Einrohr-Heizkreise werden einregulierbar

Durch den hydraulischen Abgleich von Heizungsanlagen lässt sich ein messbarer Beitrag zum Energiesparen leisten: Obwohl nur eine geringinvestive Maßnahme, reduziert sie den Primärenergieeinsatz um etwa 5 bis 15 %. Auf Basis der mittleren Energieverbrauchskennwerte für den Gebäudebestand entspricht das einer Energieeinsparung von 10 bis 30 kWh/(m² a) in Wohngebäuden. Hinzu kommt der um bis zu 50 % reduzierte Pumpenstromverbrauch. Das ist bekannt. Genauso wie die klaren Vorgaben zum hydraulischen Abgleich in der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C, DIN 18380. Trotzdem sind 80 bis 85 % der Heizungsanlagen im Gebäudebestand nicht einreguliert.

Die Systemkomponenten von „eccolution“:
1) Einrohrhahnblock mit Gegenkegel. Zum Ersatz von Standard-Hahnblöcken in Einrohrheizungen. Ausführungen Ventil links und Ventil rechts, inkl. Verkleidung und Thermostatkopf.
2) Sollwertregler in den Ausführungen mit und ohne PLC.
3) Sollwertsteller „Ecco“ (optional). Betrieb durch Powerline-Technik.
4) Adapterstücke für abweichende Achsabstände. Set 1 für Achsabstand min. 40/50 bis max. 60/50, Set 2 für Achsabstand min. 34/50 bis Max. 66/50.
5) Regelventil für den Einrohrstrang. Durchgangsform, Dimension DN 15.
6) Stellantrieb für Regelventil. 24 V, 0-10 V Eingangssignal.
7) Hocheffiziente Umwälzpumpe.

Dazu tragen nicht zuletzt die sogenannten „Einrohranlagen“ bei, die es noch in etwa 1,7 Mio. Objekten in Deutschland gibt. Diese Anlagen wurden von der Fachwelt bislang als hydraulisch nicht abgleichbar angesehen. Der Hintergrund: In Wärmeverteilungen mit Zweirohr-Heizkreisen sind die Heizkörper parallel geschaltet. Das heißt, sie können alle mit der gleichen Vorlauftemperatur beaufschlagt und dann je nach Position im Rohrleitungsnetz einreguliert werden. In Einrohr-Heizkreisen hingegen sind die Heizkörper in Reihe geschaltet. Bypass-Strecken mit speziellen Einrohr-Ventilen – sogenannten Bypass-Armaturen – zur Verteilung des Massenstrom-Anteils am Heizkörper ermöglichen den Betrieb auch des letzten Wärmeverteilers in der Reihe. Dieses Wirkprinzip führt aber zwangsläufig zu kritischen Funktionsbedingungen:
• Die Einregulierung kann lediglich hinsichtlich des Kreiswasserstroms erfolgen.
• Die Betriebsbedingungen an den einzelnen Heizkörpern (speziell: Heizkörper-Massenströme, Vorlauftemperatur) ändern sich ständig, wenn die Ventile an vorgelagerten Heizkörpern zur Regulierung der Temperaturabgabe geöffnet oder geschlossen werden.
• Die Regelgüte der Heizkörper ist schlecht.
• Die Vorlauftemperatur nimmt zwar generell in Strömungsrichtung ab. Die zur Temperaturveränderung notwendige Drosselung der Massenströme führt aber zu variierenden Rücklauftemperaturen, die nie unter den Auslegungswert fallen, sondern bei Teillast sogar immer höher sind.

Schematische Darstellung eines Einrohr-Heizkreises.

In der Praxis bedeutet das zum einen Komforteinbußen, beispielsweise durch Fließgeräusche, die schlechte Regelbarkeit der Heizkörper sowie gegebenenfalls eine Unterversorgung der in der Reihe nachgeordneten Heizkörper – „die werden nicht richtig warm!“ Viel entscheidender ist aber die energetische Ineffizienz dieses Funktionsprinzips:
• Höhere, losgelöst vom Auslegungswert stark schwankende Rücklauftemperaturen schränken den Einsatz der Wärmeerzeuger ein; beispielsweise bei Brennwertgeräten (als „Stand der Technik“) verringert sich damit der energiesparende Wirkungsgrad beträchtlich.
• Unabhängig davon, ob Voll- oder Teillastbetrieb muss immer, mit entsprechendem Aufwand für Pumpenstrom, der gesamte Heizwasser-Massenstrom umgewälzt werden; selbstregelnde Heizungsumwälzpumpen können also ihren energetischen Vorteil nicht ausspielen. Zur Einordnung: Etwa 96 % der Zeit läuft eine Heizungsanlage in der Praxis in Teillast, nur etwa 4 % in Volllast.

Temperaturverlauf des Einrohrstrangs.

Konstruktion komplett „neu gedacht“
Mit „eccolution“ hat Kermi ein System vorgestellt, das die daraus resultierenden drei zentralen Problemkreise aufhebt:
• Die Spreizung von Vor- und Rücklauftemperatur bleibt unabhängig von der Wärmeabnahme der am Strang angeschlossenen Heizkörper konstant.
• Je nach Wärmeabnahme der am Strang angeschlossenen Heizkörper wird der Massenstrom automatisch reduziert.
• Die eventuelle Unterversorgung einzelner Heizkörper aufgrund des reduzierten Massenstroms wird durch die gleichzeitige Installation spezieller Heizkörper-Armaturen verhindert.

Erreicht wurden diese Ziele durch den konstruktiv komplett „neu gedachten“ Aufbau der „eccolution“-Armatur. Im Gegensatz zu den bekannten Einrohr-Ventilen ist die beidseitig anströmbare Armatur mit einem Gegenkegel und einem variab­len Bypass ausgestattet. Für den Auslegungsfall stellt das Ventil etwa ein Drittel des Heizkreis-Massenstroms dem zugehörigen Heizkörper zur Verfügung, circa zwei Drittel sind als Bypass-Anteil definiert. Bei maximalem Leistungsbedarf liegt eine 70/30-Verteilung zugunsten des Heizkörpers an. Ist keine Heizleis­tung gefordert, bleibt der Thermostatkopf geschlossen, der Heizkreis-Massenstrom passiert diesen Heizkörper in vollem Umfang über den Bypass.

Einrohrsystem – die Situation: Bei Teillast ist die Rücklauftemperatur im Einrohrsystem physikalisch bedingt höher als die Auslegungstemperatur, sie nähert sich sogar der Vorlauftemperatur.

Das Ergebnis: Unabhängig von der Wärmeabnahme der einzelnen Heizkörper können die Heizkreise generell mit der ausgelegten Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf gefahren werden; und selbst der bis dato am häufigsten unterversorgte Heizkörper am Ende der Reihenschaltung liefert immer noch die geforderte Wärme.

Interessanter ist jedoch der energetische Einspareffekt. Der Austausch der alten Bypass-Ventile gegen das „eccolution“-System – bestehend aus Armatur, Regelventil mit Stellantrieb sowie Sollwertregler und Sollwertsteller – ermöglicht nun das exakte Einregulieren von Einrohr-Wärmeverteilungen: Über die Messung des ∆t zwischen Vor- und Rücklauf mit entsprechender Regulierung des Massenstroms kann die konstante Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf abgesichert werden. Die nämlich ist Grundvoraussetzung, um zum Beispiel den energiesparenden Effekt eines Brennwertgerätes als Wärmeerzeuger auszunutzen.

Besonders im Zusammenhang mit der Sanierung größerer Objekte dürfte dabei interessant sein, dass sich diese Energieeffizienz-Maßnahmen auch etagen- oder sogar wohnungsweise umsetzen lassen. Im Sinne der bestmöglichen Effizienz sollte allerdings spätestens mit dem Austausch aller Bypass-Armaturen und dem Einbau der Regelventile mit Stellantrieb auch der Austausch der vorhandenen zentralen Umwälzpumpe gegen eine drehzahlgeregelte, stromsparende Hocheffizienzpumpe erfolgen. Denn so wird definitiv verhindert, dass Pumpen mit hohem Energieeinsatz erst einen Differenzdruck aufbauen, der an den Drosselventilen dann doch wieder nur „vernichtet“ wird. Alternativ zur zentralen Pumpenlösung bietet sich im Ideal sogar eine etagen- bzw. strangweise „dezentrale“ Pumpenlösung an.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Einrohr-Ventilen ist die „eccolution“-Armatur mit einem variablen Bypass und einem Gegenkegel ausgestattet.

Einfache Installation
Die Installation der „eccolution“-Einrohrarmatur ist beispielsweise im Austausch mit wenigen Handgriffen möglich. Beidseitig anströmbar wird sie im Regelfall in der Durchgangsvariante montiert – die gleiche Armatur ist aber auch ganz einfach für den Wandanschluss in Eckform umzubauen. Zu berücksichtigen sind bei der Sanierungsplanung außerdem die unterschiedlichen Achsabstände der vorhandenen Heizkörper. Kermi hat für diese Fälle Adapterstücke entwickelt, die den Übergang von 50-mm-Standard-Stichmaß der neuen Armatur auf die bestehenden Achsabstände (z. B. 35 mm, 40 mm oder 58 mm) ermöglichen.

Nach der Installation des „eccolution“-Systems ist die Versorgung der einzelnen Heizkörper in jedem Fall gewährleistet, ohne dass sich die Temperaturspreizung von Vorlauf/Rücklauf verändert. Die Sanierungs-Lösung mit Regelventil und Stellantrieb ist optimal geeignet für Teil- oder Zug-um-Zug-Sanierungen.

Für die energetisch hoch effiziente Sanierung von größeren Objekten mit Einrohr-Heizungsanlagen empfiehlt sich eine solche „dezentrale“ Pumpenlösung, da damit der Aufwand für Hilfsenergien in der Wärmeverteilung im Gegensatz zur zentralen Pumpenlösung nochmals reduziert wird.

Nachgewiesene Einsparungen
Wie groß das Einsparpotenzial in Einrohr-Heizkreisen durch die Installation des „eccolution“-Systems ist, hat Professor Dr.-Ing. Rainer Hirschberg von der Fachhochschule Aachen im Rahmen einer Studie untersucht. Sein Fazit: „Die Einführung und der Einbau von Regelstationen in Einrohr-Heizkreisen zur Regelung der Wasserströme durch Aufrechterhaltung von Mindest-Temperaturdifferenzen stellen … eine hoch effiziente Maßnahme dar.“
Im Detail macht Hirschberg diese Effizienz nach praxisbezogenen Simulationsrechnungen an drei wesentlichen Punkten fest:

• Durch die Temperaturdifferenz-Regelung des Einrohrkreises reduziert sich die umzuwälzende Kreiswassermenge auf durchschnittlich 50 bis 60 % im Jahr. Das entspricht einer Verringerung des Stromaufwandes für Pumpenleistung um 87,5 %.
• Die bedarfsgeführte Regelung der Kreiswassermenge reduziert die mittlere Belastung der Verteilung um etwa ein Viertel. Daraus ergibt sich eine etwa 22 % geringere Wärmeabgabe im beheizten, eine 15 % geringere im unbeheizten Bereich.
• Aufgrund der bedarfsgeführten Heizwasser-Menge und der variablen Heizkörper-Heizwasserströme entspricht das Regelverhalten der Thermostatventile an den Heizkörpern und deren Wärmeabgabe den entsprechenden Aufwandszahlen bei Zweirohrnetzanlagen.
In der Summe addieren sich die Einsparungen auf bis zu 18 % beim Primärenergieeinsatz für die Wärmeerzeugung und bis zu 80 % Energieeinsparung beim Pumpenstrom.

EDV-Programm zur Einrohrheizungssanierung

Abgestimmt auf das „eccolution“-Sanierungssystem für Einrohrheizungen, gibt Kermi Planern und Heizungsbauern mit xcalc eccolution eine Software für die Sanierungsberechnung an die Hand. Aufwendige, manuelle Berechnungen und Abschätzungen bei der Sanierung von Einrohrheizungsanlagen sollen damit der Vergangenheit angehören. Nach Eingabe der entsprechenden Parameter lassen sich mit dem Programm bestehende Einrohrheizkreise erfassen, nachrechnen und Sanierungsbeispiele für den Volllast- bzw. Teillastfall berechnen.

Die Berechnungsergebnisse – mit Angaben zur Dimension, Austausch der Armaturen und Heizkörper – werden grafisch angezeigt und können ausgedruckt werden. Gleichzeitig stellt das Programm als Bestellerleichterung eine Stückliste für die benötigten Komponenten aus dem „eccolution“-Sanierungssystem zur Verfügung. Auch hinsichtlich des Sanierungsumfangs zeigt sich xcalc eccolution flexibel. Je nach objektspezifischer Anforderung können Voll- oder Teilsanierungen sowie Sanierungen mit Regelpumpe oder Regelventil berechnet werden, heißt es. Auch die Berechnung von Einrohrringen über mehrere Wohneinheiten soll möglich sein.
Lauffähig ist das Programm unter allen modernen Microsoft Windows-Versionen. Bestandteil von xcalc eccolution ist eine Onlinehilfe sowie eine automatische Funktion zum Online-Update. Für erste Fingerübungen oder Testobjekte steht eine Demoversion zum Download bereit. Diese verfügt über den uneingeschränkten Leistungsumfang und kann 60 Tage kostenlos genutzt werden. Anschließend ist eine Freischaltung nach Entrichtung einer geringen Lizenzgebühr möglich, informiert das Unternehmen.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Heigl, Senior-Produktmanager der Kermi GmbH.

Bilder: Kermi, Plattling

www.eccolution.de