27. August 2020

Hydraulischer Abgleich mit thermostatischen Zirkulationsregulierventilen (Teil 2)

Von thermostatischen Regulierventilen in Zirkulationssystemen (zentrale Trinkwassererwärmung) wird erwartet, dass sich mit Einschalten der Pumpe die in den a. a. R. d. T. geforderten Temperaturen › 55 °C automatisch in allen Leitungen einstellen. Gleiches gilt für den Desinfektionsfall, wenn die Temperaturen mindestens 70 °C betragen müssen. Es ist bekannt, dass insbesondere in ausgedehnteren Trinkwasser-Installationen und bei Sanierungsmaßnahmen dieses Ziel manchmal nicht erreicht wird. Nachdem im Teil 1 die Grundlagen für den hydraulischen Abgleich und die dafür erforderlichen Anforderungen an die Reguliertechnik erläutert wurden, werden im 2. Teil die Fragen beantwortet, bei welchen Bedingungen thermostatische Zirkulationsregulierventile von Hand auf zuvor berechnete Werte eingestellt werden müssen und wann erwartet werden darf, dass sich der hydraulische Abgleich bereits mit Werkseinstellung der Ventile automatisch einstellt.

Statisches Beimischverfahren
Zur Vermeidung unrealistischer Anforderungen an die Reguliertechnik wurden mit dem sogenannten dynamischen Beimischverfahren (Zirkulationssimulation ab 2006) bzw. dem statischen Beimischverfahren in DIN 1988300 (ab 2012) zusätzlich verbesserte Berechnungsmethoden gegenüber dem DVGWArbeitsblatt W 553 entwickelt. In die Berechnungen zur Ermittlung der Zirkulationsvolumenströme wurde z. B. in DIN 1988300 der sogenannte (statische) Beimischgrad h eingeführt. Er kann zwischen 0 und 1 liegen [1]. Gegenüber einer Berechnung gemäß DVGWArbeitsblatt W 553 führt ein h › 0 dazu, dass die Zirkulationsvolumenströme in den pumpennahen Kreisen etwas größer und in den pumpenferneren Kreisen etwas geringer ausfallen. Dadurch ergeben sich in allen Bereichen des Zirkulationssystems realistischere Auslegungsbedingungen für die erforderliche Reguliertechnik. Die veränderte Volumenstromverteilung führt darüber hinaus prinzipiell auch zu geringeren Pumpendruckdifferenzen und damit auch zu Energieeinspareffekten.

Nach einer hydraulischen Berechnung eines Zirkulationssystems liegen die berechneten Betriebspunkte noch nicht auf der Kennlinie thermostatischer Zirkulationsregulierventile (Bild 1). Das Ergebnis ist daher noch hydraulisch unbestimmt. Erst wenn alle Betriebspunkte sich auf den jeweiligen Kennlinien der Ventile befinden und dabei die Temperaturen im Zirkulationssystem an jeder Stelle › 55 °C betragen, ist es in ausreichendem Maße hydraulisch abgeglichen. Damit ist auch die normative Anforderung erfüllt, dass die Sollwerte der Zirkulationsregulierventile so eingestellt werden müssen, dass in allen Zirkulationskreisen die nach DIN 1988200 geforderten Temperaturen nicht unterschritten werden [2].

Für den rechnerischen Nachweis des hydraulischen Abgleichs gemäß DIN 1988300 stehen grundsätzlich zwei Verfahren zur Verfügung. In dem einen Fall müssen alle Ventile, auch die thermostatischen Zirkulationsregulierventile, „von Hand“ auf vorberechnete Werte eingestellt werden. Im anderen Fall gilt diese Anforderung nur für die statischen Regulierventile; die thermostatischen Zirkulationsregulierventile verbleiben bei Werkseinstellung (58 °C).

Damit sich die Zirkulationsvolumenströme aus einer statischen Beimischrechnung (Beimischgrad h zwischen 0 und 1) einstellen, muss der tatsächliche Druckabfall über dem Zirkulationsregulierventil der Berechnung entsprechen. Bei einer statischen Beimischrechnung muss daher zur Sicherstellung des hydraulischen Abgleichs jedes Ventil „von Hand“ eingestellt werden. Diese Forderung gilt aus drücklich auch für die thermostatischen Zirkulationsregulierventile.

Bei der Einstellung eines beliebigen Sollwertes an einem Thermostatventil gibt es eine häufig anzutreffende Fehleinschätzung: Prinzipiell wird nicht die am Einbauort des Ventils berechnete Temperatur des zirkulierenden Trinkwassers am Ventil eingestellt, sondern die Temperatur, bei der der minimale kVWert (kV,min) des Ventils erreicht wird (s. a. DVGW W 554 (P)). Mit Veränderung der Temperatur-Sollwerteinstellung am Ventil muss die Kennlinie solange parallel zur xAchse (Temperatur) verschoben werden, bis der berechnete Betriebspunkt auf der Kennlinie liegt. Im Beispielfall (Bild 1 und Bild 2) muss das Zirkulationsregulierventil auf eine Sollwerttemperatur von 57 °C eingestellt werden, damit der aus der Berechnung vorgegebene Betriebspunkt (kV = 0,3 m3/h bei 56,1 °C) erreicht wird. Diese Vorgehensweise stellt nur eine Möglichkeit dar, wie die Auslegung der Zirkulationsregulierventile bzw. der hydraulische Abgleich im normativen Sinne nachgewiesen werden kann [3].

Unter Berücksichtigung der Toleranzen der verwendeten Dehnstoffelemente ist eine Einstellung der Sollwerttemperatur im Nachkommabereich fragwürdig. Noch fragwürdiger ist die Einstellung von Thermostatventilen, die ihren minimalen kV-Wert nicht im geforderten Temperaturtoleranzbereich gemäß DVGW W 554 (P) erreichen (Bild 3) und damit nicht den a. a. R. d. T. entsprechen.

Dynamisches Beimischverfahren
In der Praxis wird allerdings erwartet, dass sich ein mit thermostatischen Zirkulationsregulierventilen ausgestattetes Zirkulationssystem mit Einschalten der Zirkulationspumpe automatisch über die Temperatur einreguliert, ohne dass Thermostatventile „von Hand“ eingestellt werden müssen. Im Gegensatz zu einer statischen Beimischrechnung wird bei einer dynamischen Beimischrechnung (Zirkulationssimulation) davon ausgegangen, dass thermostatische Zirkulationsventile nicht mehr „von Hand“ einreguliert werden müssen.

Grundlage der Simulationsrechnung ist ein variabler Beimischgrad, der für jedes verwendete Zirkulationsregulierventil ermittelt wird. Dazu wurde von Kemper die sogenannte Simulationsrechnung für Zirkulationssysteme (Dendrit Studio 2.0) eingeführt. Damit kann für das fertig dimensionierte Zirkulationssystem der zu erwartende Zirkulationsbetrieb simuliert werden. Im Rahmen dieser Simulation werden mit einer Volumenstromverteilung – die thermostatische Zirkulationsregulierventile auf ihrer Armaturenkennlinie real einstellen können – die Temperaturen im gesamten System nachberechnet. Vor der Simulationsrechnung liegen z. B. die geforderten Betriebspunkte aus der Beispielberechnung noch neben den Kennlinien (Bild 4 und Bild 5, rote Punkte), nach der Simulation auf den Ventilkennlinien (blaue Punkte). Damit wird der Nachweis geführt, dass das Zirkulationssystem auch bei Werkseinstellung der thermostatischen Zirkulationsregulierventile (hier „MultiTherm“/“EtaTherm“, Kemper) im Sinne der DIN 1988300 hydraulisch abgeglichen ist und die Temperaturanforderungen gemäß DIN 1988200 erfüllt werden. Diese Nachweise können nicht nur für den normalen Betriebsfall, sondern auch für den Desinfektionsfall geführt werden.

Weiterhin können mit diesem Verfahren beliebig vorgegebene Rohrnetze nachberechnet und so Fehler identifiziert werden, die sich aus einem ungeeigneten konstruktiven Aufbau, fehlerhafter Bemessung der Rohrleitungen und/oder Reguliertechnik, unzureichender Dämmung usw. ergeben. Darüber hinaus können die automatisch ausgewählten oder „von Hand“ vorgegebenen Zirkulationspumpen (hier Wilo) realitätsnah eingestellt werden (Bild 6). Des Weiteren kann für jedes Regulierventil einzeln oder für alle thermostatischen Zirkulationsregulierventile global die Sollwerteinstellung verändert werden. Mit einer sich anschließenden Simulationsrechnung können die aus den veränderten Einstellungen resultierenden Auswirkungen auf den Zirkulationsvolumenstrom und die Temperaturen des zirkulierenden Wassers überprüft werden.

Theorie versus Praxis
Es gehört leider zur Baustellenpraxis, dass Zirkulationssysteme nur in Ausnahmefällen wie geplant in Betrieb genommen werden. In der Regel führen Veränderungen am Rohrnetz während der Bauphase auch zu veränderten Betriebsbedingungen. Die Veränderungen müssen dann nachträglich ausgeregelt werden. Das führt nicht selten dazu, dass zur Sicherstellung der Funktion eine höhere Pumpendruckdifferenz erforderlich wird als ursprünglich rechnerisch vorgesehen war. Diese Verhältnisse sprechen eher für eine „automatische“ Einregulierung über Thermostatventile mit Werkseinstellung sowie den Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen – und gegen eine zeitaufwendige „nachkommastellengenaue Einstellung“ aller Zirkulationsregulierventile „von Hand“.

Da eine Einstellung der Zirkulationsregulierventile an der Baustelle vermutlich von den Praktikern weder akzeptiert noch geleistet werden kann, ist die Durchführung einer Simulationsrechnung zum Nachweis der in DIN 1988200 geforderten Temperaturen dringend empfehlenswert. Die langjährige Berechnungserfahrung mit Simulationsrechnungen für sehr große und stark verzweigte Zirkulationssysteme in Krankenhäusern, Hotels, Altenheimen usw. zeigt, dass sich die geforderten Temperaturen ≥ 55 °C mit der Werkseinstellung (richtig bemessener) Zirkulationsregulierventile „automatisch“ einstellen.

Für eine einwandfreie Funktion ist nicht die Anzahl verbauter thermostatischer Regulierventile ein entscheidendes Kriterium. Zur Erfüllung der normativen Anforderungen muss vielmehr nachgewiesen werden, dass das Zirkulationssystem hydraulisch abgeglichen ist und dabei die Temperaturanforderungen gemäß DIN 1988200 erfüllt werden können [2]. Die Anzahl der erforderlichen Regulierventile hängt von deren Eigenschaften ab und ist nicht limitiert.

Die Berechnungsergebnisse einer Simulation zeigen darüber hinaus, dass mit Thermostatventilen die Temperaturhaltung auch mit deutlich geringeren Pumpendruckdifferenzen als nach DVGW-Arbeitsblatt W 553 bzw. DIN 1988300 (h = 0) berechnet möglich ist. Der Temperaturverlauf in Bild 5 zeigt beispielhaft, dass der Temperaturabfall im zirkulierenden Kreis nur ≈ 4 K beträgt. Da der zulässige Temperaturabfall mit 5 K definiert ist, könnten die Pumpendruckdifferenz und damit der Zirkulationsvolumenstrom noch weiter reduziert werden.

Fazit
Die Begutachtung vieler ausgeführter Anlagen mit unbefriedigender Temperaturhaltung hat gezeigt, dass die Fehlfunktionen nicht nur auf Zirkulationspumpen mit zu geringer Leistung und/oder auf zu geringe Nennweiten im Zirkulationssystem, sondern maßgeblich auch auf fehlbemessene Reguliertechnik zurückzuführen sind. Dabei sind nicht die thermostatischen Zirkulationsregulierventile mit vermeintlich zu großen kVWerten in pumpennahen Bereichen ursächlich. Sofern hier Ventile eingesetzt werden, die nach DVGW W 554 geprüft wurden und damit über einen kVWert ≤ 0,1 m3/h verfügen, ist der hydraulische Abgleich in nahezu jeder Situation ausreichend sichergestellt (Bild 4). Das Einregulierungsproblem liegt vielmehr daran, dass pumpenferne thermostatische Zirkulationsregulierventile nicht weit genug öffnen können. Daher müssen sie nicht nur drosseln, sondern auch bei 55 °C noch weit öffnen können. Ist das nicht gegeben, gelingt die automatische Einregulierung und damit die geforderte Temperaturhaltung oberhalb von 55 °C bei einer ganzen Reihe handelsüblicher Ventile schon bei weniger als 10 Steigleitungen nicht mehr (Bild 3). Aufgrund völlig unterschiedlicher Kennlinienverläufe der im Markt verfügbaren Reguliertechnik (Bild 3 muss bei einem gedankenlosen Wechsel des Fabrikats in der Ausführungsphase ohne erneuten rechnerischen Nachweis des hydraulischen Abgleichs eine Fehlfunktion der Warmwasserzirkulation erwartet werden. Die geforderten Temperaturen ≥ 55 °C können dann nicht mehr eingehalten werden.

Bei festgestellten Fehlfunktionen sollte zunächst die Bemessung des Rohrnetzes mit Blick auf die pumpenfernen Nennweiten in hydraulisch ungünstigen Zirkulationskreisen und die dort angeordneten thermostatischen Zirkulationsregulierventile kritisch überprüft werden.

Literatur:
[1] DIN 1988-300, Abschnitt 6.2.1: Wärmeverluste und Volumenströme
[2] DIN 1988-300, Abschnitt 6.5: Einregulierung des Systems
[3] DIN 1988-300, Abschnitt 7.3 Dokumentation/Zirkulationssysteme

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