Effizienz in Wärmepumpenanlagen
Verteiler/Weichen-Kombinationen: Wie sich bei reduzierter Fläche in Heiz- und Kältezentralen Kosten senken lassen und moderne Wärmepumpen hydraulisch korrekt eingebunden werden können
Klassische Hydraulische Weiche für den Einsatz in einer Heizungsanlage.
Klassische Hydraulische Weiche (links) im Vergleich zu einem Kompaktverteiler (kombinierter Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler) mit darunterliegender Hydraulischer Weiche (rechts).
„Sinus MultiFlow Center“ (Hydraulikzentrum) mit drei Temperaturzonen in einer Anlage mit Wärmepumpe und Spitzenlastkessel. Der Mehrschichtenspeicher vereint die Funktion einer multivalenten Verteilung, Energiespeicherung und hydraulischen Entkopplung in einem Produkt. Auf diese Weise können sowohl Mindestlaufzeiten der Erzeuger und Spitzenlasten abgedeckt, als auch ein sicherer und störungsfreier Betrieb gewährleistet werden. Das „Sinus MultiFlow Center“ ist platzsparender als eine konventionelle Verteiler/Weichenkombination.
Betriebszustand 1: Volumenstrom der Primärseite (VP) ist gleich groß wie der Volumenstrom der Sekundärseite (VS).
Gleiche Wärmemengen von Erzeuger- und Verbraucherkreis
Gleichmäßige Durchströmung durch den Verteiler
Rücklauf des Hochtemperaturkreises ist Vorlauf des Niedertemperaturkreises
Kein Ausgleich über die Hydraulische Weiche notwendig
Betriebszustand 2: Volumenstrom der Primärseite (VP) ist größer als der Volumenstrom der Sekundärseite (VS).
Wärmezufuhr ist höher als die Wärmeabnahme
Dem Primärrücklauf wird über die integrierte Hydraulische Weiche warmes Vorlaufwasser beigemischt
Durch die Konstruktion wird nur die definierte Wassermenge beigemischt
Keine hydraulische Beeinflussung des Niedertemperatur- oder Hochtemperaturkreises
Betriebszustand 3: Volumenstrom der Primärseite (VP) ist kleiner als der Volumenstrom der Sekundärseite (VS).
Wärmeabnahme ist größer als die Wärmezufuhr
Den sekundärseitigen Vorläufen wird über die integrierte Hydraulische Weiche kälteres Rücklaufwasser beigemischt
Durch die Konstruktion wird nur die definierte Wassermenge beigemischt
Keine hydraulische Beeinflussung des Niedertemperatur- oder Hochtemperaturkreises
Immer mehr Pumpenwarm- und -kaltwassersysteme werden heute als Kombination von Verteiler und Hydraulischer Weiche erstellt. Selbst wenn es heutzutage – durch den Einsatz elektronischer Hocheffizienzpumpen – möglich ist, den Volumenstrom der primären Seite mit dem Summenvolumenstrom der sekundären Seite abzugleichen, bleibt immer noch ein gewisser Regelungsaufwand. Und daraus resultierend: ein relativ hoher Anteil an falsch einregulierten Anlagen. Somit wird man auch künftig an dem Verteiler-/Weichenprinzip festhalten.
Nun beanspruchen klassische Weichensys teme bei korrekter Dimensionierung und in Verbindung mit Verteilern oftmals viel Fläche – Platz, der immer häufiger in den Heiz- und Kältezentralen nicht mehr vorhanden ist. Um dem Konflikt zwischen korrekter Dimensionierung und geringer Flächenverfügbarkeit Herr zu werden, kann der Einsatz von Kombinationen zwischen Verteilern und Hydraulischer Weichen der Königsweg sein.
In einer Warm- oder Kaltwasseranlage ist die Hauptaufgabe einer Hydraulischen Weiche, den Primärkreis, also den Erzeugerkreis, und den Sekundärkreis, den Verbraucherkreis, hydraulisch voneinander zu entkoppeln. Insbesondere wenn im Primärund Sekundärkreis eigene Förderpumpen in Reihe geschaltet sind und sich die Volumenströme voneinander unterscheiden, kommt es häufig zu hydraulischen Problemen.
Darüber hinaus tragen unterschiedliche Temperatur-Niveaus innerhalb der verschiedenen Kreise einer Anlage zur Komplexitätserhöhung und damit zur Potenzierung hydraulischer Probleme bei. Die Druckverluste in den jeweiligen Kreisen sind nicht konstant. Auch die Anzahl der in Betrieb befindlichen Erzeuger sowie die Stellung der Regeleinrichtungen in den Verbraucherkreisen beeinflussen den Druckverlust des Gesamtsystems; hier sind zum Beispiel Mischer, Drei-WegeVentile oder Thermostatventile zu nennen. Diese schwankenden Volumenströme werden über eine Hydraulische Weiche ausgeglichen.
Eine klassische Hydraulische Weiche besteht aus einer senkrechten Kammer mit großem freiem Querschnitt – so lassen sich ungewollte Turbulenzen und Durchmischungen vorbeugen. Die primärund sekundärseitigen Anschlüsse der Hydraulischen Weiche müssen einen gewissen Mindestabstand zueinander aufweisen, um ebenfalls starke Durchmischungen zu verhindern. Das Grundprinzip der Hydraulischen Weiche basiert – wie bei einem klassischen Pufferspeicher – nämlich auf dem thermischen Auftrieb. So kann auch ein Pufferspeicher als Hydraulische Weiche dienen.
Die genannten Anforderungen an den Aufbau einer klassischen Hydraulischen Weiche haben zur Folge, dass diese – je nach Höhe der zu erwartenden Volumenströme – relativ große Abmessungen aufweisen. Gerade in Neubauten mit modernen Heizzentralen stehen diese Abmessungen immer wieder in Konflikt mit beengten Platzverhältnissen, sodass sich die Frage nach gleich-oder höherwertigen Alternativen stellt.
Vorlaufverteiler mit Rücklaufsammler und Hydraulischer Weiche
Eine effiziente Methode, die Eigenschaften der hydraulischen Verteilung und Entkopplung zu vereinen, können speziell konzipierte Verteiler/Weichen-Kombinationen sein. Diese Bauteile verbinden die Eigenschaften eines platzsparenden Kompaktverteilers mit der einer Hydraulischen Weiche. Ein Beispiel hierfür stellt der „HydroFixx“ dar. Er besteht aus einem Kompaktverteiler (kombinierter Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler) mit darunterliegender Hydraulischer Weiche.
Durch die spezielle Konstruktion des „HydroFixx“ ist die Funktionsweise mit der einer klassischen hydraulischen Weiche gleichzusetzen – mit dem großen Vorteil, dass deutlich weniger Platz benötigt wird. Zusätzlich zur Platzersparnis kommt der geringere Montageaufwand hinzu; zusammen mit den ohnehin preiswerteren Anschaffungskosten einer Verteiler/Weichen-Kombination ist dies ein weiterer großer Vorteil. So fallen die Kosten für ein derartiges System inklusive Dämmung im Vergleich zur Anschaffung und Installation von einzelnen Verteilern und Weichen mit separaten Dämmungen deutlich niedriger aus.
Über die waagerechte Weiche wird die sichere hydraulische Entkopplung in den unterschiedlichen Betriebszuständen gewährleistet. So kommt es zu keiner gegenseitigen Beeinflussung der verbundenen Kreise und die erforderlichen Leistungen werden den Sekundärkreisen bedarfsgerecht bereitgestellt.
Kombinationen von Hydraulischer Weiche, Verteiler und Pufferspeicher in Wärmepumpenanlagen
Es besteht die Th ese, dass die aktuelle Energiewende durch stark steigende Preise für fossile Brennstoffe, wie zum Beispiel Erdgas, eine steigende Dynamik erreicht. Durch die Ukraine Krise ist der Gaspreis bekanntlich explodiert. Heute ist die Wärmepumpe der gefragteste Wärmerzeuger.
In Anlagen mit größeren Leistungen und/oder hohen benötigten Vorlauft emperaturen werden Wärmepumpen häufig durch weitere Wärmeerzeuger ergänzt.
Hier kommen u. a. Brennwertkessel zum Einsatz. Durch ihre hohen Vorlauft emperaturen und ihre problemlose Leistungsregelung können diese flexibel Spitzenlastbedarfe mit hohen Temperaturen abdecken.
Damit solche multivalenten Systeme effizient und sicher arbeiten können, bedarf es einer korrekten hydraulischen Einbindung. Auch hier können spezielle Verteiler/Weichen-Kombinationen Abhilfe schaffen. Idealerweise wird hier noch die dritte Funktion der Energiespeicherung eingebettet, um die Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe zu gewährleisten. Eine in vielen Anlagen bewährte Methode ist der Einsatz von sogenannten Hydraulikzentren. Diese speziell konstruierten Mehrschichtenspeicher übernehmen die hydraulische Entkopplung, Verteilung und thermische Energiespeicherung. Durch die abgestimmte innere Bauweise wird eine laminare Temperatureinschichtung gewährleistet und der Ausgleich von schwankenden Volumenströmen stellt keine Gefahr da. Dieses ist gerade beim Zuschalten des Spitzenlastkessels wesentliche Grundvoraussetzung.
Resümee
Hydraulische Weichensysteme stellen auch in heutigen Verteilnetzen einen wesentlichen Bestandteil dar und tragen zur sicheren Funktion bei. Durch den Einsatz von Verteiler/Weichen-Kombinationen lässt sich diese Funktionsweise auch bei sehr beengten Platzverhältnissen effizient und sicher realisieren. Zudem können spezielle multivalente Lösungen gerade größere Wärmepumpenanlagen ermöglichen.
Autor: B.Eng. MBA Florian Füssner, Produktmanager bei Sinusverteiler GmbH
Bilder: Sinusverteiler
