Die hydraulische Balance finden

Anforderungen für Heiz- und Kühlsysteme kennen und umsetzen.

Systeme zum Heizen und Kühlen sollen möglichst effizient arbeiten. Das gelingt in größeren und großen Anlagen dann, wenn die Volumenströme mit einer hydraulischen Weiche ausbalanciert werden. Welche Faktoren dabei eine Rolle spielen, wird im Folgenden erläutert.

Hydraulische Weichen kommen immer dann zum Einsatz, wenn die benötigten Wasservolumina im Primärkreis und in den Sekundärkreisen voneinander abweichen können. Dies ist häufig bei größeren und großen Heizungs- und Kühlanlagen der Fall, etwa in Mehrfamilienhäusern, Bürogebäuden sowie gewerblichen und industriellen Anlagen. In solchen Systemen sind die benötigten Volumenströme auf der Erzeuger- und der Verbraucherseite (Primär- und Sekundärkreis) unterschiedlich groß.

Ohne eine hydraulische Trennung ist es nur äußerst schwer möglich, einen effizienten Betrieb zu erreichen. So würden die Pumpen nicht im optimalen Bereich laufen, was die Betriebskosten erhöht. Zudem würde das System anfälliger für Störungen (Stichwort: Kavitation) und die Lebensdauer geringer. Als weiterer Nachteil ist zu nennen, dass die Temperaturregelung im Verbraucherkreis schwieriger würde. Das liegt unter anderem daran, dass es eine häufige Änderung der Druckverluste gibt, etwa durch Öffnen und Schließen von Heizkörperventilen.

Eine hydraulische Weiche wird senkrecht zwischen dem Primär- und Sekundärkreis platziert und entkoppelt diese beiden Systembereiche. Dabei wird jeweils der Vor- und Rücklauf an die Weiche angebunden. Es besteht im Prinzip gleichzeitig eine Trennung und eine Verbindung mithilfe des Bauteils. Hier wird sich zunutze gemacht, dass durch die unterschiedlichen Temperaturen im Innern eine Schichtung entsteht: Durch die oberen Anschlüsse fließt das wärmere Vorlaufwasser, durch die unteren das kältere Rücklaufwasser.

Das optimale Gesamtsystem sieht so aus, dass die Volumenströme des Vor- und Rücklaufs praktisch gleich sind. Dieser Zustand tritt nur dann auf, wenn Angebot und Nachfrage identisch sind. Im realen Betrieb stellt dies jedoch eher die Ausnahme als die Regel dar. Stattdessen variieren Angebot und Nachfrage permanent. Unter Umständen moduliert der Wärmeerzeuger in unterschiedlichen Lastbereichen, während sich die Wärmeabnahme ebenfalls ständig verändern kann. Daher lassen sich neben den ausgeglichenen Volumenströmen zwei Betriebszustände unterscheiden, bei denen eine Mischung von Vor- und Rücklaufwasser erfolgt:

1. Ist die Abnahme größer als das Angebot, gelangt ein Teil des Rücklaufwassers in den Vorlauf. Die Vorlauftemperatur sinkt, ein moderner modulierender Wärmeerzeuger regelt nach und erhöht die Leistung.

2. Ist die Abnahme geringer als das Angebot, fließt Vorlaufwasser in den Rücklauf. Die Rücklauftemperatur steigt und ein modulierender Wärmeerzeuger verringert seine Leistung, um seinen hohen Wirkungsgrad beizubehalten. Moderne Wärmeerzeuger haben zudem sehr geringe Wasserinhalte, die schnell ihre Solltemperatur erreichen. Ohne den Einsatz einer hydraulischen Weiche fangen die Geräte häufig an zu takten.

Mit beiden Varianten soll demnach die festgelegte Vorlauftemperatur erreicht und möglichst konstant gehalten werden. Dazu werden die Volumenströme der Heizkreispumpen so geregelt, dass sie sich in der hydraulischen Weiche so wenig wie möglich mischen. Je schneller das geschieht, umso eher ist ein guter Betriebszustand erreicht. Verbrauch und Kosten bleiben auf dem gewünscht niedrigen Niveau.

Die Schwankungen in der Anlage wirken sich auf das Systemwasser innerhalb der hydraulischen Weiche aus. Im Korpus entstehen deutlich mehr Turbulenzen, was zu einer starken Vermischung von Vor- und Rücklauf führen kann. Diese Strömungen lassen sich mit verschiedenen Methoden nachweisen, etwa durch Wärmebildaufnahmen. Solche Turbulenzen und Vermischungen sind jedoch nicht erwünscht, denn sie wirken sich negativ auf die Effizienz aus. Ausgleichen ließe sich der Zustand durch eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit, was aber nur in geringem Maße möglich ist. Auch diverse Einbauten im Körper einer hydraulischen Weiche, beispielsweise sogenannte Schichtungs- oder Prallbleche, helfen hier nur bedingt.

Wasser beruhigen

Einen ganz anderen Ansatz wählte Spirotech für die Konstruktion seiner hydraulischen Weiche: In dem runden Baukörper ist das "Spirorohr" integriert. Es bildet die Kernkomponente und wird vom Systemwasser komplett durchströmt, wobei der Druckverlust gering ist. An dieser Stelle findet der erste Schritt zur hydraulischen Balance statt, denn durch die feine Gitterstruktur des "Spirorohrs" beruhigt sich das Wasser. Die Turbulenzen nehmen ab und werden, laut Hersteller, zu einer laminaren Strömung. Das führt dazu, dass die Vermischung des Vor- und Rücklaufwassers weitgehend unterbunden wird. Stattdessen entsteht eine stabile Temperaturschichtung, die Vermischungszone bleibt gering. Dies entspricht exakt der Zone der Entkopplung. Im Idealfall befindet sie sich in der Mitte des Korpus der hydraulischen Weiche.

Gleichzeitig wirkt sich die Beruhigung des Systemwassers durch das feine Geflecht auf die Inhaltsstoffe Luft und Schlamm aus: Luft und Mikroblasen steigen auf und werden über das Ventil entfernt. Schmutzpartikel sinken nach unten in einen Auffangbereich ab. Dieses Verfahren ist bewährt und wird bei den Luft- und Schlammabscheidern aus dem Hause Spirotech schon lange äußerst erfolgreich eingesetzt. Wie wichtig die konsequente Luft- und Schlammabscheidung für jedes Heiz- und Kühlsystem ist, ist hinlänglich bekannt. In der hydraulischen Weiche des Herstellers sind diese Funktionen kombiniert.

"All-in-One"-Gedanke

In der neuen Gerätegeneration entwickelte Spirotech die Verknüpfung zu einem "All-in-One"-Ansatz. Neben den drei genannten Funktionen wird bei der Schlammabscheidung zusätzlich ein Magnet eingesetzt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die magnetischen Partikel zuverlässig aus dem Systemwasser entfernt werden. Das beugt Verunreinigungen und Störungen in sensiblen Bauteilen vor. Das Prinzip entspricht dem in den "SpiroTrap"-Schlammabscheidern mit Magnet: Das Bauteil sitzt sicher und geschützt im Innern, es muss weder zusätzlich integriert noch für Wartungen ausgebaut werden. Ebenso gilt für die hydraulische Weiche, dass ein Ablassen des verschmutzten Wassers schnell und einfach im laufenden Betrieb erfolgen kann. Betriebsunterbrechungen, die mit sehr viel mehr Aufwand und Kosten verbunden sind, entstehen gar nicht erst.

Neben der Magnettechnologie wurde die neue Generation um einen drehbaren Ablasshahn ergänzt. Unabhängig von der Einbausituation lässt er sich flexibel in die beste Position bewegen, um das "Abschlammen" leicht zu machen. Die regelmäßige Kontrolle des Systemwassers und das Ablassen des gesammelten Schmutzes werden damit noch praxisgerechter. Zudem sind, passend zum "All-in-One"-Gedanken, ab der Größe DN 80 vier ½-Zoll-Anschlusspunkte für Temperatursensoren integriert, je zwei an den Vorlauf- und Rücklaufstutzen.

Ein Gerät für mehrere Funktionen ermöglicht eine rasche Installation. Die kompakte Bauweise macht zudem keinen großen Platzbedarf erforderlich. Damit ist ein flexibler Einbau gewährleistet, der in der Vertikalen meist über die Flanschanschlüsse erfolgt. Dabei spielt die Fließrichtung des Systemwassers keine Rolle, die hydraulische Weiche kann von beiden Seiten für den Primär- und Sekundärkreis eingesetzt werden. Eine "falsche Durchflussrichtung" gibt es also nicht. Außerdem sind keine langen Beruhigungsstrecken erforderlich, was vor allem bei beengten Platzverhältnissen im Bestand vorteilhaft ist.