Hydraulische Netze sind ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Gebäudes. Sie dienen nicht nur zur Beheizung oder Klimatisierung, sondern sind auch ein enormer Kostenfaktor, wenn es um den Betrieb mit Hilfe elekt­rischer Pumpen geht. Um ein hydraulisches Netz energiesparend und wirtschaftlich zu betreiben, ist es zwingend erforderlich, den transportierten Volumenstrom zu variieren. Die Formel zur Berechnung der elektrischen Pumpenleistung zeigt, dass vor allem die Anpassung des zirkulierten Volumenstroms die Möglichkeit schafft, einen erheblichen Anteil der Pumpenenergie einzusparen. Der Einsatz von Systemen mit konstantem Volumenstrom scheint da nicht mehr zeitgemäß.

Während der Einsatz geregelter Pumpen und die Anpassung des geförderten Volumenstroms sowie die Reduzierung der bereitgestellten Pumpendruckdifferenz heute bereits üblich ist, erfolgt die Regulierung des nachgeschalteten Netzes überwiegend immer noch auf Basis statischer Regeleingriffe. Es ist üblich, hydraulische Netze mit statischen Abgleichdrosseln, voreinstellbaren Regelarmaturen oder Strangregulierventilen abzugleichen. Diese Eingriffe werden lediglich einmal und auch nur für den einzig berechneten Zustand vorgenommen: den Auslegungszustand bei Volllast. Im späteren Betrieb des hydraulischen Netzes kommt es allerdings nur noch sehr selten zum Auslegungszustand, denn in nahezu allen Betriebs­situationen befindet sich die Anlage in Teillast. Hier stellt sich die Frage, ob sich neben der Pumpe nicht auch die Regulierung des Netzes an die jeweiligen Teillastzustände anpassen sollte und ob ein statischer Abgleich in einer variablen Anlage vielleicht sogar hinderlich ist.

Eine Frage der Gleichzeitigkeit

Der statische hydraulische Abgleich ist letztlich ein zusätzliches Einbringen von erheblichen Widerständen, um im Auslegungszustand der Anlage den Druckverlust jedes Fließwegs an den ungünstigsten im System anzugleichen, was für den einwandfreien Betrieb in diesem Zustand auch notwendig ist. Dies gilt allerdings, wie beschrieben, nur für den Auslegungszustand und somit nur für einen Bruchteil der Betriebszustände, denn überwiegend befindet sich ein hydraulisches Netz im Teillastzustand. Bei einer Betrachtung dieser Teillastzustände ist allerdings zwischen zwei verschiedenen Fällen zu unterscheiden: Einerseits gibt es den Fall, in dem das Netz insgesamt sehr gleichmäßig belastet ist und sich also alle Verbraucher ähnlich verhalten. In diesem Fall kann ein statischer Regeleingriff auch im Teillastzustand eine hilfreiche Unterstützung des Regelventils darstellen, da sich die Widerstände proportional zum Volumenstrom verhalten und sich bei gleichartiger Variation der Volumenströme auch die Widerstände gleichmäßig ändern.

Ein klassisches Netz mit statischem Abgleich. Beispielhaft lässt sich hier ein Teillastzustand beschreiben, in dem die Fließwege 2 bis 5 geschlossen sind und nur Fließweg 1 betrieben wird. Während der statische Abgleich auf den ungünstigsten Fließweg 6 ausgelegt ist, stellt sich in diesem Betriebszustand der eigentlich günstig gelegene Fließweg 1 als ungünstigster Fließweg im aktuellen hydraulischen Zustand dar. Die statische Abgleichdrossel generiert hier einen enormen Druckverlust, obwohl das nicht notwendig ist.

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Ist das hydraulische Netz allerdings andererseits ungleichmäßig ausgelastet, wie beispielsweise bei gleichzeitiger Versorgung von Nord- und Südseite eines Gebäudes oder bei Versorgung von Bereichen unterschiedlicher Nutzung, so kann der statische hydraulische Abgleich schnell hinderlich werden. In Gebäuden solcher Nutzung ist der ungünstigste Fließweg nicht mit der Berechnung des Auslegungszustandes zu bestimmen. Je nach momentaner Belegung sowie interner und externer Lasten variiert der ungünstigste Fließweg hier kontinuierlich. Das Verhalten des Netzes ist dynamisch. Die verbauten statischen Abgleichdrosseln sind dann nicht nur überflüssig, sondern stellen auch einen erheblichen hydraulischen Widerstand dar, der zum einen nicht notwendig ist und zum anderen in Abhängigkeit der Auslastung sogar die Regelung des Netzes verschlechtern kann.

Aus der Tatsache, dass sich die hydraulischen Netze in Gebäuden nahezu immer in Teillastzuständen befinden, ergibt sich die Problematik, dass die Pumpe bei Anlagen mit variablen Volumenströmen und herkömmlichem statischem hydraulischem Abgleich kontinuierlich unnötige Widerstände überwinden muss, die gleichzeitig nicht zur Verbesserung der Regelbarkeit beitragen, da sie nicht für diesen Betriebszustand ausgelegt sind. In Abhängigkeit der Pumpenregelung kann dies sogar zu einer Unterversorgung einzelner Fließwege führen, da hier der zusätzliche Widerstand der statischen Abgleichdrossel eventuell nicht überwunden werden kann. Vorstellbar ist dies beispielsweise bei einer Anlage mit Endpunktregelung der Pumpe, also mit einer Druckmessung über dem Verbraucher im ungünstigsten Fließweg der Anlage, berechnet auf den Auslegungszustand. Betrachtet man hier einen Teillastzustand, in dem sämtliche Fließwege geschlossen sind und nur der pumpennahe Fließweg mit der größten statischen Drosselung volle Leistung anfordert, wird schnell deutlich, dass die verfügbare Pumpendruckdifferenz unter Umständen nicht für den angeforderten Fließweg ausreicht.

Auch wenn es nicht immer zu einer merkbaren Unterversorgung kommt, sollte doch deutlich werden, dass auch unter energetischen Aspekten ein statischer Abgleich bei heutigen Netzen mit variablem Volumenstrom nicht zielführend ist. Um ein dynamisches Netz mit variablen Volumenströmen korrekt abgleichen zu können, ist eine dynamische Änderung der Abgleichdrossel notwendig. Hier können Kombiventile eine Lösung sein. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten – dem üblichen Regelventil und einem Differenzdruckregler, der in Reihe geschaltet wird und in Abhängigkeit der Druckdifferenz über dem Regelventil agiert.

Widerstand – so viel wie nötig, so wenig wie möglich

Zur Erläuterung der Funktion eines Kombiventils kann ein beliebiger Betriebspunkt gewählt werden. Ist das Ventil beispielsweise voll geöffnet, stellt sich ein gewisser Volumenstrom im Fließweg ein, der von allen hydraulischen Widerständen und der verfügbaren Druckdifferenz durch die Pumpe abhängig ist.

Das Regelventil wird entsprechend der Anforderung im Netz angesteuert und verändert beispielsweise mit Hilfe eines Stellantriebes seinen Hub. Gleichzeitig sorgt der Differenzdruckregler für eine konstante Druckdifferenz über eben diesem Regelventil. Durch diese Art der Kombination entsteht eine Druckunabhängigkeit des Regelventils, solange eine gewisse Mindestdruckdifferenz eingehalten wird.

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Stellung des Differenzdruckreglers wird der Widerstand des Fließweges derart verändert, dass sich ein Volumenstrom einstellt, der über dem konstanten Widerstand des voll geöffneten Regelventils einen ebenfalls konstanten Druckabfall erzeugt. Der Ventilkegel des Regelventils stellt somit eine Art Messblende des Differenzdruckreglers dar.

Wird nun der verfügbare Druck beispielsweise durch die Änderung der Pumpenkennlinie erhöht, würde der Differenzdruckregler soweit schließen, bis der Volumenstrom im Regelventil und somit die Druck­differenz über dem Ventilkegel wieder konstant ist. Dies funktioniert natürlich auch umgekehrt, bei Verringerung der verfügbaren Druckdifferenz. Hier öffnet der Differenzdruckregler, bis der Widerstand des Fließweges derart gering ist, dass der Volumenstrom im Regelventil wieder eingehalten wird. Die Folge ist ein Fließweg mit konstantem Volumenstrom und variablem Gesamtwiderstand, unabhängig von der verfügbaren Druckdifferenz.

Die Eigenschaft des konstanten Volumenstroms wirkt sich auch auf die anfangs erwähnten Problematiken und Anforderungen heutiger hydraulischer Netze aus. Kombiventile sind aufgrund ihres dynamischen Verhaltens in der Lage, kleine Abweichungen zwischen Planung und Montage auf der Baustelle zu kompensieren. Ebenfalls ist es möglich, ein hydraulisches Netz mit Kombiventilen relativ problemlos nachzurüsten, da die neuen hydraulischen Zustände von den Ventilen kompensiert werden.

Trotz der drastischen Reduzierung des Aufwandes bei Planung und Installation ist es dennoch notwendig, ein Netz ordnungsgemäß zu konzipieren. Gerade der Wunsch nach energiesparenden hydraulischen Netzen bedingt immer eine einwandfreie und durchdachte Planung. Druckunabhängige Ventile können zwar viele Abweichungen und Fehler kompensieren, sollten jedoch nicht als Ausgleich unzureichender Planung missbraucht werden, denn ein dynamisches und wirtschaftliches Netz mit geringen Druckverlusten hängt auch unmittelbar mit einer durchdachten Topologie zusammen.

Optimierung der Pumpenleistung

Bei einem Vergleich von Kombiventilen mit herkömmlichen Regelventilen ohne gleichzeitige Betrachtung des hydraulischen Netzes oder einer möglichen Einbausituation zeigt sich, dass der Widerstand und somit der Druckverlust über einem druckunabhängigen Regelventil höher ist als bei einem herkömmlichen Ventil. Kombiventile haben eine benötigte Mindestdruckdifferenz von etwa 15 bis 20 kPa, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Im Vergleich entfallen auf ein gewöhnliches Heizkörperventil lediglich 9 kPa, wodurch das druckunabhängige Regelventil die nötige Druckdifferenz verdoppelt. Wie kann also von einer Energie-Einsparung bei gleichzeitigem Einsatz von Kombiventilen die Rede sein?

Geregelter Raum mit Kombiventil

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die Abgleichdrossel im druckunabhängigen Regelventil integriert ist und hier ohnehin ein erhöhter Druckverlust erforderlich ist. Die Mindestdruckdifferenz ist hier nicht von Interesse. Lediglich der jeweils un­günstigste Fließweg benötigt im herkömmlichen Netz keinerlei Abgleichdrossel, wodurch die Mindestdruckdifferenz bemerkbar wird, da sie eingehalten werden muss und sich somit auf den gesamten Volumenstrom im Netz auswirkt. Ist aber die hier benötigte Druckdifferenz tatsächlich größer als die eines herkömmlichen Regelventils? Nicht unbedingt!

In einem dynamischen Netz kann der ungünstigste Fließweg je nach Nutzung variieren. So kann beispielsweise durch verschiedene Wärme- oder Kälteanforderungen ein ehemals „günstiger“ Fließweg mit statischer Abgleichdrossel plötzlich zum ungünstigsten Fließweg werden. Hier ist bei einem Vergleich mit einem druckunabhängigen Regelventil neben dem Druckverlust des Ventils der Druckverlust über der Abgleichdrossel zu berücksichtigen. Da die Abgleichdrossel bei einem statischen Abgleich auf einen konstanten Widerstand eingestellt ist und sich nicht der Betriebssi­tuation anpasst, kann es dazu kommen, dass der Druckverlust im ungünstigsten Fließweg mit einem druckunabhängigen Regelventil wesentlich geringer ist, als dies mit einem herkömmlichen Regelventil mit statischer Abgleichdrossel der Fall ist.

Das Fazit: Hydraulische Netze in Gebäuden arbeiten überwiegend im Teillastbereich, in dem Kombiventile einen geringeren Druckverlust und eine bessere Regelung bieten können. Sie vereinfachen die Planung, kompensieren kleinere Abweichungen in der Bauphase, gleichen das Netz kontinuierlich ab und tragen zur Transparenz im hydraulischen Netz bei. Auch das Potenzial der Komfortsteigerung und der thermischen Energie-Einsparung ist zu berücksichtigen, denn welches Netz ist in der Praxis wirklich abgeglichen, auch wenn dies in der Planung berücksichtigt wurde?

Autor: Daniel Wehmeier arbeitet im Vertrieb der Building Technologies Division von Siemens in Bielefeld.