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3.2 Hydraulische Schaltungen

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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 3.11a eine normale Beimischschaltung dar, Bild 3.12a eine Beimischschaltung mit Verteilventil. Hinsichtlich Funktion besteht kein Unterschied, jedoch eignen sich nicht alle 3-Weg-Ventile als Verteilventil. Detaillierte Beschreibungen von Schaltungen sind in [Sie2] zu finden.

Schaltungen mit druckdifferenzlosen Anschlüssen

Bild 3.9 Schaltungen mit druckdifferenzlosen Anschlüssen

Schaltungen mit druckdifferenzbehafteten Anschlüssen

Bild 3.10 Schaltungen mit druckdifferenzbehafteten Anschlüssen

Verteiler ohne Hauptpumpe

Bild 3.11 Verteiler ohne Hauptpumpe

Druckdifferenzloser Verteiler mit Hauptpumpe (Auswahl möglicher Schaltungen)

Bild 3.12 Druckdifferenzloser Verteiler mit Hauptpumpe (Auswahl möglicher Schaltungen)

3.2.2 Verteilerarten

Die Verteiler sind in den Bildern als dicke Balken dargestellt. Über dem Verteiler sind die Heiz-, Lüftungs- oder Wassererwärmergruppen 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 bewirkt ein Hochmischen der WE-Rücklauftemperatur! 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 [Sie3].

Verteiler mit Druckdifferenz

Die Hauptpumpe überwindet den Druckverlust des Stellorgans. Nicht jeder Verbraucher braucht eine Gruppenpumpe. Es ist aber ein hydraulischer Abgleich an den Drosseln (D) erforderlich (Bild 3.13). Wenn Verbraucherschaltungen mit Durchgangsventil vorhanden sind (unten), sollte eine Druckdifferenzregelung eingebaut werden. Solche Schaltungen sind dann nötig, wenn man auf tiefe WE-Rücklauftemperaturen angewiesen ist, z.B. beim Umbau von Heizsystemen auf Fernwärme oder Wärmepumpe. So werden oft bestehende Schaltungen nach a-b-c modifiziert gemäss d-e-f.

Verteiler mit Druckdifferenz

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.

Ventilbauarten

Bild 3.14 Ventilbauarten [BFK5]

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.

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

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 (Bild 3.10b). Ist das Stellorgan offen, so liegt an diesem ein bestimmter Teil des max. 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 [Sie2].

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 unten).

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:

Beimischschaltungen ohne Hauptpumpe mit Fehlzirkulation

Bild 3.16 Beimischschaltungen ohne Hauptpumpe mit Fehlzirkulation

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

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:

  1. Fehlzirkulation über Boiler in beiden Richtungen bei Speicherladung/-entladung
  2. Anschluss der Beimischschaltung nicht druckdifferenzlos: wechselhafte Ventilautorität
  3. Bei Boilerladung ab Heizspeicher zerstört der warme Rücklauf die Speicherschichtung
  4. Bei grosser Boilerladepumpe und grossem Mischventil entsteht Fehlzirkulation
Speicherheizanlage mit schlecht (oben) und gut (unten) entkoppelten Kreisen

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

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 [BFK5].

Gegenstromzirkulation an Einspritzschaltung

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.

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2017-01-04T15:46:06+00:00
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