Hydraulische Schaltungen in der Heiz- und Kältetechnik

Eine hydraulische Schaltung ist die wasserseitige Zusammenführung mehrerer Anlagenkomponenten zu einer funktionsfähigen Anlage. Das primäre Ziel ist, die Durchflussmengen in allen Verbrauchereinheiten, bei entsprechenden Nennbedingungen, zur Verfügung zu haben.So wird z.B. beim hydraulischen Abgleich der Druckverlust in der Heizungsanlage so beeinflusst, dass jeder Verbraucher genau die Wassermenge erhält, die zur Deckung des Wärmebedarfs erforderlich ist. Wird hydraulisch nicht einreguliert, ist eine Überversorgung der nahe der Pumpe liegenden Heizkörper nicht auszuschließen. Das führt zu weiteren, ungewollten Nebenwirkungen, etwa Fließgeräusche an den pumpennahen Thermostatventilen oder eine Unterversorgung von weit entfernten Heizkörper. Generell zu hoch eingestellte Volumenströme an Umwälzpumpen verursachen Energiekosten, die vermieden werden könnten. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass drehzahlgeregelte Pumpen nicht die Nebenwirkungen beseitigen, die durch eine nicht erfolgte hydraulische Einregulierung entstehen.

Die erforderliche Wärmemenge mit dem geringsten Energieeinsatz zu erzeugen und so genau dosiert wie möglich auf die Wärmeabnehmer zu verteilen - das ist die Aufgabe einer jeden hydraulischen Schaltung. Bei den hydraulischen Schaltungen geht es also darum, im Idealfall genau die Wärmemengenzufuhr zu gewährleisten, die dem aktuellen Wärmebedarf entspricht. Bei Einkreisanlagen wie im Einfamilienhaus geschieht dies heute durch gleitenden Betrieb der Kesselwassertemperatur im Niedertemperatur- oder Brennwertkessel. Bei Mehrkreissystemen mit verschiedenen Abnehmern und Temperaturniveaus sieht es anders aus. Als typisches Beispiel kann ein Verwaltungsgebäude mit mehreren Heizkreisen herangezogen werden. Da gibt es den Kreis für die Warmwasserbereitung, für Luftvorerhitzer und Luftnacherhitzer, den Kreis für die Fußbodenheizung und für konventionelle Heizkörper. Jeder Heizkreis hat seinen eigenen Wärmebedarf und verlangt ein anderes Temperaturniveau. Daher sind zwischen dem Wärmeerzeuger und den Verbrauchern Stellglieder wie Motormischer oder -ventile eingebaut, um den Wärmestrom zu dosieren.

Bild 1: Eine der häufigsten hydraulischen Schaltungen überhaupt: Die Beimischschaltung mit Dreiwegeventil. Der Abnehmerkreis fährt mit einem konstanten Volumenstrom, während der Wärmebedarf durch die Vorlauftemperatur reguliert wird.

Beimischschaltung und Drosselschaltung

Wenn also der Wärmestrom im Abnehmerkreis verändert werden soll, so gibt es zwei Möglichkeiten:

1. der Volumenstrom wird variiert und die Vorlauftemperatur konstant gehalten oder

2. der Volumenstrom bleibt konstant und die Vorlauftemperatur wird variiert. Dies geschieht durch Beimischung oder Drosselung von Rücklaufwasser (Bild 1).

Bild 2: Heizkreis mit Mengenregelung. Mit Öffnen und Schließen des Durchgangsventils ändert sich der Volumenstrom im gesamten Kreislauf.

Im hydraulischen Kreislauf entscheidet das gewählte Stellglied (Durchgangsventil oder Dreiwegemischer) und die Anordnung der Pumpe über die Funktion Misch- oder Mengenregelung in Bezug auf den Verbraucher. Eine typische Mengenregelung zeigt das Bild 2. Mit dem Öffnen oder Schließen des Durchgangsventils ändert sich im gesamten Kreislauf der Volumenstrom.

Anstelle des Durchgangsventils lässt sich ein Verteilventil (Dreiwegeventil) oder ein Mischventil verwenden (Bild 3). Das Dreiwegeventil in Punkt D bedeutet für den Verbraucher eine Mengen- oder Drosselregelung.

Bild 3: Heizkreis mit Mengenregelung, auch Drosselregelung genannt. Das Ventil in Punkt C stellt den Verteilpunkt dar, in Punkt D den Mischpunkt.

Der Vorteil der Mengen- oder Drosselschaltung ist, dass nur eine Pumpe benötigt wird, auch wenn mehrere Stellglieder vorhanden sind. Der Nachteil ist, dass schon bei kleinen Stellbewegungen eines Stellgliedes die Strömungsverhältnisse im gesamten Rohrnetz beeinflusst werden. Dadurch sind bei den übrigen Stellgliedern Korrekturen nötig. Da sich aber mit dem Volumenstrom auch die Strömungsgeschwindigkeit ändert und notgedrungen auch das Zeitverhalten, ist eine optimale Betriebsweise der Regeleinrichtung nicht möglich.

Anwendung findet diese Schaltung überall dort, wo niedrige Rücklauftemperaturen sowie variable Volumenströme angesagt sind. Die Schaltung lässt sich also einsetzen bei Fernwärmeanlagen und bei Kühlregistern.

Die Mischregelung hat den Vorteil der niedrigstmöglichen Rohrnetztemperaturen und somit geringere Wärmeverluste. Die Strömungsgeschwindigkeiten im Sekundärkreis verändern sich nicht, wodurch sich auch der innere Wärmeübergang des Wärmeübertragers nicht ändert. Das unveränderte Zeitverhalten wirkt sich zudem positiv auf die Regelungstechnik aus.

Bild 4: Die Einspritzschaltung. Sowohl der Sekundärkreis als auch im Primärkreis führt eine konstante Wassermenge, die Temperatur hingegen ist variabel.

Einspritzschaltung

Von seiner Entwicklung her kommt die Einspritzschaltung aus dem Klimabereich. Bei diesem System ist die Wassermenge im Gegensatz zur Mengen- und Drosselschaltung sowohl im Primär- als auch im Sekundärkreis immer konstant (Bild 4). Festzustellen ist, dass dafür zwei Pumpen benötigt werden, für jeden Kreis eine. Da ständig heißes Wasser ansteht, gibt es bei dieser Schaltung keine Totzeiten.

Neben der richtigen Dimensionierung und Einregulierung dieser Schaltungen darf die Hydraulik am Kessel nicht vernachlässigt werden, denn es ist immer wieder feststellbar, dass die gelieferte Wärme nicht mit der erforderlichen Leistung übereinstimmt, d.h. sie ist geringer. Um diesem Missstand zu begegnen, müssen die Volumenströme im Primärkreis richtig eingestellt sein und die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf stimmen.

Direktschaltung

Bei der Direktschaltung, bei der im Abnehmerkreis keine Regelventile installiert sind, erfolgt keine Leistungsanpassung - die Energieabgabe erfolgt ungeregelt. Als Vertreter dieses Heizkreises gilt die Warmwasserbereitung. Hier wird lediglich die Ladepumpe über einen Thermostaten ein- und ausgeschaltet.

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