Die passende Schaltung

Warmwasserheizsysteme bestehen grundsätzlich aus den beiden Anlagenbereichen Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch. Um sie miteinander zu kombinieren und die Heizwasserströme entsprechend zu lenken, sind zweckmäßige hydraulische Anlagenschaltungen erforderlich. Da sich die beiden Bereiche aus unterschiedlichen Komponenten zusammensetzen, kommen auch verschiedene Schaltungen zur Anwendung. Gegenstand dieses Fachbeitrags sind die Grundfunktionen hydraulischer Schaltungen mit Blick auf ihre Regelfähigkeit durch Art und Anordnung der Regelarmatur mit den sich daraus ergebenden Unterscheidungsmerkmalen. Alle anderen heizungstechnischen Einrichtungen wie Armaturen und sicherheitstechnische Einrichtungen bleiben unberücksichtigt.

Wärmekreis und Regelarmaturen

Wärmeerzeuger, egal ob Öl- oder Gas-Kessel, ob Solarkollektoren oder Wärmepumpen, dienen meist in Kombination mit Speichern als Wärmeerzeuger. Sie alle haben die Aufgabe, den Anlagenbereich der Wärmeverbraucher zu versorgen. Dazu gehören, neben Heizkörpern und Flächenheizungen auch Wärmetauscher für Lüftungs- und Klimaanlagen sowie Trinkwassererwärmer. Die unterschiedliche Ausführungsart und Betriebsweise der Wärmeerzeuger im sogenannten Wärmeerzeugerkreis und die Temperaturanforderungen der Wärmeverbraucher im Verbraucherheizkreis begründen den Einsatz von geeigneten Regelarmaturen.

Für die zweckbestimmende Funktion der hydraulischen Schaltung sind die Ausführungsart der Regelarmatur und ihre Platzierung in der Anlage von entscheidender Bedeutung. Folgende Ausführungsarten stehen als Regelarmaturen zur Auswahl:

• Zwei-Weg-Armatur (Ausführung nur als Durchgangsventil)
• Drei-Weg-Armatur (Ausführung als Dreiwegemischer oder als Dreiwegeventil)
• Vier-Weg-Armatur (Ausführung nur als Vierwegemischer)

Mit diesen drei Ausführungsarten lassen sich nun die unterschiedlichen hydraulischen Schaltungen realisieren.

Sechs hydraulische Schaltungen

Grundsätzlich gilt für eine optimale Dimen­sionierung: Der Druckabfall Δp über den Hauptstrom des Ventils, von A nach AB, soll immer so groß sein wie der Druckverlust des Rohrstrangs, in dem sich der Mengenstrom ändert. Unter Beachtung dieser Empfehlung erreicht man eine optimale Annäherung der Betriebskennlinie an die dem Ventil eigene Durchströmungs-Charakteristik. Man spricht hier von einer gewünschten „Ventilautorität“. Sie ist mit entscheidend für ein stabiles Regelverhalten auch im Teillastbetrieb der Anlage.

Hydraulische Schaltungen lassen sich ihrer Funktion entsprechend folgendermaßen benennen und gliedern:

1. Drosselschaltung (Mengenregelung)

2. Umlenkschaltung (Mengenregelung)

3. Beimischschaltung (Mischregelung)

4. Beimischschaltung mit konstanter Beimischung, auch Mischregelung mit Bypass genannt

5. Einspritzschaltung

6. Hydraulische Weiche

Aus der genannten Reihenfolge geht keine Wertigkeit für die Verwendung hervor. Da sich die unter 3. und 4. genannten Schaltungen für Heizungsanwendungen als sehr vorteilhaft erwiesen haben, sind sie am häufigsten in der Praxis anzutreffen. Da jedoch alle Schaltungen in der Praxis vorkommen, sind sie hier als Prinzipschaltung mit ihren Funktionseigenschaften und Einsatzgebieten genannt.

Drosselschaltung

In der Drosselschaltung wird eine Zwei-Weg-Armatur, also ein Durchgangsventil, eingesetzt. Die Leistungsregelung erfolgt durch Drosselung der Ventilstellung. Durch den betreffenden Verbraucherheizkreis fließt somit durch die Veränderung der Ventilstellung ­eine variable Wassermenge zwischen 0 und 100 %. Darum wird in der Praxis diese Schaltung (Bild 1) auch häufig als Mengenregelung bezeichnet.

Eigenschaften der Mengenregelung sind:

• Variable Volumenströme im Wärmeerzeuger und im Wärmeabnehmer
• Temperatur im Vorlauf nahezu konstant, kein Vorlauffühler einsetzbar
• Druckschwankungen im gesamten Netz
• Hohe Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf am Heizkreis sowie große Temperaturdifferenz

Die Drosselschaltung kommt hauptsächlich da zum Einsatz, wo konstante Temperaturen am Verbraucher gefordert sind. Anwendungsgebiete sind somit eher in kommerziellen Bereichen zur Versorgung von großen Wärmetauschern in größere Waschanlagen bzw. in Industrieanlagen.

Dimensionierungshinweis: Der Druckverlust im Ventil ist so zu wählen, dass er dem Druckverlust über die gesamte Rohrstrecke entspricht, in der sich auch der Mengenstrom ändert; also:

Δp A–AB = Δp AB–A

Umlenkschaltung

In der Umlenkschaltung wird eine Drei-Weg-Armatur, Ventil oder Mischer, eingesetzt. Die Leistungsregelung im Verbraucherheizkreis erfolgt hier ebenso durch Mengenregelung. Das geschieht im Dreiwegeventil durch Umlenkung der Teilströme. Je nach Stellung geht nur ein Teilstrom zum Verbraucher und einer direkt zum Wärmeerzeuger zurück. Darum nennt man diese Anwendung auch Mengenregelung. Eigenschaften der Mengenregelung sind:

• Wie in der vorgenannten Drosselschaltung
• Aber konstanter Volumenstrom im Wärmeerzeuger

Darum eignet sich diese Schaltung zur Sicherstellung eines konstanten Mengenstroms im Wärmeerzeuger. Was z.B. in bestimmte Gasthermen mit geringem Wasserinhalt aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich ist. Diese Eigenschaft kann auch zur Temperaturhochhaltung im Rücklauf des Wärme­erzeugers, z.B. zum Kesselschutz, eingesetzt werden. Entscheidend wichtig für die genannte Funktion ist die Platzierung der Umwälzpumpe im Wärmeerzeugerkreis (Bild 2). Zu beachten sind auch die Anströmrichtung des Ventils (Hauptstrom AB zum Wärme­erzeuger) bzw. des Mischers mit Einstellvorschrift nach Herstellerangaben.

Dimensionierungshinweis: Der Druckverlust im Ventil bzw. im Mischer ist so zu wählen, dass er dem Druckverlust über der Rohrstrecke entspricht, in der sich auch der Mengenstrom ändert; also:

Δp A–AB = Δp C–A = Δp C–B

Beimischschaltung

Eine Beimischschaltung ist sowohl mit einer Drei-Weg-Armatur als auch mit einer Vier-Weg-Armatur realisierbar. Die Leistungsregelung im Verbraucherkreis erfolgt hier einfach durch Beimischung eines Teilstroms aus dem Rücklauf des Verbraucherkreises zum Vorlaufstrom des Verbrauchers. Man bezeichnet ­diese Schaltung darum häufig auch als Mischregelung. Das entscheidende Kriterium für diese Schaltungsart ist die Anordnung der Umwälzpumpe und zwar im Verbraucherkreis der Anlage. Zur Regelung von Verbraucherheizkreisen hat sich diese Schaltung als besonders praxisgerecht erwiesen und ist somit am häufigsten anzutreffen, da sie vorteilhafte Eigenschaften hat:

• Konstanter Volumenstrom im Verbraucherheiznetz
• Variabler Volumenstrom im Wärme­erzeuger
• Dadurch auch gleichmäßige Tempe­raturbelastung der Heizflächen
• Niedrige Vorlauftemperaturen im Teil­lastbetrieb: vermeidet Verteilverluste
• Temperaturschwankungen vom Wärmeerzeuger werden ausgeglichen
• Somit gute Regelfähigkeit durch leicht beherrschbare Regelstrecke über Vorlauffühler
• Vorlauftemperatur durch Beimischung variabel, Vorlauffühler einsetzbar

Da die Beimischschaltung sowohl in kleinen als auch komplexen Heizanlagen zur Anwendung kommt, sei neben dem Prinzipschaltbild (Bild 3) noch auf eine einfache und wirksame Empfehlung zur Vermeidung von Fehlzirkulationen hingewiesen. Im realen Fall versorgt der Kessel auch den Trinkwasserspeicher mit Wärme. Im Sommer ist er also in Betrieb, der Heizkreis jedoch über die Regelarmatur geschlossen. Auch für Anlagen mit mehreren Verbrauchergruppen haben sich Drei-Wege-Armaturen bestens bewährt. Zur Vermeidung von Fehlzirkulationen ist der Einbau von Rückschlagklappen erforderlich.

Zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften der Beimischschaltung sind bei ­Verwendung des Vierwegemischers (Bild 4) weitere positive Eigenschaften zu nennen:

• Klare Trennung zwischen Heizkreis und Kesselkreis.
• Das wirkt sich besonders vorteilhaft im Sommerbetrieb aus, in Kombination mit einem Trinkwarmwasserbereiter.
• Anhebung der Rücklauftemperatur einfach realisierbar

Daraus folgt optimaler Kesselschutz

Dimensionierungshinweise: Wichtig für alle gezeigten Anwendungen mit Beimischschaltung ist die Auslegung der Drei- und Vierwegemischer. Zu beachten ist, dass der Druckabfall im Mischer möglichst in dem Toleranzband (ca. 1,5…4,0 kPa bzw. 15…40 mbar) liegt. Damit eine gute Regelbarkeit des Verbraucherkreises gewährleistet ist, sollte der untere Wert (1,5 kPa bzw. 15 mbar) nicht unterschritten werden. Zur Auswahl und Bestimmung der Dimension sind die Dimensionierungsdiagramme der Hersteller recht hilfreich. Aus dem Dimensionierungsdiagramm ist auch der KVS-Wert zu entnehmen. Dieser ist ein Vergleichswert für Regelarmaturen und lässt sich somit zur Auswahl auch auf andere Regelarmaturen, z.B. auf ein Dreiwegeventil, übertragen.

Beimischschaltung mit konstantem Bypass

Diese Schaltungsart ist erforderlich für Verbraucher, deren Heizflächen als Fußboden- oder Wandheizung arbeiten. Denn solche Heizflächen sind mit maximalen Vorlauftemperaturen von ca. 30 bis 40 ° Celsius zu beaufschlagen. Damit diese Temperaturen niemals unterschritten werden können, ist der Heizkreisvorlauf und Heizkreisrücklauf mit einem Bypass zwischen dem Regelventil bzw. Mischer und der Heizkreispumpe hydraulisch miteinander zu verbinden (Bild 5).

Der Bypass ist manuell an der Einstelldrossel so einzustellen, dass bei voll geöffnetem Ventil bzw. Mischer und maximaler Kesseltemperatur die o.g. maximale Vorlauftemperatur gerade erreicht wird. Zwischenstellungen der Dreiwegearmatur führen dann ausschließlich zu niedrigeren Vorlauftemperaturen. Die Leistungsregelung erfolgt auch bei dieser Beimischschaltung ausschließlich über das Dreiwegeventil.

Einspritzschaltung

Zur Anwendung kommt die Einspritzschaltung (Bild 6) hauptsächlich für außenluftbeaufschlagte Lufterhitzer mit Versorgung durch eine Zubringerpumpe. Das Regelventil und der Bypass sollten nahe am Lufterhitzer angeordnet sein. Damit ist eine optimale Regeldynamik erreichbar.

Besonderer Hinweis: Der Abstand zwischen beiden Bypassleitungen (zwischen E und C) muss mindestens 10 x Rohrdurchmesser, bei kleiner Nennweite 0,5 m betragen.

Hydraulische Weiche

Die hydraulische Weiche, auch als hydraulischer Entkoppler bekannt, ist die hydraulische Trennung zwischen Wärmeerzeuger und einem oder mehreren nachgeschalteten Wärmeabnehmern. Besonders bei mehreren Wärmeerzeugern wie Kesselfolgeschaltungen mit eigenen Kesselkreispumpen sollte sie nicht fehlen. Denn unterschiedliche Differenzdrücke zwischen Wärmeerzeugerkreise und Verbraucherkreise werden in der hydraulischen Weiche kompensiert. Dementsprechend findet keine gegenseitige Beeinflussung von Volumenströmen statt – auch nicht in den oft problematischen Teillastbetriebsweisen. Die Strömungsrichtung kann und soll sich auch betriebsbedingt umkehren (Bild 7). Die hydraulische Weiche stellt keine Systemtrennung dar wie sie von Wärme­übertragern her bekannt ist.

Hydraulischer Abgleich

Regeln fängt am Verteiler an. Neben der hydraulischen Übergabe vom Wärmeerzeuger an die Heizkreise via Mischer oder Regelventil ist der hydraulische Abgleich eine weitere elementare Komponente einer energetisch optimalen Anlagenfunktion. Nur bei richtiger Versorgung der jeweiligen Heizflächen mit den errechneten Wassermengen sind niedrige Vorlauftemperaturen (Heizkurvenoptimierung), eine optimale Pumpenanpassung (Stromkosteneinsparung), eine bestimmungsgemäße Funktion der Einzelraumregelung (Nutzung von Fremdenergie zur Energieeinsparung) und schließlich – als Resultat – eine verbrauchsoptimierte Anlagenfunk­tion möglich.

Heinz-Werner Schnietka ist ausgebildeter Rohrinstallateur und Diplom-­Ingenieur für Energie- und Verfahrenstechnik. Er war über 30 Jahre lang bei der Honeywell GmbH, Haustechnik ­beschäftigt.