VOB-gerechte hydraulische Einregulierung von Heizungsanlagen

Dipl.-Ing. Michael Hartmann

In der täglichen Praxis hatte sicher jeder schon einmal mit hydraulischen Problemen in Heizungsanlagen und den damit verbundenen Beschwerden zu tun gehabt. Wieso vielfach angewandte Abhilfemaßnahmen letztendlich nur zu erhöhtem Primärenergieverbrauch führen und mit welchen Möglichkeiten man eine betriebssichere, die Dynamik des Systems beachtende Heizungsanlage erstellen kann, soll nachfolgend näher betrachtet werden.

VOB fordert hydraulischen Abgleich

In der VOB DIN 18380 heißt es unter Punkt 3.5.1: "Die Anlagenteile sind so einzustellen, daß die geforderten Funktionen und Leistungen erbracht und die gesetzlichen Bestimmungen erfüllt werden. Der hydraulische Abgleich ist so vorzunehmen, daß bei bestimmungsgemäßem Betrieb, also z.B. auch nach Raumtemperaturabsenkung oder Betriebspausen alle Wärmeverbraucher entsprechend ihrem Wärmebedarf mit Heizwasser versorgt werden."

Eine Norm gibt im allgemeinen den Stand der Technik wieder. Somit ist der "hydraulische Abgleich" eine automatisch zu erbringende Leistung. Aber was bedeutet diese Passage in der Praxis und wie hat der hydraulische Abgleich zu erfolgen?

Bild 1: Schema der Wasserverteilung in einer Zweirohranlage ohne hydraulischen Abgleich.

"Bestimmungsgemäßer Betrieb" bedeutet nach der Heizungsanlagenverordnung z.B. eine außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung und Thermostatventile zur Raumtemperaturregelung. Bei einer automatischen Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur können die Thermostatventile nun - je nach Raumtemperatur und Einstellung - völlig öffnen. Beim Wiederaufheizen werden in einer nicht abgeglichenen Anlage die hydraulisch günstig gelegenen Heizkörper mit überhöhten Wassermengen versorgt. Ungünstig gelegene Heizkörper werden entsprechend weniger Wasser bekommen, was zu unnötig langen Aufheizzeiten führt (Bild 1).

Die betroffenen Mieter werden sich über "kalte Füße" beschweren. Diesen Folgen eines fehlerhaften Abgleichs wird in der Praxis meistens durch eine Erhöhung der Pumpenleistung oder der Vorlauftemperatur begegnet. Eine höhere Pumpenleistung führt neben einem höheren Stromverbrauch zunächst einmal dazu, daß die hydraulisch günstig gelegenen Heizkörper noch mehr Wasser erhalten. Irgendwann wird die Pumpenleistung so hoch sein, daß auch die ungünstig gelegenen Heizkörper schließlich mit einer gerade ausreichenden Wassermenge versorgt werden.

Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur hat natürlich einen größeren Primärenergieverbrauch durch mehr Verteilverluste zur Folge. So gibt es zwar keine Beschwerden mehr über "kalte Füße", dafür wird der Anlagenbetreiber buchstäblich eine Menge Geld verheizen. Da ihm die Vergleichsmöglichkeit fehlt, merkt er oft nicht einmal wie teuer ihn die mangelhafte Ausführung der Heizungsanlage kommt. In nicht abgeglichenen Heizungsanlagen kann es so leicht zu einem erhöhten Energieverbrauch von bis zu 15% kommen.

Eine ebenfalls häufig angewandte Methode des "Abgleichs", die auch nur bedingten Erfolg hat, ist die Verwendung von sogenannten Strangregulierventilen. Diese Ventile begrenzen die Wassermenge in einem Anlagenabschnitt unter Auslegungsbedingungen. Aus dem für die Deckung des Wärmebedarfs des Stranges erforderlichen Volumenstromes und dem für das Ventil zur Verfügung stehenden Differenzdruck errechnet sich der k_V-Wert des Ventils, auf den es eingestellt wird. Natürlich gibt es auch innerhalb eines Stranges hydraulisch günstige und hydraulisch ungünstige Heizkörper, z.B. pumpennahe und pumpenferne oder unterschiedlich große Heizkörper an einer Anbindung. Es kann also immer noch zu Verteilproblemen zwischen den einzelnen Heizkörpern des Stranges kommen.

Die VOB gibt deshalb auch eine genaue Anleitung zur Durchführung des Abgleiches. Unter Punkt 3.2.8 heißt es: "Bei Warmwasserheizungen müssen an jeder Raumheizfläche Möglichkeiten zur Begrenzung der Durchflußmenge vorhanden sein."

Bild 2: Mit diesem Thermostatventil läßt sich die Voreinstellung leicht vornehmen und ohne Hilfsmittel ablesen.

Eine besonders einfache Möglichkeit der Durchflußbegrenzung direkt am Heizkörper bieten Thermostatventile mit außenliegender Voreinstellung (Bild 2). Die Einstellung dieser Ventile ist für den Monteur ohne großen Arbeitsaufwand durchzuführen und bei der Abnahme leicht nachprüfbar.

Auf den richtigen Druck kommt es an

Neben der Wasserverteilung in der Anlage ist natürlich auch eine richtige Druckverteilung im Netz zu beachten. Die VOB/DIN 18380 führt hierzu unter Punkt 3.1.1 aus: "Umwälzpumpen, Armaturen und Rohrleitungen sind so aufeinander abzustimmen, daß auch bei zu erwartenden wechselnden Betriebsbedingungen eine ausreichende Wassermengenverteilung sichergestellt ist und die zulässigen Geräuschpegel nicht überschritten werden. Ist z.B. bei Schwachlastbetrieb ein übermäßiger Differenzdruck zu erwarten, so sind geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen, z.B. Einbau differenzdruckregelnder Einrichtungen."

Thermostatventile verkraften zwar regeltechnisch einen höheren Differenzdruck, doch sollte dieser aus akustischen Gründen nicht über 0,2 bar liegen. Als differenzdruckregelnde Einrichtung kann man einfach eine geregelte Pumpe verwenden. Das ist durchaus sinnvoll bei kleinen Anlagen, deren Differenzdruckbedarf unter 0,2 bar liegt. Bei größeren Anlagen mit einem höheren Differenzdruckbedarf ist das jedoch nicht ausreichend. An pumpennahen Strängen liegt der Differenzdruck hier immer über dem zulässigen Wert. Aber auch an den entferntesten Strängen kann der Differenzdruck bei zurückgehendem Volumenstrom bis über den zulässigen Differenzdruck ansteigen.

Bild 3: Zusammenhang zwischen Heizmittelstrom und Heizleistung von Heizkörpern.

Doch wie kommt es zu zurückgehenden Volumenströmen und damit ansteigendem Differenzdruck? Thermostatventile sind selbsttätige Regler. Sie regeln die Raumtemperatur, indem sie die zum Heizkörper fließende Wassermenge variieren. Steigt die Temperatur, drosselt das Thermostatventil die Wasserzufuhr zum Heizkörper. Thermostatventile erfassen so auch jede Art von Fremdwärme wie z.B. Sonneneinstrahlung, die elektrische Abwärme von Glühbirnen, Fernsehgerät, Elektroherden usw. Aber auch schon die Anwesenheit von mehreren Personen in einem Raum führt zu einem Ansteigen der Raumtemperatur und somit zu einem Rückgang der Wassermenge. Dies führt dazu, daß nur in den seltensten Fällen die projektierte Wassermenge in der Anlage zirkulieren wird! In modernen Heizungsanlagen hat man es immer mit variablen Wassermengen zu tun.

Überhöhte Vorlauftemperaturen zur Kompensation eines mangelhaften hydraulischen Abgleichs können eine weitere Ursache von zurückgehenden Volumenströmen sein. Ist nach einer Nachtabsenkung die am Thermostatventil eingestellte Raumtemperatur erreicht, stellt sich ein neuer Beharrungszustand ein. Das heißt, daß das Thermostatventil die Wassermenge so weit drosselt, wie zur Deckung der Wärmeverluste des Raumes gerade nötig ist. Bei einer nur um 5 K zu hohen Vorlauftemperatur kann man aus dem Heizkörperleistungsdiagramm bei Nennlast einen Rückgang der Wassermenge auf 70% des Auslegungsvolumenstromes ablesen (Bild 3). Aber auch die Nutzergewohnheiten tragen zur Reduktion der Wassermenge bei. So werden manche Räume wie z.B. Schlafzimmer nur selten geheizt oder zeitweise abgesenkt.

Eine Überlagerung all dieser Effekte führt dazu, daß in den meisten Heizungsanlagen oft nur 50 bis 60% der projektierten Wassermengen fließen. Diese Eigendynamik des Systems ist bei der Projektierung zu beachten. Häufig wird jedoch ein statisches Modell der Heizungsanlage betrachtet, das in der Praxis fast nie anzutreffen ist: der Auslegungsfall!

Manuelle Strangregulierventile verlieren bei Teillast ihre Wirkung

So kommt es auch, daß zum Abgleich übermäßiger Differenzdrücke die bereits erwähnten Strangregulierventile eingesetzt werden. Diese Ventile werden auf die Anlagenbedingung im Nennlastfall ausgelegt. Wie bereits erläutert, errechnet sich aus dem Nennvolumenstrom und dem im Auslegungsfall durch das Ventil zu drosselnden Differenzdruck der einzustellende k_v-Wert. Es gibt hier auch sehr aufwendige Verfahren, die Regulierventile mittels Meßcomputer einzudrosseln. Doch Strangregulierventile verlieren bei Teillast ihre Wirkung!

Hierzu ein Beispiel: In einer mittleren Anlage herrsche ein zentral geregelter Differenzdruck von 0,4 bar. Im Auslegungsfall betrage der Druckverlust in den Rohrleitungen 0,1 bar. Ebenfalls 0,1 bar sollen am Thermostatventil abfallen. Das Strangregulierventil wird in dieser statischen Betrachtung auf einen zu drosselnden Differenzdruck von 0,2 bar ausgelegt. Damit ergibt sich der am Regulierventil einzustellende k_v-Wert nach der Formel:

Reduziert sich der Volumenstrom im tatsächlichen Betrieb auf 50%, herrschen in der Anlage jedoch plötzlich folgende Bedingungen: Der Druckverlust der Rohrleitungen verringert sich auf 0,025 bar. Der tatsächlich am Strangregulierventil abfallende Differenzdruck beträgt nach

nur noch 0,05 bar! Am Thermostatventil liegt also trotz Strangregulierventil ein Differenzdruck von

an. Die Differenzdrücke verlagern sich bei Teillast also von den Rohrleitungen und Strangregulierventilen in die Thermostatventile. Die zulässigen Grenzwerte werden jetzt bei weitem überschritten.

Bild 4: Druckverhältnisse bei manuellem Strangregulierventil (links) und Strangdifferenzdruckregler (rechts).

Diese Beispielrechnung gilt natürlich nur unter der Voraussetzung, daß der zentrale Differenzdruck durch eine geregelte Pumpe konstant gehalten wird. Eine ungeregelte Pumpe wird bei zurückgehendem Volumenstrom einen weitaus höheren Differenzdruck erzeugen, so daß sich die Verhältnisse am Thermostatventil noch weiter verschlechtern (Bild 4).

Man sieht, manuelle Strangregulierventile erfüllen nicht die Forderung der VOB nach differenzdruckregelnden Einrichtungen, da sie nicht in der Lage sind, die Folgen eines zurückgehenden Volumenstromes auszugleichen.

Bild 5: Strangschema mit Strangdifferenzdruckreglern.

Strangdifferenzdruckregler erfüllen die Anforderungen der VOB

Strangdifferenzdruckregler halten dagegen den Differenzdruck im Strang konstant auf dem einmal gewählten Wert, unabhängig von den Betriebszuständen der Anlage (Bild 5). Eine Überschreitung des zulässigen Differenzdruckes wird dadurch sicher verhindert, und die Thermostatventile werden von artfremden Drosselaufgaben befreit. Die neueste Generation von Strangdifferenzdruckreglern wurde speziell für diesen Anwendungsfall ausgelegt. Durch die Konstruktion einer eigenen Regelmembran für jede Nennweite und die Anordnung der Bedienelemente in einem 90°-Winkel, zeichnen sie sich durch optimierte Regeleigenschaften und besonders kompakte Baumaße aus (Bild 6). Der Einsatz von Strangdifferenzdruckreglern bietet einen weiteren Vorteil.

Unter Punkt 3.1.1 führt die VOB DIN 18380 aus: "Bei thermostatischen Heizkörperventilen ist Voraussetzung für den hydraulischen Abgleich, daß diese Ventile im Verhältnis zum maximal möglichen Differenzdruck (...) an der dem Anlagenabschnitt vorgeschalteten Differenzdruckbegrenzungseinrichtung einen entsprechend hohen Widerstand aufweisen."

Bild 6: Für konstanten Differenzdruck sorgen Strangdifferenzdruckregler.

Hiermit ist die Ventilautorität gemeint. Diese ist bei einem strangweisen Einsatz von Differenzdruckreglern natürlich besser definierbar, da der maximal mögliche Differenzdruck des Stranges festliegt. Schwankungen der Ventilautorität werden so vermieden.

Kombinierter Einsatz von Strangdifferenzdruckreglern und voreinstellbaren Thermostatventilen

Durch den kombinierten Einsatz von voreinstellbaren Thermostatventilen und Strangdifferenzdruckreglern werden die Forderungen der VOB sowohl nach einem hydraulischen Abgleich der Anlage, als auch nach geeigneten differenzdruckregelnden Maßnahmen erfüllt. Nebenbei wird auch die in der VOB geforderte Festlegung einer definierten Ventilautorität erleichtert. Eine betriebssichere Anlage, die entsprechend sparsam mit der Primärenergie umgeht, kann so auf einfache Weise sichergestellt werden. Überhöhte Betriebskosten und unnötige Reklamationen werden vermieden.

Und schließlich sind zufriedene Kunden immer noch das beste Aushängeschild für jedes Planungsbüro und jeden Installationsbetrieb.

B i l d e r : Danfoss Wärme- und Kältetechnik GmbH, Heusenstamm

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