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StartseiteWissenNewsFür jede Anlage die richtige Lösung finden
1. April 2019
Basiswissen: Hydraulische Schaltungen und deren Anwendung im Überblick
Betreiber und Besitzer von Gebäuden, die bestehende Heizungsanlagen modernisieren wollen, versprechen sich davon in erster Linie eine optimale Anlagenfunktion und daraus resultierend auch niedrigere Heizkosten. Damit aber moderne Heizungstechnologien wie Wärmepumpen oder Brennwerttechnik ihr volles Potenzial ausschöpfen können, muss die Anlagenhydraulik richtig geplant und umgesetzt werden – denn sie bildet die Grundlage dafür, dass eine Heizungsanlage effizient funktioniert. Hierfür ist ein Basiswissen unverzichtbar: Welche hydraulischen Schaltungen stehen grundsätzlich zur Wahl? Was sollte bei der jeweiligen Schaltung beachtet werden? Für welchen Einsatz eignen sich die jeweiligen Schaltungen und mit welchen Regelarmaturen werden sie umgesetzt? Dieser Fachbeitrag gibt Auskunft.
Eine hydraulische Schaltung ist das Bindeglied zwischen Regelungstechnik und Anlagentechnik und sorgt dafür, dass das Heizwasser richtig temperiert, gemischt und verteilt wird – vom Wärmeerzeuger bis zum Verbraucher und zurück. Zusätzlich erfüllt eine hydraulische Schaltung viele weitere Aufgaben, u. a.:
Verschiedene hydraulische Schaltungen – die richtige Lösung finden
Fußbodenheizung
oder Heizkörper, Wärmepumpe oder Gasbrennwertheizkessel,
Einfamilienhaus oder Hotel: Je nach Heizkomponenten und Einbausituation
variieren die Anforderungen an die Heizwassertemperierung und
-verteilung. Um diese zu erfüllen, gibt es unterschiedliche hydraulische
Schaltungen, die sich für die verschiedenen Anwendungsfälle mehr oder
weniger gut eignen.
Grundsätzlich wird zwischen einer
mengenkonstanten und einer mengenvariablen Schaltung unterschieden,
wobei Letztere heutzutage eine untergeordnete Rolle spielt. Bei ihr
bleibt die Temperatur konstant. Für die Temperaturregelung wird
stattdessen, wie der Name schon sagt, die Menge – also der Volumenstrom –
variiert. Hier finden beispielsweise Drossel- und Umlenkschaltungen
Anwendung, beide sind jedoch nur noch selten im Einsatz.
Gängiger und
sinnvoller ist ein mengenkonstanter Betrieb, bei dem der Volumenstrom
konstant bleibt und die Vorlauftemperatur angepasst wird. Hier muss der
Installateur folgende Schaltungen kennen: Beimischschaltung,
Bypass-Schaltung, Einspritzschaltung und hydraulische Weiche. Doch
welche Aufgaben erfüllen diese Schaltungen, wo werden sie eingesetzt und
welche Gefahren lauern bei ihrer Anwendung?
Weit verbreitet und universell: Die Beimischschaltung
Die
am häufigsten eingesetzte Schaltung ist die Beimischschaltung, da mit
ihr die Verbraucherheizkreise bedarfsgerecht und gemäß ihrer
Temperaturanforderung geregelt werden können.
Für die Regelung wird
zum heißen Kesselvorlauf ein variabler Teilstrom aus dem Rücklauf des
Verbraucherkreises beigemischt. Über das Mischverhältnis aus
Kesselvorlauf und Heizkreisrücklauf ergibt sich der variable, an die
jeweiligen Erfordernisse angepasste, Heizungsvorlauf. Schwanken die
Temperaturen von Wärmeerzeuger oder Pufferspeicher, kann dies durch eine
Anpassung der Beimischung leicht ausgeglichen und eine gradgenaue
Heizungsvorlauftemperatur erreicht werden. Insgesamt überzeugt die
Schaltung durch eine gute Regelfähigkeit, da die Regelstrecke über
Vorlauftemperturfühler gut beherrschbar ist. Durch den variablen
Heizungsvorlauf sind im Teillastbetrieb angepasste, niedere
Vorlauftemperaturen möglich und Verteilverluste werden minimiert.
Bypass-Schaltung – die richtige Wahl bei Flächenheizungen
Die
Bypass-Schaltung („feste Beimischschaltung“) ist eine Abwandlung der
Beimischschaltung und ergänzt diese um einen fixen Bypass. Über diesen
wird ein Teil des Rücklaufs standardmäßig wieder zum Vorlauf
hinzugefügt. Eingesetzt wird diese Variante, wenn es zu stark
abweichenden Temperaturen einzelner Mischkreise oder des Kesselkreises
kommt. Dies ist vor allem bei Flächenheizsystemen mit niedrigen
Vorlauftemperaturen und starken Vorlauftemperaturabweichungen zu
weiteren Mischkreisen der Anlage der Fall.
Der Bypass wird dabei so
eingestellt, dass bei voll geöffnetem Stellglied und zugleich maximaler
Kesseltemperatur die maximale Soll-Vorlauftemperatur erreicht wird.
Dadurch ist der Bypass zugleich eine hydraulische
Übertemperaturabsicherung.
Im Einsatz bei Lufterhitzern und Heizregistern: Die Einspritzschaltung
Für
den Einsatz bei Lufterhitzern und Heizregistern von RLT-Anlagen, die
mit Außenluft beaufschlagt werden, empfiehlt sich unbedingt die
Einspritzschaltung. Diese zeichnet sich aus durch zwei Pumpen im
Vorlauf, ein Durchgangsventil im Rück- oder gegebenenfalls auch im
Vorlauf und je einen Bypass vor und nach dem Regelventil.
Bei der
Einspritzschaltung wird das heiße Vorlaufwasser über den zweiten Bypass
immer mit abgekühltem Rücklaufwasser gemischt. Je nach Ventilstellung
variiert die Temperatur im Verbraucherkreislauf, während der
Volumenstrom im Heizregister konstant bleibt. Von Vorteil ist bei dieser
Schaltung vor allem die niederstmögliche Rücklauftemperatur und die
gleichmäßige Wärmeverteilung über das ganze Heizregister, die eine
optimale Zulufttemperaturmessung ermöglicht.
Hydraulische Weiche – für Mehrkesselanlagen oder multivalente Systeme
Die
hydraulische Weiche findet ihre Anwendung meist im Bereich von
Mehrkessel- und Multivalenzanlagen, um Erzeuger- und Abnehmerkreise zu
entkoppeln. In Verbindung mit der Regelungstechnik kann ein
Weichentemperaturfühler unterschiedliche Volumenströme zwischen
Wärmeerzeuger- und Verbraucherkreisen und die sich damit verändernden
Vorlauftemperaturen erkennen. Daraus lassen sich verändernde
Lastzustände ableiten und entsprechene Maßnahmen, wie z. B. das
Zuschalten einer Brennerstufe, eingeleitet werden.
Wird ein
Wärmeerzeuger nicht benötigt, kann er abgeschaltet und hydraulisch aus
dem Netz ausgekoppelt werden, ist dann also hydraulisch abgesperrt. Das
entspricht den allgemein anerkannten Regeln der Technik, wonach
Wärmeerzeuger in Mehrkesselanlagen nach ihrer Abschaltung nicht mehr
hydraulisch durchströmt werden dürfen.
Ziel ist ein optimales
Wärmeerzeugermanagement: Kein Wärmeerzeuger und keine Brennerstufe darf
unnötig in Betrieb sein, sie dürfen aber bei Bedarf auch nicht
ausgeschaltet bleiben.
Tipp: Im Falle von Brennwertnutzung muss bei
der hydraulischen Weiche unbedingt auf niedere Rücklauftemperaturen
geachtet werden: < 57 °C bei Erdgas und < 47 °C bei Heizöl!
Armaturen-Auswahl: Mischen oder Verteilen? Drei- oder Vier-Wege?
Alle
hydraulischen Schaltungen können mit verschiedenen Armaturen umgesetzt
werden. Dabei muss der Installateur oder Planer zunächst grundsätzlich
wissen, wann ein Mischer und wann ein Ventil eingesetzt wird. Letztlich
ist das immer eine Frage der Anordnung. Ist die Pumpe nach dem
Stellglied angeordnet, kann ein Mischer eingesetzt werden. Befindet sie
sich vor dem Stellglied, ist ein Ventil die richtige Wahl. Grundsätzlich
ist ein Ventil „dichter“ als ein Mischer, das heißt die Leckrate
(interne Leckage) ist geringer.
Ganz konkret stellt sich bei der
Planung und Ausführung in diesem Zusammenhang die Frage: Wie
unterscheiden sich 3-Wege-Stellglied (als Mischer oder Ventil) und ein
4-Wege-Mischer und für welche Zwecke wird welche Armatur eingesetzt?
Denn
beide sorgen in den Verbraucherkreisen für variable Vorlauftemperaturen
bei konstantem Volumenstrom sowie für eine gleichmäßige
Wärmebeaufschlagung der Verbraucher. Unterscheiden lassen sie sich aber
durch ihren Einfluss auf die Rücklauftemperatur: Ein 3-Wege-Stellglied
verhindert eine Rücklauftemperaturanhebung und eignet sich daher ideal
für den Einsatz in modernen Heizanlagen mit Brennwertnutzung und
Pufferspeicher. 4-Wege-Mischer sind inzwischen hingegen durch die
Rücklaufanhebewirkung im Teillastbetrieb in modernen Anlagen nicht mehr
die richtige Wahl – denn heute sind allgemein niederste
Rücklauftemperaturen gefordert.
Was es bei der Planung zu beachten gilt
Neben der
Wahl von Schaltung und Armatur ist abschließend auch deren richtige
Dimensionierung wichtig. Hier gilt grundsätzlich: Keep it easy and
simple! Die Anlagenhydraulik sollte immer klar strukturiert und für
Dritte nachvollziehbar geplant und stabil in ihrer Funktion aufgebaut
werden.
Überdimensionierte Anlagen sind leider weit verbreitet –
dabei könnte dies durch eine korrekte Planung und Berechnung vermieden
werden. Sind die Stellglieder richtig dimensioniert, ermöglicht dies
Da Heizungen oft nur während 4 % einer Heizperiode ihre volle Heizlast ausschöpfen, ist eine korrekte Dimensionierung eminent wichtig, damit auch kleine Leistungen im Teillastbetrieb stabil ausgeregelt werden können. Das ist gerade in der Übergangszeit ein entscheidender Aspekt.
Ohne hydraulischen Abgleich geht es nicht
Um die
Anlage bestimmungsgemäß, störungsfrei und energetisch optimal zu
betreiben, ist ein hydraulischer Abgleich nach Abschluss der
Montagearbeiten unverzichtbar. Wird er nicht durchgeführt, kommt es zur
Über- oder Unterversorgung der Verbraucher – ob Fußbodenheizkreise,
Heizkörper oder Lufterhitzer. In der Folge sinkt sowohl die
Energieeffizienz der Gesamtanlage als auch der Komfort für den Nutzer,
denn die Raumtemperaturen lassen sich nicht mehr genau einstellen und es
treten störende Fließgeräusche auf.
Autor: Jürgen Lutz ist
Leiter des Seminar- und Schulungswesens Heiztechnik bei Resideo, dem
Hersteller von Honeywell Home Produkten. Er arbeitet im Standort
Schönaich.
Bilder: Resideo Technologies
Daten und Fakten
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