Saubere Trennung

Hydraulische Weichen sind für manch einen Handwerker nichts Neues. Er setzt die Produkte zur Trennung von Wasserkreisläufen ebenso selbstverständlich ein wie den Wärmeerzeuger selbst. Für viele Handwerker aber sind hydraulische Weichen mit Fragen behaftet. Sinusverteiler als Teil der Reflex Winkelmann GmbH ist ein Unternehmen aus dem westfälischen Wettringen, das seit vielen Jahren hydraulische Weichen entwickelt und herstellt. Zwei Fachleute, Christian Matzker und Christoph Storm, haben für die IKZ-HAUSTECHNIK häufig gestellte Fragen gesammelt und beantworten sie hier.

Wozu dient eine hydraulische Weiche?
Die wesentliche Funktion hydraulischer Weichen besteht darin, die Kesselkreispumpen und die Verbraucherkreispumpen hydraulisch voneinander zu entkoppeln. Insbesondere wenn die Volumenströme der Wärmeabnehmer und die des Wärmeerzeugers unterschiedlich groß sind, ist der Einsatz hydraulischer Weichen die optimale Lösung zur Vermeidung von Fehlzirkulationen. Ebenfalls wird durch den Einsatz einer hydraulischen Weiche eine gegenseitige Beeinflussung von Primär- und Sekundärregelventilen vermieden.

Welche Funktion hat eine hydraulische Weiche?
Die umgewälzten Volumenströme in den Wärmeerzeuger- und Verbraucherkreisen sind, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand, in der Regel unterschiedlich. Für jede Weiche sind somit drei prinzipielle Betriebszustände vorstellbar.

Volumenstrom des Wärmeerzeugers und der Heizkreise sind gleich
In diesem Fall ist die hydraulische Weiche in einer neutralen Position. Der Volumenstrom des Primärkrei-ses (VP) und der Volumenstrom des Sekundärkreises (VS) sind gleich groß. Die Temperatur (T) im Sekundärkreis entspricht der im Primärkreis. Die Wärmemenge ist ebenfalls gleich (Bild 1).

Volumenstrom des Wärmeerzeugers ist größer als der der Heizkreise
Dieser Fall tritt besonders häufig bei Systemen mit ungeregelten Kesselkreispumpen auf. Im Teillastbereich fördert die Kesselkreispumpe entschieden mehr Wasser durch den Wärmeerzeuger als die Heizseite benötigt. In diesem Fall wird der benötigte Volumenstrom dem Rücklaufwasser der Heizkreise über die hydraulische Weiche aus dem Vorlauf des Wärmeerzeugers beigemischt (Bild 2).

Volumenstrom des Wärmeerzeugers ist kleiner als der der Heizkreise
Der Fall, dass der Verbraucher mehr Wasser benötigt als der Erzeugerkreis zur Verfügung stellt, ist eine Situation, die beispielsweise regelmäßig während des morgendlichen Anheizens auftritt. Die hydraulische Weiche gleicht die Kreisläufe aus, indem Rücklaufwasser aus den Heizkreisen dem Vorlaufwasser aus dem Primärkreis zugemischt wird. Hydraulische Probleme können so unterbunden werden und es wird sichergestellt, dass sich alle Verbraucher gleichmäßig aufheizen.
Ebenfalls tritt dieser Betriebszustand regelmäßig nach der Sanierung von Altanlagen auf. Die heute am Markt erhältlichen Wärmeerzeuger der neuen Heizkesselgeneration haben nur einen sehr geringen Wasserinhalt. Innerhalb weniger Minuten würde der Kessel einer Großanlage ohne Wärmeabnahme den Einstellwert erreichen. Nur der Einbau einer hydraulischen Weiche kann unter diesen Umständen ein Takten des Wärmeerzeugers vermeiden.
Durch die Teilmischung unterschiedlich warmer Volumenströme ist der Einsatz der hydraulischen Weiche in den Betriebszuständen 2 und 3 selbstverständlich nicht temperaturneutral. Ist der momentane Volumenstrom der Umwälzpumpen auf der Verbraucherseite größer als im Wärmeerzeugerkreis, wird dem Vorlaufwasser der Heizkreisseite eine Teilmenge des eigenen Rücklaufs beigemischt. Hierdurch sinkt die Vorlauftemperatur der Verbraucherseite (Bild 3).

Wo wird bei einer hydraulischen Weiche senkrechter Bauart der Vorlauf angeschlossen?
Wird die hydraulische Weiche in einem Heizungsnetzt installiert, so muss der Primär- und Sekundärvorlauf jeweils oben an der Weiche angeschlossen werden. Der Primär- und Sekundärrücklauf wird entsprechend im unteren Bereich der hydraulischen Weiche angeschlossen. Dies hat damit zu tun, dass sich bedingt durch den Dichteunterschied das wärmere Wasser im oberen Teil der hydraulischen Weiche sammelt.
Wird der Primär- und/oder Sekundärvorlauf fälschlicherweise unten angeordnet, kann es durch den Dichteunterschied und das daraus nach oben steigende Warmwasser zu einer ungewollten Rücklauftemperaturanhebung kommen. Ebenfalls sollte darauf geachtet werden, dass hydraulische Weichen niemals über Kreuz (ein Vorlauf oben, der andere unten) angeschlossen werden. Denn dadurch entstehen Verwirbelungen, die die Weichenfunktion komplett außer Kraft setzen.

Kann eine hydraulische Weiche auch in Kaltwassersystemen verwendet werden?
Ja. Auch hier ist das wärmere Medium (also der Rücklauf) oben anzuschließen.
Generell ist darauf zu achten, dass entsprechend den Systemtemperaturen die Dämmung auszuwählen ist. In vielen Fällen ist sie diffusionsundurchlässig auszuführen. Bei abweichenden Dämmungen kann es zu Taupunktunterschreitung und dadurch zu Schwitzwasserbildung kommen. Dadurch würde die durchnässte Dämmung ihre Dämmeigenschaften verlieren.
Des Weiteren ist am sekundären Vorlaufstutzen eine zusätzliche Fühlermuffe zu setzen. Denn bei Standardweichen sind sie nur im oberen Bereich angeordnet.

Wo ist der Fühler für die Regelung zu setzen?
In den meisten Fällen wird die Temperatur am sekundären Vorlauf gemessen, da dieser die Heizkreise versorgt und auch bei zugemischtem Rücklaufwasser die notwendige Energiemenge bereitzustellen hat. So wird sichergestellt, dass nicht die reine Kesselvorlauftemperatur gemessen wird, sondern die – im Bypassbetrieb – zur Anlage gehende Mischwassertemperatur aus Kesselvorlauf- und beigemischtem Rücklaufwasser. Dies ist die gängigste Regelungsart. Selbstverständlich gilt dies auch analog für Pumpenkaltwassersys­teme (Bild 4).
Allerdings gibt es Fälle, in denen zusätzlich die Rücklauftemperatur gemessen werden muss. Aber im Normalfall sitzt der Fühler zur Vorlauftemperaturerfassung im Kernstrom auf der Sekundärseite der Anlage. In Sonderfällen sollte die Fühlerposition mit dem Kessel- oder Regelungshersteller abgesprochen werden.

Wofür wird eine hydraulische Weiche mit sechs Anschlüssen benötigt?
Diese Weiche kommt bei zwei Heizkesseln zum Einsatz. Zum einen wird hierdurch eine optimale hydraulische Entkopplung des Kessel- und Verbraucherkreises gewährleitet, zum anderen wird sichergestellt, dass jeder Heizkessel immer und in jeder Betriebssituation die ausreichende Wassermenge zur Verfügung gestellt bekommt (Bild 5). Diese hydraulische Weiche kann auch in Kombination mit einem Wärmeübertrager betrieben werden.

Gibt es hydraulische Weichen in unterschiedlichen Bauformen?
Am weitesten verbreitet sind hydraulische Rund- und Kompakt-Weichen. Diese unterscheiden sich – bei richtiger Auslegung – einzig durch die Form des eingesetzten Profilrohres (rund oder eckig).
Darüber hinaus gibt es die Verteiler-/Weichenkombination (Bild 6). Sie stellt eine Kombination aus einem Kompaktverteiler und einer hydraulischen Weiche in einem Bauteil dar.

Ist der Einsatz hydraulischer Weichen sinnvoll?
Wahrscheinlich mehr denn je. Zwar wird die Pumpen- und Regelungstechnik immer besser und man hat heutzutage viele Möglichkeiten, den hydraulischen Abgleich einer Heizungsanlage vorzunehmen. Aber man kann nie sicher zu jedem Zeitpunkt und in jeder Betriebssituation das Verhalten der Hydraulik einschätzen.
Ebenso sind die Wasserinhalte heutiger Kessel teilweise sehr gering. Gerade hier sollte eine hydraulische Weiche zwingend eingesetzt werden, um ein Takten der Anlage oder gar einen Betrieb bei stagnierendem Wasser zu vermeiden.

Lässt sich eine hydraulische Weiche zur Entschlammung nutzen?
Eine richtig ausgelegte hydraulische Weiche bietet sich aufgrund der beruhigten Strömungsverhältnisse optimal zur Entschlammung an. Hydraulische Großweichen können mit Revisionsflanschen versehen werden, die mit Magnetfilterkerzen bestückt sind. Diese werden so positioniert, dass der Rücklaufmassenstrom die Kerzen umströmt und die magnetischen Partikel an den Filterkerzen hängen bleiben.
Kleine hydraulische Weichen können mit einem Entschlammungsmodul bestückt werden, das eine Magnetfilterkerze enthält. Bei dieser Bauform wird ebenfalls der komplette Rücklaufmassenstrom um die Filterkerze geführt.

Darf man hydraulische Weichen waagerecht einbauen?
In senkrecht eingebauten hydraulischen Weichen bildet sich aufgrund des Temperatur- und Dichteunterschiedes eine entsprechende Temperaturschichtung. Dieser Zustand hält solange an, wie keine – gravierende – Beimischung stattfindet. Diese Situation tritt in Heizungsanlagen quasi nur im Volllastbetrieb auf.
Heutzutage wird beim Einsatz von Brennwertkesseln generell dem Sekundärvorlauf ein Teil des Rücklaufwassers beigemischt. Damit soll erreicht werden, dass die Kesselrücklauftemperatur – zur Ausnutzung des Kondensationseffekts – möglichst niedrig ist. Daher arbeiten die hydraulischen Weichen stets im Bypassbetrieb, wodurch sich keine thermische Schichtung ausbilden kann. Aus diesem Grund ist es heutzutage nicht mehr zwingend erforderlich, hydraulische Weichen senkrecht einzubauen. Zudem gibt es Sonderbauformen, die den direkten Kurzschluss von Vor- und Rücklaufwasser bei waagerecht eingebauten Weichen vermeiden.

Kann man hydraulische Weichen überdimensionieren?
Im Normalfall nicht. Denn die Strömungsgeschwindigkeiten im Inneren liegen dann auf jeden Fall im laminaren Bereich. Turbulenzen werden vermieden. Eine zu große Überdimensionierung führt jedoch zu unnötig hohen und vermeidbaren Kos­ten.
Ist die Weiche aber zu klein dimensioniert, funktioniert sie oft nicht, da es aufgrund des zu geringen Volumenstroms oder der zu hohen Geschwindigkeiten sehr schnell zu Turbulenzen kommt. Zu groß stellt daher kein Problem dar (Bild 7).

Wie wird eine hydraulische Weiche ausgelegt?
Grundsätzlich ist der größere der beiden Volumenströme (Primär oder Sekundär) bei Volllast zur Auslegung anzusetzen. Das Ergebnis dieses maximalen Volumenstromes bei einer Geschwindigkeit von 0,2 bis 0,3 m/s (je nach Weichengröße) definiert die Querschnittsfläche, die die Weiche haben darf. Daraus lässt sich der Durchmesser ableiten (Bild 8).
Die Geschwindigkeiten in den Anschlussstutzen sollten, je nach Rohrleitungsberechnung, um 0,7 bis 1,2 m/s (entsprechend der Größe) liegen. Die Höhe der Weiche definiert sich über den Abstand zwischen Primär- und Sekundäranschlussstutzen. Sie sollte min. 2,5 x dem Durchmesser bzw. im kleinen Leis­tungsbereich 10 x der Anschlussnennweite entsprechen (Bild 9). Hersteller von hydraulischen Weichen unterstützen den Handwerker in der Dimensionierung.

Muss der Anschluss der Erzeuger- und Heizkreise direkt an der Weiche erfolgen?
In vielen Fällen wird die Meinung vertreten, dass die Funktion einer hydraulischen Weiche nur dann gewährleistet ist, wenn der Anschluss an den Weichenkörper direkt erfolgt. Das ist allerdings nicht notwendig, denn auch mittelbar angeschlossene Kreisläufe finden ihren Nullpunkt im Weichenkörper. Wichtig hierbei ist allerdings, wie ohnehin gefordert, dass sämtliche Systeme hydraulisch abgeglichen betrieben werden.

Bilder: Sinusverteiler GmbH, Wettringen

www.sinusverteiler.com