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Dynamischer hydraulischer Abgleich in HLK-Anlagen

Druckunabhängige Kombiventile (sog. PICVs = Pressure-Independent Combi Valves) spielen eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Energieverbrauchs, während die Gebäudetemperatur auf den optimalen Sollwerten gehalten wird. PICVs sind effektiv, da sie Druckschwankungen im Hydrauliksystem eines Gebäudes dynamisch abgleichen. Der dynamische Abgleich hat zwei wichtige Funktionen: Erstens verhindert er eine Über- und Unterversorgung von Verbrauchern und daraus resultierende Hydraulikstörungen. Zweitens verringert er Temperaturschwankungen erheblich. Dadurch verbraucht das System weniger Energie, um den Komfort der Bewohner aufrechtzuerhalten.

Ventile und Rohre an einer Wand.
Quelle: www.pexels.com

Druckunabhängige Kombiventile (PICVs) verfügen über eine stufenlose Voreinstellfunktion für den maximalen Volumenstrom, mit der sich die Nennleistung präzise einstellen lässt. So werden Temperaturschwankungen vermieden und der Komfort sichergestellt. Das hat den Vorteil, dass die Bewohner die Temperatureinstellungen seltener erhöhen oder verringern, was zur Gesamtenergieeinsparung beiträgt.

PICVs ermöglichen erweiterte Pumpenregelungsstrategien (z. B. Schlechtpunktregelung), die den Energieverbrauch weiter verringern. Insgesamt lassen sich mit PICVs Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erzielen. Sie können in allen mengenvariablen Heizungs- und Kühlungsanwendungen eingesetzt werden, um das ganze Jahr über den Komfort der Bewohner aufrechtzuerhalten.

Dynamischer Abgleich gegen Druckunterschiede

Druckunabhängige Kombiventile stellen sicher, dass der Durchfluss von heißem oder kaltem Wasser nur vom Ventilhub abhängig ist. Innerhalb ihres Betriebsbereichs werden sie nicht durch Druckschwankungen im Hydrauliksystem des Gebäudes beeinflusst. Dies wird als dynamischer Abgleich oder "automatischer" Abgleich bezeichnet.

Die grundlegende Funktion wird durch einen integrierten Differenzdruckregler (Abb. 1, Nr. 3) erreicht, der zum Hauptdurchflussregelventil (Abb. 1, Nr. 1) in Reihe geschaltet ist und den Differenzdruck des Durchflussregelventils mit einem Druckeinlass und einer Membran regelt. So ist der Durchfluss durch die gesamte Vorrichtung von Druckschwankungen im System unabhängig und wird nur durch den Hub des Regelventils bestimmt.

Schematische Darstellung eines mechanischen PICVs.
Quelle: Autor
Abb.1: Schematische Darstellung eines mechanischen PICVs: Durchflussregelventil (Nr. 1), Voreinstellung (Nr. 2), Differenzdruckregler (Nr. 3).

PICVs bieten die gleiche Stellantriebsschnittstelle wie Standardregelventile. Eine zusätzliche Energieversorgung oder ein elektrischer Sensor sind nicht erforderlich. Die Energie für den Betrieb des Differenzdruckreglers stammt aus dem Hydrauliksystem selbst.

Eine weitere Funktion ist die stufenlose Begrenzung des maximal zulässigen Durchflusses. Dies erfolgt durch die Begrenzung des freien Regelpfadbereichs (Abb.1, Nr. 2). Die Besonderheit der druckunabhängigen Kombiventile von Siemens ist, dass, unabhängig von der Voreinstellung, der volle Hub zur Verfügung steht, also die Voreinstellung keine Hubbegrenzung verursacht.

PICVs im gesamten Hydrauliksystem relevant

PICVs können in allen mengenvariablen Heizungs- und Kühlungsanwendungen in einem Gebäude – unter anderem in den Bereichen Energieerzeugung, -verteilung und Energienutzung – verwendet werden.

Einige typische Anwendungen sind:

  • Energienutzung/-verbrauch
  • Kühldecken
  • Heizkörper
  • Heizungs-/Kaltwasserzonenregelung
  • Heiz-/Kühlregister in:
  1. Ventilatorkonvektoren
  2. Klimageräten
  3. Variablen Volumenstromsystemen (VVS)
  • Energieverteilung
  • Heizgruppe
  • Kaltwassergruppe
  • Energieerzeugung
  • Fernwärme

Bei Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden sorgt die automatische Abgleichfunktion auf drei verschiedene Arten für Energieeinsparungen:

  • Sie verhindert zu jeder Zeit und bei jeder Betriebsbedingung eine Überversorgung des Wärmeübertragers.
  • Sie verbessert die Regelgenauigkeit, indem eine hydraulische Kreuzverbindung von angrenzenden Regelkreisen verhindert wird.
  • Sie ermöglicht erweiterte Energieverteilungsstrategien, indem das Risiko eines "Verhungerns" des Wärmeübertragers beseitigt wird.

Unterschiedlicher Widerstand führt zur Unter- oder Überversorgung

Bei hydraulischen Heiz- oder Kühlsystemen wird das heiße oder kalte Trägermittel (Wasser, entweder pur oder mit einem Mittel wie Glykol gemischt), das die thermische Energie von ihrer Erzeugung zum Verbraucher verteilt, über Rohrabschnitte mit verschiedener Länge oder verschiedenem Durchmesser transportiert. Bei mehrgeschossigen Gebäuden kann die zu überwindende Höhe ebenfalls unterschiedlich ausfallen. Daher ist der hydraulische Widerstand entlang des Pfads von der Energieerzeugung zu jeder Übergabestelle verschieden.

Um die erforderliche Heiz- oder Kühlleistung bereitstellen zu können, ist jede Übergabestelle für einen bestimmten Durchfluss ausgelegt. Wenn der Durchfluss zu niedrig ist, erhält der Verbraucher nicht genügend Energie (Unterversorgung).

Im umgekehrten Fall ist es so, dass bei einem Überfluss (Überversorgung) der Durchfluss so hoch ist, dass die Übergabestelle die bereitgestellte thermische Energie nicht ausreichend übertragen kann. Als Folge wird die überschüssige Energie zurück an die Energieerzeugung geleitet, die dann wiederum nicht mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Um sicherzustellen, dass jeder Verbraucher die richtige Menge an Heiz-/Kühlenergie erhält, wird ein hydraulischer Widerstand in das System integriert. Normalerweise wird dieser sogenannte Abgleich durch die Installation von manuellen Abgleichdrosseln erreicht, die in Reihe zu den Standardregelventilen installiert werden. Bei dieser Methode wird der hydraulische Widerstand der Abgleichdrosseln so dimensioniert, dass das System für nominale Betriebsbeingungen ideal abgeglichen ist. Das System ist dann "statisch abgeglichen". Dies kann jedoch nur für einen einzigen vorgegebenen "idealen" Betriebszustand, dem Auslegungszustand, erreicht werden (Abb. 2).

Schema des Auslegungszustands.
Quelle: Autor
Abb.2: Wenn bestimmte Kreisläufe in Teillast oder geschlossen sind, befinden sich andere im Überflusszustand.

Hydraulische Heiz- oder Kühlsysteme werden über das Jahr gesehen jedoch überwiegend im Teillastbetrieb gefahren, sodass die Einregulierung auf den Auslegungszustand unwirksam ist.

Überversorgung trotz statischem Abgleich

Die Wirklichkeit sieht also ganz anders aus. In statisch abgeglichenen Systemen kann nach wie vor ein Überfluss bei bestimmten Teillastzuständen auftreten.

Wenn zum Beispiel einige Kreisläufe nur zur Hälfte geöffnet sind (Teillast), aber der Rest vollständig geöffnet ist (Volllast), kommt es in den letzteren Kreisläufen, die übermäßig Energie erhalten, zu einem Überfluss (Abb. 3).

Statisch abgeglichenes System.
Quelle: Autor
Abb.3: Statisch abgeglichenes System, das mit dem ausgelegten Betriebswert betrieben wird.

Ein solcher Überfluss kann über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben, bevor die Raumtemperaturregelung auf die erhöhte oder verringerte Temperatur reagiert. Solche vorübergehenden Überversorgungsphasen treten entweder durch eine Änderung der Last (z.B. Änderung der Belegung eines Raums) oder eine Änderung des Sollwerts (z.B. Anlaufphase am Morgen) auf.

Abhängig von den verwendeten Energieerzeugungsanlagen kann dieser Überfluss zu zwei negativen Nebenwirkungen führen. Zunächst führt der Überfluss zum Transport von Wasser durch das System, das keine passende Menge an zusätzlicher Energie zu den Verbrauchern bringt, und dadurch zu einem geringen Temperaturunterschied über dem Wärmeübertrager (Anm.: Die Wärmeübertragung durch den Wärmeübertrager ist direkt proportional zum Durchfluss und zum Temperaturunterschied im gesamten Wärmeübertrager. Durchfluss und Temperaturunterschied sind in einem geschlossenen System umgekehrt proportional zueinander).

Außerdem führt Überfluss bei Kühlgeräten und Wärmepumpen zu Ineffizienzen in den Energieerzeugungsanlagen. Überfluss bei bestimmten Verbrauchen kann zu einer Rücklauftemperatur, die niedriger als der Nennwert im Kühlmodus ist, sowie zu einer Rücklauftemperatur führen, die höher als der Nennwert im Heizmodus ist, sodass die Energieeffizienz von Heiz- und Kühlgeräten um jeweils zwei und drei Prozent sinkt (Anm.: Die Verringerung der Verdampfungstemperatur eines Kühlgeräts um 1 K unter den Auslegungswert verringert seine Leistung um ca. 3 Prozent. Die Erhöhung der Kondensationstemperatur einer Wärmepumpe um 1 K über den Auslegungswert verringert ihre Leistung um ca. 2 Prozent

Wie bereits in der Beschreibung des Funktionsprinzips von PICVs erwähnt, begrenzt die Verwendung von PICVs den maximalen Durchfluss bei Teillastzuständen und verhindert so den erwähnten Anstieg des direkten Energiebedarfs (Erzeugung, Verbrauch) und des indirekten Energiebedarfs (Transport, Verteilung).

Weiterführende Informationen: https://www.siemens.de/acvatix

Dienstag, 12.12.2017

Von Masud Wasay
Produktmanager Ventile und Stellantriebe Siemens AG Building Technologies Division