Thermostatventile: Funktion, Auswahl

​​​​​​​1. Aufbau

Thermostatventile bestehen aus Ventilunterteil und Thermostat-Kopf. Die Ventilspindel wird über die temperaturabhängige Ausdehnung des Fühlerelementes im Thermostatkopf betätigt. Der Sollwert wird durch Drehen der Handradkappe eingestellt, wodurch der Arbeitspunkt des entsprechenden
Fühlers verschoben wird. 

Das Thermostatventil ist von seiner Konstruktion her ein Proportionalregler ohne Hilfsenergie. Die Änderung der Raumlufttemperatur ist proportional zur Änderung des Ventilhubes. Der Fühler vergleicht die gemessene Raumlufttemperatur mit dem Sollwert und stellt über die Ventilspindel
den Ventilhub und damit den Massenstrom zum Heizkörper entsprechend ein. Beim Auftreten von Fremdwärme wird die Wärmezufuhr zum Heizkörper gedrosselt. Fällt die Raumlufttemperatur,
öffnet das Ventil. Folglich wird die Raumlufttemperatur innerhalb eines regeltechnisch erforderlichen
Proportionalbandes konstant gehalten.


Abb. 61: Thermolux K Thermostatventil im Schnitt


2. Funktion

Ist beispielsweise eine Temperatur von ca. 20 °C gewünscht, wird der Thermostatkopf so eingestellt, dass die richtige Wassermenge zur Aufrechterhaltung der Raumlufttemperatur fließt (bei geplanter
Vorlauftemperatur). Treten nun Störungen der Raumlufttemperatur, sei es durch Sonneneinstrahlung, Personen, Beleuchtung etc. oder durch schlechte Einregulierung der Heizungsanlage auf, so steigt die Raumlufttemperatur an. Mit steigender Raumlufttemperatur bewirkt der Fühler, dass sich
ein geringerer Ventilöffnungshub einstellt. 

Normalerweise kommt es jedoch nicht zum vollkommenen Schließen des Ventils, da bereits vorher der verminderte Massenstrom die Wärmeabgabe des Heizkörpers soweit reduziert hat, dass sie im Gleichgewicht mit den Wärmeverlusten des Raumes steht. Die dabei auftretende Solllwertabweichung, von der ein Proportionalregler lebt, wird P-Abweichung oder auch Regeldifferenz genannt.


3. Regeldifferenz

Die Auslegungs-Regeldifferenz ist der Unterschied zwischen der Fühlertemperatur beim Auslegungsdurchfluss und der Fühlertemperatur beim Schließpunkt des Ventils. Bei Thermostatventilen mit Voreinstellung (z. B. V-exact II) ist die Auslegungs-Regeldifferenz
vorgegeben. Bei Thermostatventilen ohne Voreinstellung (z. B. Standard, mit besonders geringem Widerstand) kann eine Anpassung an den geforderten Durchfluss durch Variation der Auslegungs-Regeldifferenz vorgenommen werden. In der Praxis sind häufig Regeldifferenzen unter 1 K, typischerweise um ca. 0,5 K anzutreffen.
​Abb. 62: Öffnungskennlinie bei 1 K Regeldifferenz, Dp = const.​Abb. 63: Öffnungskennlinie bei 2 K Regeldifferenz, Dp = const.

Die spezifische Ausdehnung von flüssigkeitsgefüllten Fühlerelementen beträgt in der Regel 0,22 mm/K. Bei einem Gesamthub von beispielsweise 2,0 mm beträgt der Proportionalbereich ca. 9 K

Das heißt, es ist eine Temperaturänderung von 9 K erforderlich, um den gesamten Ventilhub zu durchfahren. Somit wird deutlich, dass Thermostatventile zur Erzielung einer genauen Raumtemperaturregelung nicht bei völliger Öffnung, sondern nahe der Schließstellung, häufig mit Öffnungshüben im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,1 mm oder kleiner, arbeiten. Um jedoch optimale Regelbedingungen für Thermostatventile zu schaffen, sollten sie richtig ausgewählt bzw. auf die hydraulischen Gegebenheiten, z. B. auf Druckverlust und Massenstrom abgestimmt sein und zum
Anlagentyp bzw. zur Anlagengröße passen.



4. Der Kv-Wert

Der Kv-Wert eines Ventils ist der Durchflusskoeffizient in m3/h von Wasser bei 5 °C bis 30 °C bei einem festgelegten Öffnungshub und einem Druckverlust von 1 bar.
Der Kvs-Wert bezeichnet den Volumenstrom in m3/h bei vollständig geöffnetem Ventil und einem Druckverlust von 1 bar.
Kv-Wert, Druckverlust und Volumenstrom hängen gemäß folgender Gleichung zusammen:

In der Heizungstechnik wird häufig mit der vereinfachten Gleichung gerechnet, womit ausreichend genaue Ergebnisse erzielt werden, auch wenn – unter Nichtbeachtung der temperaturabhängigen Dichte des Wassers – der Massenstrom dem Volumenstrom gleichgesetzt wird. 
Gebrauchsformel 
​Abb.64:Herstellerangabe nach
EN 215.
Thermostat-Ventilunterteil V-exact II Einstellung 6.


5. Ventilautorität

Bei thermostatischen Heizkörperventilen in Zweirohrheizungen ist darauf zu achten, dass diese Ventile im Verhältnis zum max. möglichen Differenzdruck an der Umwälzpumpe bzw. an der dem Anlagenabschnitt vorgeschalteten Differenzdruckbegrenzungseinrichtung einen entsprechend hohen Druckverlust bzw. eine hohe Ventilautorität aufweisen.

Die Ventilautorität ist definiert als Verhältnis des Druckverlustes über dem Thermostatventil (Δpv) zum Gesamtdruckverlust (Δpges.).

Der Differenzdruck über dem Thermostatventil steigt beim Schließen an und zwar in dem Maße, wie der Druckverlust der Rohrleitung durch die Verringerung des Massenstromes abnimmt. Wurde bei der
Dimensionierung der Heizungsanlage der Druckverlust der Rohrleitung gering gehalten, so dass der Gesamtdruckverlust (z. B. Pumpenförderdruck) fast ganz im Thermostatventil abgebaut wird, so spricht man von einer großen Ventilautorität. Ist der Rohrleitungsdruckverlust im Verhältnis höher bzw. der Druckverlust über dem Thermostatventil geringer, dann spricht man von einer kleinen Ventilautorität.

Die Ventilautorität ist also ein Maß für den zu erwartenden Anstieg des Druckverlustes während des Schließvorganges. 


Bei kleinen Anlagen muss als Gesamtdruckverlust die Pumpenförderhöhe herangezogen werden, da damit gerechnet werden muss, dass alle Thermostatventile gleichzeitig geschlossen sein können und damit die gesamte Pumpenförderhöhe auf ein Thermostatventil gelangt.

Bei größeren Anlage wird als Gesamtdruckverlust der Differenzdruck eines Anlagenabschnitts 
(z. B. Strang) bzw. der Differenzdruck an einer dem Anlagenabschnitt vorgeschalteten Differenzdruckbegrenzungseinrichtung (z. B. STAP) herangezogen.

In anderen Fällen wird als Gesamtdruckverlust der Differenzdruck am Punkt der Heizkörperanbindung gewählt. Dieser Differenzdruck enthält die Beträge für Vor- und Rücklaufleitung, Thermostatventil, Heizkörper, Rücklaufverschraubung und diverse Einzelwiderstände und wird bei abgestelltem
Heizkörper in voller Höhe vom Thermostatventil übernommen. Dieser Anstieg des Druckverlustes bei Nulllast des betrachteten Heizkörpers tritt in jedem Fall ein. 
​Abb. 65: Bezugsdifferenzdruck Pumpe bei kleinen Anlagen.​Abb. 66: Bezugsdifferenzdruck Anlagenabschnitt bei großen Anlagen.
Abb. 67: Bezugsdifferenzdruck HK-Anbindung.

Bei einer weiteren Betrachtungsweise wird als Gesamtdruckverlust der Druckverlust eines Teilnetzes TN (inkl. Ventil) gewählt, in dem der Massenstrom kleiner als das 4-fache des betrachteten Auslegungsmassenstromes ist.
Wird für die Ventilautorität ein Mindestwert von z. B. 0,4 gefordert, dann berechnet sich der Druckverlust des Ventils mit:

Bei voreinstellbaren Ventilen ist bei der Betrachtung der Ventilautorität die Kenntnis über die Autorität des Regelquerschnitts von Bedeutung, da der durch die Voreinstellvorrichtung erzeugte Druckverlust der durchflussvariablen Strecke zuzuordnen ist.

In entsprechenden Herstellerangaben nach EN 215 sind die internen Ventilautoritäten für jede definierte Voreinstellung und Regeldifferenz angegeben.


6. Schallemission

Für die Geräuschbildung bei Thermostatventilen ist in der Regel ein zu hoher Differenzdruck verantwortlich. Beeinflusst wird das Geräuschverhalten beispielsweise von der
Ventilkonstruktion, Bauart des Heizkörpers, Verrohrung, Gasgehalt des Wassers, Betriebszustand der Anlage, Dämpfungsverhalten des Raumes, etc. Der maximale Differenzdruck sollte in Wohngebäuden in keinem Betriebszustand den Grenzwert von 15 kPa überschreiten.

Um bei der Anlagendimensionierung nicht über diese Grenzwerte zu gelangen und die Pumpenförderhöhe nicht unnötig zu steigern, hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Ventilauslegungsdruckverluste zwischen
 
5 – 10 kPa zu begrenzen.

Ist demnach ein übermäßiger Differenzdruck zu erwarten, z. B. im Schwachlastbetrieb, so sind geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen, z. B. Einbau differenzdruckregelnder Einrichtungen in Form von dezentralen Differenzdruckreglern, z. B. STAP.


7. Auswahl

Bei der Auswahl von Thermostatventilen spielt auch der hydraulische Abgleich der Heizkörper untereinander eine wichtige Rolle.

Um den Abgleich realisieren zu können, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar: Dazu zählen beispielsweise die entsprechende Dimensionierung des Rohrnetzes, die Auswahl geeigneter thermostatischer Heizkörper-Regulierventile, einstellbare Rücklaufverschraubungen, Strangregulierventile etc. 

Im Gegensatz zu Heizkörperhandregulierventilen, die auf- oder zugedreht werden, so dass eine Voreinstellung z. B. in Form einer Hubbegrenzung erforderlich ist, handelt es  sich bei Thermostatventilen um selbsttätig wirkende Einrichtungen zur raumweisen Temperaturregelung. Das heißt, Thermostatventile sorgen quasi automatisch für den korrekten hydraulischen Abgleich, indem sie auf steigende bzw. fallende Raumtemperaturen durch Reduzierung bzw. Erhöhung des Heizwassermassenstromes reagieren. 

Aber nicht nur bei bestimmungsgemäßem Betrieb, sondern auch nach Raumtemperaturabsenkung
oder Betriebspausen sollte eine gleichmäßige Wasserverteilung erzielt werden. Ist dies nicht der Fall, so wird dies besonders in Großanlagen, z. B. während der Aufheizphase deutlich. Häufig wird versucht, das Problem z. B. durch Anhebung der Heizkurve, zeitlicher Vorverlegung des Heizbeginns oder durch Einbau von größeren Umwälzpumpen zu beheben.

Diese Maßnahmen können jedoch zur Geräuschbildung, weiterer Begünstigung der überversorgten Anlagenteile und zu größeren Energieverbrauch führen. Erforderlich ist der Einsatz voreinstellbarer Thermostatventile und deren exakte Einstellung.


8. Austauschmöglichkeiten

Das Gehäuse der Ventilunterteile Standard, V-exakt und Mikrotherm-Heizkörperregulierventile aus den Baujahren 1994 bis 2011 sind in den Nennweiten DN 10 und DN 15 baugleich. Gemeinsam ist allen Ventilunterteilen der Durchmesser der Sitzbohrung. Äußerliches Kennzeichen der Baugleichheit
ist der auf einer Gehäuseseite angegossene Nocken. Standard-Ventilunterteile, die über diese Kennzeichnung verfügen, sind also auf Voreinstellung umrüstbar. Durch Austausch der Oberteile können z.B. Thermostat-Ventilunterteile „Standard“ in Thermostat-Ventilunterteile „V-exakt“, also auf Voreinstellung umgebaut werden.

Thermostat-Ventilunterteile „Standard“, mit Anschlussgewinde am Ventilgehäuse „ohne“ Nockenkennzeichnung, ab Baujahr Ende 1982 und „ohne“ farbliche Kennzeichnung an der Stopfbuchse können mit dem Retro S-Set auf Voreinstellung umgebaut werden. Die Retro S Durchflusswerte entsprechen den V-exakt Durchflusswerten. 

Dieser Austausch wird immer dann notwendig, wenn sich die Anforderungen an Ventilunterteile durch nachträgliche Veränderungen an bestehenden Heizungsanlagen, z. B. Anschluss an ein Fernwärmenetz, ändern. 

Der Umbau kann mit dem IMI Heimeier-Montagegerät zeitsparend und kostengünstig ohne Entleeren der Heizungsanlage durchgeführt werden.


Abb. 68: Massenströme in kg/h bezogen auf Ventilunterteile DN 15 bei Dp = 5 kPa und variabler Regeldifferenz von 0,5 - 2,0 K​
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