3 Wärmeverteilung

3.2.1 Funktionsweise von Grundschaltungen

Die wasserseitige Verknüpfung von Wär­meer­zeu­gung, Wärmeabgabe und Stellorganen nennt man hydraulische Schaltung. Die unterschiedlichen Ei­gen­schaf­ten der Schaltungen lassen sie für be­stimm­te Anwendungen geeignet oder ungeeignet erscheinen. Dabei ist meist das Verhalten bei Teillast mas­s­ge­bend.

Kriterien zur Beurteilung

von hydraulischen Schaltungen können sein:

• Konstanz des Durchflusses im Wärmeerzeuger und Verbraucher (beeinflusst die Wärmeübertragung in Wärmeübertragern)
• Höhe der Rücklauftemperatur zum Wär­meer­zeu­ger bei Teillast (beeinflusst Korrosion, Wir­kungs­grad, Leistungszahl, Eignung für Fern­wär­me-Anschluss)

Typische Schaltungen

und mögliche verbraucherseitige Anwendungen zei­gen die Bilder 3.9 und 3.10. In diesen Schaltungen, ausgenommen bei der Direktschaltung, kann die WE-Temperatur grundsätzlich konstant gehalten werden. Die dick ausgezogenen Linien stellen die sogenannte mengenvariable Strecke des Re­gel­pfads dar. Darin ändert sich der Volumenstrom gleich­sin­nig mit der Last. Der Regelpfad ist meistens beim 3-Weg-Ventil der Geradeaus-Pfad, sowohl auf den Sche­mas wie in Wirklichkeit. «Offen» bedeutet hier «Regelpfad offen». Bei 3-Weg-Ventilen sind die Fliess­rich­tun­gen angegeben, wobei beliebige Zwi­schen­stel­lun­gen mög­lich sind. Die Umlenkschaltung und die Einspritzschaltung mit 3-Weg-Stellorgan werden für neue Anlagen kaum noch verwendet, da sie bei Teillast viel heisses Vorlaufwasser direkt in den Rücklauf umleiten. Die Schaltungen sind mit Mischventilen gezeichnet. Verteilventile können die­sel­be Funktion erfüllen, werden aber nicht am selben Ort eingebaut. Beispielsweise stellt Bild 3.12a eine normale Beimischschaltung dar, Bild 3.12b eine Beimischschaltung mit Verteilventil. Hinsichtlich Funktion besteht kein Unterschied, jedoch eignen sich nicht alle 3-Weg-Ventile als Verteilventil.

Bild 3.9 Schaltungen mit druckdifferenzlosen Anschlüssen

Bild 3.10 Schaltungen mit druckdifferenzbehafteten Anschlüssen

Bild 3.11 Verteiler ohne Hauptpumpe

Bild 3.12 Druckdifferenzloser Verteiler mit Hauptpumpe

3.2.2 Verteilerarten

Die Verteiler sind in den Bildern als dicke Balken dargestellt. Über dem Verteiler sind die Heiz- oder Lüftungsgruppen aufgebaut. Die Gruppen können aus Pumpe, Ventil, Messeinrichtungen, Drossel- und Absperrorganen bestehen.

Druckdifferenzloser Verteiler ohne Hauptpumpe

Druckdifferenzlos heisst praktisch eine Druckdifferenz unter 3000 Pa. Unter dieser Bedingung und unter Beachtung gewisser Regeln für die Stellorgane ar­bei­ten Beimischschaltungen störungsfrei. Bild 3.11 zeigt die­se gebräuchliche Anordnung für kleinere Anlagen. Die Gruppenpumpen müssen den Druck­ver­lust des Stel­l­or­gans und des WE-Kreises überwinden. Wenn die WE-Vorlauftemperatur wesentlich über der vom Ver­brau­cher maximal geforderten Temperatur liegt, so sollte eine feste Vormischung eingebaut werden. An­dern­falls kann sich das Regelventil überhaupt nie ganz öffnen!

Druckdifferenzloser Verteiler mit Hauptpumpe

Die Hauptpumpe zirkuliert das Primärwasser im WE-Kreis: vom Wärmeerzeuger zum Verteiler und über den Verteilerbeipass zum Wärmeerzeuger zu­rück. Ab Verteiler ziehen die Verbraucher mit ihren eigenen Pumpen den benötigten Volumenstrom ab (Bild 3.12). Der Druckverlust des Stellorgans wird von der Grup­pen­pum­pe überwunden. Am drucklosen Verteiler ist kein hydraulischer Abgleich erforderlich. Dieser Ver­tei­ler kann ein Hochmischen der WE-Rück­lauftem­pe­ra­tur bewirken. Bei Wärmepumpenanlagen übernimmt oft ein Pufferspeicher die Funktion des Beipasses. Befindet sich der Beipass, wie gezeichnet, am Anfang des Verteilers, so sind alle Verbraucher hinsichtlich Wärmebezug gleichberechtigt. Wird der Beipass zwischen den Gruppen a und b angebracht, so erhält Gruppe a Priorität.

Verteiler mit Druckdifferenz

Die Hauptpumpe überwindet den Druckverlust des Stellorgans (Bild 3.13). Die Drosseln (D) erlauben einen hydraulischen Abgleich. Eine Druckdifferenzregelung hält trotz variablem Volumenstrom die Druckdifferenz konstant. Es braucht nicht unbedingt jeder Verbraucher eine Gruppenpumpe. Dank den Einspritzschaltungen mit Durchgangsventilen ergibt sich die tiefstmögliche Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger. Vor allem bei Fernwärmesystemen und Wärmepumpen ist dies wichtig. Ältere Verteiler mit 3-Weg-Einspritzschaltungen gemäss Bild 3.10d werden deshalb oft umgebaut.

Bild 3.13 Verteiler mit Druckdifferenz

3.2.3 Stellorgane

Das Stellorgan enthält einen beweglichen Teil, der den Volumenstrom beeinflusst. Wegen ihrer Eignung für Regelaufgaben und ihrer relativ guten Dichtheit kommen vor allem Ventile in Betracht. Ihr beweglicher Teil bewegt sich rein translatorisch (Bild 3.14). Ver­teil­ven­ti­le sind aufwendig und werden deshalb selten ein­ge­setzt.

Bild 3.14 Ventilbauarten

Grundkennlinien

Wenn in der Anordnung von Bild 3.1 ein Stellorgan ohne Rohre eingebaut wird, lässt sich dessen Durch­flus­s­kenn­wert kv messen. Der kv-Wert ist der Was­ser­durch­fluss bei einem Druckverlust von 1 bar. Bei of­fe­nem Ventil (d.h. maximalem Hub H100) erhält man den grössten kv-Wert, den kvs-Wert (Bild 3.15). Bei Hub null gibt es einen Mengensprung von meist 1 bis 5 % von kvs. Ventile sollten knapp ausgelegt wer­den, da­mit man nicht in diesem Bereich regulieren muss.

Bild 3.15 Lineare (a) und gleichprozentige (b) Grundkenn­linien von Stellorganen

Bei der linearen Kennlinie ergeben sich zu gleichen Änderungen ΔH des Hubs gleiche Änderungen des kv-Werts. Bei der gleichprozentigen Kennlinie ge­hören zu gleichen Änderungen ΔH gleiche prozentuale Änderungen des jeweiligen kv-Werts.

Deformierte Kennlinien

Im realen Netz ist die Druckdifferenz über dem Stellorgan nicht konstant. Man betrachte eine Dros­sel­schal­tung und eine Pumpe mit Konstantdruck-Regelung (Bild 3.10b). Ist das Stellorgan offen, so liegt an diesem ein bestimmter Teil des Pum­pen­drucks an. Wird nun der Hub vermindert, so erhöht sich die Druck­dif­fe­renz über dem Stellglied. Der Vo­lu­men­strom nimmt weniger stark ab, als dies gemäss Grundkennlinie zu erwarten wäre. Ein gleich­pro­zen­ti­ges Ven­til wird eine Be­triebs­kenn­li­nie qv/qv,100 auf­wei­sen, die sich der Linie a nähert (Bild 3.15). Die Kennlinien-De­for­ma­ti­on ist umso aus­ge­präg­ter, je geringer der An­teil des Ventildruckverlusts am Pum­pen­druck ist. Die­ses Verhältnis drückt aus, welche Autorität Pv das Ventil gegenüber der Anlage besitzt.

Die Leistungsabgabe des Verbrauchers (Heizkörper, Luft­er­hit­zer) ist nicht proportional zum Vo­lu­men­strom. Dies ergibt eine weitere Deformation in glei­cher Richtung. Massgebend da­für ist der Wär­me­übertrager­kenn­wert a (vgl. 4.1). Auf diese Wei­se kann mit einer gleich­pro­zen­ti­gen Grund­kenn­li­nie ein zum Hub etwa pro­por­tio­na­ler Wär­me­strom erreicht wer­den.

Ventilautorität

Bei Schaltungen mit Durchgangsventilen wird somit die Autorität:

Δpv,100 Druckdifferenz über dem offenen Ventil
Δpv,0 Druckdifferenz über dem geschlossenen Ventil

Bei Schaltungen mit Dreiwegventilen wird für die Ventilautorität gesetzt:

ΔpL,100 Druckverlust der mengenvariablen Strecke bei offenem Ventil (in den Bildern 3.9 und 3.10 dick ausgezogen)

Folgerung

Für gutes Regelverhalten soll die Ven­ti­l­au­to­ri­tät Pv mindestens 0,5 betragen, d.h., der Druckverlust über dem offenen Stell­g­lied soll mindestens so gross sein wie der Druck­ver­lust der mengenvariablen Strecke. Der Druckverlust des offenen Stellorgans soll min­de­stens 3000 Pa betragen. Nach diesen Regeln wird der Ventilnenndurchmesser meistens kleiner als der Rohrnenndurchmes­ser.

Hinweis: Wärmezähler einer Heizgruppe werden nor­ma­ler­wei­se in die mengenvariable Strecke eingebaut und be­ein­träch­ti­gen somit die Ventilautorität. Dasselbe gilt für die Abgleichdrosseln in Schaltungen mit Durch­gangs­ven­til (Bild 3.13).

3.2.4 Hydraulische Probleme und Lösungen

Es gibt viele Fehlfunktionen in hydraulischen Schal­tun­gen. Sie umfassen Planungsfehler, In­stal­la­ti­ons­feh­ler sowie fehlerhaften hydraulischen Ab­gleich. Für jeden dieser Fehler werden Beispiele aufgeführt. Je komplexer eine An­la­ge, desto grösser ist die Gefahr von Fehlzirkulationen.

Dimensionierungsfehler

Bei den Beimischschaltungen (Bild 3.16) wurde fest­ge­stellt, dass bei Volllast in Gruppe b und Teillast in Gruppe a das Mischventil a auf und zu pendelt. Die Abklärung ergibt, dass Ventil a grosszügig, b hin­ge­gen knapp dimensioniert ist. Gruppe b erzeugt einen beträchtlichen Differenzdruck zwischen beiden Ver­tei­ler­bal­ken, sodass ein kleiner Rückstrom über Grup­pe a entsteht. Damit saugt Gruppe b teilweise Rück­lauf­wasser an. Gruppe a bekommt ebenfalls kein heisses Wasser, das Mischventil öffnet sich deshalb kurz­fri­stig weit. Der «drucklose» Verteiler ist nicht drucklos ge­nug. Abhilfe:

• Ventilautorität verbessern (kleineres Ventil a, Druck­verlust WE-Kreis reduzieren) oder
• Hauptpumpe und Verteilerbeipass einbauen.

Bild 3.16 Beimischschaltungen ohne Hauptpumpe mit Fehlzirkulation

Fehlende hydraulische Entkopplung

Zwei Kreisläufe sind hydraulisch entkoppelt, wenn der Volumenstrom in jedem Kreislauf nur von der Pumpe im betreffenden Kreislauf abhängt. Das Beispiel (Bild 3.17) zeigt die Folgen mangelnder Entkopplung:

Bild 3.17 Speicherheizanlage mit schlecht (oben) und gut (unten) entkoppelten Kreisen

1) Fehlzirkulation über Boiler in beiden Richtungen bei Speicherladung/-entladung
2) Anschluss der Beimischschaltung nicht druckdifferenzlos
3) Bei Boilerladung ab Heizspeicher zerstört der warme Rücklauf die Speicherschichtung
4) Bei grosser Boilerladepumpe und grossem Mischventil entsteht Fehlzirkulation

Der untere Teil im Bild 3.17 zeigt eine Anlage, deren Krei­se durch den Speicher entkoppelt sind, indem alle An­schlüs­se separat in den Speicher geführt werden. Da sich die Krei­se gegenseitig nicht mehr beeinflussen, sind die Mängel behoben. Etwas grössere Lei­tungs­län­gen sind dabei unter Umständen in Kauf zu neh­men.

Installationsfehler

Bei der Einspritzschaltung Bild 3.18 wird der Verbraucherkreis auch bei geschlossenem Ventil warm. Grund: In der einen Rohrhälfte strömt infolge freier Konvektion war­mes Wasser nach oben, in der andern kälteres nach unten. Diese Gegenstromzirkulation in der mengenvariablen Strecke ist auch bei Beimischschaltungen zu be­ob­ach­ten. Abhilfe: Faustregel H = mindestens 10 d und mindestens 40 cm. Wenn die Faustregel nicht genügt: Rück­schlag­klap­pe.

Bild 3.18 Gegenstromzirkulation an Einspritzschaltung

Fehlerhafter hydraulischer Abgleich

Die Fussbodenheizung (Bild 3.11b) wurde überhaupt nicht warm.
Grund: offene Vormisch-Drossel
Abhilfe: Einstellen (Anweisung des Planers!)

Zusammenfassung hydraulische Grundsätze

Wenn drei einfache Regeln beachtet werden, lassen sich die meisten hydraulischen Probleme vermeiden:

• Beimischschaltung: Druckdifferenz an Anschlusspunkten höchstens 3000 Pa
• Offenes Stellorgan aller Schaltungen: Druckabfall bei Volllast mindestens 3000 Pa
• Hydraulische Entkopplung: Der Volumenstrom wird überall nur von einer Pumpe beeinflusst.