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Auf einer konstanten Betriebskennlinie

Das Thema "Druckhaltung" begegnet uns in nahezu allen hydraulischen Systemen der Haustechnik. Ohne eine korrekt dimensionierte Druckhaltung ist kein dauerhafter und eigensicherer Betrieb einer geschlossenen Anlage möglich. Auch die Luftproblematik bzw. die Entgasungsmöglichkeit, vor allem in komplexen und weitverzweigten Systemen, ist nach wie vor ein aktuelles Thema, das die Hersteller zur Suche nach neuen, innovativen Lösungen auffordert. In diesem Artikel sollen vor allem die Möglichkeiten der Druckhaltung mit Fremddruckerzeugung näher beleuchtet werden. Dies betrifft besonders den Bereich "Großanlagen" bzw. Anlagen mit engen Druckverhältnissen, die aus wirtschaftlicher Sicht nicht mit einem herkömmlichen Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) ausgestattet werden sollten.

 

Druckhalteanlage

Druckhalteanlagen sind keine technische Errungenschaft der heutigen Zeit, sondern sehr alte und bewährte Methoden der Ausdehnungsregulierung, die besonders in Öl- und Heißwasseranlagen in Verbindung mit einem offenen Überströmbehälter eingesetzt wurden. Der Nachteil dieser Anlagen bestand jedoch in der Aufnahme von Sauerstoff durch das Ausdehnungsvolumen und die damit verbundene negative Belastung des Systems. Erst der Einsatz von Membran-druckbehältern – und damit die Trennung von Wasser und Atmosphäre – brachte die Möglichkeit der positiven Verwendung dieser Anlagen, vor allem für die Haustechnik.
Ausführungen
Man unterscheidet heute im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ausführungen von Druckhalteanlagen:

  • die druckbelastet betriebene Kompressor-Druckhalteanlage,
  • die drucklos betriebene Pumpen-Druckhalteanlage.


Die kompressorgesteuerte Druckhalteanlage kann zwar mit wesentlich kleineren - und damit teilweise günstigeren - Bauteilen ausgestattet werden, hat aber folgende Nachteile:

  • der eingesetzte Membranbehälter muss druckfest sein,
  • das im Behälter auf Anlagendruck komprimierte Umgebungsluftpolster kann über die Permeabilität (Durchlässigkeit) der Membrane weitere Luft in die Anlage bringen,
  • es ist keine Entgasungsfunktion gegeben,
  • hoher Geräuschpegel.


Druckhalteanlage mit einer Pumpe.


Diese aufgeführten Nachteile kann die pumpengesteuerte Druckhalteanlage als Vorteile ausweisen:

  • der eingesetzte Membranbehälter wird ausschließlich atmosphärisch belastet,
  • durch die absolute Druckentspannung des Wassers in dem Membrankörper erfolgt die Freisetzung und Ableitung mitgeführter und teilweise auch eingebundener Gase (Henrys Gesetz),
  • ein Belüftungsverhinderer verhindert die Aufnahme neuer Gase,
  • leise Betriebsweise.


Druckhalteanlage mit zwei Pumpen.


Regelung und Bedienfeld für eine Druckhalteanlage.

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Druckhalteanlage pumpengesteuert
Eine pumpengesteuerte Druckhalteanlage besteht aus mehreren, einzeln zu variierenden und bauseits miteinander zu verbindenden Komponenten. Neben der Station bzw. Steuereinheit werden ein oder mehrere spezielle Membranbehälter mit ausschließlich atmosphärischer Druckbelastung des Raumes zwischen Membrane und Behälterwand zur Aufnahme des Ausdehnungsvolumens bzw. zur Erhaltung einer Wasservorlage benötigt. Über eine Niveaumessung wird eine genaue Ermittlung des Wasserstandes im Membranbehälter ermöglicht. Neben der Standardaufgabe eines Membrandruckausdehnungsgefäßes, die Volumenänderung einer Heizungs- oder Kühlanlage zu regulieren und dabei den Druckwert in vorher festgelegten Grenzwerten zu halten, erfüllt der spezielle Membranbehälter in der Druckhalteanlage auch noch die Funktion einer optimalen Entgasungs- bzw. Entlüftungseinrichtung.
Die Stationen bzw. Steuereinheiten sind werkseitig komplett montiert und verdrahtet. Die hydraulische Ausrüstung besteht aus einer oder zwei Hochdruckkreiselpumpen, einem elektrisch betriebenen Motorkugelventil, ggf. einem Magnetventil und einem Drucksensor. Schmutzfänger und Rückschlagventile garantieren eine betriebssichere Einheit. Um eine optimale und störungsfreie Entgasungsfunktion zu gewährleisten, sind manche Einheiten zusätzlich mit speziellen Bauteilen zur Durchführung eines einfachen hydraulischen Abgleichs ausgestattet.
Die Ansteuerung, Überwachung und Kontrolle der verschiedenen Funktionen erfolgt über eine vollautomatische Regelung. Der gewählte Betriebsmodus, die derzeit angesteuerten Bauteile sowie evtl. anliegende Störmeldungen können, teils graphisch, angezeigt sowie vielfältige Funktionen und Parameter durch den Kunden oder den Service eingestellt werden. Für die potenzialfreie Weitergabe von Störmeldungen steht z.B. eine Schnittstelle RS 485 zur Verfügung. Des Weiteren sind die Steuerungen mit USB-Anschlussmöglichkeiten ausgestattet und können auf Wunsch bzw. per Erweiterungsmodul auch "ferngesteuert" bedient werden.
Eine oder zwei Pumpenanlagen
Für die vielfältigen Anforderungen sind nachfolgende Ausführungen der Druckhalteanlagen möglich.
Einpumpenanlage
Hierbei handelt es sich um die Standard-ausführung einer Druckhalteanlage für den Normalbetrieb einer geschlossenen Heizungs- oder Kühlanlage mit den Vorteilen der Druckhaltung, Entgasung und Nachspeisung, geregelt über eine kontrollierte Einheit. Die Anlage arbeitet vorzugsweise mit einer sanftanlaufenden Hochdruckkreiselpumpe, die hydraulisch abgeglichen, in "weichen" Arbeitsabläufen die Rückführung des Ausdehnungsvolumens und der erforderlichen ausgegasten Nachspeisemenge gewährleistet. Eine Druckhaltung in sehr engen Grenzen ist dabei gewährleistet.
Zweipumpenanlage
Für den Einsatz in Systemen mit größeren Leistungen oder Systemen mit besonderen sicherheitsrelevanten Anforderungen em-pfiehlt sich der Einsatz einer Zweipumpenanlage. Diese Variante, eine Doppelausführung aller Bauteile, ausgenommen der Steuerung und dem Drucksensor, ist in unterschiedlichen Varianten zu betreiben:

  • In Parallelbetrieb arbeiten beide sanftanlaufenden Pumpen und beide Motorkugelhähne zusammen und vergrößern so die Einzelleistung, um den Anforderungen des Systems gerecht zu werden.
  • Im Wechsel-Störbetrieb beinhaltet die Druckhalteanlage eine selbstständige Reserveeinheit, die wechselseitig, zeitgesteuert, den Betrieb der Anlage aufrecht hält. In einem möglichen Störfall an Pumpe oder Motorkugelhahn erfolgt eine automatische Umschaltung auf den betriebsbereiten Anlagenteil. Für den defekten Teil wird eine Störmeldung ausgelöst.


Schematische Darstellung einer Einpumpenanlage.


Schematische Darstellung einer Zweipumpenanlage.

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Nachspeisefunktion


Beispielhaftes Auslegungsdiagramm für eine Einpumpenanlage.
Neben den bereits beschriebenen Funktionen "Druckhaltung" und "Entgasung" ist auch eine Nachspeisemöglichkeit in der Druckhalteanlage integriert. Mit einer zusätzlichen Komponente (siehe Abschnitt Nachspeisesysteme) kann eine direkte Verbindung an das Trinkwassernetz gemäß DIN EN 1717 erfolgen. Das nachströmende Nachspeisewasser wird so vor der Zuleitung in das System ebenfalls entgast.
Einsatzbereich und Auslegung
Die Größenbestimmung der erforderlichen Druckhalteanlage erfolgt nach dem Wasservolumen, der maximalen Systemtemperatur, dem statischen Druck der Anlage sowie der Förderhöhe der Pumpe. Zur einfachen Auswahl stellen die Hersteller entsprechende Leistungsdiagramme und Berechnungssoftware zur Verfügung.

Druckhalteanlage oder "herkömmliches" MAG?

Für "Standardanwendungen" in kleineren Anlagen ist der Einsatz eines Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) aus wirtschaftlicher Sicht interessanter. Allerdings gilt es zu beachten, dass durch den immer häufigeren Einsatz mehrerer Wärmequellen (Solar, Pellets etc.) vermehrt Pufferspeicher eingesetzt werden, die das Anlagenvolumen erheblich vergrößern. Der Einsatz einer vollautomatischen Druckhalteanlage sollte daher bei der Planung immer in Betracht gezogen werden, da einige Vorteile auf der Hand liegen:

  • nahezu das gesamte Volumen des lediglich atmosphärisch belasteten Spezialbehälters der Druckhalteanlage kann zur Ausdehnungsregulierung genutzt werden. Es besteht keine Beschränkung durch ungünstige Druck- oder Nutzfaktoren wie bei einem MAG, d.h. kleinere Behältervolumina sind möglich,
  • zusätzlicher Komfort durch Entgasungs- und Nachspeisefunktion,
  • die jährliche Wartungspflicht besteht auch bei normalen MAG und stellt somit keinen Nachteil dar.


Durch optimierte Techniken, wie serienmäßig sanftanlaufende Pumpen auch bei kleinen Druckhalteanlagen sowie speziell ausgerichteter Hydraulik, können mittlerweile auch bei kleinsten Anlagenvolumen vollautomatische Druckhalteanlagen dauerhaft störungsfrei betrieben werden.

Entgasungsanlage

Luft in geschlossenen Anlagen, Heizungs- oder Kühlanlagen verursachen Störungen:

  • kalte Heizflächen,
  • störende Geräusche,
  • Korrosionsbefall an kritischen Bauteilen.


Trotz umfangreicher und mannigfacher Sys-teme zur Entlüftung ist das Luftproblem in geschlossenen Anlagen immer noch akut. Besonders in flachen, weit verzweigten Anlagen, wo eine Auftriebsentlüftung nicht gegeben ist, bringen Luftprobleme häufig Ärger und Betriebsstörungen. Alle Luftableiter und Entlüfter, zentral im Heizungsvorlauf oder dezentral innerhalb des Systems an besonders exponierten Punkten angeordnet, können lediglich die vom Wasser mitgeführten Gase ableiten. Auch die Installation von Entlüftungseinrichtungen in unmittelbarer Nähe der Wärmeerzeuger, unter Zuhilfenahme der höheren Temperatur, kann keine optimale Entgasung gewährleisten. Erst ein Ausfällen der im Wasser eingebundenen Gase und deren sichere Ableitung bringt Abhilfe für dieses Problem.

Volumenstromentgasungssystem
Die Volumenstromentgasung besteht im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen:

  • einer Hochdruckkreiselpumpe,
  • einer vollautomatischen Mikroprozessorsteuerung,
  • einer speziellen Entgasungseinrichtung,
  • einem Überströmer,
  • einem Drucksensor


Entgasungsanlage für geschlossene Anlagen aller Art (Heizungs- und Kühlanlagen).


Vielfältige Funktionen und Parameter können durch den Kunden oder den Service eingestellt werden. Für die potenzialfreie Weitergabe von Störmeldungen kann eine Schnittstelle RS 485 verwendet werden.
Arbeitsweise
Unter Ausnutzung der auftretenden Partialdrücke wird das Wasser "ausgegast". Die hierdurch ausgefällten, vorher im Wasser eingebundenen Gase, werden freigesetzt und über eine Armatur abgeleitet. Hierbei ist das Erreichen eines Vakuums in dem Entspannungsbehälter - häufig mit vielen Problemen durch undichte Verbindungen usw. verbunden - nicht erforderlich. Die Volumenstromentgasung vereint folgende Funktionen:

  • Entgasung des Anlagen- und Nachspeisewassers,
  • druckabhängige, kontrollierte Nachspeisung zum Ausgleich von Wasserverlusten,
  • Erstbefüllung der Anlage über den Entgasungsautomaten mit gasfreiem Wasser.

Einsatzbereich und Auslegung
Je nach Anlagengröße und dem Druckbereich stehen entsprechend kompatible Baugrößen zur Verfügung. Volumenstrom-entgasungen eignen sich für den Einsatz in geschlossenen Heizungs- und Kühlanlagen, die mit konventionellen MAG ausgerüstet sind. Die Größenbestimmung des erforderlichen Entgasungssystems erfolgt nach dem Wasservolumen, dem statischen Druck der Anlage sowie der Förderhöhe der Pumpe. Zur einfachen Berechnung stellen die Hersteller entsprechende Berechnungssoftware zur Verfügung.

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Nachspeisesysteme

Dass geschlossene Heizungs- und Kühlanlagen, besonders neu erstellte, absolut dicht sind und keine Wasserverluste haben, ist immer noch eine mehrfach bestätigte, falsche Annahme. In jeder Anlage entstehen durch kleinste Leckagen an Armaturen und Geräten, aber auch durch Wasserdampfdiffusion, teilweise große Wasserverluste, die dann zu den bekannte Problemen wie störende Betriebsgeräusche, kalte Wärmeverbraucher und letztendlich zu Korrosionsschäden führen.
Die gängigen Nachspeisesysteme lassen sich grob in zwei Kategorien aufteilen:

  • manuelle Systeme oder Anschlussgruppen,
  • vollautomatische Systeme.

Manuelle Nachspeisesysteme
Bei manuellen Nachspeisesystemen handelt es sich meist um eine Einheit aus Systemtrenner, Wasserzähler und Absperrung. Gemäß DIN EN 1717 kann diese direkt und dauerhaft mit dem Trinkwassernetz verbunden werden. Ideal eignen sich diese Einheiten als Ergänzungsbauteil für die selbsttätige, kontrollierte Nachspeisung in Systemen, die mit einer Druckhalte- oder Entgasungsanlage ausgerüstet sind.
Automatische Nachspeisesysteme
Bei automatischen Nachspeisesystemen handelt es sich um Komplettstationen zur automatischen, selbsttätigen, druckabhängigen Nachspeisung in geschlossenen Kreisläufen, direkt aus dem Trinkwassersystem. Diese Station besteht neben dem Systemtrenner, Wasserzähler und der Absperrung aus einer druckabhängig überwachenden Steuereinheit zur ständigen Kontrolle des aktuellen Anlagendruckes und dessen Anzeige. Sollten Betriebsstörungen vorliegen, sind diese ablesbar. Die Sammelstörmeldung kann z.B. über einen potenzialfreien Ausgang weitergeleitet werden. Ein automatisches Nachspeisesystem findet seinen Einsatz in Systemen, die mit einem "herkömmlichen" MAG ausgestattet sind.

Aus der Praxis

Bei Anlagen zur Druckhaltung und/oder Entgasung handelt es sich um hochsensible Bauteile. Deshalb wird eine Inbetriebnahme durch den jeweiligen Herstellerservice empfohlen. Diese Inbetriebnahme beinhaltet auch die Einweisung des Betreibers in die Technik und Bedienung der Anlage, die zusammen unter der Beachtung der Betriebs- und Montageanleitung gewährleis-ten sollte, dass ein reibungsloser Betrieb der Anlage möglich ist.
Trotzdem kommt es in der Praxis immer wieder zu Störmeldungen an den installierten Anlagen, die jedoch häufig mit der (unbewusst) falschen Bedienung zusammenhängen bzw. ein Resultat der Betriebszustände der Gesamtanlage darstellen. Sollten "größere Baumaßnahmen" an der gesamten Anlage anstehen, wie z.B.:

  • In- oder Außerbetriebnahme von Anlagenteilen,
  • externe Füll- oder Nachspeisevorgänge,
  • Leckagen, bzw. deren Beseitigung,
  • Wartungsarbeiten

empfiehlt es sich, die Druckhalte– oder Entgasungsanlage für diesen Zeitraum außer Betrieb zu nehmen (Nullstellung). Häufig kann eine Nichtbeachtung zu Störmeldungen oder Ausfällen führen, die ggf. kos-tenpflichtige Serviceeinsätze nach sich ziehen.
Typische Fehlerbilder sind z.B.:

  • Der maximale oder minimale Druck wird über- bzw. unterschritten,
  • Überschreitung der Pumpenlaufzeit,
  • Überschreiten der Nachspeisezeit oder der
  • Nachspeisezyklen,
  • Erreichen des maximalen Wasserstands im Behälter.


Manuelles Nachspeisesystem. Es handelt sich meist um eine Einheit aus Systemtrenner, Wasserzähler und Absperrung.


Durch eine fachgerechte Inbetriebnahme mit Personaleinweisung können anlagenbedingte Störungen vermieden bzw. deren Ursachen leicht analysiert werden. Grundvoraussetzung ist natürlich eine fachgerechte Planung und Installation auf Basis der tatsächlichen Anlagenparameter wie Gesamtvolumen, maximale Systemtemperaturen und der Betriebsdrücke.

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Fazit

Der Einsatz von Systemen zur Druckhaltung (mit Fremddruckerzeugung), Entgasung und Nachspeisung stellen in Heizungs- und Kühlsystemen den aktuellen Stand der Technik dar. Mit der Erhöhung der Wasservolumina (auch in kleinen Systemen) durch den Einsatz von Pufferspeichern können viele Systeme nicht mehr wirtschaftlich mit einem Standard-MAG betrieben werden.
Systeme, die mit einer Pumpendruckhaltung ausgestattet sind, können über diese Einheit ebenfalls entgast und fehlende Wassermengen nachgespeist werden. Eine optimale Entgasung in Anlagen, die zur Druckhaltung mit einem herkömmlichen MAG ausgestattet werden, kann mit einer Volumenstromentgasung – ebenfalls mit einer Nachspeisemöglichkeit – erreicht werden.
Eine dauerhafte Verbindung der Trinkwasserleitung zum Heiz- oder Kühlsystem zu Nachspeisezwecken kann nur mit einem zugelassenen Nachspeisesystem (manuelle oder vollautomatisch) hergestellt werden.

Autor: Timm Böcking, Zilmet Deutschland GmbH

Bilder: Zilmet

www.zilmet.de

 


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