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Signifikante Energieeinsparungsmöglichkeiten auch unter extremen Bedingungen

Inhalt
  • Anlagen mit hydraulischen Weichen nehmen in der ­Statistik der Kesselstarthäufigkeit eine Spitzenposition ein.
  • Ein Wasserumlauf ohne an­gemessene Wärmeabnahme wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad von Wärmevertei­lungen aus.
  • Statt hydraulischer Weiche kann ein Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) das Verteilungs­system automatisch thermostatisch geregelt hydraulisch abgleichen.
  • Eine hydraulische Netzsanierung mit einem Rücklauf­temperaturbegrenzer (RTB) bietet die Chance zur Kosten­einsparung.
  • Den ersten RendeMix-Mehrwegemischverteiler brachte der Geschäftsführer der HG Baunach GmbH aus Hückelhoven, Hans-​Georg Baunach, im Jahr 2002 auf den Markt. Das Besondere daran: Hierdurch ließ sich der Rücklauf der Radiatoren für den Vorlauf der Fußbodenheizung nutzen. Seitdem hat sich bei dem Hersteller im Bereich der Energieeinsparung viel getan. Das Unternehmen konzentrierte sich zunächst, mangels Erfahrung, auf die theoretisch nachweisbaren Wirkungs­gradsteigerungen bei Brennwertkesseln, da sich die aus der Rücklaufnutzung resultierenden niedrigeren Rücklauftemperaturen berechnen ließen. Bei Erdgas lagen diese im klassischen Auslegungsfall von 70/50/40/30 °C bei knapp 10 %. Es hat einige Jahre gedauert hat, bis klar wurde, dass das Einsparpotenzial viel größer war, als ursprünglich angenommen und dass dies nur teilweise mit dem gesteigerten Brennwerteffekt in Zusammenhang stand. Diese Erkenntnis lag im Wesentlichen an zwei branchenüblichen Wirklichkeiten, nämlich zum einen, dass die Mischerbaugruppen in der Regel nur im Zuge der Erneuerung von Wärmeerzeugern getauscht werden. Zum anderen erreichten den Hersteller nur in Ausnahmefällen Berichte über Einsparungen.

    Verringerung der Starthäufigkeit

    Nachdem das Unternehmen einige nationale und internationale Projekte erfolgreich abgeschlossen hatte, wurde beim Nachrüsten des ­RendeMix-­Mehrwegemischverteilers in einer bestehenden Radiatoren- und Fußbodenheizungsanlage eines Industrieunternehmens deutlich, dass die Energieersparnis nur auf den nachträglichen Austausch der alten Wärmeverteilung zurückzuführen sein konnte. Das Ergebnis war eine Senkung des Gasverbrauchs um 35 %. Hieran wurde deutlich, dass es noch eine weitere Ursache für den vorherigen Mehrverbrauch geben musste, nämlich die hydraulische Weiche, die bei mehrkreisigen Wandgerätanlagen und bei Kaskaden ein zwingender Teil der Standardlösung ist. Anlagen mit hydraulischen Weichen nehmen in der Statistik der Kesselstarthäufigkeit eine Spitzenposition ein, was es zu eliminieren galt.

    Bei jedem Start des Wärmeerzeugers setzt der Energieverbrauch sofort ein, während die Netto­wärmeabgabe erst langsam ansteigt. Die Differenz entspricht der Wärmemenge der Anlaufverluste QA. Diese sind immer und zumeist sogar wesentlich größer als die Nachlaufgewinne QN, die aus dem Restwärmeentzug nach abgeschalteter Energiezufuhr bestehen. Ein Austausch der hydraulischen Weiche durch den RendeMix-Wärmeverteiler erhöht die Laufzeit der Wärmeerzeuger deutlich und verringert deren Starthäufigkeit wesentlich.

    So sollte es nicht sein: Vor dem Dreiwegemischerkreis der RLT-Anlagen befindet sich jeweils ein Bypassventil, das voll­ständig geöffnet ist. Durch die Beimischung des ­heißen Heizungswasservorlaufs in den relativ kühlen Heizregisterrücklauf von 30 °C steigt die Rücklauftemperatur zum Sammler auf 55 °C.

    Bild: Baunach

    So sollte es nicht sein: Vor dem Dreiwegemischerkreis der RLT-Anlagen befindet sich jeweils ein Bypassventil, das voll­ständig geöffnet ist. Durch die Beimischung des ­heißen Heizungswasservorlaufs in den relativ kühlen Heizregisterrücklauf von 30 °C steigt die Rücklauftemperatur zum Sammler auf 55 °C.

    Wasserumlauf nur mit ausreichendem Wärmetransport

    Ein weiteres Projekt untermauerte diese Beobachtung: In einer 6000 m² großen chemischen Produktionsanlage befand sich ein 1,4-MW-Ölkessel aus den 1960er-Jahren mit einem weitverzweigten Versorgungsnetz aus Lufterhitzern, Deckenstrahlplatten und Radiatoren. Als Sanierungsmaßnahme war der Einbau eines neuen Öl-Brennwertkessels gewünscht und der Bauherr stimmte zu – angesichts der desaströsen Spreizung und Rücklauftemperatur seiner Anlage –, im ersten Schritt eine Netzsanierung vorzunehmen. Gleichzeitig wurden die Kessellaufzeiten erfasst, um aus der Auslastung des Kessels auf die tatsächlich benötigte Kesselgröße schließen zu können.

    Da eine Berechnung der Nennwassermengen bzw. Wärmeverbräuche angesichts der Objektgröße zu komplex gewesen wäre, wurden die Rückläufe sämtlicher Lufterhitzer und Deckenstrahlpatten mit Rücklauftemperaturbegrenzern (RTB) ausgestattet. Mit diesen wurde der Wasser­umlauf durch Anpassung an die tatsächlich abgegebene Wärmemenge begrenzt und das Delta-T und die Rücklauftemperatur der Anlage in die richtigen Bahnen gelenkt. Nachdem durch diese Maßnahmen der Anlagenbetrieb am Kessel von 58/64 °C auf 50/75 °C verändert wurde, verbrauchte der alte Kessel statt 60.000 l nur noch 50.000 l jährlich. Dies entspricht einem Minus von 17 %, obwohl der Kessel etwa doppelt so groß war wie der, den die Anlage tatsächlich benötigt hätte.

    Automatisch geregelter Abgleich durch Rücklauftemperaturbegrenzer

    Der Versuch, jeden Einzelstrang einer parallelen Wärmeverteilung durch eine feste Einstellung abzugleichen, wird scheitern. Da Einzelstränge sehr variable Lasten haben können, wie beispielsweise Lufterhitzer, deren Gebläse durch elektrische Raumthermostate ein- und ausgeschaltet werden, ist der Zufluss nicht fest einstellbar.

    Alle Heizflächen sind Wärmetauscher, die auf der Primärseite von Heizungswasser durchströmt werden und auf der Sekundärseite die Wärme an den jeweiligen Verbraucher abgeben sollen. Ihnen allen ist gemein, dass ein zu hoher Durchfluss an Heizungswasser eine unzureichende Wärmeabgabe zur Folge hat und diese wiederum zu einer zu hohen Rücklauftemperatur führt. ­Eine Drosselung des Heizungswasserdurchsatzes hingegen führt zu einer Senkung der Rücklauftemperatur.

    Der Einbau eines Rücklauftemperaturbegrenzers (RTB) in den Rücklauf jeder parallel geschalteten Heizfläche führt dazu, dass jede Heizfläche von der ihrer Wärmeabgabe gemäßen Heizungswassermenge durchströmt wird. Die Voraussetzung für die Wirkung dieses Regelkreises ist, dass die Vorlauftemperatur ausreichend oberhalb der eingestellten Rücklauftemperatur liegt.

    Bei taktenden Wärmeerzeugern übersteigen die Anfahrverluste QA immer die Nachlaufgewinne QN. Die Wärme­differenz geht bei jedem Start-Stopp-Zyklus verloren.

    Bild: Baunach

    Bei taktenden Wärmeerzeugern übersteigen die Anfahrverluste QA immer die Nachlaufgewinne QN. Die Wärme­differenz geht bei jedem Start-Stopp-Zyklus verloren.

    Entwicklung von RTB-Ventil-Einbau­sätzen für jede Einbausituation

    Durch den Erfolg des Rücklauftemperaturbegrenzers (RTB) in verschiedenen Lufterhitzeranlagen begann der Hersteller, verschiedene RTB-Ventil-­Einbausätze zusammenzustellen und mit engen, vertrauten Kunden in verschiedenen Anwendungsumfeldern zu testen. Die Beobachtung war hierbei, dass es praktisch keinen Einzelstrang einer Parallelverteilung gibt, dem ungehemmt Heizungswasser geliefert werden kann, ohne dass ein Delta-T-Schaden mit allen Konsequenzen für den taktenden Wärme­erzeuger entsteht. Es konnte auf diese Weise ermittelt werden, wo schnelle Thermostate benötigt werden und wo langsamere ausreichen. Außerdem war die Größe des Mindestumlaufs - unter Berücksichtigung der jeweiligen Stelle im Wärmekreislauf - genau zu beziffern.

    Hersteller Baunach bietet eine Vielzahl vollständiger Ventil-Einbausätze an, die auf unterschiedliche Einbausituationen zugeschnitten sind, um eine erfolgreiche Inbetriebnahme zu gewährleisten.

    Fazit

    Ein Wasserumlauf ohne eine angemessene Wärmeabnahme wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad von Wärmeverteilungen aus, was an der zu hohen Rücklauftemperatur jeder einzelnen Heizfläche messbar ist. Dies kann durch einen Rücklauftemperaturbegrenzer korrigiert werden. Auf diese Weise lässt sich das gesamte Verteilungssystem thermostatisch geregelt hydraulisch abgleichen, wodurch eine durchschnittliche Energieeinsparung von über 20 % möglich ist. Das Argument, dass sich Energie nur durch den Austausch des Wärme­erzeugers einsparen ließe, überzeugt also nicht - im Gegenteil, denn insbesondere bei der momentanen Verunsicherung der Endverbraucher bietet eine hydraulische Netzsanierung eine außerordentliche erfolgversprechende Chance, bei relativ hohen Energie­preisen sofort mit dem Kostensparen zu beginnen.

    Mit dem Rücklauftemperaturbegrenzer RTB (1) wird der kontrollierte Mindestumlauf für Warmstart und Frostschutz sichergestellt, und mit dem Rücklauftemperatur­begrenzer RTB (2) wird die Heizungswassermenge im Dreiwegemischerkreis automatisch der abgegebenen Wärmemenge angepasst. In allen Betriebszuständen steht somit die nicht mehr als unbedingt notwendige Heizungswassermenge zu Verfügung und hält das Delta-T zwischen Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler hoch.

    Bild: Baunach

    Mit dem Rücklauftemperaturbegrenzer RTB (1) wird der kontrollierte Mindestumlauf für Warmstart und Frostschutz sichergestellt, und mit dem Rücklauftemperatur­begrenzer RTB (2) wird die Heizungswassermenge im Dreiwegemischerkreis automatisch der abgegebenen Wärmemenge angepasst. In allen Betriebszuständen steht somit die nicht mehr als unbedingt notwendige Heizungswassermenge zu Verfügung und hält das Delta-T zwischen Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler hoch.
    Der Heizungswasserdurchsatz eines Lufterhitzers sollte im günstigsten Fall auf seine Nennleistung bei voller Gebläsedrehzahl ­abgeglichen werden. Wird das Gebläse durch den Raumthermostat abgeschaltet, steigt in der Regel die Rücklauftemperatur bei konstantem Durchfluss an, was es zu vermeiden gilt. Ein Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) passt die Wassermenge des Heiz­registers automatisch der Gebläsedrehzahl an. Mit der einstellbaren Rücklauftemperatur ist ein starker Durchgriff möglich. Wird das Gebläse abgeschaltet, reagiert der RTB prompt und schließt bis auf einen kleinen Mindestumlauf. Dieser garantiert eine sekun­denschnelle Reaktion bei Wiederanlauf des Gebläses, sichert den Warmstart des Heizregisters und gewährleistet den Frostschutz.

    Bild: Baunach

    Der Heizungswasserdurchsatz eines Lufterhitzers sollte im günstigsten Fall auf seine Nennleistung bei voller Gebläsedrehzahl ­abgeglichen werden. Wird das Gebläse durch den Raumthermostat abgeschaltet, steigt in der Regel die Rücklauftemperatur bei konstantem Durchfluss an, was es zu vermeiden gilt. Ein Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) passt die Wassermenge des Heiz­registers automatisch der Gebläsedrehzahl an. Mit der einstellbaren Rücklauftemperatur ist ein starker Durchgriff möglich. Wird das Gebläse abgeschaltet, reagiert der RTB prompt und schließt bis auf einen kleinen Mindestumlauf. Dieser garantiert eine sekun­denschnelle Reaktion bei Wiederanlauf des Gebläses, sichert den Warmstart des Heizregisters und gewährleistet den Frostschutz.
    Jede Heizfläche ist ein Wärme­tauscher. Ein zu ­hoher Durchfluss an Heizungs­wasser hat eine ­unzureichende Wärme­abgabe zur Folge, aus der wiederum ­eine zu ­hohe Rücklauftemperatur ­resultiert.

    Bild: Baunach

    Jede Heizfläche
    ist ein Wärme­tauscher.
    Ein zu ­hoher Durchfluss an Heizungs­wasser hat eine ­unzureichende Wärme­abgabe zur Folge, aus der wiederum ­eine zu ­hohe Rücklauftemperatur ­resultiert.
    Ein Rücklauftemperatur-begrenzer schränkt die ­Heizungswassermenge ­automatisch auf die eingestellte Rücklauftemperatur ein. Dies ist ­unabhängig davon, wie viel Wärme die Heizfläche abgibt: Je weniger sie abgibt, desto geringer ist ihr Durchfluss.

    Bild: Baunach

    Ein Rücklauftemperatur-
    begrenzer schränkt die ­Heizungswassermenge ­automatisch auf die eingestellte Rücklauftemperatur ein. Dies ist ­unabhängig davon, wie viel Wärme die Heizfläche abgibt: Je weniger
    sie abgibt, desto geringer
    ist ihr Durchfluss.
    Auch Fußbodenheizkreise unterliegen schwankenden Lasten. Langfristig akkumuliert jeder Wärmeüberschuss in Form steigender Raumtemperatur. Auch hier führen die üblichen Zweipunktregler (Ein/Aus) der Einzelraumthermostate zu Nachteilen einer taktenden Wärmeübertragung.

    Auch Fußbodenheizkreise unterliegen schwankenden Lasten. Langfristig akkumuliert jeder Wärmeüberschuss in Form steigender Raumtemperatur. Auch hier führen die üblichen Zweipunktregler (Ein/Aus) der Einzelraumthermostate zu Nachteilen einer taktenden Wärmeübertragung.
    Bei Fußbodenheizungen sorgt der RTB bei einer geringeren Wärmeabgabe ebenfalls über steigende Rücklauf­temperaturen für einen verminderten Heizungswasserdurchsatz. Auf diese Weise wird der Selbstregeleffekt der Flächenheizung noch verstärkt.

    Bild: Baunach

    Bei Fußbodenheizungen sorgt der RTB bei einer geringeren Wärmeabgabe ebenfalls über steigende Rücklauf­temperaturen für einen verminderten Heizungswasserdurchsatz. Auf diese Weise wird der Selbstregeleffekt der Flächenheizung noch verstärkt.
    Im günstigsten Fall ist der Rücklauf jedes Einrohrstrangs in einem ­Gebäude auf den Nenndurchfluss bei Volllast abgeglichen. Den mit Wärme Unterversorgten nützt es nichts, wenn die Überversorgten bei der Wärmeabgabe Defizite aufweisen, denn aus deren gestiegener Rücklauftemperatur ziehen sie keinen Vorteil. Für den Auslegungsfall stellt der Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) die ausreichende Menge an Heizungswasserumlauf sicher. Im günstigsten Fall sollte bei der Einstellung die Rücklauftemperatur im Aus­legungsfall leicht unterschritten ­werden. Sobald ein Einrohrstrang in Teillast geht, wird der Unterschied zur Festeinstellung offensichtlich, denn auch hier drosselt der RTB den Heizungswasserumlauf automatisch auf den zur aktuellen Wärmeabgabe erforderlichen Wert. Dies wirkt sich günstig auf alle anderen Teilstränge und den Wirkungsgrad des ­Wärme­erzeugers aus.

    Bild: Baunach

    Im günstigsten Fall ist der Rücklauf jedes Einrohrstrangs in einem ­Gebäude auf den Nenndurchfluss bei Volllast abgeglichen. Den mit Wärme Unterversorgten nützt es nichts, wenn die Überversorgten bei der Wärmeabgabe Defizite aufweisen, denn aus deren gestiegener Rücklauftemperatur ziehen sie keinen Vorteil. Für den Auslegungsfall stellt der Rücklauftemperaturbegrenzer (RTB) die ausreichende Menge an Heizungswasserumlauf sicher. Im günstigsten Fall sollte bei der Einstellung die Rücklauftemperatur im Aus­legungsfall leicht unterschritten ­werden. Sobald ein Einrohrstrang in Teillast geht, wird der Unterschied zur Festeinstellung offensichtlich, denn auch hier drosselt der RTB den Heizungswasserumlauf automatisch auf den zur aktuellen Wärmeabgabe erforderlichen Wert. Dies wirkt sich günstig auf alle anderen Teilstränge und den Wirkungsgrad des ­Wärme­erzeugers aus.
    Ein Trinkwasser-Speichererwärmer stellt einen unbedingt abzugleichenden Wärmetauscher dar, denn ein zu großer Durchfluss führt nicht nur zu einer ­höheren Rücklauftemperatur, sondern auch zu einer niedrigeren Vorlauf­temperatur im Erzeuger. Hierdurch ist der Ladevorgang häufig zu langsam.

    Bild: Baunach

    Ein Trinkwasser-Speichererwärmer stellt einen unbedingt abzugleichenden Wärmetauscher dar, denn ein zu großer Durchfluss führt nicht nur zu einer ­höheren Rücklauftemperatur, sondern auch zu einer niedrigeren Vorlauf­temperatur im Erzeuger. Hierdurch ist der Ladevorgang häufig zu langsam.
    Mit einem RTB im Rücklauf wird das unkontrollierte Anschwellen der Heizungswassermassen verhindert. Ergebnis ist, dass nicht nur die Rücklauftemperatur sinkt, sondern auch die Vorlauftemperatur steigt, sodass der Speicherladevorgang nicht verlängert andauert und der Wärmeerzeuger den Speicher, möglichst ohne zu takten, belädt.

    Bild: Baunach

    Mit einem RTB im Rücklauf wird das unkontrollierte Anschwellen der Heizungswassermassen verhindert. Ergebnis ist, dass nicht nur die Rücklauftemperatur sinkt, sondern auch die Vorlauftemperatur steigt, sodass der Speicherladevorgang nicht verlängert andauert und der Wärmeerzeuger den Speicher, möglichst ohne zu takten, belädt.

    Projektbeispiel: Skihalle bei Neuss

    Im ­Februar 2017 nahm das Unternehmen einen Auftrag in der 1-MW-­Anlage der Skihalle Neuss wahr. Hier wurde ein Torluftschleier nicht warm, der parallel zu drei raumlufttechnischen Anlagen von einer Verteilerpumpe DN 65 versorgt wurde.

    Wie sich herausstellte, war es im Wesentlichen der Kreis, der das Delta-T am Kessel vernichtete, indem er die Rücklauftemperatur dominant ­anhob. Jede RLT-Anlage besaß ihren eigenen Dreiwegemischer-Pumpenkreislauf zum Heiz­register, deren Rücklauftemperaturen mit unter 30 °C angenehm niedrig waren. Im Rücklauf zum Sammler waren es jedoch über 50 °C, denn ­unmittelbar vor dem Dreiwegemischerkreis war jeweils ein voll geöffnetes Bypassventil installiert. Da keine Frostgefahr bestand, wurden zunächst alle drei Bypassventile geschlossen.

    Danach wurde die Verteilerpumpe DN 65 auf den kleinstmöglichen Konstantdruck von 100 mbar (1 mWS) eingestellt und kurz darauf für den Torluft­schleier eine zusätzliche Einzelstrangpumpe DN 25 installiert. Es konnte ­direkt beobachtet werden, wie die Vorlauf­temperatur im Verteiler stieg und die Rücklauftemperatur im Sammler sank. Damit war nicht nur das Versorgungsproblem des Torluftschleiers gelöst, denn im Juli desselben Jahres erhielten wir die Nachricht, dass die gesamte ­Anlage seitdem über 20 % ­weniger Gas verbraucht hatte!

    Es wurde offensichtlich, dass jeder Wasserumlauf ohne ausreichenden Wärmetransport, also ohne ausreichendes Delta-T, als wirkungsgradschädlich für das ­Wärmeverteilungssystem einzustufen ist.

    Autor

    Dipl.-Ing. Hans-Georg ­Baunach
    ist Geschäftsführer der HG Baunach GmbH & Co. KG.

    Bild: Baunach

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