Regulierventile

Die Hydraulik in Heizungs- und Kühlsystemen ist ein komplexes Thema, und eine gelungene Planung und Umsetzung ist nicht immer leicht zu realisieren. Gerade im Bereich der Ventiltechnik gilt es unzählige Aspekte zu beachten, um die einwandfreie Funktion des Systems zu gewährleisten. Hinzu kommt die Tatsache, dass Betreiber bzw. Nutzer zunehmend Wert auf einen möglichst energieeffizienten Betrieb der Anlage legen. Daher ist die korrekte Dimensionierung der benötigen Regelventile für eine erfolgreiche Planung unerlässlich. Doch diese Aufgabe ist oftmals sehr aufwendig und damit zeit- und kostenintensiv sowie fehleranfällig. Vor allem, wenn stets jedes Ventil einzeln betrachtet, dessen Zusammenspiel mit den anderen Systemkomponenten aber nicht berücksichtigt wird. 

Ein Beispiel dafür ist die Berechnung des anliegenden Drucks. So wird teilweise der Druckverlust durch das Rohrnetz nicht einbezogen. „Der Druck, der an der Pumpe aufgebaut wird, kommt nicht 1:1 am Ventil an. Das ist ein ganz entscheidender Punkt, denn die Auswirkungen durch den Widerstand in den Rohrleitungen sind viel größer als oftmals angenommen“, erläutert Rüdiger Werthschulte, Schulungsleiter bei IMI Hydronic Engineering. Ein anderer wichtiger Punkt sind die Ventilgrenzen. Hier wird oftmals nur die obere Durchflussgrenze der Ventile beachtet, damit im Maximallastfall ausreichend Wasser durchfließen kann. Dabei ist der untere Grenzwert ebenso wichtig, denn bei einem zu groß ausgelegten Regelventil kann dieses nicht weit genug schließen, um seiner Regulierfunktion im unteren Bereich nachkommen zu können.

Herausforderungen bei der Dimensionierung

Besonders erschwert wird die Berechnung durch die stetig wechselnden hydraulischen Verhältnisse. Diese ändern sich durch das Öffnen und Schließen von Regelventilen, sodass sich an den anderen Ventilen höhere Differenzdrücke und dadurch größere Durchflüsse bilden. Die Leistungsveränderung ist dabei nicht proportional zum Durchfluss, sodass die bereitgestellte Energie nicht optimal genutzt wird. So genügt in der Regel bereits ein Durchfluss von 20 bis 25 %, um eine Leistungsabgabe von 50 % zu erreichen. Diese ist oftmals ausreichend, höhere Leistungen werden nur fallweise in Spitzenlastzeiten benötigt. Eine zu große Wärme- bzw. Kälteabgabe führt dabei nicht nur zu einem unnötig hohen Energieverbrauch, sondern vor allem bei Klimageräten oder Lufterhitzern schnell zu Komforteinbußen. Wird beispielsweise bei Kühlregistern die Luft stärker als nötig heruntergekühlt, empfinden anwesende Personen diese häufig als zu kalt und damit unangenehm. 

Um dieses Verhalten der Verbraucher möglichst optimal zu kompensieren, müssen Regelventile eine entsprechende Kennlinie aufweisen. Eine Lösung dieses Problems ist daher der Einsatz eines Ventils mit EQM-Charakteristik (gleichprozentig modifiziert). Der Vorteil der gleichprozentigen Ventilkennlinie liegt darin, dass sie die nicht lineare Wärmeabgabe der Verbraucher über den gesamten Regelbereich besonders gut ausgleicht. Dadurch wird eine sehr präzise Temperaturregelung unter sämtlichen Arbeitsbedingungen gewährleistet, also auch wenn das System – wie heute üblich – die meiste Zeit im Teillastbetrieb fährt.

Weiterhin ist eine möglichst hohe Ventilautorität nötig, um eine gute Regelqualität im hydraulischen Netz sicherzustellen. Die Ventilautorität ist das Verhältnis bei Nennlast zwischen dem Differenzdruck des voll geöffneten Ventils bei Nenndurchfluss und dem maximal auftretenden Differenzdruck des geschlossenen Ventils. Und je kleiner die Ventilautorität, desto mehr weicht das Betriebsverhalten des Ventils von der Kennlinie ab, d.h. desto schlechter verhält sich die Volumenstromregelung. Jedoch ist eine hohe Ventilautorität nicht einfach zu erreichen. Ein häufig gewählter Weg ist die Anpassung der Pumpen-Förderhöhe, die allerdings auch zu gesteigerten Betriebskosten für die Pumpe führt. Die optimale Ventilautorität von 1 ist praktisch nicht realisierbar, und die gängige Praxis ist daher, bei der Dimensionierung von Regelventilen eine Autorität von 0,5 anzustreben. Der Minimalwert liegt bei 0,25, da es bei kleinerer Ventilautorität im Teillastfall zu den angesprochenen, wahrnehmbaren Komforteinbußen kommt.

Probleme treten in jenen Fällen auf, in denen der Markt kein Regelventil in der nötigen Dimension für eine entsprechende Ventilautorität bietet. Zur Auswahl stehen dann nur kleinere oder größere Modelle. Die Fachliteratur empfiehlt in dieser Situation das kleinere Ventil. So erreicht man zwar eine gute Autorität, allerdings kommt es dann im Nennlastfall zur Unterversorgung aufgrund eines zu geringen Volumenstroms. Ist das der Fall, muss ein größeres Ventil gewählt werden, dies hat wiederum eine geringere Autorität zur Folge. Außerdem ist jetzt lediglich die Ventilautorität bei Nennlast ermittelt. Im Teil- oder Schwachlastbetrieb reduzieren sich die Druckverluste im Rohrnetz und in den vorgeschalteten Komponenten (Armaturen, Wärmetauscher etc.), sodass der am Regelventil anstehende Differenzdruck steigt und die Ventilautorität im gleichen Maße sinkt. Es muss also ein Kompromiss gewählt werden. Im Alltag des Fachplaners ist dies aber angesichts des Zeitaufwandes und der daraus resultierenden Arbeitskosten nicht zu realisieren. Hinzu kommt, dass selbst Experten den exakten Druck im Teil- oder Schwachlastzustand kaum prognostizieren können.

Druckunabhängige Einregulier- und Regelventile als Lösung

Eine ebenso innovative wie einfache Lösung stellen deshalb druckunabhängige Einregulier- und Regelventile dar. Die Armaturen eignen sich für die Mengenregelung von Verbrauchern und für Einspritzschaltungen und können sowohl am Verbraucher selbst als auch zur Zonenregelung eingesetzt werden. Sie verfügen im Gegensatz zu Standardventilen über einen integrierten Differenzdruckregler, der Schwankungen des anstehenden Differenzdrucks – egal ob vom System oder durch das Regelverhalten bedingt – automatisch ausgleicht und dadurch eine gleichbleibend hohe Ventilautorität sicherstellt. Vollständig geöffnete Ventile begrenzen zudem automatisch den Durchfluss auf den maximal eingestellten Wert und sorgen auf diese Weise zuverlässig für einen korrekten hydraulischen Abgleich.

Darüber hinaus zeichnen sich diese Ventile durch eine leichte Installation aus. Die Armaturen müssen lediglich an allen Verbrauchern oder Verbraucherkreisen eingebaut und entsprechend der berechneten Werte eingestellt werden. Die Dimensionierung erfolgt über die berechnete Durchflussmenge, wobei das kleinstmögliche Ventil vorzuziehen ist. Aufgrund des integrierten Differenzdruckreglers bleibt die Autorität konstant annähernd 1, sodass nur der erforderliche Mindestdifferenzdruck des Ventils sowie der Differenzdruck des Verbrauchers überwunden werden müssen.

Das druckunabhängige Einregulier- und Regelventil TA-Modulator von IMI Hydronic Engineering hat einen differenzdruckunabhängigen Regelkegel mit einer gleichprozentigen Ventilkennlinie (EQM-Charakteristik) über den gesamten Regelbereich, dadurch wird eine sehr präzise Temperaturregelung mit einer hohen Autorität erreicht. Das Produkt regelt bei vergleichbarem Durchfluss mit einem bis zu sechsmal größeren Stellweg und löst daher das Regelsignal wesentlich präziser auf, sodass insbesondere im unteren Öffnungsbereich (bis 20 % der Durchflussmenge) eine sehr hohe Regelgenauigkeit nahezu bis auf den Nullwert sichergestellt ist. Demzufolge wird in der Nähe des Schließpunktes die Bewegungshäufigkeit des Stellantriebs reduziert, dies verlängert dessen Lebensdauer deutlich. 

Bessere Regelergebnisse bei optimaler Abstimmung mit Stellantrieb

Besonders exakte Regelergebnisse liefert die Kombination mit einem stetigen Stellantrieb, der optimal auf das Ventil abgestimmt sein sollte. Davon kann ausgegangen werden, wenn beispielsweise beide Komponenten von einem Hersteller stammen. Auf diese Weise bleibt gewährleistet, dass die Ventile ihre volle Leistungsfähigkeit nutzen und punktgenau die benötigten Durchflussmengen liefern. Eine Besonderheit bietet der digitale Stellantrieb „TA-Slider“, der sich mithilfe eines Smartphones via Bluetooth und extern anzuschließendem Dongle vollständig individuell konfigurieren lässt. Der Stellantrieb verfügt dabei über eine automatische Ventilhuberkennung und die Möglichkeit, den Hub auf einen frei wählbaren Wert zwischen 20 und 100 % zu begrenzen. Eine individuelle Hubbegrenzung über einen Durchfluss- oder KV-Wert ist ebenfalls realisierbar.

Versionen für die Datenübertragung über gängige Bus-Protokolle sind ebenfalls erhältlich. Mehr als 200 Einstelloptionen ermöglichen die Anpassung von Ein- und Ausgangssignalen, Regelcharakteristik, Digitaleingängen, Relais sowie zahlreichen weiteren Parametern an spezielle Systemanforderungen. Danach kann die vollständige Konfiguration gespeichert und mit dem Dongle auf beliebig viele Stellmotoren übertragen werden. Damit lassen sich Einstellfehler wirksam vermeiden sowie die Inbetriebnahme wesentlich verkürzen und vereinfachen.

Zusammenarbeit mit Systemanbieter bietet Vorteile

Natürlich sind hochwertige Ventile mit anderen Kosten verbunden als Standardprodukte. „Dennoch lohnt sich bei der Planung und Dimensionierung die Betrachtung des gesamten Systems mit allen Armaturen immer. Denn hochwertige Lösungen rentieren sich immer, da sie einen sicheren sowie energieeffizienten Betrieb der Anlage gewährleisten und somit dazu beitragen, Folgekosten durch Wartung bzw. Reparaturen oder einen erhöhten Energieverbrauch zu vermeiden. Außerdem sinken in vielen Fällen die Installationskosten durch den geringen Arbeitsaufwand“, erläutert Rüdiger Werthschulte. Die Zusammenarbeit mit Herstellern wie IMI Hydronic Engineering, die als Systemanbieter ein Produktportfolio mit hochwertigen Lösungen in allen wichtigen Bereichen haben, ist dabei aufgrund zahlreicher Vorteile zu empfehlen. So ist beispielsweise sichergestellt, dass alle Produkte miteinander harmonieren und einwandfrei zusammenarbeiten. Darüber hinaus haben Fachplaner und Installateure nur einen Ansprechpartner. Das Unternehmen aus Erwitte unterstützt seine Kunden mit einem sehr gut aufgestellten Vertrieb, dessen Ingenieure das alltägliche Geschäft der Kunden teils aus eigener Erfahrung kennen. Die kompetente Beratung, reicht dabei bis hin zur Planungsunterstützung. Zusätzlich gibt der Hersteller über ein umfangreiches Seminarangebot zu verschiedenen Themen Fachplaner und -installateuren die Gelegenheit, das eigene Wissen und Können zu erweitern und verbessern.