IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 10/2000, Seite 75 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Wirtschaftlicher und sicherer Betrieb moderner Zweirohr-Heizungsanlagen

Norbert Schütz*

Der qualifizierte Heizungsfachmann muss heute nicht nur ein guter Handwerker sein, sondern er muss auch die Grundlagen der wichtigsten Vorschriften und Verordnungen kennen bzw. muss in der Lage sein, sie in die Praxis umzusetzen. Zwei wesentliche Vorschriften bezüglich der Heizungsregelung und Hydraulik sind: 1. die Neufassung der Heizungsanlagenverordnung vom 4. Mai 1998 und 2. die Verdingungsordnung für Bauleistungen, kurz VOB genannt, in Form der DIN 18380 von 1990. Hierbei handelt es sich um die ATV/allgemeinen technischen Vertragsbedingungen.

Der § 7 der Heizungsanlagenverordnung legt fest, welche Regelkomponenten in einer Heizungsanlage zwingend vorgeschrieben sind und schreibt auch vor, bis wann bestehende Anlagen nachzurüsten sind. In der VOB/DIN 18380 sind die Ausführungsrichtlinien für Heizungsanlagen und zentrale Wassererwärmungsanlagen vorgegeben.

Bild 1: Funkgesteuerte Einzelraumregelung "CF" System.

Regelungstechnische Mindestausstattung

Im § 7 der Heizungsanlagenverordnung heißt es:

(1) Zentralheizungen sind mit zentralen selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Verringerung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie zur Ein- und Ausschaltung der elektrischen Antriebe in Abhängigkeit von

1. der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und

2. der Zeit

auszustatten.

(2) Heizungstechnische Anlagen sind mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur raumweisen Temperaturregelung auszustatten...

Bild 2: Thermostatventil Typ "N" für mittlere und größere Volumenströme.

Für den Heizungsbauer bedeutet diese Vorgabe den Einbau von witterungsgeführten Vorlauftemperaturreglern am Wärmeerzeuger und als raumweisen Temperaturregler den Einsatz von Thermostatventilen an statischen Heizflächen. Auch bei Fußbodenheizungen müssen die einzelnen Heizkreise raumweise geregelt werden. Hier werden üblicherweise thermische Stellantriebe am Verteiler von elektrischen Raumthermostaten angesteuert. Um sowohl im Neubau als auch bei der Nachrüstung mit geringstem Aufwand zu arbeiten, bieten sich funkgesteuerte Lösungen.

Die o. g. Regelkomponenten müssen in Neubauten sofort eingebaut werden und in vorhandenen Anlagen spätestens bis 31.12.1997 nachgerüstet worden sein. Ausnahmen für Nichtwohngebäude, Einfamilienhäuser oder für die neuen Bundesländer gibt es nicht mehr. Der Heizungsbauer, der die Anlagen betreut, ist dazu verpflichtet, den Anlagenbetreiber auf etwaige Mängel hinzuweisen.

Bild 3: Thermostatventil Typ "UN" für kleine und mittlere Volumenströme.

Aufgabe der Thermostatventile und verschiedene Ventillösungen (Bilder 2 und 3)

Die Hauptaufgabe des thermostatischen Heizkörperventils ist, die gewünschte Raumtemperatur möglichst konstant zu halten. Dies dient zum einen der Energieeinsparung und natürlich auch dem Wohlbefinden des Nutzers. Leider kann das Ventil dieser Aufgabe häufig nicht nachkommen, denn von vielen Anlagenbetreibern wird das Ventil nach wie vor als "Auf-Zu"-Ventil genutzt. Wird die Wohnung verlassen oder ist es zu warm, dreht der Nutzer das Ventil zu; kommt er nach Hause oder es ist ihm zu kalt, dreht er das Ventil wieder auf - meistens bis zur Maximaleinstellung "5". Diese Einstellung entspricht ca. 26°C. Bei diesem Handling wird auch der maximal mögliche Volumenstrom über das Ventil und den Heizkörper fließen.

Wenn die Heizkurve richtig eingestellt ist und die Heizflächen richtig dimensioniert sind, wird der Raum diese Temperatur nie erreichen, sprich die Ventile werden nie beginnen selbsttätig zu schließen. Wird die Heizungsanlage mit überhöhter Vorlauftemperatur betrieben, wird sich bei dem beschriebenen Nutzerverhalten eine zu hohe Raumtemperatur einstellen. Die Regelaufgabe kann nicht erfüllt werden. Hier ist die Fachkompetenz des Heizungsbauers gefordert, der dem Kunden erklären muss, wie ein Thermostatventil zu bedienen ist.

Bild 4: Ventilheizkörper - eine Einheit aus Heizkörper und Thermostatventil.

Das beste Regelergebnis wird erreicht, wenn der Fühler auf einer Stellung eingestellt bleibt, und nur in Ausnahmefällen (z.B. längere Abwesenheit) verändert wird. Den meisten Endverbrauchern ist nicht bewusst, dass ein Thermostatventil ein selbsttätiger Regler ist, und bei überschreiten des eingestellten Sollwertes das Ventil selbstständig schließt. Vielfach wird das Ventil auch in den Sommermonaten manuell geschlossen, was natürlich auch nicht erforderlich ist. Wird das Ventil sachgemäß benutzt, kann es in seinem Regelbereich von 2 K arbeiten, d.h. bei Einstellung "3" wird es bei ca. 20°C geschlossen und bei ca. 18°C voll geöffnet sein. Man bezeichnet dies als "P-Bereich".

Die Regelqualität des Ventils und das gewünschte Ergebnis - eine konstante Raumtemperatur - werden nicht nur durch das Nutzerverhalten beeinflusst, sondern ganz wesentlich auch von den Anlagenrandbedingungen wie z.B. dem hydraulischen Zustand der Heizungsanlage und der richtigen Reglerauswahl.

Bild 5: Anschlussschema der Universalarmatur "VHS".

Ventilheizkörper mit Einbauventilen der Serie "3"

Sogenannte Ventilheizkörper, die Heizfläche und Thermostatventil in einer Einheit vereinen, nehmen einen immer größeren Anteil am gesamten Heizflächenanteil an (Bild 4).

Die meisten namhaften Heizkörperhersteller bieten mittlerweile im Bereich der Flach- oder Planheizkörper entsprechende Lösungen an. Diese Entwicklung betrifft zunehmend auch Design-Badheizkörper und Röhrenheizkörper.

Universalanschlussarmatur "VHS / BVHS"

Eine neue Art der Heizkörperanbindung erfolgt mit der Universal-Anschlussarmatur "VHS". Sie stellt eine Alternative zu den bisher bekannten Heizkörperanbindesystemen dar. Die konventionelle Anbindung, mittels angebautem Thermostatventil im Vorlauf und Rücklaufverschraubung im Rücklauf, bedeutet den größten Montageaufwand. Um die Montagekosten, insbesondere im Neubau, zu reduzieren, wurden in den letzten Jahren zunehmend Ventilheizkörper eingesetzt. Für den Handel bedeuten zwei verschiedene Anbindemethoden zwangsläufig doppelte Lagerhaltung von Heizflächen.

Einige Heizkörperhersteller bieten mit "Universalheizkörpern" die Möglichkeit, mit einem Heizkörper-Typ beide Anbindemethoden zu nutzen. Universalheizkörper sind Ventilheizkörper, jedoch ohne werkseitig vormontiertes Einbauventil. Mit dem neuen Ventil VHS besteht nun eine dritte Anschlussmöglichkeit. Es kann sowohl auf das angebaute Ventil als auch auf das integrierte Ventil verzichtet werden (Bild 5). "VHS" beinhaltet Ventil, Absperrung und Verschraubung. Ein weiterer Einsatzbereich ist der Bad-Heizkörper.

Bild 6: Wirtschaftliche Fühlermontage ohne Werkzeug durch Schnappbefestigung.

Fühlermontage

Auch bei der Fühlermontage spielen heute wirtschaftliche Argumente eine wichtige Rolle. So gibt es bereits seit einigen Jahren Thermostatventile, die per Schnappbefestigung einfach auf das Thermostatventilunterteil gesteckt wird. Schrauben entfällt. Des Weiteren können sie mit einer Diebstahlsicherung ausgestattet werden und sind begrenz- und blockierbar.

Anbindung von Heizkörpern

Die rohrnetzseitige Anbindung von Heizkörpern unterliegt genauso wie der Ventilbereich bestimmten Anforderungen. Ausführungsanforderungen an Heizkörper-Verschraubungen sind u.a. auch in der VOB/DIN 18380 verankert. So heißt es unter Pkt. 3.2.10.4:

"Heizkörper sind mit den Rohrleitungen zu verbinden, dass sie leicht lösbar, entleerbar und abnehmbar sind. Heizkörper und ihre Armaturen müssen gut zugänglich sein."

So bietet der Markt beispielsweise Verschraubungen für die außen liegende Anbindung und sogenannte Universalverschraubung an (Bild 7).

Bild 7: Absperrbare Verschraubungen; links für außen liegende Anschlüsse, rechts für Universalanbindungen.

VOB und hydraulischer Abgleich

Durch Heizungsanlagenverordnung und VOB wird heute eine Wassermengenbegrenzung für alle Heizungsanlagen vorgeschrieben. Um eine funktionierende Anlage zu gewährleisten, muss ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden. Die einfachste und schnellste Art ist hier die außen liegende Voreinstellung am Thermostatventil. Damit die eingestellten Werte für alle Lastzustände der Anlage konstant bleiben und Geräusche bei Differenzdruckanstieg vermieden werden, müssen der Anlage angepasste Differenzdruck regelnde Einrichtungen installiert werden. Unter Beachtung der zwei wesentlichen Punkte, Volumenströme und Differenzdrücke, wird die Anlage hydraulisch einwandfrei funktionieren. Die Hydraulik einer Heizungsanlage wird in der Praxis durch einige Punkte, wie z.B. das Nutzerverhalten oder falsch ausgelegte Anlagenkomponenten gestört. Die Folgen sind ungleichmäßige Versorgung, zu lange Aufheizzeiten der Anlage, Strömungsgeräusche und letztlich unzufriedene Kunden.

Als Vertragsgrundlage hat die VOB an mehreren Stellen den hydraulischen Abgleich berücksichtigt.

"3.1. Umwälzpumpen, Armaturen und Rohrleitungen sind durch Berechnung so aufeinander abzustimmen, dass auch bei den 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. der Einbau Differenzdruck regelnder Einrichtungen.

(...)

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 der Heizanlage, alle Wärmeverbraucher entsprechend ihrem Wärmebedarf mit Heizungswasser versorgt werden.

(...)

3.6.2 Die Funktionsprüfung der Gesamtanlage ist im Rahmen eines Probebetriebes durchzuführen. Sie umfasst die Sicherheitseinrichtungen, die Feuerungs- bzw. Beheizungseinrichtungen, den hydraulischen Abgleich. Schmutzfänger und Filter sind nach dem Probebetrieb zu reinigen."

Bild 8: Schema einer mangelhaften Warmwasserverteilung in einer Zweirohranlage.

Bedingt durch die neue Wärmeschutzverordnung und immer größer werdendes Energiesparbewusstsein sind in neuen Heizungsanlagen immer kleinere Leistungen installiert. Minimal dimensionierte Wärmeerzeuger stellen nur die Leistung zur Verfügung, die laut Berechnung auch maximal benötigt wird.

Gemäß VOB/DIN 18380 müssen alle Heizflächen einer Anlage zu jeder Zeit mit dem erforderlichen Volumenstrom versorgt werden. Bild 8 zeigt eine Anlage, in der diese Forderung nicht erfüllt wird.

Bild 9: Die Differenzdrücke für Thermostatventile sollten sich zwischen 50 und max. 200 mbar bewegen.

Entscheidung für die richtigen Komponenten

Thermostatventile in Ventilheizkörpern haben, wenn sie nicht voreingestellt werden, z.B. einen kV-Wert von 0,87 m3/h. Diese Ventilkapazität wird bei einer Temperaturspreizung von 15 K und einem Differenzdruck von 0,1 bar für eine Heizleistung von ca. 5 kW benötigt. Diese Leistung wird natürlich nicht abgegeben, da eine Verdoppelung des notwendigen Volumenstroms weniger als 10 % Mehrleistung bedeuten.

Wird wegen hydraulischer Probleme eine überhöhte Pumpenleistung als Lösung angewandt, kostet dies nicht nur unnötige elektrische Leistung, sondern verursacht auch in den meisten Fällen Strömungsgeräusche an günstig gelegenen Verbrauchern (Bild 9).

Bild 10: Einbauventile der Serie "3" mit zwei kV-Werten: gelbe Voreinstellkrone 0,04 - 0,34, rote Voreinstellkrone 0,14 - 0,87.

Je nach Einsatzgebiet gibt es Thermostatventile mit unterschiedlichen kV-Bereichen. Beispiel: die einen Ventile haben einen voreinstellbaren kV -Wert zwischen 0,14 und 0,87 (Universalventil), andere haben einen kV -Wertbereich zwischen 0,04 und 0,34 (für kleine bis mittlere Leistungen) (Bild 10).

Volumenstrom und Temperaturspreizung

Direkt gefahrene Fernwärmeanlagen werden in vielen Fällen mit einer Temperaturspreizung von 40 Kelvin projektiert. Unter Berücksichtigung dieser Temperaturspreizung ergeben sich entsprechend kleine Wassermengen.

Bild 11: Voreinstellbereich bei 0,1 bar mit je 14 Voreinstellwerten.

Werden in Fernwärmeanlagen die erforderlichen Wassermengen nicht exakt eingestellt, kommt es zu einer Rücklauftemperaturanhebung. Die in diesen Anlagen vorgeschriebenen Rücklauftemperaturbegrenzer veranlassen die witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung, das Regelventil zu schließen, und können dazu führen, dass der gesamten Anlage nicht mehr genügend Leistung zugeführt wird.

Auch beim Einsatz von Ventilheizkörpern in Brennwertanlagen muss analog zu den Fernwärmeanlagen besonders auf das Einhalten einer maximalen Rücklauftemperatur geachtet werden. Um den gewünschten Brennwerteffekt zu erzielen, darf eine Rücklauftemperatur von 56°C nicht überschritten werden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, durch Wassermengenbegrenzung die erforderliche Temperaturspreizung einzuhalten.

An dieser Stelle sei noch einmal deutlich zu betonen, dass überhöhte Volumenströme und damit eine Verkleinerung der Temperaturspreizung durch nicht begrenzte Volumenströme und zu hohe Differenzdrücke verursacht werden. Die doppelte Wassermenge über einen Heizkörper bedeutet etwa die Hälfte der Temperaturspreizung (Bild 12).

Bild 12: Je kleiner die Temperaturspreizung wird, umso mehr wird der Brennwerteffekt eingeschränkt.

Anlagenhydraulik und Differenzdruckverhältnisse

Sehr oft wird versucht, die sich einstellende Unterversorgung durch erhöhte Pumpenleistung auszugleichen. Diese Maßnahme bewirkt eventuell, dass entfernte Heizkörper besser versorgt werden, jedoch erhöht sich dadurch an den pumpennahen Heizkörpern der Differenzdruck. Außerdem wird durch den erhöhten Differenzdruck wieder mehr Volumenstrom gefördert als benötigt.

Durch den Differenzdruckanstieg im Teillastfall kommt es außerdem zu störenden Geräuschen. Um ein problemloses Arbeiten der Thermostatventile zu sichern, sollte sich der Differenzdruck für die Thermostatventile zwischen 50 und max. 150 mbar bewegen.

Bild 13: Vereinfachte Darstellung von Druckverteilung, Pumpen- u. Rohrnetzkennlinie.

Bei rückläufigem Volumenstrom erhöht sich der Differenzdruck über den Thermostatventilen (Bild 13). Bei halber Wassermenge (50% Last) sind noch 25% Förderhöhe notwendig (Bild 14). Nur eine der Anlage angepasste differenzdruckregelnde Einrichtung kann hier Abhilfe schaffen.

Bild 14: Bei halber Wassermenge reduzieren sich die Druckverluste auf ein Viertel.

Jedem Heizungsfachmann ist bewusst, dass die geplante Förderhöhe einer Heizungsumwälzpumpe fast nie erforderlich ist, da die Anlage fast immer im Teillastbereich arbeitet und damit ohne eine geeignete differenzdruckregelnde ein Differenzdruckanstieg im Teillastfall entsteht. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass bei notwendigen Förderhöhen bis ca. 200 mbar eine zentrale dp-Regelung ausreichend ist, jedoch bei Förderhöhen darüber man nicht auf die dezentrale dp-Regelung verzichten sollte. Die geeignete Maßnahme ist immer der jeweiligen Anlage anzupassen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Für Einfamilienhäuser und Etagenheizungen ist ein Überströmventil oder eine drehzahlgeregelte Pumpe eine absolut ausreichende Regelkomponente.

Sobald eine Anlage mehrere Stränge oder Anlagenabschnitte hat, muss für jeden Strang oder Anlagenabschnitt eine eigene differenzdruckregelnde Einrichtung vorgesehen werden. Die früher übliche "Strangregulierung" mit manuellen Strangregulierventilen ist nur gut für den nur selten vorhandenen Nennbetrieb. Sie ist nichts anderes wie ein fester Widerstand, der sich dem Teillastbetrieb nicht anpassen kann. Für manuelle Strangventile gilt das gleiche Druckverlustverhalten wie für das übrige Rohrnetz.

Zur strangweisen Differenzdruckregelung gibt es automatische Strangdifferenzdruckregler, die auch im Teillastbetrieb konstante Druckverhältnisse gewährleisten (Bilder 15 und 16).

Bild 15: Differenzdruckregler.

 

Bild 16: Automatischer Strangdifferenzdruckregler gewährleistet auch im Teillastbetrieb konstante Druckverhältnisse.

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

*) Danfoss Wärme- und Kältetechnik GmbH, Heusenstamm

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