Die Hydraulische Weiche

Inhalt Heizanlagen Hydraulischer Abgleich Funktionsweise/Aufbau Dimensionierung Überprüfung nach Turbulenzen Probleme in der Praxis

Heizanlagen Wärmeerzeuger Wärmeverteilung Wärmeübergabe Gaskessel Ölkessel Leitungssystem Vorlauf Rücklauf Pumpen Ventile Verteiler Heizkörper Wärmetauscher Fußbodenheizung

Hydraulischer Abgleich Ermittlung Norm-Heizlast nach DIN EN 12831 Festlegung der Temperaturspreizung Überprüfen/Auslegung der Heizflächen Watt-Zahl maßgebend, nicht die Größe!

Hydraulischer Abgleich Ermittlung der Volumenströme Überprüfung/Dimensionierung des Rohrnetzes Wahl der Pumpen Einstellung der Ventile/Pumpen (Regelung)

Heizanlage Hydraulischer Abgleich erforderlich Hoher Regelaufwand Ohne Abgleich Ungleichmäßige Wärmeverteilung Mehrverbrauch durch Überversorgung Geräuschbelästigung Takten des Kessels

Heizanlage mit Weiche Regelung wird einfacher Umwälzpumpe muss ausgelegt werden Pumpen für sämtliche Verbraucher notwendig

Aufbau Verbindung Vor- und Rücklauf Großer Innendurchmesser Entkopplung der Erzeuger von Verbrauchern Bildung einer Temperaturschichtung

Primärkreislauf Sekundärkreislauf I Sekundärkreislauf II

Betriebszustand I Optimaler Betrieb der Anlage Allgemein gilt für diesen Fall: 𝑉 𝑃 = 𝑉 𝑆 [Volumenstrom l/s] 𝑇 1 = 𝑇 3 [Temperatur °C] 𝑇 2 = 𝑇 4 [Temperatur °C] 𝑄 𝑃 = 𝑄 𝑆 [Wärmestrom W]

Betriebszustand II Gründe: Allgemein gilt für diesen Fall: Überdimensionierte Primärpumpen Unterdimensionierte Sekundärpumpen Allgemein gilt für diesen Fall: 𝑉 𝑃 > 𝑉 𝑆 [Volumenstrom l/s] 𝑇 1 = 𝑇 3 [Temperatur °C] 𝑇 2 > 𝑇 4 [Temperatur °C] 𝑄 𝑃 = 𝑄 𝑆 [Wärmestrom W]

Betriebszustand III Gründe: Allgemein gilt für diesen Fall: Unterdimensionierte Primärpumpen Überdimensionierte Sekundärpumpen Allgemein gilt für diesen Fall: 𝑉 𝑃 < 𝑉 𝑆 [Volumenstrom l/s] 𝑇 1 > 𝑇 3 [Temperatur °C] 𝑇 2 = 𝑇 4 [Temperatur °C] 𝑄 𝑃 = 𝑄 𝑆 [Wärmestrom W]

Bauformen Rund-Weiche Kompakt-Weiche Höhere Betriebsdrücke möglich Langer Weg zwischen Primär- und Sekundärseite

Dimensionierung einer Hydraulischen Weiche Gewährleistung optimaler Funktionalität An bestimmte konstruktive Anforderungen genügend Laminare (beruhigte) Strömungsverhältnisse auch unter Volllast Mittlere Fließgeschwindigkeit maximal 0,2 m/s

Fehlerquellen der Dimensionierung Unterdimensionierte Weiche: Zu hohe Fließgeschwindigkeit Turbulenzen Durchmischung der Temperaturphasen Abkühlung des Vorlaufs Überdimensionierte Weiche: Physikalisch nie negativ Fließgeschwindigkeiten stets < 2 m/s

Effizienzverluste in der Weiche Näherungsweise Berechnung des Druckverlustes Darcy-Weisbach-Gleichung ∆𝑝= 𝜌∙𝑢² 2 ∙(𝜆∙ 𝑙 𝑑 +∑𝜍𝑖) Bei laminarer Strömung vernachlässigbar gering Geringer Effizienzverlust Beispiel zwecks genauerer Betrachtung

Beispiel einer Auslegung Rechenbeispiel am fiktiven Einfamilienhaus Wohnfläche 130 m² Fußbodenheizung Heizkörper Durchlauferhitzer Kalkulation des Wärmebedarfs Nennwärmeleistung: Heizleistung 70 W/m² Warmwasserleistung + ca. 30 % 

Berechnung Nennwärmeleistung Nennheizleistung 130 𝑚 2 ∙70 𝑊 𝑚 2 ∙1,3=6825 𝑊 Nennheizleistung Übliche Heizleistung mit Trinkwassererwärmung: 15 𝑘𝑊

Parameter Primärkreis (Erzeuger) Sekundärkreis(Verbr.) 𝑄 𝑃 =15000𝑊 𝑄 𝑃 =15000𝑊 Temperaturspreizung 𝜃=20𝐾 Sekundärkreis(Verbr.) 𝑄 𝑆 =6825𝑊 Temperaturspreizung 𝜃=10𝐾 Maximale Fließgeschwindigkeiten: In der hydraulischen Weiche 0,2 m/s Im Kellerbereich 0,7 m/s Im Strangbereich 0,5 m/s Im Wohnbereich 0,3 m/s

Fließgeschwindigkeit Primärkreis 𝑄 = 𝑚 ∙𝑐∙∆𝑇 𝑄 [𝑊] Wärmestrom 𝑚 [ 𝑘𝑔 ℎ ] Massestrom 𝑐 𝑊ℎ 𝑘𝑔𝐾 spez. Wärmekapazität ∆𝑇 [𝐾] Temperaturdifferenz 𝑉 =𝐴∙𝑣 𝑉 [ 𝑚³ 𝑠 ] Volumenstrom 𝐴 [𝑚²] Querschnitt 𝑣 [ 𝑚 𝑠 ] Fließgeschwindikeit 𝑐 von Wasser 4184 𝐽 𝑘𝑔𝐾 ⇒ 1,162 𝑊ℎ 𝑘𝑔𝐾 𝑚 = 15000𝑊 1,162 𝑊ℎ 𝑘𝑔𝐾 ∙20𝐾 =645 𝑘𝑔 ℎ ≈ 650 𝑙 ℎ =1,81∙ 10 −4 𝑚 3 𝑠 = 𝑉 Bei 3 4 " 𝑣= 1,81∙ 10 −4 𝑚³ 𝑠 3,664∙ 10 −4 𝑚² =0,49 𝑚 𝑠 <0,7 𝑚 𝑠

Fließgeschwindigkeit Sekundärkreis 𝑚 = 6825𝑊 1,162 𝑊ℎ 𝑘𝑔𝐾 ∙10𝐾 =587 𝑘𝑔 ℎ ≈ 590 𝑙 ℎ =1,64∙ 10 −4 𝑚 3 𝑠 = 𝑉 Bei 3 4 " 𝑣= 1,64∙ 10 −4 𝑚³ 𝑠 3,664∙ 10 −4 𝑚² =0,45 𝑚 𝑠 <0,5 𝑚 𝑠

Fließgeschwindigkeit Hydraulische Weiche → Maximaler Massestrom ist zu wählen! 𝑚 =645 𝑘𝑔 ℎ ≈ 650 𝑙 ℎ =1,81∙ 10 −4 𝑚³ 𝑠 Bei 1 1 4 " 𝑣= 1,81∙ 10 −4 𝑚³ 𝑠 10,122∙ 10 −4 𝑚² =0,18 𝑚 𝑠 <0,2 𝑚 𝑠 Hydraulische Weiche ist mit mindestens DN 32 (1 1 4 “) zu bauen!

Turbulenzen mit Reynolds 𝜗= 𝜂 𝜌 = 5,471∙ 10 8 𝑘𝑔 𝑚∙𝑠 988,03 𝑘𝑔 𝑚³ =5,537∙ 10 −7 𝑚² 𝑠 𝐷ℎ= 4∙𝐴 𝑈 = 4∙10,122∙ 10 −4 𝑚² 𝜋∙0,359𝑚 =3,59∙ 10 −3 𝑚 𝑅𝑒= 𝑣𝑚∙𝐷ℎ 𝜗 = 0,18 𝑚 𝑠 ∙3,59∙ 10 −3 𝑚 5,537∙ 10 −7 𝑚² 𝑠 =1167 <𝑅𝑒𝑘𝑟𝑖𝑡=2200 ⇒ Laminare Strömung!

Probleme in der Praxis Fall 1: Primärkreispumpe unterdimensioniert Erzeugerseite fährt Volllast Taktung Höherer Bedarf im Sekundärkreislauf wird durch Rücklauf „aufgefüllt“ Verbraucherseite heizt nicht richtig auf Fall 2: Primärkreispumpe vergessen Kesselanlage heizt auf Abnehmerseite bleibt unberührt Kurzschlussstrecke zwischen Abnehmervorlauf und Rücklauf

Fazit Hydraulische Entkopplung Konstante Durchflussmenge Sanfte Regelung hoher Wirkungsgrad geringe Emissionen Hohe Leistung der Verbraucher Geringe, preiswerte Regelung Entschlammung Luftabscheider

Quellen http://www.ikz.de/1996-2005/1996/06/9606028.php http://www.sinusverteiler.com/files/ausgleich_von_last_und_leistung_01.pdf https://de.wikipedia.org/wiki/Viskosit%C3%A4t http://www.bosy-online.de/Hydraulische_Weiche.htm http://www.vaillant.de/Heizung-finden/Heizung-im- Neubau/article/Wie_hoch_ist_mein_Waermebedarf.html http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/planungshandbuecher/fussbo denheizung/FBH_Handbuch_0409_Druckversion_opt.pdf Seite 6 http://www.sinusverteiler.com/4-0-Hydraulische+Weichen.html http://www.buderus.de/sixcms/media.php/1141/die_richtige_dimensionierung_06052 00302.pdf http://www.gentner.de/Gentner.dll/SBZm-2008-07-s20-23-0717- heizung_MjA2NDc4.PDF http://www.maschinenbau-wissen.de/skript/fluidtechnik/hydraulik/70-reynoldszahl

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