Hydraulischer Abgleich: Auf dieser Seite

Prinzip des Hydraulischen Abgleichs

Prinzipbild zum Hydraulischen Abgleich

Der Ausgangspunkt ist für Auslegung und Einstellung einer Heizungsanlage ist eine Heizlastberechnung für jeden zu beheizenden Raum. Dies erfolgt für den kältesten Tag im Jahr. Die Heizlast ist diejenige Wärmeleistung [in W oder kW] die dem Raum kontinuierlich zugeführt werden muss, damit der Raum die gewünschte Temperatur erreicht und hält. Die Höhe der Leistung ist abhängig von der Qualität der den Raum umschließenden Gebäudehülle. Zur Hülle zählen alle Wände, Decken, Böden, Fenster, die an Bereiche grenzen, deren Temperatur niedriger ist als die Raumtemperatur.

Im Beispiel links (Haus mit 3 beheizten Räumen) grenzt Raum 1 an 3 Außenwände mit Fenstern und je einer Decken- und Bodenfläche. Der innen liegende Raum 2 hat nur 2 Außenwände. Raum3 verhält sich wie Raum 2. Je größer die Wärme übertragenden Flächen sind und je schlechter der Dämmwert der Flächen ist, desto mehr muss geheizt werden, und je höher ist ist damit die Heizlast des Raumes.

Die Raumheizlast ist dann die Grundlage für die Auswahl von Heizkörpergröße und Heizkörperanzahl. Hierzu müssen auch  Vorlauf- und Rücklauftemperatur festgelegt werden; z.B.: 50/40 für Heizkörperheizung und 30/25 für Fußbodenheizung.

Die benötigte Wärme wird im Heizkessel erzeugt, dort auf das Heizungswasser übertragen und durch die Heizkreispumpe zu den Heizkörpern / Fußbodenheizkreisen befördert. Jeder Heizkörper benötigt jetzt eine bestimmte Wassermenge (Volumenstrom) pro Zeiteinheit [l/min oder m3/h] um die zuvor berechnete Heizleistung zu erbringen.

Um den erforderlichen Volumenstrom zu erzeugen muss die Pumpe einen bestimmten Druck aufbauen, der abhängig von den zu überwindenden Widerstanden ist. (Rohrreibungswiederstände, Widerstände von Ventilen, Luftabscheidern, Schlammfängern…). Dieser Widerstand wird für den am weitest entfernten Heizkörper im Heizkreis bestimmt (im Beispiel HK4). Nach diesem Widerstand wird die Pumpe ausgelegt.

Nun ist dieser Druck und damit der Volumenstrom für die näher liegenden Heizkörper aber zu hoch, sodass der Durchfluss an den Voreinstelleinrichtungen der Ventile V1 bis V3 gedrosselt werden muss. Diese Prozedur wird als Hydraulischer Abgleich bezeichnet. Der Hydraulische Abgleich setzt immer eine raumweise Berechnung der Heizlast und eine zumindest überschlägige Berechnung des Rohrnetzes voraus.

Ändert sich durch Umbau oder Sanierung des Gebäudes der Wärmebedarfs des Gebäudes und damit auch der Räume, stimmt die zuvor durchgeführte Heizlastberechnung nicht mehr. Dies gilt für die Höhe der Heizlasten und zumeist auch für das Verhältnis der Verteilung auf die einzelnen Heizkörper.

Solche Umbauten können sein:

• Wärmedämmung von Außenwänden, Decken, Böden, Wänden zu unbeheizten Räumen, Dach, Fenstertausch
• Änderung der Raumaufteilung, Anbau, Dachausbau, Rückbau
• Austausch der Heizkörper (bei veränderter Leistung), des Heizkessels , der Heizkreis-Pumpe

Hieraus resultieren die Bestimmungen der KfW / Bafa / Kommunen die fordern, dass soweit  Förderungen in Anspruch genommen werden sollen, in bestimmtem Fällen ein hydraulischer Abgleich durchzuführen ist. Auch wer keine Förderung in Anspruch nehmen will, sollte im eigenen Interesse den Abgleich durchführen lassen

Keinen Einfluss auf den Abgleich hat der Zubau einer Thermischen Solaranlage oder die Einbindung von Photovoltaik Anlagen. Auch Änderungen an der Warmwasseranlage beeinflussen die Verhältnisse im Heizkreis nicht.

Prinzipbild zum Hydraulischen Abgleich nach z.B. Dachausbau

Prinzipbild zum Hydraulischen Abgleich nach z.B. Dämmung zweier Außenwände

Im Ausgangsbeispiel war der ungünstigste Heizkörper der am weitesten entfernte. Nach Umbauten / Sanierungen kann die Situation sich u.U. drastisch verändern. Im Bild: „nach Dachausbau“ stimmt nichts mehr mit der ursprünglichen Situation überein. Der weitest entfernte Heizkörper ist jetzt HK5. Die Heizlast aller alten Räume hat sich geändert (Decke ist jetzt nicht mehr Teil der Wärme übertragenden Umfassungsfläche). Der Pumpendruck muss möglicherweise erhöht werden. Der Heizkessel ist nach dem Dachausbau u.U. zu klein. Es ist eine komplette Neuberechnung und Neueinstellung erforderlich.

Im Bild “nach Außenwanddämmung”  verschieben sich die Verhältnisse gleichfalls. Jetzt ist nicht mehr Hk4 der ungünstigste Heizkörper sondern Hk3. Hk4 und auch Hk1,2 sind  nun überdimensioniert und erwärmen sich nicht mehr richtig (oben warm unten kalt, ungemütlich). Man könnte die Hk daher  verkleinern. Besser wäre es allerdings die Vorlauftemperatur abzusenken und damit  Energie zu sparen. Hierzu müsste aber Hk3 vergrößert werden. Auch in diesem Beispiel ist eine komplette Neuberechnung / Neueinstellung, inclusive des Aufzeigens der Optimierungsmöglichkeiten, erforderlich.

Das Erreichen von niedrigen Vorlauftemperaturen ist ein primäres Ziel des Hydraulischen Abgleichs. Zusätzlich wird ein gleichmäßiges Temperaturniveau der Heizkörper / Heizflächen erzielt. Fließgeräusche auf Grund zu hoher Pumpendrücke und Drosselungen werden vermieden. Voreinstellungen stellen zudem sicher, dass Regelventile (z.B. Thermostatventile) in einem optimalen Bereich arbeiten können. Man erhält damit eine erhöhte  Regelgenauigkeit der Thermostatventile.

Auch bei nachträglichem Umstieg auf Fußbodenheizung im Zuge einer Sanierung ist vorab eine Berechnung der Heizungsanlage wärmstens zu empfehlen. In der Praxis gibt es leider immer wieder Fälle wo dies nicht gemacht wird. Um trotzdem auf der vermeintlich sicheren Seite zu sein wird dann kräftig überdimensioniert.

Zum Hydraulischen Abgleich gehört auch immer die Einstellung der Heizkreipumpe(n) und der Heizkurve(n)

Bei größeren Modernisierungsmaßnahmen im Bestand ist am Ende  immer ein hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage erforderlich. Dies gilt auch, wenn nur die Heizung getauscht wird.

Anforderung der Kfw : Der HA ist immer erforderlich wenn:

• Die Heizungsanlage ausgetauscht wird.
• Umwälzpumpen des Heizkreislaufs ersetzt oder erstmalig eingebaut werden.
• Dämmmaßnahmen an Gebäuden durchgeführt werden, für die der Bauantrag nach dem 31. Oktober 1977 gestellt worden ist.
• Durch Dämmmaßnahmen mehr als 50 % der wärmeübertragenden Umfassungsfläche gegenüber dem ursprünglichen Bestand wärmeschutztechnisch verbessert wurden. Hierbei sind auch in der Vergangenheit erfolgte Wärmeschutzmaßnahmen zu berücksichtigen.

Im Bestand setzt die Durchführung des Hydraulischen Abgleichs eine, den Änderungen angepasste, Systemauslegung voraus.

Im Zuge einer Sanierung stellt sich die Frage, ob das System Heizung, als Ganzes betrachtet, wirklich optimal abgestimmt ist. Gleiches gilt bei der Begutachtung einer bestehenden Anlage im Rahmen eines Heizungs-Checks. Die ganzheitliche Abstimmung der Komponenten untereinander und das Zusammenspiel mit dem Gebäude beeinflussen in erheblichem Maße den Verbrauch. Dies hat entsprechende Folgen für die laufenden Energiekosten und die Belastung bzw. Schonung der Umwelt.

Die Bundesregierung Deutschland hat, von diesem Leitgedanken ausgehend, die Förderprogramme so ausgestaltet, dass ohne „Optimierung“ keine Fördergelder gewährt werden.

Wenn Fördermittel in Anspruch genommen werden, ist anhand der jeweiligen Förderrichtlinie zu prüfen, welches der möglichen Verfahren im konkreten Einzelfall geeignet ist.

(Zitat aus: Fachregel des VDZ -> Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand)

Es wird grundsätzlich zwischen einem einfachen/ überschlägigen Verfahren (Verfahren A) und einem exakteren aber aufwändigeren und zumeist mit SW-Unterstützung durchzuführenden Verfahren (Verfahren B) unterschieden.

Die Fachregel beschreibt Umfang, Vorgehen und die Einsatzfälle für das jeweilige Verfahren.

Die Tabellen links beschreiben die Verfahren

• nach den Fachregeln (Empfehlungen)

• nach den KfW Vorschriften zur Förderfähigkeit

Die KFW-Forderung nach Verfahren B bei thermischer Ertüchtigung der Außenhülle von >= 50% der Fläche ist absurderweise entfallen

In derSystemauslegung werden die wesentlichen Parameter der Heizungsanlage festgelegt. Dies erfolgt immer im Zuge eines Neubaues oder im Altbau wenn wesentliche Änderungen an der thermischen Hülle (Erweiterung, Rückbau, Dämmung, Fenstertausch ..) , Änderung des Raumschnittes, Umstieg von Radiatoren auf Fußbodenheizung, Heizkesseltausch oder Nutzungsänderungen mit Rückwirkung auf das Temperaturniveau vorgenommen wurden. In diesen Fällen ist immer die Auslegung mit Blick auf die geänderten Randbedingungen zu überprüfen und falls erforderlich neu zu berechnen. Folgende Schritte sind jeweils zu durchlaufen:

• Raumweise Berechnung der Heizlast
• Festlegung der Systemtemperaturen (Vorlauf, -Rücklauf, Spreizung)
• Bestimmung der Heizflächengrößen
• Bestimmung des benötigten Volumenstromes pro Heizfläche und des Summen-Volumenstroms
• Berechnung des abgeglichenen Rohrnetzes inklusive der Ventileinstellwerte
• Pumpenauswahl (Restförderhöhe, Volumenstrom)

Grundlagen für Heizungsauswahl und Heizungsauslegung ist die Raumweise Berechnung der Heizlast. Dabei werden je Raum folgende Parameter berücksichtigt:

• Raumvolumen
• Beschaffenheit der Wärme übertragenden Umfassungsflächen. Dieses sind: Wände, Decken, Böden, Fenster und Türen die eine Temperaturdifferenz > 4 ^oC zum betrachteten Raum aufweisen
• Orientierung (Himmelsrichtung) des Bauteiles
• Erwünschte Raumtemperatur
• Standort des Gebäudes

Damit werden die Transmissionsverluste des Gebäudes erfasst.

Zusätzlich müssen noch die Lüftungsverluste des Gebäudes und ein Aufheizzuschlag berücksichtigt werden, letzterer soll eine zügige Wieder-Aufheizung des Gebäudes nach einer Absenkphase garantieren

Auch ist eine für die Warmwassererzeugung benötigte Leistung  zu berücksichtigen. Bei energieeffizienten Gebäuden kann dies für die Kesseldimensionierung ausschlaggebend sein.

Überschlägige Berechnung der Heizlast aus dem Öl/Gas Verbrauch über die Vollaststunden:

Zu den Volllaststunden gibt es verschiedene Quellen die Erfahrungswerte für unterschiedliche Heiz-Situationen liefern. Für Wohngebäude im Flachland / Mittelland (bis ca. 800m ü NN ) kann man mit 2.000 bis 2.100 Vollllaststunden ohne Warmwasserbereitung und mit 2300 bis 2400 Vollasstunden inclusive Warmwasser rechnen.

Φ_HL = Verbrauch ● H_S ●  η / t_Voll

Φ_HL = Norm-Heizlast in kW

H_S = Brennwert

η = Jahresnutzungsgrad der Anlage

 t_{Voll = Vollaststunden}

Für Öl [l] ohne WW gilt:

Φ_HL = Öl [l] x 10,6 x η / 2000

Für Gas [m³] ohne WW gilt:

Φ_HL = Gas [m³] x 11,55 x η / 2000

für η gilt ca 0,8 bis 9,5 für Bestandsanlagen je nach Alter

Spezifische Kennwerte von Wohngebäuden: Energiebedarf, Heizlast

Entwicklung des Heizenergiebedarf [kWh /m2 Wohnfläche]

Heizlast aus dem spezifischem Wärmebedarf eines Gebäudes [Watt/m2 Wohnfläche]

* Heizenergiebedarf ohne Trinkwassererzeugung und Hilfsenergie

Quelle: bdew

Bei überschlägiger Heizlastberechnung bietet die Tabelle eine gute Möglichkeit zur Plausibilisierung des Ergebnisses

Spreizung

Auslegungstemperaturen

• Die Dimensionierung einer Anlage erfolgt für den Auslegungsfall. Dieses ist der kälteste Tag im Jahr (regional unterschiedlich), für diesen wird der Wärmebedarf ermittelt und für diesen Fall werden die Auslegungstemperaturen (Vor-, Rücklauf- und Raumtemperatur) festgelegt.
• Grundsätzlich ist ein niedriges Temperaturniveau in der Heizanlage zu bevorzugen (geringe Verluste). Zudem erfordern neuere Technologien niedrige Vorlauftemperaturen, wenn sie optimal arbeiten sollen (Thermische  Solaranlagen, Wärmepumpen, Brennwertkessel).
• Bei gleichem Heizwärmebedarf ermöglichen große Heizflächen (Fußboden, Wand / Deckenheizungen) niedrigere Vorlauftemperaturen.
• Bei reduziertem Heizwärmebedarf (z.B: nachträgliche Dämmung des Gebäudes) kann bei gleicher Heizflächengröße die Vorlauftemperatur gesenkt werden.
• Eine bestimmte (gleiche) Leistung eines Heizkörpers bzw. Systems kann mit unterschiedlichen Spreizungen erreicht werden (siehe Grafik links)
• Eine Erhöhung der Spreizung hat eine Verminderung des Volumenstromes zur Folge (kleinere Pumpengröße / geringerer Druck).
• Verminderung der Spreizung führt zu erhöhten Volumenstrom (größere Pumpe / höherer Druck),
• In der Praxis ergeben sich sinnvolle  Auslegungswerte aus dem Wärmebedarf des Gebäudes, dem eingesetzten Kessel und der Form der Wärmeübergabe. Je nach Heizsystem sind Spreizungen von 10 (Niedertemperatur) bis 25 Grad (Hochtemperatur) üblich.
• Übliche Vorlauf- Rücklauftemperaturen sind: Alte Anlagen (Schwerkraft) 90/70, Niedertemperatur Radiatorenheizungen 65/45 bis 50/40, Fußboden- Wandheizungen 40/30 bis 30/25.

Heizkörper- / Heizflächen-Dimensionierung, Volumenstrom

• Heizkörperauswahl:
• Basis für die Heizkörperauswahl ist die Berechnung des Wärmebedarfs eines jeden Raumes im Auslegungsfall
• Aus Tabellen der Hersteller lässt sich dann der benötigte Heizkörper je Raum mit der erforderlichen Leistung (einer oder mehrere) für die gewünschte Auslegungstemperatur ermitteln.
• Heizflächenauswahl (Fußbodenheizung):
• Auch hier ist der Wärmebedarf des Raumes der Ausgangspunkt
• Herstellerdiagramme ermöglichen dann unter Berücksichtigung des Fußbodenaufbaus die Ermittlung des Verlegeabstandes der Rohre
• Volumenstrom:
• Aus Heizkörper- Heizflächenleistung und Temperaturdifferenz zwischen Vor- Rücklauf lässt sich die Wassermenge (Volumenstrom / Massenstrom) ermitteln, die zur Erreichung der Heizkörper-/ Heizflächenleistung benötigt wird (siehe Formeln zur Dimensionierung).
• Damit dieser Volumenstrom im Heizkörper entsteht muss zwischen Vor- und Rücklauf eine bestimmte Druckdifferenz bestehen. Diese Druckdifferenz muss durch die Heizkreispumpe geliefert werden.

Als Vorgaben für den weiteren Planungsprozess liefert dieser Schritt die benötigten Volumenströme

(1) Beispielnetz: Rohrwiderstände, Volumenströme

Beispielnetz

Bild(1) zeigt das zu berechnende Beispielnetz:

Annahmen: Auslegung 55 ^oC Vorlauftemperatur und 45 ^oC Rücklauftemperatur.

• 2 Heizkörper zu je 10 kW
• 3 zu berechnende Teilstrecken (T)
• T2: dieser versorgt den am weitest entfernten Heizkörper. Für diesen Heizkörper muss der erforderliche Pumpendruck berechnet werden. Der benötigte Volumenstrom ergibt sich aus der Leistung des Heizkörpers und der gewählten Spreizung von 10^oC (Formel (1)) zu 0,85 m³/h. Rohr = DN 25.
• T3: Kreis mit dem zweiten Heizkörper gleicher Leistung und damit gleichem Volumenstrom. Rohr = DN 25
• T1: Pumpenkreis mit einem Volumenstrom von 1,7 m³/h (Summe der Ströme T2 und T3. Rohr DN 32

Für die Rohrnetzberechnung werden die Rohrverluste (schwarzes Stahlrohr) und die Verluste über die Einzelwiderstände (Kessel, Heizkörper, Ventile, Rückschlagklappe) berücksichtigt.

(2) Längster Strang, Förderhöhe Pumpe, Abgleich

erforderliche Förderhöhe der Pumpe und Abgleich

• Die Förderhöhe der Pumpe wird durch den Heizkreis mit dem größten Fließwiderstand bestimmt (T1 + T2). Teilabschnitte mit unterschiedlichen Volumenströmen und oder unterschiedlichen Rohrdurchmessern werden getrennt berechnet. Die Teilergebnisse werden addiert.
• Der Rohrreibungswiderstand kann berechnet , oder aus Tabellen oder  Diagrammen (Bild 6) ermittelt werden. Als Randbedingung sollten dabei folgende Werte nicht wesentlich überschritten werden:
• Fließgeschwindigkeit 1 m/s
• R-Wert des Rohres 100 Pa/m
• Die Wirkung von Einzelwiderständen wird mit Hilfe von Bauteil spezifischen Widerstandsbeiwerten ermittelt (aus Typ spezifischen Werten oder nach Herstellerangabe)
• Der errechnete Förderdruck der Pumpe beträgt damit 2,59 m.
• Die Berechnung des Kreises T1+T3 ergibt im Teilstück T3 einen Druckabfall von 14.164 Pa. bei dem erwünschten Volumenstrom von 0,85 m³/h.
• Dieser Druck ist aber um 2.737 Pa geringer als im Parallelzweig T2.
• Damit würde T3 dem Zweig T2 das “Wasser abgraben”
• Damit dies nicht passiert und T3 funktioniert wie geplant, muss in diesem Zweig ein zusätzlicher Druckabfall von 2.737 Pa eingebaut werden.
• Dies erfolgt in der Praxis durch die entsprechende Voreinstellung z.B. des Thermostatventils, und nennt sich dann hydraulischer Abgleich.

(3) Ein Strang abgesperrt, Pumpe mit Konstantdruck

Störung des abgeglichenen Systems

Wird jetzt z.B. das Ventil des Heizkörpers HK2 vollständig geschlossen, verändern sich Volumenströme, und Druckverhältnisse abhängig vom Verhalten der Pumpe.

• .Konstante Förderhöhe der Pumpe:
• Durch das Absperren von HK2 wächst der Fließwiderstand im Netz. Bleibt der Druck der Pumpe konstant, reduziert sich auch der Volumenstrom im Netz auf 1,09m3/s . Das ist aber immer noch mehr, als der HK1 benötigt (0,85 m3/s), und was zu einer 20% Leistungerhöhung des HK1 führt. D.h. HK1 wird wärmer.
• Dieser Effekt würde durch eine ungeregelte Pumpe bzw. eine Pumpe mit konstanter Drehzahl noch verstärkt. Bei diesen Pumpen erhöht sich der Druck bei steigendem Nertzwiderstand.
• Ein Netz mit Konstantdruckpumpe funktioniert um so besser, je geringer der Rohrnetzwiderstand im Vergleich zum Widerstand des Heizkörperventils ist.
• Eine Pumpenregelung die den Pumpendruck bei steigendem Netzwiederstand entsprechend (proportional) reduziert könnte das Problem beseitgen (Pumpe mit Proportionaldruck Kennlinie)

(4) Ein Strang abgesperrt, Pumpe mit Proportionaldruck

Pumpen Kennlinien

Bei Einstellung der Pumpe auf eine Proportionaldruck-Kennlinie reduziert die Pumpe ihren Druck proportional zum abnehmenden Volumenstrom und erhöht den Druck entsprechend bei zunehmenden Volumenstrom. Unter diesen Bedingungen wird Heizkörper HK1 wieder  mit dem ursprünglichen Druck beaufschlagt wird, und wieder mit der ursprünglich planten Leistung betrieben (Bild (4).

Bild 5 zeigt die Kennlinien (relevanter Auszug) der Pumpe Alpha2 N xx 60.  Der blaue Bereich stellt den effektiven Arbeitsbereich der Pumpe dar. Der Arbeitspunkt einer Pumpe muss immer auf der aktuell gültigen Rohrnetzkennlinie liegen. Die Rohrnetzkennlinie beschreibt die Abhängigkeit des Volumenstromes vom Pumpendruck  in einer bestimmten Netzkonfiguration.

• Rohrnetzkennlinie 1 (R1) beschreibt das Beispielnetz mit voll geöffneten Thermostatventilen.
• Rohrnetzkennlinie 2 (R2) beschreibt das Beispielnetz mit geschlossenem HK2 Thermostatventil.

Bei der Pumpenauswahl mit den Parametern Q=1,7m3/h, Förderhöhe 2,6 m und der Regelart “proportional” generiert das Pumpen-Auslegungsprogramm der Fa. Grundfoss nebenstehendes Diagramm (ohne R2, PP2, CP2, A1,1, A2 und ohne grüne und braune Linien, diese wurden zur Erläuterung des Beispiels zugefügt.)

• A1 ist der Arbeitspunkt den das System im Ausgangszustand einnimmt
• A1,1 nimmt das System ein, wenn die Pumpe mit konstantem Druck läuft und der Heizkörper HK2 abgedreht wird.
• A2 wird bei gleichem Netzzustand mit Proportionalkennlinie erreicht.

Die Proportionalkennlinie PP Auto kann am Bedienfeld der Pumpe nicht direkt eingestellt werden. Das Berechnungsprogramm zum Hydraulischen Abgleich verwendet daher die nächst höher liegende einstellbare PP Kennlinie, in diesem Fall die PP2. Zum Ausgleich wird der Kv-Wert der Ventile entsprechend erhöht.

Soll die Pumpe mit konstantem Differenzdruck laufen, wäre die nächstgelegene Kennlinie die CP2.  In diesem Zustand wäre das System “überversorgt” (Volumenstrom höher als erforderlich). Auch in diesem Zustand müssten die Kv-Werte entsprechend erhöht werden.

(5) Pumpenauswahl  Kennlinien, Arbeitpunkt

Leistungreduzierung durch PP-Kennlinie von 23,8 W auf 11,1 Ws

(6) Dimensionierungdiagramm für Stahlrohre (60^oC)

Dimensionierung: Formeln

• V  Volumenstrom [m³/h]
• Q Wärmemenge [kW]
• c_w spezifische Wärme Wasser  bei 4^oC = 1,163[kWh/m³*K] 
• ϑ_V Vorlauftemperatur [K]
• ϑ_R Rücklauftemperatur [K]
• m Massenstrom [kg/h]
• ρ Dichte /spezifisches Gewicht Wasser bei 4^oC = 1000 [kg/m³] 
• λ Rohrreibungszahl (laminare- Strömung) dimensionslos
• l Rohrlänge
• v Fließgeschwindigkeit [m/s]
• d_i Innendurchmesser des Rohres
• Δp_R Druckverlust im Rohr [Pa]
• R Rohrreibungswiderstand [Pa/m]
• Z Druckverlust durch Einzelwiderstände [Pa]
• ξ Widerstandsbeiwert (dimensionslos)
• Kv -Wert [m³/h],
• Δp [bar] Druckverlust über dem Ventil

Ventil Einstelldiagramm (über Druck und Massenstrom)

Ventil Einstellliste (über kv Wert)

Als Einstellhilfe liefern die Ventilhersteller Diagramme, aus denen an Hand von Druck über dem Ventil und gewünschtem Volumenstrom der Einstellwert ermittelt werden kann. (Bild links: Druckverlust über Ventil 100 mbar und Volumen- Massenstrom 6 kg/h ergibt Einstellwert 2).

Eine weitere Hilfe geben Einstelllisten mit der Zuordnung kv-Wert <-> Einstellwert. In diesen Listen sind auch die werkseitigen Ventil-Voreinstellungen (Standard-Werte)  von Ventilheizkörpern markiert (Farbmakierung am Ventil)

hier Werte des Kermi-Ventils V3K S / V4K S Regeldifferenz 1K

Ventile zum Hydraulischen Abgleich

Thermostatventil Oberteil einstellbar

Einstellmechanismus Detail, auch nachrüstbar

Absperr- und Einstellventil für Fußbodenheizung nachträglich austauschbar oder neu einbaubar  (Heimeier)

Taco Setter (einstellbares Ventil mit Durchflussanzeige) inline einbaubar (Einstellung an markierter Skala)

Einstellbares Ventil durch  ein- ausschrauben des Glasröhrchens mit Anzeige des Durchflusses  (Teil des Geschossverteilers)

Die geforderte Volumenstrom kann über den errechneten kv Wert des Ventils, oder über die Einstellvorrichtung der  Volumenstrom-Messeinrichtung justiert werden.

Einstellmechanismen zum Hydraulischen Abgleich:

• Voreinstellbare Thermostatventile (Standardlösung für Heizkörper)
• Voreinstellbare Absperrventile (Fußbodenheizung oder Heizkörperabsperrventil im Rücklauf)
• Einstellbares Ventil mit Anzeige des aktuellen Volumenstromes(Fußbodenheizung) Die Einstellung kann auch vom Durchflussmesser getrennt sein.

Abhängig von den geplanten Druck- und Massenstromverhältnissen ist ein Ventil mit geeignetem Basis-kvs Wert auszuwählen (Ventil mit kleinst möglichem kvs auswählen). Die exakte Einstellung des Auslegungsvolumenstromes erfolgt dann über den Voreinstellungsmechanismus des Thermostat- oder Absperrventils.

 .

Zur Einstellung des kv Wertes an Hand der Einstellskala liefern die Hersteller für ihre Ventile Zuordnungslisten: Einstellwert am Ventil <-> kv-Wert s.o. Je nach Hersteller und Ventil gibt es Skalen mit unterschiedlich feiner Teilung.

Regeldifferenz : Ein Thermostatventil benötigt zum Schließen eine Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der am Thermostatkopf eingestellten Temperatur. Diese Temperaturdifferenz  wird als Regeldifferenz bezeichnet (Bild rechts oben zeigt die Regelcharakteristik eines Ventils bei einem Regelbereich von 2K). Schließkurve und Öffnungskurve sind um die Hysterese verschoben (sollte möglichst klein sein). Welche Regeldifferenz ein Ventil benötigt um im konkreten Auslegungsfall zu schließen hängt im Wesentlichen von Ventiltype, Voreinstellung und dem benötigten Massenstrom ab.

• Das Thermostatventil muss vom Kvs-Wert des Unterteils zum erforderlichen Volumenstrom bzw. Soll kv Wert passen. Die Feinheiten der Abstimmung erfolgen dann über die Voreinstellung des Oberteils und die exakte Regelung wird durch den Thermostatkopf erledigt.
• Das Bild links oben zeigt die Regelkennlinien eines Thermostatventil bei den 6 möglichen unterschiedlichen Voreinstellungen.
• Beispiel: Ist für einen Heizkörper z.B. ein Kvs Wert von 0,15 m³/h erforderlich, um den Auslegungsvolumenstrom und damit im Raum die Auslegungstemperatur von 20 ^oC zu erreichen, kann dies bei unterschiedlichen Voreinstellungen erreicht werden.
• Voreinstellung 3: Der Thermostatkopf wird das Ventil soweit schließen bis der Auslegungsvolumenstrom (Kv =0,15) erreicht ist. Dies ist 1,5 K bevor das Ventil komplett schließt.
• Wählt man die Voreinstellung 4 fährt der Thermostatkopf das Ventil gleichfalls zu, bis der Auslegungsvolumenstrom entsprechend. 20 ^oC Raumtemperatur entsprechend Kv- Wert 0,15 erreicht ist. Jetzt verbleibt noch eine Regeldifferenz von ca. 0,8 K bis das Ventil komplett schließt.
• Voreinstellung 6: Hier verbleit noch eine Auslegungs-Regeldifferenz von ca 0,5 K
• Für eine Regeldifferenz 2K würde man im Beispiel Einstellung 3 auswählen. Die sich einstellende Regeldifferenz wäre dann 1,5 K.
• Für eine Regeldifferenz 1K würde man im Beispiel Einstellung 4 auswählen. Die sich einstellende Regeldifferenz wäre dann 0,8 K.

Auslegungs-Regeldifferenz: Damit bekommt man die Definition der Auslegungs-Regeldifferenz zu: Die Differenz zwischen der Fühlertemperatur beim Nenndurchfluss zur Fühlertemperatur beim Öffnungspunkt (oder auch bis zum vollständigen Schließen) des Ventils wird als Auslegungs-Regeldifferenz bezeichnet.

Auswahl des Einstellwertes: Die Hersteller bieten für die Voreinstellung ihrer Ventile mindestens für die Regeldifferenz 1K und 2K Einstell-Diagramme (Volumenstrom/Differenzdruck) und Einstell-Listen (Kv-Wert) an. Neuere Ventile sind stufenlos einstellbar.

Regeldifferenz in der ENEV

Die Berechnung der Heizungsanlage in der EnEV erfolgt für Wohngebäude nach DIN 4701-10. Diese DIN erlaubt für die Effizienz-Berechnung der Heizungsanlage Auslegungs-Regeldifferenzen von 1K oder 2K. Mit der Regeldifferenz 1K arbeitet der Übergabe-Teil der Heizanlage rechnerisch effektiver als mit 2K. Dies entspricht bei Wohngebäuden im Bestand (1-2 WE) ca 1% Energieeinsparung. Im sanierten Bestandsgebäude ca 3 % bis 4%. D.h. im Bestandsgebäude (unsaniert) bedeutungslos, bei der Berechnung des sanierten Gebäudes allerdings zu beachten.

Heimeier A-EXACT

Heimeier A-EXACT Schnitt

Heimeier A-EXACT Ventilkennlinien

Bei dieser Art Heizkörperventil wird der Volumenstrom wie bei konventionellen Ventilen über eine Scala eingestellt. Die Scala referenziert hier aber Volumenstromwerte an Stelle von Kv Werten. Insoweit besteht zunächst kein Unterschied (Volumenstrom und Kv-Wert stehen zueinander in fester Beziehung). Ändern sich jetzt die Druckverhältnisse im Netz z.B. durch das Schließen von Thermostatventilen, kann es zum Druckanstieg und damit zu erhöhten Volumenströmen kommen. Dieser Druckanstieg über dem Ventil wirkt sich beim Druck unabhängigen Heizkörperventil nicht auf den Volumenstrom aus. Der Durchflussregler baut den überschüssigen Druck ab und begrenzt damit den verbleibenden Differenzdruck  auf ca. 100 mbar.

Der gleiche Effekt wird allerdings auch mit einer geregelten Pumpe, die auf einer Proportionaldruck Kennlinie arbeitet, erzielt (gilt zumindest in kleineren Netzen).

Das Bild links zeigt das Einstelldiagramm eines herkömmlichen Heizkörperventils. Der rot umrandete Bereich grenzt den üblichen Einsatzbereich im Ein- Zweifamilienhaus ab (Volumenströme von 10 bis 200 l/h und Differenzdrücke von 50 bis 150 mbar. Überträgt man diese Einsatzgrenzen auf das Kennlinienfeld des Heimeier A-exact, sieht man dass das A-exact für den Bereich unter 100mbar Differenzdruck weniger geeignet ist, aber bei höheren Drücken eine große Regelreserve besteht.

Der Einsatzfall des Ventils ist daher eher dort zu sehen, wo üblicherweise Strangregelventile vorgeschaltet werden, um für die Thermostatventile zu handhabbaren Ventilbedingungen zu kommen.

Die Differenzdruck unabhängigen Ventile sind entsprechend ihrer erweiterten Funktionalität teurer (A-exact ist etwa doppelt so teuer wie V-exact).

Angeboten werden diese Ventile von Heimeier (A-Exact) und Danfoss (Dynamik Valve RA-DV) und Anderen. Heimeier bietet diese Ventile auch für Heizkreisverteiler (Fußbodenheizung) an.

Strangventile (Differenzdruckregler) sind mit dem neuen Ventiltyp bis zu Drücken von 60 kPa nicht mehr unbedingt erforderlich. Darüber hinaus bis 150kPa sind wieder Strangventile einzubauen.

Im renovierten Altbau wo Heizkörpergrößen zunächst einmal vorgegeben sind, die Raumheizlasten sich aber beliebig verändert haben können, empfiehlt sich immer ein komplette Nachrechnung des Systems mit überschlägig angenommenem Rohrnetz. Nur so lassen sich neue Heizlasten, alte Heizkörper, neue Pumpe und die Ventileinstellungen so abgleichen, dass niedrige Vorlauftemperaturen garantiert sind. Auch Heizkörper-Anpassungen sind damit möglich (zur Erreichung sinnvoller Volumenströme und zur Vermeidung zu hoher Spreizungen zumeist unerlässlich). Ob man danach nur die Ventileinsätze oder das komplette Ventil austauscht ist eine reine Kostenfrage, einen Vorteil bieten die neuen Ventile in dem Fall nicht.

Heutige Umwälzpumpen verfügen über verschiedene, an der Pumpe auswählbare Kennlinien unterschiedlicher Funktionalität (hier am Beispiel der Grundfoss Pumpe Alpha2)

0  AUTOADAPT (Werkseinstellung) AUTOADAPT

1  Obere Proportionaldruck-Kennlinie (bezeichnet als PP3)

2  Obere Konstantdruck-Kennlinie (bezeichnet als CP3)

3  Mittlere Proportionaldruck-Kennlinie (bezeichnet als PP2)

4 Mittlere Konstantdruck-Kennlinie(bezeichnet als CP2)

5  Untere Proportionaldruck-Kennlinie (bezeichnet als PP1)

6  Untere Konstantdruck-Kennlinie(bezeichnet als CP1)

7  Konstantkennlinie/Konstante Drehzahl, Drehzahlstufe III

8  Konstantkennlinie/Konstante Drehzahl,Drehzahlstufe II

9  Konstantkennlinie/Konstante Drehzahl,Drehzahlstufe I

10 Kennlinie für Nachtabsenkung

Der Bereich möglicher  AUTOADAPT Arbeitspunkte ist grau hinterlegt

Auswahlkriterien für einzusetzende Kennlinie

Konststantdruck
Bei der Konstantdruck-Regelung wird der Differenzdruck an der Pumpe auf einen konstanten Wert geregelt. Das heißt die Förderhöhe nimmt bei abnehmenden Förderstrom nicht zu - wie bei ungeregelten Pumpen - sondern bleibt gleich. Der Differenzdruck wird je nach Typ entweder aus Pumpendaten errechnet oder mit einem Messaufnehmer an den Pumpenstutzen gemessen.

Konstantdruck ist einsetzbar: in Zweirohrheizungen bei großer Verbraucherautorität. Andere Definition: Der Rohrleitungswiderstand ist kleiner als der Widerstand der Thermostatventile. z.B.:

• Anlagen mit Förderhöhe H < 2m
• bei ehemaligen Schwerkraftanlagen
• Anlagen mit großer Spreizung
• Fußbodenheizungen mit Thermostat oder Zonenventiel

Auch bei Einrohrheizungen sinnvoll.

Proportionaldruck

Bei der Proportionaldruck-Regelung wird der Differenzdruck an der Pumpe volumenstromabhängig geführt. Das heisst die Förderhöhe nimmt bei abnehmenden Volumenstrom proportional ab, dabei liegt der Minimalwert der Kennlinie beim halben Maximalwert der Kennlinie (Förderhöhe).

Proportionaldruck ist einsetzbar in Zweirohranlagen bei kleiner Verbraucherautorität, Andere Definition: Der Rohrleitungswiderstand ist groß im Vergleich zum Widerstand der Thermostatventile bzw. Regelarmaturen, z.B.:

• Anlagen mit Hu > 4m,
• Anlagen mit sehr langen Verteilungsleitungen
• Anlagen mit Strangdifferenzdruckreglern
• Anlagen mit großen Druckverlusten in den Anlagenteilen die vom Gesamtvolumenstrom durchflossen werden
• in Primärkreisen mit hohem Druckverlust

Obige Kriterien führen nicht immer zur eindeutigen Kennlinien Auswahl. Aber es gilt immer:

• Eine Proportionaldruck-Kennlinie spart Strom, sie kann aber auch zu einer Unterversorgung führen
• Eine Konstantdruck-Kennlinie verbraucht u.U. mehr Strom, bezüglich der Versorgung liegt man aber auf der sicheren Seite.
• Enthält ein Heizkreis keine mengenvariablen Regeleinrichtungen bleiben Arbeitspunkt und Stromverbrauch bei allen Kennlinienarten konstant

Pumpen mit einer automatischen Nachtabsenkungs-Kennlinie fahren während der Nachtabsenkungs-Zeiten eine Strom und Heizung sparende Minimalversorgung.

• Funktion der automatischen Nachtabsenkung: Die Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Nachtabsenkung erfolgt in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. Die Pumpe schaltet automatisch auf Nachtabsenkung um, wenn die Vorlauftemperatur innerhalb von ca. 2 Stunden um mehr als 10-15 °C sinkt. Der Temperaturabfall muss mindestens 0,1 °C/min. betragen. Die Umschaltung auf Normalbetrieb erfolgt ohne Verzögerung, sobald die Vorlauftemperatur wieder um 10 °C angestiegen ist.(Alpha2 Algorithmus). Diese Funktion ist nur wirksam, wenn sie auch eingeschaltet ist. Eine Nachtabsenkung der Heizungssteuerung (Verringerung der Vorlauftemperatur um z.B. 5^oC würde damit nicht unterstützt.) Es gibt auch Pumpen bei denen diese Kennlinie extern absteuerbar ist.
• Die Wirksamkeit der Nachtabsenkung ist stark abhängig von Dämmung und Bauart des Gebäudes. Bei einem Gebäude, das gut gedämmt und von schwerer Bauart ist, ist der Einspareffekt eher marginal (kühlt nur langsam aus, und muss früh wieder aufgeheizt werden). Das gilt auch für Fußbodenheizungen mit üblicher Estrichüberdeckung (~6cm). Längere Absenkperioden sind hingegen immer sinnvoll (Ferienschaltung)
• Bei ungedämmten Altbauten kann sich eine Absenkung rentieren. Hier ist aber darauf zu achten, dass es in den Zimmern nicht zu Unterschreitungen des Taupunkts kommt.
• Die Wirksamkeit der Nachtabsenkung wird zum Teil, durch die sich bei Abkühlung öffnenden Thermostatventile, zunichte gemacht. In diesem Fall wäre die unabhängige automatische Pumpenfunktion (Nachtabsenkungs-Kennlinie) hilfreich.

Bei einer aktivierten AUTOADAPT-Funktion startet die ALPHA2 mit einem werkseitig voreingestellten Bezugs-Betriebspunkt, der auf einer dazugehörigen Bezugs-Regelkennlinie liegt. Diese Proportionaldruck-Regelkennlinie befindet sich in der Mitte des AUTOADAPT-Regelbereichs.

Ausgehend von diesem Bezugs-Betriebspunkt, beginnt die Pumpe sofort, die Bedingungen in der Heizungsanlage zu analysieren. Weicht der aktuelle Betriebspunkt dabei längere Zeit vom Bezugs-Betriebspunkt ab, passt die Pumpe ihre Drehzahl entsprechend an.

Wenn also der tatsächliche hydraulische Bedarf über dem Bezugs-Betriebspunkt liegt, wählt die Pumpe eine über der Bezugs-Kennlinie liegende Proportionaldruck-Regelkennlinie, liegt er darunter, wählt sie eine tiefer liegende Proportionaldruck-Regelkennlinie.

Das Verfahren setzt voraus das das System abgeglichen ist.

Die Ermittlung des tatsächlichen Bedarfs erfolgt durch ständige Aufnahme und Analyse von Druck und Volumenstrom in der Pumpe. Hieraus lässt sich im Prinzip der „kv-Wert” des Netzes bestimmen. Dieser schwankt über die Zeit je nach Stellung der Thermostatventile zwischen einem oberen Maximalwert (hoher Volumenstrom) und einem unteren Minimalwert (kleiner Volumenstrom). Aus den Grenzwerten lässt sich ein Mittelwert bilden.

• Bewegt sich jetzt der „kv-Wert“ häufiger im oberen Bereich, ist das gleichbedeutend mit einer Unterversorgung durch die Pumpe (Ventil ist im Mittel weiter geöffnet als geplant). D.h. es wäre angezeigt eine Proportionalkennline mit höheren Druckniveau auszuwählen
• Bewegt sich jetzt der „kv-Wert“ häufiger im unteren Bereich, ist das gleichbedeutend mit einer Überversorgung durch die Pumpe (Ventil ist im Mittel weniger geöffnet als geplant). D.h. es wäre angezeigt eine Proportionalkennline mit niedrigerem Druckniveau auszuwählen

Die AUTOADAPT Funktion setzt nach ihrer Arbeitsweise voraus, dass sich auf Grund von Volumenstrom Schwankungen im Netz (Thermostatventile) auf die optimale Einstellung geschlossen werden kann. In Netzen ohne Raumeinfluss durch z.B. Thermostatventile in denen sich dann auch der Volumenstrom nicht ändert, ist die AUTOADAPT Funktion nicht einsetzbar, z.B. in Fußbodenheizungen ohne Raumweise Regelung.

Quelle: u.A. Grundfoss

Unter bestimmtem Voraussetzungen erübrigt ein Rohrsysten nach Tichelmann  hydraulischen Abgleich über extra Einstellventile

In diesem System werden an Stelle einer zentralen Umwälzpumpe dezentrale Pumpen je Heizkörper / Heizkreis eingesetzt. Diese Pumpen werden auf den für den Heizkörper / Heizkreis erforderlichen Volumenstrom eingestellt. Ein weiterer Abgleich ist dann nicht erforderlich.

Die Thermostatventile entfallen, an ihre Stelle tritt eine raumweise Regelung der Pumpen

Die Steuerzentrale berechnet aus allen ihr kontinuierlich gelieferten Daten die niedrigste Soll-Vorlauftemperatur, die ausreicht, um alle angeschlossenen Räume mit der gewünschten Wärme zu versorgen.

Vorteile gegenüber einem zentralen Systemkonzept

• Automatischer Hydraulischer Abgleich
• Erhöhte Ausfallsicherheit.
• Keine Drosselverluste durch Thermostatventile
• Verbesserte Brennwertnutzung (geringeres Temperaturniveau)
• integrierbar in die Gebäudeautomation via BACnet oder KNX.
• Schnellaufheizung
• Vermeidung von Temperatur-schwankungen
• Reduzierung der Heizdauer

In gleicher Weise für Fußbodenheizungen einsetzbar

Der Hersteller nennt eine Energieeinsparung von 20 % (gegenüber einem  traditionell   hydraulisch abgeglichenen System).

Amortisationszeit im Einfamilienhaus Altbau: ca. 10 Jahre

Alpha 3 ist eine Heizungspumpe die den Einstell-Prozess des Hydraulischen Abgleichs weitestgehend unterstützt und automatisiert. Sie erspart nicht die raumweise Heizlast-Berechnung

Nach der Inbetriebnahme der ALPHA3 lässtsich mit wenigen Handgriffen ein präziser hydraulischer Abgleich in Zwei-Rohr-Systemen mit Radiatoren vornehmen. Dazu wird der ALPHA READER auf das Display der ALPHA3 gesetzt. Das Lesegerät sendet die gewonnenen Betriebsdaten an die App Grundfos GO BALANCE, die zuvor auf das Smartphone installiert wurde.

Der gesamte Abgleichprozess wird über die GO Balance App gesteuert.

• Nach Einschaltung der Pumpe und Herstellung der Kommunikation wird zunächst bei geschlossenen Thermostatventilen der Nullförderstrom gemessen.
• Danach pro Raum:  Raumdaten eingeben, dann pro Raumventil: Thermostatkopf entfernen, Voreinstellung voll öffnen, Förderstrom messen (max. Volumenstrom)
• Nachdem in  allen Räumen die Förderströme gemessen wurden, wird noch Basisförderstrom bestimmt  (die 2 Ventile mit höchstem Volumenstrom öffnen). Dieser Schritt dient der Ermittlung des Kesselwiderstandes.
• Danach beginnt dann der eigentliche Abgleich, wieder Raumweise, ohne Thermostatkopf, Voreinstellung  am Ventil und Rückmeldung der App wenn Einstellung passend.
• Zum Schluss kann ein automatisch generierter Bericht erstellt werden
• Pumpe auf AUTO-ADAPT stellen.

Quelle: Grundfoss

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