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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.
Was ist eine hydraulische Schaltung und wofür wird sie benötigt?
Eine hydraulische Schaltung bezeichnet die Verbindung von Erzeugerkreis, Wärmeverteilung und Verbraucherkreis zu
einer funktionsfähigen Heizungsanlage. Sind die einzelnen Komponenten im Heizkreis richtig angeordnet,
sorgfältig miteinander kombiniert und ideal aufeinander abgestimmt, kann die Anlage energieeffizient arbeiten
und die Nutzer genießen den Komfort ideal temperierter Räume. Die hydraulische Schaltung ist also 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:
- Regelung von Teillastzuständen, da in Deutschland nur sehr selten die volle Heizlast einer Anlage
ausgeschöpft wird (96% der Heizperiode im Teillastbetrieb)
- Reduzierung von Verteilverlusten
- Absenkung des Temperaturangebots
- Einstellung von variablen Betriebs- und Nutzungszeiten
- Möglichkeit zur Systemtrennung und Entkopplung einzelner Erzeuger- oder Abnehmerkreise, beispielweise bei
Mehrkesselanlagen
- Management der Energiespeicherung (Puffer)
- Heizkesselschutz durch kontrollierte Regelung der Rücklauftemperatur
Merke: Die Anlagenhydraulik bestimmt das Regelergebnis und die Regelgüte!
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, sogenannte 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 sehr 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 Herausforderungen bei Mehrkesselanlagen oder multivalenten Systemen
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
- eine gute Ventilautorität und
- die volle Nutzung des Stellbereichs von Mischer oder Ventil.
Da Heizungen oft nur während vier Prozent 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.
Festhalten lässt sich: Bei der Wahl der richtigen Schaltung und bei ihrer Dimensionierung sollte sorgfältig
vorgegangen werden und am Ende darf der hydraulische Abgleich der Gesamtanlage nicht vergessen werden.
Sind diese Grundlagen erfüllt, können moderne Wärmeerzeuger gemäß ihrer Bestimmung effizient arbeiten und ihr
Potenzial voll ausschöpfen. So bringt die Investition in eine neue Heizungsanlage für den Nutzer auch das
erwünschte Ergebnis.
Autor:
Jürgen Lutz ist Leiter des Seminar- und Schulungswesens Heiztechnik bei Resideo, dem Hersteller von Honeywell Home Produkten. Er arbeitet im Standort Schönaich.
Kontakt:
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mail: info.de@resideo.com
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