Hydraulischer Abgleich

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1 2 Hydraulischer Abgleich Theoretisches Grundwissen Krier Guy Seite 15

2 Inhalt: Wiederholung wichtiger Grundlagen zu Warmwasserheizungen Bestimmung von Druckverlusten in Rohrnetzen Grundwissen Thermostatventile Definition des hydraulischen Abgleichs Warmwasser-Pumpenregelungen Krier Guy Seite 16

3 Inhaltsverzeichnis: 1. Wiederholung von Grundlagen der Pumpen-Warmwasserheizungen Wärmeleistung von Pumpen-Warmwasserheizungen Temperaturspreizung und Vorlauftemperatur Heizwasservolumenstrom Hydraulischer Widerstand Rohrnetzberechnung Funktionsweise eines Thermostatventils Kennwerte eines Thermostatventils Ventilautorität k V bzw. k VS -Wert Proportionalbereich (P-Bereich) Definition hydraulischer Abgleich Ungeregelte und geregelte Heizungspumpen Grundlagen Pumpenkennlinien Anpassung der Pumpenförderhöhe durch Drehzahlregelung Pumpenregelungsarten Regelungsart: konstanter Differenzdruck Regelungsart: Variabler Differenzdruck Temperaturabhängige Drehzahlstellung Zeitabhängige Drehzahlregelung Hydraulischer Abgleich zwischen mehreren Heizungssträngen Funktionsweise eines Differenzdruckreglers Zusammenfassung Literaturverzeichnis Krier Guy Seite 17

4 1. Wiederholung von Grundlagen der Pumpen-Warmwasserheizungen Heizungsanlagen haben die Aufgabe, Gebäude mit Wärme zu versorgen, um so eine für die Bewohner angenehme Raumtemperatur zu erzielen. Bei dem überwiegenden Teil von Heizungsanlagen wird die Wärme zentral erzeugt (Zentraloder Sammelheizung). Ein Wärmeträger transportiert die Wärme durch ein Rohrleitungsnetz zu den Heizflächen. Ein oder mehrere Pumpen sorgen für das Umwälzen des Wärmeträgers. Wasser ist wegen seiner außergewöhnlich hohen spezifischen Wärmekapazität als Wärmeträger hervorragend geeignet, es ist preiswert und steht in einem für die Anlage ausreichendem Befüllungsdruck (üblicherweise 3-7bar) zu Verfügung. (Herbert Zierhut; Sanitär-Heizung-Klima Anlagemechaniker/-in: Seite 306/329 und 357) Die vom Heizwasser transportierte Wärme wird an den jeweiligen Heizflächen in Form von Konvektion und Wärmestrahlung an den zu beheizenden Raum abgegeben. Der prozentuale Anteil an Konvektion oder an Wärmestrahlung hängt dabei von sehr unterschiedlichen, mehr oder weniger einflussreichen Faktoren ab wie zum Beispiel Einbaulage und Anordnung im Raum. Den weitaus größten Einfluss auf die jeweilige Form der Wärmeabgabe hat die Bauart der Heizfläche. Man unterscheidet grob zwischen zwei Bauarten: Heizkörper wie Radiator oder Plattenheizkörper und Flächenheizungen wie Wand- oder Fussbodenheizung Die Wahl der Heizflächen beeinflusst Betriebsdruck und vor allem Betriebstemperatur der Anlage. Abbildung 1.1 zeigt einen von vielen möglichen Anlagenaufbauten einer Pumpen- Warmwasserheizung. Krier Guy Seite 18

5 Abbildung 1.1: Schematische Darstellung einer zentralen Warmwasser-Heizungsanlage (vgl. Wilo; Informationsbroschüre: Optimierung von Heizungsanlagen) In dem dargestellten Beispiel, befördert die Umwälzpumpe den erzeugten Warmwasserstrom vom Wärmeerzeuger zu zwei unterschiedlichen Teilsträngen. Ein Strang versorgt Heizkörper während der zweite Strang Flächenheizungen (Wandoder Fußbodenheizung) versorgt. Jeder Strang versorgt mehrere Heizflächen, so dass sich der Heizwassermassenstrom innerhalb eines Stranges zusätzlich auf Teilstrecken verteilt. Bei einer Teilstrecke handelt es sich dabei um eine Rohrstrecke von einem Abzweig zum nächsten Abzweig, in der sich der Massenstrom nicht ändert. Krier Guy Seite 19

6 2. Wärmeleistung von Pumpen-Warmwasserheizungen Wird eine Wärmemenge in einer bestimmten Zeit transportiert oder umgewandelt, ergibt sich eine Wärmeleistung. Die rein von einer Heizfläche abgegebene Wärmeleistung kann, unabhängig von der vorherrschenden Raumtemperatur *), durch folgende Formel vereinfacht ausgedrückt werden: Abgegebene Wärmeleistung in (W) : (2.1) und dem Massenstrom (2.2) Spezifische Wärmekapazität von Wasser: ist nach Gleichung (2.1) abhängig von: a) der Temperaturspreizung Es handelt sich dabei um die Temperaturdifferenz: Vorlauftemperatur - Rücklauftemperatur. b) dem Massenstrom, bzw. dem Volumenstrom des durch die Heizfläche strömenden Heizwassers. Soll die Wärmeleistung einer Heizfläche gesteigert werden, so kann dies erreicht werden durch eine Erhöhung der Temperaturspreizung wie zum Beispiel durch Erhöhen der Vorlauftemperatur Diese Maßnahme betrifft die gesamte Anlage. durch eine Steigerung des Massen- bzw. Volumenstromes Dies kann lokal an der Heizfläche durch Drosselstellen wie dem Thermostatventil erfolgen, vorausgesetzt die Heizfläche wird mit ausreichend Volumenstrom versorgt. *) Anmerkung: Die tatsächlich an die Umgebung abgegebene Wärmeleistung, unter der Berücksichtigung der im Raum herrschenden Bedingungen, ist abhängig von der wirksamen Übertemperatur zwischen der mittleren Heizwassertemperatur und der Norm-Innentemperatur. (vgl. Notizen zur Vorlesung WS Teil2; Prof. Frank Scholzen: Seite 30) Krier Guy Seite 20

7 Es wäre falsch auf lineare Zusammenhänge zwischen Wärmeleistung, Massen- bzw. Volumenstrom und Rücklauftemperatur zu schließen. Mit einer Verringerung der Durchströmgeschwindigkeit erhöht sich die Verweilzeit des Heizwassers in der Heizfläche. Dies bewirkt eine Erhöhung der Wärmeabgabe, gleichzeitig hat es aber auch eine Reduzierung der Rücklauftemperatur zur Folge. Das folgende Diagramm (Abbildung 2.1) soll beispielhaft Zusammenhänge zwischen Heizmittelstrom und Heizkörperleistung bei unterschiedlichen Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie verschiedenen Temperaturspreizungen zeigen. Die Norm-Bezugslufttemperatur ist konstant 20 C. Untersucht wurde ein Plattenheizkörper mit einem Heizkörperexponent** von. Spreizung: Vorlauf Rücklauf Abbildung 2.1: Zusammenhang zwischen Heizmittelstrom und Wärmeleistungsabgabe bei verschiedenen Temperaturspreizungen und Vorlauftemperaturen für einen Plattenheizkörper (n=1,3). (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik: Seite 679) **Anmerkung: Der Heizkörperexponent n gibt die Abhängigkeit der Heizkörperleistung von der Heizkörpertemperatur (bzw. Übertemperatur oberhalb der Raumtemperatur) an. (vgl. Krier Guy Seite 21

8 Heizmittelstrom und Heizleistung wurden in Abbildung 2.1 auf ihre Auslegungsgrößen (Nenngrößen) bezogen, d.h. auf die Größen bei denen der betrachtete Heizkörper 100% seiner geplanten Wärmeleistung erreicht. Im Sinne einer effektiven Regelung der Heizleistung mit optimaler Nutzenübergabe ist ein möglichst lineares Verhalten zwischen Heizmittelstrom und Wärmeleistung anzustreben. (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik: Seite 679) Zur Deckung des Wärmebedarfs ist eine ausreichend hohe Vorlauftemperatur notwendig. Andererseits ist eine niedrig Vorlauftemperatur oft aus anlagenspezifischen Gründen zwingend, so dass der freien Wahl der Vorlauftemperatur und auch der Spreizung Grenzen gesetzt sind. Die letztendlich festgelegte Vorlauftemperatur muss von dem Wärmeerzeuger geliefert werden. Für den Heizmittelstrom sind Umwälzpumpen verantwortlich. Beide Anlagenelemente sind maßgebend für den Energieverbrauch der kompletten Heizungsanlage. Soll die Anlage möglichst energieeffizient betrieben werden, ist eine Grundvoraussetzung, dass unnötig hohe Vorlauftemperaturen des Heizwassers oder ein unnötiges Umwälzen von Heizwasser vermieden werden. Ein korrekt durchgeführter hydraulischer Abgleich liefert einen wichtigen Beitrag dazu, um die Anlage energieeffizient betreiben zu können. Durch ihn können die Volumenströme durch die Heizflächen optimal dem Heizbedarf angepasst werden. Die folgenden Erläuterungen zeigen verschiedene Zusammenhänge, die den Stellenwert eines korrekt durchgeführten hydraulischen Abgleichs, insbesondere bei modernen Heizungsanlagen, verdeutlichen sollen. Krier Guy Seite 22

9 2.1. Temperaturspreizung und Vorlauftemperatur Vorlauftemperatur und Temperaturspreizung richten sich nach dem benötigten Heizleistungsbedarf eines Gebäudes. Um die maximal benötigte Vorlauftemperatur und die angepasste Temperaturspreizung für den Auslegungsfall (kältester Tag des Jahres) bestimmen zu können, muss eine Heizlastberechnung durchgeführt werden. Sie ist Voraussetzung für die Auslegung der Wärmeerzeugung und für die anschließende Dimensionierung der Heizflächen. Der spezifische Wärmebedarf eines Gebäudes wird beeinflusst von: der Bauform und den Isolationseigenschaften der verwendeten Baumaterialien (z. B. ihren U-Werten) den nutzbaren solaren und inneren Gewinne wie z.b. der Abwärme durch Geräte und Personen dem Luftwechsel (Lüftungswärmebedarf) den Außenbedingungen (Erdreichtemperatur, Wind, Aussentemperaturen) den gewünschten Innentemperaturen (Vgl. Prof. Frank Scholzen; Vorlesungsmaterial WS Heizungstechnik Teil1) Während die Vorlauftemperatur bei schlecht wärmegedämmten Häusern, mit minimal ausgelegten Konvektoren je nach Jahreszeit deutlich über 60 C liegen muss, kann sie bei extrem gut wärmegedämmten Gebäuden mit geringem Heizleistungsbedarf unter 50 C liegen. Großzügige Heizflächen, wie es bei Fußboden- oder Wandheizungen der Fall ist, begünstigen sogar noch geringere Vorlauftemperaturen um 35 C, was die Verteilungsverluste sofort verringert. Bei normalem Heizungsbetrieb, außerhalb des Auslegungsfalls (dem sogenannten worst case Fall), erfolgt die Regelung der Heizwasservorlauftemperatur vorwiegend außentemperaturgeführt. Bei gut wärmeisolierten Gebäuden ist es sinnvoll Sonneneinstrahlung, Tageszeit (Nachtabsenkung) oder Temperaturwerte eines gewählten Referenzraumes in der Regelung der Heizwasservorlauftemperatur ebenfalls zu berücksichtigen. Krier Guy Seite 23

10 Der genaue Zusammenhang, welche Vorlauftemperatur bei welchen Bedingungen einzustellen ist, wird in der Regeleinheit der Heizungsanlage in Form einer Heizkennlinie (Heizkurve) hinterlegt (siehe Abbildung 2.1.1). Abbildung 2.1.1: Beispiel einer Heizkurve (Quelle: Abbildung 2.1.2: Individuelle Anpassung der Heizkurve durch den Installateur im Bedienungsmenu der Heizungsanlage (Beispiel: Wärmeerzeuger der Firma Viessmann) Die Heizlastberechnung liefert nur die maximal benötigte Vorlauftemperatur für den Auslegungsfall. Die individuelle Abstimmung der Vorlauftemperatur (in Form einer Heizkurve) für den normalen Heizungsbetrieb ist erst sinnvoll im Anschluss an den hydraulischen Abgleich, da so möglichst geringe Vorlauftemperaturen eingestellt werden können. Unnötig hohe Vorlauftemperaturen sollten aus mehreren Gründen vermieden werden. In Bezug auf Wohnkomfort und Raumklima können sie an den Heizkörpern ein unangenehmes Verschmoren von Staub (= Staubverschwelung) bewirken. Vom energetischen Standpunkt betrachtet, führen sie zu unnötig hohen Verteilungswärmeverlusten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn schlecht Krier Guy Seite 24

11 wärmegedämmte Rohrleitungen in nicht beheizten Räumen zu den Heizflächen verlegt wurden. Mittlerweile sind möglichst niedrige Vorlauftemperaturen T V an den Heizflächen bei modernen Heizungsanlagen wie Brennwertgeräten, Wärmepumpenheizungen oder Solarheizungen zwingend notwendig. Sie haben einen entscheidenden Einfluss auf die Energieeffizienz der gesamten Anlage: Bei Wärmepumpenheizungen zum Beispiel, ist die Leistungszahl (COP- Wert) der Anlage direkt abhängig von dem Temperaturhub oder der Temperatursenke im Vergleich zu der aus der Umgebung gewonnenen Energie. Verdichter Elektrische Antriebsleistung T KQ T v Abbildung 2.1.3: Prinzip Wärmepumpenheizung (Quelle: Je geringer der notwendige Temperaturhub ausfällt, umso geringer ist auch die verbrauchte Energie. Niedrige Vorlauf- und Rücklauftemperaturen, sowie eine angemessene Temperaturspreizung sind daher sehr wichtig, um eine hohe Leistungszahl und Jahresarbeitszahl zu erreichen. Bei der Leistungszahl, auch noch COP-Wert (Coefficient of performance) genannt, werden abgegebene Wärmeleistung und eingesetzte elektrische Antriebsleistung Krier Guy Seite 25

12 des Verdichters in Verhältnis zueinander gebracht. Stellt man den Vergleich zwischen realem Wirkungsgrad der Anlage und Wirkungsgrad eines idealen Carnot Prozesses bei gleichen Temperaturverhältnissen auf, lässt sich der COP-Wert auch direkt in Abhängigkeit der Temperaturen wie folgt ausdrücken: Wobei: (2.1.1) Der COP Wert ist nochmals vom COPM-Wert zu unterscheiden. Der COPM-Wert beschreibt den Mittelwert über die Heizperiode und beinhaltet auch Hilfsenergien wie Antriebsenergie zusätzlicher Pumpen, Ventilatoren, Zusatzheizungen usw. Der COPM-Wert ist naturgemäß niedriger als erzielte COP- Laborwerte (vgl. Abbildung 2.1.5). Abluft-Wasser-Wärmepumpen können, trotz Zusatzheizung, über das Jahr gesehen COPM-Werte von 3 erreichen, Erdwärmepumpen COPM-Werte von 4. Abbildung 2.1.4: COP-Maximalwerte für Wärmepumpenheizungen nach Carnot Abbildung 2.1.5: COP-Maximalwerte; Labormessungen im Jahre 1994 und 1997 (vgl. Claude-Alain Roulet ; Santé et qualité de l environnement intérieur dans les bâtiments: Seite ) Krier Guy Seite 26

13 Für eine Solarheizung (oder Anlagen mit solarer Heizungsunterstützung) ist eine niedrige Vorlauf- und Rücklauftemperatur von entscheidender Bedeutung, weil dadurch die Energieausbeute der Sonnenkollektoren durch niedrigere Betriebstemperatur höher ist und die nutzbare Kapazität des Wärmespeichers erhöht wird. Bei Brennwertkesseln begünstigen niedrige Rücklauftemperaturen die Kondensierung des Wasseranteils im Abgas. Bei hoher Vorlauftemperatur und nur geringer Wärmeabgabe an den Heizkörpern ist eine niedrige Rücklauftemperatur nicht unbedingt gewährleistet, selbst wenn die umgewälzte Wassermenge stark reduziert wird, um auf diese Weise die Temperaturspreizung durch längere Verweilzeit des Heizwassers im Heizkörper zu erhöhen. (Quelle: Oft klafft eine Lücke zwischen geregelter Vorlauftemperatur und den geplanten Temperaturverhältnissen für den theoretischen Auslegungsfall, weil das vorrangige Ziel des Anlagenbauers das Sicherstellen einer komfortablen Wärmeversorgung ist. Viel schwerer wird es, die Energieeffizienz zusätzlich zu berücksichtigen. Sie hängt insbesondere bei Wärmepumpe und Brennwertheizungen stark von der Vorlauf- und Rücklauftemperatur und damit von einem guten hydraulischen Abgleich ab. Krier Guy Seite 27

14 2.2. Heizwasservolumenstrom Die Heizlastberechnung ermöglichte es, eine spezifische Heizleistung pro m 2 Wohnfläche zu ermittelten. Von dieser Heizleistung Q ausgehend und abhängig von der festgelegten Temperaturspreizung Δϑ kann jetzt durch Rechnen oder mit Hilfe von Tabellen der erforderliche Volumenstrom in der Anlage und der erforderliche Volumenstrom je Heizfläche für den Auslegungsfall bestimmt werden. Die Information über den erforderlichen Volumenstrom in der Anlage erlaubt es, eine grobe Pumpenauswahl zu treffen. Mit Hilfe von Volumenstrom und Heizleistung, kann die Dimensionierung jeder einzelnen Heizfläche vorgenommen werden. Abbildung 2.2.1: Tabellarische Ermittlung des spezifischen Volumenstroms je m 2 Nutzfläche nach spezifischem Wärmebedarf (vgl. Wilo; Informationsbroschüre: Optimierung von Heizungsanlagen) Im normalen Heizungsbetrieb, außerhalb des worst case Falles, wird an der Heizfläche der durchströmende Heizwasserstrom und die damit verbundene Wärmeabgabe durch ein Thermostatventil innenraumtemperaturgeführt reduziert. An kalten Wintertagen kann es aber der Fall sein, dass die Thermostatventile aller Heizflächen komplett geöffnet sind und der maximale Volumenstrom an allen Heizflächen gefordert wird. Krier Guy Seite 28

15 Selbst dann muss sichergestellt sein, dass ein ausreichender Volumenstrom in der Anlage durch jede Heizfläche zirkuliert. Ist dies nicht der Fall, bleiben einzelne Räume mit Wärme unterversorgt. Hiervon sind vorzugsweise Räume betroffen, die durch lange Rohrstrecken weit vom zentralen Pumpenelement entfernt sind. Abbildung zeigt wie komplex und wie unterschiedlich die mit Heizwasser zu versorgenden Teilstrecken mit ihren Heizflächen sein können. Abbildung 2.2.2: Heizungsanlage im mittlerweile üblichen Zweirohrsystem mit Etagenverteilern und unterschiedlichen Raumheizflächensystemen (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik : Seite 693) Krier Guy Seite 29

16 Tritt der Fall ein, dass Räume mit Wärme unterversorgt bleiben, obschon Pumpenund Heizflächenauslegung scheinbar korrekt durchgeführt wurden, kann es sich nur um ein hydraulisches Problem der Anlage handeln. Es wäre falsch, das Problem durch Verstellen der Heizkurve (Abbildung 2.1.2) oder durch Überdimensionieren der Umwälzpumpe zu lösen, obschon dies in der Praxis oft der Fall ist. Das Durchführen eines hydraulischen Abgleichs führt oft zur Lösung und trägt gleichzeitig dazu bei, Energie einzusparen. Krier Guy Seite 30

17 3. Hydraulischer Widerstand Bei eingeschalteter Förderpumpe einer Heizungsanlage wird zwischen Vor- und Rücklaufleitung, bzw. Saug- und Druckstutzen, eine Druckdifferenz gemessen. Diese Druckdifferenz muss von der Heizungspumpe überwunden werden. Sie wird als erforderlicher Pumpendruck der Heizungspumpe, bei sich einstellendem Volumenstrom, bezeichnet. Druckverluste, die in den Rohrleitungen, in den Armaturen, und bei jeder Rohrquerschnittsänderung und Abzweigung entstehen sind verantwortlich für die gemessene Druckdifferenz. Die Druckverluste steigen mit steigendem Volumenstrom. Der Zusammenhang zwischen Druckverlust und Volumenstrom wird durch den hydraulischen Widerstand Es gilt: ausgedrückt. Hydraulischer Widerstand (3.1) Wird der Volumenstrom in der Heizungsanlage verdoppelt, bewirkt dies mindestens eine vierfache Erhöhung des erforderlichen Pumpendruckes. Passend zu den bisherigen Kapiteln kann Laborversuch 1 durchgeführt werden! Krier Guy Seite 31

18 3.1 Rohrnetzberechnung Bei einer Rohrnetzberechnung handelt es sich um die rechnerische Ermittlung des Druckverlustes in den Teilstrecken einer Heizungsanlage. Die Druckverluste im Rohrsystem der Heizungsanlage sind zurückzuführen auf: a) Wandreibung in geraden Rohrstrecken b) Rohreinbauten und Querschnittsveränderungen durch Formstücke in den Rohrleitungen (Bögen, T-Stücke ) c) Armaturen und sonstige Bauteile (Messgeräte; Ventile wie z.b. Thermostatventile; Heizkörper usw..) Zu a): Die Überwindung der durch Reibung an der Rohrwand entstandenen Widerstandskraft bewirkt einen Druckabfall in der Strömung. Bei Heizungsanlagen ist diesem Sachverhalt der wesentlichste Anteil des gesamten Druckverlustes zuzuordnen (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik: Seite 694) Das Ausmaß des Druckabfalls hängt ab von: der Geschwindigkeit und dem Zustand der Strömung (ist sie laminar oder turbulent), der Rauigkeit der Rohrwand, der Temperatur des Fluids (Vorlauftemperatur, Spreizung) der Zähigkeit des Fluids (auch die Sauberkeit des Heizwassers spielt eine Rolle und ist zu beachten) Hat die Rohrachse eine Länge, folgt für den Druckabfall in der Rohrstrecke: (3.1.1) Wobei: λ :Rohrreibungszahl (sie ist Funktion der Reynoldszahl Re) D :Rohrinnendurchmesser (für den Fall kreisförmiger Rohre) w :Strömungsgeschwindigkeit in ρ :Dichte in Krier Guy Seite 32

19 Der Klammerwert wird üblicherweise als Druckgefälle R zusammengefasst, so dass der Druckabfall auch vereinfacht (3.1.2) ausgedrückt werden kann. Hinweis: Soll insbesondere bei neuen Heizungsanlagen eine Entscheidung getroffen werden bezüglich des zu wählenden Rohrdurchmessers, sollten folgende Überlegungen in Betracht gezogen werden: Ein größerer Rohrdurchmesser ermöglicht eine bessere Verteilung bei geringerem Bedarf an Förderleistung; er erfordert aber einen Mehraufwand an Material und Platz. Ein kleinerer Rohrdurchmesser steigert den Leistungsbedarf der Pumpe und führt zu erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten. Übliche Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten liegen, je nach betrachteter Stelle in der Anlage, zwischen 0,1 und 0,5. (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik: Seite 699) Krier Guy Seite 33

20 Travail de candidature Abbildung 3.1.1: Rohrreibungsdiagramm für Stahlrohre bei einer Wassertemperatur von 60 C (Quelle: Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik: Seite 703) Zu b): Bögen, Verengungen, Abzweigungen usw. stellen Einzelwiderstände dar. Der Druckabfall in jedem dieser Einzelwiderstände wird mit Z bezeichnet. Wird Z auf den entsprechenden Staudruck bezogen erhält man die Widerstandszahl Zeta ζ. (3.1.3) :Druckabfall am jeweiligen Einzelwiderstand Mit w :Strömungsgeschwindigkeit in ρ :Dichte in Für überschlägige Berechnungen von Rohrnetzen wird generell mit gemittelten ζ Werten gearbeitet. Sie können mit Hilfe von Tabellen oder durch Herstellerangaben bestimmt werden (siehe Abbildung 3.1.2). Man wählt als Bezugsgeschwindigkeit die Krier Guy Seite 34

21 des Teilstroms. Auf diese Weise können die Widerstandszahlen einer Teilstrecke aufsummiert werden. Abbildung 3.1.2: Zeta-Werte von Einzelwiderständen für Armaturen. (Quelle: Ihle-Bader-Golla; Tabellenbuch Sanitär Heizung Klima/Lüftung Anlagentechnik SHK: Seite 48) Zu c): Bei Bauteilen wie Heizkörper-Thermostatventile liefert der Hersteller Informationen über den Druckabfall am Bauteil. Die Druckverluste diverser Regelarmaturen sind verhältnismäßig hoch und werden nicht durch den Widerstandsbeiwert ζ bestimmt, sondern nach Diagrammen mit Hilfe von Kennwerten wie zum Beispiel dem k v oder dem k vs -Wert. Für eine Teilstrecke der Länge mit unterschiedlichen Einzelwiderständen ohne spezifische Bauteile wie Thermostatventile, ergibt sich zusammenfassend folgende Formel zur Berechnung des Druckverlustes: (3.1.4) Passend zu den bisherigen Kapiteln kann Laborversuch 2 durchgeführt werden! Krier Guy Seite 35

22 4. Funktionsweise eines Thermostatventils Thermostatventile ermöglichen eine Regulierung der Raumtemperatur, indem sie versuchen eine gewünschte, eingestellte Solltemperatur im Raum einzuhalten. Dies wird durch eine Regulierung der Durchflussmenge von Heizwasser durch die Heizfläche in Abhängigkeit der herrschenden Raumtemperatur erzielt. Abbildung 4.1: Aufbau und Funktionsweise eines Thermostatventils (Quellen: bzw. Im Thermostatkopf befindet sich ein mit Gas oder Flüssigkeit gefülltes Ausdehnungselement. Im Falle eines Anstieges der Raumtemperatur, wird die Ausdehnbewegung des Stoffes von einem Übertragungsstift auf die Ventilspindel und den Ventilkegel weitergeleitet. Der Öffnungsquerschnitt am Ventil wird verringert, was eine Reduzierung des Heizwasserdurchflusses, bzw. der Wärmeabgabe an der Heizfläche bewirkt. Bei einer Abnahme der Raumtemperatur wird die Ausdehnung des Gases oder der Flüssigkeit wieder geringer. Eine Rückstellfeder sorgt für den Rückhub von Ventilkegel, Ventilsspindel und Übertragunfgsstift. Der Öffnungsquerschnitt am Ventil wird wieder größer. Das Drehen des Ventilkopfes ermöglicht ein schnelleres Heranbringen des Ventilkegels an seine Ausgangs-, bzw. Endstellung. Am Ventilkopf wird deshalb grob die gewünschte Raumsolltemperatur eingestellt. Der Temperaturunterschied von einer Zahl zur anderen sollte in etwa zwei bis drei C Krier Guy Seite 36

23 betragen. Rückstellfeder und Ausdehungselement sorgen für die Feinregulierung der Wärmeabgabe. Damit das Regelverhalten zufriedenstellend funktioniert, müssen einige Grundvoraussetzungen stimmen: - korrekte Auswahl (Dimensionierung) des Thermostatventils - angepasste Vorlauftemperatur (z.b. außentemperaturgeführt) - reduzierter Heizwassermaximaldruck (ein Aufdrücken des Ventilkegels wird verhindert) - optimaler Differenzdruck (Druckverlust) am Thermostatventil. Wird ein Maximalwert überschritten, verschlechtert sich das Regelverhalten und außerdem stellen sich zusätzlich Strömungsgeräusche ein Kennwerte eines Thermostatventils Ventilautorität Die Ventilautorität a ist der relative Druckabfall am voll geöffneten Ventil im Verhältnis zum Gesamtdruckabfall im Netz. Es gilt folgende Definition: Netz Geöffnetes Ventil (Vgl. Prof. Frank Scholzen; Vorlesungsmaterial WS Heizungstechnik Teil2) Bei der Auslegung des Thermostatventils gilt als ideal, wenn sich der Heizwasserdurchfluss annähernd proportional zur Stellbewegung des Ventilkegels verhält (Proportionalregler). Ist dies nicht der Fall, stellt sich entweder ein hoher Druckverlust oder ein schlechtes Regelverhalten ein. Krier Guy Seite 37

24 Anzustrebende Werte für die Ventilautorität a sind demnach 0,25 bis 0,7 für Ventile mit durchgehend linearem Verhalten zwischen Ventilhub und Durchfluss. Bei Ventilen ohne ausgeprägtem linearem Verhalten zwischen Ventilhub und Durchfluss (sogenannten geichprozentigen Ventilen) sind geringe Werte unter 0,25 für die Ventilautorität optimal kv bzw. kvs-wert Der k V -Wert gibt den Nenn-Volumenstrom des Heizwassers in m 3 /h bei einem Druckverlust von in der Regelarmatur an. Dabei ist die Armatur nicht vollständig geöffnet => Ventilhub H < H 100% Der k VS -Wert gibt den Nenn-Volumenstrom des Heizwassers in m 3 /h bei einem Druckverlust von in der Regelarmatur an. Dabei ist die Armatur vollständig geöffnet => Ventilhub H = H 100% Mit den Kennwerten kann der tatsächliche Druckabfall an der Regelarmatur folgendermaßen ausgedrückt werden: ( ) ( ) Und ( ) Es gilt: Krier Guy Seite 38

25 Δpv Travail de candidature Aus Formel ( ) lässt sich der Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz und dem Volumenstrom ableiten: ( ) V Der exponentielle Verlauf lässt sich im doppelt logarithmischen Diagramm als Gerade mit Steigung 2 ausdrücken (vgl. Abbildung ): ( ) Zu bemerken ist, dass bei einem vollkommenen Schließen des Thermostatventils der Duckverlust auf unendlich ansteigt. Thermostatventile können mit einem festen oder einem einstellbaren k V -Wert ausgestattet sein. Sind sie mit einem einstellbaren k V -Wert ausgestattet, kann der k V -Wert, je nach Ausführung in einem Bereich von minimal 0,1m 3 /h bis maximal 1m 3 /h verändert werden. Der Thermostatventilhersteller liefert dem Kunden Kennfelder oder Datenschieber. An Hand dieser Hilfsmittel kann aufgeschlüsselt werden, wie Voreinstellung, Druckverlust über die Armatur und Volumenstrom zusammenhängen (vgl. Abbildung ). Abbildung zeigt wie die Voreinstellung eines Heizkörper-Thermostatventils erfolgt: der Ventilkopf wird zuerst vom Gehäuse abgeschraubt, dann wird ein Skalenring auf den ermittelten Einstellwert (N-7-6 1) gedreht. Bei N ist die Voreinstellung aufgehoben und der Durchfluss maximal. Bei einer Einstellung mit dem Zahlenwert 1 ist der Durchfluss minimal. Krier Guy Seite 39

26 Abbildung : Voreinstellung am Ventilgehäuse eines Thermostatventils. (Quelle: / Bei Regelarmaturen mit einstellbaren k V -Werten kann mithilfe der Thermostatventile überschüssiger Druck gedrosselt werden und damit der hydraulische Abgleich der Heizkörper übernommen werden. (Quelle: Zierhut; Sanitär Heizung Klima Technische Mathematik: Seite 228) Abbildung : Druckverlust in Abhängigkeit des Massenstromes an einem Thermostatventil bei unterschiedlichen kv Werten. (Quelle: Ihle-Bader-Golla; Tabellenbuch Sanitär Heizung Klima/Lüftung Anlagentechnik SHK: Seite 48) Krier Guy Seite 40

27 Voreinstellung Abbildung : Bestimmung der Voreinstellung eines Thermostatventils (Quelle: Danfoss Einbauventil mit Voreinstellung, Typ RA-N 013G3390) Proportionalbereich (P-Bereich) Der Proportionalbereich eines Thermostatventils gibt an, wie viel Grad Celsius (oder Kelvin) Raumtemperaturerhöhung dazu führen, dass das Ventil vom Auslegungszustand (z.b. 20 C Raumtemperatur) ausgehend schließt. Ein P-Bereich von 2K bedeutet, dass bei 22 C Raumtemperatur das Ventil voll geschlossen ist. Der Auslegungsproportionalbereich soll typischerweise zwischen 1 bis 2K liegen. Zur korrekten Bestimmung des passenden Thermostatventils dienen neben der Berechnung von Druckdifferenz, Volumenstrom und k v -Wert auch die vom Hersteller gelieferten Ventilinformationen in Form von Tabellen oder Kennfeldern. Krier Guy Seite 41

28 5. Definition hydraulischer Abgleich Bei dem hydraulischen Abgleich einer Heizungsanlage werden Volumenströme und Druckverhältnisse einer Heizungsanlage so reguliert, dass jeder Wärmeverbraucher entsprechend seines Wärmebedarfs mit Heizwasser versorgt wird. (vgl. FÖGES Fördergemeinschaft Gebäude- und Energiesysteme GmbH / Februar 2011) Wasser sucht sich generell den Weg mit dem geringsten Fließwiderstand. Soll das Fließverhalten des Wassers beeinflusst werden, kann dies nur durch zusätzlich eingebrachte Strömungswiderstände realisiert werden. Abbildung 5.1: Physikalisches Grundprinzip des hydraulischen Abgleichs (Quelle: VdZ, FORUM für Energieeffizienz in der Gebäudetechnik e.v.; Hydraulischer Abgleich in größeren Anlagen: Seite 5) Das folgende Schema (Abbildung 5.2) zeigt, vereinfacht dargestellt, drei parallel zum Wärmeerzeuger angeordnete Teilstrecken mit ihren Heizflächen. Eine zentrale Umwälzpumpe versorgt die Heizflächen mit Heizwasser. Es handelt sich um eine, mittlerweile bei Neubauten übliche, Anordnung als Zweirohrsystem. Im Rohrleitungssystem der Heizungsanlage setzt sich der Widerstand, wie bereits in Kapitel 3.1. behandelt, aus dem Reibungsverlust des Wassers an der Rohrwand entlang des Strömungsweges und den Einbauten (Armaturen usw. ) zusammen. (Quelle: VdZ, FORUM für Energieeffizienz in der Gebäudetechnik e.v.; Hydraulischer Abgleich in größeren Anlagen: Seite 5) Krier Guy Seite 42

29 Wärmeerzeuger Δp Abbildung 5.2: schematische Darstellung eines hydraulisch nicht abgeglichenen Heizungsstranges. Für die folgenden Betrachtungen wird davon ausgegangen, dass: die Pumpenbetriebsweise in keiner Weise geregelt ist (vgl. Kapitel 6). (Die ungeregelte Umwälzpumpe wird mit konstanter Leistung (Stufe) betrieben.) von allen Heizflächen die maximale Wärmeleistung gefordert wird, d.h. die Thermostatventile sämtlicher Heizflächen sind voll geöffnet, verstellen sich nicht und variieren nicht den Volumenstrom (Volllastbetrieb). Dies ist vor allem an sehr kalten Tagen der Fall (dem Auslegungsfall), während denen permanent eine hohe Heizleistung gefordert ist oder nach einer längeren Abkühlphase des Heizsystems, wenn punktuell eine hohe Wärmeanforderung besteht. Sollen alle Heizflächen mit Volumenstrom versorgt werden, wird die von der Pumpe zu überwindende Druckdifferenz durch die Teilstrecke vorgegeben, in dem der Druckverlust maximal ist. Üblicherweise handelt es sich dabei um die Teilstrecke mit den längsten Rohrlängen bis zur Heizfläche d.h. also die Teilstrecke mit der Heizfläche, die am weitesten von der Pumpe entfernt ist. Krier Guy Seite 43

30 Zwei Situationen sind vorstellbar: o Die Heizfläche im ungünstigsten Teilkreis wird nicht mit dem erforderlichen, aus der Heizlastberechnung ermittelten Volumenstrom versorgt. Dies ist dann der Fall, wenn bei dem sich einstellenden Pumpendifferenzdruck unzureichend Volumenstrom gefördert wird. => die Heizfläche kann den Raum nicht wie gewünscht erwärmen. o Die Förderpumpe wurde groß genug dimensioniert. Der entfernteste Heizkörper wird bei dem sich einstellenden Pumpendifferenzdruck problemlos mit dem gewünschten Volumenstrom durchströmt. An allen Teilstrecken liegt der von dem ungünstigsten Teilkreis vorgegebene Pumpendruck an. Leitungsstränge von pumpennahen Heizflächen stellen durch ihren reduzierten Anteil an Rohrlängen und Armaturen dem Heizwasser aber weniger Fließwiderstand entgegen als weiter von der Pumpe entfernte Heizflächen. Ohne zusätzliche gezielte Drosselung in den pumpennahen Teilstrecken, steigt dort jetzt der Volumenstrom entscheidend über den tatsächlichen Bedarf an. => die pumpennahen Heizflächen werden mit Wärme überversorgt. Gleichzeitig steigt die Fließgeschwindigkeit des Heizwassers. An Drosselstellen wie z.b. den Thermostatventilen machen sich Strömungsgeräusche bemerkbar. Schließen die Thermostatventile im Teillastbetrieb, bei Erreichen der gewünschten Raumtemperatur, würde sich die Geräuschentwicklung noch zusätzlich verschlimmern. Erfolgt ein stationärer (quasi statischer) hydraulischer Abgleich eines Heizungsstranges, werden Teilstrecken mit geringeren Druckverlusten dem Druckverlust der ungünstigsten Teilstrecke angepasst, so dass alle Strecken den gleichen hydraulischen Widerstand besitzen. Praktisch ist das jedoch nur für einen Arbeitspunkt bei gleichbleibenden Bedingungen und bestimmter Durchflussmenge möglich (z.b. Volllastbetrieb). Schwankt die Pumpenfördermenge oder werden einzelne Heizkörper geschlossen, verändern sich die hydraulischen Verhältnisse in der Anlage. Krier Guy Seite 44

31 Aus diesem Grund erfolgt der stationäre hydraulische Abgleich nur für einen besonders kritischen Zustand, dem der maximalen Heizlast, bei der alle Heizflächen mit ausreichend Volumenstrom durchströmt werden müssen. (vgl. Hydraulischer Abgleich). Zur Realisierung des Abgleichs werden Drosselarmaturen eingebaut. Sie fangen den fehlenden Fließwiderstand der pumpennäheren Teilstrecken auf und gleichen ihn aus. Es können entweder Thermostatventile mit Durchflusskennwert (angepasste k V - Kegel) eingesetzt werden, an denen der erforderliche Wert eingestellt wird (vgl. Kapitel 4.1.2) oder mit Hilfe von Rücklaufverschraubungen werden die Durchflusswiderstände reguliert. Wobei aber zu bemerken ist, dass das Benutzen von Rücklaufverschraubungen wegen zu großer Toleranzen und schlechter Überprüfbarkeit eher vermieden werden sollte. (Quelle: Bernd Scheithauer; Abbildung 5.3: Rücklaufverschraubungen (Quelle: Bernd Scheithauer; Insbesondere durch den Einsatz von Hocheffizienzpumpen mit geregeltem Pumpendruck (vgl. Kapitel 6) ist es sinnvoll, den hydraulischen Abgleich der Anlage so durchzuführen, dass die maximal mögliche Durchflussmenge für jede einzelne Heizfläche auf den aus der Heizlastberechnung ermittelten, notwendigen Volumenstrom begrenzt wird. Durch diese Vorgehensweise wird der abzusperrende Druck am einzelnen Thermostatventil minimal und damit die Lebensdauer der inneren Mechanik verlängert. (vgl. Hydraulischer Abgleich) Krier Guy Seite 45

32 6. Ungeregelte und geregelte Heizungspumpen 6.1. Grundlagen Bei der überwiegenden Mehrheit der in Heizungsanlagen verwendeten Pumpen handelt es sich um Kreiselpumpen, die als Nassläuferpumpen ausgeführt sind. Der Antrieb der Pumpenwelle erfolgt oft durch einen elektrisch angetriebenen Spaltrohr- Synchronmotor. Das Laufrad, welches das Wasser umwälzt, der Läufer des Motors und die Pumpenwelle bewegen sich im Heizwasser. Diese Teile müssen von dem Fördermedium gekühlt und geschmiert werden. Grundvoraussetzung dafür ist jedoch eine horizontale Einbaulage der Pumpenwelle. Damit Kühlung und Schmierung nicht unterbrochen werden, dürfen sich außerdem keine Lufteinschlüsse in der Pumpe bilden. Dies kann durch einen geringen Überdruck im Heizungssystem verhindert werden. Er verhindert ebenfalls, dass sich zu schnell Dampfblasen (Kavitation) in kritischen Betriebszuständen bilden. An anderen Stellen des Heizungssystems wird durch den Überdruck vermieden, dass von außen Luft in das Wassersystem eindringen kann Pumpenkennlinien Pumpen in Heizungsanlagen haben nicht die Bestimmung, Flüssigkeit von einem tiefer gelegenen Ort auf eine Höhe zu fördern. Bei Heizungsanlagen handelt es sich um einen geschlossenen Förderkreis. Die Pumpe muss das Heizwasser in diesem Förderkreis, dem Heizkreis, in Bewegung setzen. Sie muss dabei keinen Höhenunterschied, sondern nur die Druckverluste in den Rohrleitungen und den Heizungsarmaturen überwinden. Die Druckerhöhung in der Pumpe, die zur Überwindung dieser Widerstände benötigt wird, wird dennoch mit Förderhöhe H bezeichnet. Als Einheit wird mws (Meter Wassersäule) benutzt. Wobei 10mWs an Förderhöhe näherungsweise 1bar Druckerhöhung entspricht. Die Förderhöhe H entspricht dem an der Pumpe anliegendem Pumpendifferenzdruck p. Der von der Pumpe gelieferte Förderstrom wird üblicherweise angegeben in oder. Krier Guy Seite 46

33 Der Zusammenhang zwischen Förderhöhe H (oder Pumpendifferenzdruck p) und Förderstrom der Pumpe wird graphisch als Pumpenkennlinie dargestellt. Es ergibt sich ein charakteristischer Kennlinienverlauf: Absinken der Förderhöhe mit zunehmendem Förderstrom. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe ergibt sich durch den geförderten Volumenstrom bei anstehendem Pumpendifferenzdruck. Er setzt sich aus dem Motorwirkungsgrad und dem hydraulischen Wirkungsgrad (Pumpenwirkungsgrad) zusammen. Mit: Abbildung : Leistungen und Wirkungsgrade einer elektrisch angetriebenen Pumpe (Quelle: Grundfoss) Trägt man den Geamtwirkungsgrad mit der Pumpenkennlinie in einem Diagramm auf, kann man erkennen, dass optimale Wirkungsgrade generell im mittleren Drittel der Pumpenkennlinie herrschen. Bei der Auslegung von ungeregelten Pumpen muss dieser Tatsache Rechnung getragen werden. Nullförderhöhe Gesamtwirkungsgrad Theoretischer Verlauf der Pumpenkennlinie bei geringer Förderhöhe Pumpenkennlinie Abbildung : Pumpenkennlinie und Gesamtwirkungsgrad (Quelle: Wilo Informationsbroschüre: Pumpenfibel) Krier Guy Seite 47

34 Der Widerstand einer Heizungsanlage und die daraus für die Pumpe resultierende Förderhöhe ist minimal, wenn alle Thermostatventile voll geöffnet sind (Nennlast- bzw. Volllastbetrieb). Alle anderen Betriebspunkte mit höherem Strömungswiderstand liegen im Pumpendiagramm links von diesem extremen Betriebspunkt. Sie stellen sich in der Anlage ein, wenn die Thermostatventile teilweise (Teillastbetrieb) oder komplett geschlossen (Nulllastbetrieb) sind. Thermostatventile komplett geschlossen Alle Thermostatventile voll geöffnet Thermostatventile nicht komplett geöffnet Abbildung : Verschiebung des Betriebspunktes durch Erhöhen des Strömungswiderstandes (Quelle: Wilo Informationsbroschüre: Pumpenfibel) Mit einer Reduzierung des geförderten Volumenstromes, steigt der Pumpendifferenzdruck an der Pumpe, wie Abbildung verdeutlicht. Bei Pumpen ohne Anpassung der Förderhöhe oder des Förderstromes an den eigentlichen Bedarf der Anlage, machen sich bei zu viel gefördertem Volumenstrom oder bei zu hohem Pumpendruck, Fließgeräusche in den Ventilen als Nebeneffekt bemerkbar. Außerdem verschlechtert sich wegen den ungünstigen Druckbedingungen die Ventilautorität der Thermostatventile. Verfügt die Anlage über einen Bypass mit Überströmventil, kann überschüssiger Pumpendruck über diesen Bypass abgebaut werden. Fließgeräusche werden so an den Thermostatventilen der Heizflächen vermieden. In das Heizwasser eingebrachte Pumpenenergie wird aber ungenutzt vernichtet. Ein weiterer negativer Effekt ist, dass durch das direkte Beimischen von Vorlauf- Heizwasser in den Rücklauf beim Öffnen des Überströmventils, die Heizwasserrücklauftemperatur und damit die mittlere Kesseltemperatur des Wärmeerzeugers ansteigt. Krier Guy Seite 48

35 Anpassung der Pumpenförderhöhe durch Drehzahlregelung Es gibt einige Möglichkeiten, Förderhöhe oder Förderstrom den Betriebsbedingungen anzupassen. Es können zum Beispiel mehrere Pumpen in Reihe oder parallel benutzt werden. Bei Bedarf könnten so einfach Pumpen zu- bzw. abgeschaltet werden. Weniger aufwendig als das Benutzen mehrerer Pumpen ist das Verändern der Pumpendrehzahl einer einzigen Pumpe. Dies kann in Stufen oder stufenlos erfolgen. Besonders seit den letzten zehn Jahren sind stufenlos, elektronisch geregelte Hocheffizienzpumpen immer mehr verbreitet. Ihr Antrieb erfolgt oft durch einen Permanentmagnet-Motor. In Pumpen, deren Technik nicht für Drehzahlvariationen vorgesehen ist, darf ein bestimmter Mindestförderstrom nicht unterschritten werden, da der Förderstrom ja auch gleichzeitig den Motor kühlt. Ist eine Drehzahlvariation jedoch möglich, stellt sich in etwa: - ein Volumenstrom proportional zur Drehzahl ein, ( ) - ein Pumpendifferenzdruck (Förderhöhe) proportional zum Quadrat der Drehzahl; ( ) Mit Gleichung ( ) und ( ) lässt sich der folgende Zusammenhang zwischen dem elektrischen Leistungsbedarf (= Leistungsaufnahme P 1 der Pumpe in Watt) und der Motordrehzahl herleiten: Es gilt (vgl. Abbildung ): Mit: Daraus folgt: Und: ( ) Die Leistungsaufnahme P 1 der Pumpe ist laut ( ) annäherungsweise proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. ( ) Krier Guy Seite 49

36 Damit wird offensichtlich, dass drehzahlgeregelte Pumpen entscheidend zur Energieeinsparung der gesamten Anlage beitragen können. Pumpenkennlinien El. Leistungsaufnahme Abbildung : Pumpenkennlinien, Strömungsgeschwindigkeit und elektrische Leistungsaufnahme einer ungeregelten Nassläuferpumpe mit drei schaltbaren Stufen. (Quelle: Wilo Informationsbroschüre: Pumpenfibel) Krier Guy Seite 50

37 6.2. Pumpenregelungsarten Regelungsart: konstanter Differenzdruck Abbildung : Druckverläufe in einem stromvariablen Netz bei Nennlast (alle Thermostatventile offen => Auslegungspunkt) und Null-Last (alle Thermostatventile geschlossen). (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik : S609) Abbildung zeigt das typische Verhalten eines stromvariablen Zweirohrnetzes betrieben mit einer ungeregelten Pumpe. Beim letzten Verbraucher n steigt lastabhängig die anstehende Druckdifferenz von im Auslegungsfall auf im ungünstigsten Nulllastfall an, bedingt durch die weggefallenen Druckverluste in den Vorlauf- und Rücklaufverteilleitungen, aber auch durch die Reaktion der Pumpe, die ihre Förderhöhe von H 100 auf die Nullförderhöhe H 0 erhöht. (vgl. Buderus Heiztechnik GmbH; Handbuch für Heizungstechnik : S610) Eine Möglichkeit, die Pumpendrehzahl bedarfsabhängiger zu regulieren besteht darin, einen maximalen, konstanten Sollwert Δp H Sollwert für die Förderhöhe (Pumpendifferenzdruck) einzuhalten. Es ist dabei sinnvoll einen Wert zu wählen, der dem sich einstellenden Differenzdruck an der Pumpe bei Nennlastbetrieb im Auslegungsfall entspricht d.h.. Nur dann ist sichergestellt, dass alle Verbraucher im Auslegungsfall ausreichend mit Heizwasser versorgt werden. Der Sollwert für den einzuhaltenden Pumpendifferenzdruck kann am Display der Pumpe eingegeben werden. Krier Guy Seite 51

38 Anlagenkennlinie bei Teillast Anlagenkennlinie bei Nennlast H 100 P 1 Förderstrom um Δ reduziert im Vergleich zu einer ungeregelten Pumpe Abbildung : Drehzahlregelung Δp = konstant (Quelle: Wilo Informationsbroschüre: Pumpenfibel) Bei dieser Regelungsart ist das Energieeinsparpotential nicht vollständig ausgeschöpft, da der Auslegungsfall nur äusserst selten eintritt und die Anlage grösstenteils im Teillastbereich betrieben wird. Dort reicht in den meisten Fällen ein noch geringerer Pumpendifferenzdruck als bereits aus. Dadurch werden andere Regelstrategien sinnvoll Regelungsart: Variabler Differenzdruck Bei einer Regelung mit variablem Differenzdruck verändert die Pumpenelektronik den einzuhaltenden Differenzdrucksollwert nach einer vorgegebenen Kennlinie. So kann zum Beispiel der Differenzdruck linear zwischen dem Sollwert H 100 für den Auslegungsfall (Nennlast) und im Teillastbereich verändert werden. H 100 H 100/2 Abbildung : Drehzahlregelung Δp = variabel (Quelle: Wilo Informationsbroschüre: Pumpenfibel) Krier Guy Seite 52

39 Welche dieser beiden Pumpenregelungsarten eingesetzt werden soll, richtet sich auch nach den Eigenschaften des Rohrnetzes. Eine Regelung mit konstantem Differenzdruck wird vorzugsweise eingesetzt, wenn der Widerstand der Rohrleitungen klein ist im Vergleich zum Widerstand der Thermostatventile, z.b. bei großzügig dimensionierten Zweirohrnetzen oder umgebauten Einrohranlagen. Eine Regelung mit variablem Differenzdruck wird eingesetzt, wenn der Widerstand der Rohrleitungen ähnlich groß ist wie der Widerstand der Thermostatventile (bei knapp dimensionierten Zweirohranlagen, Fußbodenheizungen). (Quelle: Bernd Scheithauer; Temperaturabhängige Drehzahlstellung Bei einer weiteren möglichen Regelungsart, ist die Heizwassertemperatur für die einzustellende Pumpendrehzahl ausschlaggebend. Je nach System kann sich die Pumpendrehzahl nach Vorlauf- oder Rücklauftemperatur oder nach der Temperaturspreizung richten und demnach fallen oder ansteigen. Problematisch bei dieser Regelungsart ist der Temperatureinfluss der durch die Drosseleingriffe an den Thermostatventilen entsteht. Ein Absinken der Rücklauftemperatur kann nicht eindeutig zurückgeführt werden auf einzelne Drosseleingriffe an den Verbrauchern oder auf eine abnehmende Anlagenbelastung allgemein Zeitabhängige Drehzahlregelung Bei der Nachtumschaltung des Wärmeerzeugers sinkt die Vorlauftemperatur. Eine Reaktion darauf ist das Öffnen der Thermostatventile und folglich eine unnötige Erhöhung des Förderstroms. Wenn die Pumpenregelung über eine zeitabhängige Drehzahlanpassung verfügt, kann durch ein Herunterfahren der Drehzahl auf ein Minimum der Förderstrom der reellen, minimalen Last während der Nacht angepasst werden. Passend zu den bisherigen Kapiteln kann Laborversuch 3 und 4 durchgeführt werden! Krier Guy Seite 53

40 7. Hydraulischer Abgleich zwischen mehreren Heizungssträngen Ein lastabhängiger Abgleich der Hydraulik in komplexeren Heiz- und Kühlanlagen mit mehreren Strängen ist mit statischen Durchflussvoreinstellungen an den Thermostatventilen bzw. mit Hilfe von Rücklaufverschraubungen der Heizkörper nur schwer zu realisieren. Setzt sich eine Heizungsanlage aus mehreren Teilsträngen zusammen, muss für jeden Strang ein hydraulischer Druckabgleich erfolgen. Hierfür werden Strangregulierventile und Differenzdruckregler eingesetzt. Sie erlauben es, den Differenzdruck in den betrachteten Anlagenabschnitten, unabhängig vom Lastzustand, weitgehend konstant zu halten. Abbildung 7.1: Strangregulierventil (Quelle: Abbildung 7.2: Differenzdruckregler (Quelle: Krier Guy Seite 54

41 7.1. Funktionsweise eines Differenzdruckreglers Differenzdruckregler sind automatisch arbeitende Strangregulierventile. Sie werden im Rücklauf eingesetzt und sorgen für ein unter allen Betriebsbedingungen ideales hydraulisches Gleichgewicht. Es gibt Differenzdruckregler mit fest eingestelltem Differenzdrucksollwert und auch einstellbare Ausführungen. Der Druck im Vorlauf wird über eine Impulsleitung gemessen. Die Messung des Drucks im Rücklauf erfolgt in der Regel innerhalb der Armatur. Abbildung 7.1.1: Differenzdruckregler in jedem Strang (Quelle: FÖGES Fördergemeinschaft Gebäude- und Energiesysteme GmbH: Hydraulischer Abgleich in größeren Anlagen / Februar 2013) Abbildung 7.1.2: Differenzdruckregler in jedem Abgang einer Teilstreck Schließen einige Thermostatventile in einer Teilstrecke, entstehen höhere Druckdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf. Der Differenzdruckregler reagiert auf den Druckanstieg und übernimmt den Anstieg. So kann ein konstanter Differenzdruck über den Strang beibehalten werden. Übliche Einstellwerte sind zum Beispiel 150mbar, da Differenzdrücke über diesen Wert hinaus zu Strömungsgeräuschen in den Thermostatventilen führen. (vgl. FÖGES Fördergemeinschaft Gebäude- und Energiesysteme GmbH: Hydraulischer Abgleich in grösseren Anlagen / Februar 2013; Seite13-14) Krier Guy Seite 55

42 8. Zusammenfassung Durch einen korrekt durchgeführten hydraulischen Abgleich lassen sich folgende positive Auswirkungen auf den Betrieb einer Heizungsanlage erzielen: 1) Ein gleichmäßiges und schnelles Aufheizen aller Räume: Das warme Heizungswasser erreicht alle Bereiche der Heizungsanlage gleichzeitig, ein gleichmäßiges und schnelles Aufheizen aller Räume wird dadurch sichergestellt. 2) Weniger Energieverbrauch: Der Energieverbrauch sinkt, da in den meisten Fällen die Pumpenleistung reduziert und die vorgegebene Vorlauftemperatur optimal genutzt werden kann. 3) Keine Geräuschbelästigung: Es entstehen keine störenden Strömungsgeräusche an den Heizflächen durch zu hohe Fließgeschwindigkeiten des Heizungswassers. 4) Mehr Komfort: Bei einer Fußbodenheizung werden eine verbesserte Temperaturverteilung und eine optimale Wärmeabgabe erreicht. (Quelle: FÖGES Fördergemeinschaft Gebäude- und Energiesysteme GmbH: Grundlagen des hydraulischen Abgleichs / Februar 2011) Krier Guy Seite 56

43 Der hydraulische Abgleich kann durch das Voreinstellen von Thermostatventilen, durch Differenzdruckregler/Strangregulierventile oder durch einstellbare Rücklaufverschraubungen erfolgen. Dabei wird der Fließwiderstand in jeder Teilstrecke der Anlage angepasst und der Volumenstrom durch die Heizfläche wird auf den erforderlichen Wert reduziert. Zu welchem Zeitpunkt das Durchführen des hydraulischen Abgleichs durchgeführt werden soll, ist im folgenden Schema aufgeführt: Berechnung des Wärmebedarfs (Heizlastberechnung ) Festlegung der Systemtemperaturen ϑ V, Δϑ Richtige Druck- und Wärmeverteilung Ermittlung des Wärmebedarfs (Heizlastberechnung) Ermittlung bzw. Messung der Systemtemperaturen ϑ V, Δϑ Auslegung der Raumheizflächen Überprüfung der Raumheizkörper Berechnung des Heizkörpervolumenstromes Bemessung des Rohrnetzes Neuanlagen Voreinstellung der Thermostatventile Altanlagen Berechnung des Heizkörpervolumenstromes Ermittlung der Rohrnetzdruckverluste Falls erforderlich, Strangregulierventile, Einstellungen Ermittlung der Voreinstellung Diff.-druckregler, wenn Netzdruck 20kPa Bestimmung des Pumpendruckes Ermittlung der Voreinstellwerte der Th.ventil. Annahme ~10kPa am Ventil Umwälzpumpe überprüfen Falls erforderlich, Strangregulierventile, Voreinstellung ermitteln, nachträglich Einregulieren Diff.-druckregler, wenn Netzdruck 20kPa (Quelle: Ihle-Bader-Golla; Tabellenbuch Sanitär Heizung Klima/Lüftung Anlagentechnik SHK: Seite 411) Aus dem Schema geht hervor, dass der hydraulische Abgleich erst nach den folgenden Überlegungen und Berechnungen sinnvoll ist: - Die Systemparameter Vorlauftemperatur und Temperaturspreizung müssen für den Auslegungsfall (worst case Fall) ermittelt worden sein. - Anhand der Heizlastberechnung muss die Heizflächendimensionierung für den Auslegungsfall vorgenommen worden sein. Es ergibt sich damit der maximal erforderliche Heizwasservolumenstrom durch jede Heizfläche. Krier Guy Seite 57