Thermostatventile: Einstellposition ermitteln

​​​​​​​Ermittlung der Einstellposition für Thermostatventile in bestehenden Anlagen​


Der hydraulische Abgleich ist im Gebäudebestand nicht immer einfach durchzuführen, da die zur Berechnung erforderlichen Auslegungsparameter nur teilweise oder gar nicht bekannt sind. Mittlerweile haben aber unabhängige Untersuchungen ergeben, dass eine überschlägige Berechnung und Einstellung von Armaturen und Pumpe(n) in vielen Fällen ausreicht.

Im folgenden Beitrag werden Lösungsmöglichkeiten für die einzelnen Planungsschritte vorgestellt:

1. Vereinfachte Heizlastberechnung
2. Nachrechnung der installierten Heizflächen, Festlegung der Systemtemperaturen
3. Dimensionierung von Thermostatventilen und / oder Rücklaufverschraubungen
4. Überschlägige Berechnung des Heizungs-Rohrnetzes
5. Dimensionierung von Strangarmaturen
6. Zusammenfassung einschl. Dimensionierung der Heizungsumwälzpumpe


Abb. 74: Ungleichmäßige Wasser- und Wärmeverteilung durch fehlenden hydraulischen Abgleich.

1. Vereinfachte Heizlastberechnung
Der Grundstock für eine Optimierung der Heizungsanlage besteht in der Ermittlung der Verlustleistung für jeden Raum. Eine ausführliche Ermittlung nach DIN EN 12831 ist dabei sehr zeitaufwändig und darüber
hinaus im Gebäudebestand nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen möglich. Eine Erleichterung bietet daher das sogenannte Hüllflächenverfahren, bei dem nur die Bauteile betrachtet werden, die an die
Außenluft oder das Erdreich angrenzen. Aber auch hier müssen natürlich noch Angaben über die U-Werte der Bauteile zur Berechnung herangezogen werden, was im Altbau oftmals nur ungenau möglich ist. In einigen Softwareprogrammen werden daher die U-Werte für typische Bauteile der jeweiligen Baualtersklassen angeboten. Die Ergebnisse derartiger Berechnungen liefern für jeden Raum einen akzeptablen Wert, der aufgrund der vorgenannten Vereinfachungen auch noch ausreichend Reserven gegenüber der tatsächlichen Heizlast beinhalten kann.

Noch schneller und einfacher kann die Heizlast geschätzt werden, wenn die in der​ DIN EN 15 378 - Inspektion von Heizungsanlagen - genannte typische Gebäudeheizlast je Baualtersklasse mit ent-sprechenden Korrekturen versehen auf die jeweiligen Raumflächen umgerechnet wird.

Gebäude aus den 1980er Jahren oder jüngeren Datums werden in der Regel heute (noch) nicht im Bereich der Gebäudehülle saniert, so dass hier Berechnungen nach dem Hüllflächenverfahren oder Abschätzung der Heizlast anhand der DIN EN 15 378 - Grenzwerte eingesetzt werden können.
Ein wärmegedämmtes Gebäude ist aber immer​ wie ein Neubau zu betrachten, so dass eine
ausführliche Berechnung der raumweisen Heizlast nach DIN EN 12831 erforderlich wird.


2. Nachrechnung der installierten Heizflächen, Festlegung der Rücklauftemperaturen
Die Leistungsabgabe der installierten Heizflächen sowie die erforderlichen Vor- und Rücklauftemperaturen beeinflussen sich gegenseitig und sind daher im Zusammenhang zu betrachten. Als Ausgangspunkt ist in der Regel lediglich die maximale Rücklauftemperatur durch den eingesetzten Wärmerzeuger bekannt.
Wird die benötigte Heizwärme z.B. durch ein Gas-Brennwertgerät geliefert, so sollte die​Rücklauftemperatur 45 °C nicht überschreiten. Beim Öl-Brennwertgerät liegt die maximale Rücklauftemperatur bei 40 °C.

Die zugehörige Vorlauftemperatur ergibt sich jetzt aus den installierten Heizflächen und den zur Versorgung notwendigen Massenströmen. Generell liefert dabei eine hohe Vorlauftemperatur eine höhere Heizkörperleistung sowie einen kleineren Massenstrom und umgekehrt. Der kleinere Massenstrom
erfordert wiederum niedrigere Pumpenleistungen und zieht auch kleinere Einstellungen an den​ Thermostatventilen und/oder Rücklaufverschraubungen nach sich.​


3. Dimensionierung vonThermostatventilen  und / oder Rücklaufverschraubungen
Es besteht die landläufge Meinung, dass ein System mit Thermostatventilen an den Verbrauchern nicht mehr hydraulisch abgeglichen werden muss, weil ja die Thermostate den Massenstrom durch das Ventil verringern, wenn die eingestellte Raumtemperatur erreicht ist. Diese Aussage ist vom Kern her korrekt, aber wie so oft steckt auch hier die Tücke im Detail. Nach der Nachtabsenkung sind Thermostatventile wegen der abgesenkten Raumtemperatur weiter geöffnet. Das führt zu einer höheren Wassermenge. Das ist auch so, wenn an kalten Tagen das Fenster geöffnet wird, ohne gleichzeitig den Thermostatkopf auf die kleinste Position zu drehen. Natürlich kann auch eine Fehlbedienung ein Grund für eine erhöhte Wassermenge sein. Die durchströmte Wassermenge hat allerdings nur eine untergeordnete Bedeutung. So liefert ein Heizkörper, dem der doppelte Durchfluss angeboten wird, nur ca. 10% Mehrleistung, die jedoch eine (unzulässig) hohe Rücklauftemperatur sowie Unterversorgung der entfernteren Heizkörper zur Folge haben kann. Wenn also ein nicht abgeglichenes Thermostatventil an einem Heizkörper zur Überversorgung führt, so erzielt dies keinerlei Vorteile.

In einer abgeglichenen Heizungsanlage sorgt die Durchflussbegrenzung am Thermostatventil bzw. an der Rücklaufverschraubung dafür, dass überwiegend die richtige Wassermenge durch den Heizkörper fließt und alle Verbraucher entsprechend ihres Bedarfs versorgt werden. Um den hydraulischen Abgleich berechnen zu können, ist normalerweise auch die Berücksichtigung des Rohrnetzes erforderlich. Dies erweist sich als überaus schwierig, wenn weder die Leitungslängen noch die Rohrdimensionen bekannt sind – wie typischerweise im Gebäudebestand. Abhilfe schafft das Softwareprogramm EasyPlan, welches die fehlenden Informationen des Rohrnetzes simuliert und sich mit einer Skizze des Rohrnetzes begnügt (Abb. 75). 

Für die Ermittlung der richtigen Einstellung am Ventil ist nämlich in erster Linie die Anordnung der einzelnen Heizflächen zueinander von Bedeutung. Die Rohrnetzwiderstände sind untergeordnet und werden von der Software pauschal berücksichtigt. Der Anwender entscheidet lediglich, ob in der
Anlage niedrige, hohe, oder mittlere Rohrnetzwiderstände erwartet werden​


​Abb. 75: IMI Heimeier EasyPlan für die Ventilauslegung im Gebäudestand.

Die Software ermittelt dann aufgrund der geforderten Leistung und der Anordnung der Verbraucher (Heizkörper) die jeweils erforderliche Ventileinstellposition. Die Ermittlung der Ventileinstellposition
kann aber auch aus Tabellen abgelesen werden.​

Abb. 76: Nährungsverfahren für die Ermittlung der Ventileinstellung an V-exact-ll Thermostat-Ventilunterteilen


Näherungsverfahren zur Ermittlung der Voreinstellwerte für den hydraulischen Abgleich mit Kompaktund Gliederheizkörpern
Dieses Näherungsverfahren zur Ermittlung der Voreinstellwerte für die Durchführung
des hydraulischen Abgleichs gilt

  • für Gebäude, bei denen die Heizlast, z.B. durch nachträgliche Fassadendämmung, nicht wesentlich verändert wurde und die installierte Heizkörperleistung zur erforderlichen Heizlast passt, sowie​​​
  • ​die Wohn-/Nutzfläche je mit einer Pumpe versorgten Heizkreises 500 m² nicht überschreitet.

Bis zu dieser Flächenbegrenzung besteht i.d.R. keine überwiegend horizontale Ausdehnung der ohrführung zwischen den einzelnen Heizkörpern. Auf die Unterscheidung pumpennaher und pumpenferner Heizkörper kann daher verzichtet werden (Abb. 76). Dieses Verfahren ist besonders dann von Vorteil, wenn die genaue Lage des Heizkörpers im Rohrnetz nicht zu erkennen ist. Für die Ermittlung der Pumpeneinstellung ist es ausreichend, das Rohrnetz mit einem überschlägig ermittelten Pauschalwert neben anderen Einbauten (z.B. Mischer, Schmutzfänger, Wärmemengenzähler…) dem Ventildifferenzdruck hinzuzurechnen.​


Ermittlung der Thermostatventil-Voreinstellwerte bei unterschiedlicher Heizkörperleistung, Druckverlust und Systemspreizung​
Bei Anlagen mit großer horizontaler Ausdehnung kann der Widerstand des Rohrnetzes zwar nicht vernachlässigt werden, trotzdem ist auch in derartigen Anlagen eine überschlägige und ausreichend genaue Ermittlung der Voreinstellwerte ohne Software möglich. Der am Thermostatventil noch zur
Verfügung stehende Differenzdruck ΔpVentil wird pauschal in drei Gruppen aufgeteilt, mit​

5  kPa     bei Ventilen an entfernt liegenden Heizkörpern
10 kPa    bei Ventilen im mittleren Bereich
15 kPa    bei Ventilen in Nähe der Zentrale
 ​
Dann kann die erforderliche Voreinstellung anhand der Einstelltabelle Abb. 77 ermittelt werden.

Beispiel:



Ergebniss:

Einstellung 4



Abb. 77: Einstelltabelle für V-exact ll (ab 2012) bzw. V-exakt (bis 2011) oder Retro S.



4. Überschlägige Berechnung des Heizungs-Rohrnetzes
Der hydraulische Abgleich ist mit der Auswahl der erforderlichen Ventileinstellungen aber noch nicht abgeschlossen, da erst das optimale Zusammenspiel aller Komponenten zu einem guten Ergebnis führt. Das bedeutet, basierend auf den ermittelten Heizkörpermassenströmen und den sich daraus ergebenden Diffe-renzdrücken, ist noch die erforderliche Pumpenleistung zu ermitteln und sicherzustellen. Dabei ist zu beachten, dass neben den Thermostatventilen auch andere Bauteile (Mischer, Schmutzfänger, etc.) des Systems, und auch das Rohrnetz Widerstände darstellen, und somit einen Anteil der von der Pumpe zu liefernden Druckdifferenz einfordern. Der Einfluss der Rohrnetzwiderstände ist in der Gesamtbilanz nicht sehr gravierend. So beträgt der Differenzdruck einer 10 m langen Kupferrohrleitung bei der max. in Wohngebäuden üblichen Geschwindig-keit von 0,5 m/s ca. 2 kPa, während der Differenzdruck des Thermostatventils bei 6 bis 10 KPa liegt. Auch die Widerstände von Formteilen machen nur wenige mbar Druckverlust aus, die die Gesamtbilanz nicht verfälschen. Für die Pumpendimensionierung ist also ausreichend, das Rohrnetz pauschal mit dem Widerstand des längsten Fließweges zu betrachten, also
z.B. 0,1 kPa/m Rohrleitung multipliziert mit der Länge des längsten Fließweges.

Auf dieser Basis arbeitet auch das SoftwareProgramm EasyPlan: Der Projektant wählt hier pauschal für die Installation aus, ob das Rohrnetz hohe, mittlere oder niedrige Widerstände aufweist. Basierend auf dieser Vorgabe sowie der Anordnung der einzelnen Heizkörper zueinander, werden von der Software
Rohrleitungslängen angenommen und die entsprechenden Differenzdrücke berechnet. Die Software gibt anschließend den von der​ Pumpe zu erbringenden Differenzdruck aus, wobei die Druckverluste für Schmutzfänger o.ä. Einbauten noch hinzuzurechnen sind.​


5. Dimensionierung von Strangarmaturen
Wird bei der Ermittlung der Pumpenför-derhöhe ein Wert über 15 kPa ermittelt, ist der Einsatz von Strangarmaturen zu empfehlen. Es kommt nämlich nicht auf die Gebäudegröße an, sondern auf die eingebaute Pumpe. Strömungsgeräusche werden von einem zu hohen Differenzdruck verursacht,
der über das Thermostatventil abgebaut wird. Häufg wird der empfohlene Maximalwert von 15 kPa deutlich überschritten. Dies ist der Fall, wenn z.B. im Teillastfall durch schließende Thermostatventile sich die Differenzdrücke über den geöffneten Thermostatventilen erhöhen.

Dieses Phänomen ist nicht auf Großanlagen beschränkt, sondern auch in kleinen Heizungsanlagen (Einfamilienhaus,​ Etagenheizung) zu fnden. Die hier häufg eingesetzten Wandgeräte werden von der
Leistungsfähigkeit so ausgewählt, dass nicht nur der Heizwärmebedarf, sondern auch die
Trinkwassererwärmung gedeckt wird. Der Hersteller des Wärmeer-zeugers muss die in sein Gerät eingebaute Pumpe so dimensionieren, dass sie ein Fußbodenheizungssystem genauso zuverlässig versorgt, wie eine Radiatorenheizung. Anhand der in Abb. 78 gezeigten Förderhöhen ist zu erkennen,
dass die Pumpe im Wandgerät bei Einsatz in einer Radiatorenheizungsanlage schon erheblich heruntergeregelt betrieben wird. Ist ein Großteil der Thermostatventile auf Frostschutz gestellt, fließt nur noch ein Bruchteil der dimensionierten Wasser-menge.

Dadurch reduziert sich einerseits der Widerstand des Wärmeerzeugers erheblich und andererseits kann die Regelung die Förderhöhe der Pumpe unter Umständen nicht weiter herunterfahren. Somit steht nahezu der volle Pumpendruck am Thermostatventil an - die Gefahr von Strömungsgeräuschen
ist gegeben. Dabei lässt sich sehr einfach feststellen, ob der Grenzwert für die Thermostatventile erreicht ist oder nicht. In der DIN 18380 (VOB - Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen - Teil B)
wird der Handwerker darauf hingewiesen, dass er entsprechende Maßnahmen zu treffen hat, wenn Strömungsgeräusche zu erwarten sind. Das bedeutet, selbst wenn nur ein Thermostatventil geöffnet ist, also prak-tisch kaum Durchfluss herrscht, muss die Anlage frei von Strömungsgeräuschen sein. Es reicht also ein Blick in das Pumpendiagramm bei Durchfluss Null. Die Kontrolle der sich dann ergebenden Förderhöhe entscheidet, ob Strang-Differenzdruckregler erforderlich werden oder nicht. Strang-Differenzdruckregler passen den zur Versorgung des nachgeschal-teten Anlagenabschnitts
erforderlichen Differenzdruck kontinuierlich an den aktuellen Bedarf an und helfen somit wirkungsvoll, Strömungsgeräusche zu vermeiden. Ihre Dimensionierung wird von den Softwareprogrammen gleich mit vorgenommen. Genauso schnell lassen sich diese Armaturen aber auch überschlägig und von Hand auslegen. 

Aus den Herstellerunterlagen ist die benötigte Dimension in Abhängigkeit vom erforderlichen Durchfluss zu entnehmen. Für einen Massenstrom von z.B. 1000 kg/h ist dabei ein Differenzdruckregler der Nennweite DN 20 in der Regel ausreichend. Am Regler selbst gilt es jetzt noch den benötigten Differenzdruck einzustellen. Dieser wird z.B. überschlägig durch Aufsummierung der Widerstände über den ungünstigsten Fließweg (z.B. entferntester Heizkörper) erechnet. Angenommen, der ungünstigste
Heizkörper benötigt einen Massenstrom von 130 kg/h. Aus dem Ventildiagramm für
das Thermostat-Ventilunterteil werden z.B. 8 kPa abgelesen und für die Rücklaufverschraubung 1 kPa. Im Einfamilienhaus ist der ungünstigste Heizkörper vielleicht 15 m vom Wärmeerzeuger entfernt​.

​​Die gesamte Leitungslänge über Vor- und​Rücklauf beträgt dann angenommen 30 m.
Bei einem Druckverlust von ca. 100 Pa/m
Rohrleitung sind das 3 kPa. Der am Differenzdruckregler einzustellende Differenzdruck beträgt demnach


Abb. 79: Einsatz eines Strang-Differenzdruckreglers

Abb. 80:  Diagramm aus EN 15 378, typische Differenzdrücke für die Wärmeverteilung


Heizungsanlagen mit komplexer oder unbekannter Leitungsführung 
Es gibt aber auch Anlagen, in denen die Leitungsführung weit verzweigt ist und nicht zu erkennen ist, wo die einzelnen Heizkörper eingebunden sind. Oder in der Installation befnden sich Abschnitte mit wenigen Heizkörpern und geringer Leistung direkt neben Anlagenabschnitten mit vielen Heizkörpern und evtl. großer Leistung. Dann kann der Anteil des Rohrnetzwiderstandes den einzelnen Heizkörpern nicht eindeutig zugeordnet werden, so dass eine Ermittlung der Ventileinstellposition erschwert oder gar
unmöglich wird.

Für derartige Anlagen gibt es jetzt ein neues Thermostatventil, an dem ohne Kenntnis des Rohrnetzes der erforderliche Durchfluss direkt eingestellt werden kann. Die IMI Heimeier Thermostat-Ventilunterteile Eclipse werden in Zweirohr-PumpenwarmwasserHeizungsanlagen mit normaler bis höherer Temperaturspreizung eingesetzt. Durch die neue AFC-Technologie wird der erforderliche Durchfluss für den Heizkörper ohne Umweg über einen abstrakten Voreinstellwert direkt in l/h am Eclipse Thermostat-Ventilunterteil eingestellt. Die neuen Ventile sind in DN 10, DN 15 und DN 20 in allen üblichen Gehäuse-Ausführungen Durchgang, Eck und Axial lieferbar, die Einbaumaße entsprechen den Normmaßen, so dass ein einfacher Austausch möglich ist und keine Veränderungen an den Rohrleitungen notwendig sind. Damit ist der hydraulische Abgleich mit einem Dreh erledigt.

Der eingestellte Durchfluss wird nicht überschritten. D.h. auch bei einem Überangebot, z.B. aufgrund schließender Nachbarventile oder während der morgendlichen Aufheizphase, regelt Eclipse den Durchfluss automatisch auf den eingestellten Wert.​

Abb. 81: Komplexe Anlage aus horizontaler und vertikaler Verteilung.


Auch in kleinen Anlagen, bei denen die Pumpen-Förderhöhe > 150 mbar beträgt und dieser Wert nicht verringert werden kann, ist das neue Eclipse die ideale Lösung. Zum Beispiel wenn ein​ Differenzdruckregler nicht eingebaut werden kann, weil die Rohrleitungen direkt hinter dem wandhängenden Brennwertgerät in der Wand verschwinden.

Bei der Sanierung bestehender Anlagen ermöglichen die Baumaße des Eclipse Ventiles
in der Regel einen einfachen Austausch alter Thermostatventile. 

Für Heizkörper mit unterem Mittenanschluss 50 mm (Design-, Universal- oder Ventilheizkörper) ermöglicht das neue Multilux-4-Eclipse-Set das direkte Einstellen des erforderlichen Durchflusses. Das Set ermöglicht den universellen Einsatz als Durchgangsoder Eckausführung bei Anordnung des
Thermostatkopfes wahlweise nach links oder nach rechts.

Um einen geräuscharmen Betrieb gewährleisten zu können, sollten folgende Bedingungen erfüllt sein:

  •  Der Differenzdruck über Eclipse sollte 60 kPa = 600 mbar = 0,6 bar nicht überschreiten. ​
  •  Der Massenstrom muss korrekt eingestellt sein.
  •  Die Anlage muss vollständig entlüftet sein​

​​
Abb. 83 Regelkennlinien Thermostatventil-
Unterteil Eclipse

Abb. 84: Thermostatventil Unterteil Eclipse.
Einstellwerte bei unterschiedlicher Heiz-
körperleistung und Systemspreizung

6. Zusammenfassung
​Der hydraulische Abgleich im Gebäudebestand ist eine einfach zu handhabende Maßnahme zur Energieeinsparung. Denn eine detaillierte Rohrnetzberechnung zur Ermittlung der Ventileinstellung sowie zur Pumpendimensionierung ist nicht erforderlich. Die Einstellung der Thermostatventile anhand von Tabellen oder einer Software hilft, Energie einzusparen.

Sind keine voreinstellbaren Thermostatventile installiert, lassen sich die vorhandenen Ventile in der Regel aber durch den Austausch des Ventileinsatzes modernisieren. Bei weitverzweigten Anlagen mit unbekannter Rohrleitungsführung oder Anlagen mit Pumpen-Förderhöhen < 15 kPa, in
denen kein Differenzdruckregler eingebaut werden kann, wird der Austausch der vorhandenen Ventile gegen Thermostat-Ventilunterteile Eclipse bzw. Multilux 4-EclipseSet empfohlen.

In diesem Zusammenhang sollte der Thermostat-Kopf gleich mitgetauscht werden. In der DIN EN 15378 – Inspektion von Heizungsanlagen – wird nämlich der Austausch von Thermostatköpfen, die älter als 15 Jahre sind, empfohlen.

Diese alten Köpfe funktionieren zwar noch, der technische Fortschritt hat aber dazu
geführt, dass ein neues Produkt wesentlich genauer regelt. Damit sind Energieeinsparungen von 5 % – 10% möglich. Wichtiger Bestandteil des hydraulischen Abgleichs ist neben den Thermostatventilen
auch die Umwälzpumpe. 
Nach erfolgter Ventileinstellung ist diese auf die neue Förderhöhe einzustellen, damit keine Strömungsgeräusche entstehen. Wenn die Pumpe nicht durch eine Leistungsregelung auf MaximalFörderhöhen < 15 kPa einstellbar ist, wird bei Einsatz von voreinstellbaren ThermostatVentilen V-exact II die überschüssige Druckdifferenz durch Strang-Differenzdruckregler wirkungsvoll kompensiert. Diese Armaturen können ebenfalls überschlägig und ohne Kenntnis des Rohrnetzes einfach dimensioniert und eingestellt werden.​




Abb. 85: Thermostatventil-Unterteil Eclipse. Durchgang, Eck, Axial
​​
​​Abb. 86: Multilux 4-Eclipse-Set​


Abb. 87: Aufbau Eclipse


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Abb. 87: Nachrüst-Oberteil Retro S für die Umrüstung älterer Standard-Thermostat-ventile auf VoreinstellungAbb. 88: Nachrüst-Set, bestehend​ aus Retro S Oberteil und Thermostatkopf K
Thermostatventile: Einstellposition ermitteln