Automatisch thermisch regulierende Zirkulationsventile in Reihe installieren

Schema Zirkulation

Der hydraulische Abgleich von Zirkulationsleitungen fordert, dass jeder Fließweg hydraulisch reguliert wird. 

Diese Forderung stand schon im DVGW Arbeitsblatt W553 von 1998, somit eine allgemein anerkannte Regel der Technik. 

Im Laufe der Jahre haben sich dann automatisch thermisch regulierende Zirkulationsventile am Markt etabliert. Das gute an diesen Ventilen ist, dass diese normalerweise nicht verstellt werden müssen, da diese doch voreingestellt sind. 

Im Zuge der Trinkwasserhygiene wurde die Forderung an Zirkulationsanlagen gestellt, dass in Sonderbauten, wie Hotels und Krankenhäuser, bis kurz vor die Entnahmestelle zu zirkulieren ist. Diese zusätzlichen Fließwege müssen ebenso hydraulisch abgeglichen werden. 

Hierzu werden entsprechende Stockwerksregulierventile verwendet, welche meist automatisch thermisch regulierende Ventile sind. 

Wie arbeitet ein automatisch thermisches Zirkulationsventil? 

Die Antwort auf diese Frage ist wichtig, um später dann die Ausgangsfrage beantworten zu können. Die Arbeitsweise der Ventile regelt sich über die Temperatur welche im Medium (Warmwasserzirkulation) herrscht. Die Ventile besitzen ein Dehnstoffelement, welches sich mit zunehmender Temperatur ausdehnt und somit den Ventilsitz schließt. Damit die Ventile arbeiten können, schließen diese nicht zu hundertprozent, den sie sollen den Fließweg auf Temperatur halten. Die Ventilstellung nennt sich kvmin und stellt den niedrigsten Durchfluss in dieser Stellung dar. 

Den größten Durchfluss (kvmax) besitzen diese Ventile, solange die Regeltemperatur nicht erreicht ist. Bei erreichen der voreingestellten Temperatur reguliert das Ventil ab und erreicht den Mindestvolumenstrom. 

Somit ergibt sich eine Regelcharakteristik die der unten abgebildeten Kurve entspricht. 

Hier gibt es zwischen Strang- und Stockwerksregulierventilen keinen Unterschied, sofern es automatische Ventile sind. 

Diese oben beschriebene Arbeitsweise der Ventile brauchen wir später nochmals um die Reihenschaltung der Ventile genauer zu betrachten. 

Reihenschaltung von automatisch thermischen Regulierventilen

Das nebenstehende Beispiel zeigt eine Installation des Warmwassers mit Zirkulation, welche häufig in Hotels, Seniorenwohnheimen und Krankenhäuser angetroffen werden kann. 

In unserem Beispiel ist sowohl im Strang und in den Abgängen zu den Nasszellen ein automatisch thermisch regulierendes Zirkulationsventil verbaut. Es soll vorweg genommen werden, dass einige Hersteller in ihren Einbau- und Bedienungsanleitungen dies als nicht zulässig betrachten. Somit könnte an dieser Stelle der Beitrag enden, da aber die Hinweise nicht immer (von allen Herstellern) gegeben werden, soll dieses Beispiel erläutert werden. 

Es kann durchaus vorkommen das rechnerisch das Beispiel funktioniert, jedoch wird es in der Praxis regelmäßig zu Problemen führen. Weshalb das so ist betrachten wir anhand des unten eingefügten Schalt- oder Prinzipschemas. 

Schaltschema Reihenschaltung thermische Ventile 

Abbildung 3—Prinzipschema Reihenschaltung Zirkulationsventile

Dass Schema zeigt eine Prinzipdarstellung einer Warmwasserbereitung mit Zirkulation bis zur Entnahmestelle. 

Betrachten wir im folgenden jetzt den Strang S3. 

Durch die Zirkulationspumpe wird ein Volumenstrom zur Verfügung gestellt, welcher dazu dient die Auskühlung des Zirkulationssystems im Rahmen des DVGW Arbeitsblatts W551 zu halten. Nach der DIN 1988-200 und dem Arbeitsblatt DVGW W551 darf die Temperatur im gesamten System nicht mehr als 5 Kelvin von der Ausgangstemperatur des Warmwassererzeugers sinken. 

Es stellen sich also Systemtemperaturen von 60/55 °C in der Warmwasserversorgung ein. Dies ist die Aufgabe der Zirkulation, die Auskühlung und den Wärmeverlust zu decken. 

Mit erreichen der voreingestellten Temperatur wird das Ventil (V1) schließen und den Volumenstrom von kvmin erreichen. Dieselbe Situation wird sich an den Ventilen (V2+V3) einstellen. 

Wir erreichen am Ventil 4 einen Volumenstrom der 3 x kvmin der Regulierventile ist. Ob dieser kvmin für dieses Ventil ausreichend ist, hängt an dem Typ und der Dimension des Bauteils. Im Normalfall wird das Ventil 4 eine Dimension größer sein, als die Ventile 1-3. Daraus lässt sich schließen: 

Wenn jetzt der kvmin der Ventile 1-3 so groß ist, wie der kvmin des Ventils 4, wird die Anlage funktionieren. 

Sollte jedoch der kvmin der Ventile 1-3 kleiner sein als der Mindestvolumenstrom (kvmin) des Ventils 4, wird dies immer in geöffneter Stellung sein. 

Selbstverständlich ist die Abkühlung der einzelnen Fließwege mit entscheidend, denn kühlt der Zirkulationsvolumenstrom zu stark aus, wird auch bei erreichen des kvmin des Ventils 4, dieses Ventil nicht arbeiten. 

Je nach Volumenströmen der Ventile 1-3 wird sich in dem Gesamtsystem ein hydraulisches Ungleichgewicht einstellen. Denn die Pumpen nahen Stränge werden einen höheren Volumenstrom erhalten als die weiter entfernten Ventile. Was wiederum dazu führt, dass die entfernten Ventile im Netz nicht arbeiten und die angestrebte Zirkulation bis in die Nasszelle nicht funktionieren kann. 

Kompensieren kann man dies hierdurch das an der Zirkulationspumpe ein deutlicher erhöhter Volumenstrom eingestellt wird. Dies erfordert jedoch einen erhöhten Energiebedarf und ist in vielen Fällen auch nicht ausreichend, da es dann zur Geräuschbildung kommen kann. Weiterhin wird mit erhöhen des Volumenstroms eventuell der notwendige Differenzdruck, welcher notwendig ist um die Zirkulationsrohrleitungsverluste zu kompensieren nicht mehr ausreichen. Der Faktor beläuft sich auf ca. 1,2 bis 3 des berechneten Volumenstroms. 

Was kann getan werden, wenn eine Installation so gebaut wurde? 

Hier gibt es grundlegend nur eine Möglichkeit. Die Ventile (in unserem Beispiel 4,8 und 12) sind auszutauschen und gegen voreinstellbare, sogenannte statische Ventile auszutauschen. 

Der Gesamtvolumenstrom wird verringert und hierdurch reduzieren sich die Energiekosten für den Aufwand an Energie der Zirkulation. Weiterhin wird sich an jeder Entnahmestelle die erforderliche Temperatur einstellen. 

In diesem Beispiel reden wir von ca. 4700 kWh, was eine ungefähre Einsparung von 1000.-€ pro Jahr bringen wird, wenn für die Kilowattstunde ein Energiepreis von 25 Cent angenommen wird. 

Fazit

Rechnerisch möglich heißt durchaus nicht in der Praxis sinnvoll. Automatisch thermisch regulierende Zirkulationsventile in Reihe zu schalten, bedeutet einen erhöhten Volumenstrom und wird in der Praxis selten die erwartenden Ergebnisse bieten. 

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