Herausforderung Change-Over-System

Teil 2: Lösungen für die Regelung

Im ersten Teil des Fachbeitrags in der vorigen Ausgabe wurden die Besonderheiten bei der Planung von Change-Over-Systemen im Hinblick auf die Regelung, den hydraulischen Abgleich und die Druckhaltung thematisiert. In diesem zweiten Teil werden nun mögliche Lösungen für die entsprechenden Herausforderungen vorgestellt.

Eine besondere Herausforderung bei der Planung und Installation von Change-Over-Systemen ist die fachgerechte hydraulische Einregulierung (hydraulischer Abgleich). Darüber hinaus erfordern die Druckhaltung und die möglichen Auswirkungen des Mediumtransfers, ausgelöst durch das Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb, besondere Aufmerksamkeit im Planungsprozess sowie der Auslegung einer Anlage. Bei der Wahl von Kühldecken sollte stets auch die einfache Installation, die elektrische Verdrahtung und Inbetriebnahme (Einstellungen für Heiz- und Kühlvolumenstrom) im Blick behalten werden.

Wie im ersten Teil des Fachbeitrags beschrieben, kann eine mögliche Lösung die Installation von zwei Druckhaltesystemen sein, die durch eine Ausgleichsleitung verbunden und mit einem motorisierten Ventil ausgestattet sind. Dieses Ventil ermöglicht den Ausgleich zwischen den Ausdehnungsvolumen auf der Wärme- und Kälteseite. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System sollte das Abgleichventil in der Lage sein, die beiden unterschiedlichen Durchflussmengen entsprechend der Heiz- oder Kühlleistung gleichermaßen zu regeln.

Abgleich und Regelung in 2-Leiter-Systemen

Von besonderem Interesse für den Anlagenplaner ist die Betrachtung des Abgleichs und der Regelung in Change-Over-Systemen mit zentraler Umstellung oder Wechsel nach Zone (2-Leiter-Systeme), da diese in aktuellen Projekten besonders oft zum Einsatz kommen. In einem System mit zentraler Umschaltung oder einem Wechsel nach Zone wechseln alle oder eine Gruppe von Endgeräten vom Heiz- in den Kühlbetrieb. Sofern das Verhältnis von Heizwasser- und Kaltwasservolumenstrom bei allen Endgeräten identisch ist, kann ein proportionaler Abgleich genutzt werden.

Wenn das Durchflussverhältnis ungleich ist, ist das Gesetz der hydraulischen Proportionalität hier nicht geeignet, um den Abgleich der Anlage zu erreichen. In diesem Fall gewährleistet nur ein „digitaler“ Abgleich über den Motor eines differenzdruckunabhängigen Regelventils den korrekten Heiz- und Kaltwasservolumenstrom für jedes einzelne Endgerät der Installation. Die Information zum Umschalten zwischen Heizen/Kühlen erfolgt dabei über einen Digitaleingang am Motor des Ventils. Die Ansteuerung des Digitaleingangs erfolgt über einen zentralen Regler oder einen Change-Over Thermostat.

Abgleich und Regelung mit individueller Umschaltung (4-Leiter-System)

Eine weitere Einsatzvariante sind Change-Over-Systeme mit individueller Umschaltung in 4-Leiter-Systemen. Hier ersetzt ein 6-Wege-Ventil vorteilhaft einen Satz von vier motorisierten 2-Wege-Ventilen, die für das Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb nötig wären. Ein 6-Wege-Ventil ist ein Ventil mit zwei sequenziell arbeitenden Kugelhähnen mit Vierteldrehung. Das Ventil ist mit einem Drehmotor ausgestattet, der durch ein 0-10 V oder 2-10 V Modulationssignal gesteuert wird. Ein Teil des Signals wird für die Steuerung des Warmwasserdurchflusses genutzt, ein Teil für den Kaltwasservolumenstrom und ein Teil für die „neutrale Zone“ zwischen den beiden. Die Vierteldrehung ist in drei Teile gesplittet, d.h. dass nur eine 1/12-Umdrehung zur Regelung des Heiz- und Kaltwasserdurchflusses zur Verfügung steht. Diese Unterteilung führt dazu, dass der Regelbereich eines 6‑Wege‑Ventils sehr klein ist.

Das zeigt das folgende Beispiel, ein Change-Over-System mit einer Kühlleistung von 900 W bei einer Wassertemperatur von 16 °C am Verbrauchereingang und 19 °C im Rücklauf. Das Δt beträgt 3 K, der Kaltwasserdurchfluss 258 l/h. Beim Heizen führt eine Leistung von 1.100 W bei einer Wassertemperatur von 33 °C am Verbrauchereingang und 23 °C im Rücklauf zu einem Heizwasserdurchfluss von 95 l/h. Bei diesen Volumina beträgt die Öffnung des 6-Wege-Ventils lediglich 16,5° im Kühlmodus und 5° im Heizbetrieb. Werden zusätzlich die Druckschwankungen berücksichtigt, die durch das Schließen bestimmter Ventile im Teillastbetrieb entstehen, reduziert sich der Regelweg des 6-Wege-Ventils nochmals. Im Ergebnis bietet ein 6-Wege-Ventil – ungeachtet vom Hersteller – weder einen korrekten hydraulischen Abgleich der Anlage, noch eignet es sich zur Regelung des Heiz- und Kaltwasserdurchflusses.

Um dieses Problem zu lösen, stehen vier unterschiedliche Optionen zur Verfügung:

- Wie in Bild 3 zu sehen, werden der Heiz- und der Kaltwasserrücklauf am 6-Wege-Ventil durch ein Abgleichventil vom Typ STAD abgeglichen. Die Stabilisierung des Differenzdrucks wird durch einen Differenzdruckregler sichergestellt, der zwischen Eingang und Rücklauf einer Gruppe 6-Wege-Ventile platziert ist, bspw. auf jeder Etage der Installation.

- Alternativ lässt sich der Abgleich zwischen Heiz- und Kaltwasserdurchfluss auch durch den Einsatz druckunabhängiger Ventile erreichen. In diesem Fall wird der hydraulische Abgleich vereinfacht und auf den Einsatz eines Differenzdruckreglers im Rohrnetz kann verzichtet werden.

- Eine weitere Lösung ist die Installation eines Ultraschall-Durchflussmessers, der das Messen des Wasservolumenstroms am Ventilausgang in Richtung der Kühldecken ermöglicht. Der hydraulische Abgleich wird dann durch die Begrenzung des Drehwinkels des 6-Wege-Ventils erreicht. Diese muss zudem die Differenzdruckschwankungen in der Betriebsdynamik kompensieren, das hat wiederum Einfluss auf die Qualität der Regelung. Um den Betrieb zu verbessern, muss daher ein Differenzdruckregler in jedem Zweig des Rohrnetzes eingebaut werden.

- Die vierte Lösung besteht aus der Verwendung eines druckunabhängigen Regelventils, um sowohl den Abgleich des Heiz- und Kaltwasserdurchfluss als auch eine tatsächliche Durchflussregelung sicherzustellen.

In diesem Beispiel dient das 6-Wege-Ventil nur zum Umschalten zwischen dem Heiz- und dem Kaltwasserkreislauf. Der Motor des modulierenden, druckunabhängigen Regelventils ist hier elektrisch mit dem Motor des 6-Wege-Ventils verbunden. Die Konfiguration des „steuernden“ Motors erfolgt digital über eine App. Im Beispiel (Bild 9 und 10) ist der Heizwasservolumenstrom auf 95 l/h eingestellt und die Kaltwasserdurchflussmenge auf 258 l/h. Abhängig vom 0-10 V-Signal der Steuerung gewährleistet der Motor den jeweils richtigen Volumenstrom für Heiz- oder Kaltwasserbetrieb sowie eine leistungsabhängige stetige Regelung.

Zwischen dem Signal 4,5 und 5,5 Volt bewirkt das integrierte Relais das Umschalten des 6-Wege-Ventils zwischen Heiz- und Kaltwasserbetrieb. So wird mit dieser Konstellation die Inbetriebnahme der Anlage inkl. des hydraulischen Abgleichs erheblich erleichtert.

Fazit

Kombinierte Heiz-/ Kühlsysteme – sogenannte Change-Over-Systeme – ermöglichen einen einfachen Wechsel zwischen Heiz- und Kühlmodus. Die besondere Herausforderung bei dieser Art der Installation ist eine gute hydraulische Einregulierung, zudem erfordern die Druckhaltung und die möglichen Auswirkungen des Mediumtransfers besondere Aufmerksamkeit im Planungsprozess sowie bei der Auslegung einer Anlage.

Die verschiedenen Wasserregister für Kühldeckenkreisläufe lassen sich bspw. effizient durch eine Einspritzschaltung mit 2-Wege-Durchgangsventil anstelle einer Beimischschaltung mit 3-Wege-Ventil regulieren. Eine Lösung zur Druckhaltung bzw. zum Flüssigkeitstransfer vom Kältekreislauf in den Heizkreislaufs kann die Installation von zwei Druckhaltesystemen mit Ausgleichsleitung und einem motorisierten Ventil sein, um den Ausgleich zwischen den Ausdehnungsvolumen auf der Wärme- und Kälteseite herzustellen.

Für den Abgleich und die Regelung bei einem 4-Leiter-System mit individueller Umschaltung stehen mehrere Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung. Der Einsatz eines Differenzdruckreglers zwischen einer Gruppe 6-Wege-Ventile, alternativ dazu der Einsatz eines druckunabhängigen Ventils, die Installation eines Ultraschall-Durchflussmessers oder die Verwendung eines druckunabhängigen Regelventils, um sowohl den Abgleich des Heiz- und Kaltwasserdurchfluss als auch eine tatsächliche Durchflussregelung sicherzustellen.

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