Messen versus Voreinstellen

Der Grund für das unterschiedliche Optimierungspotential beim hydraulischen Abgleich zwischen Messung und Voreinstellung liegt im Verhältnis von Theorie zur Praxis: Rohrlängen und -ausführungen weichen oftmals von der Planung ab, was Änderungen der Druckverluste in Leitungen bzw. Strängen zur Folge hat. Statt der definierten Heizlast treten variierende Lastzustände auf, die zu Schwankungen des Differenzdrucks und damit des Volumenstroms führen. Der Abgleich mittels Voreinstellung fußt jedoch auf idealen Voraussetzungen, die oft von den realen Betriebsbedingungen abweichen. Dies verursacht eine schlechte Klimakontrolle. Das wiederum mindert nicht nur den klimatischen Komfort, sondern führt im Extremfall zu störenden Fließgeräuschen und, durch Erhöhung der Pumpenleistung oder Wartungseinsätzen, zu Mehrkosten. Mit dem Abgleich per Volumenstrommessung wird dagegen ein hoher Wirkungsgrad erzielt – vor allem bei der Nutzung von automatischen Ventilen.

Im Rahmen des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Optimus-Projekts [1] wurden die Heizsysteme von rund 90 Ein- und Mehrfamilienhäusern verschiedenen Alters energetisch optimiert. Neben der Einstellung der Pumpenförder­höhe und der Vorlauftemperatur am zentralen Regler war der hydraulische Abgleich mittels Voreinstellung an Thermostatventilen eine Maßnahme. Das Ergebnis in Kurzfassung: eine Heizwärmeenergieeinsparung von durchschnittlich 8 kWh/(m²a) bezogen auf die beheizte Fläche.

„Ein überzeugendes Resultat, das die Relevanz des hydraulischen Abgleichs untermauert“, resümiert Andreas Gutzmann, Sales Development Manager Balancing DACH bei Flamco Meibes. Er weist darauf hin: „Es gilt, bei der Abgleichmethode darauf zu achten, dass die schwankenden Differenzdrücke im System kompensiert werden. Ansonsten funktioniert die Anlage nur im Auslegungszustand optimal.“

Der ideale Zustand wird unter realen Bedingungen nicht mehr erreicht, entsprechend stellt sich auch das hydraulische Gleichgewicht nicht mehr zu 100 % ein. „Zwar funktioniert das System zufriedenstellend und auch weiter von der Pumpe entfernte Heizkörper werden ausreichend warm. Das ist verständlicherweise oftmals die größte Sorge des Installateurs, da eine kalte Wohnung zu Problemen mit Mietern und somit zu Wartungseinsätzen führt, die nicht einkalkuliert sind. Ob die Heizkosten niedriger sein könnten, ist oft nur eine sekundäre Frage“, gibt Andreas Gutzmann zu bedenken. Deswegen empfiehlt er den hydraulischen Abgleich mittels Volumenstrommessung.

Abgleich mit Messung:

Fakten schaffen statt auf Theorie verlassen

Doch auch beim hydraulischen Abgleich mit Messung gibt es Unterschiede, die in Abhängigkeit zur Ventilauswahl stehen. Man differenziert zwischen statischen und dynamischen Ventilen. Erstere sind, zusammen mit dem Abgleich per Voreinstellung an Thermostatventilen, bei der KfW als Methoden akzeptiert, die im Rahmen energetischer Einzelmaßnahmen bezuschusst werden. Trotzdem sieht Abgleich­experte Andreas Gutzmann beim Einsatz von statischen Ventilen Nachteile: „Wird dort nämlich an einem Ventil der Volumenstrom geändert, wirkt sich das auf alle anderen Stränge aus, da sich die Druckverhältnisse, Lastzustände und Differenzdrücke im ganzen System verändern.“ Das heißt: Reguliert der Installateur den Durchfluss auf Basis der vom Planer berechneten Voreinstellung und werden während der Durchführung von Testmessungen an einem Ventil Anpassungen vorgenommen, wirkt sich dies ungünstig auf das gesamte hydraulische System aus. Eine weitere Problematik ergibt sich insbesondere bei größeren Objekten mit komplexeren Heizungsanlagen. Dort kommt es in verschiedenen Strängen eines Verteilers aufgrund des unterschiedlichen Wärmebedarfs in den Bereichen zu Abweichungen bei den geforderten Volumenströmen.

Statische Abgleichventile: viel Aufwand, wenig Nutzen

Dementsprechend aufwendig ist die Durchführung des hydraulischen Abgleichs, bei dem die optimale Betriebssituation, der Auslegungszustand im Volllastbetrieb, herbeigeführt werden muss.

„Um mit statischen Ventilen das System möglichst genau abgleichen zu können, kommt das sogenannte Proportionalverfahren zum Einsatz“, erklärt Andreas Gutzmann. „Dabei werden Soll- und Istwert ins Verhältnis gesetzt, so dass sich ein relativer Prozentwert ergibt. Dieser erleichtert, unabhängig von absoluten Werten, z.B. l/h, den Vergleich mit den anderen Strängen.“

Die Konstante λ wird ermittelt durch Division von Soll- und Ist-Durchfluss: λ = Q_Ist / Q_Soll x 100 %. Nach einer festgelegten Systematik wird der Abgleich durchgeführt: Zuerst erfolgt die Feststellung des Ist-Zustandes, danach die Messung und Einstellung an jedem Ventil. So wird erreicht, dass jedes Ventil maximal zweimal gemessen werden muss.

„Für diese Abgleichmethode benötigt man letztlich zwei Messgeräte, die, je nach räumlichen Gegebenheiten, von zwei Personen bedient werden müssen. Der Aufwand kann – abhängig von der Systemgröße – enorm sein“, räumt Andreas Gutzmann ein. Und: Einmal eingestellt, treten im Betrieb jedoch weiterhin Änderungen der Lastzustände auf, die zu Schwankungen von Differenzdruck und Volumenstrom führen. Schlussendlich ist die Effizienz des Systems im Vergleich zum Ausgangszustand zwar deutlich höher, es wird aber Potential zur Optimierung verschenkt.

 

Dynamische Abgleichventile: differenzdruckunabhängige Regelung

Dynamische Abgleichventile dagegen arbeiten differenzdruck­unabhängig. Erhöht sich der Druck, wird die Größe der Blende verringert und umgekehrt. Der Volumenstrom bleibt konstant. Ändert sich die Einstellung an einem Ventil, hat dies somit keine Konsequenzen für den Durchfluss bei den übrigen. Entsprechend kann das einzelne Ventil ohne Rücksicht auf das Gesamtsystem abgeglichen werden.

„Es muss also nur das einzelne Ventil eingestellt werden – ohne nachzuregeln. Nach dem Motto ,set and forget‘“, so Andreas Gutzmann. Für die Einstellung wird ein Messcomputer an den Messpunkten angeschlossen und der Differenzdruck über die variable Blende gemessen. Aus diesem Wert und der Größe der Blende ermittelt der Messcomputer den aktuellen Volumenstrom.

„Je nach verwendetem Ventiltyp ist – wie bei unserem ,NexusValve Vivax‘ – die Eingabe der Einstellung im Messcomputer überflüssig. Das vereinfacht die Arbeit deutlich. Zwar könnte auch bei diesen Ventilen auf eine Messung verzichtet und mit einfacher Voreinstellung gearbeitet werden, doch mit Rücksicht auf den Optimierungsgrad sollte das aber die Ausnahme sein“, so der Abgleichexperte von Flamco Meibes. Im Betrieb gilt: Werden Systemfehler entdeckt, können diese, ohne den Durchfluss in den anderen Terminaleinheiten zu verändern, behoben werden.

 

Die Leistungskurve der Heizungsanlage optimieren

        Flamco Meibes bietet ein solches dynamisches Ventil mit dem „Vivax G2“ der hauseigenen Marke „NexusValve“ an. „Das ,NexusValve Vivax G2‘ ist eine 2-in-1-Lösung aus differenzdruckunabhängigem Mengenbegrenzer und Regelventil, die den Volumenstrom automatisch auf dem Sollwert hält und eine optimale Versorgung bei allen Lastzuständen sicherstellt“, erklärt Andreas Gutzmann. Das Kombi-Produkt verfügt zudem über eine gleichprozentig modulierende Ventilcharakteristik (EQM-Kennlinie). Mittels dieser erfolgt die Durchflusskontrolle unabhängig vom Differenzdruck besonders genau, weil die lineare Gesamtkennlinie, die sich daraus ergibt, leichter durch die Gebäudeleittechnik steuerbar ist.

„Die Kennlinie des Heizungssystems ist logarithmisch mit großer Steigung. Bei 20 % Systemleistung stehen bereits 50 % Heizleistung zur Verfügung, bei 30 % schon 70 % Heizleistung, und so weiter ...“, erläutert Andreas Gutzmann. „Einfacher zu beherrschen ist eine Kennlinie aus der linearen Funktion x = y. Also: Steigt x um 10, steigt y auch um 10.“ Die gleichprozentig modulierende Kennlinie des „Vivax G2“ gleicht die ungünstige Leistungskurve einer typischen Heizungsanlage aus und sorgt damit für die gewünschte Linearität. Da der Hub unabhängig von der Voreinstellung ist, herrscht stets hohe Ventilautorität für eine präzise geregelte Durchflusskontrolle. Das Ergebnis: Die Raumtemperaturen bleiben konstant und einer Überversorgung in der Anlage ist vorgebeugt. Bei einem erhöhten Wirkungsgrad muss die Pumpe gleichzeitig weniger Leistung erbringen.

 

Durchschnittlich Einsparungen von mehr als 20 %

Wie hoch das Einsparpotential ausfällt, hängt, abgesehen von der Durchführung des hydraulischen Abgleichs, letztlich noch von anderen Faktoren ab, wie der Art der Wärmeerzeugung oder der Wärmedämmung des Gebäudes. Andreas Gutzmann zieht ein Fazit: „Das Projekt der Optimus-Gruppe hat auch gezeigt, dass die Optimierung den Heizenergieverbrauch bei Gebäuden mit einem baulich hohen Standard stärker nach unten korrigiert als bei jenen von älterer Baualtersklasse mit einem entsprechend höheren Heizwärmeverbrauch.“ So lag die Spannweite des Ener­gie­ein­spar­poten­tials zwischen 17 und 26 %.

„Wie viel größer die Energie- und Kostenreduktionen durch den Abgleich mit einem dynamischen, differenzdruckunabhängigen Ventil sind, hat leider bislang noch keine Studie beleuchtet“, bedauert der Sales Development Manager. „Fest steht aber: Diese Art, den hydraulischen Abgleich durchzuführen, ist bislang die einzige, um – wohlgemerkt mit geringem Aufwand – selbst bei Systemen mit schwankenden Lastzuständen einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen.“

Quelle

[1] „Umweltkommunikation in der mittelständischen Wirtschaft am Beispiel der Optimierung von Heizungssystemen durch Information und Qualifikation zur nachhaltigen Nutzung von Energieeinsparpotenzialen“, Optimus-Gruppe (Dr.-Ing. Kati Jagnow u. Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff), 2016, siehe auch www.delta-q.de