Dynamischer Abgleich der Hydraulik in Heiz- und Kühlanlagen Von Andreas Gasper (freier Redakteur, Fa. Technologie-Medien, Wuppertal) In einem hydraulisch abgeglichenen Heizungs- und Kühlsystem steht jedem Verbraucher, die für ein optimales Raumklima erforderliche Wärme- bzw. Kälteleistung zur Verfügung. Gleichzeitig bleiben thermische und elektrische Verluste (z.b. Pumpenenergie) sowie die Geräuschentwicklung auf ein Minimum begrenzt. Auch wenn die Anlageplanung heute überwiegend softwarebasiert erfolgt, sollte der verantwortliche Betrieb die Auslegung und das Verhalten des von ihm geplanten Systems einschätzen können. Nur so kann er Eingabewerte für das Programm korrekt aufnehmen und bewerten, mögliche Probleme im Vorfeld erkennen, vor allem aber den Nutzer in die Besonderheiten seiner neuen Anlage einweisen. Die korrekte Einstellung der Heizungsanlage (Nachtabsenkung, Vorlauftemperaturkurve, Thermostatstellung, Pumpenkennlinie, erforderlicher Volumenstrom usw.) stellt heute einen der bedeutendsten Energieeinsparfaktoren dar. Z.B. arbeiten moderne Heizungsanlagen, im Gegensatz zu den Schwerkraftsystemen vergangener Jahrzehnte, mit einem verhältnismäßig geringen Flüssigkeitsvolumen. Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit und die damit verbundene Querschnittsverringerung reduzieren Wärmeverluste über die Rohrstrecke, sparen Leitungs- und Isolationsmaterial und verkürzen die Aufheizzeit des Systems beispielsweise nach einer Nachtabsenkung. Der entscheidende Auslöser zur Entwicklung moderner Heizungsanlagen war jedoch die Anforderung, auch in ausgedehnten Heizsystemen jeden Verbraucher mit der für ihn optimalen Wärmemenge zu versorgen. Diese Aufgabe konnte nur über einen hydraulischen Abgleich gelöst werden. Die dazu notwendigen zusätzlichen Leitungswiderstände brachten aber wiederum das thermische Antriebssystem der Schwerkraftheizung zum Erliegen. Heutige Anlagen sind dank der Rücklaufverschraubungen an Heizkörpern oder über moderne Thermostatventile mit voreinstellbarer Durchflussbegrenzung leicht für den Volllastbetrieb hydraulisch abzugleichen. Das Zu- und Abschalten von Anlageteilen, oder der unterschiedliche Heiz- und Kühlbetrieb in zur Nord- und Südseite ausgerichteten Räumen eines Gebäudes, führt dazu, dass die Hydraulik auch im Teillastbetrieb angepasst werden muss. Veranschaulichen wir dies am Fall eines verzweigten Netzes mit mehreren Wohneinheiten und zentraler Heizungsanlage. Die Anforderungen an das System ergeben sich aus den verschiedenen Lastzuständen.
Forderung 1 - In einer harten Frostperiode muss an allen Heizkörpern immer noch eine ausreichende Wärmemenge ankommen. Forderung 2 - Im Teillastbetrieb, der eigentlich den Normalbetrieb darstellt, darf der Differenzdruck an den Thermostatventilen auch dann nicht zu hoch werden, wenn andere Teilabschnitte nicht im Betrieb sind. Die typischen Probleme schlecht eingestellter Anlagen sind: Hydraulische Kurzschlüsse (Abschnitte mit geringerem Leitungswiderstand werden überversorgt dies sind in der Regel pumpennahe Stränge) ein Phänomen, das häufiger in Anlagen, in denen überhaupt kein Abgleich stattgefunden hat, zu beobachten ist. Geräuschentwicklung in Ventilen und Engstellen aufgrund zu hoher Differenzdrücke. Thermostatregelungen funktionieren unzureichend, es kommt zum Überschwingen. Ein übermäßiger Differenzdruck, der nicht von einer voreinstellbaren Durchflussbegrenzung gedrosselt wird, bewirkt, dass Thermostatventile direkt am Schließpunkt des Ventils betrieben werden. Die Vorlauftemperatur wird bedienerseitig zu hoch eingestellt, um eine Unterversorgung in weiter entfernten Gebäudeteilen auszugleichen. Die Folgen sind wiederum erhöhte Wärmeverluste im System und ein verringerter Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers. Überdimensionierte Pumpen werden eingesetzt, um die Mangelversorgung auszugleichen, was wiederum das Problem der Geräuschentwicklung im Teillastbetrieb verschärft sowie hohe Stromkosten verursacht. Manuelle Strangregulierventile ermöglichen die Volumenstromanpassung der Strangleitungen untereinander und stellen somit eine gute Möglichkeit dar, den Abgleich für einen Betriebspunkt (in der Regel dem Auslegungspunkt) in einer verzweigten Heizungsanlage, zu vereinfachen. Gerade in großen oder älteren Systemen mit mehreren Strängen, sind Strangregulierventile unverzichtbar. Sie sind leicht auch während des Anlagebetriebes einzuregulieren. Bei einem korrekt ausgelegten System stellen Abweichungen von 10 20 % gegenüber dem optimalen Volumenstrom kein Problem dar. In einem nicht abgeglichenen System sind jedoch Volumenströme von 300% über dem Sollwert bzw. nur 20% des Sollwertes keine Seltenheit. Um eine komplexe Anlage auch bei starken Lastwechseln, das heißt im Teillastbereich, hydraulisch abgeglichen zu fahren, bedarf es während der Temperaturregelung über die Heizkurve oder bei der Fremdenergieausnutzung durch den Heizkörperthermostaten einer lastabhängigen Druck- bzw. Durchflussregelung. Diese Regelung stellt automatisch einen hydraulischen Abgleich in den verschiedenen Teilabschnitten her.
Sie kann einfach durch Differenzdruckregler in den einzelnen Strängen realisiert werden, die unabhängig vom Lastzustand den Differenzdruck im Strang konstant halten (Abb. 1) Abb. 1 Strangregelung über Differenzdruckregler Beim Einsatz von Konvektoren oder Fußbodenheizungen fällt eine Durchflussregelung in der Regel mit der Kontrolle der Raumtemperatur zusammen. Hier bietet sich an, eine interessante Neuentwicklung zu nutzen, die Oventrop für Kühl- und Heizsysteme entwickelt hat - das Cocon Q (Abb. 2). Abb. 2 Cocon Q
Das Cocon Q vereinigt einen, auf einen maximalen Durchfluss voreinstellbaren Durchflussregler mit einem Regulierventil, auf das sowohl elektromotorische wie auch thermische und elektrothermische Stellantriebe aufgesetzt werden können. Durch diese Kombination wird nicht nur die Anzahl der notwendigen Bauteile reduziert und die Abmessungen auf ein Minimum beschränkt, es wird zusätzlich eine konstant hohe Ventilautorität erreicht. Die Kennlinie des Regelventils ist linear und entspricht damit dem Hubverhalten der in der Regel ebenfalls linearen elektrothermischen und elektromotorischen Stellantriebe. Durch die Handradeinstellung wird der maximale Volumenstrom der Armatur vorgegeben. Im Teillastbereich wird der Volumenstrom durch die Hubstellung des Regelventils auf den jeweils erforderlichen Wert geregelt (Abb. 3). Abb. 3 Das Cocon Q besitzt drei relevante Druckbereiche: Eingangsdruck (p1), Ausgangsdruck (p3) und den an der Membran anliegenden Arbeitsdruck (p2). Durch den Arbeitsdruck wird erreicht, dass die Differenz zwischen diesem auf die Membran wirkenden Druck und dem Ausgangsdruck konstant bleibt. Dadurch bleibt über den gesamten Arbeitsbereich der Armatur (0,20 4 bar) der Volumenstrom, entsprechend der Einstellung über das Regelventil und die Sollwertvorgabe, konstant (Abb. 4).
Abb. 4 Ein weiterer Bonus des Cocon Q ist die in jeder Einbauposition - und auch bei aufgeschraubtem Stellantrieb - gut ablesbare Sollwertvorgabe, die gegen unbeabsichtigtes Verstellen gesichert ist und die ohne Umrechnung sofort den Ablesewert in Liter/Stunde anzeigt (Abb. 5). Abb. 5 Handrad mit zwei unter 45 angeordneten Ableseflächen Neben dem Einsatz in Heizungssystemen ist der zentrale Anwendungsbereich des Cocon Q die Regelung von Kühldecken und Fan-Coil-Systemen (Abb. 6).
Abb. 6 Kühldeckenregulierung Fazit: Ein lastabhängiger Abgleich der Hydraulik in komplexeren Heiz- und Kühlanlagen ist mit statischen Durchflussvoreinstellungen an den Thermostatventilen bzw. mit Hilfe von Rücklaufverschraubungen der Heizkörper nur schwer zu realisieren. Durch einen Abgleich der einzelnen Stränge mit Hilfe von Strangregulierventilen ist bereits ein verbesserter Abgleich möglich. In Anlagen mit stark variierendem Volumenstrombedarf oder Differenzdrucküberschreitungen in Anlageteilen, sollte ein automatischer Abgleich durch Differenzdruck- oder Volumenstromregler erfolgen. Optimierte Armaturen für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche sind heute verfügbar, wie wir am Beispiel des Cocon Q von Oventrop zeigen konnten. Die Investition in entsprechende Regler zahlt sich schlussendlich schnell in eingesparten Energiekosten aus.