FAQs zur Energieverteilung in haustechnischen Anlagen: Fragen und Antworten zu hydraulischen Weichen in Heizungs- und Kälteanlagen

Wozu dient eine hydraulische Weiche?
Die wesentliche Funktion hydraulischer Weichen besteht darin, den Kesselkreis und den oder die Verbraucherkreise hydraulisch voneinander zu entkoppeln. Insbesondere, wenn die Volumenströme der Wärmeabnehmer und die des Wärmeerzeugers unterschiedlich groß sind, ist der Einsatz hydraulischer Weichen die optimale Lösung zur Vermeidung von Fehlzirkulationen. Ebenfalls wird durch den Einsatz einer hydraulischen Weiche eine gegenseitige Beeinflussung von Primär- und Sekundärpumpen oder Regelventilen vermie-­
den.

Welche Funktion hat eine hydraulische Weiche?
Die umgewälzten Volumenströme in den Wärmeerzeuger- und Verbraucherkreisen sind, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand, in der Regel unterschiedlich. Für jede Weiche sind somit drei prinzipielle Betriebszustände vorstellbar.

Volumenstrom des Wärme­erzeugers und der Verbraucherkreise sind gleich groß
In diesem Fall ist die hydraulische Weiche in einer neutralen Position. Der Volumenstrom des Primärkreises (VP) und der Volumenstrom des Sekundärkreises (VS) sind gleich groß. Die Temperaturen (T) im Primärkreis entsprechen denen im Sekundärkreis. Die Wärmemenge (Q·) ist ebenfalls gleich (Bild 1).

Volumenstrom des Wärmeerzeugers ist größer als der der Verbraucherkreise
Dieser Fall tritt besonders häufig bei Systemen mit ungeregelten Kesselkreispumpen auf. Im Teillastbereich fördert die Kesselkreispumpe entschieden mehr Wasser durch den Wärmeerzeuger als die Verbraucherseite benötigt. In diesem Fall wird der benötigte Volumenstrom dem Rücklaufwasser der Verbraucherkreise über die hydraulische Weiche aus dem Vorlauf des Wärmeerzeugers beigemischt (Bild 2).

Volumenstrom des Wärmeerzeugers ist kleiner als der der Verbraucherkreise
Der Fall, dass der Verbraucher mehr Wasser benötigt, als der Erzeugerkreis zur Verfügung stellt, ist eine Situation, die beispielsweise regelmäßig während des morgendlichen Anheizens auftritt. Die hydraulische Weiche gleicht die Kreisläufe aus, indem Rücklaufwasser aus den Verbraucherkreisen dem Vorlaufwasser aus dem Primärkreis zugemischt wird. Hydraulische Probleme können so unterbunden werden, und es wird sichergestellt, dass sich alle Verbraucher gleichmäßig aufheizen.
Ebenfalls tritt dieser Betriebszustand regelmäßig nach der Sanierung von Altanlagen auf. Die heute am Markt erhältlichen Wärmeerzeuger der neuen Heizkesselgeneration haben nur einen sehr geringen Wasserinhalt. Innerhalb weniger Minuten würde der Kessel einer Großanlage ohne Wärmeabnahme den Einstellwert erreichen. Nur der Einbau einer hydraulischen Weiche kann unter diesen Umständen ein Takten des Wärmeerzeugers vermeiden.
Durch die Teilmischung unterschiedlich warmer Volumenströme ist der Einsatz der hydraulischen Weiche in den Betriebszuständen 2 und 3 selbstverständlich nicht temperaturneutral. Ist der momentane Volumenstrom der Umwälzpumpen auf der Verbraucherseite größer als im Wärmeerzeugerkreis, wird dem Vorlaufwasser der Verbraucherseite eine Teilmenge des eigenen Rücklaufs beigemischt. Hierdurch sinkt die Vorlauftemperatur der Verbraucherseite. Gleiches gilt im Betriebszustand 2 in umgekehrter Weise (Bild 3).

Wo wird bei einer hydraulischen Weiche senkrechter Bauart der Vorlauf angeschlossen?
Wird die hydraulische Weiche in einem Heizungsnetzt installiert, so muss der Primär- und Sekundärvorlauf jeweils oben an der Weiche angeschlossen werden. Der Primär- und Sekundärrücklauf wird entsprechend im unteren Bereich der hydraulischen Weiche angeschlossen.
Dies hat damit zu tun, dass sich bedingt durch den Dichteunterschied das wärmere Wasser im oberen Teil der hydraulischen Weiche sammelt. Wird der Primär- und/oder Sekundärvorlauf fälschlicherweise unten angeordnet, kann es durch den Dichteunterschied und das daraus nach oben steigende Warmwasser zu einer ungewollten Rücklauftemperaturanhebung kommen. Ebenfalls sollte darauf geachtet werden, dass hydraulische Weichen niemals über Kreuz (ein Vorlauf oben, der andere unten) angeschlossen werden. Denn dadurch entstehen Verwirbelungen, die die Weichenfunktion komplett außer Kraft setzen.

Kann eine Weiche auch in Kaltwasser-Systemen verwendet werden?
Ja. Aber auch hier ist das wärmere Medium (also der Rücklauf) oben anzuschließen.
Generell ist darauf zu achten, dass entsprechend den Systemtemperaturen die Dämmung auszuwählen ist. In vielen Fällen ist sie diffusionsundurchlässig auszuführen. Bei abweichenden Dämmungen kann es zu Taupunktunterschreitung und dadurch zu Schwitzwasserbildung kommen. Dies bedeutet, dass die durchnässte Dämmung ihre Dämmeigenschaften verliert.

Wo ist der Fühler für die Regelung zu setzen?
In den meisten Fällen wird die Temperatur am sekundären Vorlauf gemessen, da dieser die Heizkreise versorgt und auch bei zugemischtem Rücklaufwasser die notwendige Energiemenge bereitzustellen hat. So wird sichergestellt, dass nicht die reine Kesselvorlauftemperatur gemessen wird, sondern die – im Bypassbetrieb – zur Anlage gehende Mischwassertemperatur aus Kesselvorlauf- und beigemischtem Rücklaufwasser. Dies ist die gängigste Regelungsart (Bild 4).
Allerdings gibt es bestimmte Fälle, in denen zusätzlich die Rücklauftemperatur gemessen werden muss. Aber im Normalfall sitzt der Fühler zur Vorlauftemperaturerfassung im Kernstrom auf der Sekundärseite der Anlage. In Sonderfällen sollte die Fühlerposition mit dem Kessel- oder Regelungshersteller abgesprochen werden.

Wofür wird eine hydraulische Weiche mit sechs Anschlüssen benötigt?
Diese Weiche kommt zum Einsatz, wenn zwei Heizkessel in eine Heizungsanlage eingebunden werden. Zum einen wird hierdurch eine optimale hydraulische Entkopplung des Kessel- und Verbraucherkreises gewährleistet, zum anderen wird durch den Einsatz der Weiche sichergestellt, dass jeder Heizkessel immer und in jeder Betriebssituation die ausreichende Wassermenge zur Verfügung gestellt bekommt. Diese hydraulische Weiche kann auch in Kombination mit einem Wärmetauscher betrieben werden.

Gibt es hydraulische Weichen in unterschiedlichen Bauformen?
Am weitesten verbreitet sind hydraulische Rund- und Kompakt-Weichen. Diese unterscheiden sich – bei richtiger Auslegung – einzig durch die Form des eingesetzten Profilrohres (rund oder eckig).
Darüber hinaus gibt es die Verteiler- Weichenkombination „HydroFixx“ von Sinusverteiler (Bild 5). Sie stellte eine Kombination aus einem Kompaktverteiler und einer hydraulischen Weiche in einem Bauteil dar.

Ist der Einsatz hydraulischer Weichen sinnvoll?
Wahrscheinlich mehr denn je. Zwar wird die Pumpen- und Regelungstechnik immer besser, und man hat heutzutage viele Möglichkeiten, den hydraulischen Abgleich einer Heizungsanlage vorzunehmen. Aber man kann nie sicher zu jedem Zeitpunkt und in jeder Betriebssituation das Verhalten der Hydraulik einschätzen.
Ebenso sind die Wasserinhalte heutiger Kessel teilweise sehr gering. Gerade hier sollte eine hydraulische Weiche zwingend eingesetzt werden, um ein Takten der Anlage oder gar ein „Trockenlaufen“ (Betrieb bei Unterschreiten der Mindestumlaufmenge) zu vermeiden.

Darf man hydraulische Weichen waagerecht einbauen?
Die wesentliche Funktion der hydraulischen Weiche in Heizungsanlagen besteht darin, den Kesselkreis und den Verbraucherkreis hydraulisch voneinander zu entkoppeln. Insbesondere, wenn die Volumenströme der Wärmeerzeuger und der Wärmeabnehmer unterschiedlich groß sind, ist der Einsatz hydraulischer Weichen die optimale Lösung zur Beseitigung von Fehlströmungen.
In senkrecht eingebauten hydraulischen Weichen bildet sich aufgrund des Temperatur- und Dichteunterschiedes eine entsprechende Temperaturschichtung. Dieser Zustand hält solange, wie keine – gravierende – Beimischung stattfindet. Diese Situation tritt in Heizungsanlagen quasi nur im Volllastbetrieb auf.
Heutzutage wird beim Einsatz von Brennwertkesseln generell dem Sekundärvorlauf ein Teil des Rücklaufwassers beigemischt. Damit soll erreicht werden, dass die Kesselrücklauftemperatur – zur Ausnutzung des Kondensationseffekts –möglichst niedrig ist. Daher arbeiten die hydraulischen Weichen stets im Bypassbetrieb, wodurch sich keine thermische Schichtung ausbilden kann. Aus diesem Grund ist es heutzutage nicht mehr zwingend erforderlich, hydraulische Weichen senkrecht einzubauen.

Kann man hydraulische Weichen überdimensionieren?
Im Normalfall nicht. Ist die Weiche zu klein dimensioniert, funktioniert sie oft nicht, da es aufgrund des zu geringen Volumenstroms oder der zu hohen Geschwindigkeiten sehr schnell zu Turbulenzen kommt. Zu groß stellt daher kein Problem dar. Denn die Strömungsgeschwindigkeiten im Inneren liegen dann auf jeden Fall im laminaren Bereich. Turbulenzen werden vermieden. Eine zu große Überdimensionierung führt jedoch zu unnötig hohen und vermeidbaren Kosten (Bild 6).

Wie lege ich eine hydraulische Weiche aus?
Grundsätzlich ist der größere der beiden (Primär oder Sekundär) Volumenströme bei Volllast zur Auslegung anzusetzen. Das Ergebnis dieses maximal Volumenstromes bei einer Geschwindigkeit von < 0,2 m/s definiert die Querschnittsfläche, die die Weiche haben darf. Daraus lässt sich der Durchmesser ableiten (Bild 7).
Die Geschwindigkeiten in den Anschlussstutzen sollten, je nach Rohrleitungsberechnung, um 0,7 bis 1,2 m/s (entsprechend der Größe) liegen. Die Höhe der Weiche definiert sich über den Abstand zwischen Primär- und Sekundär-Anschlussstutzen. Sie sollte min. 2,5 x dem Durchmesser bzw. im kleinen Leistungsbereich 10 x der Anschlussnennweite entsprechen. Hersteller von hydraulischen Weichen unterstützen den Handwerker in der Dimensionierung.

Autoren: Christian Matzker und Christoph Storm, Sinusverteiler GmbH, Wettringen

Bilder: Sinusverteiler

www.sinusverteiler.de