19. August 2020

Hydraulischer Abgleich mit thermostatischen Zirkulationsregulierventilen (Teil 1)

Die Begutachtung vieler ausgeführter Trinkwasser-Installationen mit unbefriedigender Temperaturhaltung bei zentral erwärmtem Trinkwasser hat gezeigt, dass Fehlfunktionen auch auf fehlbemessener Reguliertechnik zurückzuführen sind. Diese Beitragsreihe (zwei Teile) beschreibt, was getan werden muss, damit sich die Erwartungshaltung, „automatisches Einregulieren mit Einschalten der Zirkulationspumpe, bei Werkseinstellung der Ventile“, erfüllt1).

Grundlagen
Zur Sicherstellung der Trinkwasserhygiene wird der Temperatur des zentral erwärmten Trinkwassers besondere Bedeutung beigemessen. Daher müssen diese Anlagen so geplant, gebaut und betrieben werden, dass am Austritt aus dem Trinkwassererwärmer die Trinkwassertemperatur ≥ 60 °C beträgt. Kurzzeitige Absenkungen im Minutenbereich der Temperatur am Austritt des Trinkwassererwärmers sind tolerierbar, systematische Unterschreitungen von 60 °C jedoch inakzeptabel. Durch ein geeignetes Zirkulationssystem muss dafür gesorgt werden, dass bei einer Austrittstemperatur aus der Trinkwassererwärmungsanlage von 60 °C die Temperatur in allen Leitungen, in denen das erwärmte Trinkwasser zirkuliert, die Warmwassertemperatur nicht unter 55 °C absinkt. Bereits im Planungsprozess wird die Basis dafür gelegt, ob diese Temperaturhaltung gelingt oder nicht. Dabei trägt die verwendete Reguliertechnik einen nennenswerten Teil zum Erfolg bei.

Thermostatventile wurden mit dem Anspruch entwickelt, dass sich mit dem Einschalten der Pumpe das Zirkulationssystem über die Temperatur automatisch einreguliert. Bei einer Speicheraustrittstemperatur von 60 °C soll sich damit eine Temperaturhaltung in allen Teilstrecken oberhalb von 55 °C ergeben. Weiterhin soll bei einer Speicheraustrittstemperatur ≥ 75 °C ohne weiteren Eingriff eine thermische Desinfektion bei Temperaturen oberhalb von 70 °C ermöglicht werden.

Das vorgenannte Ziel kann in größeren Trinkwasser-Installationen nur erreicht werden, wenn die Leitungsanlage auf Grundlage der a. a. R. d. T. hydraulisch berechnet wurde, die Zirkulationspumpen die berechneten Zirkulationsvolumenströme zur Verfügung stellen können und nach vorbeschriebenem Muster eine sinnvolle Kombination aus dynamischer und statischer Reguliertechnik angeordnet wurde. Wie aus den hydraulischen Systemen der Heizungstechnik gewohnt und in der Fachwelt akzeptiert, muss auch die Reguliertechnik eines Zirkulationssystems auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse einer Rohrnetzberechnung ausgelegt werden.

Für eine automatische Einregulierung bei Werkseinstellung müssen die thermostatischen Zirkulationsregulierventile über Ventilkennlinien verfügen, die den hydraulischen Abgleich nur über die Temperatur des zirkulierenden Warmwassers sicherstellen können (Bild 1). Die Anforderungen an die Reguliertechnik sind je nach Aufbau und Größe des Zirkulationssystems stark unterschiedlich.

Zum Zwecke der thermischen Desinfektion muss in Warmwassersystemen weiterhin die Möglichkeit bestehen, auch an den entferntesten Entnahmestellen mindestens 70 °C zu erreichen [1, 2]. Zirkulationssysteme, die mit thermostatischen Regulierventilen ausgerüstet werden, müssen daher auch eine thermische Desinfektion mit mindestens 70 °C zulassen [3].

Zur Erfüllung der Anforderungen an thermostatische Zirkulationsregulierventile DN 15 aus dem DVGW-Arbeitsblatt W 554 (P) muss bei der vom Hersteller angegebenen Sollwerttemperatur (Werkseinstellung) der minimale kV-Wert (kV,min) spätestens nach 60 Minuten erreicht werden. Bei der voreingestellten Sollwerttemperatur – z. B. 58 °C – muss es dann in einem Toleranzbereich von +/- 1 K den minimalen kV-Wert einstellen. Der minimale kV-Wert muss dabei zwischen 0,02 m3/h und 0,1 m3/h liegen.

Der Einsatzbereich eines thermostatischen Zirkulationsregulierventils wird durch den minimal erreichbaren kV-Wert und maßgeblich durch die nutzbare Regelflanke zwischen 55 °C und 58 °C (Temperatursollwert der Werkseinstellung) definiert. Je länger die nutzbare Regelflanke (Bild 2), umso größer und flexibler der mögliche Einsatzbereich. Wie die Zusammenstellung einiger im Prüfstand messtechnisch ermittelter Kennlinien handelsüblicher thermostatischer Zirkulationsregulierventile DN 15 zeigt, verfügen die Ventile über stark unterschiedliche Eigenschaft en (Bild 3). Aus den Kennlinien der meisten Ventile lässt sich unschwer erkennen, dass eine automatische Einregulierung bei Werkseinstellung in größeren Zirkulationssystemen nicht gelingen kann.

Erstaunlicherweise verfügen die meisten untersuchten Thermostatventile überwiegend nicht über die in den betreffenden technischen Unterlagen veröffentlichten Kennlinien (positive Ausnahme: vgl. z. B. rote Ventilkennlinie in Bild 1 mit Bild 3). Sie erreichen dabei meistens nicht den werksseitig eingestellten Temperatursollwert (meistens 57 °C) im zugelassenen Toleranzbereich (± 1 K) und häufig auch nicht den minimal geforderten kV-Wert zwischen 0,02 m3/h und 0,1 m3/h. Sie öffnen darüber hinaus auch in den meisten Fällen bei 55 °C nicht weit genug. Einige Ventile weisen sogar im Bereich › 55 °C einen konstanten kV-Wert aus. Andere Ventile schließen bei Temperaturen › 60 °C vollständig. Eine thermische Desinfektion mit Temperaturen › 70 °C wird meistens nicht unterstützt [4].

Beispielsweise weist das MultiTherm-Ventil DN 15 von Kemper über eine nutzbare (aktive) Regelflanke zwischen 55 °C und 58 °C (werksseitig eingestellter Temperatursollwert) aus (Bild 2). Auch unterstützt es die thermische Desinfektion.

Statisches Vordrosseln
In der Vergangenheit führten maximale Drosselstellungen, berechnet nach DVGW-Arbeitsblatt W 553 [5], häufig zu unrealistisch kleinen kV-Werten für die Zirkulationsregulierventile nahe der Zirkulationspumpe. Das gipfelte in der Vorstellung einiger Anwender, man müsse hier ein statisches und ein thermostatisches Regulierventil in einer Teilstrecke direkt hintereinanderschalten oder ein thermostatisches Regulierventil mit statischer Vordrossel einsetzen, um entsprechende Berechnungsergebnisse bedienen zu können. Messtechnische Untersuchungen im Prüfstand zeigen aber, dass bei solchen Konstruktionen der dynamische Anteil der Reguliertechnik mit zunehmender statischer Vordrosselung unterdrückt und letztlich nur noch mit der statischen Komponente der Ventilkombination reguliert wird. Wie in der Heizungstechnik gilt auch hier die Regel, dass die Regelgüte durch den Druckabfall im Regelquerschnitt des Thermostatventils bestimmt wird.

In Zirkulationssystemen der Trinkwasser-Installation sind zwar kleinste kV -Werte auf der „letzten Rille“ eines statischen Regulierventils theoretisch noch darstellbar. Je nach Wasserqualität kommt es aber zu Kalkablagerungen am bzw. im Drosselquerschnitt. Zusätzlich können sich hier Schwebstoffe anlagern. Die Erfahrung hat gezeigt, dass statische Zirkulationsregulierventile mit solchen Regulierstellungen mehr oder weniger kurzfristig festsitzen und dadurch die Zirkulation unterbrochen wird. Die Temperaturhaltung bricht zusammen. Gleiches gilt für Thermostatventile, die mit Erreichen der Sollwerttemperatur vollständig schließen.

Vor diesem Hintergrund wurden Zirkulationsregulierventile entwickelt, die mit Erreichen der Sollwerttemperatur eine maximale Drosselstellung des Ventils sicherstellen, dabei aber nicht vollständig schließen. Bei thermostatisch geregelten Ventilen ist das Zusetzen des Regelquerschnitts nicht zu erwarten, da mit Verringerung des Strömungsquerschnitts im laufenden Betrieb – und dem damit verbundenen Temperaturabfall – das Ventil automatisch wieder öffnet. Einige Ventile verfügen zusätzlich über eine integrierte Reinigungsfunktion, die mit Bewegung des Regulierkegels aktiv wird.

Wegen der grundsätzlichen Bedeutung für die Funktion der Zirkulation hat der DVGW für solche Ventile Anforderungen zur Erteilung eines Prüfzeichens aufgestellt [6]. Thermostatische Zirkulationsregulierventile müssen dem DVGW-Arbeitsblatt W 554 entsprechen [7].
Zwischenfazit
Bereits während des Planungsprozesses werden die Grundsteine für ein funktionierendes Zirkulationssystem gelegt. Dabei trägt die Reguliertechnik maßgeblich zum Erfolg eines Zirkulationssystems bei. Die messtechnischen Untersuchungen zeigen, dass die meisten Zirkulationsregulierventile keinen hydraulischen Abgleich in größeren Zirkulationssystemen über die Werkseinstellung ermöglichen.
Im zweiten Teil des Artikels widmen sich die Autoren dem statischen und dynamischen Beimischverfahren sowie dem Vergleich zwischen Theorie und Praxis der Zirkulationssysteme.

Literatur:
[1] DIN EN 806-2, Abschnitt 3.6: Betriebstemperatur − Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen − Teil 2 Planung
[2] DVGW W 551, Abschnitt 8.2.1: Thermische Desinfektion
[3] DIN 1988-300, Abschnitt 7.3: Dokumentation/Zirkulationssysteme − Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen − Teil 300 Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW
[4] Bäcker, C.: Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Thermostatische Regulierventile in Warmwasser-Zirkulationssystemen“, FH Münster 2019
[5] DVGW W 553: Bemessung von Zirkulationssystemen in zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen
[6] DVGW W 554 (P): Technische Prüfgrundlage, Geregelte Zirkulationsventile
[7] DIN 1988-200, Abschnitt 6.4: Zirkulationsregulierventile

Autoren: Timo Kirchhoff M. Eng.; Christine Hornbergs B. Eng.; Prof. Dr.-Ing. Carsten Bäcker; Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann

Bilder: FH Münster und Gebr. Kemper GmbH + Co. KG

1) Ohne Anspruch auf Vollständigkeit wird auf bekanntgewordene Fehler hingewiesen, die aus einem fehlerhaften Aufbau des Zirkulationssystems, Einsatz ungeeigneter Reguliertechnik, aus Nichtbeachten der a.a.R.d.T. und/oder der Bemessungs-, Einsatz- sowie der Montagevorschriften der Hersteller usw. resultieren.