Hydraulische Grundschaltungen

Hydraulische Grundschaltungen legen fest, wie ein Verbraucher (Heizkörperkreis, Fußbodenheizung, Lufterhitzer, Speicher oder Wärmetauscher) an einen Verteiler oder ein Wärmenetz angeschlossen und seine Leistung geregelt wird. Es gibt zwei Familien: Bei der Mengenregelung (Drosselschaltung, Umlenkschaltung) ändert sich der Volumenstrom durch den Verbraucher bei konstanter Vorlauftemperatur. Bei der Mischregelung (Beimischschaltung, Einspritzschaltung) bleibt der Volumenstrom im Verbraucherkreis konstant und die Vorlauftemperatur wird geregelt. Welche Schaltung gewählt wird, bestimmt die Rücklauftemperaturen, die Anforderungen an den Verteiler und die hydraulische Wechselwirkung zwischen parallelen Heizgruppen.

In den Schaltbildern dieses Artikels liegt der Verteiler unten, der Verbraucher oben. Rot ist Vorlaufwasser mit Verteiltemperatur, Orange Wasser mit Mischtemperatur, Blau Rücklaufwasser.

Drosselschaltung

Die Drosselschaltung ist die einfachste Grundschaltung. Ein Durchgangsventil drosselt den Volumenstrom durch den Verbraucher direkt. Der Volumenstrom ist sowohl auf der Verbraucherseite als auch auf der Erzeugerseite variabel: Bei teilweise geschlossenem Ventil sinkt der Durchfluss durch den gesamten Kreis. Die Vorlauftemperatur am Verbraucher entspricht der Verteiltemperatur.

Die Drosselschaltung ist differenzdruckbehaftet und erfordert eine drehzahlgeregelte Hauptpumpe, um bei schwankendem Volumenstrom einen stabilen Differenzdruck bereitzustellen. Bei indirektem Anschluss an thermische Netze ist sie auf der Primärseite des Wärmetauschers die bevorzugte Schaltung.

Vorteile:

• Niedrige Rücklauftemperaturen, besonders im Teillastbetrieb
• Einfache Einzelraumregelung über Thermostatventile möglich
• Geringer apparativer Aufwand, keine eigene Verbraucherpumpe

Nachteile:

• Einfriergefahr bei Lufterhitzern durch stark reduzierten Durchfluss im Teillastbetrieb
• Ungleichmäßige Temperaturverteilung über große Heizflächen bei kleinem Durchfluss

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

Umlenkschaltung

Bei der Umlenkschaltung sitzt ein Dreiwegeventil im Rücklauf des Verbrauchers. Ein Bypass verbindet den Vorlauf mit dem dritten Ventilanschluss. Das Ventil teilt den Volumenstrom zwischen Verbraucher und Bypass auf: Je weniger Leistung gebraucht wird, desto mehr Vorlaufwasser fließt ungenutzt am Verbraucher vorbei direkt in den Rücklauf.

Der Volumenstrom am Verteiler bleibt dadurch konstant, der Volumenstrom durch den Verbraucher ist variabel. Die Kehrseite ist der Rücklauf: Im Teillastbetrieb mischt sich heißes Bypasswasser in den Rücklauf, die Rücklauftemperatur steigt. Für Fernwärme, Brennwertkessel und Wärmepumpen ist die Umlenkschaltung deshalb ungeeignet.

Vorteile:

• Konstanter Volumenstrom auf der Erzeugerseite, keine Rückwirkung der Verbraucherregelung auf die Hauptpumpe
• Vorlauftemperatur am Verbraucher bleibt konstant

Nachteile:

• Hohe Rücklauftemperaturen im Teillastbetrieb
• Einfriergefahr bei Lufterhitzern wie bei der Drosselschaltung

Einsatzgebiete: Lufterhitzer und Luftkühler, Erzeuger mit vorgeschriebenem Mindestdurchfluss, Anlagen, in denen ein konstanter Volumenstrom im Verteilnetz gewünscht ist.

Beimischschaltung

Bei der Beimischschaltung wird Rücklaufwasser aus dem Verbraucherkreis dem heißen Vorlaufwasser beigemischt, um die gewünschte Vorlauftemperatur im Verbraucherkreis zu erreichen. Die Mischung erfolgt über ein Dreiwegeventil im Vorlauf, das den Anteil von Verteilervorlauf und Bypasswasser stufenlos regelt. Der Volumenstrom im Verbraucherkreis bleibt annähernd konstant, der Volumenstrom auf der Verteilerseite variiert.

Vorausgesetzt wird ein druckloser oder druckarmer Verteiler, typischerweise mit hydraulischer Weiche, ohne nennenswerten Eigendifferenzdruck. Die Umwälzung im Verbraucherkreis übernimmt allein die Verbraucherpumpe.

Vorteile:

• Niedrige Rücklauftemperaturen, da nur ausgekühltes Wasser zum Verteiler zurückfließt
• Gute Regelbarkeit der Vorlauftemperatur
• Gleichmäßige Temperaturverteilung über die Heizfläche
• Kein Differenzdruck am Verteiler nötig

Nachteile:

• Druckloser oder druckarmer Verteiler erforderlich; an einem druckbehafteten Verteiler drückt die Hauptpumpe Wasser durch den Bypass und die Regelung wird instabil
• Bei langen Zuleitungen zwischen Verteiler und Mischventil reagiert die Schaltung träge

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

Beimischschaltung mit fester Vormischung (doppelte Beimischung)

Ist die Verteiltemperatur deutlich höher als die benötigte Vorlauftemperatur, arbeitet das Mischventil fast immer im Bereich kleiner Öffnungen und regelt schlecht. Dann wird zusätzlich ein fester Bypass mit Strangregulierventil vorgesehen, der bereits vor dem Ventil Rücklaufwasser beimischt. Als Faustformel gilt: Die feste Vormischung wird nötig, wenn

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

Typischer Fall ist eine Fußbodenheizung mit 35 °C Vorlauf an einem Kessel- oder Fernwärmeverteiler mit 70 °C und mehr.

Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil

Bei der Einspritzschaltung drückt die Hauptpumpe heißes Vorlaufwasser in den Verbraucherkreis. Eine Kurzschlussleitung zwischen Vorlauf und Rücklauf des Verbraucherkreises entkoppelt Haupt- und Verbraucherpumpe; über sie wird Rücklaufwasser beigemischt. In der Variante mit Dreiwegeventil sitzt das Ventil im Rücklauf, ein zweiter Bypass verbindet es mit dem Vorlauf.

Damit sind beide Volumenströme konstant: Im Verbraucherkreis sorgt die Verbraucherpumpe dafür, auf der Verteilerseite das Dreiwegeventil, das nicht benötigtes Vorlaufwasser direkt in den Rücklauf umlenkt. Weil heißes Wasser bis unmittelbar an den Verbraucherkreis zirkuliert, reagiert die Schaltung auch bei langen Zuleitungen schnell. Wie bei der Umlenkschaltung steigt aber die Rücklauftemperatur im Teillastbetrieb.

Vorteile:

• Kurze Reaktionszeit auch bei großen Entfernungen zwischen Verteiler und Verbraucher
• Konstanter Volumenstrom auf Erzeuger- und Verbraucherseite
• Gleichmäßige Temperaturverteilung über die Heizfläche, keine Einfriergefahr bei Lufterhitzern

Nachteile:

• Hohe Rücklauftemperaturen im Teillastbetrieb, ungeeignet für Fernwärme und Brennwerttechnik
• Zwei Pumpen und Differenzdruck am Verteiler erforderlich

Einsatzgebiete: Erzeuger, die einen konstanten Volumenstrom verlangen, weit verzweigte Verteilnetze mit langen Zuleitungen, Lufterhitzer mit Frostgefahr.

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

In der Variante mit Durchgangsventil fehlt der Bypass auf der Verteilerseite. Das Ventil im Rücklauf bestimmt, wie viel Vorlaufwasser in den Verbraucherkreis eingespritzt wird; die Kurzschlussleitung liefert den Rest des konstanten Verbrauchervolumenstroms als Rücklaufwasser.

Der Volumenstrom im Verbraucherkreis bleibt konstant, der Volumenstrom auf der Verteilerseite variiert mit der Ventilstellung. Da nur ausgekühltes Wasser zum Verteiler zurückfließt, sind die Rücklauftemperaturen niedrig. Der variable Volumenstrom auf der Verteilerseite erfordert eine drehzahlgeregelte Hauptpumpe, um den Differenzdruck stabil zu halten.

Vorteile:

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

Nachteile:

• Zwei Umwälzpumpen erforderlich (Haupt- und Verbraucherpumpe)
• Differenzdruck am Verteiler muss vorhanden sein

Einsatzgebiete: Fernwärmeanschlüsse (direkt und indirekt), Warmwasserbereitung, Fußbodenheizungen und Heizkörperkreise an druckbehafteten Verteilern, Systeme mit mehreren parallel betriebenen Heizgruppen.

Einspritzschaltung vs. Beimischschaltung

Beide Schaltungen regeln die Vorlauftemperatur bei konstantem Volumenstrom im Verbraucherkreis. Der Unterschied liegt im Verteiler:

• Druckloser Verteiler (hydraulische Weiche, Pufferspeicher): Beimischschaltung. Die Verbraucherpumpe saugt über das Mischventil an, eine Hauptpumpe mit Förderdruck auf den Heizkreis gibt es nicht.
• Verteiler mit Differenzdruck (Hauptpumpe, Fernwärmenetz): Einspritzschaltung. Die Kurzschlussleitung verhindert, dass Haupt- und Verbraucherpumpe gegeneinander arbeiten.

Innerhalb der Einspritzschaltung entscheidet die Rücklauftemperatur: Das Durchgangsventil liefert niedrige Rücklauftemperaturen und ist für Fernwärme, Brennwertkessel und Wärmepumpen die richtige Wahl. Das Dreiwegeventil ist nur sinnvoll, wenn der Erzeuger einen konstanten Volumenstrom braucht oder lange Zuleitungen eine schnelle Reaktion erfordern.

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: $P_V \geq 0{,}5$
• Durchgangsventile: $P_V \geq 0{,}3$, 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. Ein Wärmetauscher entfällt, 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. Einspritzschaltungen mit Durchgangsventil und Drosselschaltungen kommen hier besonders häufig zum Einsatz.

Der indirekte Anschluss trennt Netz und Gebäude hydraulisch über einen Wärmetauscher, typischerweise einen 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.

Auswahl der passenden Grundschaltung

• Niedrige Rücklauftemperatur gefordert (Fernwärme, Brennwertkessel, Wärmepumpe): Drosselschaltung, Beimischschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil.
• Druckloser Verteiler mit hydraulischer Weiche: Beimischschaltung, bei großem Temperaturunterschied mit fester Vormischung.
• Verteiler oder Netz mit Differenzdruck, konstanter Volumenstrom im Heizkreis: Einspritzschaltung mit Durchgangsventil.
• Erzeuger mit Mindestdurchfluss oder sehr lange Zuleitungen: Umlenkschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil, unter Inkaufnahme höherer Rücklauftemperaturen.
• Lufterhitzer mit Frostgefahr: Schaltung mit konstantem Volumenstrom im Verbraucherkreis (Beimisch- oder Einspritzschaltung).

Entscheidend für einen stabilen und energieeffizienten Betrieb ist in jedem Fall die korrekte Dimensionierung des Regelventils, vor allem die Einhaltung der Mindest-Ventilautorität. In VICUS Districts lassen sich die verschiedenen Grundschaltungen direkt im Netzmodell abbilden und ihr 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).
• Siemens Building Technologies: Hydraulik in der Gebäudetechnik (Grundlagendokumentation).
• DIN EN 12828 — Heizungsanlagen in Gebäuden — Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen