17. August 2021

Für den TGA-Planer ist der hydraulische Abgleich im Objektbau keine Kür, sondern Pflicht

Die hydraulisch abgeglichene Anlage ist eine entscheidende Basis für die Effizienz der Heiztechnik – unbestritten in der Branche. Weniger bekannt: Auch für das Wohlbefinden und die Leistungsbereitschaft der im Gebäude arbeitenden Menschen spielt der saubere Abgleich eine nicht unwesentliche Rolle.

Wasser geht stets den Weg des geringsten Widerstands. Das gilt selbstverständlich auch für das Heizungswasser. Deshalb ist der hydraulische Abgleich so wichtig: Er zwingt das sonst störrische Heizmedium zu bestimmten Durchflussmengen und verhindert bequeme Abkürzungen.

Doch bislang ist es so, dass in etwa 80 % der deutschen Wohngebäude kein hydraulischer Abgleich durchgeführt wurde. Dabei gilt es doch in der Fachwelt als ausgemacht, dass der Betreiber damit bis zu 15 % Energie einsparen kann. Von technischen Nachteilen einmal abgesehen (Komforteinbußen, Geräusche) sprechen ja immerhin auch die Vorgaben des Gesetzgebers (Gebäudeenergiegesetz) und der VOB (Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen) eine deutliche Sprache – und ist deshalb bei Großanlagen, mit Überwachung durch den TGA-Planer, im Neubau praktizierter Standard.

Thermische Behaglichkeit & Effizienz gehen Hand in Hand
Die Effizienz der Heizungsanlage kann bei hydraulisch abgeglichener Anlage durch ein Absenken der Vor- und Rücklauftemperaturen sogar weiter optimiert werden, wie das Forschungsprojekt BaltBest ¹) zeigt: Hier wurde untersucht, ob und wie sich durch eine verbesserte Gebäudetechnik und deren optimierte Betriebsführung nennenswerte Effizienzpotenziale heben und der CO₂-Ausstoß der Gebäude signifikant senken lassen. Unter anderem zeigt sich, dass die Heizleistung und Vorlauftemperaturen im täglichen Betrieb bisher häufig nur unzureichend an die Außentemperaturen angepasst werden. Diesbezügliche Einstellmöglichkeiten würden noch zu zaghaft genutzt, heißt es: Überversorgung führe zu Verschwendung, höheren Wärmeverlusten und ineffizientem Anlagenverhalten.

Es gibt über die rein technische Betrachtungsweise interessante ökonomische Aspekte, die bisher eher wenig diskutiert wurden. Beispielsweise dies: Wir beheizen Gebäude, damit die Menschen sich darin wohlfühlen. Die thermische Behaglichkeit ist nicht nur ganz einfach angenehm, sie wirkt sich – im Objektbau, also im Verwaltungsgebäude oder in der Schule – auch auf die Produktivität und Lernkapazität der Menschen aus. Grundfos verweist dazu auf die Studie REHVA Guidebook 6 ²), wonach thermisches Wohlbefinden eine vitale Rolle für eine gute Arbeitsumgebung spielt. Arbeitgeber und Gebäudeeigentümer sollten bei der Spezifikation der HLK-Anlagen des Gebäudes besonders darauf achten, da diese einen großen Einfluss auf die Qualität der Raumluft (IEQ – Indoor Environment Quality) des Gebäudes hat. Selbst kleinste Verschlechterungen der Qualität der Raumluft führten zu umfassenden Produktivitätsverlusten, wobei die Investitionen in das Gebäude, die Gebäudemedien und Anlagen im Verhältnis zu den Lohnkosten relativ klein seien, so die Studie.

Der Goldstandard im Objektbau: Dynamisch abgleichen
Für den TGA-Planer ist der dynamische hydraulische Abgleich im Objektbau quasi der Goldstandard: Denn anders als beim statischen Abgleich hält der dynamische Abgleich den Nennwasserstrom unter sämtlichen Lastbedingungen gebäudeweit konstant und sichert in Großgebäuden hohe Energieeinsparpotenziale. Durch den Einsatz automatischer Strangdiff erenzdruckregler oder druckunabhängiger Th ermostatventile kann mit dieser Abgleichlösung der Diff erenzdruck am Heizkörper oder im Strang bei sämtlichen Lastbedingungen gebäudeweit konstant gehalten werden. Die Massenströme werden dann auch bei Teillast bzw. bei wechselnden Lastbedingungen korrekt eingehalten – daher auch die Bezeichnung dynamischer Abgleich.

Auch hier gilt: Wie viel Energiesparpotenzial erschlossen werden kann, hängt letztlich immer von der Berechnungsart der Massenströme ab. Daher sollte – wie schon beim statischen Abgleich zu empfehlen ist – auch bei der dynamischen Variante nach Berechnungsart B die raumweise Heizlast mit einkalkuliert werden, um das bestmögliche Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erzielen. Berücksichtigt werden dabei die geografische Lage, die Fensterzahl und -größe sowie die unbeheizten Räume. Auch einige andere Parameter, z. B. U-Werte verschiedener Baujahre, werden mit einbezogen. Der Aufwand für die raumweise Heizlastberechnung ist in großen Gebäuden wie Zweckbauten selbstverständlich höher als in Ein- oder Zweifamilienhäusern – zahlt sich angesichts des Systemumfangs jedoch langfristig aus.

Um in großdimensionierten Anlagen weitere Energiesparpotenziale zu er schließen, lohne es sich in hochwertige Armaturen wie etwa digitale Stellantriebe zu investieren, welche die Integration der Heizanlage in eine übergeordnete Gebäudeautomation ermöglichen, so Danfoss. Beispielsweise ermögliche der digitale Stellantrieb „NovoCon“ eine Feldbus-Anbindung von Heiz- und Kühlsystemen an die Gebäudeleittechnik, sodass von jedem einzelnen Stellantrieb Informationen gesammelt werden können. Installiert auf dem druckunabhängigen Abgleich- und Regelventil „AB-M2“ werden die Einstellungen und die Regelung per Fernzugriff über „NovoCon“ vorgenommen und überwacht – inklusive Inbetriebnahme und Feinabstimmung. Bidirektional sind per BACnet-Fernsteuerungsfunktionen wie Inbetriebnahme, Durchflussanzeige und Spülung verfügbar, ebenso Statusmeldungen und Alarme. Durch die Protokollierung der Daten kann das Facility Management Verbesserungspotenzial bei Energieeinstellungen und -verbrauch identifizieren.

Abgleich für Flächenheizungen
Für die Einzelraumregelung von Flächenheizungen und -kühlungen hat Zewotherm ein funkbasiertes System im Programm: „Zewo Funkline“. Dieses Regelsystem kommt ohne eine aufwendige Verlegung von Kabeln in Leerrohren oder Mauerschlitzen aus. Es ist deshalb sowohl für den Neubau als auch für Umrüstungen geeignet.

Die Steuerung der Raumtemperatur erfolgt online über das eigene Heimnetzwerk an PC, Tablet oder Smartphone, lässt sich aber auch analog direkt am Raumthermostat einstellen. Eine XML-Schnittstelle erlaubt die zusätzliche Anbindung an übergeordnete Gebäudeleitechnik- und Hausautomationssysteme.

Der förderfähige hydraulische Abgleich erfolgt über einen Algorithmus auf Grundlage einer permanenten Berechnung und Einstellung der Massenströme. Der Prozess läuft vollautomatisch ab und nutzt als Führungsgröße die Raumtemperatur. Aufwendige Berechnungen, die besonders bei Bestandsbauten oft auf Basis ungenauer Werte erfolgen müssten, sind nicht mehr nötig.

Das Herzstück des Systems ist eine Basisstation (230 V), die über Funk mit den Raumthermostaten und Stellantrieben kommuniziert. Die Basisstation wird per Steckdose an die Stromversorgung angeschlossen und ohne weitere Programmierkenntnisse in Betrieb genommen. Die Stationen sind als Vier- oder Acht-Zonen-Module erhältlich. An eine Basisstation können bis zu 18 Stellantriebe angebunden werden, wobei sich über Funk bis zu sieben Basisstationen aneinander koppeln lassen.

Auch das Unternehmen Strawa offeriert eine Lösung für den Abgleich von Fußbodenheizungen: „EGO“. Dieser Regelantrieb geht über die Möglichkeiten des konventionellen statischen hydraulischen Abgleichs hinaus, denn er passt den Volumenstrom differenzdruckunabhängig dem momentanen Wärmebedarf des jeweiligen Heizkreises adaptiv an. Er reagiert selbsttätig auf sich ändernde Betriebs- und Lastbedingungen im System. Dazu berechnet die Regelung fortlaufend die jeweils erforderliche Temperaturspreizung und die entsprechende Ventileinstellung, während Sensoren an den Vor- und Rücklaufleitungen die Temperaturunterschiede messen.

Hydraulische Weiche trennt Kreisläufe
Sind in einer Anlage gleichzeitig ein Wärmeerzeuger-Primärkreis mit eigener Pumpe (oder mehreren Pumpen) und ein Verbraucher-Sekundärkreis mit einer oder mehreren Verteilerpumpen vorhanden, können sich die Pumpen unter Umständen wechselseitig beeinflussen – und dadurch in den Kreisläufen unerwünschte Veränderungen der Volumenströme und Förderhöhen bewirken.

Abhilfe bietet dann eine hydraulische Weiche: Sie entkoppelt den an sie angeschlossenen Primär- und Sekundärkreis hydraulisch; der Durchfluss in einem Kreis verursacht keine Wechselwirkung im anderen Kreis, wenn der Druckverlust in der hydraulischen Weiche gering ist. In diesem Fall hängt die Durchflussmenge durch die jeweiligen Kreise ausschließlich von den Leistungsmerkmalen der Pumpen ab, wobei die wechselseitige Beeinflussung durch die Serienschaltung vermieden wird.

Das Medium im Sekundärkreis wird erst dann in Umlauf gebracht, wenn die entsprechende Pumpe arbeitet; ist diese ausgeschaltet, wird der gesamte von der Primärkreispumpe geförderte Volumenstrom durch die Weiche umgangen.

Vorteil: Die Weiche ermöglicht einen Wärmeerzeugerkreis mit konstanter Durchflussmenge und einen Verteilerkreis mit variablem Volumenstrom – Betriebsbedingungen, die für moderne Heizungs- und Klimaanlagen typisch sind.

Die hydraulische Multifunktions-Weiche von Caleffibietet dem Planer über diese grundsätzlichen Eigenschaften hinaus eine Reihe weiterer Funktionskomponenten wie Entlüftung, Schlammabscheidung und das Entfernen magnetischer Partikel.

Auch PAW weist darauf hin: Für den hydraulischen Abgleich einer Heizungsanlage sind nicht nur die Heizkörper untereinander abzugleichen, sondern auch die Heizkreise am Verteiler. Der „Heat-BloC MCom“ verfügt über eine elektronische Regelung des Differenzdrucks. Dazu misst der Regler „MCom“ den Differenzdruck zwischen Vorlauf- und Rücklauf und gibt die Pumpendrehzahl über ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) passend vor. Die resultierende Entkopplung der Verbraucherkreise vom Erzeugerkreis bedeutet, dass der Volumenstrom im Verbraucherkreis nur von den Thermostatventilen, also vom Wärmebedarf beeinflusst wird. Änderungen des Druckverlusts im Erzeugerkreis durch Veränderung der Mischerstellung oder des Gesamtvolumenstroms werden ausgeregelt.

Der automatische, dynamische Abgleich des Verteilers unterbindet die gegenseitige Beeinflussung der Heizkreisläufe. Aufgrund ihrer hohen Ventilautorität ergibt sich ein stabiles Regelverhalten der Heizkörper-Thermostatventile. Gegenüber einem mechanischen Differenzdruckregler spare der „HeatBloC MCom“ mindestens 50 % an Pumpenenergie bei gleichen Mehrkos ten und gewährleiste dabei den gleichen Komfort, so der Anbieter.

3D-Planung & Abgleich
Das Tool „GBIS.HI-REV“ von Solar-Computer verknüpft die Revit-Familien der Heizkörper, Verteileranschlüsse, Rohrleitungen, Formstücke, Ventile und Armaturen automatisch mit produktneutralen Objekten. Diese wiederum lassen sich bezüglich ihrer berechnungsrelevanten Daten gegen Herstellerdaten im Standard VDI 3805 Teil 2, Teil 6 und Teil 29 austauschen bzw. damit kombinieren und sorgen so für effizientes durchgängiges Planen – von einer produktneutralen Vorplanung in Revit bis zur fabrikatbezogenen optimierten Ausführungsplanung, zeigt sich der Anbieter überzeugt.

Eine Besonderheit ist zudem die Option, Heizkörper als Verbraucher in Revit aus Raum-Eckdaten einer Heizlastberechnung nach DIN EN 12831-1 standardmäßig generieren zu können. Ähnliches gilt für Verteiler einer berechneten Fußbodenheizung.

Fazit
Für den TGA-Planer ist der hydraulische Abgleich im Objektbau keine Kür, sondern Pflicht. Was zuweilen unbeachtet bleibt: Ändert sich die Gebäudebewirtschaft ung/Gebäudenutzung, stimmt der ursprüngliche Abgleich natürlich nicht mehr und muss neu durchgeführt werden – das liegt dann aber in der Verantwortung des Facility Managements. Nicht zuletzt sind die Funktionstüchtigkeit der Druckhaltung und gegebenenfalls der Entgasung/Schlammabscheidung und damit der Qualität des Heizwassers von Bedeutung.

Effizienz wird über 2021 hinaus gefördert
Mit der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) wird die energetische Gebäudeförderung des Bundes in Umsetzung des Klimaschutzprogramms 2030 und der Förderstrategie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) „Energieeffizienz und Wärme aus Erneuerbaren Energien“ seit Januar 2021 neu aufgesetzt. Gefördert werden nach wie vor sämtliche Maßnahmen zur Optimierung des Heizungsverteilsystems in Bestandsgebäuden, mit denen die Energieeffizienz des Systems erhöht wird, wenn sie die in der Anlage zu dieser Richtlinie festgelegten technischen Mindestanforderungen erfüllen. Hierzu gehört auch der hydraulische Abgleich der Heizungsanlage.

Autor: Hans-Jürgen Bittermann, freier Journalist mit Pressebüro bitpress

¹) BaltBest: Einfluss der Betriebsführung auf die Effizienz von Heizungsanlagen im Bestand

²) REHVA Guidebook 6: Indoor Climate and Productivity in Offices – How to integrate productivity in life-cycle cost analysis of building services