HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

3.3 Verteilsysteme

Ausgewählte Firmen der Wärmeverteilung

3.1 Pumpe und Netz
3.2 Hydraulische Schaltungen
3.3 Verteilsysteme

3.3.1 Installationskonzepte

3.3.1 Installationskonzepte – 3.3.2 Wärmeverbrauchserfassung – 3.3.3 Hydraulischer Abgleich

Schwerkraftsystem

Der Kessel liegt am tiefsten Punkt des Systems. Am Kesselaustritt steigt das erwärmte Wasser infolge sei­ner geringeren Dichte in die Vor­lauf­lei­tung und bringt so die Zirkulation in Gang (Bild 3.19, die Pumpe ist wegzudenken). Es sollten mög­lichst keine «Säcke» vor­kom­men. Die anliegende Druck­dif­fe­renz zwischen dem Wärmeerzeuger und einem Heizkörper ergibt sich aus der Gewichtsdifferenz der kalten und warmen Säule:

Δp   Umtriebsdruck in Pa
ρR, ρV   mittlere Dichte im Rück- bzw. Vorlauf in kg/m3
g   Erdbeschleunigung: 9,81 m/s2
Δz   Kotendifferenz zwischen Wärmeerzeuger und Heizkörper in m
 
Konventionelles Zweirohrsystem mit unterer Verteilung
Bild 3.19 Konventionelles Zweirohrsystem mit unterer Verteilung

Infolge des sehr viel geringeren anliegenden Drucks als bei einem Pumpensystem ergeben sich mehrfach grössere Rohrdurchmesser. Mischventile usw. sind nicht möglich. Kleinere Schwerkraftsysteme ergeben aber zuweilen besonders einfache Lösungen, z.B.:

  • Boilerbeheizung ab Wärmespeicher
  • Thermosiphon-Solaranlage
Konventionelles Zweirohrsystem

Die Pumpenheizung mit vertikalen Steigsträngen hat folgende Eigenschaften (Bild 3.19):

+ Auslegung einfach
+ lange Lebensdauer
+ nachträgliche Änderungen einfach
+ hydraulischer Abgleich einfach
- viele Steigstränge, eher aufwendig
- Wärmezähler pro Wohnung unmöglich

Sternförmiges Zweirohrsystem

Dieses System ist sowohl für Heizkörper wie auch für Fuss­bodenheizungen üblich (Bild 3.20):

+ Auslegung einfach
+ wenige Steigstränge, etwas geringerer Aufwand
+ Wärmezählung pro Wohnung möglich
+ hydraulischer Abgleich einfach

Anstelle eines grossen Heizkörpers können ohne Weiteres mehrere in Serie geschaltet werden. Dies ist nicht mit einem Einrohrsystem zu verwechseln.

Sternförmiges Zweirohrsystem
Bild 3.20 Sternförmiges Zweirohrsystem
Einrohrsystem

Die Vor- und Rückläufe der Heizkörper in verschiedenen Räumen wer­den an eine Ringleitung angeschlossen (Bild 3.21):

+ wenige Steigstränge
+ bei Grossanlagen relativ geringer Aufwand
+ Wärmezählung pro Wohnung möglich
- Auslegung schwierig
- verschiedene Temperaturen der Heizkörper
- für Niedertemperatur ≤ 50 °C nicht geeignet
- hohe Pumpenleistung
- hydraulischer Abgleich mühsam
- durch abgestellte Ringe fliesst heisses Wasser in den Rücklauf

Einrohrheizung
Bild 3.21 Einrohrheizung

An jedem Heizkörper des Rings wird eine Einrohr-Armatur montiert (Bild 3.22). Der Vorlauf des Rings wird etwa in gleiche Teile aufgespaltet. Der eine Teil fliesst durch Thermostatventil und Heizkörper. Der an­de­re Teil strömt durch den Beipass und vereinigt sich mit dem Rücklauf des Heizkörpers. Die Re­gu­lie­rung eines Heizkörpers beeinflusst die nach­ge­schal­te­ten Heiz­kör­per. Aus diesem Grund sind Ther­mo­stat­köp­fe un­ent­behr­lich.

Einrohrventil
Bild 3.22 Einrohrventil

3.3.2 Wärmeverbrauchserfassung

3.3.1 Installationskonzepte – 3.3.2 Wärmeverbrauchserfassung – 3.3.3 Hydraulischer Abgleich

Mit der verbrauchsabhängigen Heiz­ko­sten­ab­rech­nung soll der einzelne Wärmebezüger einen fi­nan­zi­el­len Anreiz erhalten, die Energie rationell ein­zu­set­zen. Durchschnittlich wird eine Energieeinsparung von 10 bis 20 % erzielt. Die Einflussmöglichkeiten des Be­nut­zers bestehen in der Bedienung der in­di­vi­du­el­len Re­ge­lor­ga­ne und einem zweckmässigen Lüften. Die Wir­kung ist um so besser, je an­wen­der­freund­li­cher die Reguliermöglichkeiten sind. Installation und Ab­rech­nung müssen für den Benutzer durchschaubar sein. Mit Wärmezählern und Heiz­kostenverteilern wird der Ener­gie­ver­brauch pro Wohnung ermittelt. Der Mehr­ver­brauch von Randwohnungen sowie nicht ge­mes­se­ne, mitheizende Leitungen werden ab­rech­nungs­mäs­sig kompensiert.

Die Wirtschaftlichkeit der Massnahme ist bei en­er­ge­tisch guten Bauten und energiebewusstem Be­nut­zer­ver­hal­ten nicht gegeben. Die verbrauchsabhängige Heizkostenabrechnung wird hingegen durch das Ver­lan­gen nach Gerechtigkeit und durch Vorschriften ge­stützt. Bei Fussbodenheizungen können aber je nach Wärmedämmung beachtliche Wärmeströme zur untenliegenden Nutzeinheit entstehen. Deshalb soll ein U-Wert der Bodenkonstruktion unterhalb der Rohrebene von höchstens 0,7 W/m2K eingehalten werden [SIA 384/1]. Das bedeutet in der Regel eine (Trittschall-)Dämmung von 5 cm.

Die Geräte unterscheiden sich in vielerlei Hin­sicht, z.B. bezüglich Anzeige, Hilfsenergie, Druckverlust, In­stal­la­ti­ons- und Abrechnungsaufwand.

Wärmezähler

Diese Geräte messen Vor- und Rück­lauftem­pe­ra­tur des Verbrauchers sowie den Volumenstrom und berechnen die bezogene Wärmeleistung (Bild 3.23):

Φ   Wärmeleistung in kW
qm   Massenstrom in kg/s
c   spezifische Wärmekapazität, Wasser: 4,19 kJ/kgK
θV, θR   Vor- bzw. Rücklauftemperatur in °C

Wärmezähler
Bild 3.23 Wärmezähler

Durch Aufsummierung über der Zeit wird die Wär­meener­gie ermittelt. Der Volumenstrom wird nach ver­schie­de­nen Prinzipien gemessen:

  • mechanisch: Flügelrad-, Turbinenzähler
  • magnetischinduktiv: Die durch ein Magnetfeld strömende Flüssigkeit induziert eine geschwindigkeitsproportionale Spannung
  • Ultraschall: Die Laufzeitdifferenz von Schallwellen in und gegen die Strömungsrichtung hängt von der Geschwindigkeit ab
  • Schwingstrahl: Der Fluidistor-Oszillator weist eine geschwindigkeitsproportionale Schwingfrequenz auf

Bei richtigem Einsatz ist die Messgenauigkeit generell gut (wenige % Fehler). Fehlmessungen aufgrund von Verunreinigungen treten am ehesten bei Zählern einfachster Bauart (Ein­strahl-Flügelrad) auf. Tem­pe­ra­tur­mess­feh­ler können von der Ausführung der Messstelle oder zu geringer Temperaturspreizung herrühren.

Heizkostenverteiler

Um den Wärmeverbrauch zu ermitteln, genügt es, Ver­brauchsan­tei­le zu bestimmen. Der En­dener­gie-Lie­fe­rant misst ohnehin den Gesamtbetrag in Ener­gie­ein­hei­ten. Grundsätzlich werden mittlere Tem­pe­ra­tur­dif­fe­ren­zen gemessen als Mass für die Wärmeabgabe jedes Heizkörpers. Nach Gewichtung mit der Heiz­flä­che ergibt sich der Verteilschlüssel für die Energie.

Heizkostenverteiler mit Messung
Bild 3.24 Heizkostenverteiler mit Messung

Beim Heizkostenverteiler ohne Messung der Raum­luft­tem­pe­ra­tur ist die Anzeige abhängig vom zeitlichen Mittel der Heizkörpertemperatur (Bild 3.24a):

  • Verdunstungsgeräte: von der Heizkörpertemperatur abhängige Verdunstung von Flüssigkeit. Kaltverdunstung, deshalb nur für Volllast-Vorlauftem­pe­ra­tu­ren über 50 °C geeignet. Kosten­günstig.
  • Elektronische Geräte: Batterie und örtliche Anzei­ge. Zählung wird bei tiefen Heizkörper-Temperaturen unterdrückt (Sommer).

Prinzipielle Mängel dieser Heizkostenverteiler:

  • Mangel 1: Temperaturdifferenz-Fehler besonders gross bei tiefer Heizkörpertemperatur.
  • Mangel 2: Es gibt keinen Punkt auf dem Heizkörper, der bei jeder Last die mittlere Temperatur aufweist.

Der Heizkostenverteiler mit Messung der Raumtem­pe­ra­tur (Bild 3.24b) hat nur noch Mangel 2.

Datenübertragung

Die Datenerhebung ist sowohl bei Wärmezählern als auch bei Heizkostenverteilern recht aufwendig. Bei Ersteren erfolgt die Ablesung dezentral an den Wohnungsverteilern, bei Letzteren muss gar jeder Heizkörper in den Wohnungen besichtigt werden. Die Warmwasserablesung erfolgt auch noch separat. Möglichkeiten, diesen Serviceaufwand zu vermindern:

  • Elektrische Leitungen führen Zählerimpulse in die Zentrale.
  • Datenbus: Eine Zweidrahtleitung übermittelt Signale vieler Geräte.
  • Funk: jährliches Senden des Standes an Zentrale.
Verbrauchserfassung mit Gebäudeautomation

Die Gebäudeautomationssysteme lassen sich in dieser Hinsicht erweitern. Sie umfassen Einzelraum-Regelsysteme, welche mit etwas Zusatzaufwand auch die Verbräuche für Wärme, Kälte, Warm- und Kaltwasser, Elektrizität und Gas erfassen können.

Warmwasser-Verbrauchserfassung

Zentral erzeugtes Warmwasser kann individuell mit Warmwasserzählern erfasst werden. Zumindest soll­te aber ein Kaltwasserzähler in den Zufluss zum Was­ser­er­wär­mer eingebaut werden. Dies erlaubt, den meist recht grossen Warmwasseranteil am gesamten Energieverbrauch auszuscheiden.

3.3.3 Hydraulischer Abgleich

3.3.1 Installationskonzepte – 3.3.2 Wärmeverbrauchserfassung – 3.3.3 Hydraulischer Abgleich

Definition und Zweck

Unter «hydraulischem Abgleich» versteht man das Ein­stel­len der geplanten Durchflüsse mittels geeigneter Drosselorgane, Pumpenanpassung oder Re­ge­lun­gen. Mit dem Abgleich wird nun dafür gesorgt, dass jeder Verbraucher im Maximum genau den Durch­fluss bekommt, den er bei den massgebenden Be­din­gun­gen benötigt. Die Einhaltung der er­for­der­li­chen Verbraucherleistung, die Erfüllung der zu­ge­dach­ten Funktion von Apparaten sowie ein emis­sions­ar­mer Betrieb sind nur zu erreichen, wenn die ge­plan­ten Vo­lu­men­strö­me tatsächlich fliessen (vorausgesetzt, die Pla­nung ist in Ordnung).

Vorkommende Mängel [BFK6]

1. Ungleiche Wärmeabgabe
Der Durchfluss ist einer der Faktoren, der die Wär­me­ab­ga­be von Heizflächen bestimmt. Wenn die Durch­flüs­se nicht stimmen, frie­ren die einen und schwitzen die andern. Fälsch­li­cher­wei­se wird dann oft die Vor­lauftem­pe­ra­tur höher ge­stellt, worauf diejenigen, die schwitzen, das Fenster öffnen.

2. Geräuschprobleme
Gewisse Bauteile, z.B. Ther­mo­stat­ven­ti­le, weisen enge Querschnitte mit relativ ho­hen Geschwindigkeiten auf. Wenn die Durchflüsse zu hoch sind, ist oft ein «Pfeif­kon­zert» die Folge. Ursache ist eine über­di­men­sio­nier­te Pumpe und/oder ein feh­len­der hydraulischer Abgleich.

3. Zu hohe Rücklauftemperatur
Ein Kon­den­sa­ti­ons­kes­sel kondensiert nur dann, wenn die Rück­lauftem­pe­ra­tur genügend tief ist. Schon bei der Wahl der hy­drau­li­schen Schal­tung ist darauf zu ach­ten, dass nicht war­mes Vor­lauf­was­ser in den Rücklauf gelangt. Durch zentrales Dros­seln könnte zwar die geforderte hohe Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz erreicht wer­den. Dabei besteht aber die Gefahr, dass entferntere Anlageteile «ab­ster­ben». Es braucht also den Abgleich aller Anlageteile.

4. Mess- und regeltechnische Probleme
Viele Regelventile öffnen sich ihr Leben lang nur über ei­nen kleinen Teil ihres Maximalhubs. Dies be­ein­flusst das Regelverhalten negativ. Wenn das Ventil rich­tig di­men­sio­niert ist, ist die Behebung eine Sache des Durch­flus­ses (Beispiel Bild 3.11b).

Thermostatventile öffnen sich im Ab­senk­be­trieb ganz, da ihr Sollwert stark von der Raumtemperatur ab­weicht. Ohne Voreinstellung (an der Rück­lauf­ver­schrau­bung oder im Ventil selbst) steigt der Durch­fluss unter Umständen weit über den ge­wünsch­ten Ma­xi­mal­durch­fluss hinaus. Ohne hy­drau­li­schen Ab­gleich un­ter­lau­fen somit Thermo­stat­ventile den Absenkbetrieb.

Die Genauigkeit von Wär­me­zäh­lern hängt ab von der Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz. Bei zu hohen Durch­flüs­sen wird sie bei Teillast gefährlich klein.

Vorgehen

Zur Planung einer Anlage gehört grundsätzlich die Rohr­netz­be­rech­nung [Sch2]. Sie liefert die Grundlagen zur Di­men­sio­nie­rung der Bauteile, insbesondere die Vo­lu­men­strö­me und Druckverluste in verschiedenen Anlageteilen.

1. Stufe des Abgleichs: Voreinstellungen
Aufgrund der Rohrnetzberechnung werden die not­wen­di­gen Voreinstellungen von Pumpen und Drosseln bestimmt. Diese sind vom Planer anzugeben und vom Installateur einzustellen. In ein­fa­che­ren An­la­gen braucht nicht unbedingt gemessen zu werden. Voreinstellungen nach Pla­nungs­wer­ten sind dann aber ein Erfordernis.

2. Stufe des Abgleichs: Messtechnisch
Vor allem in komplexeren Anlagen kann die Un­si­cher­heit, auch einer seriösen Netzberechnung, be­trächt­lich sein:

  • Wie gut stimmt das montierte Rohrnetz mit dem projektierten überein?
  • Wie genau sind Herstellerangaben für Pumpen, Drosselorgane usw.?

Zur Behebung dieser Unsicherheit ist ein mes­stech­ni­scher Abgleich notwendig. Dabei werden mit ver­schie­de­nen Methoden Durchflüsse gemessen und rich­tig eingestellt (Näheres in [BFK6]).

Apparateseitige Voraussetzungen

Für die Durchführung des hydraulischen Abgleichs braucht es nebst durchdachten Planeranweisungen auch gewisse apparateseitige Voraussetzungen. Hier sollte nicht gespart werden, denn sonst wird der Ab­gleich ­– wie so oft – überhaupt nicht durchgeführt.

Folgende Komponenten sind oft nützlich:

  • Drosselorgane mit eindeutig einstellbaren kv- Wer­ten. Die Einstellung soll ohne Veränderung der Ein­stel­lung kontrollierbar sein. Beim Drosselventil in Bild 3.25 muss nicht mit der Lupe gesucht werden, um die Öffnung von 2,3 Umdrehungen ablesen zu können. Das Ventil kann auch plombiert werden.
  • Thermostatventile mit integriertem Drosselorgan sind praktischer zum Voreinstellen als Heizkörper-Rücklaufverschraubungen, die ei­gent­lich nur als Absperrorgane taugen.
  • Drosselventile mit Druckmessstutzen. Es sind dazu Messgeräte erhältlich, die direkt den effektiven Durch­fluss anzeigen.
  • Druckmessnippel vor und nach einem Regelventil ermöglichen, auf einfache Weise, den Durchfluss zu messen (bei offenem Ventil).
  • Pumpen mit verstellbarem Förderdruck oder stufenweise wählbarer Drehzahl.
  • Durchflussregler (Mengenbegrenzer), Druck­dif­fe­renz­reg­ler, Überströmventile können direkt auf den gewünschten Wert des Durch­flusses bzw. der Druckdifferenz eingestellt werden (möglichst zu vermeiden).
Handrad eines Drosselventils mit ablesbarer Umdrehungszahl
Bild 3.25 Handrad eines Drosselventils mit ablesbarer Umdrehungszahl
Beispiel:

In einem Verteilsystem nach Bild 3.20 sind die Voreinstellungen der Thermostatventile (Durchfluss­kennwerte) zu ermitteln, so dass die gewünschten Volumenströme:

  • Heizkörper 1: 0,03 m3/h und
  • Heizkörper 2: 0,12 m3/h

tatsächlich fliessen. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Balken des Stockwerkverteilers sei 6000 Pa.

Lösung:

Wenn die Druckverluste der Sternleitungen und der Heizkörper vernachlässigt werden, beträgt der von jedem Ventil zu erzeugende Druckverlust 6000 Pa. Entsprechend (3.5) gilt für die Durchflusskennwerte der Ventile:

Die Ventile der Heizkörper sind also wie folgt einzustellen (vgl. Bild 4.7):

  • Heizkörper 1: kv = 0,03 · 4,1 = 0,12 m3/h
  • Heizkörper 2: kv = 0,12 · 4,1 = 0,49 m3/h