Kostenersparnis durch Leistungsregelung - Eine einfache Anlagentechnik sorgt für mehr Nachhaltigkeit

Eine optimale Regelung in der Heizungs- und Lüftungstechnik dient der Komfortverbesserung und der Energieeinsparung. Zu einer Optimierung gehört auch die Verringerung der Rücklauftemperatur, was insbesondere bei regenerativer Wärmeerzeugung oder bei Fernwärmeanlagen wichtig ist. Durch eine optimale Temperaturdifferenz wird der Anschlusswert verringert und gleichzeitig die Kapazität des Rohrleitungsnetzes erhöht.

Anlagenaufbau mit elektrodynamischer Wasser- Wärmeverteilung
Die Warmwasserheizung wurde erstmalig Mitte des 18. Jahrhunderts in England und Frankreich eingeführt. Der Umlauf des Heizwassers erfolgte durch Schwerkraft. Durch häufigere oder geringere Brennstoffzufuhr in den Heizkessel wurde das Heizwasser sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch des Massenstromes variiert. Anfang des 20. Jahrhunderts begann die Verbreitung der Warmwasserheizung durch die Verwendung von Pumpen zur Überwindung größerer Leitungslängen.
Der heutige Anlagenaufbau mit Rückschlagklappen, Differenzdruckreglern, Motorregelventilen und Umwälzpumpen muss infrage gestellt werden. Bild 1 zeigt beispielhaft eine solche Armaturenvielfalt [1]. In dieser Anlagenkonstellation regelt das Motorventil eine Temperatur, die Umwälzpumpe fördert eine Wassermenge. Dieser Massenstrom steht in keinem Zusammenhang mit der Temperaturregelung des Ventils. Der Temperatur-Regelkreis und die Mengenregelung der Umwälzpumpe sind nicht regelungstechnisch miteinander verknüpft. In einer Zweirohrheizung wird je nach Stellung der Thermostatventile eine variable Menge umgewälzt. Da dieser Massenstrom nicht automatisch an die Rohrnetzlinie angepasst werden kann, werden zusätzlich Strang-Differenzdruckregler verbaut [2]. In einer Lüftungsanlage mit Beimischregelung wird im gesamten Lastbereich eine konstante Wassermenge gefahren, d.h. bei 10% Last werden 100% Massenstrom umgewälzt. Kann das eine effiziente Technologie sein?
Der durch „moderne“ Berechnungsprogramme ermittelte Armaturenüberfluss ist oft nicht notwendig. Nach heutigem Stand der Technik ist eine Leistungsregelung (Q = m · c · T) der Verbraucher mit einem Stellglied ohne Differenzdruckregler und ohne Umwälzpumpen die nachhaltigste Variante. Da diese Variante an vielen Hochschulen noch nicht gelehrt wird, ist ihr Bekanntheitsgrad entsprechend gering.
Die Zufuhr von Wärme- bzw. Kälteenergie [kWh] in ein Gebäude wird geregelt entsprechend der Gleichung (siehe dazu Gleichung 1).

Eine optimale Regelung in der Heizungs- und Lüftungstechnik dient der Komfortverbesserung und der Energieeinsparung. Zu einer Optimierung gehört auch die Verringerung der Rücklauftemperatur, was insbesondere bei regenerativer Wärmeerzeugung oder bei Fernwärmeanlagen wichtig ist. Durch eine optimale Temperaturdifferenz wird der Anschlusswert verringert und gleichzeitig die Kapazität des Rohrleitungsnetzes erhöht.
Anlagenaufbau mit elektrodynamischer Wasser- Wärmeverteilung
Die Warmwasserheizung wurde erstmalig Mitte des 18. Jahrhunderts in England und Frankreich eingeführt. Der Umlauf des Heizwassers erfolgte durch Schwerkraft. Durch häufigere oder geringere Brennstoffzufuhr in den Heizkessel wurde das Heizwasser sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch des Massenstromes variiert. Anfang des 20. Jahrhunderts begann die Verbreitung der Warmwasserheizung durch die Verwendung von Pumpen zur Überwindung größerer Leitungslängen.
Der heutige Anlagenaufbau mit Rückschlagklappen, Differenzdruckreglern, Motorregelventilen und Umwälzpumpen muss infrage gestellt werden. Bild 1 zeigt beispielhaft eine solche Armaturenvielfalt [1]. In dieser Anlagenkonstellation regelt das Motorventil eine Temperatur, die Umwälzpumpe fördert eine Wassermenge. Dieser Massenstrom steht in keinem Zusammenhang mit der Temperaturregelung des Ventils. Der Temperatur-Regelkreis und die Mengenregelung der Umwälzpumpe sind nicht regelungstechnisch miteinander verknüpft. In einer Zweirohrheizung wird je nach Stellung der Thermostatventile eine variable Menge umgewälzt. Da dieser Massenstrom nicht automatisch an die Rohrnetzlinie angepasst werden kann, werden zusätzlich Strang-Differenzdruckregler verbaut [2]. In einer Lüftungsanlage mit Beimischregelung wird im gesamten Lastbereich eine konstante Wassermenge gefahren, d.h. bei 10% Last werden 100% Massenstrom umgewälzt. Kann das eine effiziente Technologie sein?
Der durch „moderne“ Berechnungsprogramme ermittelte Armaturenüberfluss ist oft nicht notwendig. Nach heutigem Stand der Technik ist eine Leistungsregelung (Q = m · c · T) der Verbraucher mit einem Stellglied ohne Differenzdruckregler und ohne Umwälzpumpen die nachhaltigste Variante. Da diese Variante an vielen Hochschulen noch nicht gelehrt wird, ist ihr Bekanntheitsgrad entsprechend gering.
Die Zufuhr von Wärme- bzw. Kälteenergie [kWh] in ein Gebäude wird geregelt entsprechend der Gleichung (siehe dazu Gleichung 1)
  
Die Vorlauf- bzw. Zulufttemperaturen in Heizungs- und Lüftungsanlagen dienen zwar als Zustandsgrößen zur Regelung der Energieströme, aber die Aufgabe der Regelung ist der optimale Transport der Energiemenge (kWh) in ein Gebäude oder einen Raum zum Ausgleich der Energieverluste.
Die Zielsetzung der Schwerkraftheizung des 18. Jh. und der heute installierten Anlagen mit Armaturenvielfalt ist ähnlich. Über Heizungswasser wird die notwendige Wärmeenergie in die Abnehmerkreise transponiert. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten haben sich im Gegensatz zur Technik nicht geändert. Die Interpretation der Gleichung auf S. 55 macht deutlich: Die zur Verfügung zu stellende Wärmeleistung Q kann über die variablen Größen Massenstrom m (m³/h) und Temperaturdifferenz T (K) geregelt werden. Dieses Verhältnis gilt es zu optimieren. Die Umwälzung von Wasser verursacht Betriebskosten in Form von Elektroenergie für die Pumpen. Je geringer die Wassermenge ist, die durch Heizungs- und Lüftungsanlagen gewälzt wird, desto geringer ist die benötigte Umwälzpumpenenergie. Eine Verringerung des Massenstroms im Teillastbereich verursacht gemäß der Gleichung auf S. 55 eine Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen dem Verbrauchervorlauf und -rücklauf bei der Übertragung einer gleichen Leistung.
Die mittlere Heizkörpertemperatur bzw. die mittlere Heizregistertemperatur ist aber bei beiden Varianten annähernd gleich. Wird also die Vorlauftemperatur um 2 K gegenüber der normalen Heizkurve erhöht, stellt sich die Rücklauftemperatur um 2 K geringer ein.
Eine Regelung mit Strahlpumpen setzt diesen Zusammenhang sehr gut um. Die Möglichkeit der Erhöhung der Temperaturdifferenz durch eine Regelung der Leistung bringt den Vorteil einer geringeren Rücklauftemperatur mit sich.

Leistungsregelung über hydrodynamische Wasser-Wärmeverteilung
Weitere Grundanliegen der Leistungsregelung sind ein einfacher Anlagenaufbau und die Nutzung des in Nahwärmenetzen meistens vorhandenen Netzdifferenzdruckes durch den Einsatz geregelter Wasserstrahlpumpen, die auch Dreiwege­injektorventile genannt werden (Bild 2). Die Strahlpumpen sind Regelventile und sorgen gleichzeitigt mit der Umwälzung des Heizwassers für die Beimischung des Rücklaufwassers zur Temperaturrege-
lung [3]. Damit wird die zugeführte Leis­tung mit nur einem Stellglied geregelt. Der Anlagenaufbau ist in Bild 3 dargestellt.
In der folgenden Darstellung Bild 4 ist die berechnete Heizkurve für beide Varianten veranschaulicht. Nur unter Volllastbedingungen bei hier -14°C Außentemperatur sind die Variante der Temperaturregelung mit Regelventil + Umwälzpumpe und die Variante der Leistungsregelung mit Strahlpumpe übereinstimmend.
Mit zunehmendem Teillastverhalten kann durch die Leistungsregelung eine geringere Rücklauftemperatur erreicht werden und gleichzeitig wird die umzuwälzende Wassermenge kleiner. Die Leis­tungsregelung ist bei Heizungsanlagen und bei Lüftungsanlagen die effizientere technische Lösung.
Bei der Verdopplung der Temperaturspreizung halbiert sich die umzuwälzende Wassermenge bei gleicher Leistung. Damit verringert sich der Druckabfall der Anlage auf ein Viertel [4]. Je nach dem Effizienzfaktor der Umwälzpumpe gemäß der DIN V 18599 Teil 5 sinkt der Elektroenergiebedarf auf ca. 1/16 bis 1/32.
In der Dokumentation des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. VDMA 24199 [5] „Regelungstechnische Anforderungen an die Hydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte, Trinkwarmwasser- und Raumlufttechnischen Anlagen“ ist die Beschreibung der Leistungsregelung mittels Strahlpumpen an einem differenzdruckbehaften Rohrleitungsnetz ebenfalls erläutert.
Viele Anlagen in Deutschland wurden bereits mit der Leistungsregelung ausgestattet. Namhafte Nutzer dieser Technologie sind Airbus, Deutsche Bahn, Bundeswehr, VW-Werke, Gebäude der Rentenversicherung und viele Krankenhäuser, Verwaltungen und Schulen. An der
TU Chemnitz wurde 2012 ein Neubau in Betrieb genommen, und an der TU Rostock und im Freizeitbad Braunschweig werden aktuell je ein Neubau mit der effizienten Leistungsregelung ausgerüstet.

Autor: Marc Gebauer

Literatur:
[1] AGFW Regelwerk, Merkblatt 517 „Strahlpumpen in der Fernwärme“
[2] Marc Gebauer, Vereinfachung des hydraulischen Abgleichs in Heizungsanlagen HLH (2011) 3
[3] W. Bälz & Sohn GmbH Heilbronn, „Einführung in die Technologie der Strahlpumpe -BPD119“
[4] AGFW Regelwerk, Merkblatt 513 „Einbau- und Betriebshinweise für Umwälzpumpen in Fernwärme-Hausstationen“
[5] VDMA 24199: „Regelungstechnische Anforderungen an die Hydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte, Trinkwarmwasser- und Raumlufttechnischen Anlagen

KONTAKT: W. Bälz & Sohn GmbH & Co., 74076 Heilbronn, Tel. 07131 15000, Fax 07131 150021, www.baelz.de, mail@baelz.de

Das Funktionsprinzip der Strahlpumpe
Mithilfe der Energie des Treibstrahls bzw. Vorlaufs saugt die Strahlpumpe, auch Dreiwege­injektorventil oder „Jetomat“ genannt, Wasser aus dem Rücklauf an und wälzt es über den Verbraucherkreis ohne Umwälzpumpe um, wobei die angesaugte Menge mithilfe der Düse regelbar ist. In der damit erhaltenen Mischung ergibt sich die optimale Temperatur und Menge für den Verbraucherkreis. Darüber hinaus sind so auch die Rücklauftemperaturen deutlich niedriger als bei einer konventionellen Lösung mit Regelventil und Umwälzpumpe und können zusätzlich sehr genau überwacht werden.