Herausforderung Change-Over-System

Teil 1: Besonderheiten bei der Planung beachten

Change-Over-Systeme werden aufgrund ihrer Vorteile immer häufiger zur Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden eingesetzt. Um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb einer kombinierten Heiz- und Kühlanlage zu gewährleisten, müssen bei der Planung einige Punkte beachtet werden, die dieser zweiteilige Fachbeitrag erläutert. Teil 1 thematisiert die Besonderheiten solcher Systeme mit Blick auf die Aspekte Regelung, hydraulischer Abgleich und Druckhaltung.

Change-Over-Systeme ermöglichen einen einfachen Wechsel zwischen Heiz- und Kühlmodus. Dieses hohe Maß an Flexibilität ist ein immer wichtiger werdendes und oftmals auch gewünschtes Kriterium moderner Heizungs- und Kühlanlagen. Eine besondere Herausforderung bei der Planung und Installation solcher Anlagen 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. Man unterscheidet bei Change-Over-Systemen drei Arten des Wechsels zwischen Heiz- und Kühlbetrieb: zentral, nach Zone oder direkt am Endgerät.

Möglichkeiten des Wechsels von Heiz- und Kühlbetrieb

Bei einer zentralen Umschaltung erfolgt die Umstellung für die gesamte Anlage direkt hinter dem Wärme-/ Kälteerzeuger. Dieses Umschalten wird i.d.R. durch den Einsatz von 3-Wege-Ventilen erreicht.

Die Endgeräte, bspw. kombinierte Heiz-/Kühldecken oder Fan Coils, sind hierbei mit einem Ventil zur Regelung sowie mit einem Abgleichventil ausgestattet. In Installationssituationen, die eine entsprechende Konstellation benötigen, kann zudem ein Multifunktionsventil genutzt werden, um Regelung, Abgleich und den nötigen Differenzdruck kontinuierlich sicherzustellen. Das Ventil muss dabei in der Lage sein, den Durchfluss von Heiz- und Kaltwasser gleichmäßig zu steuern, um die Qualität des hydraulischen Abgleichs und der Regelung der Raumtemperatur zu gewährleisten.

Change-Over-Systeme mit einer Umschaltung einzelner Zonen ermöglichen, einen Teil des Gebäudes zu beheizen und einen anderen zu kühlen. Die Verteilung erfolgt hierbei über ein System mit jeweils zwei Rohrleitungen für Kaltwasser und zwei Rohrleitungen für Heizwasser. Wie beim zentralen Umschalten kommt an den Endgeräten nur ein Ventil für den Abgleich und die Regelung der Durchflussmenge zum Einsatz.

Die dritte Variante bei Change-Over-Systemen ist das individuelle Umschalten einzelner Endgeräte. Diese Konstellation wird heute häufig verwendet, da es dem Benutzer den Vorteil eines individuellen Wechsels zwischen Heiz- und Kühlbetrieb verschafft. Dabei wird in Fan Coil-Units nur ein einzelnes Register für den Heiz- und Kühlbetrieb verwendet. Die Verteilung erfolgt über ein 4-Leiter-System, wobei das Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb in der Regel über ein 6-Wege-Ventil erfolgt.

Unterschiedliche Verbraucher: Kühldecke, Lüftungsgerät, Fan Coil

Bei Change-Over-Systemen in Kombination mit Kühldecken ist die Vorlauftemperatur systembedingt eine andere als bei Lüftungsgeräten oder Fan Coils. Um die Kondensation der Luftfeuchtigkeit auf kalten Platten zu vermeiden, muss die Vorlauftemperatur so geregelt werden, dass sie nicht unter den Wert von 18 °C fällt. Je nach den hygrometrischen Voraussetzungen einzelner Räume kann sie sogar darüber liegen. Klassischerweise wird die Temperatur über ein 3-Wege-Ventil geregelt. Dabei wird das Rücklaufwasser (22 °C) mit dem Wasser aus dem Vorlauf (12 °C) gemischt, um eine Mindesttemperatur von 18 °C zu erhalten. Das bedingt, dass das 3-Wege-Ventil ständig mit einer leichten Öffnung von etwa 30 % seines Gesamthubs arbeiten müsste. Der je nach Nenn- oder Teillast unterschiedlich hohe anstehende Differenzdruck beeinflusst dabei die Funktion des Regelventils in negativer Weise.

Vorteilhafter ist es, eine Einspritzschaltung mit 2-Wege-Ventil zu verwenden. Dieses führt Wasser mit einer Temperatur von 12 °C zu, um durch das Mischen mit dem Wasser aus dem Rücklauf (22 °C) unter Nutzung des Bypasses die auf der Sekundärseite erforderliche Temperatur von 18 °C zu erreichen. Das 2-Wege-Ventil wird dazu entsprechend der erforderlichen Leistung für Kühldecken dimensioniert und für ein ΔT von 22-12, d. h. 10 K ausgelegt. Im Vergleich dazu ist das 3-Wege-Ventil für ein ΔT von 22-18 (4 K) dimensioniert, also für einen zweieinhalbfachen Durchfluss im Vergleich zum 2-Wege-Ventil. In dieser Konstellation hat das 2-Wege-Ventil einen zwei bis drei Mal kleineren Durchmesser als das 3-Wege-Ventil. Im Ergebnis wird für geringere Anschaffungskosten eine bessere Funktion des Regelventils erreicht, das mit 100 % Leistung arbeitet.

Druckhaltung in Change-Over-Systemen

In Change-Over-Systemen mit individuellen Wechseln zwischen Heiz- und Kühlbetrieb wird die Wassermenge der Kühldeckenplatten oder Fan Coils im Heizbetrieb z. B. auf 45 °C erwärmt bzw. im Kühlbetrieb z. B. auf 18 °C gekühlt. Jede Temperaturänderung verursacht eine Ausdehnung oder Kontraktion des jeweiligen Mediums. Durch die Kontraktion im Kühlbetrieb wird der Druckhaltung des Kühlsystems Wasser entnommen. Durch die Umschaltung in den Heizbetrieb wird bei anschließender Aufheizung das Expansionsvolumen in die Heizungs-Druckhaltung überführt. Deswegen ist es in solchen Change-Over-Systemen zwingend erforderlich, einen korrekten Ausgleich zwischen den beiden Druckhaltesystemen sicherzustellen.

Wird nur eine einzige Druckhaltung verwendet, die über eine gemeinsame Ausdehnungsleitung sowohl an den Heiz- als auch an den Kältekreislauf angebunden ist, sind die Flüssigkeiten der beiden Kreisläufe permanent ohne Kontrolle des ausgetauschten Volumens verbunden. Für den Fall, dass ein 6-Wege-Ventil der Installation nicht korrekt umschaltet, kommt es durch die gemeinsame Ausdehnungsleitung zu einer Fehlzirkulation zwischen den beiden Kreisläufen. Das verursacht zusätzliche Energiekosten. Solche Fehler sind zudem schwer zu lokalisieren. Der Einsatz zwei voneinander getrennter Druckhaltesysteme erfordert eine tägliche Überprüfung der Füllstände beider Druckhaltegefäße und ein manuelles Eingreifen zum Ausgleich des Expansionsvolumens auf der Kälte- und Heizseite.

Ohne diese regelmäßige Intervention würde sich der Druckbehälter im Kältekreislauf leeren und auf der Heizungsseite das Sicherheitsventil aufgrund des zu hohen Drucks ansprechen. Die Folge wären umfangreiche Betriebsstörungen. Eine mögliche Lösungsoption kann die Installation von zwei Druckhaltesysteme sein, die durch eine Ausgleichsleitung verbunden sind, welche mit einem motorisierten Ventil ausgestattet ist. Dieses Ventil ermöglicht den Ausgleich zwischen den Ausdehnungsvolumen auf der Wärme- und Kälteseite. Die beiden Steuergeräte der Druckhaltung (BC1 und BC2) kommunizieren im „Master-Slave“-Modus über einen Kommunikationsbus. Dadurch öffnet das SCV-Ventil in der Ausgleichsleitung automatisch, um das Volumen in den Druckbehältern wieder auszugleichen. 

Abgleich und Regelung bei Change-Over-Systemen

In einem Change-Over-System müssen Endgeräte abwechselnd im Heiz- oder Kühlbetrieb die Leistung liefern, für die sie dimensioniert wurden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System sollte das manuelle oder automatische Abgleichventil deshalb in der Lage sein, die beiden unterschiedlichen Durchflussmengen entsprechend der Heiz- oder Kühlleistung gleichermaßen genau zu regeln. Diese Lösungsoption ermöglicht unterschiedliche Einstellungen der Regelparameter in Heizungs- und Kühlungsanlagen mit einem gemeinsamen Verbraucher und es können die erforderlichen Maximaldurchflüsse für Heizen und Kühlen automatisch angepasst werden.

Zwischenfazit

Eine besondere Herausforderung bei der Planung und Installation von Change-Over-Systemen ist die fachgerechte hydraulische Einregulierung. Die verschiedenen Wasserregister für Kühldeckenkreisläufe lassen sich bspw. effizient durch eine Einspritzschaltung mit 2-Wege-Durchgangsventil anstelle einer Beimischschaltung mit 3-Wege-Ventil regulieren. Das bietet den Vorteil, dass für geringere Anschaffungskosten eine bessere Funktion des Regelventils bei 100 % Leistung erreicht wird.

Die Druckhaltung erfordert ebenfalls besondere Beachtung, um den Flüssigkeitstransfer vom Kältekreislauf in den Heizkreislaufs wieder ausgleichen zu können. Eine mögliche Lösungsoption kann die Installation von zwei Druckhaltesystemen sein, die durch eine Ausgleichsleitung verbunden sind, welche mit einem motorisierten Ventil ausgestattet ist. Um den Ausgleich zwischen den Ausdehnungsvolumen auf der Wärme- und Kälteseite herzustellen, kommunizieren die beiden Steuergeräte der Druckhaltung (BC1 und BC2) im „Master-Slave“-Modus über einen Kommunikationsbus miteinander. Das Ventil öffnet so bei Bedarf automatisch, um das Volumen in den Druckbehältern wieder auszugleichen.

Weitere Lösungen zum hydraulischen Abgleich und zur Regelung in Change-Over-Systemen lesen Sie im zweiten Teil unseres Beitrags in der folgenden Ausgabe der tab.

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