Optimierung der Anlagenhydraulik

Der Grundriss des Landrats­amts entspricht einem Pluszeichen mit vier rechteckigen und in die unterschiedlichen Himmelsrichtungen ausgerichteten Gebäudeteilen. Die gesamte technische Infrastruktur ist im Tiefgeschoss des Hauses untergebracht. Dazu zählt auch die Heizzentrale, die die rund 26.000 m³ Raum bzw. 8.600 m² Fläche im Landratsamt mit Wärme versorgt. Die Wärmeverteilung folgt dem Grundriss und ist entsprechend der einzelnen Gebäudeteile in vier Heizkreise mit jeweils zwei Heizsträngen unterteilt. Die Regelung der gesamten Heizungsanlage übernimmt ein zentrales Gebäudeleitsystem, das darüber hinaus auch sämtliche technischen Anlagen in allen zum Landkreis Schwandorf gehörenden öffentlichen Liegenschaften steuert.

Probleme mit der Anlagenhydraulik

Erste Probleme mit dem Heizungssystem wurden bereits kurz nach dem Bezug des Gebäudes im Jahr 1977 festgestellt. Da die Wärme­verbraucher mit nicht voreinstellbaren Ventilen – die lediglich über die Funktion des Öffnens und des Schließens verfügen und damit einen hydraulischen Abgleich ausschließen – ausgestattet waren, kam es häufig zur Über- bzw. Unterversorgung einzelner Heizkörper. Im Ergebnis wurde die Temperatur in bestimmten Räumen als viel zu warm oder viel zu kalt empfunden, was mit der Zeit vermehrt zu Beschwerden seitens der Verwaltungsmitarbeiter führte. Als erste Optimierungsmaßnahme versuchten die Verantwortlichen, das Heizungssystem über Rücklaufverschraubungen hydrau­lisch abzugleichen, was jedoch nicht den gewünschten Erfolg brachte. Auch der darauffolgende Einbau von Strangregulierventilen in den Steigsträngen – zusätzlich zu den bereits vorhandenen Regulierventilen an den Hauptverteilungssträngen – führte zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Da Teile des Leitungssys­tems in Bodenschächten verlegt und somit unzugänglich waren, konnten insgesamt lediglich ca. 20 % des Rohrleitungsnetzes mithilfe von Strangregulierventilen hydraulisch abgeglichen werden. Eine Erreichung optimaler Druckverhältnisse im gesamten System war auf diese Weise nicht möglich.

„Besonders deutlich wurden die hydraulischen Probleme der Heizungsanlage nach der Umstellung der Energieversorgung auf Fernwärme und der damit einhergehenden Installation der Gebäudeleittechnik im Jahr 1990“, erläutert Joachim Ziegltrum, technischer Angestellter bei der Liegenschaftsverwaltung des Landkreises Schwandorf. „Hier haben wir sehr schnell feststellen müssen, dass eine angemessene Heizungsregelung über die neue Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik einfach nicht mög­lich war. Die Rücklauftemperaturen etwa waren deutlich zu hoch, was sich nicht nur negativ auf die Energieeffizienz unserer Anlage, sondern auch auf den wirtschaftlichen wie energetischen Betrieb aller an die Fernwärmeversorgung angeschlossenen Liegenschaften auswirkte.“

Weitere Optimierungsmaßnahmen

Nach weiteren, ebenfalls wenig erfolgreichen Regulierungsmaßnahmen nahmen die Verantwortlichen im Jahr 2013 einen erneuten Anlauf, die Hydraulik der Heizungsanlage zu optimieren. So sollten die Heizkörper mit vorein­stell­baren Thermostatventi­len ausgestattet, die Rücklaufverschraubungen ausgetauscht und neue, elektronisch geregelte Pumpen eingebaut werden. Das Rohrleitungsnetz selbst, die Wärmeverbraucher sowie der Fernwärmeanschluss blieben von der Modernisierung unberührt. Eine besondere Herausforderung bestand darin, die Maßnahmen während des laufenden Verwaltungsbetriebes durchzuführen und dabei Störungen für die Mitarbeiter weitestgehend zu vermeiden.

Der Landkreis beauftragte mit dieser Aufgabe das Planungsbüro Süß in Pfreimd, das in dem Verwaltungsgebäude ein weit verzweigtes Rohrnetzsystem mit nur zum Teil bekanntem Leitungsverlauf vorfand. Daher mussten zunächst der Wärmebedarf überschlägig ermittelt, die Dimensionierung der bestehenden Röhrenradiatoren und Plattenheizkörper überprüft und das gesamte Rohrnetz mit entsprechenden Annahmen nachgerechnet werden, um die benötigten Wassermengen, Druckverluste und Werte für die Voreinstellungen der Thermostatventile zu erhalten.

„Bei solch weitverzweigten Systemen kann die Förderhöhe der Pumpe schnell fünf oder sechs Meter betragen“, verdeutlicht Dipl.-Ing. Grit Dobmann, die für das Projekt zuständige Planerin. „Unsere Berechnun­gen ergaben, dass unter den gegebenen Bedingungen der Druckabfall über den Thermostat­ventilen in verschiedenen Bereichen der Heizungsanlage viel zu groß gewesen wäre. Dementsprechend mussten wir hier mit Geräuschen und damit auch einer akustischen Beeinträchtigung der Arbeitsatmosphäre in den betroffenen Büros rechnen. Ein Einbau von Differenzdruckreglern, die im Regelfall in solchen Fällen Abhilfe schaffen, war jedoch aufgrund unbekannter Leitungsführung oder aus Platzmangel an vielen Stellen nicht oder nur mit einem erheblichen baulichen Aufwand realisierbar.“

AFC-Technologie als Lösung

Auf der Suche nach einer adäquaten Lösung wandte sich die Planerin an das Unternehmen IMI Hydronic Engineering, dessen Komponenten der Marke IMI Heimeier zur hydraulischen Einregulierung und thermostatischen Regelung bereits im Landratsamt verbaut und auch als Bestandteil der aktuellen Mo­dernisierungsmaßnahme vorgesehen waren. Die Spezia­listen aus Erwitte stellten daraufhin den Verantwortlichen einen neuartigen Ventileinsatz vor, der sich zum Zeitpunkt der Planung gerade in der Phase der Markteinführung befand. Das Produkt basiert auf der AFC-Technologie (AFC = Automatic Flow Control) und wurde entwickelt, um die Funktionalität der Anlagenhydraulik auch unter schwierigen oder schlecht kalkulierbaren Rahmenbedingungen sicherzustellen – also genau für die im Landratsamt vorliegende Problematik.

Die vorgestellte Neuheit „A-exact“ kombiniert die beiden Funktionen Thermostatventil und automatische Durchflussregelung. Direkt am jeweiligen Wärmeverbraucher eingesetzt, regelt die vom Hersteller patentierte Technologie die maximale Durchflussmenge unabhängig vom am Ventil anliegenden Differenzdruck. Der Ventileinsatz stellt mit seinem dynamischen Regelverhalten jederzeit sicher, dass die einmal eingestellte Volumenstrommenge zu keiner Zeit überschritten wird und damit die schwer kalkulierbaren Systemverhältnisse kompensiert werden. Das Produkt übernimmt so unmittelbar am Ventil die Aufgabe eines Durchflussreglers und lässt nur so viel Heizwasser in den Heizkörper, wie berechnet. Dies geschieht vor allem auch im Teillastbetrieb, denn durch geschlossene Ventile in anderen Räumen hervorgerufene Druckschwankungen haben keinen Einfluss auf das Regelverhalten des mit der AFC-Technologie ausgestatteten Ventileinsatzes. Damit gewährleistet die automatische Durchflussregelung ein hydraulisch optimal abgeglichenes Heizungssystem, und das unter allen Betriebsbedingungen.

Testbetrieb im Ostflügel

Um sich von der Funktionalität der neuen Komponenten zu überzeugen, bauten die Verantwortlichen im Jahr 2013 die AFC-Technologie zunächst im östlichen Heizkreis ein. Die rund 250 angeschlossenen Wärmeverbraucher wurden mit dem Thermostatventil, neuen Rücklaufverschraubungen sowie neuen Thermostatköpfen ausgestattet und anschließend einem Testbetrieb unterzogen. „Natürlich waren wir am Anfang alle skeptisch“, erinnert sich Joachim Ziegltrum. „Dass die Lösung unserer langjährigen Hydraulikprobleme darin liegen könnte, diese neuartigen Ventile einzubauen, ohne das gesamte System berechnen und einregulieren zu müssen, war für uns damals schwer vorstellbar. Im Verlauf der Heizperiode 2013/2014 nahmen wir jedoch überraschend wahr, dass durch den Einsatz der AFC-Technologie im Ostflügel des Landratsamts eine optimale Temperaturspreizung für die Nutzung von Fernwärme erreicht wurde.“

Die für die Planung und Berechnung üblicherweise notwendigen Systemkenntnisse bezüglich Rohrnetz und Differenzdruck sowie die Ermittlung von Kv-Werten sind dabei nicht mehr unbedingt erforderlich. „Bei weitgehend unbekannter Systemstruktur und Leitungsführung werden für die Auslegung der technischen Komponenten häufig Schätzungen angewendet“, erklärt Grit Dobmann. „Hier liegt der große Vorteil des Ventileinsatzes, da ich zur Ermittlung der entsprechenden Durchflussmenge am Wärmeverbraucher lediglich die Heizlastberechnung pro Raum bzw. die installierte Heizleistung benötige. Das nachgeschaltete Rohrnetz ist für die automatische Durchflussregelung nicht relevant. Demzufolge gewährleistet die AFC-Technologie gerade in Bestandsgebäuden mit weitverzweigten Rohrleitungsnetzen trotz schwieriger Rahmenbedingungen eine hydraulisch einwandfreie Betriebsweise der Anlage.“

Da die getesteten Ventileinsätze im Gegensatz zu gängigen voreinstellbaren Thermostatventilen – die bereits ab einem Differenzdruck von etwa 20 kPa Geräusche verursachen können – für Differenzdrücke bis zu 60 kPa ausgelegt sind, konnte die Planerin durch ihren Einsatz den gewünschten, geräuscharmen Betrieb der Heizungsanlage sicherstellen. Der damit verbundene Verzicht auf den Einbau von Differenzdruckreglern brachte für die Projektverantwortlichen weitere Vorteile mit sich: Auf diese Weise mussten keine umfangreichen Bau-, Stemm- und Schweißarbeiten durchgeführt werden, die sowohl Beeinträchtigungen für die Mitarbeiter als auch Mehrkosten für den Landkreis zur Folge gehabt hätten.

Positive Gesamtbilanz

Aufgrund des erfolgreichen Testbetriebes im Ostflügel wurden im Jahr 2014 nachträglich auch die übrigen drei Heizkreise mit der AFC-Technologie ausgestattet. Gängige Standardbaugrößen und eine unkomplizierte Handhabung – die Einstellung der erforderlichen Durchflussmenge erfolgt direkt am Ventil – gewährleisteten einen zügigen und störungsfreien Einbau bei laufendem Verwaltungsbetrieb. Insgesamt wurden im Landratsamts Schwandorf über 650 Ventile des Typs „A-exact“ inklusive neuer Rücklaufverschraubungen und Thermostatköpfe – davon 50 des gesicherten Behördenmodells „B“ und rund 600 des Modells „K“ – montiert.

Beschwerden seitens der Mitarbeiter über nicht ausreichend warme Heizkörper hat es nach Aussage der Beteiligten seitdem nicht mehr gegeben. Kontrollmessungen an den Strängen bestätigten, dass der Volumenstrom genau den berechneten Vorgaben entsprach. Inwiefern sich die hydraulische Optimierung des Heizungssystems auch positiv auf den Energieverbrauch auswirkt, soll nach dem Verstreichen zweier weiterer Heizperioden erstmals genauer untersucht werden. „Doch vor dem Hintergrund unserer über 20-jährigen positiven Erfahrung mit Produkten der Marke IMI Heimeier sowie der bisher äußerst erfolgreichen Funktionsweise der neuen Komponenten sind wir davon überzeugt, dass auch diese Bilanz zu unseren Gunsten ausfallen wird“, betont Joachim Ziegltrum abschließend.