Optimale Wasserverteilung

Die Hydraulische Weiche in Kombination mit Brennwertkesseln

Wilhelm Zweers*

In der Heizungstechnik vollzieht sich seit geraumer Zeit ein grundlegender Wandel in der Beheizung von Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebauten. Wo vor Jahren Anlagen mit Temperaturen von 90/70°C betrieben wurden, bedient man sich heute zunehmend der Brennwerttechnologie im Niedertemperaturbereich.

Aufgrund des hohen Wärmedämmstandards im Neubau liegen die heutigen Vorlauftemperaturen bei weniger als 70°C, bei Fußbodenheizungen oder anderen Flächenheizungen sogar noch niedriger. Aber auch in älteren Gebäuden mit vorhandenen Rohrsystemen und Heizflächen können vielfach Niedertemperatur-Brennwertanlagen zur Beheizung eingesetzt werden, da die damaligen Auslegungskriterien einen sehr großen Spielraum bieten (z.B. durch Fenstersanierung mit Isolierglas, Dach- oder Wanddämmung). Die Brennwerttechnik setzt zunehmend einen Siegeszug an. Dies gilt sowohl für neue als auch für zu sanierende Heizungssysteme.

Bild 1: Hydraulische Weiche mit Magnetitfilterkerzen und Luftdom.

Bemerkenswert ist an dieser Stelle die Tatsache, dass es gerade bei neuartigen Hochleistungskesseln im Brennwertbereich in zu sanierenden, aber auch in neu installierten Anlagen immer wieder zu Magnetitverschlammungen im Wärmeerzeuger kommt (Magnetitschlamm besteht aus ferrithaltigen Ablagerungen und Auswaschungen aus Kesselanlagen, Rohrleitungen und Heizflächen). Nicht selten führen diese Verschlammungen zum Ausfall bis hin zur Zerstörung des Kessels. Zur Problemlösung bietet die Industrie dafür heute die Möglichkeit einer Magnetitabsonderung über Magnetfilterkerzen in der Hydraulischen Weiche, sodass Lebensdauer und Funktion der Hochleistungskessel gewährleistet sind (Bild 1).

Von größter Wichtigkeit ist, dass Leistungs- und Einsatzgrenzen der neuen Brennwert-Heizkessel genaustens betrachtet werden. Immer wieder werden durch Unkenntnis Anlagen erstellt, die später nicht die in sie gestellten Erwartungen erfüllen. Anlagenkenndaten wie Rohrsystem, Heizflächen, Nutzung des Gebäudes etc. müssen für einen zufrieden stellenden Betrieb der Anlage mit den Belangen der Brennwerttechnik in Einklang gebracht werden. Der wichtigste Punkt dabei ist die einwandfreie Funktion der Anlagenhydraulik.

Bild 2: Kesselanlage mit Verteiler und Übertströmstrecke.

In den Anfängen der Brennwerttechnologie wurde zwingend darauf verwiesen, drucklose Verteiler, Überströmstrecken oder Überströmventile aus einer vorhandenen Anlage zu entfernen, da diese in der Sättigungsphase des Heizsystems zu einer ungewollten Rücklaufanhebung führt (Bild 2). Nach heutiger Kenntnis ist die Hydraulische Weiche die einzige Alternative für die Funktion einer Heizungsanlage, sobald unterschiedlich große Wassermengen zwischen Primär- und Sekundärseite fließen (Bild 3).

Bild 3: Kesselanlage mit Verteiler und Hydraulischer Weiche.

Hydraulische Probleme

Von den Kesselherstellern werden die Mindest- und Maximalwasserumlaufmengen genannt. Diese Daten sind in den technischen Unterlagen aller Hersteller offen gelegt und ist für die Berechnung und spätere Funktion der Anlage von größter Bedeutung. Sobald eine Heizungsanlage mit zwei oder mehreren Heizkreisen ausgerüstet ist, weichen die Volumenströme von Wärmeerzeuger (kleine Wasserleistung) und Abnehmerkreisläufen (große Wasserleistung) aufgrund unterschiedlicher Temperaturspreizung voneinander ab. Hierdurch sind Unterversorgungen in den Abnehmerkreisläufen zur Beheizung des Gebäudes vorprogrammiert. Mit dem Einbau einer Hydraulischen Weiche ist dieser Mangel auf einfachste Weise zu lösen, da über sie ein Nullpunkt im System geschaffen wird. Eine Beeinflussung von Primär- zur Sekundärseite ist damit völlig ausgeschlossen.

Bei vielen Wärmeerzeugern ist zudem eine Mindestwasserumlaufmenge für Funktion und Lebensdauer erforderlich. So wurde auf der Messe ISH 2003 in Frankfurt ein Brennwertkessel mit einer Leistung von 470kW und einem Inhalt von ca. 45 Litern vorgestellt. Hier wird jedem Fachmann klar, welche Probleme entstehen können, sobald dieser Wärmeerzeuger nicht mit der vom Hersteller vorgegebenen Wassermenge durchströmt wird. Da die Volumenströme der Abnehmerseite immer variabel sind - und im Extremfall sogar bis auf Null zurückgehen können - wird die erforderliche Mindestmenge über die Hydraulische Weiche grundsätzlich immer bereitgestellt. Sie gewährleistet die Betriebssicherheit und Lebensdauer des Heizkessels.

Um den erforderlichen Volumenstrom zur Hydraulischen Weiche zu sichern, ist auf der Primärseite eine Kesselkreispumpe zwingend erforderlich. Durch die Hydraulische Weiche werden so auch die größeren Volumenströme auf der Abnehmerseite ausgeglichen, auch wenn auf der Kesselseite geringere Volumenströme vorliegen. Eine Beeinträchtigung der Primär- zur Sekundärseite ist damit unterbunden.

Hydraulische Weichen werden bei wandhängenden Brennwertgeräten mit einem und mehreren Heizkreisen eingesetzt. Sie ist auch da gefordert, wo Abnehmer- und Verbraucherwassermengen größer sind als die, die der Kessel liefern kann. Bei den meisten Anlagen handelt es sich dabei um einen Heizkreis mit statischen Heizflächen (Heizkörper) und einem weiteren Heizkreis für eine Fußbodenheizung.

Bei allen Brennwertgeräten sind die Wasserumlaufmengen durch integrierte Umwälzpumpen limitiert. Im Regelfall werden auf der Sekundärseite (die beiden Heizkreise "Heizkörper" und "Fußbodenheizung") jedoch immer entschieden größere Wassermengen benötigt, sodass eine Hydraulische Weiche zwangsläufig eingesetzt werden muss. Sie hat die Aufgabe, die Wasserunterversorgung der Wärmeabnehmer zu vermeiden. Fast ausnahmslos benötigt jedes Brennwertgerät eine Hydraulische Weiche, damit es bei geringeren Abnahmeleistungen überhaupt in Funktion gesetzt werden kann. Damit dient sie der Gewährleistung einer Zwangswasserumlaufmenge im Kurzschluss.

Die bislang negative Einstellung von Hydraulischen Weichen in der Brennwerttechnologie kann bis auf wenige Ausnahmen entkräftet werden, da die ungewollte Rücklaufanhebung über die Weiche zum Brennwertgerät durch den großen Modulationsbereich des Gerätes ausgeglichen wird (Leistung geht bei fast allen Herstellern bis auf 20% zurück). Das heißt, sobald die Rücklauftemperatur am Kessel steigt, ist dies das Signal, dass eine Sättigung der Wärmeabnehmer stattfindet. Hier greift die modulierende Brennertechnologie ein und passt die Leistung dem Abnahmebedarf an. Durch diese Funktion ist der Vorteil der Brennwertnutzen fast bis zum Abschaltpunkt nach völliger Sättigung des Systems mit Wärme gegeben.

Beispiel 1

Morgendliche Aufheizphase: Wasserleistung vom Brennwertgerät 1000l/h, Bedarf auf der Abnehmerseite 1400l/h. Hier wird über die Hydraulische Weiche dem Vorlaufwasser 400l/h sekundär Rücklaufwasser beigemischt. Somit sind hydraulische Probleme unterbunden und eine Aufheizung aller Abnehmer gewährleistet.

Beispiel 2

Sättigung der Heizkreise: 1000l/h vom Heizgerät, Abnahme der Verbraucher 750l/h. Hier strömt zwangsläufig 250l Vorlaufwasser über die Weiche dem Kesselrücklauf bei. Da diese Wassermenge zur Rücklaufanhebung führt, gibt ein Temperaturfühler der Regelung den Impuls, die Brennerleistung zurückzufahren. Somit ist eine Nutzung der Abgaswärme durch Kondensation gegeben.

Bild 4: Brennwert-Wandheizgerät mit Hydraulischer Weiche.

Viele Regler von wandhängenden Brennwertkesseln geben bei steigender Rücklauftemperatur der Kesselpumpe ein Stellsignal, wodurch die Drehzahl der Pumpe verändert wird. (Sensoren und Regelphilosophie sind bei jedem Kesselhersteller unterschiedlich.) Diese Drehzahlreduzierung verändert auch die Wasserleistung des Brennwertgerätes, sodass der Kessel weiter die Kondensationswärme der Abgase nutzen kann. Grundvoraussetzung dafür ist, dass die Rücklauftemperatur niedriger als die Taupunkttemperatur der Abgase ist. Wird dies durch die Auslegung der Systemtemperatur sichergestellt, wird ein optimaler Wirkungsgrad erreicht (Bild 4).

Mehrkesselanlagen

Eine noch größere Bedeutung als in dem zuvor geschilderten Betriebsfall kommt der Hydraulischen Weiche im Einsatz bei Mehrkesselanlagen im Kleinbereich (auch Wandkessel) zu. Zum einen vermeidet sie einen taktenden Heizbetrieb, zum anderen sorgt sie dafür, dass bei voneinander abweichenden Volumenströmen keine hydraulische Beeinträchtigung erfolgen kann.

Bild 5: Wandhängende Mehrkesselanlage mit Hydraulischer Weiche und Sekundärverteiler. Verrohrung nach Tichelmann.

Grundsätzlich erhalten dabei alle Wärmeerzeuger eine eigene Kesselkreispumpe, um bei geringer Abnahme die nicht benötigten Wärmeerzeuger hydraulisch zu entkoppeln und in eine völlige Nullstellung zu versetzen. Bislang wurde eine auf dem Stand der Technik entsprechende Verrohrung zur Anbindung mehrerer Heizkessel nach dem "Tichelmann’schen System" vorgenommen (Bild 5). Diese Montageart ist in der Praxis jedoch sehr aufwendig und zudem aus Platzgründen oftmals nicht realisierbar. Stattdessen kann der Fachmann hier einen Kaskadenverteiler mit integrierter Hydraulischer Weiche einsetzen (Bild 6). Diese Anlagekomponente sorgt für gleiche Druckverluste aller Wärmeerzeuger und gewährleistet so optimale hydraulische Verhältnisse im Heizungssystem und den Kesselkreisläufen. Taktender Heizbetrieb mit unwirtschaftlichen Betriebsverhältnissen und nicht funktionierender Hydraulik gehören der Vergangenheit an.

Bild 6: Wandhängende Mehrkesselanlage mit Hydraulischer Weiche und Sekundärverteiler. Einbindung der Kessel mit vorgefertigter Baugruppe "Sinus Kaskaden Unit".

Einen weiteren großen Vorteil bietet die Aufteilung des errechneten Wärmebedarfs auf mehrere Wandheizkessel, da in Übergangszeiten durch den enorm großen Modulationsbereich jedes einzelnen Gerätes in der Brennerleistung praktisch der Bedarf auf 1kW genau an die zur jeweiligen aufzuheizenden Abnehmer gewährleistet werden kann.

Die Kaskadenschaltungen mehrerer Wandheizkessel bringen somit höchste Energieeinsparung, die gegenüber einem herkömmlichen Heizkessel bis zu 40% betragen kann. Größte Betriebssicherheit ist durch Aufteilung mehrerer Wärmeerzeuger gegeben, da es unwahrscheinlich ist, dass zur gleichen Zeit mehrere Geräte eine Störung oder einen Defekt aufweisen. Ein weiterer Vorteil liegt in der verkürzten Montagezeit, weil die Komponenten vorgefertigt sind.

Bild 7: Kesselanlage mit ungeregelter Kesselkreispumpe.

Brennwertkessel für Großheizanlagen

Anders als in Brennwert-Kleinkesselanlagen (Leistung je Erzeuger ca. 20 - 90KW) verhält sich die Hydraulik in Großkesselanlagen. Wo dort bis vor geraumer Zeit noch Pumpen mit konstanten (ungeregelten) Volumenströmen eingesetzt wurden, kommen heute geregelte Umwälzpumpen zum Einsatz. Die Funktionsweise und Problematik ist dabei folgende: bei einer ungeregelten Umwälzpumpe kann zeitweise eine ungewollte Rücklauftemperaturanhebung über die Hydraulische Weiche erfolgen und zwar dann, wenn die Kesselwasserumlaufmenge größer ist als die Wassermenge der Abnehmerseite. Dieses geschieht dann, wenn heißes Kesselvorlaufwasser (z.B. 70°C) direkt durch die Hydraulische Weiche dem Kesselrücklauf zugeführt wird. Liegt die Rücklauftemperatur nun über dem Kondensationspunkt, ist zwar eine Abgaswärmenutzung noch möglich, Brennwerttechnik im Kondensationsbereich jedoch nicht (Bild 7).

Genau dieser Problematik hat sich die Pumpenindustrie angenommen. Sie bietet heute Pumpen an, die über eine DT-Regelung verfügen. Diese Pumpentechnik gewährleistet, dass der Brennwertkessel fast ausschließlich im Kondensationsbereich gefahren werden kann. Voraussetzung dafür ist, dass - wie aus Bild 8 erkennbar - je ein Fühler im Rücklauf der Hydraulischen Weiche sekundär und primär montiert wird. Steigt die Temperatur im Rücklauf oberhalb des Kondensationspunktes zum Kessel an, weil der Volumenstrom des Kessels größer ist als die Abnahmemenge der Heizkreise (Vorlaufwasser wird über die Hydraulische Weiche dem Rücklaufwasser beigemischt), wird die Drehzahl der Pumpe der Kesselleistung angepasst. Die Wassermenge der Abnehmerseite ist so leicht größer als die Kesselwasserleistung. Dadurch ist sichergestellt, dass die nicht gewollte Temperaturanhebung über die Hydraulische Weiche unterbleibt.

Bild 8: Kesselanlage mit DT-geregelter Kesselkreispumpe, Hydraulischer Weiche und Sekundärverteiler.

Zur Verdeutlichung folgendes Beispiel: Kesselkreispumpe erbringt 10 m³/h, Abnehmerkreisläufe aus der Hydraulischen Weiche 8,5 m³/h. So erhöhen 1,5 m³/h Kesselwasser über die Hydraulische Weiche die Kesselrücklauftemperatur. Diese Überschusswassermenge, die zu einer nicht gewollten Rücklaufanhebung führt, kann von der DT-geregelten Pumpe ausgeglichen werden. Bei Umwälzpumpen mit DT-Regelung in Verbindung mit je einem Temperaturfühler im Sekundär- und Primärrücklauf wird der Volumenstrom der Primärkreise soweit wie möglich vermindert, damit kein Kesselvorlaufwasser über die Hydraulische Weiche zum Kesselrücklauf gelangen kann. Eine Rücklaufanhebung wird so weitgehendst unterbunden und der Brennwertkessel bleibt auch im Teillastbetrieb im Kondensationsbereich (Bild 9).

Bild 9: Kesselanlage mit DT-geregelter Kesselkreispumpe. Temperaturfühler in der Pumpe integriert.

Kostengünstiger ist die Nutzung des integrierten Temperaturfühlers in der Umwälzpumpe. Durch die Vorwahl der Regelart "Dp-T" an der Pumpe können vier Eckdaten eingestellt werden: "min.- und max.-p" sowie "min.- und max.-T". Hierdurch wird automatisch die Wassermenge zirkulieren, die bei der jeweiligen Brennerleistung zum Kesselschutz erforderlich ist (Bild 10). Hier ist ein zusätzlicher Schutz über einen Strömungswächter ratsam.

Bild 10: Kesselanlage mit Verteiler, Hydraulischer Weiche und DT-geregelter Pumpe.

Fazit

Durch den Einsatz einer Hydraulischen Weiche in Verbindung mit einer fachmännisch gut installierten Regelanlage werden optimale Wirkungsgrade und ein geringster Energieaufwand erreicht. Aufgrund der hydraulischen Entkopplung kann die strömende Wassermenge der Brennerleistung und dem dazu gehörenden Erzeugerwirkungsgrad angepasst werden. Moderne Hocheffizienzpumpen ermöglichen zusätzlich eine einfache und kostengünstige Bus-Ankopplung, sodass der Regeltechniker nur noch parametrieren muss.

Um die Lebensdauer und Funktion des Wärmeerzeugers nicht zu gefährden, sind grundsätzlich immer die Herstellerangaben zu prüfen, inwieweit der Heizkessel eine Zwangswasserumlaufmenge benötigt oder ob diese bis auf den möglichen Regelbereich der DT-Regelung auf ca. 50% der Wasserleistung zurückgehen darf.

*) Wilhelm Zweers, Prokurist bei Comfort Sinusverteiler GmbH, Wettringen.

B i l d e r : Comfort Sinusverteiler GmbH, Wettringen

[Zurück] [Übersicht] [www.ikz.de]