IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1998, Seite 51 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Theorie kontra Praxis

Der hydraulische Abgleich von Rohrleitungssystemen mit Hilfe EDV-gestützter Planungssoftware

Dipl.-Ing. Norbert Ramser*

Für die Planung von Rohrleitungssystemen ist der Einsatz von modernen Computerprogrammen nicht mehr wegzudenken. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Programmen, mit denen auf einfache und schnelle Weise die Berechnung auch komplexer Systeme möglich ist, entwickelt. Diese Programme führen nicht nur die Dimensionierung der Rohrleitungen durch, sondern können im Datenverbund auch den Wärmebedarf berechnen sowie die Heizflächen auslegen.

Nach erfolgter Dimensionierung der Anlagenteile wird das System hydraulisch abgeglichen und für jedes Heizkörper- und Einregulierventil die Voreinstellzahl ausgeworfen. Wird die Anlage nach diesen Richtlinien gebaut und werden alle Einregulierungs- und Thermostatventile auf die berechneten Voreinstellzahlen eingestellt, sollte die Anlage im Regelfall problemlos funktionieren. Die Betonung liegt in diesem Falle auf "sollte".

In der Praxis gibt es immer wieder eine Reihe von Objekten, bei denen die Heizungsanlage trotz erfolgter Voreinstellung nicht zufriedenstellend funktioniert, die geforderten Werte (Wassermenge, Raumtemperatur) nicht erbringt und es zu Reklamationen kommt. Die Gründe für diese Fehlfunktion können vielfältig sein. Es wäre hier ein Fehler, der Planungssoftware die Schuld zuzuweisen, da diese Programme in der Regel fehlerfrei laufen. Die Abweichungen von Theorie zur Praxis sind darin zu suchen, daß sich die Berechnung der Anlage nicht mit der Realität deckt. Folgende Gründe können hier zu Abweichungen führen, wobei die Reihung nicht nach der Häufigkeit des Auftretens bzw. der Höhe des aufgetretenen Fehlers erfolgt.

Tabelle 1: Rohrinnenrauhigkeit k in mm für verschiedene Rohre und Rohrwerkstoffe.
(Quelle: Walter Wagner, Rohrleitungstechnik, Vogelverlag, Würzburg)

Werkstoff

Rohre

Zustand

absolute
Rauhigkeit
k in mm

Kupfer

gezogen oder gepreßt

neu (auch Stahlrohre mit angegebenem Werkstoffüberzug

0,0013 - 0,0015

Stahl

nahtlos

neu

Walzhaut

gebeizt

verzinkt

 

0,02 bis 0,06

0,03 - 0,04

0,04 - 0,1

 

längsnahtgeschweißt

neu

Walzhaut

bitumiert

galvanisiert

 

0,04 - 0,1

0,01 - 0,05

0,008

 

nahtlos und
längsnahtgeschweißt

gebraucht

mäßig verrostet bzw. leicht verkrustet

0,1 - 0,2

Abweichende Rohrrauhigkeit

Einer der entscheidenden Faktoren für den Druckverlust eines Rohres ist die Rauhigkeit der Rohrinnenwand. Die meisten verwendeten Stahlrohre weisen im Lieferzustand eine absolute Rohrrauhigkeit von 0,02 bis 0,06 mm auf (Tabelle 1). Mit diesen Werten wird normalerweise auch die Rohrnetzdimensionierung durchgeführt. Ist die Anlage jedoch einige Zeit in Betrieb und hat der Korrosionsangriff auf die Rohre begonnen, erhöht sich dieser Wert für mäßig verrostete bzw. leicht verkrustete Rohre auf einen Wert von 0,1 bis 0,2 mm.

Für unsere Betrachtung in Tabelle 2 haben wir ein mittelschweres Gewinderohr 1'' nach DIN 2440 gewählt. Für Durchflußmengen von 500 bis 3000 l/h wurde die Rohrreibung in Pa/m für ein Rohr mit einer absoluten Rauhigkeit von 0,05 mm und für ein Rohr mit 0,2 mm ermittelt. Zum Vergleich wurde ein verzinktes Rohr, dessen Rohrinnenrauhigkeit 0,15 mm beträgt, gewählt. Wie in der Tabelle 2 zu sehen ist, liegt der Unterschied zwischen dem Rohr im Lieferzustand und einem Rohr, das mäßig verrostet ist, zwischen 15 und 30%. Das bedeutet, daß der Druckverlust in dieser Anlage um 30% im Laufe des Betriebes ansteigt.

Toleranz der Rohrinnendurchmesser

Alle Rohrnetzberechnungsprogramme verwenden für die Druckverlustberechnung als maßgebenden Parameter den Rohrinnendurchmesser. Bei der Rohrerzeugung ist es unmöglich, den Rohrinnendurchmesser bis aufs letzte Zehntel genau konstant zu halten. Hier sind Schwankungen bei kleinem Rohrdurchmesser im Zehntelbereich, bei großem Durchmesser bereits im Millimeterbereich möglich. Als Beispiel dient ein PE-X Kunststoffrohr der Dimension 16 x 2 mm. Für dieses Rohr kann der Innendurchmesser entsprechend den Toleranzen des Herstellers in einem Bereich von 0,45 mm schwanken. In der Tabelle 3 sind für Durchflußwerte von 50 bis 200 l/h die Rohrreibungsverluste in Pa/m sowohl für ein Rohr, das im Toleranzfeld am unteren Ende liegt (d.h. den kleinstmöglichen Innendurchmesser hat), als auch für ein Rohr, das im Toleranzfeld am oberen Ende liegt (d.h. den maximal zulässigen Innendurchmesser aufweist), angegeben. Wie aus dieser Tabelle ersichtlich, ändern sich die Rohrreibungswerte und damit der Druckverlust um ca. 20%.

Tabelle 2: Rohrreibung in Pa/m für neue, verzinkte und gebrauchte Rohre

Durchfluß

l/h

Rohr neu

k = 0,05 mm

Rohr verzinkt
k = 0,15 mm

Rohr gebraucht
k = 0,2 mm

500

39

44

46

1000

136

157

167

2000

483

587

630

3000

1030

1260

1380

Wahl einer anderen Rohrreihe

Nehmen wir z.B. den Fall an, daß die Druckverlustberechnung mit Stahlrohren nach DIN 2448 erfolgt ist. Diese Berechnung ergab ein Rohr mit DN 25. Bei der Ausführung wurde jedoch vom Handwerker anstatt des Stahlrohres ein Gewinderohr mittelschwer nach DIN 2440, Dimension 1'', gewählt. Auf den ersten Blick ist der Unterschied zwischen den beiden Rohren nicht gravierend. Das Gewinderohr hat einen etwas geringeren Innendurchmesser, ist jedoch im Außendurchmesser annähernd gleich. Wenn wir jedoch die Druckverlustwerte vergleichen, sehen wir aus Tabelle 4, daß sich der Druckverlust im Durchflußbereich zwischen 500 und 3000 l/h im mittelschweren Gewinderohr um ca. 25% gegenüber dem Stahlrohr erhöht.

Wahl anderer Rohrwerkstoffe

Sehr oft kann es bei Bauvorhaben vorkommen, daß der im Leistungsverzeichnis beschriebene Rohrwerkstoff nicht zur Ausführung gelangt. Ebenso werden Stahlrohre auf Kupferrohre bzw. Weichstahl- oder Kunststoffrohrinstallationen geändert. Führt man nun eine Rohrnetzberechnung für verschiedene Rohrwerkstoffe durch und nimmt eine Durchflußmenge von 1000 l/h, wird das Computerprogramm unterschiedlichste Rohrreibungswerte für verschiedene Rohre ermitteln. In unserem Beispiel (Bild 1) haben wir eine Durchflußmenge von 1000 l/h gewählt. Der Druckverlust für ein Stahlrohr nach DIN 2448, DN 25, beträgt 105 Pa/m. Wird nun anstatt eines Stahlrohres ein Gewinderohr verwendet, steigt der Druckverlust bereits um 26%. Besonders hoch wird die Abweichung, wenn man Kupferrohre nach DIN 1786 einsetzt. Für einen Durchfluß von 1000 l/h wird in diesem Fall ein Kupferrohr 28 x 1,5 mm ausgewählt. Dieses Rohr weist jedoch eine um 72,4% höhere Rohrreibung als das ursprünglich verwendete Stahlrohr auf. Ähnliche Werte ergeben sich für Weichstahlrohre, nur daß hier der Druckverlust um 88% höher ist (wohlgemerkt alles für betriebsneue Rohre).

Tabelle 3: Druckverlust in Pa/m für ein PE-X-Rohr 16 x 2 mm mit minimalem und maximalem Innendurchmesser des Toleranzbereiches

Durchfluß
l/h

Druckverlust bei minimalem Rohrdurchmesser
Pa/m

Druckverlust bei maximalem Rohrdurchmesser
Pa/m

50

37

32

100

143

112

150

326

270

200

535

443

Diese Aussage gilt natürlich auch für andere Rohrwerkstoffe

Einzelwiderstände

Die Berechnung des Druckverlustes der Einzelwiderstände (T-Stücke, Bogen etc.) wird mit Hilfe der Einzelwiderstandsbeiwerte Zeta durchgeführt. Die meisten Computerprogramme verwenden hier für T-Stücke fixe Werte. So wird z.B. für viele Programme bei einem T-Stück rechtwinklig, Abzweig Stromtrennung, ein Zeta-Wert von 1,5 angegeben. Dieser Wert ist jedoch nur gültig, wenn das Verhältnis Geschwindigkeit zur Geschwindigkeit im geraden Rohrstück vor der Trennung 1,5 beträgt. Für andere Geschwindigkeitsverhältnisse kann der Zeta-Wert zwischen 12 und 1 liegen. Da der Druckverlust linear vom Zeta-Wert abhängt, kann die Abweichung in der Praxis bis zu 800% betragen.

Diese Werte ändern sich ebenfalls noch entscheidend, wenn ein T-Stück strömungsgerecht ausgebildet ist. Wie aus Bild 2 ersichtlich, sind auch hier die Abweichungen beträchtlich.

Diese Betrachtungen gelten jedoch für den Fall, daß das T-Stück "ordnungsgemäß" erstellt wurde. In der Praxis sind jedoch sehr oft geschweißte Formstücke anzutreffen, die auf Grund der Schweißung im Rohrinnenbereich einen sehr großen Grat aufweisen. Selbstverständlich haben solche T-Stücke wesentlich größere Widerstände als sie theoretisch haben dürften.

Bild 1: Rohrreibung von verschiedenen Rohrwerkstoffen.

Abschätzung der Einzelwiderstände

Diese stellt bei der Berechnung ebenfalls ein nicht unerhebliches Problem dar.

Die Rohrnetzberechnung wird oft nur mit Hilfe des Grundrißplanes der Anlage durchgeführt. Dabei sind Hindernisse oft nicht erkennbar, denen bei der praktischen Rohrführung dann ausgewichen werden muß. Nehmen wir folgendes Beispiel: Für eine Kellerverteilleitung wurden in der Planung in den Betonunterzügen Rohrdurchführungen vorgesehen. Der Planer hat deshalb im Garagenbereich eine gerade Rohrleitung projektiert. In der Praxis wurden jedoch die Rohrhülsen vergessen, so daß der Betonunterzug jedesmal mit dem Rohr umfahren werden muß. Anstatt eines Zeta-Wertes von 0, sind nun sowohl für den Vorlauf als auch für den Rücklauf 4 Bögen erforderlich. Dies macht in Summe 8 Stück. Wie groß ist nun der Druckverlust? Eine 100%ige Aussage kann auch hier durch eine Rohrnetzberechnung nicht erfolgen, da für Krümmer das Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Biegeradius entscheidend ist. Hier kann der Zeta-Wert ebenfalls zwischen 0 und 0,5 variieren. Der zusätzliche Druckverlust, der in der Anlage entsteht, multipliziert sich natürlich mit der Anzahl der Bögen, die verwendet werden.

Schwerkrafteinfluß

Viele Softwarepakete bieten die Möglichkeit, den Schwerkrafteinfluß zu berechnen. Wie jedoch die Praxis zeigt, wird diese Berechnung in vielen Fällen nicht durchgeführt, da zur Berechnung des Schwerkrafteinflusses die Höhendifferenz jedes Rohrstückes eingegeben werden muß. In Steigesträngen kann der Schwerkrafteinfluß so groß sein, daß der Differenzdruck am Ende des Steigstranges höher ist als an dessen Wurzel. Das heißt, man erzielt anstatt eines Druckverlustes einen Druckgewinn.

Tabelle 4: Gewinderohr gemäß DIN 2440 mittelschwer in 1'' mit Stahlrohr gemäß DIN 2448 in DN 25

Durchfluß
l/h

Gewinderrohr
DIN 2440 1''
Pa/m

Stahlrohr
DIN 2448 DN 25
Pa/m

50

37

32

100

143

112

150

326

270

200

535

443

Fabrikatsänderung

Ein anderes Phänomen betrifft Anlagenteile wie Wärmezähler, Schmutzfänger, Wärmetauscher, Heizkessel mit Rauchgastauschern, Wärmepumpen, Regelventile etc. Bei vielen Objekten wird auf Grund der Marktpräsenz verschiedener Fabrikate bzw. des Preisdruckes das in der Ausschreibung verwendete Produkt während der Ausführung der Anlage geändert. In den meisten Fällen ist jedoch der Druckverlust des neuen Fabrikates anders als der des ursprünglich, in der Rohrnetzberechnung verwendeten Fabrikates. Als typisches Beispiel wählen wir: Bei der Planung und Rohrnetzberechnung wurde ein Wärmezähler mit Ultraschallmeßteil gewählt. Bei der Nenndurchflußmenge von 1500 l/h weist dieser einen Druckverlust von 14 kPa auf. Wird nun bei der Anlagenerstellung aus Preisgründen ein Wärmemengenzähler mit Flügelrad-Meßteil verwendet, so hat dieser bei gleicher Nenndurchflußmenge einen Druckverlust von 25 kPa (Anstieg von 79%).

Zwei Produkte mit gleicher Grundspezifikation weisen erhebliche Unterschiede im Widerstand auf. Das Resultat ist klar: Die Anlagenfunktion kann nicht mehr gewährleistet werden.

Vernachlässigung des Druckverlustes einzelner Komponenten

Bei der Rohrnetzberechnung wird natürlich sehr oft der Druckverlust einzelner Komponenten vernachlässigt. Dies trifft insbesondere auf Heizkessel und Heizkörper zu. Bei letzteren ist der Druckverlust im Regelfall nicht sehr groß. Es gibt jedoch Spezialkonstruktionen, bei denen der Druckverlust nicht mehr vernachlässigbar ist. Das gleiche gilt auch für moderne Hochleistungs- bzw. Niedertemperaturkessel, da diese Kessel wesentlich höhere wasserseitige Widerstände aufweisen als alte Kessel vor 20, 30 Jahren hatten. Besonders problematisch wird es, wenn rauchgasseitige Wärmetauscher verwendet werden. In diesem Fall sind die Druckverluste noch entsprechend höher.

Tauchhülsen von Thermometern, Fühlern etc. werden bei der Rohrnetzberechnung ebenfalls nicht berücksichtigt.

Toleranzen von Umwälzpumpen

Bei der Computerberechnung wird der hydraulische Abgleich normalerweise so durchgeführt, daß am Ende die Pumpe auf eine Förderhöhe eingestellt wird, die der Berechnung entspricht. Wie aus den vorher aufgezählten Gründen erkennbar ist, hat dieser Wert auf Grund der Abweichungen in vielen Fällen nur theoretische Bedeutung. Verschärfend kommt hier noch hinzu, daß auch Heizungspumpen bestimmte Toleranzen aufweisen. Jede Pumpe wird in einem bestimmten Maße vom Katalogwert abweichen. Dies trifft natürlich auch für drehzahlgeregelte Pumpen zu, bei denen der Sollwert mit Hilfe eines Potentiometers eingestellt wird. Auch hier ist auf Grund der Tatsache, daß die Einstellskala relativ klein ist und keine exakten und geeichten Striche auf der Skala vorhanden sind, die Einstellung nur ungefähr möglich. Eine Kontrolle des eingestellten Wertes mit Hilfe eines computerbasierten Meßgerätes wird in den seltensten Fällen durchgeführt, so daß auch hier eine Abweichung von Soll- zu Istwert, die bis zu 20% beträgt, vorkommt.

Bild 2: Widerstandszahlen von T-Stücken.

Alternative Installationssysteme

Ein besonders großer Fehler kann auftreten, wenn anstatt eines konventionellen Installationssystemes mit Metallrohren ein alternatives System mit Kunststoff- bzw. Kunststoffverbundrohren zum Einsatz gelangt. Bei diesen Systemen ist der Druckverlust in der Regel weit höher als dies bei Metallrohren der Fall ist. In diesem Fall muß eine stärkere Pumpe verwendet werden, um den erforderlichen Differenzdruck zu erbringen. Speziell bei Preßsystemen für Kunststoff- bzw. Verbundrohre findet auf Grund der Tatsache, daß auf der Stützhülse O-Ringe vorhanden sind, eine erhebliche Querschnittsreduktion im Fitting statt. So weist z.B. der Fitting für ein Rohr 16 x 2 mm nur mehr einen Innendurchmesser von 7,7 mm auf. Das Rohr selbst hat einen Innendurchmesser von rund 12 mm. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit für eine Durchflußmenge von 130 l/h von 0,44 m/sec. auf 1,05 m/sec. Der Druckverlust einer geraden Kupplung ist ungefähr so hoch wie dies einem Meter Rohrleitung derselben Dimension entsprechen würde. Selbstverständlich sind für die Druckverlustberechnung die Zeta-Werte, die in den Tabellen angegeben sind, nicht mehr gültig, da diese darauf beruhen, daß im Fitting keine Querschnittsreduktion eintritt. Dies ist jedoch bei Preßfittings eindeutig der Fall. Das heißt, auch die Rohrnetzberechnung wird in diesem Fall einen erheblichen Unterschied zwischen Theorie und Praxis aufweisen.

Abweichungen von Ventilen

Auch Regelventile, die mit einem fixen kVS-Wert berechnet werden, weisen Serienschwankungen auf. Dasselbe trifft natürlich auch für Regulierventile zu. Hier haben Labormessungen von TA Hydronics gezeigt, daß Strangregulierventile, die auch in Deutschland sehr oft eingesetzt werden, Abweichungen der Durchflußmenge von über 50% zwischen dem Wert des Typenblattes und der Praxis aufweisen. Daß mit diesen Ventilen eine exakte Einregulierung und ein exakter Abgleich der Anlage natürlich unmöglich ist, liegt auf der Hand.

Werden Armaturendruckverluste nicht über den kVS-Wert berechnet, sondern über Zeta-Werte, entsteht ein Fehler, wenn die Armatur nicht mit Gewinderohren angeschlossen wird (Kupfer-Kunststoffverrohrung). Der Druckverlust der Armatur wird mit Hilfe der Strömungsgeschwindigkeit der Rohrleitung ermittelt. Diese ist bei jedem Rohrmaterial anders.

Lösungsmöglichkeit

Wie man an Hand der aufgezeigten einzelnen Probleme erkennen kann, wird eine theoretische Rohrnetzberechnung in vielen Fällen, auch trotz des theoretischen Abgleiches der Ventile, nicht zufriedenstellende Resultate liefern. Die Situation wird natürlich krasser, wenn die Anlage nicht abgeglichen wurde.

Bild 3 zeigt ein Einregulierungsventil für den hydraulischen Abgleich, welches mit Hilfe eines computerbasierten Meßgerätes exakt eingemessen werden kann.

Die einzige Lösung für dieses Problem stellen der hydraulische Abgleich mit Hilfe von meßbaren Einregulierungsventilen und der Einsatz eines computerbasierten Meßgerätes dar (Bild 3). Moderne Einregulierungsventile weisen eine Meßgenauigkeit bei voll geöffnetem Ventil von ca. 3% auf. Dadurch kann sichergestellt werden, daß jeder Verbraucher die gewünschte Durchflußmenge erhält. Alle zuvor beschriebenen Einflüsse können 100%ig berücksichtigt werden, da an der fertiggestellten Anlage eine Istmessung durchgeführt wird und die Durchflußmengen dabei auf die Nennwerte eingestellt werden. Der Abgleich der Anlage kann schnell und einfach mit der Balance-Methode (über die wir ausführlich in einer der nächsten Ausgaben berichten werden) erfolgen, wobei jedes Ventil nur ein einziges Mal gemessen werden muß. Er kann von einer Person mit einem computerbasierten Meßgerät CBI durchgeführt werden. Ferner wird durch diese Maßnahme ebenfalls sichergestellt, daß der in der DIN 18380 verlangte hydraulische Abgleich auch exakt erfolgt.

Zusammenfassung

Eine theoretische Rohrnetzberechnung mit der Voreinstellung der Ventile auf die berechneten Werte liefert oft nur unzureichende Ergebnisse. Ein Abgleich vor Ort mit dem in der Praxis tatsächlich vorhandenen Rohrnetz garantiert, daß die Anlage vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme an perfekt funktioniert. Ein Nachregulieren, wie auch in der DIN 18380 verlangt, ist nicht mehr notwendig, da jeder Verbraucher unter optimalen Bedingungen arbeiten kann.

Nur die exakte Einregulierung mit Hilfe von meßbaren Einregulierungsventilen kann sicherstellen, daß an jedem Verbraucher auch die geplante Wassermenge ankommt. Nur dadurch ist gegeben, daß


B i l d e r :
TA HYDRONICS, Erwitte


*) Dipl.-Ing. Norbert Ramser: Technischer Leiter TA HYDRONICS


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