Hydraulischer Abgleich am Heizkreisverteiler

Kompakt informieren

• Der Hydraulische Abgleich von Heizungsanlagen mit mehr als einem Heizkreis erfordert Maßnahmen, die über die Voreinstellung der Thermostatventile hinausgehen.
• Hydraulische Weichen, Differenzdruckregler und selbstadaptierende Pumpenregelungen haben spezifische Nachteile, die zu einem erhöhten Energieverbrauch und / oder Strömungsgeräuschen führen können. Eine alle Betriebssituationen ideal abdeckende Pumpeneinstellung ist nicht möglich.
• Abhilfe bietet der HeatBloC MC von PAW. Er ermöglicht den dynamischen Hydraulischen Abgleich am Heizkreisverteiler durch die Drehzahlregelung der Heizkreispumpe über einen extern platzierten Differenzdrucksensor.

Der Hydraulische Abgleich der Heizkörper zählt zu den geringinvestiven Einsparmaßnahmen und wird seit einigen Jahren zu Recht gefordert und gefördert [1]. Er gewährleistet Versorgungssicherheit aller angeschlossenen Räume, eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur und den stromsparenden Pumpenbetrieb. In wissenschaftlichen Untersuchungen [2] ist eine Stromeinsparung der Umwälzpumpe von 0,3 kWh/(m² a) und eine Endenergieeinsparung von 8 kWh/(m² a) (Brennstoff bzw. Strom bei Wärmepumpe) erzielt worden. Das ergibt für einen Haushalt mit 140 m² beheizter Wohnfläche eine jährliche Kosteneinsparung von etwa 90 Euro (64 Ct/(m² a)).

Da der Hydraulische Abgleich der Heizkörper untereinander im Bestandsgebäude mit einigem Aufwand verbunden ist, stand bislang seitens der Industrie dessen Vereinfachung im Fokus. Dabei ist der Hydraulische Abgleich des Verteilers notwendige Voraussetzung für ein abgeglichenes Gesamtsystem, wie im Folgenden verdeutlicht wird.

Abb. 2 zeigt exemplarisch das Schema einer Heizungsanlage mit drei gemischten Heizkreisen am Heizkreisverteiler mit einem bodenstehenden Brennwertheizkessel ohne integrierte Pumpe. Durch die Verwendung von jeweils einer Pumpe können in den Heizkreisen unabhängige Heizkennlinien und unabhängige Zeitprogramme und eine individuelle Nachtabsenkung eingestellt werden.

Es wird deutlich, dass durch unabgeglichene Heizungskreisläufe am Verteiler die Vorteile des Hydraulischen Abgleichs der Heizkörper zunichte gemacht werden können. Obwohl jeder Heizkörper im Einzelbetrieb hydraulisch abgeglichen wurde, kommt es beim Parallelbetrieb zu Problemen: Der linke Heizkreislauf wird nicht ausreichend mit Wärme versorgt, während der rechte Heizkreislauf zu hohe Rücklauftemperaturen aufweist und an seinen Thermostatventilen Pfeifgeräusche auftreten können. Die Versorgungssicherheit und die Energieeffizienz sind beeinträchtigt.

Heizkörper und Heizkreisläufe müssen gemeinsam abgeglichen werden

Über den gemeinsamen Heizkesselkreislauf sind die Heizungskreisläufe zwangsläufig miteinander gekoppelt und beeinflussen sich gegenseitig. Abb. 3 verdeutlicht dies anhand zweier Anlagenschemata mit drei ungemischten Heizkreisen für den Auslegungspunkt.

Ist nur ein Heizkreislauf mit 750 l/h in Betrieb (Einzelbetrieb) ist die Anlagenkennlinie des Heizkreislaufs flach. Der Druckverlust im Heizkesselkreis beträgt exemplarisch 30 hPa (Abb. 3 links) und die Heizungspumpe muss eine Förderhöhe von 1,33 mWS (130 hPa) aufbauen. Sind alle Heizkreisläufe mit jeweils 750 l/h in Betrieb (Parallelbetrieb) wird die Anlagenkennlinie jedes Heizkreislaufs steiler.

Verstärkt wird der Effekt durch die Nichtlinearität der Druckverluste, die sich quadratisch mit dem Gesamtvolumenstrom erhöhen. Der Druckverlust im Heizkesselkreis beträgt jetzt das 9-fache, nämlich 270 hPa (Abb. 3 rechts), und jede Pumpe muss eine Förderhöhe von 3,77 mWS (370 hPa) erzeugen. Die Pumpen müssen also je nach Betriebszustand einen deutlich unterschiedlich hohen Druck aufbauen, um den gewünschten Differenzdruck von 100 hPa zwischen Vor- und Rücklauf sicherzustellen.

Die Höhe der gegenseitigen Beeinflussung hängt von der Steilheit der Druckverlustkennlinie des Heizkesselkreislaufs inklusive Verteiler, Heizkessel und Verrohrung ab. Sich negativ auswirkende Faktoren sind

• eine hohe Anzahl von Heizkreismodulen,
• ein hoher Gesamtvolumenstrom durch den Wärmeerzeuger sowie
• hohe Druckverlustbeiwerte der eingesetzten Komponenten.

Abb. 4 zeigt die exemplarische Druckverlustkennlinie des gemeinsamen Heizkesselkreislaufs inklusive Heizkessel, Verrohrung und Verteiler. Eingezeichnet ist die Druckdifferenz p der beiden Fälle Einzel- und Parallelbetrieb im Auslegungspunkt. p spiegelt die notwendige Überdimensionierung aller Pumpen wider. Diese wird jedoch im Jahresverlauf selten benötigt, wie eine dynamische Simulationsrechnung mit dem Programm TRNSYS [3] verdeutlicht.

Auf der zweiten Ordinate von Abb. 4 ist die kumulierte, relative Häufigkeitsverteilung (Klassenbreite 125 l/h) des Gesamt-Volumenstroms durch den Wärmeerzeuger eines unsanierten Mehrfamilienhauses dargestellt. Es handelt sich um einen Zweispänner mit acht Wohneinheiten à 65 m² und einem spezifischen Heizwärmeverbrauch von 176 kWh/(m² a). Die Ergebnisse wurden auf den in diesem Zahlenbeispiel verwendeten Auslegungsvolumenstrom skaliert.

In Abb. 4 ist zu erkennen, dass der Auslegungsvolumenstrom von 2250 l/h nur etwa während 1 % der Heizperiode von 6851 h/a auftritt. 50 % der Heizperiode befindet er sich sogar unter 800 l/h. Das liegt zum einen daran, dass es relativ wenige sehr kalte Tage im Jahr gibt und zum anderen, dass die Heizlastspitzen der einzelnen Heizkreise nicht immer gleichzeitig auftreten.

Verstärkt wird die Diskrepanz zwischen Maximalwert und Medianwert noch durch unterschiedliches Nutzerverhalten (Raum-Solltemperaturen, Nachtabsenkung, Abwesenheitszeiten, etc.) oder verschiedene interne Lasten, welches in der Simulation aus Gründen des Rechenaufwands und der Transparenz in allen Wohnungen gleichgesetzt wurde. Der Einfluss passiver Solargewinne auf die südlich orientierten Räume nimmt zu, wenn das Gebäude besser gedämmt ist bzw. größere Fensterflächen aufweist.

Keine Einstellung ist optimal

Abb. 5 demonstriert beispielhaft das Dilemma bei der Einstellung der Heizungspumpen für den Auslegungspunkt im Pumpendiagramm eines Heizkreislaufs. Einzel- und Parallelbetrieb sind wie oben erläutert durch verschieden steile Anlagenkennlinien charakterisiert. Eingetragen ist eine Proportionaldruckkennlinie, bei der die Förderhöhe der Pumpe, bezogen auf ihre Stutzen, linear mit dem Volumenstrom ansteigt. Für nähere Informationen zur Pumpenregelung sei auf die Literatur (z. B. [4]) verwiesen. Am Schnittpunkt von Anlagenkennlinie und Regelkennlinie der Pumpe ergibt sich der Arbeitspunkt. Betrachtet man zwei Extremfälle:

1. Der Fachhandwerker wird nun in der Regel die höhere Regelkennlinie I wählen müssen, um den Auslegungsvolumenstrom von 750 l/h bei Parallelbetrieb zu erzielen. Die Pumpe nimmt 20 W auf. Reduzieren die anderen Heizkreisläufe ihren Bedarf / Volumenstrom, wandert der Arbeitspunkt zu höheren Volumenströmen. Die Pumpe erhöht ihre Drehzahl, nimmt 33 W auf und baut deutlich zu viel Druck p_I auf, was zu Pfeifgeräuschen an den Thermostatventilen führen kann. Der höhere Volumenstrom durch die Heizkörper führt nur zu einer geringen Erhöhung der Heizkörperleistung, aber die Rücklauftemperatur steigt deutlich an. Die Effizienz moderner Wärmeerzeuger sinkt und es wird mehr Brennstoff / Endenergie verbraucht.
2. Wenn die Pumpe schwächer eingestellt wird (Regelkennlinie II), tritt der gegenteilige Effekt auf. Erhöhen andere Heizkreisläufe ihren Volumenstrom wandert der Arbeitspunkt zu kleineren Volumenströmen. Die Pumpe reduziert ihre Drehzahl, nimmt 11 W auf und baut zu wenig Druck p_II auf. Die Vorlauftemperatur muss erhöht werden, um den Wärmebedarf zu decken. Die Verluste steigen und es wird mehr Brennstoff / Endenergie verbraucht.

Eine steilere Anlagenkennlinie wird durch die selbstregelnden Pumpen als Abnahme des Wärmebedarfs interpretiert, was die Pumpe in derartigen Systemen zu genau der falschen Reaktion nämlich einer Drehzahlreduktion verleitet. Das gilt umgekehrt auch für eine flachere Anlagenkennlinie. Weil die Grundannahme die gleiche ist [5, 6], kann auch die automatische Adaption der Pumpenkennlinie durch die gegenseitige Beeinflussung fehlgeleitet werden.

Für einen stromsparenden Betrieb der hocheffizienten Pumpen muss der Heizkreisverteiler differenzdruckarm gestaltet sein, z. B. durch den Einsatz einer hydraulischen Weiche oder eines Heizungspufferspeichers und einer zusätzlichen Heizkesselkreispumpe. Weil die Volumenströme vor und nach der hydraulischen Weiche nicht abgeglichen sind, ist die Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger höher als optimal. im Falle eines Pufferspeichers kommen noch zusätzliche Speicherverluste dazu. Beides verschlechtert die Effizienz temperaturempfindlicher Wärmeerzeuger (Brennwertheizkessel, Wärmepumpen) und erhöht den Endenergieverbrauch. Die Vorteile des Hydraulischen Abgleichs der Heizkörper werden dadurch teilweise zunichte gemacht.

Als Alternative zum differenzdruckarmen Verteiler werden in der Praxis drosselnde Armaturen, wie Strangregulierventile und Differenzdruckregler, eingesetzt. Diese werden auch beim Nachweis des Hydraulischen Abgleichs durch das BAFA abgefragt [7]. Während das Strangregulierventil nur für den Auslegungspunkt, also Volllast, eingestellt wird, gewährleisten Differenzdruckregler einen dynamischen Abgleich auch bei Teillast. Drosselnde Armaturen erhöhen jedoch den Druckverlust und damit den Pumpenstromverbrauch.

Abb. 6 verdeutlicht exemplarisch die Auswirkung von Differenzdruckreglern für den Auslegungspunkt im Pumpendiagramm. Die Anlagenkennlinie ist mit Differenzdruckregler noch steiler, sodass die Regelkennlinie der Pumpe noch höher eingestellt werden muss, um den Auslegungsvolumenstrom von 750 l/h zu erzeugen. Diese Anlagenkennlinie ergibt sich im Auslegungspunkt sowohl beim Einzel- als auch beim Parallelbetrieb. Die Pumpe nimmt in diesem Arbeitspunkt 28 W auf, unabhängig davon, ob der Heizkreislauf allein oder parallel mit anderen im Betrieb ist. Im Parallelbetrieb wird lediglich weniger Energie in Form eines Druckverlusts p_V,P vergeudet als bei Einzelbetrieb p_V,E.

Hocheffiziente Pumpen optimal genutzt

Um das Dilemma aufzulösen, hat PAW auf der ISH 2015 eine revolutionäre Neuheit für den dynamischen, Hydraulischen Abgleich am Heizkreisverteiler vorgestellt. Bei der Serie HeatBloC MC Abb. 1 übernimmt der selbst entwickelte Regler MCom die Drehzahlregelung der Heizkreispumpe und ein Differenzdrucksensor ermöglicht es, direkt den Differenzdruck zwischen Vorlauf und Rücklauf zu regeln.

Abb. 7 verdeutlicht die Situation für den Auslegungspunkt im Pumpendiagramm mit dem zum Patent angemeldeten Verfahren von PAW. Im Einzelbetrieb fließt der Auslegungsvolumenstrom von 750 l/h und die Pumpe hat eine Leistungsaufnahme von 12 W. Erhöhen andere Heizkreisläufe ihren Volumenstrom, wandert der Arbeitspunkt senkrecht nach oben. Die Pumpe erhöht im Gegensatz zur selbstregelnden Pumpe ihre Drehzahl, die Leistungsaufnahme steigt auf 20 W, aber der Auslegungsvolumenstrom von 750 l/h bleibt erhalten. Die Pumpe baut nur genauso viel Druck wie benötigt wird, um den Wärmebedarf in diesem Kreislauf zu decken, auf.

Das neue Verfahren ermöglicht so den Verzicht von Sicherheitszuschlägen auf die Heizkennlinie und die Regelkennlinie der Pumpe. Eine hohe Effizienz des Wärmeerzeugers und ein möglichst geringer Stromverbrauch der Pumpe sind gewährleistet.

Zur Minimierung der Wärmeverluste sind die Heizkreismodule und der Verteiler mit einer besonders dicht abschließenden Wärmedämmung ausgestattet, die die Betriebswärmeverluste auf 0,49 W/K (Messung durch das Institut für Solarenergieforschung Hameln) reduziert. Der EnEV-Vergleichswert von 0,63 W/K wird damit um 22 % unterschritten.

Abb. 8 zeigt, wie das HeatBloC-MC-System in eine Heizungsanlage eingebunden werden kann. Der Heizkessel bzw. der Heizungsregler ist nach wie vor für die elektrische Spannungsversorgung der Pumpen zuständig, um z. B. TWW-Vorrang, Sommer-Winter-Betrieb steuern zu können. Der MCom-Regler passt über eine PWM-Leitung die Pumpendrehzahl an den Wärmebedarf an. Um eine einfache Inbetriebnahme zu ermöglichen, sind für auswählbare Anwendungsfälle (Speicherbeladung, Radiatorheizkreis oder Flächenheizung) sinnvolle Werkseinstellungen für den Differenzdruck im Regler hinterlegt. Abhängig von der gewünschten Ventilautorität der Thermostatventile kann die Werkseinstellung feinjustiert werden.

Für die Speicherbeladung kann der MC41, ein ungemischter Heizkreis mit einem k_vs-Wert von 6,3 m³/h, verwendet und mit konstanter Pumpendrehzahl betrieben werden. Beim MC42, einem gemischten Heizkreis mit einem k_vs-Wert von 4,6 m³/h, steuert der Heizungsregler den 230-V-Mischermotor so an, dass eine witterungsgeführte Vorlauftemperatur realisiert werden kann. Der MCom-Regler des MC43, ein gemischter Heizkreis mit einem k_vs-Wert von 4,6 m³/h, regelt selbst den 24-V-Mischer auf eine einstellbare, konstante Vorlauftemperatur, z. B. für Niedertemperaturheizungen.

Zur Abrundung des Gesamtpakets ist ein optionales Kommunikationsset erhältlich, sodass man mit einem Smartphone und einer kostenlosen App (iOS und Android) Zugriff auf die Anlage erhält. Die App ermöglicht es, Einstellungen vorzunehmen und visualisiert den aktuellen Anlagenstatus. Die korrekte Inbetriebnahme kann damit dokumentiert und zur Übergabe an den Kunden protokolliert werden.

Literatur

[1] Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt. Berlin: BMWI (Hrsg.) (2015), www.bafa.de

[2] Umweltkommunikation in der mittelständischen Wirtschaft am Beispiel der Optimierung von Heizungssystemen durch Information und Qualifikation zur nachhaltigen Nutzung von Energieeinsparpotenzialen (Optimus) Teil 1: Überblick und allgemeiner Teil (Abschlussbericht Nr. DBU-AZ 18315). Wolfenbüttel: FH Braunschweig / Wolfenbüttel (inzwischen: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften), Optimus-Gruppe (Hrsg.), 2008, www.optimus.de

[3] SEL; TRANSSOLAR; CSTB; TESS (Hrsg.): TRNSYS 17 a TRaNsient SYstem Simulation program. Wisconsin, USA, 2012

[4] Grundlagen der Pumpentechnik. 5. überarbeitete und aktualisierte Auflage. Dortmund: Wilo SE, 2009, www.wilo.de

[5] Kallesoe, Carsten Skovmose; Bidstrup, Niels; Bayer, Manfred: Adaptive Auswahl von Regelkennlinien für Heizungsumwälzpumpen. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, HLH 7-2008

[6] Kallesoe, Carsten Skovmose; Bidstrup, Niels; Bayer, Manfred: Regelkennlinien für Heizungsumwälzpumpen. Aarau (Schweiz): AZ Fachverlage, HK-Gebäudetechnik 04-2009

[7] Bestätigung des Hydraulischen Abgleichs für die KfW-/BAFA-Förderung (Einzelmaßnahme) – Formular Einzelmaßnahme (2014). Berlin, VdZ, 2014, www.vdzev.de

obliegt die Laborleitung bei der PAW GmbH & Co. KG, 31789 Hameln, Telefon (0 51 51) 98 56 14, pp@paw.eu, www.paw.eu