Druckhaltung in kombinierten Heiz- und Kühlsystemen

Change-Over-Systeme werden aufgrund ihrer diversen Vorteile immer häufiger eingesetzt, um Gebäude mit Wärme und Kälte zu versorgen. Allerdings gilt es bei der Planung einige Punkte zu beachten, um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Dieser Artikel thematisiert die Besonderheiten solcher Systeme im Hinblick auf die Aspekte Regelung, hydraulischer Abgleich und Druckhaltung. Zudem werden mögliche Lösungen für die entsprechenden Herausforderungen genannt.

Kombinierte Heiz-/Kühlsysteme, die sogenannten Change-Over-Systeme, ermöglichen einen einfachen Wechsel zwischen Heiz- und Kühlmodus. Mit dieser Flexibilität erfüllt die Lösung somit ein immer wichtiger werdendes und häufig gewünschtes Kriterium moderner Heizungs- und Kühlsysteme. Allerdings ist bei dieser Art der Installation eine gute hydraulische Einregulierung (hydraulischer Abgleich) verglichen mit anderen Systemen schwieriger zu realisieren. Daher muss dieser Aspekt bei der Planung von Anlagen, die im Change-Over-Modus arbeiten, besonders berücksichtigt werden. Zudem sollte auch auf die Druckhaltung ein spezielles Augenmerk gelegt werden, um die Folgen des Mediumtransfers, ausgelöst durch das Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb, zu vermeiden.

Möglichkeiten des Wechsels zwischen Heiz- und Kühlbetrieb

Man unterscheidet bei Change-Over-Systemen zwischen drei Arten des Wechsels zwischen Heiz- und Kühlbetrieb:

• zentral,
• nach Zone
• oder direkt am Endgerät.

Bei einer zentralen Umschaltung erfolgt die Umstellung für die gesamte Anlage direkt hinter dem Wärme-/Kälteerzeuger. Dieses Umschalten wird in der Regel durch den Einsatz von 3-Wege-Ventilen erreicht. Die Endgeräte (Kombinierte Heiz-/Kühldecken, Fan Coils) sind dabei mit einem einzigen Ventil zur Regelung ausgestattet sowie mit einem Abgleichventil. In Installationssituationen, die eine entsprechende Konstellation benötigen, kann zudem ein Multifunktionsventil genutzt werden, um Regelung, Abgleich und den nötigen Differenzdruck sicherzustellen. Das Ventil muss in jedem Fall in der Lage sein, den Durchfluss von Warm- und Kaltwasser gleich gut steuern zu können, um die Qualität des hydraulischen Abgleichs und der Regelung der Raumtemperatur zu gewährleisten.

Change-Over-Systeme mit einer Umschaltung einzelner Zonen ermöglichen, einen Teil des Gebäudes zu beheizen und einen anderen zu kühlen. Die Verteilung erfolgt hier über ein System mit zwei Rohren für Kaltwasser und zwei Rohren für Warmwasser. Wie beim zentralen Umschalten wird an den Endgeräten nur ein einziges Ventil für den Abgleich und die Regelung der Durchflussmenge eingesetzt. Die dritte Variante bei Change-Over-Systemen ist das individuelle Umschalten einzelner Endgeräte. Dieses System wird heute häufig verwendet, da es dem Benutzer den Vorteil eines individuellen Wechsels zwischen Heiz- und Kühlbetrieb gibt. Dabei wird in Fan Coil-Units nur ein einzelnes Register für den Heiz- und Kühlbetrieb verwendet. Die Verteilung erfolgt über ein 4-Leiter-System, und das Umschalten zwischen Heizen und Kühlen wird in der Regel über ein 6-Wege-Ventil ermöglicht (Bild 1).

Druckhaltung in Change-Over-Systemen

In Change-Over-Systemen mit individuellem Wechsel zwischen Heiz- und Kühlbetrieb wird die Wassermenge der Kühldeckenplatten oder Fan Coils im Heizbetrieb z. B. auf 45 °C erwärmt sowie im Kühlbetrieb z. B. auf 18 °C gekühlt (Bild 2).

Jede Temperaturänderung verursacht eine Ausdehnung oder Kontraktion des Mediums. Durch die Kontraktion im Kühlbetrieb wird der Druckhaltung des Kühlsystems Wasser entnommen. Durch die Umschaltung in den Heizbetrieb wird bei anschließender Aufheizung das Expansionsvolumen in die Heizungsdruckhaltung überführt. Deswegen ist es in solchen Change-Over-Systemen zwingend erforderlich, einen korrekten Mediumsausgleich zwischen den beiden Druckhaltesystemen sicherzustellen.

Wird nur eine einzige Druckhaltung verwendet, die über eine gemeinsame Ausdehnungsleitung an den Heiz-sowie an den Kältekreislauf angeschlossen ist, sind die Flüssigkeiten der beiden Kreisläufe permanent ohne Kontrolle des ausgetauschten Volumens verbunden. Sollte hier auch nur ein 6-Wege-Ventil der Installation nicht korrekt umschalten, kommt es zu einer Fehlzirkulation von einem zum anderen Kreislauf durch die gemeinsame Ausdehnungsleitung. Das verursacht zusätzliche Energiekosten. Solche Fehler sind außerdem schwer zu lokalisieren.

Der Einsatz zweier voneinander getrennter Druckhaltesysteme erfordert eine tägliche Überprüfung der Füllstände beider Druckhaltegefäße und ein manuelles Eingreifen zum Ausgleich des Expansionsvolumens auf der Kälte- und Heizseite. Ohne diese regelmäßige Intervention würde sich der Druckbehälter im Kältekreislauf leeren und auf der Heizungsseite das Sicherheitsventil aufgrund des zu hohen Drucks ansprechen. Die Folge wären umfangreiche Betriebsstörungen. Bei der in Bild 3 gezeigten Installation werden zwei Druckhaltesysteme verwendet, die durch eine Ausgleichsleitung verbunden sind, welche mit einem motorisierten Ventil ausgestattet ist. Dieses Ventil ermöglicht den Ausgleich zwischen den Ausdehnungsvolumen auf der Wärme- und Kälteseite.

Die beiden Steuergeräte der Druckhaltung (TP1 und TP2) kommunizieren im „Master-Slave“-Modus über einen Kommunikationsbus. Dadurch öffnet das SCV-Ventil in der Ausgleichsleitung automatisch, um das Volumen in den Druckbehältern wieder auszugleichen.

Abgleich und Regelung bei Change-Over-Systemen mit zentraler Umschaltung

In einem Change-Over-System müssen die Endgeräte abwechselnd im Heiz- oder Kühlbetrieb die Leistung liefern, für die sie dimensioniert wurden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System muss das manuelle oder automatische Abgleichventil in der Lage sein, die beiden unterschiedlichen Durchflussmengen entsprechend der Heiz- oder Kühlleistung gleichermaßen genau zu regeln. Für Change-Over-Systeme mit individueller Umschaltung werden häufig 6-Wege-Ventile verwendet. Ein solches Ventil ersetzt vorteilhaft einen Satz von vier motorisierten 2-Wege-Ventilen, die für das Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb nötig wären (Bild 4).

Ein 6-Wege-Ventil ist ein Ventil mit zwei sequenziell arbeitenden Kugelhähnen mit Vierteldrehung. Das Ventil ist mit einem Drehmotor ausgestattet, der durch ein 0 - 10 V oder 2 - 10 V Modulationssignal gesteuert wird. Ein Teil des Signals wird für die Steuerung des Warmwasserdurchflusses genutzt, ein Teil für den Kaltwasservolumenstrom und ein Teil für die „neutrale Zone“ zwischen den beiden.

Die Vierteldrehung ist in drei Teile gesplittet, d. h. dass eine 1/12-Umdrehung zur Regelung des Warm- und Kaltwasserdurchflusses zur Verfügung steht. Deswegen ist der Regelbereich eines 6-Wege-Ventils sehr klein. Das folgende Beispiel zeigt eine Kühlleistung von 900 W für eine Wassertemperatur von 16 °C am Verbrauchereingang und 19 °C im Rücklauf, d. h. ein Δt von 3 °C. Der Kaltwasserdurchfluss beträgt dabei 258 l/h. Beim Heizen führt eine Leistung von 1100 W bei einer Wassertemperatur von 33 °C am Verbrauchereingang und 23 °C im Rücklauf zu einem Warmwasserdurchfluss von 95 l/h. Bei diesen Volumina beträgt die Öffnung des 6-Wege-Ventils lediglich 16,5° im Kühlmodus und 5° im Heizbetrieb (Bild 5). Werden zusätzlich die Druckschwankungen berücksichtigt, die durch das Schließen bestimmter Ventile im Teillastbetrieb entstehen, reduziert sich der Regelweg des 6-Wege-Ventils nochmals.

Somit bietet ein 6-Wege-Ventil – unabhängig von der Marke – keinen korrekten hydraulischen Abgleich der Anlage, noch eignet es sich zur Regelung des Warm- und Kaltwasserdurchflusses. Allerdings stehen vier Optionen zur Verfügung, um dieses Problem zu lösen:

Eine Möglichkeit ist der Abgleich des Warm- und des Kaltwasserrücklaufs am 6-Wege-Ventil durch ein Abgleichventil vom Typ „STAD“ (IMI). Die Stabilisierung des Differenzdrucks wird durch einen Differenzdruckregler sichergestellt, der zwischen Eingang und Rücklauf einer Gruppe 6-Wege-Ventile platziert ist, z. B. auf jeder Etage der Installation.

Der Abgleich zwischen Warm- und Kaltwasserdurchfluss lässt sich auch durch den Einsatz druckunabhängiger Ventile erreichen. In diesem Fall wird der hydraulische Abgleich vereinfacht und auf den Einsatz eines Differenzdruckreglers im Rohrnetz kann verzichtet werden.

Eine weitere Lösung ist die Installation eines Ultraschall-Durchflussmessers, der das Messen des Wasservolumenstroms am Ventilausgang in Richtung der Kühldecken ermöglicht. Der hydraulische Abgleich wird dann durch die Begrenzung des Drehwinkels des 6-Wege-Ventils erreicht. Diese muss zudem die Differenzdruckschwankungen in der Betriebsdynamik kompensieren; das hat wiederum Einfluss auf die Qualität der Regelung. Um den Betrieb zu verbessern, muss daher ein Differenzdruckregler in jedem Zweig des Rohrnetzes eingebaut werden.

Die vierte Option besteht aus der Verwendung eines druckunabhängigen Regelventils, um sowohl den Abgleich des Warm- und Kaltwasserdurchfluss als auch eine tatsächliche Durchflussregelung sicherzustellen.

In diesem Beispiel dient das 6-Wege-Ventil nur zum Umschalten zwischen dem Warm- und dem Kaltwasserkreislauf. Der Motor des modulierenden, druckunabhängigen Regelventils ist hier elektrisch mit dem Motor des 6-Wege-Ventils verbunden (Bild 6).

Die Konfiguration des „steuernden“ Motors erfolgt digital über eine App. Im Beispiel von Bild 7 ist der Warmwasservolumenstrom auf 95 l/h eingestellt und die Kaltwasserdurchflussmenge auf 258 l/h. Abhängig vom 0 - 10 V-Signal der Steuerung gewährleistet der Motor den jeweils richtigen Volumenstrom für Warm- oder Kaltwasserbetrieb sowie eine leistungsabhängige stetige Regelung. Zwischen 4,5 und 5,5 V bewirkt das integrierte Relais das Umschalten des 6-Wege-Ventils zwischen Warm- und Kaltwasserbetrieb. So wird mit dieser Konstellation die Inbetriebnahme der Anlage inklusive des hydraulischen Abgleichs erheblich erleichtert.

Darüber hinaus wird auch die elektrische Verkabelung vereinfacht, da nur der „steuernde“-Motor (TA-Slider) mit Strom versorgt und an die Regelung angeschlossen wird. Die Verbindung zwischen den beiden Motoren erfolgt über eine Schnellkupplung.

Fazit

Change-Over-Systeme bedürfen einer besonderen Aufmerksamkeit bei der Planung und Installation, um einen optimalen Betrieb zu garantieren. Die Druckhaltung erfordert ebenfalls besondere eine spezielle Beachtung, um den Flüssigkeitstransfer vom Kältekreislauf in den Heizkreislaufs wieder ausgleichen zu können. Letztlich wird das 6-Wege-Ventil in dieser Installation nur zum Umschalten zwischen den Modi verwendet. Das Ventil kann weder die Abgleichfunktion noch die Regelung sicherstellen. Daher erfolgen der hydraulische Abgleich und die Regelung idealerweise durch ein druckunabhängiges Ventil. Der Fachplaner sollte bei der Wahl der Technologie die einfache Installation, elektrische Verdrahtung und Inbetriebnahme (Einstellungen für Heiz- und Kühlvolumenstrom) berücksichtigen.

Autor: Meinolf Rath, Leiter Anwendungstechnik, IMI Hydronic Engineering

Bilder: IMI Hydronic Engineering

www.imi-hydronic.de