechtl, Die Pumpenwarmwasserheizung, 4. Auflage, Werner Verlag, ISBN- 13: , 2010 SIEMENS, de Regeln und Steuern von Heizungsanlagen SIEMENS, de Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik SIEMENS, de Hydraulik in der Gebäudetechnik VDI-Wärmeatlas, 2012, VDI Gesellschaft, ISBN , SWKI, 2012, Druckverlusttabellen, prswki-bt500 Danfoss, 2012, Produktdokumentationen, (2012). TA Hydronics, 2012, Produktdokumentationen, (2012). Regelung/fubbodenheizungsregelung/ Prof. Werner Betschart Seite - 41