Dynamischer hydraulischer Abgleich in HLK-Anlagen

Druckunabhängige Kombiventile (sog. PICVs = Pressure-Independent Combi Valves) spielen eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Energieverbrauchs, während die Gebäudetemperatur auf den optimalen Sollwerten gehalten wird. PICVs sind effektiv, da sie Druckschwankungen im Hydrauliksystem eines Gebäudes dynamisch abgleichen. Der dynamische Abgleich hat zwei wichtige Funktionen: Erstens verhindert er eine Über- und Unterversorgung von Verbrauchern und daraus resultierende Hydraulikstörungen. Zweitens verringert er Temperaturschwankungen erheblich. Dadurch verbraucht das System weniger Energie, um den Komfort der Bewohner aufrechtzuerhalten.

Druckunabhängige Kombiventile (PICVs) verfügen über eine stufenlose Voreinstellfunktion für den maximalen Volumenstrom, mit der sich die Nennleistung präzise einstellen lässt. So werden Temperaturschwankungen vermieden und der Komfort sichergestellt. Das hat den Vorteil, dass die Bewohner die Temperatureinstellungen seltener erhöhen oder verringern, was zur Gesamtenergieeinsparung beiträgt.

PICVs ermöglichen erweiterte Pumpenregelungsstrategien (z. B. Schlechtpunktregelung), die den Energieverbrauch weiter verringern. Insgesamt lassen sich mit PICVs Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erzielen. Sie können in allen mengenvariablen Heizungs- und Kühlungsanwendungen eingesetzt werden, um das ganze Jahr über den Komfort der Bewohner aufrechtzuerhalten.

Dynamischer Abgleich gegen Druckunterschiede

Druckunabhängige Kombiventile stellen sicher, dass der Durchfluss von heißem oder kaltem Wasser nur vom Ventilhub abhängig ist. Innerhalb ihres Betriebsbereichs werden sie nicht durch Druckschwankungen im Hydrauliksystem des Gebäudes beeinflusst. Dies wird als dynamischer Abgleich oder "automatischer" Abgleich bezeichnet.

Die grundlegende Funktion wird durch einen integrierten Differenzdruckregler (Abb. 1, Nr. 3) erreicht, der zum Hauptdurchflussregelventil (Abb. 1, Nr. 1) in Reihe geschaltet ist und den Differenzdruck des Durchflussregelventils mit einem Druckeinlass und einer Membran regelt. So ist der Durchfluss durch die gesamte Vorrichtung von Druckschwankungen im System unabhängig und wird nur durch den Hub des Regelventils bestimmt.

PICVs bieten die gleiche Stellantriebsschnittstelle wie Standardregelventile. Eine zusätzliche Energieversorgung oder ein elektrischer Sensor sind nicht erforderlich. Die Energie für den Betrieb des Differenzdruckreglers stammt aus dem Hydrauliksystem selbst.

Eine weitere Funktion ist die stufenlose Begrenzung des maximal zulässigen Durchflusses. Dies erfolgt durch die Begrenzung des freien Regelpfadbereichs (Abb.1, Nr. 2). Die Besonderheit der druckunabhängigen Kombiventile von Siemens ist, dass, unabhängig von der Voreinstellung, der volle Hub zur Verfügung steht, also die Voreinstellung keine Hubbegrenzung verursacht.

PICVs im gesamten Hydrauliksystem relevant

PICVs können in allen mengenvariablen Heizungs- und Kühlungsanwendungen in einem Gebäude – unter anderem in den Bereichen Energieerzeugung, -verteilung und Energienutzung – verwendet werden.

Einige typische Anwendungen sind:

• Energienutzung/-verbrauch
• Kühldecken
• Heizkörper
• Heizungs-/Kaltwasserzonenregelung
• Heiz-/Kühlregister in:

1. Ventilatorkonvektoren
2. Klimageräten
3. Variablen Volumenstromsystemen (VVS)

• Energieverteilung
• Heizgruppe
• Kaltwassergruppe
• Energieerzeugung
• Fernwärme

Bei Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden sorgt die automatische Abgleichfunktion auf drei verschiedene Arten für Energieeinsparungen:

• Sie verhindert zu jeder Zeit und bei jeder Betriebsbedingung eine Überversorgung des Wärmeübertragers.
• Sie verbessert die Regelgenauigkeit, indem eine hydraulische Kreuzverbindung von angrenzenden Regelkreisen verhindert wird.
• Sie ermöglicht erweiterte Energieverteilungsstrategien, indem das Risiko eines "Verhungerns" des Wärmeübertragers beseitigt wird.

Unterschiedlicher Widerstand führt zur Unter- oder Überversorgung

Bei hydraulischen Heiz- oder Kühlsystemen wird das heiße oder kalte Trägermittel (Wasser, entweder pur oder mit einem Mittel wie Glykol gemischt), das die thermische Energie von ihrer Erzeugung zum Verbraucher verteilt, über Rohrabschnitte mit verschiedener Länge oder verschiedenem Durchmesser transportiert. Bei mehrgeschossigen Gebäuden kann die zu überwindende Höhe ebenfalls unterschiedlich ausfallen. Daher ist der hydraulische Widerstand entlang des Pfads von der Energieerzeugung zu jeder Übergabestelle verschieden.

Um die erforderliche Heiz- oder Kühlleistung bereitstellen zu können, ist jede Übergabestelle für einen bestimmten Durchfluss ausgelegt. Wenn der Durchfluss zu niedrig ist, erhält der Verbraucher nicht genügend Energie (Unterversorgung).

Im umgekehrten Fall ist es so, dass bei einem Überfluss (Überversorgung) der Durchfluss so hoch ist, dass die Übergabestelle die bereitgestellte thermische Energie nicht ausreichend übertragen kann. Als Folge wird die überschüssige Energie zurück an die Energieerzeugung geleitet, die dann wiederum nicht mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Um sicherzustellen, dass jeder Verbraucher die richtige Menge an Heiz-/Kühlenergie erhält, wird ein hydraulischer Widerstand in das System integriert. Normalerweise wird dieser sogenannte Abgleich durch die Installation von manuellen Abgleichdrosseln erreicht, die in Reihe zu den Standardregelventilen installiert werden. Bei dieser Methode wird der hydraulische Widerstand der Abgleichdrosseln so dimensioniert, dass das System für nominale Betriebsbeingungen ideal abgeglichen ist. Das System ist dann "statisch abgeglichen". Dies kann jedoch nur für einen einzigen vorgegebenen "idealen" Betriebszustand, dem Auslegungszustand, erreicht werden (Abb. 2).

Hydraulische Heiz- oder Kühlsysteme werden über das Jahr gesehen jedoch überwiegend im Teillastbetrieb gefahren, sodass die Einregulierung auf den Auslegungszustand unwirksam ist.

Überversorgung trotz statischem Abgleich

Die Wirklichkeit sieht also ganz anders aus. In statisch abgeglichenen Systemen kann nach wie vor ein Überfluss bei bestimmten Teillastzuständen auftreten.

Wenn zum Beispiel einige Kreisläufe nur zur Hälfte geöffnet sind (Teillast), aber der Rest vollständig geöffnet ist (Volllast), kommt es in den letzteren Kreisläufen, die übermäßig Energie erhalten, zu einem Überfluss (Abb. 3).

Ein solcher Überfluss kann über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben, bevor die Raumtemperaturregelung auf die erhöhte oder verringerte Temperatur reagiert. Solche vorübergehenden Überversorgungsphasen treten entweder durch eine Änderung der Last (z.B. Änderung der Belegung eines Raums) oder eine Änderung des Sollwerts (z.B. Anlaufphase am Morgen) auf.

Abhängig von den verwendeten Energieerzeugungsanlagen kann dieser Überfluss zu zwei negativen Nebenwirkungen führen. Zunächst führt der Überfluss zum Transport von Wasser durch das System, das keine passende Menge an zusätzlicher Energie zu den Verbrauchern bringt, und dadurch zu einem geringen Temperaturunterschied über dem Wärmeübertrager (Anm.: Die Wärmeübertragung durch den Wärmeübertrager ist direkt proportional zum Durchfluss und zum Temperaturunterschied im gesamten Wärmeübertrager. Durchfluss und Temperaturunterschied sind in einem geschlossenen System umgekehrt proportional zueinander).

Außerdem führt Überfluss bei Kühlgeräten und Wärmepumpen zu Ineffizienzen in den Energieerzeugungsanlagen. Überfluss bei bestimmten Verbrauchen kann zu einer Rücklauftemperatur, die niedriger als der Nennwert im Kühlmodus ist, sowie zu einer Rücklauftemperatur führen, die höher als der Nennwert im Heizmodus ist, sodass die Energieeffizienz von Heiz- und Kühlgeräten um jeweils zwei und drei Prozent sinkt (Anm.: Die Verringerung der Verdampfungstemperatur eines Kühlgeräts um 1 K unter den Auslegungswert verringert seine Leistung um ca. 3 Prozent. Die Erhöhung der Kondensationstemperatur einer Wärmepumpe um 1 K über den Auslegungswert verringert ihre Leistung um ca. 2 Prozent

Wie bereits in der Beschreibung des Funktionsprinzips von PICVs erwähnt, begrenzt die Verwendung von PICVs den maximalen Durchfluss bei Teillastzuständen und verhindert so den erwähnten Anstieg des direkten Energiebedarfs (Erzeugung, Verbrauch) und des indirekten Energiebedarfs (Transport, Verteilung).

Hydraulische Querkopplungen lösen Temperaturschwankungen aus

Wie oben beschrieben, kann sich der Energiebedarf eines Abschnitts des Heiz- oder Kühlsystems zeitweise erhöhen (oder verringern), zum Beispiel wenn sich in einem Konferenzraum am Anfang eines Meetings viele Teilnehmer befinden und diese am Ende den Raum verlassen. Dies passiert überall im Gebäude, das heißt, zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten.

Dieser Anstieg des Energiebedarfs in bestimmten Abschnitten des Systems führt zu einer Verringerung der Energie, die in andere Bereiche des Gebäudes transportiert wird. Die Temperatur dieser Bereiche weicht dann vom Nennwert ab und es dauert, bis der Temperaturregler des Raums die entsprechende Reaktion auslöst. Die Temperatur wird dann immer wieder ansteigen und absinken, bis sie sich nach einer gewissen Zeit um den Sollwert stabilisiert (Abb. 4 + 5). Dieser Effekt wird als "hydraulische Querkopplung" bezeichnet.

Das erste Problem bei einer hydraulischen Querkopplung besteht darin, dass die Benutzer des Gebäudes sich zu den Zeiten der niedrigsten oder höchsten Temperatur im Zyklus unwohl fühlen. Das zweite Problem besteht darin, dass die Benutzer in der Regel den Temperatursollwert ändern, wenn sie sich unbehaglich fühlen.

Wenn die Temperatur zum Beispiel während der Wintermonate am niedrigsten ist, erhöhen sie den Sollwert möglicherweise um einige Kelvin. Die gesamte Kurve wird um ein oder zwei Kelvin nach oben verschoben. Sie reagieren jedoch wahrscheinlich nicht, wenn die Raumtemperatur eine Stunde später etwas höher als normal ist. Die Verschiebung des Sollwerts bleibt die gesamte Saison über bestehen.

Ein ähnliches Szenario spielt sich in den Sommermonaten ab. Wenn der Raum den höchsten Wert erreicht hat, erhöhen die Benutzer möglicherweise die Kühlleistung, ohne sie später wieder zu verringern, wenn die Temperatur ihren niedrigsten Wert erreicht hat.

Sowohl bei der Heizung als auch bei der Kühlung erhöht sich der Gesamtenergieverbrauch aufgrund der Temperaturschwankungen durch die Hydraulikstörungen. Wenn PICVs verwendet werden, gleicht ihre automatische Abgleichfunktion Druckschwankungen aus. So können eine bessere Regelgenauigkeit auf den Sollwert erreicht und die Temperaturschwankungen nahezu beseitigt werden (Abb. 4 + 5).

Voller Hub für präzisere Regelgenauigkeit

Eine noch präzisere Regelgenauigkeit wird durch die PICVs von Siemens erreicht, bei denen die Vorein-stellung durch die Einschränkung des freien Regelpfadbereichs erreicht wird. Da der volle Hub des Durchflussregelventils verfügbar ist, um die Öffnung zu steuern, kann der Volumendurchfluss mit einer deutlich größeren Anzahl an Schritten definiert werden (Abb. 6).

Die Temperatur kann in viel kleineren Schritten erreicht werden, wodurch Temperaturschwankungen und Unbehagen noch weiter verringert werden.

Folglich fühlen sich die Benutzer beim ursprünglichen Sollwert nicht mehr unbehaglich und werden den Energiebedarf nicht ändern, um die Spitzen der Temperaturschwankungen auszugleichen. Wenn dies während der gesamten Saison auf das gesamte Gebäude übertragen wird, ergeben sich erhebliche Energieeinsparungen.

Konventionelle Systeme benötigen konstanten Druck

Moderne Energietransportsysteme, wie Pumpen mit variabler Drehzahl, passen die Förderhöhe einer Pumpe und den Volumenstrom an die erforderliche Last an. Es gibt heute eine Vielzahl von Regelstrategien auf dem Markt. Die Regelung kann in Verbindung mit dem Differenzdruck, dem effektiven Volumenstrom durch einen Durchflussmesser sowie der Differenztemperatur, Außentemperatur oder Vorlauftemperatur erfolgen.

Wie bereits oben erläutert, ist ein konventionelles Hydrauliksystem "statisch abgeglichen". Der hydraulische Widerstand der Abgleichdrosseln wird so dimensioniert, dass das System für einen ausgelegten Betriebszustand ideal abgeglichen ist. Da ein solches System nach wie vor auf Druckunterschiede reagieren könnte, ist die Pumpenregelstrategie so ausgelegt, dass ein konstanter Differenzdruck im System sichergestellt ist (Abb. 7).

Jede Verringerung des Druckunterschieds könnte zum "Verhungern" einiger Übergabestellen führen. Selbst bei vollständiger Öffnung erhalten sie nicht den erforderlichen Durchfluss. In der Folge ist der Energieaustausch unzureichend und der Temperatursollwert kann nicht mehr sichergestellt werden.

Um den erforderlichen Durchfluss sicherzustellen, müssen Pumpen gegen den hydraulischen Widerstand arbeiten, der in das System integriert wurde, um einen normalen Betriebszustand sicherzustellen, selbst wenn der tatsächliche Betriebszustand stark davon abweicht.

Auf der anderen Seite ist es mit PICVs möglich, den gleichen Durchfluss bei einem geringeren Druckunterschied bereitzustellen. Solange der Druckunterschied im zulässigen Betriebsbereich des PICV bleibt, wird der Durchfluss auf dem eingestellten Wert gehalten ("automatische" Abgleichsfunktion).

Das öffnet die Tür für erweiterte Pumpenregelungsstrategien, bei denen derselbe Durchfluss bei einem geringeren Druckunterschied, irgendwo zwischen dem niedrigsten Wert (um im Betriebsbereich des PICVs zu bleiben) und dem Sollwert, bereitgestellt wird (Abb. 8).

Die Pumpe muss gegen weniger Widerstand "kämpfen". Sie lässt sich mit einer optimalen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl betreiben und benötigt dadurch weitaus weniger Leistung.

Anwendung in einer realen Fallstudie

Die drei Möglichkeiten zur Erreichung von Einsparungen, die in diesem Fachartikel beschrieben werden, wurden auf einem Campus mit verschiedenen Gebäuden in einer großen saudi-arabischen Stadt mit einer repräsentativen Anzahl von Heiz- und Kühltagen umgesetzt.

Dieses Gebäude verfügt über Klimageräte und Ventilatorkonvektoren mit Kaltwasser zur Kühlung und Elektronachwärmern zum Heizen. Das Kaltwassersystem umfasst die folgenden Komponenten:

• Zehn Kältemaschinen im Versorgungsgebäude. Neun im Einsatz und eine im Stand-by; Leistung: je 1.370 kW.
• Zehn primäre Kaltwasserpumpen, konstante Drehzahl im Versorgungsgebäude. Neun im Einsatz und eine im Stand-by; Volumenstrom: 55 l/s (198 m³/h) bei 30 m Förderhöhe. Das Verhältnis der installierten Pumpenleistung und Kühlleistung (Kältemaschine) beträgt etwa 1,5 Prozent.
• Zehn sekundäre Kaltwasserpumpen, variable Drehzahl im Versorgungsgebäude. Neun im Einsatz und eine im Stand-by; Volumenstrom: 55 l/s (198 m³/h) bei 55 m Förderhöhe. Das Verhältnis der installierten Pumpenleistung und Kühlleistung (Kältemaschinen) beträgt etwa 2,5 Prozent.
• Verschieden große Luftbehandlungsgeräte und Ventilatorkonvektoren platziert in jedem Gebäude entsprechend den erforderlichen Kühllasten. Regelventile mit elektrischen Stellantrieben, die in den Kaltwasser-Rücklaufleitungen von den Luftbehandlungsgeräten und Ventilatorkonvektoren installiert sind.

Einsparungen bis 30 Prozent durch PICVs

Mithilfe von tatsächlichen Betriebs- und Klimadaten wurden Energieeinsparungen für die Energieverteilung und -erzeugung mit den folgenden drei Methoden erreicht:

• Verhindern einer Überversorgung des Wärmeübertragers zu jeder Zeit und bei jeder Betriebsbedingung.
• Verbessern der Regelgenauigkeit, indem eine hydraulische Querkopplung zwischen angrenzenden Regelkreisen verhindert wird.
• Ermöglichung von erweiterten Energieverteilungsstrategien, indem das Risiko eines "Verhungerns" von Wärmeübertragern/Luftkühlern beseitigt wird.

In diesem Fall haben konservative Berechnungen gezeigt, dass durch die Verwendung von PICVs in den Gebäuden Einsparungen von bis zu 25 bis 30 Prozent bei der Energieverteilung sowie Einsparungen von zwei bis fünf Prozent bei der Energieerzeugung erzielt werden konnten.

In absoluten jährlichen Zahlen waren das jeweils etwa 330 MWh und 200 MWh bzw. ergaben sich jährliche Gesamtkosteneinsparungen von etwa 34.000 €.