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Rohrnetze richtig planen

Abgleich von großen und weitverzweigten Anlagen

Der Kunde erwartet von seiner Heiz- oder Kühlanlage, dass sie energieeffizient, wirtschaftlich und komfortabel arbeitet – bei möglichst geringen Investitionskosten. Der Fachhandwerker muss darüber hinaus darauf achten, dass die Ausführung den einschlägigen Normen und Verordnungen sowie dem Stand der Technik entspricht. Prinzipiell sollten deshalb überdimensionierte Systeme eigentlich genauso der Vergangenheit angehören, wie entweder hydraulisch schlecht oder meist auch überhaupt nicht abgeglichene Anlagen. Denn gerade diese verursachen in der Praxis immer wieder typische Probleme, wie z. B. Heizkörper oder Fußbodenheizkreise, die nicht warm werden, störende Geräusche von Thermostatventilen sowie höhere Betriebskosten als geplant. Obwohl diese Fakten hinlänglich bekannt sind, sieht die Realität nach wie vor oft anders aus. Warum?

Immer die Gesamtanlage betrachten

Häufig konzentrieren sich Fachplaner und Fachhandwerker auf unabgestimmte und wenig effektive Einzelmaßnahmen. Zudem werden gerade Flächenheizsysteme oft von externen Herstellern ausgelegt und anschließend in das Rohrnetz übertragen – häufig ohne Prüfung der geplanten Druckverluste. Probleme, die daraus entstehen, müssen dann durch hohe Pumpenleistungen kompensiert werden. Sinnvoller ist es, von Anfang an die (optimierte) Gesamtanlage im Blick zu haben. Dazu gehören drei Basisbausteine:

  1. effiziente Wärmeerzeugung
  2. hydraulisch angepasste Wärmeverteilung
  3. bedarfsgerecht geregelte Wärmeübergabe

Damit ein wirtschaftliches und energieeffizientes Gesamtkonzept gelingt, sind bei Konzept, Planung und Errichtung grundlegende Punkte zu beachten:

  • Die Anlage soll einfach, überschaubar und klar strukturiert sein.
  • Anlage und Regelventile dürfen weder über- noch unterdimensioniert sein. Häufig sind sie gar nicht dimensioniert weil jegliche Planungsgrundlage fehlt.
  • Die Anlage muss hydraulisch abgeglichen werden.

Wichtig: Mit dem Einbau einer zentralen, drehzahlgeregelten Hocheffizienzpumpe lässt sich die hydraulische Anlagenplanung und -einregulierung nicht ersetzen. Denn die Pumpe kann lediglich Volumenströme anbieten, aber nicht bedarfsgerecht (z. B. den einzelnen Strängen) zuweisen.

Bei größeren und verzweigten Heizanlagen mit mehreren Strängen sowie bei größeren Pumpenförderhöhen stößt der hydraulische Abgleich alleine über die Heizkörperventile an seine Grenzen. Bei Druckverlusten bzw. Restdrücken an den Heizkörperventilen von über 60 kPa (600 mbar) bzw. von maximal 20 kPa (200 mbar) für einen geräuscharmen Betrieb empfiehlt Resideo den Einsatz von zusätzlichen Strangregulierventilen. Diese gleichen die einzelnen Stränge so untereinander ab, dass jeder Strang nur die Wassermenge und den Differenzdruck bekommt, die ihm, bezogen auf den errechneten Bedarf, zusteht. Der Abgleich innerhalb des Stranges erfolgt auch hier am Verbraucher (i. d. R. an einem Thermostatventil).

Statischer oder dynamischer Abgleich?

Doch welches Regulierventil eignet sich für den jeweiligen Einsatzfall? Ein statischer Abgleich mittels manueller Strangregulier- und Absperrventile eignet sich besonders für Anlagen mit gleichbleibenden Wassermengen, z. B. Einrohr-Heizungsanlagen oder Kühlanlagen mit Gebläsekonvektoren (Fan Coil Units). Bei Standard-Armaturenkombinationen, z. B. bestehend aus der „Kombi-3-Plus Rot und Blau“ von Resideo (Abb.1), bezieht sich der Einstellwert immer auf den Volumenstrom bei Volllastbetrieb, der jedoch nur an wenigen Tagen im Jahr gefahren wird (Abb.2). Bei Situationen im Teillastfall kommt es aber bei den wenigen offenen Heizkörperventilen nahezu zwangsläufig zu einem hohen Differenzdruckanstieg von über 20 kPa (200 mbar) und zur „Verschiebung“ der für den Volllastfall einregulierten Wassermengen.

Bei Anlagen mit variablen Wassermengen und Differenzdrücken, z. B. Zweirohr-Heizungsanlagen mit Radiatoren, eignen sich insbesondere automatische Differenzdruck-Regler, wie das „Kombi-Auto“ von Resideo. Das im Rücklauf eingesetzte „Kombi-Auto“ (Abb.3+4) hält den eingestellten Differenzdruck (in jedem Strang bzw. Anlagenteil) auch bei stetig wechselnden Durchflussbedingungen stabil auf dem eingestellten Sollwert – und sorgt so für einen dynamischen hydraulischen Abgleich.

Tipp: Die in vielen Altanlagen eingebaute Strangregulierventil-Kombination „Kombi-3-Plus Blau und Rot“ lässt sich meist durch die einfache Montage eines Membranreglers auf den dynamischen Abgleich umstellen.

Tipps zur hydraulischen Anlagenplanung

Die Anlagenhydraulik sollte immer klar strukturiert, für Dritte nachvollziehbar geplant und stabil in ihrer Funktion aufgebaut werden. Es ist deshalb auch empfehlenswert, dass sich bereits in einer frühen Phase Fachplaner und Architekt über die konkrete Lage der Steigestränge abstimmen – auch mit Blick darauf, dass die Differenzdruckregler möglichst nah bei den Verbrauchern installiert sein sollten.

Im ersten Fachplanungsschritt wird die Anlage in kleine sinnvolle Einheiten bzw. Zonen (Stränge, Anlagenteile) aufgeteilt. Jeder Strang bzw. jedes Anlagenteil wird durch den Einbau von Differenzdruckreglern in jedem Lastfall mit dem eingestellten Differenzdrucksollwert betrieben. In vielen Fällen reicht eine Einstellung von 10 bis 15 kPa (100 bis 150 mbar) aus. Zu beachten ist, dass die Summe aus dem geplanten Differenzdruck am Thermostatventil und aus dem Druckverlust der Rohrleitungen sowie zusätzlicher Einzelwiderstände des betreffenden Stranges den eingestellten Sollwert nicht überschreitet. Die minimal notwendige Förderhöhe der Heizungspumpe ergibt sich dann aus dem zusätzlichen Druckverlust der Strangarmaturen, des Wärmeerzeugers und der Verteilleitungen.

Neben der richtigen Wahl von Schaltung und Armatur ist auch deren richtige Dimensionierung wichtig. In der Praxis weit verbreitet sind überdimensionierte Stellglieder, was zu folgenden Nachteilen führt:

Die minimal regelbare Leistung geht nach oben.
Der nutzbare Stellbereich des Stellglieds wird eingeschränkt.
Die Anlagenregelbarkeit wird gemindert.

Nachteilig ist aber auch eine Unterdimensionierung, weil entweder der erforderliche Volumenstrom nicht erbracht wird oder der unnötig überhöhte Druckverlust durch eine höhere Pumpenleistung ausgeglichen werden muss. Die Folgen: höherer Stromverbrauch und eventuell Geräuschbildung.

Richtig dimensionierte Stellglieder ermöglichen:

  • eine kleinere minimal regelbare Leistung
  • die volle Nutzung des Stellbereichs von Mischer oder Ventil
  • eine gute bzw. hohe Ventilautorität

Zusätzliche Voraussetzung für eine korrekt funktionierende hydraulische Schaltung ist eine an der richtigen Stelle eingebaute Umwälzpumpe, die korrekt ausgelegt und eingestellt ist.

Dimensionierung und Auslegung des Differenzdruckreglers

Grundsätzlich ist bei einer Neuplanung eine Auslegung der Ventile im Rahmen einer Rohrnetzberechnung mittels spezieller Softwareanwendungen, wie z. B. mit „Studio 2.0“ von Dendrit, zu empfehlen (Abb.5+6). Die Industrie stellt hierfür Berechnungsdaten in Form einer standardisierten Schnittstelle nach VDI Richtlinie 3805 („Produktdatenaustausch in der TGA“) zur Verfügung. Damit können auch die Armaturen auf der Basis definierter Auslegungskriterien unkompliziert ausgelegt werden (VDI 3805, Blatt2).

Auslegungs-Tipp: Die softwareseitige Auslegung eines Heiz- oder Kühlsystems basiert i.d.R. auf den konkreten Herstellerdaten. Diese Werte werden dann als Druckverlust in die Rohrnetzberechnung übergeben. Um unnötig hohe Verbraucher-Druckverluste bzw. Pumpenleistungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Druckverluste in den Rohrleitungen mit 100 Pa/m und den maximalen Druckverlust über den Thermostatventilen mit 20 kPa auszulegen. Die vom Rohrnetzberechnungsprogramm vorgeschlagenen Werte sollten nicht ohne zwingenden Grund geändert werden. Sonst könnten z. B. bei überhöhten Druckverlusten zu hohe Fließgeschwindigkeiten (mit Strömungsgeräuschen) entstehen.

Bei der Berechnung selbst lassen sich zwei Varianten unterscheiden. Die klassische Berechnungsmethode setzt sich aus drei Schritten zusammen:

  1. Die Berechnung des zur Versorgung des jeweiligen Strangs (oder Anlagenteils) erforderlichen Differenzdrucks bzw. Einstellwertes (ungünstigster Kreis):
    ∆p = ∆pRohr + ∆pTHV + ∆pVerschr + ∆pSonstiges
  2. Die erforderliche Dimension des ausgewählten Differenzdruckreglertyps wird mit der Software ausgelegt.
  3. Die erforderliche Pumpenförderhöhe wird ebenfalls ermittelt.

Möglich ist alternativ auch eine vereinfachte Vorgehensweise (siehe Kasten). Diese bietet sich besonders in bestehenden Systemen an, falls keine oder nur unzureichende Informationen und Kenntnisse über das Rohrnetz vorliegen. Die vereinfachte Vorgehensweise ist in vielen Fällen hinreichend genau. Wichtig sind dennoch eine Analyse des Verteilnetzes und die technisch sinnvolle Platzierung der automatischen Differenzdruckregler.

Fazit

Egal ob im Bestand oder im Neubau: Bei der Planung von großen und verzweigten Anlagen gibt es verschiedene Lösungsansätze. Eine optimale Anlagenfunktion und Energieeffizienz lassen sich nur durch ein passendes Konzept sowie eine fachgerechte Planung, Berechnung und Installation erreichen – in Verbindung mit einer protokollierten Einregulierung der Stränge und Heizflächen bzw. Heizkreise sowie mit einer bedarfsgerecht eingestellten Regelung. Nicht die Einzelprodukte sondern nur deren (aufeinander abgestimmes) Zusammenspiel sind letztlich erfolgsentscheidend.

Vereinfachte Vorgehensweise (z. B. im Bestand)

Die Heizungsanlage wird zunächst in kleine, druckunabhängige Einheiten (Stränge, Anlagenteile) aufgeteilt. Jede Einheit wird durch den Einbau von Differenzdruckreglern in jedem Teillastfall mit einem definierten oder errechneten Differenzdrucksollwert betrieben. In vielen Fällen reicht eine Grundeinstellung von z. B. 10 kPa (100 mbar) am Differenzdruckregler aus. Falls erforderlich, lässt sich dieser Wert erhöhen (z. B. beim Einsatz von Wärmemengenzählern) oder verringern (z. B. bei verringertem Volumenstrom aufgrund einer großen Temperaturspreizung).

Der Sollwert muss am Membranregler eingestellt werden. Dieser ergibt sich als Summe aus geplantem Differenzdruck am Thermostatventil und dem Druckverlust der Rohrleitungen des betroffenen Stranges (inkl. zusätzlicher Widerstände). Zu beachten: Die dem Membranregler zugeordnete Aufgabe wird nur erreicht, wenn die ihm zugeordneten Thermostatventile auch auf die erforderlichen Leistungen voreingestellt werden.

Die minimal notwendige Förderhöhe der Heizungsumwälzpumpe ergibt sich aus dem zusätzlichen Druckverlust der Strangarmaturen, des Wärmeerzeugers und der Verteilleitung (inkl. sonstiger Einbauten).

Die vereinfachte Vorgehensweise ist in vielen Fällen hinreichend genau. Allein durch den in der Regel anzutreffenden Teillastbetrieb ergeben sich Drucküberschüsse aus dem zurückgehenden Druckverlust der Rohrleitungen.

Zusatz-Tipps für die Auslegung: Die Druckverluste von Strangleitungen mit senkrechter Rohrführung sind relativ gering. Bei horizontaler Verteilung mit sehr großen nachgeschalteten Leitungslängen kann eine höhere Einstellung des Differenzdruckreglers erforderlich sein (z. B. auf 15 kPa bzw. 150 mbar). Hier ist eine Auslegung der Thermostatventile auf unterschiedliche Differenzdrücke denkbar: Nahe am Differenzdruckregler liegende Verbraucher ca. 15 kPa (150 mbar), in der Mitte ca. 10 kPa (100 mbar) und entfernt liegende Verbraucher desselben Stranges ca. 5 kPa (50 mbar). Dies entspricht einer einfachen Leitungslängendifferenz zwischen dem ersten und letzten Verbraucher von ca. 50 m.

Bei geringerer horizontaler Ausdehnung verkleinert sich der erste Wert bzw. vergrößert sich der letzte Wert, z.B. 125, 100, 75 mbar, entsprechend einer einfachen Leitungslängendifferenz von 25 m (bei R = 1 mbar/m, inkl. Einzelwiderstände).

Was ist die Ventilautorität?

Die Ventilautorität (aV) ist der einzige Kennwert, mit dem eine korrekte Stellglieddimensionierung verifiziert werden kann. Die Ventilautorität bezeichnet das Verhältnis von Druckabfall im Stellglied (∆pV) und dem Druckverlust im mengenvariablen Anlagenteil (∆pg) plus dem Druckverlust des Stellglieds:
aV = ∆pV /(∆pV+∆pg)

Die Ventilautorität hat keine physikalische Einheit und liegt idealerweise bei 0,5 oder im Bereich von 0,3 bis 0,7.

Autor:

Jürgen Lutz ist Leiter des Seminar- und Schulungswesens Heiztechnik bei Resideo.

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