Hydraulisch richtig abgleichen

Heizung
Energieeffizienz
Hydraulisch richtig abgleichen
Berechnung mithilfe der VDI-Richtlinie 2073 Blatt 2
Der hydraulische Abgleich bei Warmwasserheizungen ist ein so
selbstverständliches Erfordernis wie ihre Entlüftung. Die VOB
[1] schreibt ihn ohne Nachweispflicht vor, die EnEV [2] setzt
ihn beim Referenzgebäude voraus und deutet damit zusätz­
lich seine Relevanz für den Energieaufwand an. Doch trotz
der Erfordernis wird auf ihn oft verzichtet, weil die da­
durch verursachten Mängel unauffällig sind und er daher
als entbehrlich angesehen wird. Und die Voraussetzung
für ihn, eine genaue Auslegung von Übergabe und Ver­
teilung zuvor durchzuführen, wird ähnlich begründet,
oft nicht erfüllt und durch vereinfachende Praktiker­
ansätze ersetzt. Offenbar hat die alte VDI 2073 [3] das
Vorgehen nicht strikt und detailliert genug vorge­
schrieben. Diese Lücke soll nun der seit März dieses
Jahres erhältliche Entwurf der neuen VDI 2073 Blatt
2 [4] schließen.
Ein mangelnder Abgleich verursacht unmerklich Energieverschwendung bei der
Wärmeübergabe. Das bedeutet, wenn gar
nicht oder unkorrekt abgeglichen wird, fällt
es dem Nutzer meist nicht auf mit der Folge, dass der hydraulische Abgleich in der
Praxis vernachlässigt wird. Das Unwissen
über die energetischen Konsequenzen dieser Nachlässigkeit rührt auch von kursierenden ungenauen und verwirrenden Erklärungen des hydraulischen Abgleichs her.
Erneut ist daher ihre klare Definition vorangestellt: „Rechnerische Bestimmung und
das Einstellen der Abgleichwiderstände
in einem Verteilsystem mit dem Ziel einer
Sollwasserverteilung“. Vor dem Abgleichen
müssen demnach die zu verteilenden Sollwasserströme bekannt sein. Dazu sind die
Auslegedaten für die Übergabe und die Verteilung zu beschaffen und zwar gleichermaßen für neue wie bestehende Anlagen.
Voraussetzungen schaffen
Unabdingbare Voraussetzungen für einen hydraulischen Abgleich sind:
• Norm-Heizlasten der Räume,
• Auslegeleistungen und Auslegetemperaturen der Heizflächen und daraus resultierenden Wasserströme,
• Leitungslängen und Rohrdurchmesser
(bei Neuanlagen aus den Wasserströmen abgeleitet und bei Altanlagen abgemessen).
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Die VDI 2073 Blatt 2 bringt klare Definitionen.
Anforderungen definieren
Die Anforderungen an die Verteilung
bestimmt das übergeordnete Ziel, den
Ener­gieaufwand zu reduzieren. Dabei soll
nicht allein der Stromaufwand der Verteilung durch Begrenzen des Druckabfalls
minimiert, sondern primär noch der thermische Aufwand der Übergabe durch Optimieren der Regelung reduziert werden.
Die Übergabe wird in Zentralheizungen
mit zentralen Umwälzpumpen überwiegend mit Ventilen geregelt. Ihre Regelfä-
higkeit kennzeichnet die sogenannte Ventilautorität (aV). Sie ist das Verhältnis des
Auslegungsdruckabfalls (∆pV,A) des Ventils
zum Schließdruck (∆pV,0) und nicht, wie es
falsch in der VOB [1] heißt „zum maximal
möglichen Differenzdruck an der Umwälzpumpe“ – und so weithin oft auch geglaubt
wird. Da die Ventilautorität möglichst hoch
sein soll, folgt als erste Anforderung eine
Mindestventilautorität (av,min); mit der falschen Definition wäre sie viel zu hoch.
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Energieeffizienz
Den elektrischen Energieaufwand der
Verteilung kann man zunächst durch das
Druckgefälle begrenzen. Die zweite Anforderung ist demnach ein Grenzdruckgefälle (R L,max). Bei Altanlagen sind die Rohrabmessungen und damit R L hinzunehmen
– meist ist R L ausreichend niedrig. Wenn
nicht, lassen sich die Wasserströme durch
neue größere Heizflächen reduzieren. Den
zweiten Einfluss auf den Energieaufwand
der Verteilung hat der Auslegungsdruckabfall (∆pV,A) der Armatur am Schlechtpunkt
(Bild 1). In einem Verteilsystem mit Zweirohranschlüssen ist an diesem Punkt die
herstellbare Ventilautorität am niedrigsten
(bei Normalverlegung zum Ende hin, bei
Verlegung nach Tichelmann vorn oder hinten). Der Auslegungsdruckabfall folgt aus
der Mindestventilautorität (av,min) und wirkt
somit sowohl auf die Hydraulik wie auch
auf die Übergabe. Bei Altanlagen kann der
Auslegungsdruckabfall durch das vorhandene Ventil gegeben sein. Sollte dieser zu
hoch sein, ist das Ventil auszutauschen.
Der Auslegungsdruckabfall bestimmt die
von der Umwälzpumpe aufzubringende,
zunächst unbekannte Gesamtdruckhöhe
(∆pges) und damit die Druckdifferenzen an
allen ­übrigen Stellarmaturen im Verteilsystem.
Auslegung der Raumheizflächen
Vor jedem hydraulischen Abgleich ist
zu allererst das zu versorgende Übergabesystem (Heizkörper, Fußbodenheizflächen,
Lufterwärmer etc.) auszulegen oder nachzurechnen. Wichtig ist, dass die Wasserverteilung immer nur so genau sein kann,
wie die Auslegungsrechnung es vorgibt.
Abzugleichen ist allein auf die Wasserströme aus der Auslegungsrechnung. Für den
Nachweis eines hydraulischen Abgleichs
müssen die folgenden Berechnungen (siehe
auch Beispielrechnung) vorgelegt werden:
1. Norm-Heizlasten der Räume z. B. nach
DIN EN 12831 (ohne Aufheizleistung)
oder nach DIN 4701/1 und 2. Wichtig
ist hierbei die Einheitlichkeit.
2. Auslege-Innentemperaturen (i,A) der
Räume und die Auslegeleistungen der
Heizflächen (erf).
3. Bestimmung der Heizflächengröße,
der erforderlichen Über-/Untertemperatur (∆TH) / (∆TU) und der Mindestspreizung (min) (gemäß [5]).
4. Aus dem Heizkörper-Auslegungsdiagramm das maximale Leistungsverhältnis (erf / S.max) ablesen und damit aus einem Katalog den passenden
Heizkörper mit der kennzeichnenden
Norm-Wärmeleistung (S,real ≤ S.max)
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Bild 1: Prinzipschema aus [7], für ein
Verteilsystem mit
Zweirohranschluss
in Normalverlegung,
mit dem Auslegungsdruckabfall
des Ventils ∆pV,A am
Schlechtpunkt.
aussuchen und daraus das reale Leis­
tungsverhältnis (erf /S.real) berechnen [5]).
5. Wahl der Vorlauf-Übertemperatur (∆T2),
Ablesen der Rücklauf-Übertemperatur
(∆T2) im HK-Auslegungsdiagramm und
Berechnung der Spreizung ( = ∆T1 –
∆T2) (gemäß [5] oder bei Fußbodenheizung analog DIN EN 1264 [6]).
6. Berechnung des Wassermassenstroms
gemäß
Wer die Heizkörper auf die übliche Weise
mit Faustwerten bei den Lasten und den
Temperaturpaarungen aus den Katalogen
auslegt, dem unterlaufen leicht Abweichungen von über 40 % beim Druckabfall.
Auslegung der Teilstrecken bis zum
Schlechtpunkt
Die Auslegung des Verteilsystems
schließt sich an die der Übergabe an. Betrachtet werden zunächst die Teilstrecken
im hydraulischen Kreis mit dem Schlechtpunkt. In der ersten Teilstrecke fließt der
Gesamtwasserstrom für den betrachteten
Kreis. Dann nimmt der Wasserstrom bei jedem Abzweig zu einer Übergabestelle gestuft ab.
7. Jedem Teilstreckenwasserstrom ist bei
dem vorgegebenen Grenzdruckgefälle
(100 < R L,max < 150 Pa/m) ein bestimmter Rohrinnendurchmesser zugeordnet
(aus Tabellen [3] oder Rohrreibungsdia­
gramm).
8. Das reale Druckgefälle (R L) einem Rohrreibungsdiagramm oder genauer den
Unterlagen des ausgewählten Rohrherstellers entnehmen.
9. Die Wassergeschwindigkeit folgt aus
; sie ist bei Durchmessern
unter ca. 40 mm deutlich kleiner als
die übliche Grenzgeschwindigkeit von
0,7 m/s. Für die anstehenden Berechnungen der Druckabfallwerte bei den
Einzelwiderständen wird der dynamische Druck benötigt. Die Formel
dazu lautet: pdyn,i = 0,5 · p · v2i.
Bild 2: Schematisches Differenzdruck-Weg-Diagramm eines Teilstranges mit Zweirohranschluss in Normalverlegung nach einer Beispielrechnung in [7]. Eingezeichnet: Die Auslegungszustände (A) und die Betriebszustände (B), bei dem das Schlechtpunkt-Ventil geschlossen ist und die Pumpe den Gesamtdruck hält.
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Heizung
Energieeffizienz
Beispielrechnung in 18 Schritten
Auslegung der Raumheizflächen
Schritt 1: Raumheizlast z. B. nach DIN 4701: Q·N = 600 W.
Schritt 2: Auslegeleistung bei Rauminnentemperatur von i,A = 22 °C:
erf = 2220 · 600 W = 638 W.
Schritt 3: Aus Flächenverhältnis AFe/AHK = 3 sowie Untertemperatur der Umfassungsfläche ∆T U = 5 K folgen gem. [5] Übertemperatur der Heizfläche ∆T H = 16 K und Mindestspreizung min = 7 K.
Schritt 4: Aus HK-Diagramm [5] max. Leistungsverhältnis erf/S.max = 0,225; HK-NormWärmeleistung S.max = 2830 W; aus Katalog install. Norm-Wärmeleistung S.real = 2612 W.
Schritt 5: Gewählt Vorlauf-Übertemperatur ∆T1 = 22 K, aus HK-Diagramm Rücklauf-Übertemperatur ∆T2 = 14 K; Spreizung  = 22 K - 14 K = 8 K.
638 W
Schritt 6: Wassermassenstrom qm =
J · 8 K= 0,019kg.
4180
Kg · K
Auslegung der Teilstrecken bis zum Schlechtpunkt
Schritt 7: Es fließt (z. B. in Teilstrecke 1) der Summen-Wasserstrom qm,1 = 0,20 kg
s,
bei dem einzuhaltenden Grenzdruckgefälle RL,Max = 130 Pa
m daraus folgt gem. VDI 2073 [4]
der Rohrinnendurchmesser Di = 25 mm.
Schritt 8: Erreicht wird ein reales Druckgefälle RL,1 = 88 Pa
m (Herstellerkatalog).
kg
4 · 0,20 s
Schritt 9: Wassergeschwindigkeit v 1 =
= 0,407 m
s und dynamischer
kg ·  · (0,025 m)2
1000 m3
2
Druck der Rohrströmung Pdyn,1 = 500
· 0,407 m
s = 83 Pa.
(
)
Schritt 10: Gemessene Rohrlänge L1 = 10 m; Summe der Einzelverlustbeiwerte (∑)1 = 1,4;
gerechnet Druckabfall der Teilstrecke 1 ∆p1,A = 880 Pa + 116 Pa = 996 Pa.
Schritt 11: Ermittelter Druckabfall der Anbindung am Schlechtpunkt (mit HK usw.) ∆pAnb
= 2590 Pa.
Schritt 12: Aufsummierter Druckabfall aller vorgelagerten Teilstrecken ∑ki =1 ∆p 1,A = 7800 Pa.
Schritt 13: Druckabfall der Teilstrecke 1 im Betrieb bei geschlossenem Schlechtpunkt mit
Gleichung (2) ∆p 1,B = 816 Pa.
Schritt 14: Aufsummierter Druckabfall aller vorgelagerten Teilstrecken mit Gleichung (4)
∑ki=1 ∆pi,B = 5062 Pa.
Druckabfall am Schlechtpunktventil und insgesamt
Schritt 15: Geforderte Mindestventilautorität aV,min = 0,4; mit den Daten aus Schritt 11, 12, 14
und Gleichung (4) errechnet sich der Mindestauslegungsdruckabfall ∆pV,A,min = 3586 Pa und
daraus mit Gleichung (1) der Gesamtdruckabfall ∆pges = (7800 + 2590 + 3586) Pa = 14033 Pa.
10. Der Druckabfall mit der Teilstreckenlänge (Li) und der Summe der Einzelverlustbeiwerte (∑)i in der Teilstrecke
„i“ ist ∆pi = Li · R L,i + pdyn,i · (∑)i.
So wird nun bei jeder Teilstrecke vorgegangen. Auf die gleiche Weise wird im
nächsten Schritt
11. der für den Abgleich benötigte Druckabfall der Anbindungsleitungen (∆pAnb,i)
berechnet. Der Druckabfall enthält alle
festen Widerstände, z. B. des Heizkörpers oder der Absperrverschraubung.
Zur Vervollständigung der Auslegung
fehlt noch der Auslegungsdruckabfall
(∆pV,A) der Armatur am Schlechtpunkt. Gesucht wird der minimal erforderliche Wert,
mit dem gerade die Mindestventilautorität
hergestellt werden kann. Zwei Betriebssituationen sind zu betrachten: der Auslegungszustand (A) und der Betriebszustand
(B), bei dem das Ventil am Schlechtpunkt
geschlossen ist und so in allen Teilstrecken
bis zum Schlechtpunktabzweig die Wasserströme um den am Schlechtpunkt (qm,V,A)
reduziert sind.
12. Für den Zustand A werden die Druckabfallwerte bis zum Schlechtpunktabzweig zu (∑∆pi,A) und weiter bis zum
Schlechtpunkt mit dem Anbindungsdruckabfall (∆pAnb,A) aufsummiert; wird
noch der unbekannten Auslegungsdruckabfall (∆pV,A) dazu addiert, erhielte man mit der Gleichung (1) den
Gesamtdruckabfall: ∆pges = ∑ki = 1 ∆pi,A
+ ∆p Anb,A + ∆p V,A
13. Für den Zustand (B) bei geschlossenem Schlechtpunktventil sinken
die Druckabfallwerte in den Teilstrecken (Herleitung in [3]) auf ∆pi,B = ∆pi,A ·
² (Gleichung 2)
(
)
14. Sie werden zu ∑ki=1 ∆p i,B aufsummiert.
Unter der vereinfachenden Voraussetzung, dass die Pumpe auf konstanten
Druck geregelt ist, folgt aus der Definition der Ventilautorität die Definitionsgleichung (3):
Hydraulischer Abgleich
4 ∆p
Schritt 16: wie bei Schritt 12; Aufsummierter Druckabfall bis zur Stelle 4 ∑ i=1
3676 Pa.
i,A =
Schritt 17: wie bei Schritt 10; Der Anbindungsdruckabfall z. B. an der Stelle 4 ∆pAnb,4 =
1352 Pa.
Schritt 18: Mit den Daten aus Schritt 15, 16, 17 und Gleichung (5) errechnet sich der Abgleichdruckabfall an der Stelle 4 ∆pV,4,A = 14033 Pa – 3676 Pa – 1352 Pa = 9005 Pa.
16
Aufgelöst nach ∆pV,A oder nach der Mindestdruckdifferenz (∆pV,A,min), wenn als
Grenzvorgabe aV,A,min einzuhalten ist, erhält man die Bestimmungsgleichung (4)
für den nächsten Rechenschritt.
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heIZung
Energieeffizienz
15. zum Mindestauslegungsdruckabfall
MitderDefinitionsgleichung(3)kann
bei gegebenem Auslegungsdruckabfall,
z. B. bei einer bestehenden Anlage die erreichbare Ventilautorität berechnet werden.
Auslegungsdruckabfall am
Schlechtpunktventil
DieVentilauslegungisthierbeispielhaft
für den Zweirohranschluss in Normalverlegung, den am meisten verbreiteten und
zugleichproblematischstenAbgleich-und
Auslegefall gezeigt. Die Probleme verringern sich deutlich beim Einrohranschluss
oderwenndieRohrenachTichelmannverlegt werden. Für beide Fälle ist das VorgeheninderneuenVDI2073Blatt2erläutert.
Mit dem Ausrichten an einer Mindestventilautorität wird einerseits der AnspruchaufeineguteRegelfähigkeitder
Übergabe durchgesetzt, andererseits mit
dem minimierten Gesamtdruckabfall der
Energieaufwand der Verteilung verkleinert. Dies fällt besonders ins Gewicht bei
großen Anlagen. Bei kleinen Neu- wie Bestandsanlagen kann man sich den Minimieraufwand zur Bestimmung des Auslegungsdruckabfallsersparen,wennvorausgesetztwerdenkann,dassdiein[3]
empfohlenen Mindestwerte des Auslegungsdruckabfallsvon∆pV,A=3000Paund
der Mindestventilautorität von aV,A,min=0,3
alsausreichendakzeptiertwerdenundFolgendes vorliegt:
• GesamtlängeallerTeilstreckenimVor-
und Rücklauf bis zum Abzweig der AnbindungsleitungzumSchlechtpunktgeringer als 100 m,
• mittleresDruckgefälleunter100Pa/m
und
• A nbindungsdruckabfall∆pAnb < 1000 Pa
beimSchlechtpunkt.
Der Auslegungsdruckabfall der RegelarmaturamSchlechtpunktwirdfolglichmit
∆pV,A=3000Pavorgegeben,dieSuchenach
einer möglichen Ventilautorität wie oben
entfällt. Allerdings ist bei der Auslegung
der Übergabe wie der Verteilung rechnerisch im gleichen Umfang wie oben gezeigt
vorzugehen.
hydraulischer Abgleich
Erst nach der bis hier beschriebenen
Vorarbeit kann ein Verteilsystem (Warmwasserheizungen, Kaltwasserverteilungen
und Ähnliches) hydraulisch abgeglichen
September 2011 IKZ-FAchplAner
werden. Gemeint ist damit, den erforderlichen Auslegungsdruckabfall (∆pV,i,A) aller übrigen Regelventile zu bestimmen,
alsoauchdeninweiterenparallelgeschalteten Strängen neben dem bereits behandeltenamSchlechtpunkt.DasVorgehenist
in Bild 2 bei der Übergabestelle 4 abzulesen.DieSummederTeilstrecken-Druckabfall-Werte(∑∆pi,A) bis zur jeweils betrachteten Übergabestelle „i“ liegt aus der Auslegungsrechnung vor (16. Schritt), ebenso der
Druckabfall in der jeweiligen Anbindung
(∆pAnb,i)im17.Schritt.DergesuchteAbgleichdruckabfall muss gemäß Gleichung
(5)
den Abstand bis zum Gesamtdruckabfall
überbrücken,im18.SchrittderBeispielberechnung beschrieben und im Bild 2 veranschaulicht.
Voraussetzungsgemäß sind alle mit Gleichung (5) berechneten Werte größer als der
Auslegungsdruckabfall der Regelarmatur
amSchlechtpunktundebenfallsdiezugehörigen Ventilautoritäten. Das bedeutet, dass
einTeildesberechnetenAbgleichdruckabfalls auch mit festen Abgleichwiderständen
–alsoeinemvergrößerten∆pAnb, i–abgebaut
werden können. Dies darf aber keinesfalls
amSchlechtpunktgeschehen.
Fazit
Die eingangs erwähnte Verborgenheit
der Energieverschwendung bei der Wärmeübergabe hat dazu verleitet, sich beim PlanenundErrichtenvonHeizanlagen,ganz
auf Erfahrung abzustützen. Das arbeitsintensive Anwenden von Regeln, wie des
hydraulischen Abgleichs, wird auf Streit-
fälle beschränkt. Die Branche sollte den
geforderten förmlichen Nachweis des hydraulischen Abgleichs als einen ernst zu
nehmendenAppellauffassen.Einesorgfältige Planung mit voller Anwendung aller Regeln ist kein kostenloser Service, sie
lässt nachweislich ein Potenzial an Energieeinsparungerschließen,dasnichtzurückstehthinterteurenapparativenoder
baulichen Maßnahmen
■
Literatur:
[1] DIN 18380:2010-04 VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen; Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für
Bauleistungen (ATV); Heizanlagen und zentrale
Wassererwärmungsanlagen
[2] EnEV 2009 Verordnung über energiesparenden
Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energiesparverordnung)
[3] VDI 2073:1999-07 Hydraulische Schaltungen in
Heiz- und Raumlufttechnischen Anlagen
[4] VDI 2073 Blatt 2:2011-03 (Entwurf) Hydraulik
in Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung;
Hydraulischer Abgleich
[5] Bach, Heinz; Verein Deutscher Ingenieure e.V.
(Hrsg.): Raumkomfort und Raumheizflächen;
Kommentar zur VDI 6030 Blatt 1. Berlin: Beuth
Verlag 2006
[6] DIN EN 1264-3:1997-11 Fußboden-Heizung,
Systeme und Komponenten; Auslegung
[7] Bach, Heinz: Auslegen und hydraulisch abgleichen. Vortrag beim VDI-Wissensforum, Mai u.
Juni 2011, Frankfurt, Düsseldorf, Stuttgart
Autor: Prof. Dr.-Ing. Heinz Bach, Vorsitzender
des Richtlinienausschusses VDI 2073, Hydraulik
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