Zum 1. Oktober 2009 ist die neue Energieeinsparung in Kraft getreten und es hat eine Verschärfung des Anforderungsniveaus für den Neubau und Bestand gegeben. Mit dieser Anforderung ist auch wieder das Thema des hydraulischen Abgleichs auf den Tisch der Planungsbüros, Installationsbetriebe und Armaturenhersteller gekommen. Dieses mal aber in einer deutlicheren Form als bisher.
So war in der Vergangenheit der hydraulische Abgleich zwar in der VOB/DIN 18380 gefordert. In der Praxis ist diese wichtige Serviceleistung der Installationsbetriebe aber häufig dem Rotstift der Preisverhandlungen zum Opfer gefallen. Unnötig hohe Heizkosten als Folge des fehlenden hydraulischen Abgleichs waren kein gewichtiges Argument, da diese Kosten häufig umgelegt werden und vom Mieter zu tragen sind. Auch gab es bisher keine Vergleichsmöglichkeiten, um über die wirtschaftliche oder unwirtschaftliche Betriebsweise der Heizungsanlage zu befinden.
Mit der neuen Energieeinsparverordnung ist ein Nachweis über den Jahresenergiebedarf des Gebäudes zu erbringen. Das heißt, bereits vor Erteilung der Baugenehmigung ist eine Bewertung der Heizungsanlage vorzunehmen und ein Energiebedarfsausweis für das beabsichtigte Gebäude zu erstellen, in dem der mögliche Jahresprimärenergiebedarf ausgewiesen ist. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Energieausweis Käufern, Mietern und sonstigen Nutzungsberechtigten zur Einsichtnahme zugänglich zu machen ist. Der Nutzer kann jetzt also prüfen, ob die in der Heizkostenabrechnung gelisteten Kosten für die Primärenergie (Öl, Gas oder Strom) berechtigt sind oder nicht. Versteckte Mängel bei der Installation und Inbetriebnahme der Heizungsanlage lassen sich somit leichter aufdecken. Zu diesen versteckten Mängeln gehört auch ein fehlender hydraulischer Abgleich.
Oftmals wird das Fehlen des hydraulischen Abgleichs durch eine Erhöhung der Pumpenleistung oder der Vorlauftemperaturen kompensiert, was einen höheren Verbrauch an Pumpenenergie und Verteilverlusten, aber auch schlechtere Nutzungsgrade von Wärmepumpen, Brennwerttechnik und Solarunterstützung zur Folge hat.
Regeleigenschaften des Thermostatventils
Darüber hinaus ist bei der Berechnung des Jahresenergiebedarfs auch jeglicher Mehrbedarf zu berücksichtigen, der zur Deckung der errechneten Heizlast erforderlich wird. Dieser Mehrbedarf wird auch Aufwand genannt und in den Berechnungen durch eine sogenannte Aufwandszahl berücksichtigt. Bei den zur Energieeinsparung eingesetzten Thermostatventilen ist dieser Aufwand durch eine notwendige Regeldifferenz beschrieben. Ein Thermostatventil unterbricht nach Erreichen der gewünschten Raumtemperatur den Massenstrom zum Heizkörper nicht abrupt, sondern es reduziert den Durchfluss. Je nach Auslegung des Ventils ist dieses erst bei Überschreiten der eingestellten Temperatur um z.B. 2°C komplett geschlossen. Dieser Zusammenhang ist in Bild 2 verdeutlicht.
Das Diagramm zeigt ein Thermostatventil, welches auf eine Regeldifferenz Xp = 2 K ausgelegt ist. Das bedeutet, es fließen 100 % des erforderlichen Massenstroms, um die gewünschte Raumtemperatur von 20°C zu erreichen und zu halten. Bei einer Raumtemperatur von 22°C ist das Ventil geschlossen.
Angenommen, es wirkt ein Fremdwärmeanteil von 25 % der Raumverlustleistung, z.B. durch Sonneneinstrahlung, durch anwesende Personen oder eingeschaltete elektrische Geräte, dann würde die Raumtemperatur auf etwa 23°C ansteigen, wenn keine Regelung vorhanden wäre und z.B. ein Handregulierventil eingebaut ist. Das oben beschriebene Thermostatventil reduziert den Massenstrom aber auf etwa 50 %, so dass die Raumtemperatur auf maximal 21°C ansteigt und im Vergleich zum Handventil Energie gespart wird. Die gewünschte Raumtemperatur wird also abhängig vom Anteil der anfallenden Fremdenergie überschritten, im Maximalfall um 2°C. Die dazu benötigte Energie ist der Aufwand für diese Art der Regelung. Die Aufwandszahl möglichst klein zu halten ist u.a. ein Ziel der Energieeinsparverordnung.
In der begleitenden Norm DIN V 18599 oder V 4701-10 sind dazu Aufwandszahlen für eine Regeldifferenz Xp = 1 K und Xp = 2 K gelistet, wobei die Zahl für Xp = 1 K einen geringeren Aufwand darstellt, weil dann das Ventil im ungünstigsten Fall bereits bei einer Raumtemperaturüberschreitung um 1 K geschlossen ist.
Die Folgen der EnEV für die Auswahl von Thermostatventilen
Als Folge wird bei der Armaturenindustrie nach einem Thermostatventil gefragt, welches eine Regeldifferenz Xp ≤ 1 ermöglicht. Das ist kein Problem, denn die Regeldifferenz ist eine Auslegungsgröße und keine Armatureneigenschaft. In der Vergangenheit sind diese Werte lediglich nicht angegeben worden, weil die typische Auslegung bei Xp = 2 K erfolgt ist. Nach Erscheinen der EnEV haben die Hersteller ihre Datenblätter entsprechend ergänzt und somit sind alle Werte für eine Berechnung vorhanden.
Jetzt scheinen alle Voraussetzungen für eine optimale Anlage gegeben. Der tatsächliche Effekt der Thermostatventil-Auslegung auf Xp = 1 K wird aber erst sichtbar, wenn eine derartige Auslegung mit einer konventionellen Auslegung bei Xp = 2 K verglichen wird. Die nachfolgenden Beispiele stellen diesen Vergleich an und sollen helfen, die notwendigen Entscheidungshilfen für Planer und Installateure zu finden.
Zugrunde gelegt wurde eine typische Wohnung in einem Geschossbau, deren Heizkörper über eine horizontale Verteilung versorgt werden. Bild 3 zeigt die schematische Darstellung dieses Beispiels. Für die Berechnung der Heizkörperarmaturen wurde das voreinstellbare Thermostatventil Typ VS von Honeywell eingesetzt sowie die ebenfalls einstellbare Rücklaufverschraubung Verafix desselben Herstellers.
Die Berechnung bei einer maximalen Proportionalabweichung Xp = 1 K liefert dann die in Bild 4 dargestellten Ergebnisse. Der größte Differenzdruck wird für die Versorgung des Heizkörpers Nr. 4 benötigt, und zwar 108,05 mbar. Damit die anderen Heizkörper entsprechend ihres Bedarfs versorgt werden, müssen diese ebenfalls auf diesen Wert eingestellt werden. Die Thermostatventile sind entsprechend zu drosseln. Dabei stellen sich rechnerische Regeldifferenzen zwischen 0,5 und 1 K ein. Genauer gesagt, stellen sich diese Werte beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Heizungsanlage ein.
In der Praxis liegen die Werte aber häufig unter den berechneten Werten, weil das Sicherheitsdenken bei der Auslegung von Pumpen, Rohrnetz und Heizkörpern zu Überdimensionierungen geführt hat, welche vom Thermostatventil durch eine niedrigere Wassermenge kompensiert werden. Diese niedrige Wassermenge wird durch ein Schließen des Ventils erzielt, d.h. die Regeldifferenz wird verringert.
Zum Vergleich ist nachfolgend derselbe Heizkreis konventionell, also ausgehend von einer max. Regeldifferenz Xp = 2 K, berechnet worden. Die Ergebnisse sind in Bild 5 dargestellt. In diesem Beispiel liegen die Regeldifferenzen zwischen 0,8 und 2 K, im Mittel bei 1,2. Auch dieser Wert wird in der Praxis aus den vorgenannten Gründen noch unterschritten. Eine rechnerische Auslegung auf Xp = 1 K ist daher nicht zwingend notwendig, auch wenn die zugehörige Aufwandszahl für die energetische Bewertung der Anlage eingesetzt wird.
Unter der energetischen Betrachtung verdeutlicht dieser kleine Vergleich aber auch noch einen anderen Effekt. Im zweiten Beispiel wird für die Kreiswassermenge von 165 kg/h nur ein Differenzdruck von 67,15 mbar benötigt. Das heißt, es wird weniger Pumpenenergie benötigt und somit eine kleinere Aufwandszahl für die Pumpe veranschlagt.
Zur Auswahl der optimalen Strang-Armaturen
Damit könnte man jetzt annehmen, es ist alles wie gehabt und es werden nur einige überholte Werte durch aktuellere Zahlen ersetzt. Das ist aber nicht der Fall. Bei der Regeldifferenz Xp handelt es sich ja um eine Auslegungsgröße und nicht um eine Armatureneigenschaft. Es muss daher sichergestellt werden, dass während des Betriebs der Anlage möglichst kein größerer Massenstrom durch das Ventil fließen kann als zulässig. Denn genau so wie ein Thermostatventil den Massenstrom bei Erreichen der gewünschten Temperatur reduziert, so wird dieser erhöht, wenn die gewünschte Temperatur unterschritten ist. Diesen Zusammenhang kann auch der sorgfältigste durchgeführte hydraulische Abgleich nicht verhindern.
Aus diesem Grund ist ein dynamischer Abgleich über Strang-Differenzdruckregler dem statischen Abgleich mittels manueller Regulierventile vorzuziehen, da der dynamische Abgleich sich auf die Veränderungen an den Verbrauchern einstellt. Um die Wirkungsweise dieser beiden Abgleichmethoden zu verdeutlichen, wurden nachfolgend einige Simulationsrechnungen einer Heizungsanlage erstellt.
Den Berechnungen liegt der Einfachheit halber eine Heizungsanlage mit fünf Steigesträngen und jeweils fünf Heizkörpern gleicher Leistung zugrunde. Die Rohrleitungen sind dabei mit einem maximalen Rohrreibungsverlust von 2 mbar/m dimensioniert worden. Als Thermostatventile wurden bewusst nicht einstellbare, aber werkseitig begrenzte Thermostatventile der Type BB gewählt. Diese Ventiltype ist in Anlagen mit Steigesträngen und daraus resultierenden Heizflächen gleicher Leistung für einen Abgleich an den Heizflächen ausreichend und bewirkt aufgrund des günstigeren Preises für den Installateur einen Kostenvorteil.
Simulationsergebnisse mit verschiedenen Armaturen
Die Beispielanlage in Bild 6 ist vergleichend mit manuellen und mit automatischen Strangventilen berechnet worden, wobei die Auswirkungen folgender Betriebszustände im Strang 1 betrachtet worden sind:
- Aufheizphase, z.B. nach der Nachtabsenkung: Abweichend zum ausgelegten Betriebszustand beträgt die Differenz zwischen eingestellter Temperatur und tatsächlicher Temperatur Xp = 5 K,Bilder 7 und 8 .
- Teillastbetrieb, Beispiel 1: Die oberen zwei Heizkörper im Strang sind geschlossen, an den unteren drei Heizkörpern regeln die Thermostatventile entsprechend dem bei der Auslegung ermittelten Kv-Wert,Bilder 9 und 10 jeweils links.
- Teillastbetrieb, Beispiel 2: Die unteren zwei Heizkörper im Strang sind geschlossen, an den oberen drei Heizkörpern regeln die Thermostatventile entsprechend dem bei der Auslegung ermittelten Kv-Wert,Bilder 9 und 10 jeweils rechts .
In Bild 7 sind links die Druckverluste für den bestimmungsgemäßen Heizbetrieb bei manuellem Strangabgleich gelistet. Der für die Versorgung des Stranges benötigte Druckverlust ergibt sich somit aus den Differenzdrücken der Einzelkomponenten wie folgt:
- Thermostatventil 49,40 mbar
- Heizkörper 1,60 mbar
- Verschraubung 4,84 mbar
- Anschlussrohrleitung 0,12 mbar
- Steigeleitungen 4,32, 5,36, 10,87, 6,22 1,31 und 2,63 mbar
- Strang-Absperrventil 12,30 mbar
- Strang-Regulierventil 61,77 mbar
- <b>Summe</b> <b>160,74 mbar</b>
Im Aufheizbetrieb sind die Thermostatventile entsprechend der größeren Regeldifferenz weiter geöffnet, so dass den Heizkörpern eine größere Wassermenge zur Verfügung steht. Dieser vergrößerte Durchfluss wird teilweise dadurch kompensiert, dass bei einer erhöhten Wassermenge auch die Widerstände in den Strangarmaturen und den Rohrleitungen erhöht werden.
Die Strangwassermenge verändert sich im Beispiel von 500 kg/h um +12 % auf 560 kg/h, die Heizkörperwassermengen schwanken zwischen 95 kg/h und 129 kg/h, wobei die fünfprozentige Unterversorgung des obersten Heizkörpers hier noch akzeptiert werden kann. Eine Unterversorgung um 10 % oder mehr würde aber während der Aufheizphase zu einem verzögerten Aufheizen und damit zu einem berechtigten Mangel führen.
Bessere Ergebnisse bei automatischem Abgleich
Das Bild 8 zeigt das Verhalten des Strangs beim automatischen Abgleich im Auslegungszustand und während der Aufheizphase. Die Aufsummierung der Druckverluste für den bestimmungsgemäßen Heizbetrieb bei automatischer Strangregelung ergibt einen erforderlichen Differenzdruck von 84,04 mbar, der vom Differenzdruckregler zur Verfügung gestellt wird. Dieser Differenzdruck steht auch zur Verfügung, wenn die Thermostatventile entsprechend des größeren Xp einen größeren Durchfluss anfordern als berechnet. Somit ergibt sich zwar eine Überversorgung des Stranges um 25 %, es ist aber sichergestellt, dass jeder Heizkörper ausreichend versorgt wird. Die zusätzlich benötigte Wassermenge wird übrigens von der Heizungspumpe problemlos zur Verfügung gestellt, wenn die Pumpenauslegung wie empfohlen im mittleren Bereich des Pumpenkennfeldes erfolgt ist.
Hydraulischer Abgleich im Teillastbetrieb
Im Teillastbetrieb reduziert sich der Druckverlust über die Strangarmaturen und die Steigeleitungen mit der Konsequenz, dass für die anderen Komponenten ein Differenzdruck-Überangebot zur Verfügung steht. Diesen Zusammenhang zeigt das Bild 9. Es resultiert eine größere Wassermenge an den geöffneten Thermostatventilen. Statt der benötigten 300 kg/h fließen 378 kg/h, also 23 % zu viel. Der Energieeinsparungseffekt der Thermostatventile ist damit nicht optimal ausgenutzt.
Beim Einsatz von Differenzdruckreglern, wie in Bild 10 dargestellt, sieht die Situation anders aus: Bei bestimmungsgemäßem Heizbetrieb muss der Differenzdruckregler 84,04 mbar zur Verfügung stellen. Dieser Differenzdruck steht auch zur Verfügung, wenn einige Heizkörper im Strang geschlossen sind. Da aber eine geringere Strangwassermenge fließt, entsteht in den unteren Abschnitten des Steigestranges ein geringerer Druckverlust mit der Folge, dass für die geöffneten Thermostatventile ein geringfügig größeres Differenzdruckangebot zur Verfügung steht. Im Vergleich zum manuellen Abgleich entsteht aber nur ein Überangebot von 6 %, so dass mehr Energie gespart wird als beim manuellen Abgleich.
Interpretation der Simulationsergebnisse
Zur Berücksichtigung der Energieeinsparverordnung ist es nicht zwingend notwendig, Thermostatventile auf eine Regelabweichung Xp = 1 K auszulegen. In der Regel ist es sinnvoller, wie bisher mit Xp = 2 K auszulegen. Dadurch entstehen niedrigere Pumpenleistungen, welche die Gesamtbilanz positiv beeinflussen.
Die Auswahl der Strangarmaturen hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Bei manuellem Abgleich fließen nur im theoretischen Auslegungszustand die benötigten Wassermengen. Weichen die realen Bedingungen davon ab, ergibt sich in der Regel eine Überversorgung der Heizflächen.
Die Wahl eines automatischen Abgleichs schließt eine Unterversorgung aus und erleichtert auch die Arbeit bei bestehenden Rohrnetzen, ohne Rohrnetzberechnung einen hydraulischen Abgleich nachträglich durchzuführen. Hier werden die bestehenden Stränge mit einem konstanten Differenzdruck beaufschlagt. Anschließend können die voreinstellbaren Thermostatventile, die vorhanden sind oder nachgerüstet werden, mit dem Thermostatventildatenschieber von Honeywell bei bekannter oder ermittelter Heizlast und Spreizung voreingestellt werden. Wie allgemein bekannt ist, arbeiten Heizungsanlagen die meiste Zeit im Teillastbetrieb. Und gerade hier werden die Stärken des automatischen Abgleichs sichtbar.
Ein dynamischer, automatischer hydraulischer Abgleich gewährleistet konstante Bedingungen für den Strang, so dass im Teillastbetrieb für die bestimmungsgemäß arbeitenden Thermostatventile auch tatsächlich Auslegungsbedingungen vorherrschen und somit nur eine geringfügig höhere Wassermenge fließt. Die Anlage arbeitet also unter optimalen Bedingungen und ein Maximum an Energie wird gespart, ganz im Sinne der Energie-Einsparverordnung.
Autor
Georg Beier ist bei Honeywell Haustechnik im technischen Support tätig, 74821 Mosbach, Telefon (0 62 61) 81-0, georg.beier@honeywell.com
