Hydraulik in der Heiztechnik

Zusammenspiel von Wärmeerzeugung und -verbrauch

Text: Steffen Riedel | Foto (Header): © Alexander Raths – stock.adobe.com

Unser Professor für Elektrotechnik sagte uns Studenten sinngemäß, wir sollten über die Berechnungen mit Strom-Leitungsnetzen froh sein, da sie gemäß des Ohmschen Gesetzes einer linear funktionalen Beziehung folgen würden. Im Klartext: Spannung und Strom steigen oder fallen proportional, während in der Hydraulik der Volumenstrom und die damit verbundene Druckerhöhung einer quadratischen Funktion folgt. Das bedeutet, bei einer Verdoppelung des Volumenstroms vervierfacht sich der damit verbundene Druck bzw. fällt auf ein Viertel bei einer Halbierung des Volumenstroms. Der o. g. Sachverhalt hat auch Auswirkungen auf die abgegebene Heizleistung eines Heizkörpers bei sich ändernden Volumenströmen.

Auszug aus:

Juli 2018

EnEV Baupraxis
Fachmagazin für energieeffiziente Neu- und Bestandsbauten
Ausgabe Juli / August 2018
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Bild 1 zeigt deutlich, dass selbst bei einer Verminderung des Volumenstroms um 50 % die abgegebene Heizleistung des Heizkörpers je nach Auslegungstemperatur etwa 75 % (55/45) bis 95 % (Fußbodenheizung) beträgt. Eine Erhöhung des Volumenstroms um 10 % und mehr verändert die Heizleistung des Heizkörpers unmerklich. Dafür wird aber die Spreizung geringer, was zu einer Erhöhung der Rücklauftemperatur mit einer Verminderung der Effizienz bei der Wärmeerzeugung, als auch zu einer Erhöhung der Verteilungsverluste führt.

Hinzu kommt, dass die Wärmeabgabe an der Heizfläche temperaturabhängig ebenfalls einer Potenzfunktion folgt. Der so genannte Heizflächenexponent beträgt dabei von 1,1 bei Fußbodenheizungen bis 1,5 bei Konvektoren. Dazwischen liegen die Niedertemperaturheizkörper und Radiatoren mit 1,3. Wegen des geringen Potenzwerts erscheint aber die funktionale Beziehung der Temperaturspreizung (im Diagramm auf Bild 2 als gemittelte Übertemperatur dargestellt) und einem Heizflächenexponenten von 1,3 nahezu linear zu sein.

Man versucht mit Auswahl und der Einstellung der Heizkurve an der Heizkesselsteuerung dem oben genannten Sachverhalt gerecht zu werden, was aber nur bedingt gelingen kann.

Doch die Auslegung funktioniert nur bei Volllast. Insbesondere bei ungedämmten Altbauten erfordern wechselnde Außentemperaturen immer wieder eine permanente Anpassung der Heizkreistemperaturen, wobei der Volumenstrom ebenfalls durch Thermostatventile nachgeregelt werden muss. Es ist deshalb kein Zufall, dass es insbesondere bei schlecht abgeglichenen Heizungsnetzen gerade in der Übergangszeit zu Beschwerden kommt, da bei zwar theoretisch richtig eingestellter Heizkurve der Leistungsabfall durch die abgeregelten Thermostatventile überproportional hoch ist und die Heizung nicht warm genug wird. Der Installateur setzt dann die Heizkurve soweit nach oben, dass der Kunde nicht mehr friert. Aber insbesondere Brennwertkessel und Wärmepumpen reagieren auf hohe Heizkreistemperaturen mit schlechten Wirkungsgraden. Eine Abhilfe ist, anstatt die Heizkurve, lediglich die Sockeltemperatur des Kessels nach oben zu setzen, da die in der Regel eingebauten Thermostatventile dem nichtlinearen Verlauf folgen. Um aber einen wirklich effizienten Betrieb zu erreichen, ist es nötig, sich um zwei Punkte zu kümmern:

  • Hydraulischer Abgleich
  • Hydraulische Verschaltung, insbesondere bei gemischten Anlagen, z. B. Kessel und BHKW

 

Hydraulischer Abgleich

Der Hydraulische Abgleich einer Heizung ist eine Voraussetzung, um den effizienten und vor allem komfortablen Betrieb einer Heizungsanlage sicherzustellen. Deshalb wird er auch vom Gesetzgeber und von Förderstellen eingefordert. Das Problem ist nur: Durch die aufwändige komplexe Berechnung und die Einrichtung des Abgleichs wird er so kostspielig, dass der damit verbundene finanzielle Aufwand in keinem Verhältnis zur möglich eingesparten Energie steht – besonders dann, wenn die Heizungsanlage danach nicht kontrolliert wird. Denn in vielen Fällen funktioniert die Heizung doch nicht so, wie man es theoretisch erwarten würde und Mängel werden ggf. nur dann behoben, wenn sich der Kunde beschwert, sprich, wenn Räume zu kalt sind.

Gründe dabei sind zum einen die in der Regel unbekannte hydraulische Verteilung im Altbau und zum anderen das komplexe hydraulische und thermische Verhalten eines Heizungssystems (siehe Einführung), sowie der tiefe Glaube an Computerberechnungen ohne deren Ergebnis zu prüfen und zu hinterfragen. Hinzu kommen aber auch handwerkliche Fehler. Insbesondere die Anwendung der Rechenergebnisse einer Rohrnetzberechnung aus den Berechnungen des hydraulischen Abgleichs ohne Erfahrungshintergrund führen zu unbefriedigenden Resultaten. In diesem Fall ein paar grundsätzliche Überlegungen, um zu besseren Ergebnissen zu gelangen:

Es sind die Einzelwiderstände in einem Heizungsnetz wie Armaturen und Ventile, weniger die Rohrleitungslängen welche die Hydraulik beeinflussen. Diese befinden sich aber größtenteils im Bereich der Umwälzpumpen und der Verteilung, üben somit einen gleichmäßigen Einfluss auf alle Heizkreise aus. Mit anderen Worten: Der Einfluss des hydraulischen Netzes, welches hinter der Verteilung liegt, ist begrenzt. Den größten Einfluss auf den jeweiligen Heizkreis hat das Thermostatventil bedingt durch die Ventilautorität (= Druckverlust am Thermostatventil/gesamter Druckverlust des Heizstrangs bei Nenndurchfluss). Die Fachwelt hat sich geeinigt, dass die Ventilautorität in Heizungsanlagen zwischen 30 und 70 % liegen sollte. Damit lässt sich eine ausreichend gute Regelgüte erzielen. Sie ist wichtig für einen komfortablen wie auch wirtschaftlichen Betrieb. Hinweis: Die Drosselung eines voreinstellbaren Ventils vermindert die Ventilautorität, da dadurch der dauerhafte Widerstand im Heizstrang erhöht wird. Ein Heizstrang sollte keinen höheren Widerstand als 200 mbar oder 2 m Wassersäule aufweisen. Durch Druckdifferenzregler in größeren Anlagen lässt sich das bequem erreichen. Wenn keine Druckdifferenzregler eingebaut werden, ist in der Regel nicht nur der Pumpendruck zu hoch eingestellt, sondern müssen die Thermostatventile den überschüssigen Druck abbauen, was ein schlechteres Regelverhalten und unter Umständen Geräuschprobleme verursachen kann.

In der Regel werden Druckdifferenzregler (Bild 4) bis auf den letzten Strang, oder Heizkreispumpen in ein Heizungssystem eingebaut. Für den letzten Strang wird der Pumpendruck so gewählt, dass er sich am Beginn des Stranges auf etwa 200 mbar abgebaut hat.

Ausgehend von dieser Vorgabe rechnen die verschiedenen Datenschieber zum hydraulischen Abgleich pro Strang in Bezug auf die Ventilautorität mit einem Druckverlust von 50 bzw. 100 mbar. Auch der Computer muss für die Berechnung eine Annahme für den Druckverlust im jeweiligen Heizstrang treffen. Aber erst eine Messung mit einer Messpumpe würde den tatsächlichen Druckverlust eines Strangs aufzeigen. So ist man hier auf Annahmen und Erfahrung angewiesen. Hinzu kommt, dass die Berechnungen auf den Auslegungsfall (Volllast) bezogen sind. Eine Heizung wird aber nur selten in Volllast betrieben.

Um die hydraulische Situation zu verbessern, wurde das Prinzip des Differenzdrucks in die Heizkörperventile selbst hineingetragen und damit die Voraussetzung für einen „automatischen“ (Werbebegriff) oder besser dynamischen hydraulischen Abgleich geschaffen. Dabei handelt es sich um Ventile, welche vor allem im Teillastbereich den Druck auf ein für das Thermostatventil ausgelegtes Niveau halten. In diesem Fall ist bei der Berechnung von wirklich definierten Zuständen auszugehen. Nachteil bei diesen Ventilen ist, dass i. d. R. das gesamte Ventil ausgetauscht werden muss und nicht nur der Ventileinsatz. Dennoch, diese voreinstellbaren Heizkörperventile mit interner Differenzdruckregelung verfeinern die dynamische Anpassung der Volumenströme hinter den Differenzdruckreglern im Teillastfall an den Heizkörpern.

Damit bleibt aber in beiden Fällen als wichtigste Größe für die Bestimmung der Voreinstellung des Ventils die Heizlast und der damit verbundene Volumenstrom bei entsprechender Heiztemperaturauslegung und Spreizung. Um den Aufwand und damit die Kosten für einen hydraulischen Abgleich in Grenzen zu halten, gibt es folgende Möglichkeiten:

Im Einfamilienhausbereich: Bei Radiatoren genügt es in der Regel den Heizkörpereinsatz gegen einen voreinstellbaren Heizkörpereinsatz, anstatt des gesamten Ventils, auszutauschen. Bei den Einsätzen wird der bisherige Ventilsitz abgedichtet und ist damit funktionslos, weshalb ein nachgerüstetes Ventil öffnen und dicht schließen kann.

Lediglich bei alten Schwerkraft-Thermostatventilen muss in der Regel das gesamte Ventil getauscht werden. Die richtig dimensionierte Hocheffizienz-Umwälzpumpe wird auf max. 200 mbar eingestellt, wenn möglich weniger. Die Einstellung der Thermostatventile kann mit Datenschieber erfolgen.

Bei großen und komplexen Gebäuden: Verzicht auf Rohrnetzberechnung, stattdessen Heizlastberechnung erstellen.

Einbau von Thermostatventilen mit eingebautem Differenzdruckprinzip: In Einzelfällen mit wenigen Heizsträngen könnte dann auch auf den Einbau von Differenzdruckreglern als Strangregler verzichtet werden.

Die Heizanlage muss gespült werden, damit den untersten ein bis zwei Einstellungen im Thermostatventil wegen des kleinen Öffnungsquerschnitts keine Verstopfung droht und die Hocheffizienzpumpen eine längere Lebensdauer erhalten.

Bei Fußbodenheizungen ist neben einer Heizlastberechnung und Berechnung des Durchflusses die Einstellung über Schwebekörperdurchflussmesser (z. B. Tacostetter) nötig, da der Volumenstrom in jedem Fall die bestimmende Größe ist. Wobei anzumerken ist, dass hier infolge der niedrigen Heiztemperatur jeder Wärmeerzeuger – auch Brennwertkessel und Wärmepumpe – effizient arbeiten müsste.

 

Hydraulische Verschaltung

Neben dem hydraulischen Abgleich ist – insbesondere bei größeren Heizungsanlagen mit mehreren gemischten Wärmeerzeugern – die hydraulische Verschaltung ebenso wichtig für einen effizienten Betrieb. Hier gilt aber: Die hydraulische Verschaltung so einfach wie möglich ausführen, damit das Betriebsverhalten der Heizung nachverfolgt werden kann.

Bei Systemen mit Wärmeerzeugern, welche einen Speicher benötigen (Holzkessel, Wärmepumpe, BHKW), ist die einfachste und zugleich wirkungsvollste die eines Speichers als Hydraulische Weiche (Bild 5) zwischen Vor- und Rücklauf. Aber es gibt auch Alternativen.

Hinzu kommt, dass bei mehreren Wärmeerzeugern die Anlage nach Temperatur und Volumenstrom geregelt werden sollte. In vielen Fällen wird vermutlich aus Kostengründen darauf verzichtet. Um zu zeigen, wie die Effizienz einer Heizungsanlage durch eine relativ einfache Maßnahme gesteigert werden kann, folgt hier ein Beispiel aus der Praxis. Als Kontrollinstrument dienen Wärmemengenzähler, aus welchen man neben der Wärmeleistung Vorund Rücklauftemperatur auslesen kann, sowie der Gaszähler zur Erfassung der bezogenen Energiemenge.

Eine neue Heizungsanlage mit drei Brennwertkesseln und einem Blockheizkraftwerk wurde nach Angabe des BHKW-Herstellers so konfiguriert, dass zwei in Serie geschaltete Speicher von Kesselkreis und Heizkreis durchströmt werden. Es hat sich aber herausgestellt, dass es dabei zu einer Vermischung aus Vor- und Rücklauf kam, wobei sich folgendes ergeben hat:

Da die Anlage temperaurgesteuert ist und sich die Kessel-Vorlauftemperatur nach der höchsten Temperaturanforderung im Heizkreis richtet, war der Heizkreis mit der höchsten Temperaturanforderung immer zu kalt.

Umgekehrt führte die Anhebung der Rücklauftemperatur zu einer Effizienzverminderung wegen geringerer Kondensation.

Die Verbindung zwischen den beiden seriell verschalteten Speichern hat sich als Nadelöhr herausgestellt, sodass auch mit voller Pumpenleistung die maximal erforderliche Heizleistung der Kessel von 1,5 MW nicht in die Heizkreise gebracht werden konnte.

Das Diagramm Bild 6 zeigt die Vor- und Rücklauftemperatur des Kesselkreises am 30.11.2016. Die Vorlauftemperatur lag unter anderem wegen der Warmwasserbereitung, des nachträglichen Heruntermischens in den Speichern und der damit folgenden Eingriffe des Hausmeisters mit fast 80 °C sehr hoch. Die Rücklauftemperatur wurde im Speicher wieder auf fast 70 °C hochgemischt, wodurch Kondensation nahezu unmöglich wurde.

Die Außentemperatur lag an diesem Tag um den Gefrierpunkt, weshalb in den Verteilkreisen die Vorlauftemperatur bei etwa 60 °C lag und die Rücklauftemperatur bei etwa 35 °C (ideale Kondensationstemperatur), wie das Beispiel des Heizkreises der Fachoberschule zeigt (Bild 7).

Das Heizungssystem war zwar hydraulisch abgeglichen, aber Punkt eins und drei führten immer wieder zu Beschwerden beim Hausmeister wegen zu kalter Temperaturen in Räumen. Am kalten 10.01.2017 konnten bspw. statt 1,6 MW aus den Kessel und BHKW nur 1,2 MW abgerufen werden. Die Folge war, der Hausmeister erhöhte Vorlauftemperatur und Pumpendruck der betroffenen Heizkreise und versuchte damit wenigstens die Behaglichkeit in den Griff zu bekommen, was aber nicht funktionieren konnte. Findige Berufsschüler versuchten, das Problem auf ihre Weise zu beheben, indem sie ein Stück feuchtes Papierhandtuch auf den Temperaturfühler im Klassenzimmer legten, um durch die Verdunstungskälte zu erreichen, dass die Temperatur im Klassenzimmer steigt.

Ein erster Versuch, das Dilemma in den Griff zu bekommen, indem das Rücklauf-Ventil (V5) direkt zum Kessel leicht geöffnet wurde, führte zu keinem befriedigenden Ergebnis. Zwar stand jetzt die volle Kessel- und BHKW-Heizleistung mit ca. 1,6 MW zur Verfügung und die Kesselrücklauftemperatur sank auf etwa 60 °C, aber bei höheren Außentemperaturen mit geringeren Verbräuchen gab es starke Schwankungen der Vor- und Rücklauftemperatur bis dahin, dass es keine Spreizung mehr gab und die Kessel nicht richtig modulieren konnten.

Da aber die Brennwertkessel wegen ihrer Aufteilung und ihrem Modulationsvermögen keinen Puffer und auch keine hydraulische Weiche benötigen, sondern nur das BHKW, wurde der Vorschlag umgesetzt, die Kessel durch Öffnen der Ventile V5 und V6 direkt mit dem Verteiler zu verbinden. Dafür wurden die Ventile V1 und V4 geschlossen.

Die Puffer werden nur noch durch das BHKW beladen. Um aber eine gesteuerte Durchströmung der Puffer zu erreichen, wurde im Pufferrücklauf eine Pumpe und statt eines Ventils, wie im Schema gezeigt, eine Rückschlagklappe eingesetzt. Die Pumpe schaltet sich ein, wenn die Speichertemperatur höher ist, als die Temperatur am zusätzlich installierten Hauptvorlauffühler (T2). Die Rückschlagklappe verhindert, dass die Puffer bei Stillstand des BHKWs (z. B. bei Instandhaltungsarbeiten) durchströmt werden und der Rücklauf durch einen hydraulischen Kurzschluss durch die Speicher den Kesselvorlauf kühlt. Die Pumpe wird so gesteuert, dass sie anspringt, wenn die Puffertemperatur höher ist als die Kesselvorlauftemperatur. Auf diese Weise erhält man einen kleinen zusätzlichen Temperaturhub, der die Spreizung erhöht, da der Heizkreis mit der höchsten Temperaturanforderung die Vorlauftemperatur bestimmt.

Zusätzlich zu dieser Maßnahme wurde die zentrale Warmwasserbereitung mit elektrischen Warmwasserspeichern dezentralisiert, da sich herausgestellt hat, dass die Schule weit weniger Warmwasser benötigt, als bisher angenommen. Angenehmer Begleiteffekt dieser Maßnahme war, dass die Vermeidung von Zirkulationsverlusten zu einer Gaseinsparung von ca. 50.000 kWh pro Jahr führt, während der zusätzliche Stromverbrauch und die damit verbundenen Kosten überschaubar bleiben. Insgesamt kann sich das Resultat sehen lassen. Am 27.02.2018 betrug bei Außentemperaturen nahe der Auslegungstemperatur von -12 °C die Vorlauftemperatur etwa 70 °C und wichtiger die Rücklauftemperatur zwischen 50 und 55 °C, was mit 70/55 der Auslegung entspricht. Auch das BHKW läuft nun mit höherer gleichmäßiger Leistung, wobei zusätzlich die Abgaskondensation optimiert werden konnte. Ein Vergleich der abgegebenen Wärmemenge mit der bezogenen Gasmenge hat bisher eine Effizienzsteigerung um bis zu 2,5 Prozentpunkte ergeben, was im Jahresverlauf witterungsbereinigt einer Einsparung von ca. 81.000 kWh oder etwa 8.000 m³ Gas entsprechen würde. Erst am Jahresende wissen wir mehr. Es muss aber noch weiter optimiert werden, um insbesondere die Rücklauftemperatur für eine nahezu vollständige Kondensation abzusenken. Dazu wird es die Aufgabe des Hausmeisters sein, nachdem jetzt die volle Heizleistung zur Verfügung steht, die Heizkurven und die Pumpendrücke der einzelnen Heizkreise so zu optimieren, dass tatsächlich jeder nur die benötigte Wärme bekommt.

Der Autor

Steffen Riedel
Dipl.-Ing. (FH), Versorgungsingenieur

ist Klimaschutzmanager des Landkreises Lindau und dort im Bauunterhalt tätig. Er ist zugelassener Passivhauszertifizierer (PHI Darmstadt) und seit 18 Jahren Vor-Ort-Berater nach BAFA. Zudem hat er einen Lehrauftrag an der Hochschule Kempten für Gebäudeenergietechnik.

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