Hydraulischer Abgleich inklusive

Die Richard-von-Weizsäcker-Schule in Öhringen ist in Deutschland das bislang größte in Passivhausbauweise erstellte Schulgebäude. Zwei der insgesamt drei Bauteile wurden in diesem Standard nach der Vorgabe gebaut, dass der Primärenergiebedarf nicht mehr als 15 kWh je Quadratmeter und Jahr betragen darf. Ein Zertifikat der Passivhaus Dienstleistung GmbH in Darmstadt bescheinigt die Ausführung als qualitätsgeprüftes Passivhaus.

Hauptbestandteil des Energiekonzeptes ist eine Lüftungsanlage, die für einen Wärmerückgewinnungsgrad von 90 % ausgelegt ist. Über das Lüftungssystem wird ein großer Teil der Heizwärme aus den Unterrichtsräumen zurückgewonnen – zusammen mit der Abwärme von Beleuchtung, Geräten und auch Personen, die in den Räumen sitzen und arbeiten. Vor allem die Schüler haben in ihrer Passivhaus-Schule dadurch zusätzlichen Komfort gewonnen, dass in den Klassenräumen jederzeit frische und klimatisierte Raumluft vorhanden ist.

Mit Gesamtkosten von 26 Mio. € ist die Richard-von-Weizsäcker-Schule das teuerste Bauprojekt, das der Landkreis Hohenlohe bislang realisiert hat. Von dieser Summe floss rund 1 Mio. € in die Ausstattung als Passivhaus, hierzu zählen die Gebäudedämmung und das Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung und zugehöriger Anlagentechnik. Der Bauteil C mit Werkstatt- und Küchenbereichen sowie EDV-Räumen wurde im Niedrigenergiestandard ausgeführt.

Heizkreise mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften

Die Wärmegrundlast des Gebäudes wird durch einen 220 kW-Pelletsheizkessel gedeckt. Ein 90 kW Gas-Brennwertkessel schaltet sich bei Spitzenlast hinzu. Die Heizwärme wird über verschiedene Systeme an die Raumluft in den Unterrichtsräumen, Fluren und Verwaltungsbereichen abgegeben. In den Unterrichtsräumen gleichen statische Heizflächen den Transmissionswärmebedarf aus, während der Lüftungswärmebedarf über die RLT-Anlage gedeckt wird. Eingangshalle und Flure werden über ein Flächenheizsystem beheizt. Die Flure dienen hierbei gleichzeitig als Rückluftkanäle, um die verbrauchte und erwärmte Luft aus den Unterrichtsräumen wieder der im Lüftungssystem integrierten Wärmerückgewinnung zuzuführen. In den Werkstattbereichen leiten Deckenstrahlplatten die Wärme in den Raum.

Besondere Anforderungen an die Anlagenhydraulik stellen sich also durch die unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften und Systemtemperaturen von Radiatoren-, Fußboden- und Lufterhitzer-Heizkreisen. Durch das Prinzip der mengenvariablen Beimischschaltung werden die Heizkreise nur mit den lastabhängig benötigten Heizwassermengen versorgt.

Dazu sind verschiedene Systemtemperaturen bereitzustellen:

- Statische Heizung: 60/40 °C,

- Fußbodenheizung: 45/40 °C,

- Lufterwärmung für RLT-Anlagen: 65/45 °C

Kein kaltes Heizwasser mehr umwälzen

Die Wärmeerzeugung für die Passivhaus-Schule wird witterungsabhängig durch eine übergeordnete Regelung geführt. In der Gebäudeleittechnik ist für jeden Heizkreis eine eigene Heizkurve hinterlegt. Am Heizungsverteiler in der Dachzentrale verwaltet ein von KSB entwickeltes hydraulisches Regelsystem die bedarfsgerechte Versorgung der Heizkreise für die drei Gebäudeteile des Schulkomplexes. Das Regelsystem „Boa-Systronic“ setzt sich je Heizkreis aus einem Mess- und Absperrventil, einem Regelventil mit Steuereinheit („Systrobox“) sowie einem Regelventil für die Beimischleitung zusammen. Das Regelsystem passt die Heizwassermenge automatisch an, sobald sich im Heizkreis die Lastsituation ändert. Wenn in den Unterrichtsräumen bei Wärmegewinn durch Sonneneinstrahlung die Thermostatventile schließen, reduziert das Hauptventil die Heizwassermenge. Gleichzeitig liefert die Steuereinheit am Hauptventil den neuen Förderhöhen-Sollwert an die Umwälzpumpe, um auch den Förderstrom der veränderten Lastsituation anzupassen. Damit wird auch kein kaltes Heizwasser mehr umgewälzt, wenn zeitweise keine Wärmeanforderung besteht.

Die Vorteile zeigen sich nicht nur in einem deutlich reduzierten Pumpenstrombedarf, sondern auch im Komfort für die Nutzer des Gebäudes: „Durch das automatische Anpassen der Förderleistung ist ausgeschlossen, dass an einem Heizkörper störende Fließgeräusche auftreten, wenn die Thermostatventile nur noch minimal offen sind“, sagt Dipl.-Ing. (FH) Matthias Herrenbauer, TGA-Fachplaner aus Heilbronn und verantwortlich für die Planung des Heizungs- und Lüftungssystems.

Kombinierte Regelung von Temperatur und Volumenstrom

Das Regelsystem „Boa-Systronic“ koordiniert das Zusammenspiel von Regelarmaturen und Umwälzpumpe so, dass im Heizkreis sowohl die Temperatur als auch der Massenstrom der benötigten Leistung angepasst wird. Über alle Lastsituationen hinweg läuft die Pumpe damit stets nahe der Anlagenkennlinie. Bei Bedarf reduziert das im Bypass angeordnete Regelventil den Volumenstrom noch weiter, falls die Umwälzpumpe bereits auf kleinster Förderleistung arbeitet. „Ein hydraulischer Abgleich der am Verteiler angeschlossenen Heizkreise ist dadurch nicht mehr erforderlich“, erklärt Joachim Traum, Planer-Fachberater bei KSB. Für die Einregulierung der vom Hauptstrang abzweigenden Stränge genügt jeweils ein Durchflussregulierventil, mit dem die Soll-Durchflussmenge voreingestellt wird. Auch konnte in der Heizungsverteilung der Passivhaus-Schule auf eine Systemtrennung zwischen statischen Heizkreisen und den Fußbodenheizkreisen verzichtet werden.

Tiefe Rücklauftemperaturen für den Brennwertkessel

Der wesentliche Unterschied zur konventionellen Beimischschaltung ist beim System „Boa-Systronic“ die variable Steuerung des Volumenstroms im Heizkreis: Das Prinzip der Beimischung wird beibehalten; anstatt jedoch eine zu niedrige Mischtemperatur zu erzeugen und im Teillastfall unnötig große Mengen kaltes Wasser umzuwälzen, wird der Massenstrom dem Wärmebedarf angepasst. Die Förderleistung der Pumpe wird dabei mit den Ventilstellungen der beiden Regelventile abgestimmt. Durch die bedarfsgerechte Regelung von Temperatur und Volumenstrom kann auch dem als Spitzenlastkessel eingesetzten Gas-Brennwertheizgerät das Heizwasser mit der nötigen tiefen Rücklauftemperatur zugeführt werden. Von der Gebäudeleittechnik als übergeordnete Regelung erhalten die „Boa-Systronic“-Regelventile das Stellsignal. Die Ansteuerung des Regelsystems kann auch über jede konventionelle Heizungsregelung mit Dreipunktsignal oder 0 bis 10 V-Signal erfolgen.

Die Auslegungs-Simulationen anhand der Lastprofile ergeben im Vergleich zur konventionellen Beimischschaltung mit drehzahlgeregelter Umwälzpumpe eine Reduzierung des Pumpenstromverbrauchs um bis zu 70 %. Bei der Inbetriebnahme des Regelsystems „BOA-Systronic“ verbindet ein Service-Mitarbeiter von KSB oder ein geschulter SHK-Fachmann die „Systrobox“-Steuereinheit mit einem Laptop, über das die erforderlichen Parameter mit einer systemspezifischen Software übertragen werden. „Für die Inbetriebnahme werden der Nennvolumenstrom, die minimale Förderhöhe der Umwälzpumpe, der Widerstand des Heizkreises und die Nennweite der Regelventile eingegeben. Das Regelsystem sucht sich dann anhand dieser Daten selbsttätig die richtige Anlagenkennlinie“, erläutert KSB-Planerberater Joachim Traum die Vorgehensweise bei der Inbetriebnahme.