Mengenvariable Beimischschaltung

01.09.2011 | Veröffentlicht in Ausgabe 09-2011

Abb. 1 Im Otto-Hahn-Gymnasium in Karlsruhe blieben mit der bestehenden Heizungsanlagenhydraulik einige Heizkreise unterversorgt. Die Wärmeverteilung des Schulgebäudes wurde nun mit zentral auf dem Verteiler installierten mengenvariablen Beimischschaltungen hydraulisch und zugleich energetisch optimiert. - © KSB Aktiengesellschaft/Wolfgang Heinl — © KSB Aktiengesellschaft/Wolfgang Heinl

Abb. 1 Im Otto-Hahn-Gymnasium in Karlsruhe blieben mit der bestehenden Heizungsanlagenhydraulik einige Heizkreise unterversorgt. Die Wärmeverteilung des Schulgebäudes wurde nun mit zentral auf dem Verteiler installierten mengenvariablen Beimischschaltungen hydraulisch und zugleich energetisch optimiert.

In vielen Liegenschaften existiert das gleiche Problem: Durch hydraulische Defizite wird in komplexen Rohrnetzen die Heizwärme ungleichmäßig und mit unnötig hohem Energieaufwand verteilt – doch die Verteil- und Strangleitungen sind für klassische Sanierungslösungen nicht zugänglich. In einem Karlsruher Gymnasium wurde hingegen in der Heizzentrale ein Regelsystem eingesetzt, das die Vorlauftemperatur und den Pumpenförderstrom individuell regelt. Nun werden die Heizkreise bedarfsgerecht versorgt, der Energieverbrauch der Umwälzpumpen wurde deutlich gesenkt und der Nutzungsgrad des Brennwertheizkessels gesteigert.

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Mit einer mengenvariablen Beimischschaltung können typische hydraulische Probleme komplexer Rohrnetze mit Maßnahmen am Heizungsverteiler beseitigt werden.
Das KSB-Regelsystem BOA-Systronic regelt im Gegensatz zu einer klassischen Beimischschaltung nicht nur die Vorlauftemperatur im Heizkreis, sondern auch den Massenstrom.
BOA-Systronic verwendet das 0…10-VDC-Lastsignal einer beliebigen, übergeordneten Heizungsregelung und lässt sich so auch einfach in vorhandene Systeme integrieren.

Vor der hydraulischen Optimierung bot die bestehende Wärmeverteilung im Schulkomplex des Otto-Hahn-Gymnasiums Abb. 1, ein großes Potenzial zur Reduzierung der Heizkosten. Ungeregelte Nassläuferpumpen förderten beharrlich mit konstanter Drehzahl das Heizwasser über weitverzweigte Verteilstrecken zu den statischen Heizflächen in den einzelnen Gebäudetrakten. Ein fehlender Hydraulischer Abgleich verursachte in den Heizkreisen mit den kürzesten Leitungswegen zu hohe Fördermengen. Dagegen blieben entfernter gelegene Teile des Schulgebäudes oftmals unterversorgt.

„Das Ziel war, die Anlagenhydraulik in diesem weitverzweigten Verteilnetz in den Griff zu bekommen. Das heißt, dass die Heizkreise für die einzelnen Gebäudeteile trotz unterschiedlicher hydraulischer Eigenschaften nur mit den für die Wärmeübertragung nötigen Massenströmen versorgt werden sollen“, berichtet Dipl.-Ing. (FH) Markus Albert Abb. 2, Geschäftsführer des TGA-Planungsbüros Engineering Consult in Karlsruhe. Um das Optimierungsziel zu erreichen, waren zwei wesentliche Maßnahmen erforderlich:

Hydraulischer Abgleich der Wärmeverteilung
Anpassung der Pumpenfördermengen an den jeweiligen Wärmebedarf.

Für die installationstechnische Umsetzung waren die Möglichkeiten jedoch begrenzt: Die Verteilleitungen zu den einzelnen Gebäudeteilen und Unterrichtsräumen verlaufen in Installationskanälen und in Deckenbereichen, die nicht zugänglich sind. Unter diesen Gegebenheiten ließen sich innerhalb der Verteilung keine Regeleinrichtungen, wie beispielsweise Strangregulierventile oder Differenzdruckregler, nachrüsten. Dafür bot die Heizzentrale ausreichend Platz, um die Verteileranlage neu aufzubauen und darin auch die Komponenten für die Optimierung der Wärmeverteilung zu integrieren.

Bedarfsabhängiger Heizkreisbetrieb

Für den Neuaufbau der Verteilung wurde geplant, das von KSB entwickelte Regelsystem BOA-Systronic zusammen mit Hocheffizienz-Umwälzpumpen einzusetzen.

BOA-Systronic (siehe Infokasten) kombiniert die Vorlauftemperaturregelung mit einer intelligenten Volumenstromsteuerung und passt den Förderstrom kontinuierlich an den aktuellen Wärmebedarf an. Das Prinzip der Beimischung wird beibehalten. So werden die Heizkreise nur noch mit dem tatsächlich erforderlichen Massenstrom versorgt. Parallel dazu betreibt das Regelsystem die Umwälzpumpe leistungsminimal, abgestimmt auf die Hubstellungen der beiden Regelventile, sodass die Pumpen-Betriebskosten um bis zu 50 % gesenkt werden. Konzeptbedingt entfällt bei dieser mengenvariablen Beimischschaltung die manuelle Einregulierung der Heizkreise untereinander (Hydraulischer Abgleich).

Im Vergleich dazu wird bei einer konventionellen hydraulischen Schaltung (Beimischschaltung mit Dreiwegeventil) im Teillastbetrieb zunehmend kaltes Wasser aus dem Rücklauf zugemischt, um den Förderstrom im Heizkreis konstant zu halten – eine konventionelle Beimischschaltung zielt (nur) darauf ab, die Vorlauftemperatur anzupassen. Nachteile sind unnötig hohe Betriebskosten für die Umwälzpumpe und überhöhte Förderhöhen im Teillastbetrieb, die oft der Auslöser von Strömungsgeräuschen sind. Die Heizkreise müssen bei einer konventionellen Beimischschaltung untereinander hydraulisch abgeglichen werden.

Volumenstromsteuerung und Regelung

Alle vier Heizkreise des Schulgebäudes wurden mit dem Regelsystem BOA-Systronic ausgestattet. Für jeden Heizkreis besteht das System aus einem Hauptregelventil mit der werkseitig vormontierten Steuereinheit Systrobox, einem Regelventil zum Einbau in die Beimischleitung sowie einem Absperr- und Messventil zum Einbau in den Rücklauf. Das Messventil dient dazu, während der Inbetriebnahme das Regelsystem optimal an die hydraulischen Gegebenheiten des Heizkreises anzupassen. Die ermittelten Daten werden in der zum Heizkreis gehörenden Systrobox gespeichert.

Im Betrieb werden geänderte Lastsituationen von der übergeordneten Heizungsregelung erfasst und an die Steuerung Systrobox weitergegeben. Diese passt mithilfe der beiden Regelventile den Förderstrom automatisch an den veränderten Bedarf an. Die regelbare Umwälzpumpe reduziert den Förderstrom zusätzlich, falls der Wärmebedarf noch weiter sinkt – zum Beispiel, wenn in den Unterrichtsräumen durch Fremdwärmegewinne von Personen und Sonneneinstrahlung die Thermostatventile schließen (unterlagerte Raumtemperaturregelung). Diese Funktion ist jedoch unabhängig von BOA-Systronic.

Kontinuierliche Brennwertnutzung

Die Wärmegrundlast im Karlsruher Otto-Hahn-Gymnasium wird von einem Gas-Brennwertheizkessel Abb. 6, gedeckt. Durch die bedarfsgerechte Regelung von Temperatur und Volumenstrom steht dem Wärmeerzeuger eine sehr niedrige Rücklauftemperatur zur Brennwertnutzung zur Verfügung. Den Nachweis hierfür liefert in der Heizzentrale ein Blick in das DN-250-Abgasrohr aus Glas, in dem während des Kesselbetriebs die Kondensation sichtbar wird Abb. 7,. Während des Ortstermins in der Heizzentrale des Otto-Hahn-Gymnasiums an einem Märztag ließ sich außerdem feststellen, dass der 720-kW-Brennwertheizkessel trotz der milden Außentemperatur von 12 °C nicht taktet. Durch die kontinuierliche Brennwertnutzung lässt sich eine deutliche Einsparung bei den Brennstoffkosten erzielen.

Regelsystem senkt Rücklauftemperatur

Bei der Inbetriebnahme des Regelsystems BOA-Systronic verbindet ein Service-Mitarbeiter von KSB oder ein geschulter SHK-Fachmann die Steuereinheit Systrobox mit einem Laptop, um die erforderlichen Parameter mittels Software zu übertragen. Als Basisdaten werden der Förderstrom im Auslegungspunkt, der hydraulische Widerstand des Heizkreises, die minimale Förderhöhe der Umwälzpumpe im Heizkreis und die Nennweite der Regelventile eingegeben. Zusätzlich lässt sich die erforderliche Anhebung der Vorlauftemperatur auf zwei Arten parametrieren. Diese Temperaturanhebung erfolgt entweder durch Neigungsänderung oder Parallelverschiebung der Heizkennlinie. Durch Parallelverschiebung der Heizkennlinie kann BOA-Systronic bereits für den Nennlastfall den Volumenstrom um 25 % verringern.

Bei der Inbetriebnahme der Anlage im Otto-Hahn-Gymnasium wurde die Neigung der Heizkennlinie variiert. Die steilere Neigung der Kennlinie im Teillastbereich erhöht die Vorlauftemperatur um eine geringere Temperaturdifferenz, zum Beispiel um 3 K. Die Rücklauftemperatur ist nach dem Durchströmen der Heizkörper etwa um den gleichen Betrag abgesenkt.

Die abgegebene Heizleistung wird damit durch die Veränderung der Parameter Spreizung und Volumenstrom reguliert. Die Theorie: Die Heizleistung einer Raumheizfläche ist abhängig von ihrer mittleren Übertemperatur. Bei erhöhter Vorlauftemperatur benötigt ein Heizkörper einen geringeren Förderstrom, um die erforderliche Heizleistung abzugeben, die Rücklauftemperatur sinkt dabei näherungsweise um den Betrag der Vorlauftemperaturanhebung. Bezogen auf das Heizmedium gilt, dass das Produkt von Massenstrom und Temperaturdifferenz bei gleicher Heizleistung konstant ist. Die Anhebung der Vorlauftemperatur und die technisch gekoppelte Absenkung der Rücklauftemperatur verringern somit den erforderlichen Massenstrom.

Diese Betriebsweise ermöglicht bedarfsabhängig angepasste Förderströme mit minimierten Pumpenleistungen und abgesenkter Rücklauftemperatur. Der daraus resultierende Komfortgewinn aufgrund minimierter Strömungsgeräusche ist ein zusätzlicher Vorteil, weil die Umwälzpumpe keine überschüssige Förderhöhe erzeugt. Dies führt zu deutlichen Kostenersparnissen für den Betrieb der Umwälzpumpen und des Heizkessels. „Allein durch den Einsatz von Hocheffizienz-Umwälzpumpen konnte die elektrische Leistungsaufnahme der Pumpen nochmal um rund 50 % reduziert werden. Im Ergebnis wird neben den minimierten Pumpen-Betriebskosten und der bedarfsgerecht angepassten Wärmeabgabe auch ein verbesserter Wirkungsgrad des Brennwertheizkessels erzielt“, berichtet Joachim Traum Abb. 2, Planer-Fachberater beim Hersteller KSB. •

Mehr Infos zum Thema in den TGAdossiers Gebäudeautomation bzw. Hydraulischer Abgleich: Webcode 740 bzw. 849

Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren

TGA-Planer: Oft ist der Aufwand für eine hydraulische Optimierung mit dezentralen Maßnahmen in größeren Rohrnetzen zu groß bzw. nicht wirtschaftlich. Mit der mengenvariablen Beimischschaltung lassen sich auch hier vorhandene Energieeinsparpotenziale erschließen.

Anlagenbauer: Die mengenvariable Beimischschaltung ist nicht nur Problemlöser, sondern vereinfacht auch die Anlagenhydraulik von Anlagen mit mehreren Heizkreisen. Ein Hydraulischer Abgleich der Heizkreise ist nicht erforderlich, das Konzept (BOA-Systronic) liefert diesen automatisch für jeden Betriebszustand.

Bauherren: Hydraulische Probleme lassen sich auch unter ungünstigen Bedingungen zumindest deutlich verringern. Generell: Mit einer hydraulischen Optimierung lassen sich die Betriebskosten deutlich und in der Regel mit schneller Refinanzierung aus den Einsparungen senken.

Energiesparende Anlagenhydraulik

Lastabhängige Förderstromanpassung

Das KSB-Regelsystem BOA-Systronic stellt mit einer bedarfsgerechten Fahrweise die erforderliche thermische Leistung mit lastabhängigem Förderstrom sowie minimierter Pumpenleistung bei abgesenkter Rücklauftemperatur bereit Abb. 3. Mit einer so optimierten Anlagenhydraulik lassen sich die Betriebskosten für Umwälzpumpen und den Heizkessel deutlich senken. Um die Wirkungsweise zu verdeutlichen, wird zunächst die konventionelle Beimischschaltung Abb. 4 betrachtet: Sie stellt ein im Verbraucherzweig mengenkonstantes hydraulisches System dar, das die abgegebene Heizleistung durch Änderung der Heizwassertemperatur mithilfe eines Dreiwegemischers anpasst. Das Regelorgan vermischt dazu heißes Vorlaufwasser mit abgekühltem Rücklaufwasser. Der Massenstrom über dem Verbraucher bleibt dabei konstant. Im Teillastbetrieb fördert die Umwälzpumpe somit überwiegend kaltes Rücklaufwasser durch den Heizkreis – mit nachteiliger Auswirkung auf die hydraulische Energieeffizienz, da die Förderleistung der Umwälzpumpe nur dann angepasst wird, wenn eine unterlagerte Raumtemperaturregelung (z.B. durch Thermostatventile) mit deutlichem Regeleingriff aktiv ist.

Eine höhere Energieeffizienz wird erreicht, wenn die Vorlauftemperaturregelung mit einer Volumenstromsteuerung kombiniert wird Abb. 5. Durch die intelligente Beimischung stellt BOA-Systronic einen bedarfsgerechten Förderstrom zur Verfügung. Die erforderliche thermische Leistung wird durch die gleichzeitige Anpassung der Temperaturspreizung gewährleistet. Die Systemlösung besteht aus vier Komponenten:

Die Steuereinheit Systrobox beinhaltet das System-Know-how und steuert zeitgleich beide Regelventile sowie die Umwälzpumpe. Die Steuerung ist am Hauptregelventil BOA-CVE SuperCompact werksseitig vormontiert <b>Abb. 3</b>.
Das Hauptregelventil BOA-CVE SuperCompact steuert den Förderstrom im Vor- und Rücklauf.
Das zweite Regelventil BOA-CVE SuperCompact steuert als Beimischregelventil die Menge des beizumischenden kalten Rücklaufwassers in der Beimischleitung <b>Abb. 3</b>.
Das Messventil BOA-Control IMS ermittelt bei der Inbetriebnahme der Anlage den von der Umwälzpumpe zu fördernden Volumenstrom im Rücklauf. Mithilfe des Messsignals wird BOA-Systronic an die Hydraulik des jeweiligen Heizkreises angepasst.
Die drehzahlregelbare Hocheffizienzpumpe Rio-Eco erhält von der Steuereinheit Systrobox die minimierten Förderhöhen-Sollwerte.

Zum Betrieb benötigt BOA-Systronic das „Mischersignal“ (Leistungssignal) von einer beliebigen, übergeordneten Regelung des Heizsystems, das an die Steuereinheit Systrobox in Form eines konventionellen Dreipunkt- oder analogem 0…10 VDC-Signal übermittelt wird. Basierend auf dieser Vorgabe errechnet die Steuerung die erforderlichen Heizwasser- und Rücklaufwassermengen und gibt die erforderlichen Stellsignale an beide Regelventile aus. Zeitgleich errechnet die Steuerung zusätzlich den passenden Förderhöhen-Sollwert und gibt diesen an die angeschlossene Umwälzpumpe aus. Alle Ausgangssignale sind vom Typ 0…10 VDC. Das Drehzahlregelsystem der Umwälzpumpe verarbeitet den empfangenen Förderhöhen-Sollwert und betreibt diese in jedem Betriebspunkt energie- und kostenminimal.