Hydraulischer Abgleich am Heizkörper und Verteiler

Ein konstanter Differenzdruck zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf ermöglicht eine hohe Ventilautorität der Thermostatventile und eine hohe Regelgüte der Raumtemperatur. Um zusätzlichen Stromverbrauch durch Ventile zu vermeiden, sollte der Differenzdruck gemessen und die Pumpendrehzahl entsprechend angepasst werden. Die Differenzdruckregelung sorgt dafür, dass der Volumenstrom im Verbraucherkreis ausschließlich von den Thermostatventilen bestimmt wird und nicht von den Druckverlusten im Erzeugerkreis. Zudem vereinfachen sich sowohl der dynamische als auch der statische hydraulische Abgleich und ein möglichst strom- und brennstoffsparender Betrieb der Anlage wird erreicht.

Eine zentrale Heizungsanlage besteht im Allgemeinen aus vier Teilsystemen, wobei die Wärme von der Wärmeerzeugung zur Wärmeabgabe (z.B. Heizkörper) verteilt werden muss.

Die Wärmespeicherung in einem Pufferspeicher kann entfallen, wenn der Wärmeerzeuger:

• einen guten Teillastwirkungsgrad aufweist,

• einen breiten Modulationsbereich hat und/oder robust gegen häufiges Takten ist,

• wärmegeführt betrieben wird und keine Sperrzeiten (z.B. bei Wärmepumpen) bestehen.

Diese Voraussetzungen sind beispielsweise für Gas-Brennwertkessel gegeben [1]. Bei modernen Geräten ohne notwendigen Mindestvolumenstrom kann die Wärmeverteilung auf mehrere Heizkreise direkt angeschlossen werden, ohne mit einer hydraulischen Weiche die Spreizung zu verringern:

Hierbei sind alle Heizkreise über den gemeinsamen Erzeugerkreis miteinander gekoppelt und sie beeinflussen sich gegenseitig. Ohne weitere technische Hilfsmittel beeinflusst eine Veränderung der Mischerstellung oder des Volumenstroms (Wärmebedarfs) in einem Heizkreis den Differenzdruck und den Volumenstrom aller anderen Heizkreise. Es kann sich dann der oben dargestellte Zustand ergeben, dass nicht nur einzelne Heizkörper, sondern ganze Heizkreise unterversorgt oder überversorgt sind.

Die Heizungsanlage muss gemäß mehrerer Vorschriften und Förderprogramme hydraulisch abgeglichen sein, was sowohl für die Versorgungssicherheit als auch für die Energieeffizienz vorteilhaft ist. Für die Erfüllung der Anforderungen genügt im Allgemeinen der statische hydraulische Abgleich.

Statischer und dynamischer hydraulischer Abgleich

Der Fachmann unterscheidet den statischen vom dynamischen Abgleich: Beim statischen Abgleich wird dafür gesorgt, dass im Auslegungsfall die Heizkörper bzw. die Heizkreise mit der notwendigen Vorlauftemperatur und dem notwendigen Volumenstrom versorgt werden, um den Wärmebedarf zu decken.

Beim dynamischen Abgleich wird nicht nur der Auslegungsfall, sondern auch der Teillastfall abgedeckt, indem zusätzlich der Differenzdruck über dem Thermostatventil bzw. dem Heizkreis konstant gehalten wird.

In den letzten Jahren haben sich für den hydraulischen Abgleich der Heizkreise (Wärmeverteilung) und der Heizkörper (Wärmeabgabe) verschiedene Produkte etabliert:

Selbstregelnde Pumpen passen ihre Förderhöhe, das heißt, den Differenzdruck bezogen auf ihre Anschlussstutzen, an den Volumenstrom an. Sie sind für einfache hydraulische Schaltungen geeignet, wo weder eine gegenseitige Beeinflussung von Heizkreisen untereinander noch eine starke Variation des Strömungswiderstands des Erzeugerkreises (inkl. Mischer) auftritt [2]. Nur dann ist die grundlegende Annahme korrekt, dass eine steilere Anlagenkennlinie weniger Wärmebedarf bedeutet.

Strangregulierventile sorgen für einen statischen hydraulischen Abgleich mehrerer Heizkreise. Sie drosseln überschüssigen Differenzdruck so, dass im Auslegungsfall der richtige Volumenstrom in jedem Heizkreis fließt. Aufgrund ihres konstanten Öffnungsquerschnitts können sie in Teillast (bei kleinerem Volumenstrom) keine differenzdruckstabilisierende Wirkung entfalten.

Differenzdruckregler für den dynamischen Abgleich der Wärmeverteilung sind bei folgenden Voraussetzungen zu empfehlen:

• mehrere Heizkreise, insbesondere mit unterschiedlichen zeitlichen Lastgängen,

• kaskadierte Wärmeerzeuger,

• Auslegungsdruckverlust im Erzeugerkreis inkl. Mischer und Verteiler (> 5 kPa),

• komplizierte hydraulische Verschaltung mit Mischern und Umschaltventilen (wie z. B. solare Rücklaufanhebung).

Da mechanische Differenzdruckregler aufgrund ihres zusätzlichen Druckverlustes den notwendigen Pumpenstromverbrauch mindestens verdoppeln [3], wird im Folgenden von einer differenzdruckgeregelten Pumpe ausgegangen. Von PAW GmbH & Co. KG gibt es für den dynamischen Abgleich der Wärmeverteilung beispielsweise eine kompakte Pumpengruppenserie namens "HeatBloC MC" in vielen Größen (DN 25 bis DN 50) und Mischervarianten.

Differenzdruckregelung für effizienten Betrieb

Der Regler "MCom" erfasst mit einem Sensor den Differenzdruck, ohne zusätzliche Druckverluste zu erzeugen, und stellt die Pumpenförderhöhe über eine Drehzahlvorgabe passend ein. Der Verbraucherkreis (Wärmeabgabe) wird vom Erzeugerkreis (Wärmeerzeugung) entkoppelt und sein Volumenstrom hängt ausschließlich von der Stellung der Thermostatventile ab.

Veränderungen des Druckverlusts im Erzeugerkreis, hervorgerufen vom Mischer oder anderen Heizkreisen, werden ausgeregelt und haben keine negativen Auswirkungen auf den Verbraucherkreis mehr. Die Wärmeverteilung ist dynamisch abgeglichen.

Mit einem optionalen Kommunikationsset kann mit dem Smartphone oder Tablet eine WLAN-Verbindung zu den "HeatBloC MC"-Pumpengruppen aufgebaut werden. Unter anderem können der aktuelle Differenzdruck und der Volumenstrom übermittelt werden. Die App erleichtert zudem den statischen Abgleich der Heizkörper über voreinstellbare Thermostatventile und/oder die Rücklaufverschraubung (Vorgehen wird später im Beitrag beschrieben).

Außerdem vermeidet die elektronische Differenzdruckregelung einen unnötig hohen Pumpenstromverbrauch bei dynamischen Thermostatventilen. Für eine hohe Regelgüte der statischen Thermostatventile (voreinstellbar oder über Rücklaufverschraubung) ist es notwendig, dass der Differenzdruck zwischen Vorlauf und Rücklauf nicht stark schwankt. Wenn der Differenzdruck in Teillast stark ansteigt, also bei anteilig hohen Druckverlusten der Verteilung (bei einer niedrigen Ventilautorität), wechselt die Regelcharakteristik der Thermostatventile von Proportionalregelung auf An-Aus-Regelung.

Der Volumenstrom übersteigt den Auslegungsvolumenstrom bei voller Ventilöffnung und Pfeifgeräusche können bei fast geschlossenen Ventilen entstehen.

Die Raumtemperatur schwankt mit einer größeren Hysterese um die gewünschte Solltemperatur, es wird mehr Wärme verbraucht und der Kesselnutzungsgrad sinkt.

Verantwortlich dafür sind meist der fehlende dynamische Abgleich der Verteilung, also die fehlende Differenzdruckregelung (s.o.) zwischen Vorlauf und Rücklauf, und eine falsch eingestellte Pumpe. Die "HeatBloC MC"-Pumpengruppen halten den Differenzdruck über den Thermostatventilen nahezu konstant, denn der Einfluss der Druckverluste des Rohrnetzes ist in kleineren Gebäuden (< 500 m²) untergeordnet. Vorausgesetzt ist eine Dimensionierung gemäß gängiger Vorschriften, so dass die Druckverluste < 100 Pa/m betragen.

Die dynamischen Thermostatventile verfügen über eine interne Differenzdruckregelung über dem Regelquerschnitt des Thermostatventils. Dadurch ergibt sich eine hohe Regelgüte und der maximale Volumenstrom bei voll geöffnetem Regelquerschnitt ist einstellbar. Im Gegensatz zum statischen Thermostatventil wird ein Ansteigen des Volumenstroms auch bei höherem Differenzdruck verhindert.

Sie entfalten ihre vorteilhafte Wirkung, wenn die Druckverluste des Rohrnetzes über 5 kPa liegen. Dies macht die Ventile besonders charmant für den hydraulischen Abgleich, weil lediglich der Soll-Volumenstrom des Heizkörpers zu berechnen ist. Der Differenzdruck am entferntesten Heizkörper muss einen Minimalwert ∆p_min (z.B. 10 kPa) überschreiten und darf einen Maximalwert ∆p_max (z.B. 60 kPa) nicht übersteigen.

Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften einiger dynamischer Ventile:

Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand

Für den theoretischen Teil des hydraulischen Abgleichs haben sich seitens der Fördermittelgeber BAFA und KfW die zwei Verfahren A und B etabliert [4], für die es eine Vielzahl an Softwarelösungen für PC und Smartphone gibt.

Nach Verfahren A werden die Norm-Raumheizlasten QR,n,i abgeschätzt und die Spreizung ∆T für den Heizkreis, also alle Heizkörper, festgelegt. Die jeweiligen Heizflächendurchflüsse V _i werden abhängig von diesen beiden Parametern berechnet.

Nach Verfahren B werden die Norm-Raumheizlasten QR,n,i berechnet und die Norm-Heizleistungen der Heizkörper QHK,n,i erfasst. Dann findet eine Optimierung der Vorlauftemperatur im Auslegungsfall statt und die sich ergebenden Spreizungen ∆T_i und Heizflächendurchflüsse V_i an den Heizkörpern werden berechnet [5].

Die App von PAW für die Pumpengruppen "HeatBloC MC" nutzt den Algorithmus von Verfahren B zur Berechnung der Heizflächendurchflüsse, überlässt es jedoch dem Nutzer, ob die Norm-Raumheizlasten geschätzt (A) oder berechnet (B) werden. Somit ist man bezüglich der Wahl des Fördermittelgebers frei.

Abhängig von den verbauten Ventilen gibt es nun mehrere Verfahren, den hydraulischen Abgleich durchzuführen:

Aufgrund der elektronischen Differenzdruckregelung der "HeatBloC MC"-Pumpengruppen vereinfacht sich der hydraulische Abgleich für alle Verfahren und die Pumpen werden möglichst effizient betrieben.

Für den dynamischen Abgleich der Heizkörper wird jeweils der berechnete Heizflächendurchfluss am dynamischen Thermostatventil eingestellt. Der Soll-Differenzdruck wird am Regler "MCom" so eingestellt, dass ∆p_min am entferntesten Thermostatventil überschritten wird. Dadurch ist gewährleistet, dass möglichst wenig erzeugter Differenzdruck in den Ventilen weggedrosselt wird.

Für den statischen Abgleich der Heizkörper müssen die hydraulischen Widerstände der voreinstellbaren Thermostatventile und/oder der Rücklaufverschraubung so eingestellt werden, dass beim angelegten Differenzdruck der jeweilige Heizflächendurchfluss dem Auslegungswert entspricht.

Das geschieht entweder rechnerisch mit Ventildatenbanken oder messtechnisch. Beim rechnerischen Verfahren wird am Regler "MCom" der zu den gewählten Voreinstellungen passende Differenzdruck aus den Ventildatenbanken (z.B. 10 kPa) eingestellt. Beim messtechnischen Verfahren wird der jeweilige Heizflächendurchfluss über die Voreinstellung und/oder die Rücklaufverschraubung so eingedrosselt wie es die App vorgibt. Der optimale Soll-Differenzdruck wird am Ende von der App an den Regler "MCom" übermittelt und es kann ein Bericht per E-Mail versendet werden.

Fazit

Die elektronische Differenzdruckregelung der "HeatBloC MC"-Pumpengruppen vereinfacht alle Verfahren, die Heizkörper hydraulisch abzugleichen und die Pumpen werden möglichst effizient betrieben. Der dynamische Abgleich der Heizungsverteilung sorgt auch bei komplizierten hydraulischen Verschaltungen für eine Entkopplung der Verbraucherkreise vom Erzeugerkreis.

Literatur

[1] J. Glembin, M. Adam, J. Deidert, K. Jagnow, G. Rockendorf, und H. P. Wirth, "Vergleichende Untersuchungen von Kesseleinbindungen in Solarthermische Kombianlagen", in Tagungsband des 22. Symposiums Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, Deutschland, 2012.

[2] P. Pärisch, "Hydraulischer Abgleich vereinfacht", SBZ, Bd. 2015, Nr. 23, S. 50 bis 55, Dezember 2015.

[3] P. Pärisch, "A New Procedure for Hydronic Balancing of Heating Circuits", in Proceedings of the Clima 2016, Aalborg, Denmark, 2016, Bd. 9.

[4] VdZ e.V., Hrsg., "VdZ-Fachregel – Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand", Juli 2016.

[5] D. Wolff und P. Teuber, "Technische Regel zur Heizungsoptimierung", Gebäude-Energieberater, Bd. 2017, Nr. 03, S. 22 bis 25, März 2017.