Anwendungen und Lösungen - Wärmeverteilung und Regelung
1.1 Einleitung
Heizungen gehören zur Grundausstattung von Wohnungen und Gebäuden. Zum einen sorgen Heizungen für den gewünschten Raumkomfort, zum anderen schützen sie Gebäude vor Bauschäden. Der Planer und der Installateur stehen vor der Herausforderung, eine Wärmverteilung zu installieren, die ein angenehmes Raumklima bei minimalem Energieverbrauch schafft.
Dieses Dokument gibt einen Überblick über die verschiedenen Komponenten, Eigenschaften und Methoden zur Wärmeverteilung, die in Zusammenhang mit Produkten von
Das Dokument kann für Schulungszwecke und für die Kommunikation mit Dienstleistern verwendet werden.
1.2 Physikalische Grundlagen
1.2.1 Kontinuitätsgleichung
Die Kontinuitätsgleichung besagt, das der Volumenstrom an jedem Punkt in einer Rohrleitung immer gleich ist, unabhängig vom Rohrquerschnitt, durch den das Medium fliesst (Gesetz der Massenerhaltung: Masse kommt nicht hinzu und geht nicht verloren). Daraus folgt, dass die Fliessgeschwindigkeit zunimmt, wenn der Rohrquerschnitt abnimmt. Voraussetzung hierfür ist, dass das Medium inkompressibel ist. Für Gase gilt die Kontinuitätsgleichung des Volumenstroms deshalb nicht (die Kontinuitätsgleichung des Massenstroms gilt auch für Gase, d. h. für kompressible Fluide).
1.2.2 Bernoulli-Gleichung
Die Bernoulli-Gleichung drückt aus, dass die Energie eines Fluids, das durch eine Rohrleitung strömt, überall in der Rohrleitung immer gleich ist (Gesetz der Energieerhaltung: Energie kommt nicht hinzu und geht nicht verloren). Die Energie der Fluidströmung setzt sich zusammen aus der kinetischen Energie, der Druckenergie und der potenziellen Energie. Die kinetische Energie ist auf die Bewegung des Fluids in der Rohrleitung zurückzuführen. Die Druckenergie ist das Resultat der Bewegung der Atome und Moleküle im Fluid. Die potenzielle Energie ist die Energie, die der Fallhöhe des Fluids bezüglich einer Bezugsebene im Schwerkraftfeld der Erde entspricht.
1.2.3 Volumenänderung von Wasser
Das Volumen von Wasser verändert sich bei Erwärmung ungleichmässig. Sowohl bei Erwärmung über +4 °C und bei Abkühlung unter +4 °C nimmt das Volumen zu. Dieses Verhalten wird als Dichteanomalie (oder als Anomalie des Wassers) bezeichnet.
Die Volumenänderung des Wassers bei Temperaturänderungen muss in Heizungsanlagen mithilfe von technischen Einrichtungen aufgefangen werden.
|
Temperatur [°C] |
Spezifisches Volumen [dm3/kg] |
Dichte [kg/dm3] |
|---|---|---|
|
0 |
1.00013 |
0.99987 |
|
4 |
1.00000 |
1.00000 |
|
10 |
1.00027 |
0.99973 |
|
20 |
1.00177 |
0.99823 |
|
30 |
1.00430 |
0.99572 |
|
40 |
1.00771 |
0.99235 |
|
50 |
1.01196 |
0.98818 |
|
60 |
1.01692 |
0.98336 |
|
70 |
1.02263 |
0.97787 |
|
80 |
1.02891 |
0.97190 |
|
90 |
1.03571 |
0.96552 |
|
100 |
1.04312 |
0.95866 |
Temperatur, spezifisches Volumen und Dichte des Wassers
1.2.4 Henry-Gesetz
Gase lösen sich in Flüssigkeiten. Bei konstanter Temperatur steht die Stoffkonzentration des im Sättigungszustand in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zum Partialdruck des über der Flüssigkeit stehenden Gases.
Die Henry-Konstante ist wie jede Gleichgewichtskonstante von der Temperatur abhängig. Die Löslichkeit von Gasen in Wasser nimmt bei steigender Temperatur ab. Dies kann beim Erhitzen von Wasser in einem Kochtopf beobachtet werden: kleine Gasblasen bilden sich und steigen auf, lange bevor die Flüssigkeit siedet.
Die Sauerstoffkonzentration im Heizungswasser sollte 0.1 mg/l nicht überschreiten.
1.3 Systeme und Komponenten
1.3.1 Komponentenübersicht
Die folgenden Übersicht zeigt Komponenten der Wärmeverteilung in einer verzweigten Heizungsanlage.
1.3.2 1-Rohr- und 2-Rohr-Verteilsysteme
Bei Einrohrheizungen werden die Heizkörper in einer Ringleitung nacheinander vom erwärmten Heizwasser durchströmt. Bei Zweirohrheizungen werden die Heizkörper mit Vor- und Rücklauf an einem zentral montierten Heizkörperverteiler angeschlossen.
1.3.3 Umwälzpumpe
Die Umwälzpumpe dient zum Transport des Heizungswassers im Rohrnetz der Heizungsanlage, sodass alle Heizkörper die erforderliche Wärmeleistung erbringen können. Die Umwälzpumpe wird so ausgelegt, dass der strömungstechnisch am ungünstigsten Ort montierte Heizkörper mit dem für die Heizleistung erforderlichen Volumenstrom versorgt wird.
1.3.4 Heizrohre
Als Heizrohre können die gleichen Rohrarten verwendet werden wie zum Aufbau von Trinkwasserinstallationen. Es können Stahlrohre, Kupferrohre, Kunststoffrohre und Mehrschichtverbundrohre eingesetzt werden.
Bei der Planung von Rohrleitungsinstallationen sind die Auswirkungen der thermischen Ausdehnung (oder Kontraktion) zu berücksichtigen. Ausführliche Informationen hierzu sind im
In Fussbodenheizungen werden für die einzelnen Heizkreise spezielle Rohre verwendet.
1.3.5 Wärmedämmung
Die Wärmedämmung von Wärmeverteilungen wird durch Gesetze gefordert und erfüllt mehrere Funktionen: Verminderung von Wärmeverlusten, Schallschutz und Schutz der Heizrohre vor Aussenkorrosion und Beschädigungen. Die Wärmedämmung von Wärmeverteilungen muss lückenlos sein.
|
Heizungswasser-Vorlauftemperatur |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
≤ 35 °C |
35 … 50 °C |
51 … 65 °C |
> 65 … 90 °C |
|||||
|
Rohrnennweite |
λ1 ≤ 0,03 W/mK |
λ1 > 0,03 … ≤ 0,05 W/mK |
λ1 ≤ 0,03 W/mK |
λ1 > 0,03 … ≤ 0,05 W/mK |
λ1 ≤ 0,03 W/mK |
λ1 > 0,0 … ≤ 0,05 W/mK |
λ1 ≤ 0,03 W/mK |
λ1 > 0,03 … ≤ 0,05 W/mK |
|
DN 10 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
30 mm |
60 mm |
30 mm |
60 mm |
|
DN 15 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
30 mm |
60 mm |
30 mm |
60 mm |
|
DN 20 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
40 mm |
60 mm |
40 mm |
60 mm |
|
DN 25 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
40 mm |
60 mm |
40 mm |
60 mm |
|
DN 32 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
50 mm |
80 mm |
60 mm |
80 mm |
|
DN 40 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
50 mm |
60 mm |
80 mm |
60 mm |
80 mm |
|
DN 50 |
30 mm |
40 mm |
30 mm |
60 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
80 mm |
|
DN 65 |
30 mm |
40 mm |
40 mm |
60 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
80 mm |
|
DN 80 |
30 mm |
40 mm |
40 mm |
60 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
100 mm |
|
DN 100 |
30 mm |
40 mm |
50 mm |
60 mm |
80 mm |
100 mm |
80 mm |
100 mm |
|
DN 125 |
30 mm |
40 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
100 mm |
80 mm |
100 mm |
|
DN 150 |
40 mm |
40 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
100 mm |
80 mm |
100 mm |
|
DN 175 |
40 mm |
40 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
100 mm |
80 mm |
100 mm |
|
DN 200 |
50 mm |
50 mm |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
120 mm |
80 mm |
120 mm |
|
DN 225 – 350 |
50 mm |
60 mm |
80 mm |
100 mm |
100 mm |
140 mm |
100 mm |
140 mm |
|
DN 400 – 500 |
60 mm |
80 mm |
80 mm |
120 mm |
100 mm |
140 mm |
100 mm |
140 mm |
|
1 Angegebener Wert bei +10 °C |
||||||||
Dämmdicken von Wärmeverteilungen innerhalb von Gebäuden (gemäss suissetec Merkblatt Technische Dämmung in der Gebäudetechnik)
1.3.6 Druckausdehnungsgefäss
Das Druckausdehnungsgefäss gleicht die Volumenänderungen des Heizungswassers aus, die durch das Aufheizen und Abkühlen der Heizungsanlage verursacht werden. Der Ausgleich erfolgt durch ein Gas, das durch eine bewegliche Membran vom Heizungswassers getrennt ist. Beim Befüllen der Heizungsanlage wird der Druck des Gases (der Fülldruck) so eingestellt, dass beim Aufheizen ein Betriebsdruck erreicht wird, der etwas unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegt. Der Vordruck verhindert, dass Heizungswasser zu früh in das Druckausdehnungsgefäss gelangt.
1.3.7 Thermostatventil
Das Thermostatventil ist eine mechanische Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur in einem Raum (Einzelraumregelung).
1.3.7.1 Funktionsweise
-
Der Sollwert der Raumtemperatur wird durch manuelles Drehen des Griffs am Thermostatkopf eingestellt. Dabei wird der Gewindehub des Griffs über die Fühler- und Ventilspindel auf das Ventil übertragen, das sich in den Arbeitspunkt bewegt und den für die Aufrechterhaltung der Raumtemperatur erforderlichen Volumenstrom des Vorlaufs einstellt.
-
Die Sollwertfeder hält das Ventil bei Änderungen der Raumtemperatur im Bereich des Arbeitspunkts der Sollwerteinstellung.
-
Der Faltenbalg ist das Fühlerelement und ist mit einem temperaturabhängigen Dehnstoffelement befüllt, beispielsweise mit Wachs oder einer Flüssigkeit.
-
Bei Abkühlung oder Erwärmung der Raumtemperatur, d. h bei einer Abweichung vom Sollwert, zieht sich der Faltebalg zusammen oder dehnt sich aus. Der so bewirkte Fühlerhub wird wiederum über die Fühler- und Ventilspindel auf das Ventil übertragen, das sich in entsprechender Richtung aus dem Arbeitspunkt bewegt und zwar solange bis der Sollwert der Raumtemperatur durch einen erhöhten oder reduzierten Volumenstrom wieder erreicht ist (vereinfachte Beschreibung des Regelvorgangs, welche die bleibende Regelabweichung von Thermostaten nicht berücksichtigt).
-
Die Rückstellfeder wirkt als Antrieb für die Umkehrbewegungen des Ventils bei der Reduzierung des Sollwerts am Griff und bei einer Abkühlung der Raumtemperatur.
-
Die Voreinstellbuchse ermöglicht die manuelle Begrenzung des Volumenstroms auf einen Maximalwert.
-
Die Gewindeanschlüsse am Ventilunterteil ermöglichen den Anschluss an das Rohrnetz und an den Heizkörper.
1.3.7.2 Regelverhalten
Beim Thermostatventil handelt es sich um einen Proportionalregler (P-Regler). Das Fühlerelement im Thermostat, der Faltenbalg, weist eine geradlinige Kennlinie auf. Das lineare Verhalten des Fühlerelements wird über die Wirkungskette vom Faltenbalg bis zur Ventilöffnung beibehalten. Daher ist die Änderung der Stellgrösse, d. h. die Änderung des Volumenstroms im Heizungswasservorlauf, proportional zum Betrag der Regelabweichung.
Der Proportionalbereich ist der Regelbereich in dem ein Proportionalregler arbeitet. Das folgende Diagramm zeigt einen Proportionalbereich von 6 °C. Der Sollwert der Raumtemperatur liegt bei 20 °C. Bei 20 °C ist das Ventil bis zum Hub geöffnet, der dem erforderlichen Volumenstrom entspricht. Ausserhalb des Proportionalbereich ist keine Regelung möglich.
Im Diagramm ist auf der Ordinate der relative Ventilhub aufgezeichnet. Der relative Ventilhub ist das Verhältnis des eingestellten maximalen Ventilhubs zum Nennhub des Ventils.
Falls das Thermostatventil über eine Funktion zur Voreinstellung des maximalen Volumenstroms verfügt, ist die vollständige Ventilöffnung je nach eingestellten Wert begrenzt, damit ändert auch die Kennlinie.
1.3.8 Rücklaufverschraubung
Die Rücklaufverschraubung ermöglicht zusammen mit dem Thermostatventil die Demontage des Heizkörpers, ohne dass dieser entleert werden muss. Je nach Ausführung der Rücklaufverschraubung kann neben der Absperrfunktion auch eine Regulierfunktion eingebaut sein, die den hydraulischen Abgleich ermöglicht. Die Rücklaufverschraubung wird am Rücklaufanschluss des Heizkörpers montiert.
1.3.9 Fussbodenheizungen
Fussbodenheizungen bieten im Vergleich zu Heizungsanlagen mit anderen Heizkörpern (Radiatoren) die Vorteile, dass die Raumtemperaturen mit geringeren Oberflächentemperaturen der Heizkörper und hauptsächlich durch Strahlung erreicht wird. Dadurch sind Energieeinsparungen und eine grössere Behaglichkeit möglich. Radiatoren übertragen die Wärme hauptsächlich durch Konvektion auf den Raum, was zu Zugluft und ungünstigen Raumtemperaturprofilen führen kann.
1.3.9.1 Heizkreisverteiler
Heizkreisverteiler verteilen die zugeführte Wärme auf die einzelnen Heizkreise einer Fussbodenheizung. Heizkreisverteiler bestehen aus absperrbaren Vorlaufverteilern und Rücklaufsammlern, Durchflussmengenmessern und Ventileinsätzen zur Aufnahme der Stellantriebe. Der Standort des Heizkreisverteilers wird so gewählt, dass die Zuleitungsrohre so kurz wie möglich sind.
1.3.9.2 Regelkomponenten
Zur Regelung von Fussbodenheizungen stehen diverse Regelungskomponenten zur Verfügung. Diese werden unterteilt in Regelkomponenten des Heizungswassers und zur Regelung der Raumtemperaturen (Einzelraumregelungen).
-
Regeleinheit (Steuerelektronik)
-
Raumthermostate (zur Messung und Einstellung der Raumtemperatur)
-
Temperaturmessstellen (Vorlauf und Rücklauf)
-
Stellantriebe (zur Regulierung der Volumenströme in den Heizkreisen)
-
Funk-Kommunikationsmodule (für die Signalübertragung zwischen Sensoren und der Regeleinheit und zur Bedienung der Fussbodenheizung mit mobilen Endgeräten)
1.3.9.3 Verteilerkasten
Als Verteilerkästen können Stahlblechkästen zur Aufputz- oder Unterputzmontage verwendet werden. Die Grösse des Verteilerschranks richtet sich nach den Abmessungen des Heizkreisverteilers und möglicher Zusatzkomponenten wie Regelkomponenten, Differenzdruckregler und Wärmemengenzähler.
1.3.9.4 Nassverlegesysteme
Bei der Nassverlegung werden die Heizungsrohre im Estrich verlegt, der sich oberhalb der Wärme- und Trittschalldämmung befindet. Für den Estrich wird oft ein Zementstrich verwendet.
1.3.9.5 Trockenverlegesysteme
Bei der Trockenverlegung werden die Heizungsrohre in Rillenplatten eingelegt, die sich unterhalb des Unterlagsbodens (Estrichs) befinden. Eine Abdeckfolie trennt die Heizungsrohre vom Unterlagsboden. Als Estrich wird ein Zementstrich oder ein Trockenstrich verwendet.
1.3.10 Betonkernaktivierung
Betonkernaktivierung (kurz TAB für thermoaktive Bauteilsysteme) ist eine Art von Flächenheizung, bei der die Rohrleitungen in die tragenden Betonbauteile des Gebäudes (Böden, Decken) eingebaut sind. In den Rohrleitungen fliesst, wie in anderen Heizungsanlagen, Wasser als Wärmeträgermedium. Beton weist eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität auf. Diese Eigenschaften machen Beton zu einem geeigneten Speicher von Wärmeenergie. Betonkernaktivierung kann zum Heizen oder zum Kühlen eingesetzt werden, wobei das Kühlen von Gebäuden an Bedeutung zunimmt. Die Kühlung kann dabei weitgehend passiv erfolgen.
1.4 Merkmale von Wärmeverteilungen
1.4.1 Raumtemperaturen
Die Norm SIA 180 beschreibt die Anforderungen an den Wärmeschutz, den Feuchteschutz und das Raumklima in Gebäuden. In Bezug auf die thermische Behaglichkeit in beheizten Räumen werden nachfolgend die Anforderungen für Raumtemperaturen, Temperaturen von Fussbodenheizungen und der maximale vertikale Temperaturgradient wiedergegeben.
Das folgende Diagramm zeigt den für die thermische Behaglichkeit erforderlichen Bereich der Raumtemperaturen, wobei die minimalen und maximalen Raumtemperaturen in Funktion der Aussentemperatur dargestellt sind. Das Diagramm setzt eine für den Tagesverlauf angepasste Bekleidung der Raumbenutzer voraus.
Die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Kopf (1.7 Meter über dem Boden) und den Füssen (0.1 Meter über dem Boden) eines Raumbenutzers von durchschnittlicher Grösse beträgt 3.3 °C.
Der zulässige Temperaturbereich einer durch eine Fussbodenheizung beheizte Fussbodenoberfläche beträgt 19 bis 28 °C.
1.4.2 Rohrnetzkennlinie
Basierend auf der Bernoulli-Gleichung, der Kontinuitätsgleichung und der Reynoldschen Zahl wird der (reale) Druck in einem von einem Fluid durchströmten Rohrnetz wie folgt berechnet:
p: Druck [bar]
ζ: Widerstandsbeiwert [—]
ρ: Dichte des Fluids [kg/m3
v: Fliessgeschwindigkeit [m/s]
λ: Rohrreibungsbeiwert [—]
l: Länge der Rohrleitung (Teilstück)
D: Rohrdurchmesser
Das erste Summenzeichen summiert die Strömungswiderstände beispielweise in Ventilen, das zweite Summenzeichen summiert die Reibungswiderstände des Fluids an den Rohrleitungsoberflächen.
Mit
folgt
V̇: Volumenstrom [m3/s]
A: Rohrquerschnitt [m2]
und damit die in der Fachliteratur zur Heizungstechnik verwendete Rohrnetzkennlinie. Die Rohrnetzkennlinie ist demnach durch eine Funktion zweiten Grades beschrieben und stellt eine ansteigende Kurve zweiter Ordnung (Parabel) dar, die durch den Koordinatennullpunkt verläuft.
Die Rohrnetzkennlinie wird steiler, wenn im Rohrnetz die Strömungswiderstände steigen, z. B. durch das Schliessen von Ventilen.
1.4.3 Beschaffenheit des Heizungswassers
An das Heizungswasser werden verschiedene Anforderungen gestellt, die sicherstellen sollen, dass Korrosion und Ablagerungen von Stoffen in der Heizungsanlage und die damit einhergehenden Betriebsstörungen möglichst nicht vorkommen.
Die Anforderungen sind davon abhäng, ob das Heizungswasser in einem diffusionsdichten oder in einem nicht-diffusionsdichten Rohrnetz zirkuliert. Bei neuen Installationen kommen nur noch diffusionsdichte Teile zum Einsatz. Solche Rohrleitungsbestandteile verhindern weitgehend den spontanen Transport (Diffusion) von Sauerstoff in das Heizungswasser. Dies ist wichtig, da der im Heizungswasser gelöste Sauerstoff als Auslöser für Korrosion wirkt. Tritt dennoch Sauerstoffkorrosion auf, wird sie durch eine geringe Leitfähigkeit des Heizungswassers reduziert, da Korrosion als elektrochemischer Vorgang nur in elektrisch leitfähiger Umgebung stattfinden kann. Vorteilhaft ist daher ist eine geringe Leitfähigkeit des Heizungswasser. Die Gesamthärte als weitere zu berücksichtigende Anforderung beeinflusst die Wahrscheinlichkeit von Kalkablagerung im Rohrnetz. Kalkverbindungen (Carbonatverbindungen) sind elektrisch nicht-leitend und können deshalb bereits als dünne, abgelagerte Schichten den Wärmetransport vom Heizungswasser auf den Heizkörper beeinträchtigen. Weitere Folgen von Kalkablagerungen sind die Reduzierung von Durchflussquerschnitten, und die dadurch verursachte Unterversorgung des betroffenen Heizkörpers mit Heizwasser, die Entwicklung von störenden Geräuschen aufgrund von lokal erhöhten Fliessgeschwindigkeiten sowie Funktionsstörungen von beweglichen Teilen wie Ventilen. Der pH-Wert ist ein Indikator sowohl für das Korrosionsverhalten als auch für die Wasserhärte des Heizungswassers und muss im neutralen Bereich der ph-Wert-Skala liegen.
|
Eigenschaft |
Einheit |
Füll- und Ergänzungswasser |
Umlaufwasser |
|---|---|---|---|
|
pH-Wert |
[—] |
6.0 … 8.5 |
8.2 … 10.0 8.2 … 8.5* |
|
Leitfähigkeit |
[µS/cm] |
<100 |
<200 |
|
Gesamthärte |
[mmol/l] / [fH] |
0.1 / 1 |
0.5 / 5 |
|
* Aluminium-Legierungen |
|||
Beschaffenheit des Heizungswassers für diffusionsdichte Rohrnetze (Richtlinie SWKI BT102-01)
Die Angaben in der obigen Tabelle können von denen der Hersteller der Heizungsanlagenteilen abweichen. In solchen Fällen gelten die Angaben der Hersteller.
1.4.4 Korrosion in Heizungsrohren
Korrosion in Heizungsrohren kann verschiedene Ursachen haben. Eine davon ist hoher Sauerstoffgehalt im Heizungswasser. Sauerstoff weist ein höheres elektrochemisches Potential auf als unedle Metalle wie unlegierter Kohlenstoff-Stahl. Solche Werkstoffe können in der Folge korrodieren. Hoher Sauerstoffgehalt im Heizungswasser wird oft durch unbeabsichtigte Sauerstoffzufuhr verursacht, z. B. durch
-
Sauerstoffdurchlässige Kunststoffrohre
-
Verwendung von Trinkwasser als Heizungswasser
-
Defekte Expansionsventile
Die folgenden Richtlinien enthalten Informationen zur Vermeidung von Korrosion in Heizungsrohren:
-
SWKI BT102-01 zur Wasserbeschaffenheit von Gebäudetechnikanlagen
-
SWKI HE301-01 Sicherheitstechnische Einrichtungen für Heizungsanlagen
1.5 Methoden
1.5.1 Regelungstechnik
Mit Regelungstechnik kann beispielsweise die Temperatur in einem beheizten Raum geregelt werden.
Das Prinzip der Regelung eines Systems beruht auf der Rückkopplung der Ausgangsgrössen zurück auf die Eingangsgrössen des Systems. Im Gegensatz zu einer Steuerung kann eine Regelung auch nicht kontrollierbare oder zufällige Einflüsse auf das System (Störgrössen) berücksichtigen. Das zu regelnde System kann beispielsweise der eingangs erwähnte beheizte Raum sein, wobei ein durch ein Thermostatventil geregelter Heizkörper als Wärmequelle dient.
1.5.1.1 Fachbegriffe der Regelungstechnik
In der folgenden Tabelle werden Fachbegriffe der Regelungstechnik am Beispiel der Raumheizungsregelung mit einem Thermostatventil erläutert.
|
Begriff |
Beschreibung |
Beispiel Thermostatventil |
|---|---|---|
|
Regelkreis |
Gesamtheit von Regelstrecke und Regler |
Raum, Heizkörper, Regler |
|
Regelstrecke |
Mit der geregelten Energie versorgter Bereich |
Raum, Heizkörper |
|
Regler |
Regeleinrichtung |
Thermostatventil |
|
Regelgrösse |
Zu regelnde Grösse |
Raumtemperatur |
|
Regelabweichung |
Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert der Regelgrösse |
z. B. 2 °C |
|
Eingangsgrösse |
Sollwert der Regelgrösse |
z. B. 20 °C |
|
Sollwertsteller |
Umwandlung des Sollwerts in die Führungsgrösse des Reglers |
Thermostatkopf |
|
Führungsgrösse |
Vom Sollwertsteller umgewandelte Eingangsgrösse |
Lage des Thermostatkopfs (Voreinstellwert) |
|
Messglied |
Messung des Ist-Werts der Regelgrösse |
— |
|
Regelglied |
Vergleich der Führungsgrösse mit der Regelgrösse und Verarbeitung zur Steuergrösse |
Dehnstoffelement (Flüssigkeit) |
|
Steuergrösse |
Signal zur Steuerung des Stellglieds |
Verschiebung des Ventils |
|
Stellglied |
Steuerung der Stellgrösse |
Ventil |
|
Stellgrösse |
Gesteuerter Energiestrom der Regelstrecke |
Volumenstrom des Heizwasservorlaufs |
|
Ausgangsgrösse |
Ist-Wert der Regelgrösse |
z. B. 18 °C |
|
Störgrösse |
Regelkreisexterne Einflussgrösse |
Kalkablagerungen, Sonneneinstrahlung |
Fachbegriffe der Regelungstechnik
1.5.1.2 Reglertypen
Je nach Anwendung und Regelstrecke kommen verschiedene Regler mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz.
|
Regler |
Beschreibung |
|---|---|
|
Stetige Regler |
|
|
P-Regler |
Ein P-Regler ändert die Stellgrösse in einem proportionalen Verhältnis zur Sollwertabweichung. Eine Regelung ohne bleibende Regelabweichung vom Sollwert ist bei andauernder Regelabweichung nicht möglich. |
|
D-Regler |
Ein D-Regler ändert die Stellgrösse proportional zur Änderungsrate der Sollwertabweichung. Der Betrag der Sollwertabweichung wird nicht berücksichtigt. Daher kann der D-Regler nur in Verbindung mit einem P- oder I-Regler eingesetzt werden. Der D-Regler ist ein schneller Regler. |
|
PD-Regler |
Ein PD-Regler ist die schaltungstechnische Kombination von P- und D-Reglern. |
|
I-Regler |
Ein I-Regler ändert die Stellgrösse proportional zum Integral der Sollwertabweichung. Der I-Regler ermöglicht eine Regelung, bei der die Regelabweichung vom Sollwert zu Null wird. Der I-Regler ist ein langsamer Regler. |
|
PI-Regler |
Ein PI-Regler ist die schaltungstechnische Kombination von P- und I-Reglern. |
|
PID-Regler |
Ein PID-Regler ist die schaltungstechnische Kombination von P-, D- und I-Reglern. |
|
Unstetige Regler |
|
|
Zweipunktregler |
Ein Zweipunktregler ist prinzipiell ein Schalter, der den Energiestrom der Regelstrecke bei einem bestimmten Schaltpunkt einschaltet oder ausschaltet. Bei einem Zweipunktregler mit Hystereseverhalten unterscheiden sich der Einschaltpunkt und der Ausschaltpunkt (das Bügeleisen ist das typische Anwendungsbeispiel). |
|
Dreipunktregler |
Ein Dreipunktregler funktioniert prinzipiell wie der Zweipunktregler, jedoch sind zwei Sollwerte und drei Ausgangszustände möglich (Ausgangszustand 1: Istwert > Sollwert 1, Ausgangszustand 2; Sollwert 1 > Istwert > Sollwert 2, Ausgangszustand 3: Istwert < Sollwert 2). |
Reglertypen
1.5.1.3 Regelverhalten
Das folgende Diagramm zeigt in allgemeiner Form das Regelverhalten eines Regelkreises auf eine Regelabweichung. Die Ausregelzeit ist die Zeit, die ein Regelkreis braucht, um den Sollwert nach einer Regelabweichung innerhalb einer Toleranz zu stabilisieren.
Ein Regler berücksichtigt zur Berechnung der Reglerausgangsgrösse (oder der Stellgrösse) den Betrag, die Änderungsrate oder das Integral der Regelabweichung.
1.5.1.4 Ventilautorität
Die Ventilautorität ist das Verhältnis des Druckverlusts am Regelventil zum gesamten Druckverlust im Rohrnetz und wird als Mass für das Regelverhalten des Regelventils verwendet. Die Ventilautorität wird wie folgt berechnet:
a: Ventilautorität [—]
ΔpV: Druckverlust am Regelventil [Pa]
Δpges: Gesamter Druckverlust im Rohrnetz bzw. Differenzdruck der Umwälzpumpe [Pa]
Bei der Auslegung von Heizungsanlagen wird die Ventilautorität so festgelegt, dass die Ventilautorität bei vollständig geöffnetem Regelventil je nach Ventiltyp im Bereich von etwa 0.2 bis 0.5 liegt. In diesem Bereich ist ein stabile Regelung des Volumenstroms durch das Regelventil möglich.
Bei Teilastbetrieb der Heizungsanlage, beispielsweise wenn Stränge in der Heizungsanlage abgesperrt sind, kann die Ventilautorität am Regelventil absinken, da der Druckverlust am Regelventil steigt. Das Absinken der Ventilautorität kann soweit gehen, dass am Regelventil der Differenzdruck der Umwälzpumpe anliegt. Bei zu kleiner Ventilautorität kann das Regelverhalten des Regelventils so schlecht werden, dass die Regelung des Volumenstroms instabil wird und zu schwingen beginnt (schon ein kleiner Ventilhub bewirkt eine grosse Änderung des Volumenstroms im Vorlauf). Die Entwicklung von Geräuschen ist eine weitere Folge von zu hohem Druckverlust am Regelventil.
Da Teillastbetrieb in Heizungsanlagen häufig vorkommt, sollte eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe eingesetzt werden, um den Differenzdruck bei Teillast zu reduzieren. Dadurch wird der Anstieg des Druckverlusts am Regelventil nicht verhindert, aber verkleinert. Der Einsatz von ungeregelten Umwälzpumpen verschlechtert die Ventilautorität im Teillastbetrieb weiter.
1.5.2 Auslegung von Wärmeverteilungen
Informationen zur Dimensionierung von Rohrleitungssystemen für Heizungsanlagen sind im
1.5.3 Befüllung von Heizungsanlagen
Heizungsanlagen bis 50 kW Leistung werden üblicherweise mit Trinkwasser befüllt. Die dazu erforderliche Verbindung der Heizungsanlage mit der Trinkwasserinstallation muss so ausführt sein, dass eine Verunreinigung der Trinkwasserinstallation mit dem Heizungswasser aufgrund von Druckdifferenzen zwischen den beiden Rohrnetzen nicht möglich ist. Die dazu erforderlichen Trinkwasserschutzeinrichtungen sind durch die Norm EN 1717 festgelegt. Zudem wird das Trinkwasser bei der Befüllung, falls erforderlich, für die Verwendung als Wärmeträger aufbereitet, um Korrosion (Rost) und Stoffablagerungen (Steinbildung) zu verhindern. Die Aufbereitung erfolgt nach den Richtlinien VDI 2035 und SWKI BT102-01. Für diese Zwecke stehen verschiedene Rohrleitungsbestandteile zur Verfügung wie Absperrarmaturen, Heizungsfüllkombinationen und Rückflussverhinderer.
Die Befüllung läuft so ab, dass das Heizungswasser bei geöffneten Entlüftungsseinrichtungen in die Heizungsanlage strömt bis der Wasserstand in den Heizkörpern die Entlüftungsöffnungen erreicht, die zu diesem Zeitpunkt manuell oder automatisch geschlossen werden. Anschliessend wird die Befüllung fortgesetzt, bis der Fülldruck erreicht ist. Der Fülldruck muss während des Betriebs der Heizungsanlage aufrecht erhalten werden, um Unterdruck und das damit einhergehende Ansaugen von Luft zu verhindern. Wenn der Fülldruck fällt, muss Heizungswasser nachgefüllt werden. Dies kann manuell oder mithilfe einer automatischen Nachfüllkombination erfolgen.
Das Heizungswasser scheidet während des Betriebs Luft aus, unter anderem durch dessen Erwärmung und Abkühlung. Die ausgeschiedene Luft sammelt sich in den Heizkörpern und kann Korrosion, Störungen der Zirkulation und des Wärmetransports sowie störende Geräusche verursachen. Bei entsprechenden Indikationen muss der Heizkörper oder die Heizungsanlage entlüftet werden.
1.5.3.1 Sicherungseinrichtungen
Je nach Einsatzfall können verschiedene Sicherungseinrichtungen verwendet werden, um den Rückfluss von Nichttrinkwasser (Kategorien 2 bis 5) ins Trinkwasserversorgungsnetz zu verhindern. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die häufigsten Arten von Sicherungseinrichtungen.
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Sicherungseinrichtung |
Absicherung |
Beispielprodukt Nussbaum |
Anwendungsbeispiel |
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Rückflussverhinderer EA, kontrollierbar |
Bis Kat. 2 |
Wassererwärmer, Wasserenthärter |
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Systemtrenner CA mit unterschiedlichen, nicht kontrollierbaren Druckzonen |
Bis Kat. 3 |
Direkte Heizungsnachspeisung ohne Additive |
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Systemtrenner BA mit kontrollierbarer Mitteldruckzone |
Bis Kat. 4 |
Autowaschanlage |
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Sicherheitstrennstation AB mit offenem Einlauf ≥ 2 cm |
Bis Kat. 5 |
Schwimmbadnachfüllung |
Beispiele für Sicherungseinrichtungen
Ausführliche Informationen zur Rückflussverhinderung sind der SVGW-Richtlinie W3/E1 «Rückflussverhinderung in Sanitäranlagen» sowie dem
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1.5.4 Entgasung
Gemäss dem Henry-Gesetz gibt es zwei Möglichkeiten, gelöste Gase aus dem Heizungswasser zu entfernen: durch Erhöhung der Temperatur oder durch Senkung des Drucks. Entlüfter und Luftabscheider nutzen die erste Möglichkeit. Sie werden in den Vorlauf von Heizungsanlagen eingebaut, wo die Temperatur höher und die Löslichkeit der Gase geringer ist. Die Druckabsenkung ist jedoch die effektivere Methode. Hierbei gibt es zwei verschiedene Techniken:
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Bei der Normalentgasung mit pumpengesteuerter Druckhaltung wird das Heizungswasser, das auf Überdruck gehalten wird, in einen drucklosen Behälter geleitet. Durch die Druckdifferenz lösen sich die im Wasser enthaltenen Gase.
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Bei der Vakuumentgasung erzeugen Vakuumentgaser ein Vakuum in einer Wassersäule des Geräts. Im Vakuum wird das Gas freigesetzt und sammelt sich über dem Wasserspiegel. Durch Herunterfahren der Vakuumpumpe wird der Druck kurzzeitig erhöht, wodurch das Gas abgeschieden wird.
Eine weitere Methode bieten Sauerstoffzehrpatronen, die ähnlich wie eine Filterpatrone den im Heizungswasser gelösten Sauerstoff beim Durchströmen herausfiltern. Dabei wird ein elektrochemisches Verfahren zur Sauerstoffbindung eingesetzt, wobei ein anorganisches Sauerstoffbindemittel verwendet wird, das an ein Trägermaterial gebunden ist und nach der Reaktion mit dem Sauerstoff auf dem Trägermaterial bleibt. Im Gegensatz zur Verwendung von Sauerstoffbindemitteln wird die Zusammensetzung des Heizungswassers dabei kaum verändert.
1.5.5 Druckprüfung von Heizungs- und Kälteinstallationen
Ausführliche Informationen zur Druckprüfung von Heizungs- und Kälteinstallationen sind dem