Dynamischer Hydraulischer Abgleich

Im Rahmen der Optimus-Studie¹⁾ wurden die Heizungsanlagen von rund 100 Häusern ­detailliert untersucht. Die Studie belegt, dass durch eine richtige Einstellung von Wärme­erzeuger, Pumpen, Regelung und Thermostat­ventilen Energieeinsparungen von bis zu 20 % ­erzielt werden können. Dies entspricht bei privaten Haushalten einer mittleren Heizenergie­einsparung von 8 kWh/(m² a) bezogen auf die ­beheizte Wohnfläche.

Allerdings sind nach aktuellen Schätzungen weniger als ein Drittel der Heizungsanlagen in Deutschland hydraulisch abgeglichen. Die Ursachen sind vielfältig: Planern und Installateuren fehlt das hydraulische Verständnis, die Konsequenzen sind nicht offensichtlich, der Mangel wird nicht gerügt. Und selbst bei einwandfreier Planung und Auslegung, fehlt häufig die praktische Umsetzung. Diese wurde zwar in den letzten Jahren durch diverse Einbauelemente, wie voreinstellbare Thermostatventile, Strangregulierventile oder Differenzdruckregler weiter vereinfacht, jedoch müssen weiterhin berechnete oder mit vereinfachten Verfahren ermittelte Voreinstellwerte manuell auf die Heizungsanlage übertragen werden. Die Praxis zeigt, dass hierbei große Umsetzungsdefizite bestehen. Zudem hat sich noch nicht die Erkenntnis etabliert, dass jede energetische Veränderung des Gebäudes, beispielsweise eine Außenwanddämmung, eine Neueinstellung der Heizungsanlage erforderlich macht.

Andererseits schreitet bei der Gebäudetechnik die Automatisierung schnell voran. Heute können fast alle gebäudetechnischen Systeme über die Gebäudeleittechnik geregelt werden. Die Hydraulik der Warmwasserheizung hat sich jedoch diesem Trend aufgrund ihrer Komplexität und schwieriger Verallgemeinerung weitgehend entzogen.

Im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Forschungsvorhabens wurde diese Lücke nun im Labor für Heizungstechnik der Fachhochschule Münster in Zusammenarbeit mit der DEOS AG (ehemals Plüth Regelsysteme), Rheine, geschlossen.

Regelung berechnet Druckverluste

Entwickelt wurde ein intelligentes Gebäudeautomationssystem zur Regelung von Volumenströmen in Anlagen mit parallel geschalteten hydraulischen Widerständen (klassische Zweirohrheizung). Die angestrebte technische Funktionalität war es, die zeitlich und thermisch bedarfsgerechte Beheizung eines Gebäudes durch eine geregelte Verteilung der Energieströme über die Integration der Hydraulik in die Gebäudeautomation zu realisieren. Dazu wurde eine Regelungssoftware erstellt, die auf Basis der momentanen Druckverluste im Rohrnetz eine Anpassung der Volumenströme und der Drehzahl der Pumpe in jedem Teillastfall sicherstellt.

Die Energieströme werden dabei einzig über zwei Temperatursensoren an jedem parallel ein­gebundenen Wärmeabnehmer (an einem Heiz­körper die Rücklauf- und Raumtemperatur) erfasst und über hinterlegte Algorithmen auf den aktuell fließenden Volumenstrom umgerechnet. Die so ­ermittelten Volumenströme dienen wiederum als Eingangsgröße für eine kontinuierlich nach DIN EN 12831²⁾ ablaufende Druckverlustberechnung des gesamten Rohrnetzes.

Auf diese Weise wird mit hinreichender Genauigkeit für jeden zu versorgenden Fließweg der von der Pumpe zu überwindende Druckverlust ­∑(I· R + Z) dynamisch berechnet und liefert in Addition mit der gewünschten Mindestventilautorität und der sich daraus ergebenden Druckdifferenz über dem jeweiligen Ventil Δp_Ventil, die aktuell benötigte Förderhöhe des hydraulisch ungünstigsten Fließwegs. In dem in Bild 1 dargestellten Beispiel wäre Fließweg 1 der hydraulisch ungünstigste und für die Anpassung der Förderhöhe maßgeblich. Die Regelungssoftware berechnet dann für die übrigen Fließwege die in Abhängigkeit der aktuellen Pumpenkennlinie benötigte Druckdifferenz über den Ventilen, um den gewünschten Solldurchfluss einzustellen. Die Solldurchflüsse ergeben sich aus den berechneten Energieströmen, die benötigt werden, um die jeweiligen Räume auf der aktuellen Solltemperatur zu halten.

Durch die dynamische Förderhöhenanpassung wird gewährleistet, dass die Pumpe zu jedem Zeitpunkt nur auf der tatsächlichen Mindest-Drehzahlstufe betrieben wird und an den motorgesteuerten Regelventilen der hydraulisch günstig gelegenen Wärmeabnehmer nur so viel Druck reduziert wird, wie zur bedarfsgerechten Beheizung zu diesem Zeitpunkt zwingend erforderlich ist.

Anpassung der Förderhöhe

Nun wird angenommen, dass zum Fließweg 1 ein Strang gehört, der einen Großteil der Räume an der Südseite des Gebäudes versorgt und durch solare Einstrahlung eine Heizlastreduzierung von 20 % erfährt. Dann würde die hydrau­lische Regelung automatisch den in Bild 2 dar­gestellten Zustand einstellen. Nun wäre Fließweg 2 der hydraulisch ungünstigste und würde die Vorgabe für die Förderhöhe der Pumpe liefern. Die Adaption an den neuen Bedarf würde die Drehzahl von zuvor 75 % auf 60 % der maximalen Drehzahl reduzieren und so die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe um über 50 % ­verringern.

Um Unsicherheiten in der Berechnung zu berücksichtigen, wurde in der Regelung eine automatische Förderhöhenanpassung in direkter Abhängigkeit der Energieströme und sich einstellenden Druckverhältnissen im Netz realisiert. Wird beispielsweise die Raumsolltemperatur bei maxi­malem Hub am zugehörigen Ventil nach einer ­bestimmten Zeit nicht erreicht, wird die Förderhöhe in Prozentschritten angehoben.

Der gegenseitigen Beeinflussung durch den ­regelungstechnischen Eingriff über die Regel­ventile wird über eine Hubstellwertanpassung Rechnung getragen, die die aktuelle Ventilautorität berücksichtigt. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, für die Wärmeabnehmer bzw. die Räume unterschied­liche Wärmeversorgungsprioritäten festzulegen bzw. Nutzungsprofile in Form eines Zeit- und Temperaturmanagements vorzugeben. So könnten beispielsweise Räume mit höherer ­Priorität primär über eine hydraulische Vorrangschaltung mit Wärmeenergie versorgt werden, oder es könnten in einem Hotel die Belegungs­zeiten und Raumtemperaturanforderungen von Gästen direkt bei der Buchung an die Heizungs­regelung übergeben werden.

Hydraulischer Versuchsstand

Zur praktischen Validierung der regelungstechnischen Grundidee wurde an der FH Münster ein Versuchsstand (Bild 3) realisiert. An ihm können zur Simulation sechs Fließwege individuell beeinflusst werden. Für einen solarbeeinflussten Teillastfall wurden dazu für einen Musterraum mit einem Fensterflächenanteil von 15 % die zu erwartenden solaren Wärmegewinne simulativ ­ermittelt. Angenommen wurde ein Wintermonat am Standort Münster.

Um zu prüfen, ob das Regelsystem in der Lage ist, einen kontinuierlichen Hydraulischen Abgleich auch bei starken äußeren Einflüssen vorzunehmen, wurde der Extremwert aus der Simulation von 910 W (79 % der Heizlast) als Störgröße für eine Messung am Versuchsstand herangezogen. Die Messung für den Versuchsaufbau mit sechs bau­gleichen Räumen mit identischer Heizlast wurde bei 0 °C Außentemperatur gestartet. Trotz absichtlich falscher Auswahl der K_VS-Werte der einzelnen Durchgangsventile, wurde über das Regelungskonzept ein hydraulisch abgeglichener Zustand erreicht. Beim Zuschalten eines solaren Wärmegewinns von 910 Watt sinkt die Heizlast im Raum 2 von zuvor 1150 auf 240 W. In den anderen fünf Räumen wurde die Heizlast konstant gehalten, sodass sich als regelungstechnische Herausforderung die zuvor für Bild 3 beschriebene Konstellation ergab.

Wie aus Bild 4 hervorgeht, steigt bei Aktivierung der äußeren solaren Beeinflussung in Raum 2 folgerichtig die Innentemperatur schnell an. Simultan dazu versucht der zugehörige PID-Regler dies über die Drosselung des Heizwasservolumenstroms auszugleichen. Die drastische Reduzierung hat einen temporären Anstieg des Volumenstroms in den Fließwegen der anderen Heizkörper zur Folge. Der Anstieg wird aber durch die Regelung innerhalb weniger Minuten über die kontinuier­liche Neuberechnung der Ventilhübe und der Förderhöhe zurückgeführt.

Wird die solare Beeinflussung wieder deaktiviert, stellt sich eine zum eben beschriebenen Verhalten reziproke Anlagencharakteristik ein. Nun wirkt der PID-Regler der höheren Heizlast mit einem starken Öffnen des Regelventils im betroffenen Raum entgegen, wodurch die Volumenströme in den Heizkörpern der übrigen Räume sinken. Wie aus Bild 5 hervorgeht, wird auch die Umkehr des hydraulisch ungünstigsten Wärmeabnehmers von der Regelung austariert.

Intelligente Einzelraumregelung

Zusätzlich zu der thermisch funktionalen Grund­optimierung ist über das Regelsystem ein großes Energieeinsparpotenzial durch die Möglichkeit gegeben, Nutzerprofile anzulegen. Durch die Integration der Heizungsanlage in die Gebäudeautomation wurde auch eine leicht verständliche Zugangs- und Regelungsmöglichkeit für den Nutzer geschaffen. So kann beispielsweise über den Internet Explorer von jedem PC mit Internetzugang auf die heimische Heizungsanlage zugegriffen oder eine Änderung der Zeitprofile vorgenommen werden. Auch kann man den Zustand der gesamten Anlage über das Internet in allen Details überwachen und in der Regelung Zeit- und Temperaturvorgaben ändern. Die hydraulische Anpassung auf den energetisch optimalen Betriebszustand übernimmt die Regelungstechnik dann selbsttätig.

Für den simulierten Fall einer Nichtnutzung bzw. einer automatisch oder manuell herbeigeführten Frostschutzschaltung (5 °C Innentemperatur), lässt sich auch für dieses Szenario eine einwandfreie Funktion des Regelungskonzeptes messtechnisch nachweisen (Bild 6).

Welcher Aufwand ist erforderlich?

Neben der messtechnischen Validierung des Regelkonzepts stellt sich die Frage, ob der Programmier- und Installationsaufwand, der für die Integration des Regelsystems erforderlich ist, in einem wirtschaftlichen Rahmen zu realisieren ist.

Bezüglich des Programmieraufwands lässt sich zusammenfassend sagen, dass er sich mithilfe der geschaffenen Konzeptbausteine wirtschaftlich in Grenzen hält, wenn übliche Planungsdaten, wie die raumweise Heizlast gemäß DIN EN 12831 und die Rohrnetzberechnung des Verteilernetzes, vorliegen (siehe auch Kasten).

Der Installationsaufwand ist mit je einem Temperatursensor im Rücklauf und einem Sensor zur Erfassung der Raumtemperatur, sowie einem motorgesteuerten Regelventil an jedem zu ver­sorgenden Wärmeabnehmer überschaubar. Eine zentrale Verteilung der Energieströme (z.B. Fußbodenheizungen) vereinfacht die Strom- und ­Datenversorgung der Stellmotoren an den Regelventilen. Zur Umsetzung an Heizkörpern wird ­aktuell an einem dezentralen Funk- bzw. Stromversorgungskonzept gearbeitet (siehe auch Kasten). Ein „Komplett-Paket“, bestehend aus einem Heizkörper mit vormontiertem Temperaturfühler im Rücklauf sowie einem eingearbeiteten leicht zugänglichen Aufsatz für ein motorgesteuertes Durchgangsventil, ist denkbar. Jedenfalls ließen sich so Funktionalität und Optik am einfachsten in Einklang bringen.

Einsatzmöglichkeiten

Die Anwendungsmöglichkeiten des Regel­konzepts gehen aber weit über die Regelung von Heizkörpern oder Fußbodenheizkreisen hinaus. Es eignet sich für alle hydraulischen Systeme, in denen Wärmeabnehmer parallel eingebunden sind. So wird die Regelung zurzeit von Plüth in Zusammenarbeit mit dem Labor für Heizungstechnik der FH Münster in einem Industriebetrieb, der über Fernwärme mit Prozess- und Heizwärme versorgt wird, installiert, um ein weitverzweigtes Rohrnetz mit Heizkörpern, Lufterhitzern und Wärmeüber­tragern zur Erwärmung von Behältern hydraulisch zu optimieren.

Ein in die Regelung integriertes Zeitmana­gement in Abhängigkeit der unterschiedlichen Nutzungsprofile sowie die Regelung der Heiz­kreispumpen und der Volumenströme über die ­unterschiedlichen Wärmeabnehmer soll eine bedarfsgerechte Beheizung von Hallen, Prozess­behältern und Büroräumen sicherstellen. Zusätzlich wird durch den regelungstechnisch realisierten dynamischen Abgleich der Volumenströme eine größere Spreizung zwischen der Vor- und Rücklauftemperatur an der Fernwärmeübergabestation erwartet, sodass der Abnahme­volumenstrom bei gleicher Leistung reduziert ­werden kann.

¹⁾ Abschlussbericht der Optimus-Studie, Abschlussbericht Teil 2: „Technische Optimierung und Energieeinsparung“, https://optimus-online.de/

²⁾ DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast.

Aktuell wird in einem unabhängigen, von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt, im Labor für MSR-Technik und Gebäudeautomation der FH Münster daran gearbeitet, eine auto­matische hydraulisch abgleichende Regelung zu programmieren, die auch für Bestandsgebäude bzw. unbekannte Rohrnetze nutzbar sein wird. Dabei ermittelt die Regelung eigenständig die hydraulischen Kennwerte jedes am Rohrnetz angeschlossenen Wärmeabnehmers und gleicht das Gesamtsystem automatisch hydraulisch ab.

Zudem wird mithilfe des EnOcean-Developer-Kit (EDK 300) die Möglichkeit erforscht, die Kommunikations- und Antriebs­energie über einen Peltierelement (Seebeck-Generator) aus der thermischen über das Heizwasser zukommenden Energie zu beziehen. Als Alternative wird auch der Einsatz eines Hydrogenerators untersucht, der über ein Flügelrad in die Leitungsführung integriert werden kann und nach ersten Erkenntnissen eine stabilere Versorgungsquelle für Stellantrieb und die bidirektionale Funkkommunikation darstellt. Zudem ermöglicht der Hydrogenerator zukünftig eine präzisere Bestimmung des durchgesetzten Volumenstrom als es die Umrechnung über die Übertemperaturen gewährleistet.

Bei Verwendung einer dieser Konstellationen könnte somit gänzlich auf zusätzlich notwendig werdende Anschlüsse am Heizkörper verzichtet werden und der Hersteller hätte in Kombination mit einer Gebäudeautomationsfirma die Möglichkeit, einen automatisch hydraulisch abgleichenden Heizkörper anzubieten, der seinem Nutzer erhebliche Einsparpotenziale eröffnet. Darüber hinaus wird an einer automatischen bedarfsgesteuerten Vorlauftemperaturadaption in Kombination mit einem wetter­prognostizierten Außentemperaturverhalten gearbeitet. So können zusätzliche Einsparpotenziale ­erschlossen werden. In Kombination mit der EnOcean-Funktechnologie eröffnen sich weitere technische Kombinationsmöglichkeiten, beispielsweise über eine Kopplung zu den EnOcean-Fenstergriffen oder durch frei platzierbare Temperatursollwertgeber und Wandtaster.

Dipl.-Ing., M. Eng., Fachhochschule Münster, Fachbereich Energie – Gebäude - Umwelt, Labor für MSR-Technik und Gebäudeautomation, 48565 Steinfurt und Ingenieurgesellschaft Feldmeier, 48161 Münster, feldmeier@fh-muenster.de

Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Münster, Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt, Lehr- und Forschungsgebiet: Heizungstechnik, 48565 Steinfurt, https://www.fh-muenster.de/