Hydraulische Grundschaltungen

Die drei hydraulischen Grundschaltungen — Beimischschaltung, Einspritzschaltung und Drosselschaltung — bilden das Fundament jeder Wärmeverteilung in thermischen Netzen. Die Beimischschaltung arbeitet mit Dreiwegeventil und konstantem Sekundärmassenstrom, die Einspritzschaltung benötigt primärseitigen Differenzdruck für die Durchgangsventilregelung, und die Drosselschaltung reduziert den Massenstrom direkt über ein Durchgangsventil. Die Wahl der Schaltung beeinflusst Rücklauftemperaturen, Regelgüte und die hydraulische Wechselwirkung zwischen parallelen Heizgruppen entscheidend.

Beimischschaltung

Bei der Beimischschaltung wird Rücklaufwasser dem heißen Vorlaufwasser beigemischt, um die gewünschte Vorlauftemperatur im Sekundärkreis zu erzielen. Die Mischung erfolgt über ein Dreiwegeventil, das den Anteil von Netzvorlauf und Rücklauf stufenlos regelt. Der Massenstrom auf der Sekundärseite (Verbraucherkreis) bleibt dabei annähernd konstant, während der primärseitige Massenstrom variiert.

Die Beimischschaltung setzt eine drucklose oder druckarme Sekundärseite voraus — typischerweise einen hydraulischen Verteiler ohne nennenswerten Eigendifferenzdruck. Primärseitig ist kein Differenzdruck erforderlich; die Umwälzung im Sekundärkreis übernimmt eine eigene Pumpe.

Wenn das Temperaturverhältnis zwischen Verteil- und Heizkreistemperaturen zu groß wird, ist ein Fix-Bypass erforderlich. Als Faustformel gilt: Ein Fix-Bypass wird nötig, wenn

$\frac{T_{\text{VL,Verteilung}} - T_{\text{RL,Heizkreis}}}{T_{\text{VL,Heizkreis}} - T_{\text{RL,Heizkreis}}} > 2{,}5$

In diesem Fall reicht die Beimischung über das Dreiwegeventil allein nicht aus, um eine stabile Temperaturregelung sicherzustellen.

Vorteile:

• Tiefe Rücklauftemperaturen, da der Rücklauf vollständig ausgekühlt wird
• Gute Regelbarkeit der Vorlauftemperatur
• Kein primärseitiger Differenzdruck nötig

Nachteile:

• Bei mehreren Heizgruppen am selben Verteiler kann eine gegenseitige Beeinflussung auftreten
• Druckloser oder druckarmer Verteiler erforderlich

Einsatzgebiete: Heizkörperkreise, Fußbodenheizungen, Anlagen mit kondensierenden Wärmeerzeugern, bei denen niedrige Rücklauftemperaturen besonders vorteilhaft sind.

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

Bei der Einspritzschaltung wird heißes Vorlaufwasser über ein Durchgangsventil in den Sekundärkreis eingespritzt. Im Gegensatz zur Beimischschaltung ist diese Schaltung differenzdruckbehaftet — das Durchgangsventil benötigt einen ausreichenden Differenzdruck auf der Primärseite, um den Einspritzstrom zu treiben.

Der Durchfluss im Verbraucherkreis bleibt konstant, während der primärseitige Durchfluss je nach Ventilstellung variiert. Die Sekundärpumpe sorgt für eine gleichmäßige Durchströmung der Verbraucher. Da die Primärseite einen variablen Massenstrom aufweist, ist eine drehzahlgeregelte Netzpumpe zwingend erforderlich, um den Differenzdruck bei schwankendem Gesamtvolumenstrom stabil zu halten.

Vorteile:

• Tiefe Rücklauftemperaturen durch vollständige Auskühlung
• Gute Regelbarkeit auch an druckbehafteten Verteilern
• Mehrere parallele Heizkreise beeinflussen sich hydraulisch nur wenig

Nachteile:

• Mindestens zwei Umwälzpumpen erforderlich (primär- und sekundärseitig)
• Differenzdruck primärseitig muss vorhanden sein

Einsatzgebiete: Fernwärmeanschlüsse (direkt und indirekt), Warmwasserbereitung, Systeme mit mehreren parallel betriebenen Heizgruppen.

Drosselschaltung

Die Drosselschaltung ist die einfachste der drei Grundschaltungen. Ein Durchgangsventil drosselt den Massenstrom durch den Verbraucher direkt. Im Unterschied zur Einspritzschaltung ist hier der Massenstrom sowohl auf der Verbraucherseite als auch auf der Erzeugerseite variabel — bei teilweise geschlossenem Ventil sinkt der Durchfluss durch den gesamten Kreislauf.

Auch die Drosselschaltung ist differenzdruckbehaftet und erfordert eine drehzahlgeregelte Netzpumpe, um bei schwankendem Volumenstrom einen stabilen Differenzdruck bereitzustellen. Bei indirektem Anschluss an thermische Netze (mit Wärmetauscher) ist sie die bevorzugte Schaltung, da sie den einfachsten Aufbau bietet.

Vorteile:

• Tiefe Rücklauftemperaturen
• Einfache Einzelraumregelung über Thermostatventile möglich
• Geringer apparativer Aufwand

Nachteile:

• Einfriergefahr bei Lufterhitzern durch stark reduzierten Durchfluss im Teillastbetrieb
• Schwankender Massenstrom kann bei ungünstiger Auslegung die Regelgüte beeinträchtigen

Einsatzgebiete: Wärmespeicherladung, Zonen-Regelung in größeren Gebäuden, indirekte Fernwärmeanschlüsse mit Wärmetauschern.

Vergleich der Grundschaltungen

Regelventil und Ventilautorität

Die Funktion jeder hydraulischen Grundschaltung hängt maßgeblich von der korrekten Dimensionierung des Regelventils ab. Der zentrale Kennwert ist der $K_{VS}$-Wert, der den Volumenstrom in $\text{m}^3/\text{h}$ angibt, der bei einem Druckverlust von 1 bar (100 kPa) durch das vollständig geöffnete Ventil fließt:

$K_{VS} = \dot{V} \cdot \sqrt{\frac{\Delta p_0}{\Delta p_V}}$

mit dem Nennvolumenstrom $\dot{V}$, dem Referenz-Druckverlust $\Delta p_0 = 100 \; \text{kPa}$ und dem tatsächlichen Druckverlust $\Delta p_V$ über dem Ventil.

Die Ventilautorität $P_V$ beschreibt das Verhältnis des Druckverlusts über dem vollständig geöffneten Ventil zum Gesamtdruckverlust des geregelten Kreises:

$P_V = \frac{\Delta p_{\text{Ventil}}}{\Delta p_{\text{Ventil}} + \Delta p_{\text{Strecke}}}$

Eine ausreichende Ventilautorität ist entscheidend für eine stabile und proportionale Regelcharakteristik. Bei zu kleiner Ventilautorität wird die Regelkennlinie verzerrt — das Ventil regelt nur noch im letzten Hubbereich, was zu instabilem Verhalten führt. Folgende Mindestwerte gelten:

• Dreiwegeventile (Beimischschaltung): $P_V \geq 0{,}5$
• Durchgangsventile (Einspritz-/Drosselschaltung): $P_V \geq 0{,}3$, d. h. mindestens 30 % des maximalen Differenzdrucks fallen über dem Ventil ab

Als Orientierung für die Mindest-Druckverluste über dem Regelventil gelten:

Direkter und indirekter Anschluss

Die Wahl der hydraulischen Grundschaltung hängt auch davon ab, ob ein direkter oder indirekter Anschluss an das thermische Netz vorliegt.

Beim direkten Anschluss durchströmt das Netzwasser die gebäudeseitige Installation unmittelbar. Es ist kein Wärmetauscher erforderlich, was den Aufbau vereinfacht und die Investitionskosten senkt. Allerdings bestehen Risiken: Die Gebäudeinstallation muss für das Druckniveau des Netzes ausgelegt sein, und die Wasserqualität des Netzes wirkt direkt auf die Gebäudekomponenten. Einspritz- und Drosselschaltungen kommen hier besonders häufig zum Einsatz.

Beim indirekten Anschluss erfolgt eine hydraulische Trennung über einen Wärmetauscher (typischerweise Plattenwärmetauscher). Primär- und Sekundärkreis sind drucktechnisch voneinander entkoppelt, sodass sekundärseitig eine eigene, niedrigere Druckstufe gewählt werden kann. Die Drosselschaltung auf der Primärseite des Wärmetauschers ist bei indirektem Anschluss die bevorzugte Variante, da sie den einfachsten Aufbau bei gleichzeitig tiefen Rücklauftemperaturen ermöglicht.

Fazit

Beimischschaltung, Einspritzschaltung und Drosselschaltung bilden das Fundament jeder hydraulischen Planung in thermischen Netzen. Die Beimischschaltung eignet sich für drucklose Verteiler mit konstanten Sekundärströmen, die Einspritzschaltung für druckbehaftete Systeme mit mehreren parallelen Heizgruppen, und die Drosselschaltung für einfache Kreise mit variablem Durchfluss. In jedem Fall ist die korrekte Dimensionierung des Regelventils — insbesondere die Einhaltung der Mindest-Ventilautorität — entscheidend für einen stabilen und energieeffizienten Betrieb. In VICUS Districts lassen sich die verschiedenen Grundschaltungen direkt im Netzmodell abbilden und deren hydraulisches Zusammenspiel dynamisch simulieren.

Weiterführende Artikel: Übergabestationen beschreibt den vollständigen Aufbau der Hausübergabestation, in die die Grundschaltungen eingebettet sind, Hydraulischer Abgleich behandelt die Abstimmung der hydraulischen Widerstände für eine gleichmäßige Versorgung aller Abnehmer, und Netztemperaturen erläutert die Temperaturverhältnisse, die bei der Wahl der Schaltungsvariante zu berücksichtigen sind.

Quellen und Normen

• VDI 2073 Blatt 1 — Hydraulik wassergeführter Anlagen — Grundlagen
• Recknagel, H.; Sprenger, E.; Schramek, E.-R.: Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik. DIV Deutscher Industrieverlag (Standardwerk, fortlaufend aktualisiert).
• DIN EN 12828 — Heizungsanlagen in Gebäuden — Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen