Infrastructure & Cities Sector Building Technologies Division

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1 Fachartikel Infrastructure & Cities Sector Building Technologies Division Zug, 23. Oktober 2012 Dynamischer Abgleich für dynamische Netze Fortschrittliche hydraulische Netze müssen einen energiesparenden, wirtschaftlichen und einwandfreien Betrieb gewährleisten, Abweichungen von der ursprünglichen Planung kompensieren, zukünftige Nachrüstungen zulassen und niedrige Installationskosten aufweisen. Doch wie gelingt die effiziente Regelung immer komplexerer Netze in sämtlichen Teillastzuständen? Mit dynamischen Lösungen für einen dynamischen Betrieb. Hydraulische Netze sind ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Gebäudes. Sie dienen nicht nur zur Beheizung oder Klimatisierung, sondern sind auch ein enormer Kostenfaktor, wenn es um den Betrieb mit Hilfe elektrischer Pumpen geht. P el = Δp V η Um ein hydraulisches Netz energiesparend und wirtschaftlich zu betreiben, ist es zwingend erforderlich, den transportierten Volumenstrom zu variieren. Die Formel zur Berechnung der elektrischen Pumpenleistung zeigt, dass vor allem die Anpassung des zirkulierten Volumenstroms die Möglichkeit schafft, einen erheblichen Anteil der Pumpenenergie einzusparen. Der Einsatz von Systemen mit konstantem Volumenstrom scheint da nicht mehr zeitgemäß. Während der Einsatz geregelter Pumpen und die Anpassung des geförderten Volumenstroms sowie die Reduzierung der bereitgestellten Pumpendruckdifferenz heute bereits üblich ist, so erfolgt die Regulierung des nachgeschalteten Netzes überwiegend immer noch auf Basis statischer Regeleingriffe. Es ist üblich, hydraulische Netze mit statischen Abgleichdrosseln, voreinstellbaren Regelarmaturen oder Strangregulierventilen abzugleichen. Diese Eingriffe werden natürlich lediglich einmal und auch nur für den einzig berechneten Zustand vorgenommen, den Auslegungszustand bei Volllast. Im späteren Betrieb des hydraulischen Netzes kommt es allerdings nur noch sehr selten zum Auslegungszustand, denn in nahezu allen Betriebssituationen befindet sich die Anlage in Teillast. Hier stellt sich die Frage, ob sich neben der Pumpe nicht auch 1 / 6

2 die Regulierung des Netzes an die jeweiligen Teillastzustände anpassen sollte und ob ein statischer Abgleich in einer variablen Anlage vielleicht sogar hinderlich ist. Alles eine Frage der Gleichzeitigkeit Der statische hydraulische Abgleich ist letztlich ein zusätzliches Einbringen von erheblichen Widerständen, um im Auslegungszustand der Anlage den Druckverlust jedes Fließwegs an den ungünstigsten im System anzugleichen, was für den einwandfreien Betrieb in diesem Zustand auch notwendig ist. Dies gilt allerdings, wie schon beschrieben, nur für den Auslegungszustand und somit nur für einen Bruchteil der Betriebszustände, denn überwiegend befindet sich ein hydraulisches Netz im Teillastzustand. Betrachtet man diese Teillastzustände, muss man allerdings zwischen zwei unterschiedlichen Fällen unterscheiden. Einerseits gibt es den Fall, in dem das Netz insgesamt sehr gleichmäßig belastet ist, es verhalten sich also alle Verbraucher ähnlich. In diesem Fall kann ein statischer Regeleingriff auch im Teillastzustand eine hilfreiche Unterstützung des Regelventils darstellen, da sich die Widerstände proportional zum Volumenstrom verhalten und sich bei gleichartiger Variation der Volumenströme auch die Widerstände gleichmäßig ändern. Ist das hydraulische Netz allerdings ungleichmäßig ausgelastet, wie beispielsweise bei gleichzeitiger Versorgung von Nord- und Südseite eines Gebäudes oder bei Versorgung von Bereichen unterschiedlicher Nutzung, so kann der statische hydraulische Abgleich schnell hinderlich werden. In Gebäuden solcher Nutzung ist der ungünstigste Fließweg nicht mit der Berechnung des Auslegungszustandes zu bestimmen. Je nach momentaner Belegung, interner und externer Lasten variiert der ungünstigste Fließweg hier kontinuierlich. Das Verhalten des Netzes ist dynamisch. Die verbauten statischen Abgleichdrosseln sind dann nicht nur überflüssig, sondern stellen auch einen erheblichen hydraulischen Widerstand dar, der einerseits nicht notwendig ist und andererseits in Abhängigkeit der Auslastung sogar die Regelung des Netzes verschlechtern kann. Da sich die hydraulischen Netze in Gebäuden nahezu immer in Teillastzuständen befinden, ergibt sich hieraus die Problematik, dass die Pumpe bei Anlagen mit variablen Volumenströmen und herkömmlichem statischen hydraulischen Abgleich kontinuierlich unnötige Widerstände überwinden muss, die gleichzeitig nicht zur Verbesserung der Regelbarkeit beitragen, da sie nicht für diesen Betriebszustand ausgelegt sind. In Abhängigkeit der Pumpenregelung kann dies sogar zu einer Unterversorgung einzelner Fließwege führen, da hier der zusätzliche Widerstand der statischen Abgleichdrossel eventuell nicht überwunden werden kann. Vorstellbar ist dies beispielsweise bei einer Anlage mit Endpunktregelung der Pumpe, also mit einer Druckmessung über dem Verbraucher im ungünstigsten Fließweg der Anlage, berechnet auf den Auslegungszustand. Betrachtet man hier einen Teillastzustand, in dem sämtliche Fließwege geschlossen sind und nur der pumpennahe Fließweg mit der größten statischen Drosselung volle 2 / 6

3 Leistung anfordert, so wird schnell deutlich, dass die verfügbare Pumpendruckdifferenz unter Umständen nicht für den angeforderten Fließweg ausreicht. [Bild1] In Abbildung 1 ist ein klassisches Netz mit statischem Abgleich dargestellt. Beispielhaft lässt sich hier ein Teillastzustand beschreiben, in dem die Fließwege 2-5 geschlossen sind und nur Fließweg 1 betrieben wird. Während hier der statische Abgleich auf den ungünstigsten Fließweg 6 ausgelegt ist, stellt sich in diesem Betriebszustand der eigentlich günstig gelegene Fließweg 1 als ungünstigster Fließweg im aktuellen hydraulischen Zustand dar. Die statische Abgleichdrossel generiert hier einen enormen Druckverlust obwohl sie nicht notwendig ist. Auch wenn es nicht immer zu einer merkbaren Unterversorgung kommt, so sollte doch deutlich werden, dass auch unter energetischen Aspekten ein statischer Abgleich bei heutigen Netzen mit variablem Volumenstrom nicht zielführend ist. Um ein dynamisches Netz mit variablen Volumenströmen korrekt abgleichen zu können, ist eine dynamische Änderung der Abgleichdrossel notwendig. Hier können Kombiventile eine Lösung sein. So viel Widerstand wie nötig und so wenig wie möglich [Bild2] Kombiventile bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten. Einerseits ist hier das übliche Regelventil zu nennen und andererseits ein Differenzdruckregler, welcher in Reihe geschaltet wird und in Abhängigkeit der Druckdifferenz über dem Regelventil agiert. [Bild 3] Das Regelventil wird entsprechend der Anforderung im Netz angesteuert und verändert beispielsweise mit Hilfe eines Stellantriebes seinen Hub. Gleichzeitig sorgt der Differenzdruckregler für eine konstante Druckdifferenz über eben diesem Regelventil. Durch diese Art der Kombination entsteht eine Druckunabhängigkeit des Regelventiles, solange eine gewisse Mindestdruckdifferenz eingehalten wird. Δ p = C V 2 Zur Erläuterung kann hier ein beliebiger Betriebspunkt gewählt werden. Ist das Ventil beispielsweise voll geöffnet, so stellt sich ein gewisser Volumenstrom im Fließweg ein, der von allen hydraulischen Widerständen und der verfügbaren Druckdifferenz durch die Pumpe abhängig ist. Der Differenzdruckregler nimmt hier eine entscheidende Rolle unter den Widerständen ein. Durch die Veränderung der Stellung des Differenzdruckreglers wird der Widerstand des Fließweges derart verändert, dass sich hier ein Volumenstrom einstellt, der über dem konstanten Widerstand des voll geöffneten Regelventils einen ebenfalls konstanten Druckabfall erzeugt. Der Ventilkegel des Regelventils stellt hier somit eine Art Messblende des Differenzdruckreglers dar. 3 / 6

4 Wird nun der verfügbare Druck erhöht, beispielsweise durch die Änderung der Pumpenkennlinie, so würde der Differenzdruckregler soweit schließen, bis der Volumenstrom im Regelventil und somit die Druckdifferenz über dem Ventilkegel wieder konstant ist. Dies funktioniert natürlich auch umgekehrt, bei Verringerung der verfügbaren Druckdifferenz. Hier öffnet der Differenzdruckregler, bis der Widerstand des Fließweges derart gering ist, dass der Volumenstrom im Regelventil wieder eingehalten wird. Die Folge ist ein Fließweg mit konstantem Volumenstrom und variablem Gesamtwiderstand, unabhängig der verfügbaren Druckdifferenz. Die Einsatzgrenze dieses Systems ist natürlich einerseits die erlaubte Maximaldruckdifferenz und andererseits die nötige Mindestdruckdifferenz, die bei voll geöffnetem Druckdifferenzregler nötig ist, um den jeweiligen Volumenstrom aufrecht zu halten. Neben der Änderung der verfügbaren Druckdifferenz ist auch die Änderung des Ventilhubs zu betrachten. Soll der Volumenstrom im Fließweg geändert werden, so kann das Ventil beispielsweise geschlossen werden. Die Druckdifferenz über dem Ventilkegel wird natürlich auch in diesem Fall konstant gehalten. Schließt das Ventil, so erhöht sich der Widerstand des Ventilkegels. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Druck, Volumenstrom und hydraulischem Widerstand bedeutet dies, dass die Änderung des Ventilhubs sich bei konstanter Druckdifferenz proportional zum Volumenstrom verhält. Der Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Hub kann somit über das Design des Ventilkegels und den daraus resultierenden hydraulischen Widerstand bestimmt werden. [Bild4] Aufgrund dieses Charakteristikums ändert sich nicht nur das Verhalten des Netzes, sondern auch die Art der Auslegung solcher Regelventile. Während bei herkömmlichen Regelventilen mit Hilfe von kvs-werten und der Ventilautorität gearbeitet wird, ist die Auslegung eines druckunabhängigen Regelventils vollkommen auf Volumenströme ausgerichtet. Das Ventil muss lediglich nach dem maximal geforderten Volumenstrom ausgewählt werden und kann dann bei genügender Druckdifferenz den gewünschten Durchfluss gewährleisten. [Bild5] Die Eigenschaft des konstanten Volumenstroms wirkt sich auch auf die anfangs erwähnten Problematiken und Anforderungen heutiger hydraulischer Netze aus. Kombiventile sind aufgrund ihres dynamischen Verhaltens in der Lage, kleine Abweichungen zwischen Planung und Montage auf der Baustelle zu kompensieren. Ebenfalls ist es möglich, ein hydraulisches Netz mit Kombiventilen relativ problemlos nachzurüsten, da die neuen hydraulischen Zustände von den Ventilen kompensiert werden. Trotz der drastischen Reduzierung des Aufwandes bei Planung und Installation ist es dennoch notwendig, ein Netz ordnungsgemäß zu konzipieren. Gerade der Wunsch nach energiesparenden hydraulischen Netzen bedingt immer eine einwandfreie und durchdachte Planung. Druckunabhängige Ventile können zwar viele Abweichungen und Fehler kompensieren, sollten jedoch nicht als Ausgleich unzureichender Planung missbraucht werden, denn ein dynamisches 4 / 6

5 und wirtschaftliches Netz mit geringen Druckverlusten hängt auch unmittelbar mit einer durchdachten Topologie zusammen. Optimierung der Pumpenleistung und der ungünstigste Fließweg Vergleicht man Kombiventile mit herkömmlichen Regelventilen, ohne dabei das hydraulische Netz oder eine mögliche Einbausituation zu betrachten, so zeigt sich, dass der Widerstand und somit der Druckverlust über einem druckunabhängigen Regelventil höher ist als bei einem herkömmlichen Ventil. Kombiventile haben eine benötigte Mindestdruckdifferenz von etwa 15-20kPa, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Im Vergleich entfallen auf ein gewöhnliches Heizkörperventil lediglich 9kPa, wodurch das druckunabhängige Regelventil somit die nötige Druckdifferenz verdoppelt. Wie kann also von einer Energieeinsparung bei gleichzeitigem Einsatz von Kombiventilen die Rede sein? Bei dem Einfluss der Ventile auf die Pumpenenergie muss immer das gesamte Netz und die jeweilige Einbausituation des Ventils betrachtet werden. Ein zusätzlicher Druckverlust ist in sämtlichen Fließwegen irrelevant, da die Abgleichdrossel im druckunabhängigen Regelventil integriert ist und hier ohnehin ein erhöhter Druckverlust erforderlich ist. Die Mindestdruckdifferenz ist hier nicht von Interesse. Lediglich der jeweils ungünstigste Fließweg benötigt im herkömmlichen Netz keinerlei Abgleichdrossel, wodurch hier die Mindestdruckdifferenz bemerkbar wird, da sie eingehalten werden muss und sich somit auf den gesamten Volumenstrom im Netz auswirkt. Ist aber die hier benötigte Druckdifferenz tatsächlich größer als die eines herkömmlichen Regelventils? Nicht unbedingt! In einem dynamischen Netz kann der ungünstigste Fließweg je nach Nutzung variieren. So kann beispielsweise durch verschiedene Wärme- oder Kälteanforderungen ein ehemals günstiger Fließweg mit statischer Abgleichdrossel plötzlich zum ungünstigsten Fließweg werden. Hier ist bei einem Vergleich mit einem druckunabhängigen Regelventil neben dem Druckverlust des Ventils auch der Druckverlust über der Abgleichdrossel zu berücksichtigen. Da die Abgleichdrossel bei einem statischen Abgleich auf einen konstanten Widerstand eingestellt ist und sich nicht der Betriebssituation anpasst, kann es dazu kommen, dass der Druckverlust im ungünstigsten Fließweg mit einem druckunabhängigen Regelventil wesentlich geringer ist, als dies mit einem herkömmlichen Regelventil mit statischer Abgleichdrossel der Fall ist. Fazit [Bild6] In heutigen hydraulischen Netzen variiert der Volumenstrom je nach aktuellem Bedarf. Solche dynamischen Netze werden derzeit überwiegend mit statischen Regelelementen abgeglichen und auf den jeweiligen Auslegungszustand berechnet. Aufgrund der Tatsache, dass hydraulische Netze in Gebäuden überwiegend im Teillastbereich arbeiten, ist dies aber nur bedingt zielführend. 5 / 6

6 Idealerweise sollten hydraulische Netze in jedem Betriebszustand optimal abgeglichen sein und ein hohes Maß an Flexibilität aufweisen. Eine Möglichkeit hierfür können Kombiventile sein. Sie vereinfachen die Planung, kompensieren kleinere Abweichungen in der Bauphase, gleichen das Netz kontinuierlich ab und tragen massiv zur Transparenz im hydraulischen Netz bei. Gleichzeitig ist die Annahme, dass diese Art von Ventilen bei einem dynamischen Netz einen höheren Druckverlust erzeugt, bei ganzheitlicher Betrachtung nicht richtig. Weiterhin ist natürlich auch das Potenzial der Komfortsteigerung und der thermischen Energieeinsparung zu berücksichtigen, denn welches Netz ist in der Praxis wirklich abgeglichen, auch wenn dies in der Planung vorgesehen wurde? Literatur: Avery, Gil: Balancing A Variable Flow Water System Will Ruin the Control System, ASHRAE Journal, Ausgabe: Oktober 1990 Autor: Daniel Wehmeier M.Eng., Jahrgang 1986, studierte Gebäude- und Energietechnik an der FH Münster, ist Vertreter der Studenten- und Jungingenieure im Vorstand der VDI-GBG sowie im VDI Fachbeirat TGA und arbeitet heute im Vertrieb der Siemens AG Building Technologies Division, Bielefeld. daniel.wehmeier@siemens.com Der Siemens-Sektor Infrastructure & Cities (München) mit rund Mitarbeitern bietet nachhaltige Technologien für urbane Ballungsräume und deren Infrastrukturen. Dazu gehören integrierte Mobilitätslösungen, Gebäude- und Sicherheitstechnik, Stromverteilung, Smart-Grid-Applikationen sowie Nieder- und Mittelspannungsprodukte. Der Sektor setzt sich aus den Divisionen Rail Systems, Mobility and Logistics, Low and Medium Voltage, Smart Grid und Building Technologies zusammen. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter Die Siemens-Division Building Technologies (Zug, Schweiz) ist weltweit führend auf dem Markt für sichere und energieeffiziente Gebäude ( Green Buildings ) und Infrastrukturen. Als Dienstleister, Systemintegrator und Produktlieferant verfügt Building Technologies über Angebote für Gebäudeautomation, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) sowie Brandschutz und Sicherheit. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter 6 / 6