IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/2000, Seite 66 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Vier Armaturen für den hydraulischen Abgleich
Umwälzpumpe, Strangregulierventil, Thermostatventil und Rücklaufverschraubung
Helmut Letzel*
In vielen Fachartikeln wurden in der Vergangenheit die Möglichkeiten des hydraulischen Abgleichs von Warmwasser-Heizungsanlagen behandelt. Komfortgedanken und die mögliche Energieeinsparung mit geringerer ökologischer Belastung standen dabei im Vordergrund. Auch dass alle Anlagenkomponenten aufeinander abzustimmen seien, wurde mindestens in den Einleitungen bejaht. Gleichwohl hat jeder Verfasser die Schwerpunkte entsprechend seinem Standpunkt gesetzt, was sicherlich nicht zum leichteren Verständnis beim Heizungsbauer beigetragen hat. Dieser Beitrag möchte dem Handwerker Klarheit verschaffen.
Die Situation ist nicht befriedigend
Fachleute schätzen den Anteil der nicht hydraulisch abgeglichenen Anlagen nach wie vor sehr hoch ein. Ob die geschätzten Zahlen von bis zu 90% stimmen, ist nicht bewiesen, lassen aber vermuten, dass die Mehrzahl aller Anlagen darunter fällt. Denn die Auslegung und Berechnung einer Heizungsanlage erfolgt im allgemeinen unter Zugrundelegung der niedrigsten für die jeweilige Region festgelegten Außentemperatur, d.h. für den höchsten je zu erwartenden Wärmebedarf. Und die Rohrnetzdimensionierung erfolgt unter Zugrundelegung zulässiger Wassergeschwindigkeiten bzw. Rohrreibungsverluste. Aus der Summe der gesamten Widerstände im Heizungssystem ergibt sich zusammen mit der benötigten Wassermenge die Pumpenleistung und damit der Auslegungspunkt.
Dennoch bezieht sich der "Auslegungspunkt" auf einen Betriebszustand, der nur in 2 - 5% von ca. 6000 Betriebsstunden gefordert wird (= 120 - 300 Std.). In der übrigen Zeit wird die Anlage mit verminderter Leistung in dem so genannten "Teillastbereich" gefahren.
Der Teillastbetrieb bedeutet auch bei einer gut eingestellten Außentemperaturregelung eine mehr oder weniger reduzierte Umlaufwassermenge, bedingt durch das automatische Regeln der Thermostatventile und das unkontrollierbare "Nutzerverhalten". Der Teillastbetrieb - reduzierte Wassermengen - bedeutet immer einen Anstieg des Differenzdruckes an den Heizkörperventilen. Bei normalen, d.h. nicht geregelten Heizungspumpen, wird dieser Effekt noch durch die ansteigende Pumpenkennlinie verstärkt.
Bei geregelten Pumpen (Dp = konstant) wird der Pumpendruck auch bei verringerter Wassermenge beibehalten, überträgt sich jedoch durch die stark reduzierten Rohrleitungsverluste fast voll auf die restlichen, noch geöffneten Heizkörperventile (Bild 1).
| Bild 1: Kennlinie einer konstanten Differenzdruckregelung. |
Da die Voreinstellungen der Strangventile auf den Volllastbetrieb ausgelegt sind, sind sie im Teillastbereich nur wenig oder gar nicht mehr wirksam. Bei voreingestellten Heizkörperventilen erhöht sich einerseits durch den Drosseleffekt die Wassermenge im Heizkörper nur unwesentlich, andererseits besteht die Gefahr von Geräuschproblemen. Dies ist mit großer Wahrscheinlichkeit der Fall, wenn der Auslegungsdruck der Pumpe über 0,2 bar liegt. Die Intensität der Geräuschbildung und damit die Möglichkeit einer Reklamation hängt dann von der Höhe des Differenzdruckanstiegs am Heizkörper, von dem Heizkörperventil, von der Qualität des Heizkörpers (guter oder schlechter Resonanzboden), von der Körperschallübertragung des Rohrnetzes und nicht zuletzt von der subjektiven Geräuschempfindlichkeit des Nutzers ab.
Variabler oder konstanter Pumpendruck?
Betrachtet man die vorgenannten Maßnahmen wie Voreinstellung der Strangventile und Voreinstellung der Heizkörper-Thermostatventile unter dem Aspekt des hydraulischen Abgleiches, gelangt man zu der Erkenntnis, dass das Verteilungsproblem gelöst ist.
Probleme der Energieeinsparung und der Geräuschbildung sind jedoch mit diesen Maßnahmen keinesfalls gelöst, denn die Drosselstellen am Strangventil und am Heizkörperthermostatventil sind in dem überwiegend vorherrschenden Teillastbetrieb - wie bereits erwähnt - nicht optimal wirksam, da es sich um so genannte "statische" Drosselstellen handelt, d.h. sie passen sich veränderten Betriebsbedingungen nicht selbsttätig an.
| Bild 2: Kennlinie einer variablen Differenzdruckregelung. |
In vielen Publikationen wird dem Stromverbrauch der Heizungspumpen ein hoher Stellenwert zugeordnet. Dies ist sicherlich richtig, wenn man die Zusammenhänge Primärenergie - Stromerzeugung - Wirkungsgrade von Heizungspumpen betrachtet. Überdimensionierte und ungeregelte Heizungspumpen erzeugen einen Vervielfältigungseffekt, der bei richtiger Auslegung weitgehendst vermieden werden kann. Hier sind also elektronisch geregelte Umwälzpumpen gefragt. Neben den meist eingesetzten differenzdruckgeregelten Pumpen mit Dp = konstant (Bild 1) werden auch Pumpen mit Dp = variabel (Bild 2) angeboten. Bei dieser Ausführung kann der Pumpenauslegungsdruck in dem überwiegend vorkommenden "Teillastbetrieb" bis auf 30 - 50 % zurückgeregelt und damit zusätzlich Antriebsenergie eingespart werden.
Leider wird in den meisten Veröffentlichungen nicht darauf hingewiesen, dass die Pumpenvariante Dp = variabel in vielen Fällen nur dann einen störungsfreien Heizungsbetrieb ermöglicht, wenn die Anlage mit automatischen Strang-Differenzdruckreglern ausgestattet ist. Dies ist dann notwendig, wenn der Auslegungs-Pumpendruck wesentlich über dem Geräusche erzeugenden Differenzdruck von 0,2 bar liegt (Bild 3).
| Bild 3: Bei einer Umwälzpumpe mit variabler Kennlinie werden Strang-Differenzdruckregler eingesetzt. |
Zum besseren Verständnis folgendes Beispiel: Wird eine Anlage mit einem Auslegungs-Pumpendruck von 0,5 bar ausgeführt, müssen zur Vermeidung von Geräuschen die in der Nähe der Pumpe liegenden Heizungsstränge um 0,3 bar auf 0,2 eingedrosselt werden, da sie fast keine Rohrleitungsverluste aufweisen. Bei einer statischen, d.h. manuellen Eindrosselung dieser Stränge, hat eine Reduzierung des Pumpendruckes eine mehr oder weniger starke Unterversorgung zur Folge. Bei einer automatischen Strangregulierung durch Differenzdruckregler würde die Pumpendruckreduzierung durch automatisches Öffnen der Strangregler ausgeglichen.
Energieeinsparpotenzial im Wohnungsbau
Die mögliche prozentuale Einsparung an Antriebsenergie einer optimal ausgesuchten Heizungspumpe scheint relativ hoch. Da die Pumpenenergie spürbar unter 10% des Gesamtenergieverbrauches der Heizungsanlage liegen sollte, ist das größere absolute Energieeinsparpotenzial in der Anlage zu suchen. Hier gibt die VDI-Richtlinie 3808 Hinweise auf die Energieverbrauchsänderungen bei Änderungen der Anlagenparameter, z.B. durch unsachgemäßen hydraulischen Abgleich oder fehlerhafte Reglereinstellungen.
Eine wesentliche Energieeinsparung lässt sich durch die in § 7 der Heizungsanlagenverordnung vorgeschriebene selbsttätige raumweise Temperaturregelung, z.B. durch den Einbau von Thermostatventilen, erzielen. So bedeutet z.B. eine Temperaturerhöhung um 1 K ca. 6% höhere Wärmeverluste. Die immer bessere Wärmedämmung der Gebäudehüllen erhöht den prozentualen Anteil der so genannten "Fremdenergie" wie Sonneneinstrahlung, Wärmeabgabe von Personen und elektrischen Geräten und damit die mögliche Energieeinsparung durch die Einzelraum-Temperaturregler.
Die fast ausschließlich zur Raumtemperaturregelung eingesetzten Thermostatventile sind Proportionalregler ohne Hilfsenergie (Bild 4). Sie müssen der DIN EN 215 entsprechen und können dann entsprechend den früheren Prüfungen der Stiftung Warentest bis zu 80% der vorgenannten Fremdenergie erfassen und die Heizenergie entsprechend herunterregeln. Diese energiesparende und komforterhöhende Wirkung können Thermostatventile jedoch nur erfüllen, wenn sie fachgerecht ausgewählt, installiert und betrieben werden.
| Bild 4: Beispiel für ein häufig eingesetztes Thermostatventil. |
Wenn der hydraulische Abgleich alles andere in den Hintergrund rückt
Eine wesentliche Voraussetzung ist das Vorhandensein einer regeltechnisch vertretbaren so genannten "Ventilautorität". Diese soll aus regeltechnischen und wirtschaftlichen Gründen zwischen 0,3 und 0,5 betragen. Der Wert sagt aus, in welchem Verhältnis der durch den Regler beeinflusste Druckabfall am "Regelquerschnitt" zu den Widerständen des Rohrnetzes und den statischen Einstellungen sonstiger Anlagenkomponenten steht. Eine wesentliche Unterschreitung der vorgenannten Werte für die Ventilautorität bewirkt zwangsläufig eine Verschlechterung der Regelqualität des Thermostatventils bis hin zur Unfähigkeit, Fremdenergien zu erfassen, auszuregeln und damit Energie zu sparen.
In den meisten Publikationen wird auf die Notwendigkeit einer guten Ventilautorität hingewiesen, jedoch nicht verständlich erklärt, welche Maßnahmen des hydraulischen Abgleiches die Autorität verschlechtern. Hierzu zählen neben den starren Voreinstellungen der Strangventile die Voreinstellungen am Heizkörper-Thermostatventil und an den Heizkörper-Rücklaufverschraubungen.
| Bild 5: Systemlösung: Strang-Differenzdruckregler und Thermostatventil mit einem kV-Kegel, der auf den notwendigen Wasserdurchfluss abgestimmt ist. |
Eine hohe Ventilautorität und damit gute Regelung kann man durch den Einsatz von automatischen Strangventilen (Differenzdruckregler) und Heizkörperventilen erzielen, deren kV-Wert des Regelquerschnittes auf den Heizkörperdurchfluss abgestimmt ist (Bild 5). Eine eventuell notwendige Feinabstimmung kann durch eine geringe Voreinstellung am Heizkörperventil oder der Rücklaufverschraubung vorgenommen werden, ohne dass die Ventilautorität wesentlich verschlechtert wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, setzen die verschiedenen veröffentlichten Fachaufsätze unterschiedliche Schwerpunkte im Hinblick auf den hydraulischen Abgleich und die Energieeinsparungspotenziale bei Heizungsanlagen. Bei der sinnvollen Durchführung des hydraulischen Abgleichs musste eine sorgfältige Funktionsauswahl des Thermostatventils erfolgen. Dieses Problem betrifft alle voreinstellbaren Thermostatventile, wenn sie zu große Durchflussunterschiede zwischen offener und kleinster Voreinstellung aufweisen. Wenn ein voreinstellbares Ventil bei offener Voreinstellung und einem Durchfluss von 150 l auf nur 50 l gedrosselt wird, entspricht dies bereits einer inneren Ventilautorität von 0,3. Dadurch ist die für eine gute Regelung mindest erforderliche Ventilautorität bereits erreicht. In diesem Wert sind die Rohrleitungsverluste nicht enthalten, sodass sich in der Praxis eine noch kleinere Ventilautorität ergibt.
Es ist daher sinnvoll, den Durchflussbereich nicht nur auf ein Ventil sondern auf mindestens zwei Ventile zu verteilen (Bild 6).
| Bild 6: Je nach erforderlicher Wassermenge sollte man ein stufenlos voreinstellbares Thermostatventil (oben) oder ein stufenlos voreinstellbares Thermostatventil für kleine Wassermengen (unten) einsetzen. |
Das Thermostatventil im Niedrigenergiehaus
In Zukunft wird die bereits erwähnte bessere Wärmedämmung der Gebäude einen weit höheren Stellenwert einnehmen als bisher. Besonders bei den so genannten Energiesparhäusern oder Passivhäusern wird dies zu wesentlich kleineren Wassermengen führen. Werden hier die heute üblichen voreinstellbaren Thermostatventile verwendet, ergeben sich zwangsläufig kleine bis kleinste Voreinstellungen mit der bereits erwähnten zu niedrigen Ventilautorität. Wird der Proportionalregler dadurch zum Zweipunktregler degradiert, kann er den in solchen Gebäuden erhöhten "Fremdwärmeeinfluss" nicht richtig erfassen und ausregeln und damit das große Einsparpotenzial nicht nutzen. Wenn das Thermostatventil dann nur als "Temperaturbegrenzer" fungieren soll, setzt dies voraus, dass der Benutzer genau die richtige Temperatureinstellung am Thermostatkopf findet. Dies ist sehr schwierig, da dieser Punkt je nach Einbaulage unterschiedlich ist und sich bei Veränderung der Wassertemperatur verschiebt. Außerdem ist mit einem Komfortverlust durch die periodisch stark schwankende Heizkörperstrahlung und - mindestens bei langen Heizkörpern - mit Ausdehnungsgeräuschen (Knackgeräuschen) zu rechnen.
Ein weiteres Problem einer zu kleinen Voreinstellung ist die Verschmutzungsgefahr. Die starre Öffnung einer Voreinstellung ist sicherlich schmutzempfindlicher als die sich dynamisch verändernde Öffnung des Regelquerschnittes.
Fazit
Zusammenfassend kann man sagen, dass auch und gerade bei sehr kleinen Wassermengen auf eine regeltechnisch vernünftige Ventilautorität geachtet werden muss, d.h. ein möglichst hoher Anteil des Druckabfalls im Ventil soll im Regelquerschnitt liegen. Dies kann dadurch geschehen, dass die früher überwiegend üblichen abgestuften kV-Kegel der Thermostatventile wieder mehr - besonders in Problemfällen - Anwendung finden (Bild 7). Eine evtl. notwendige Feineinstellung zwischen den kV -Kegelstufen kann dann mit den fast immer eingebauten voreinstellbaren Rücklaufverschraubungen vorgenommen werden.
| Bild 7: Thermostatventile mit abgestuften kV-Kegeln sind die richtige Wahl, um einen möglichst hohen Anteil des Druckabfalls in das Thermostatventil zu legen. |
Voreingestellte Rücklaufverschraubungen sind auch weniger empfindlich gegen Verschmutzung, da sie nach der "Beruhigungsstrecke" des Heizkörpers, in dem sich Schmutzpartikel ablagern können, angeordnet sind.
Um unnötig kleine Querschnitte zu vermeiden, sollte der Differenzdruck am Heizkörperventil auch im Teillastbetrieb 0,1 bar nicht übersteigen. Dies ist bei einem höheren Pumpenauslegungs-Differenzdruck nur gewährleistet, wenn dezentral, d.h. in jedem Strang, ein automatisches Strangventil in Form eines Differenzdruckreglers eingesetzt wird (Bild 2).
B i l d e r : MNG Armaturen - Honeywell AG, Arnsberg
*) Helmut Letzel, Senior Adviser bei MNG - Armaturen Honeywell AG, Arnsberg
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