Die Heiztechnik setzt wieder auf den Mischer

In seiner über achtzigjährigen Geschichte hatte der Mischer vom unentbehrlichen Heizungsutensil bis zur Bedeutungslosigkeit wechselnde Rollen inne.

Nachdem ihm die modulierende Brennwerttechnik fast den Garaus gemacht hat, ist er heute wieder wichtiger denn je. Die Kombination von Flächenheizung und verschiedenen (alternativen) Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus und dem nötigen Einsatz von Pufferspeichern verhalf ihm zu einer Renaissance am Markt.

Steigende Energiekosten, höhere energetische Anforderungen an Gebäude (GEG) sowie die staatliche Förderung von erneuerbaren Energien (BEG) haben in den letzten Jahren zu einer Veränderung der Heiztechnik geführt. Immer häufiger findet man in Häusern Kombinationen verschiedener Wärmequellen (z.B. Holz- oder Pelletkessel, Solaranlagen und Wärmepumpen) in nahezu beliebiger Kombination. Zentrales Element solcher Kombi-Systeme ist der Pufferspeicher. Je nach Energiequelle (z.B. Scheitholz) kann er auf bis zu 90 °C aufgeheizt werden. Gleichzeitig entwickelten sich Flächenheizsysteme zum Standard. Denn sie ermöglichen die Nutzung von Wärmequellen mit niedrigem Vorlauftemperaturniveau (z.B. Solar, Wärmepumpe). Somit wird eine Reduzierung der unter Umständen hohen Pufferspeichertemperaturen auf ein systemgerechtes Temperaturniveau nötig. Eine klassische Aufgabe für einen Mischer. Und Grund genug, sich das Thema „Mischer“ im Folgenden genauer anzusehen:

Bei der Mischerauswahl stehen zunächst grundsätzlich 3- und 4-Wegemischer zur Auswahl. Allerdings hat der 4-Wegemischer aufgrund seiner besonderen Funktion der Rücklauftemperaturanhebung (vgl. Abb. 1) im Teillastzustand (ca. 96% einer Heizperiode der Fall!) in heutigen Anlagen nahezu keine Bedeutung mehr.

In 3-Wegemischern, wie den „Centra“-3-Wegemischern von Resideo (Abb. 2), wird heißes Kessel- oder Puffervorlaufwasser mit dem abgekühlten, von den Heizflächen zurückströmenden Heizungsrücklaufwasser zu einem gemeinsamen Heizungsvorlauf vereint. Die Heizungsvorlauftemperatur, die sich dabei einstellt, ist abhängig vom Mischungsverhältnis und somit von der Stellung des Drehschiebers im Mischer.

4-Wegemischer bewirken im Ergebnis für den Heizungsvorlauf exakt dasselbe. Jedoch führen sie – je nach Mischerstellung – dem zum Kessel fließenden Rücklaufwasser mehr oder weniger heißes Kesselvorlaufwasser zu. Auf diese Weise ergibt sich, wie bereits erwähnt, eine Anhebung der Kesselrücklauftemperatur, was durchaus sinnvoll sein kann, beispielsweise bei einer Einkreisanlage in Verbindung mit einem konventionellen (Öl-)Niedertemperatur-Heizkessel. In so gut wie allen Fällen ist heute eine Rücklauftemperaturanhebung jedoch unerwünscht. Sie ist kontraproduktiv und arbeitet zum Beispiel einer Brennwertnutzung entgegen. Denn Brennwertanlagen benötigen, ebenso wie Fernheizsysteme und Wärmepumpen, für hohe Nutzungsgrade niedrige Rücklauftemperaturen. Auch bei Kombianlagen mit Pufferspeicher darf auf keinen Fall ein 4-Wegemischer ausgewählt werden, da er durch seine Rücklaufanhebewirkung die Temperaturschichtung im Pufferspeicher dauerhaft stört und damit die Puffereffizienz mindert. Grundsätzlich gilt, dass bei allen Heizungsanlagen mit mehreren Heizkreisen sowie bei Brennwerttechnik, Wärmepumpen, Fernheizung (sekundärseitig) und Pufferspeichern generell kein 4-Wegemischer mehr eingesetzt werden darf.

Exakte Vorlauftemperatur

Um eine exakte Vorlauftemperatur zu erreichen, ist nicht nur ein richtig dimensionierter Mischer erforderlich, sondern er sollte auch eine lineare Kennlinie haben. Ein guter Mischer zeichnet sich deshalb durch eine spezielle Regelkurve am Drehschieber aus.

Die Linie a im Diagramm in Abb. 4 zeigt eine lineare Temperaturkennlinie. Vorlauftemperatur und Mischerstellung ändern sich proportional. Mischer ohne Regelkurve oder stark überdimensionierte Mischer ergeben eine Kennlinie entsprechend der Linie b. Die Vorlauftemperatur steigt hier bereits bei einem geringen Öffnungsgrad des Mischers enorm an, um dann über einen weiten Verstellbereich kaum noch etwas zu bewirken.

Das lineare Mischerverhalten gemäß Linie a ist für die elektronische Mischerregelung sehr wichtig, denn der so genannte Verstärkungsfaktor des Mischers bleibt über den gesamten Stellbereich von 90 Winkelgraden gleich. Elektronische Regelungen, die einen Mischer mit einem Verhalten gemäß Linie b ansteuern, neigen durch den hohen Verstärkungsfaktor bereits bei geringem Öffnungsgrad zu einem unsteten Regelverhalten, dem so genannten „schwingen“. !PAGEBREAK()PAGEBREAK!

Mischerdimensionierung

Für die meisten Anwendungen ist die Auslegung des Mischers recht einfach. Der Druckabfall im Stellglied soll möglichst in einem Toleranzband von 15 bis 40 mbar liegen. Im Diagramm in Abb. 5 ist dieser Bereich mit zwei Linien markiert.

Zur Mischerdimensionierung steigt man mit dem Wärmestrom Q bzw. der errechneten Heizlast links unten ins Diagramm (vgl. Abb. 5) ein und geht senkrecht nach oben zum Schnittpunkt mit der Linie, auf der die gewünschte Spreizung aufgetragen ist. Von dort bewegt man sich waagrecht nach rechts, bis sich die waagerechte Linie im grau hinterlegten Feld (15 bis 40 mbar Druckabfall) mit der Dimensionskennlinie schneidet. So ergibt sich einerseits die erforderliche Größe des Mischers wie auch – wenn man senkrecht nach unten geht – sein Druckabfall. Das in das Diagramm eingezeichnete Beispiel zeigt eine Heizlast von 60 kW und eine Spreizung von 20 K. Daraus folgert die Mischernennweite DN 32 mit einem KVS-Wert von 16 m³/h sowie einem Druckverlust von 26 mbar.

Vorsicht ist bei der Auslegung geboten, falls eine Anlage über mehrere Heizkreise mit unterschiedlichen Systemtemperaturen verfügt, was im Alltag häufig vorkommt. Zum Beispiel, wenn ein Gebäude eine Fußbodenheizung mit Systemtemperaturen von 35/30 °C hat und einen weiteren Heizkreis mit Systemtemperaturen von 60/50 °C für statische Heizflächen. Im Auslegungsfall bedeutet das, dass die Vorlauftemperatur von 60 °C auch am Mischer für die Fußbodenheizung ansteht. Das hat zur Folge, dass der Stellwinkel von 90 Grad nur zu einem ganz geringen Teil genutzt werden kann. Eine stabile Regelung ist so deutlich erschwert oder gar unmöglich. Um dieses Problem zu lösen und dem Mischer seinen vollen Stellbereich von 90 Winkelgraden zu erlauben, ist die „Mischschaltung mit nachgeschaltetem Bypass“ die richtige Wahl der hydraulischen Schaltung.

Ein Beispiel einer solchen Schaltung zeigt Abb. 6: Es handelt sich um eine Fußbodenheizung mit einer Heizleistung von 8 kW und Auslegungstemperaturen von 35/30 °C, also einer Spreizung von 5 K. Der Kreis für die statischen Heizflächen hat eine Auslegetemperatur von 60/50 °C. Dadurch ergibt sich für den Kesselkreis ein Massenstrom von 229 kg/h, während für den Heizkreis 1.375 kg/h erforderlich sind. Der Kesselkreis hat also nur rund ein Sechstel des Massenstroms des Fußbodenheizkreises. Nach diesem Wert (229 kg/h) ist der Mischer zu dimensionieren. Würde der Mischer – wie in der Praxis häufig der Fall – nach dem Massenstrom der Fußbodenheizung (1.375 kg/h) ausgelegt, wäre er um mindestens zwei Nennweiten zu groß. Folge dieser Überdimensionierung wäre, dass nur ein kleiner Bereich des Gesamtstellbereiches eines Mischers zur Regelung genutzt werden kann, nämlich konkret:

Vom Stellbereich von 90 Winkelgraden könnten in diesem Falle also nur 17 Prozent zur Regelung genutzt werden. Eine stabile Regelung der Vorlauftemperatur wäre nahezu unmöglich. Durch die Dimensionierung des Mischers mit den Eckdaten 60/30 °C (Spreizung 30 K) wird die Mischerdimension sehr klein, was die Nachschaltung einer einregulierten Bypass-Strecke notwendig macht. In Abb. 5 sind die abweichenden Wassermengen gut erkennbar. Durch diese hydraulische Maßnahme ist der Mischer in der Lage, seinen vollen Stellwinkel für die Regelfunktion zu nutzen.

Der notwendige Bypass wird gemäß Abb. 7 wie folgt einreguliert: Zunächst sind das Regulierventil (2) sowie der Mischer ganz zu öffnen. Bis zur Kreuzung Bypass/Vorlauf (D) dürfte nahezu die Kesseltemperatur von 60 °C anstehen, während nach D in jedem Fall eine zu geringe Temperatur anliegt. Grund ist die durch das ungedrosselte Bypass-Regulierventil von E nach D strömende, recht hohe Beimischmenge. Jetzt kann das Regulierventil (2) so lange schrittweise gedrosselt werden, bis sich am Punkt 1 (Vorlauf Fußbodenheizung) die vorgesehene maximale Temperatur (hier 35 °C) einstellt. Der nächste Drosselschritt sollte jeweils immer erst nach erfolgter gleichmäßiger Durchwärmung des gesamten Verbraucherkreises und der Stabilisierung der Rücklauftemperatur erfolgen. Das kann bei einer Fußbodenheizung mehrere Stunden dauern. Im Falle eines Pufferspeichers sollte auf die beschriebene Bypass-Lösung verzichtet werden. Denn bei einer hohen Rücklaufbeimischung über den Bypass ist eine vollständige Pufferentladung nicht möglich. !PAGEBREAK()PAGEBREAK!

Fazit

In Zeiten hoher Energiepreise und einer steigenden Anzahl von Nutzern alternativer Energien ist das Einlagern von beispielsweise kostengünstiger Solarenergie in Pufferspeichern sehr verbreitet. Um die gewonnene Energie beispielsweise durch Transportverluste nicht unnötig im Gebäude zu „verschleudern“ sowie die Einzelraumregelung nicht in ihrer Funktion durch überhöhte Vorlauftemperaturen zu stören, kommt es darauf an, die eingespeicherte Wärme gradgenau an die jeweiligen Verbraucherkreise abzuführen. Nur durch eine effiziente Wärmeerzeugung, eine bedarfsgerechte Wärmeübergabe an die Verbraucher mittels einem Mischer und eine hydraulisch angepasste Wärmeverteilung (Strangabgleich, Heizflächenabgleich) wird das angestrebte Ziel einer optimierten Gesamtanlage erreicht.

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Wechselvolle Geschichte

Im Jahr 1930 erfand der Ingenieur Albert Bürkle den Mischer und legte damit den Grundstein für die flächendeckende Verbreitung der Zentralheizung. Denn erst diese neue Technik ermöglichte es, Vorlauftemperaturen stetig an die aktuelle Heizlast anzupassen. Zunächst erfolgte die Mischereinstellung in reiner Handarbeit. Erst Ende der 50er-, Anfang der 60er-Jahre kamen Mischer mit elektrischen Stellmotoren auf den Markt. Angesteuert wurden sie von außentemperatur- oder raumgeführten elektronischen Reglern mit Zeitschaltuhren. Ziel dieser Entwicklung war hauptsächlich die Steigerung des Heizkomforts. Denn der Energiespargedanke hatte damals, bei Ölpreisen von drei Pfennig pro Liter, noch eine sehr untergeordnete Bedeutung.

Das änderte sich sehr schnell und nachhaltig mit der ersten Energiekrise im Jahre 1973. Der Ölpreis stieg quasi über Nacht von drei auf fünf Dollar pro Barrel und die Heizkosten kamen so in den Fokus einer breiten Öffentlichkeit. Auf einmal hatte das Thema Energiesparen einen sehr viel höheren Stellenwert. Der Heizungsmischer wurde in diesen Jahren zum Selbstläufer. Einschließlich Stellmotor und Regelung, gehörte er fast selbstverständlich zu jeder Heizungsanlage.

Mit Markteinführung der Niedertemperatur-Heizkessel Anfang der 80er-Jahre wurde die Luft für den Mischer dünner. Die Heizkesselindustrie setzte auf eine gleitende Kesseltemperaturregelung, bei der die Kesseltemperatur via Brenneransteuerung nur so hochgefahren wird, wie es entsprechend der Bedarfsanforderung von Heizung oder Brauchwarmwasserbereitung notwendig ist. Ein Mischer – so die damalige Aussage der Heizkesselindustrie – sei im Normalfall nicht mehr notwendig. Doch schon bald klagten Kunden über Komfortverlust. Grund waren stark schwankende Vorlauftemperaturen infolge der Brennerhysterese und während der Brauchwarmwasser-Bereitungsphasen sowie durch Taupunktkorrosion bedingte Kesselschäden nach kurzer Zeit. Hinzu kam ein steigender Marktanteil von Flächenheizsystemen mit niederen Systemtemperaturen. Diese Umstände verhalfen dem Mischer zu einem Comeback.

Doch bereits Mitte der 90er-Jahre bildeten sich neue „Wolken am Mischerhimmel“. Gas-Brennwertkessel mit modulierendem Brenner setzten sich verstärkt durch und etablierten sich schließlich als Ausrüstungsstandard. Mit ihrer Brennermodulation sowie einer stufenlos anpassbaren Feuerungsleistung sind sie in der Lage, die jeweils notwendige Vorlauftemperatur zeitnah und gradgenau zur Verfügung zu stellen. Allerdings nur, wenn es lediglich einen Heizkreis gibt und der Modulationsbereich des Wärmeerzeugers der Gebäudeheizlast angepasst ist. Exorbitante Überdimensionierungen, wie sie in der Praxis leider immer wieder vorkommen, lassen auch einen modulierenden Brenner fast nur im Taktbetrieb laufen. Ist das Heizsystem jedoch genau auf das Gebäude abgestimmt und gibt es nur eine Systemtemperatur, ist ein Mischer bei dieser Technologie nicht mehr notwendig. Konsequenterweise sorgte die Verbreitung der Brennwerttechnologie mit modulierendem Brenner für eine Reduktion der Stückzahlen am Mischermarkt. 4-Wegemischer verschwanden nahezu in der Bedeutungslosigkeit. Denn ihre Rücklaufanhebewirkung im Teillastbereich widerspricht der Brennwertnutzung.

Ganz aktuell hat sich der Wind für den Mischer aber wieder gedreht: Zunehmend etablieren sich Heizsysteme mit Flächenheizung, Pufferspeicher und mehreren Heizquellen in unterschiedlichen Kombinationen. Dabei müssen die verschiedenen Temperaturniveaus im Pufferspeicher auf die niedrigen Systemtemperaturen der Fußboden- oder Wandheizung gesenkt werden. Ein typischer Job für den Mischer, der dadurch seinen „dritten Frühling“ erlebt.