Einrohrheizung wird energetisch sanierbar

Durch den hydraulischen Abgleich von Heizungsanlagen lässt sich ein messbarer Beitrag zum Energiesparen leisten: Obwohl nur eine geringinvestive Maßnahme, reduziert sie den Primärenergieeinsatz um ­etwa 5 bis 15 %. Auf Basis der mittleren Energieverbrauchskennwerte für den Gebäudebestand entspricht das einer Energieeinsparung von 10 bis 30 kWh/m² a in Wohngebäuden. Hinzu kommt der um bis zu 50 % re­duzierte Pumpenstromverbrauch. Das ist bekannt. Genauso wie die klaren Vorgaben zum hydraulischen Abgleich in der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C und in der DIN 18380. Trotzdem sind 80 bis 85 % der Heizungsanlagen im Gebäudebestand nicht einreguliert.

Dazu tragen nicht zuletzt die so genannten Einrohranlagen bei, die es noch in etwa 1,7 Millionen Objekten in Deutschland gibt. Diese Anlagen wurden von der Fachwelt bislang als hydraulisch nicht abgleichbar angesehen.

Der Hintergrund: In Wärmeverteilungen mit Zweirohr-Heizkreisen sind die Heizkörper parallel geschaltet. Das heißt, sie können alle mit der gleichen Vorlauftemperatur beaufschlagt und dann je nach Position im Rohrleitungsnetz einreguliert werden. In Einrohr-Heizkreisen hingegen sind die Heizkörper in Reihe geschaltet (Bild 1). Bypass-Strecken mit speziellen Einrohr-Ventilen – so genannten Bypass-Armaturen – zur Verteilung des Massestrom-Anteils am Heizkörper ermöglichen den Betrieb auch des letzten Wärmeverteilers in der Reihe. Dieses Wirkprinzip führt aber zwangsläufig zu kritischen Funktions­bedingungen:

• Die Einregulierung kann lediglich hinsichtlich des Kreiswasserstroms erfolgen.
• Die Betriebsbedingungen an den einzelnen Heizkörpern (speziell: Heizkörper-Masseströme, Vorlauftemperatur) ändern sich ständig, wenn die Ventile an vor­gelagerten Heizkörpern zur Regulierung der Temperaturabgabe geöffnet oder geschlossen werden.
• Die Regelgüte der Heizkörper ist schlecht.
• Die Vorlauftemperatur nimmt zwar generell in Strömungsrichtung ab (Bild 2). Die zur Temperaturveränderung notwendige Drosselung der Masseströme führt aber zu variierenden Rücklauftemperaturen, die nie unter den Auslegungswert fallen, sondern bei Teillast sogar immer höher sind (Bild 3).

In der Praxis bedeutet das zum einen Komforteinbußen, beispielsweise durch Fließgeräusche, die schlechte Regelbarkeit der Heizkörper sowie gegebenenfalls eine Unterversorgung der in der Reihe nachgeordneten Heizkörper.

Viel entscheidender ist aber die energetische Ineffizienz dieses Funktionsprinzips. Losgelöst vom Auslegungswert treten höhere und stark schwankende Rücklauftemperaturen auf, die sich negativ auf den Wärme­erzeuger auswirken. Beim Brennwertgerät verringert sich beispielsweise der Wirkungsgrad beträchtlich, wenn deshalb nicht mehr der Kondensationsbetrieb erreicht wird.

Zudem muss unabhängig davon, ob die Anlage im Voll- oder Teillastbetrieb fährt, stets der gesamte Heizwasser-Massenstrom umgewälzt werden; selbstregelnde Heizungsumwälzpumpen können also ihren energetischen Vorteil nicht ausspielen. Zur Einordnung: Etwa 96 % der Zeit läuft eine Heizungsanlage in der Praxis in Teillast, nur etwa 4 % in Volllast.

Eine komplett neue Konstruktion

Mit Eccolution hat Kermi ein System vorgestellt, das die daraus resultierenden drei zentralen Problemkreise aufhebt:

• Die Spreizung von Vor- und Rücklauf-temperatur bleibt unabhängig von der Wärmeabnahme der am Strang ­angeschlossenen Heizkörper konstant.
• Je nach Wärmeabnahme der am Strang angeschlossenen Heizkörper wird der Massestrom automatisch reduziert.
• Die eventuelle Unterversorgung einzelner Heizkörper aufgrund des reduzierten Massestroms wird durch die gleichzeitige Installation spezieller Heizkörper-Armaturen verhindert.

Erreicht wurden diese Ziele durch den konstruktiv komplett neu gedachten Aufbau der Eccolution-Armatur. Im Gegensatz zu den bekannten Einrohr-Ventilen ist die beidseitig anströmbare Armatur mit einem Gegenkegel und einem variablen Bypass (Bild 4) ausgestattet. Für den Auslegungsfall stellt das Ventil etwa ein Drittel des Heizkreis-Massestroms dem zugehörigen Heizkörper zur Verfügung, rund zwei Drittel sind als Bypass-Anteil definiert. Bei maximalem Leistungsbedarf liegt eine 70/30-Verteilung zugunsten des Heiz­körpers an. Ist keine Heizleistung ­gefordert, bleibt der Thermostatkopf geschlossen und der Heizkreis-Massestrom passiert diesen Heizkörper in vollem Umfang über den Bypass.

Das Ergebnis ist bemerkenswert: Unabhängig von der Wärmeabnahme der einzelnen Heizkörper können die Heizkreise generell mit der ausgelegten Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf gefahren werden (Bild 5); und selbst der bis dato am häufigsten unterversorgte Heizkörper am ­Ende der Reihenschaltung liefert immer noch die geforderte Wärme.

Viel interessanter ist jedoch der energetische Einspareffekt. Der Austausch der alten Bypass-Ventile gegen das neue System – bestehend aus Armatur, Regelventil mit Stellantrieb sowie Sollwertregler und Sollwertsteller – ermöglicht nun das exakte Einregulieren von Einrohr-Wärmeverteilungen: Über die Messung von ΔT zwischen Vor- und Rücklauf mit entsprechender Regulierung des Massestroms kann die konstante Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf abgesichert werden. Die nämlich ist Grundvoraussetzung, um zum Beispiel den Energie sparenden Effekt eines Brennwertgerätes als Wärmeerzeuger auszunutzen.

Besonders im Zusammenhang mit der Sanierung größerer Objekte dürfte dabei interessant sein, dass sich diese Energieeffizienz-Maßnahmen auch etagen- oder sogar wohnungsweise umsetzen lassen. Im Sinne der bestmöglichen Effizienz sollte allerdings spätestens mit dem Austausch aller Bypass-Armaturen und dem Einbau der Regelventile mit Stellantrieb auch der Austausch der vorhandenen zentralen Umwälzpumpe gegen eine drehzahlgeregelte, stromsparende Hocheffizienzpumpe erfolgen. Denn so wird definitiv verhindert, dass Pumpen mit hohem Energieeinsatz erst einen Differenzdruck aufbauen, der an den Drosselventilen dann doch wieder nur vernichtet wird.

Alternativ zur zentralen Pumpenlösung bietet sich im Ideal sogar eine etagen- bzw. strangweise dezentrale Pumpenlösung an (Bild 6).

Vorteil: Einfache Installation

Die Installation der Eccolution-Einrohrarmatur ist beispielsweise im Austausch mit wenigen Handgriffen möglich. Beidseitig anström­bar wird sie im Regelfall in der Durchgangsvariante montiert – die gleiche Armatur ist aber auch ganz einfach für den Wandanschluss in Eckform umzubauen. Zu berücksichtigen sind bei der Sanierungsplanung außerdem die unterschiedlichen Achsabstände der vorhandenen Heizkörper. Kermi hat für diese Fälle Adapterstücke entwickelt, die den Übergang von 50-mm-Standard-Stichmaß der neuen Armatur auf die bestehenden Achsabstände (z.B. 35, 40 oder 58 mm) ermöglichen.

In der Summe addieren sich die Einsparungen auf bis zu 18 % beim Primärenergieeinsatz für die Wärmeerzeugung und bis zu 80 % Energieeinsparung beim Pumpenstrom, was auch eine Studie von Professor Dr.-Ing. Rainer Hirschberg von der Fachhochschule Aachen belegt.

Bestandteile des Systems

Die Sanierungslösung Eccolution für Einrohr-Wärmeverteilungen besteht aus den folgenden Bauteilen (wie in Bild 1):

Einrohrhahnblock mit Gegenkegel zum Ersatz von Standard-Hahnblöcken in Einrohrheizungen, Ausführungen: Ventil links und Ventil rechts

Sollwertregler in Ausführungen mit und ohne PLC

Sollwertsteller Ecco (optional), Betrieb durch Powerline-Technik

Adapterstücke für abweichende Achsabstände, Set 1 für Achsabstand min. 40/50 bis max. 60/50, Set 2 für Achsabstand min. 34/50 bis max. 66/50

Regelventil für den Einrohrstrang, Durchgangsform, DN 15

Stellantrieb für Regelventil, 24 V, 0–10 V Eingangssignal oder alternativ hoch­effiziente Umwälzpumpe, Energieeffizienzklasse A

Weitere Informationen im Internet unter: http://www.eccolution.de

Einsparungen nachgewiesen

Wie groß das mögliche Einsparpotenzial in Einrohr-Heizkreisen durch die Installation des neuen Systems ist, hat Professor Dr.-Ing. Rainer Hirschberg von der Fachhochschule Aachen im Rahmen einer Studie untersucht. Sein Fazit fällt eindeutig aus: „Die Einführung und der Einbau von Regelstationen in Einrohr-Heizkreisen zur Regelung der Wasserströme durch Aufrechterhaltung von Mindest-Temperaturdifferenzen stellt … eine hocheffiziente Maßnahme dar.“ Im Detail macht Hirschberg diesen Effizienzgewinn nach praxisbezogenen Simula­tions­rechnungen an drei wesentlichen Punkten fest:

Durch die Temperaturdifferenz-Regelung des Einrohrkreises reduziert sich die umzuwälzende Kreiswassermenge auf durchschnittlich 50 bis 60 % im Jahr. Das entspricht einer Verringerung des Stromaufwandes für Pumpenleistung um 87,5 %.

Die bedarfsgeführte Regelung der Kreiswassermenge reduziert die mittlere Belastung der Verteilung um etwa ein Viertel. Daraus ergibt sich eine etwa 22 % geringere Wärmeabgabe im beheizten, eine 15 % geringere im unbeheizten Bereich.

Aufgrund der bedarfsgeführten Heizwasser-Menge und der variablen Heizkörper-Heizwasserströme entspricht das Regelverhalten der Thermostatventile an den Heizkörpern und deren Wärmeab­gabe den Aufwandszahlen bei Zweirohrnetzanlagen.

Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Heigl, Senior-Produkt­manager bei Kermi, 94447 Plattling, Tel. (0 99 31) 5 01-0, eccolution@kermi.de, https://www.kermi.com/de/de/raumklima/