Teil 1 jetzt lesen

Wärmeverteilung Heiztechnik
Dynamischer Heizungsnetzabgleich
Armaturen, Berechnungsleichungen, Kriterien, Fallbeispiel, Optionen
Teil 1 - Einleitung, Temperaturregelventil
Die Kriterien für den hydraulischen Abgleich statischer Heizungsnetze werden erläutert. Dies sind die Bandbreite der Heizmittelversorgung, der Einstellaufwand für die statischen Armaturen, das geräuschfreie Teillastverhalten und das Überschreitungsmaß des linearen Temperatur-Regelbereichs. Der bei zu starkem Überschreiten
drohende Energieverlust in der Übergangsjahreszeit durch Dauerlüften wird analytisch begründet. Ein weiteres Kriterium ist die Fähigkeit des Heizkörper- und ggfs. des in Reihe geschalteten dynamischen Gruppenventils, den Heizmittelstrom zu erhöhen und somit
entstandene Raumauskühlungen kurzfristig wieder zu beheben. Auf
dieser Grundlage werden drei im Jahre 2006 fertiggestellte Netze
eines größeren Krankenhauses als Computermodell dargestellt und
mit Hilfe des Knoten-Iterationsverfahrens bei Volllast hydraulisch
abgeglichen und bei unterschiedlicher Teillast simuliert. Diverse
Aussagen von VOB, VDI-Richtlinie und VDMA-Einheitsblatt werden
aufgegriffen und rechnerisch nachgebildet.
ydraulischer Abgleich bedeutet in
erster Linie bedarfsgerechte Zuteilung des Heizmittels auf die Heizkörper
bei einem Maximum an Komfort und
Wirtschaftlichkeit. Mangelhaften Abgleich einer bestehenden Anlage erkennt man daran, dass in der Übergangsjahreszeit die eingestellte Vorlauftemperatur deutlich über der Raumtemperatur liegt. Sie ist angehoben worden,
weil einzelne Verbraucher am Strangende unterversorgt waren. Konsequenz
der Anhebung sind aber nun Geräuschemissionen. Eine Abhilfe besteht darin,
die Thermostatventile höher zu stellen.
H
Autoren
Prof. em. Bernhard Kunst, Werdegang:
TU Darmstadt, Allgemeiner Maschinenbau, Dipl.Ing.; M.A.N.-Konzern, verfahrenstechnischer Anlagenbau, Entwicklung; TH Köln, Professur für
Wärmeversorgung und Datenverarbeitung, Publikationen Berechung und Simulation von Rohrnetzen, Trinkwarmwasserspeicher, Brennwertkessel,
Blockheizkraftwerke. [email protected]
www.heizungsnetze.de
Dr.-Ing. .Johanna Zschocke, Werdegang:
RWTH Aachen, Technische Informatik, Zentralinstitut für Angewandte Mathematik FZ Jülich; Honeywell GmbH Haustechnik, Qualitätsmanagerin,
Beraterin für Qualitätsmanagement, Qualitätsingenieurin, Testingenieurin, Design Quality Engineer, Six Sigma Black Belt.
HLH Bd. 67 (2016) Nr. 1-Januar
Überheizungen werden dann per Fensterregelung abgefangen. Eine andere
Abhilfe ist, die Heizpumpe für die Dauer
der Übergangsjahreszeit niedriger zu
stellen.
Die nachfolgende Untersuchung ist
das Ergebnis einer Programmentwicklung und Parameterstudie an drei praxisnahen Fallbeispielen unterschiedlichen Netzkonzeptes. Es soll damit aufgezeigt werden, dass Heizungsnetze mit
geregelten Strang- und Heizkörper-Ventilen mit Hilfe des vorgestellten Verfahrens ohne Einschränkungen im Computer nachgebildet werden können.
Anwendungsfälle sind vor allem nachträgliche Optimierung und Neuplanung bei Erweiterung oder Umschluss
von Anlagen. Druckverlustarme Pressfitting-Technik, verbessert Dokumentation auf CAD-Basis und lückenlose Datenblätter für Armaturen und Heizkörper liefen dafür günstige Voraussetzungen. Die Untersuchung ist zugleich
Fortsetzung und Vertiefung, sowie in
Einzelheiten auch Richtigstellung einer
älteren Analyse zu dem Thema, siehe
[1].
Unter Armaturen sollen hier ausschließlich solche verstanden werden,
die am hydraulischen Abgleich beteiligt
sind. Darunter fallen zunächst die (statischen) Einstellarmaturen sowie darüber hinaus die statischen Strangventile
oder „statische SRV“. Im Gegensatz da-
zu stehen die geregelten Ventile. Als
„dynamische SRV“ regeln sie den Differenzdruck, als Heizkörper-Armaturen
TRV regeln sie die Raumtemperatur.
Zur Beschreibung der hydraulischen
Eigenschaften von Armaturen dient bekanntlich der Durchflussbeiwert kV. Er
ist traditionell definiert als Volumenstrom in m3/h eines inkompressiblen
Mediums der Dichte 1 kg/dm3 bei einer
Druckdifferenz von 1 bar. Die Strömung wird turbulent angenommen, so
dass die Gleichung von Darcy-Weisbach gilt. In der Schreibweise der Untersuchung lautet sie
Dp = z/2 (M/A)2/r
M ist der Massenstrom, z der Widerstandskoeffizient und A der Durchflussquerschnitt des Ventils. Der Durchflussbeiwert ergibt sich nach Trennen von
Auslegungs- und Betriebsdaten
kV = M/(rDp)1/2 = (2/z)1/2A
(1)
Er ist demnach gleich dem Querschnitt des Ventils beim Widerstandsbeiwert z = 2. Seine Dimension in SIEinheiten ist [kV]SI-Einheiten = (kg/s)/
(kg/m3ùPa)1/2 = m2. Im Rahmen eines numerischen Simulationsmodelles
steht somit der Anwendung von Gl. (1)
nichts im Wege. Die in der Praxis üblichen Größengleichungen, siehe VDI/
VDE-Richtlinie [5] oder VDMA-Einheitsblatt [3] verwenden die „alten Einheiten“ gemäß [kV]alte Einheiten = (m3/h)/
[bar/(kg/dm3)]1/2. Zur einfacheren Umrechnen von einer Definition in die andere empfiehlt sich die Beziehung
kV|alte Einheiten = 36000 kV|SI-Einheiten.
Der relative Durchflussbeiwert eines
Ventils oder einer statischen Einstallarmatur, hier mit Öffnungsgrad abgekürzt,
ist
F = kV/kVs
(2)
Anstelle des Hubverhältnisses soll hier
das Verhältnis von aktuellem Skalenwert
s, Einstellwinkel j oder Hub H zu den
Werten bei Vollöffnung smax, jmax bzw.
H100 mit der Bezeichnung Einstellgrad
s = s/smax verwendet werden. Die Öffnungskennlinie der Armatur ist dann
17
Heiztechnik Wärmeverteilung
KennliniekV(ʔ~,ȴt)
0,9
TRV
0,7
ĳ~=6
0,6
kV'
0,5
ĳ~=5
0,4
ĳ~=4
0,3
ĳ~=3
0,2
ĳ~=2
0,1
ĳ~=1
0
1,6
Nachregelungsfaktor fn
kV1
Nachregelungsfaktor aus WTD (Bilanz Heizkörper-Raum)
0,8
1,4
1,2
1
0,8
0,6
14
1
2
3
4
5
Regeldifferenz ǻt {K}
6
16
18
Bild 1a
F = f(s). Der Einstellgrad von Reglern
wird zur Unterscheidung mit s ~ bezeichnet.
Temperaturregelventil TRV
Das TRV regelt den Massenstrom M,
der wiederum die geforderte Raumtemperatur sicherstellt. Das im Fallbeispiel
verwendete Heizkörperventil Heimeier
V-exakt-1 besteht aus dem eigentlichen
Temperaturregelventil TRV und der statischen Armatur, der sog. Voreinstellung.
Regelverhalten bei Lüftungsminimalverlust
Nimmt man die Eigenschaften des Gebäudes als unveränderlich an, ist der
Verlust durch Lüftung eine veränderliche Größe. Die DIN/EN 12831 [6] definiert einen Lüftungsminimalverlust, zu
erzielen z. B. durch Stoßlüftung. In der
kalten Jahreszeit sorgt allein schon die
rasche Abkühlung der Raumtemperatur, dass hiervon sparsamerer Gebrauch
gemacht wird.
Bild 1a ist eine gängige Darstellung
des TRV-Kennlinienfeldes. Über der
Temperaturregldiffenz Dt ist für unterschiedliche Voreinstellungen j~ = 1…6
der resultierende Durchflussbeiwert kV1
aus Voreinstellung und TRV aufgetragen. Die oberste Einzelkennlinie findet
sich nicht explizit in den technischen
Daten, sie muss daher indirekt ermittelt
werden. Sie wird erwartungsgemäß
oberhalb der Kennlinie j~ = 6 verlaufen.
Der Schnittpunkt der (gepunkteten)
Grenzlinien für Dt = 2 K und TRV fällt
i.d.R. mit dem Ende des linearen Regelbereichs zusammen, s. a. [3]. Das wenig
übersichtliche Kennlinienfeld regt an,
strukturierte Gesetzmäßigkeiten abzuleiten, um daraus einfache Bewertungskriterien zu gewinnen.
In Anlehnung an allgemeine Standards der Ventiltechnik bietet sich an,
von ca. 90 % Regelbereich auszugehen.
Im vorliegenden Fall erhält man plausible Ergebnisse für kV1min ≈ 0,1 und
kV1max ≈ 0,9 als Grenzen des Regelbereichs.
Bei dem hier zugrunde liegenden Regelventil TRV sind die Bereiche „Öffnen“ kV1 > kV1* und „Schließen“
kV1 <kV1* etwa gleich groß. Die Kennlinie ist also symmetrisch. Den „Auslegungszustand“ kV1* findet man dann
durch quadratische Interpolation. Bei
turbulenter Strömung gilt die Proportionalität Dp1 ~ M2. Somit wird kV1* =
(kV1untenùkV1oben)1/2 = 0,3. Der Regelbereich, s. gestrichelte Linien der Grenzen
„min“ und „max“, umfasst dann
Vereinbarungen
18
22
24
26
28
30
32
Bild 1b
TRV-Durchflussbeiwert kV1 abhängig von Temperatur-Regeldifferenz Dt und Einstellwinkel j~
Bedingte Dauerlüftung
Dynamischer Abgleich
Statischer Abgleich
Unterkritisches Netz
Überkritisches Netz
Verstärkungsverhältnis
20
Temperaturspreizung ǻt {K}
Dauerlüftung in der Übergangsjahreszeit
Selbsttätiges Regeln der dynamischen SRV
manuelles Einstellen der statischen Armaturen
Netz mit Druckverlusten unter 20kPa
Netz mit Druckverlusten über 20kPa
rel. Zunahme des Heizmittels bei Stoßlüftung
Erforderlicher Nachregelungsfaktor F1 infolge
netzbedingter Druckdifferenz Dp1, dargestellt
durch die zu erwartende Temperaturspeizung
bei Temperaturpaarung Dt
kV1/kV1* = 1/3…3 = 0,33…3
Gemäß (1) ist der Differenzdruck bei
Auslegung
Dp1* = (Msoll /kV1*)2/r
(1a)
Der betriebsbedingte Differenzdruck
Dp1 am TRV hängt jedoch von der Förderhöhe der Heiznetzpumpe oder ersatzweise von der Druckspreizung des
Bereichsventils ab. Ebenfalls gemäß Gl.
(1) ist dann
kV1 = Msoll /(Dp1/r) 1/2
(1b)
Um Dp1 zu kompensieren muss also
das Thermostatventil entsprechend
reagieren. Aus Gl. (1a) und (1b) folgt
dann der Faktor, um den das Ventil
nachregeln muss. Er ist definiert wie der
Öffnungsgrad, wenn auch mit veränderter Bezugsgröße,
F1 = kV1/kV1*
(2)
In Bild 1b sei angenommen, dass bei
Dt* = 20 K der Sollstrom M = Msoll fließt
und die Auslegungsdruckdifferenz Dp1 =
Dp1* am TRV ansteht. Gleichzeitig befinden sich auch das TRV im Auslegungszustand kV1 = kV1*, d. h. F1 = 1.
Im Betrieb kann jedoch Dp1 > Dp1* werden. Um den dadurch erzwungenen
Anstieg M > Msoll zu kompensieren,
muss das TRV „schließen“. Der Nachregelungsfaktor ist dann F1 < 1, siehe rote
Kurve.
HLH Bd. 67 (2016) Nr. 1-Januar
Wärmeverteilung Heiztechnik
Symbole
ÜberͲ ͲͲͲ><ͲͲͲ Unterversorgung
"Schließen"ͲͲͲ><ͲͲͲ "Öffnen"
aV
TRV-Ventilautorität
H
Pumpenförderhöhe
h
Hub
kV
Durchﬂussbeiwert
kVs
Durchﬂussbeiwert bei Vollöffnung
M
Massenstrom
p
Druck
Q
Wärmeleistung
s
Skalenwert
t
Temperatur
Δp
Druckdifferenz (in Strömungsrichtung) oder
Druckspreizung (zwischen Vor- und Rücklauf)
Δt
Temperaturdifferenz (in Strömungsrichtung) oder
Temperaturspreizung (zwischen Vor- und Rücklauf)
Bild 1c
μ
wirksame Kennlinie des TRV
Wirksame TRV-Kennlinie
ρ
Fluiddichte
Einstellgrad s/smax, h/hmax, ϕ/ϕmax
Öffnungsgrad kV/kVs (Ventil oder statische Armatur)
Φ1
Öffnungsgrad kV1/kV1* (TRV)
ϕ
Einstellwinkel
Subindices
0
Heizstrang- bzw. Heizkreis-Druckspreizung betreffend
1
TRV betreffend
2
Ventil oder statische Armatur betreffend
_
restliche Komponenten betreffend
a
außen
i
innen
j
lfd. Nr.
k
konstante Widerstände betreffend
N
Zustand bei Normbedingungen (ta = –10 °C)
Hochindices
‚
Vorlauf
„
Rücklauf
wirksame Kenninie ȝ(ĭ1)
2
1
Unterversorgung "Öffnen"
Auslegung
Überversorgung "Schließen"
0
0
1
"oben"
linearer
3
"max"
Regel-Bereich
1,0
0,8
0,6
Auslegung
0,4
0,2
ȝ*(ĭ1*)
"unten"
"min"
0,0
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
TRV-Öffnungsgrad ĭ1* bei Mangelangebot
Bild 1d
Wirksame TRV-Kennlinie μ*(F1*) bei „Öffnen“ nach Substitution
(2). Parameter der
*
TRV-Auslegungszustand
Ordinate sind die
~
Druckspreizungs-Sollwert des dynamischen SRV
theoretische KennKennzeichnungen
linie (strichpunk[ ]
gruppenspeziﬁsch
tiert) und die wirk{ }
trassen- oder bereichsspeziﬁsch
same (rot oder
blau).
Abkürzungen
Im
(nichtlineaHmV
Heizmittelversorgung
ren)
ÜberversorHK
Heizkörper
gungsbereich links
RLV
Rücklaufverschraubung
von der gepunkteSRV
statisches oder dynamisches Strangventil
ten
Grenzgerade
TRV
Temperaturregelventil (Thermostatventil)
„unten“
verhält
sich das TRV instaWT
Wärmeübertrager
bil, d. h. wie ein
Entsprechendes spielt sich ab bei
Zwei-Punkt-Regler. Die RaumtemperaDp1 > Dp1*, das TRV muss dann „öfftur schwankt perio-disch. Die Nutzer
nen“, es wird F1 > 1, s. blaue Kurve.
des Raumes versuchen, die SchwankunBild 1c zeigt die verallgemeinerte
gen auszugleichen durch Öffnen der
Kennlinie eines TRV mit symmetrischer
Fenster, wenn es zu warm wird, und
Charakteristik. Parameter der Abszisse
durch Höherstellen der Heizung, wenn
ist der Nachregelungsfaktor nach Gl.
es zu kalt wird, was jedoch die Schwan-
HLH Bd. 67 (2016) Nr. 1-Januar
2
TRV-Öffnungsgrad ĭ1
"min" "unten"
Regel- linearer
wirksame Regelkennlinie ȝ*(ĭ1*)
σ
Φ
3
kungen weiter verstärkt. Dies führt unmittelbar zu erhöhtem Energieverbrauch. Im (nichtlinearen) Unterversorgungsbereich rechts von der gepunkteten Grenzgerade „oben“ erreicht der
Raum die Solltemperatur nicht mehr,
weil trotz voll geöffneten Ventils der dazu erforderliche Massenstrom nicht zur
Verfügung steht. Als Abhilfe wird die
Heizkurve angehoben. Mittelbar bewirkt auch dies erhöhten Energieverbrauch.
Der linearere Regelbereich liegt zwischen den Grenzgeraden „unten“ und
„oben“, s. gestrichelte Linien. Dessen
Grenzen 1/√3 < F1 < √3 sind hier durch
quadratische Interpolation gewonnen.
Der Nenn-Durchflussbeiwert des TRV
beschreibt definitionsgemäß den Beiwert bei der Regeldifferenz Dt = 2 K. Er
sollte zugleich zusammenfallen mit
dem Ende des linearen Teils im Bereich
„Öffnen“, s. Bild 1a. Danach ist im vor-
19
Heiztechnik Wärmeverteilung
Komfort-Dauerlüftung mit V-exakt-1
200
Literatur
[1] Kunst, B.; Cousin, R.: Hydraulischer Abgleich nach
dem Simultanverfahren. HLH Bd. 63 (2012) Nr. 10, S.
21-27.
[2] VDI/VDE 2173: Strömungstechnische Kenngrößen
von Stellventilen und deren Bestimmung (2007).
[3] VDMA-Einheitsblatt 24199: Regelungstechnische Anforderungen an die Hydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte-, Trinkwarmwasser- und
Raumluft-technischen Anlagen (2005).
[4] DIN/EN 12831: Heizungsanlagen in Gebäuden : Verfahren zur Berechnung der Normheizlast (2003).
[5] VDI-Richtlinie 2073(2): Hydraulik in Anlagen der
Technischen Gebäudeausrüstung, Hydraulischer Abgleich, (2012).
[6] VOB/DIN 18380: Vergabe- und Vertragsordnung: Allgemeine technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen, Heizanlagen und zentrale Wassererwärmungsanlagen ( 2012 ).
Sollwertüberschreitung
des Massenstromes bei
bedingter Dauerlüftung
kVs2/kV1*=1,55;
kV1max/ kV1* = 3
Regelverhalten
bei bedingter
Dauerlüftung
M/Msoll {%}
liegenden Fall kVnenn = 0,3ù1,73 = 0,52.
Die „wirksame Kennlinie“ m(F1) besteht ebenfalls aus den Bereichen
„Schließen“ (rot) sowie „Öffnen“
(blau). Ansatzweise wird sie hier mit
m(F1) = 1 + (F1-1)/[1 ± F1(-1)/2] angenommen. Die Differenz des wirksamen
und des theoretischen Stromes lässt
sich auch als Kurzschlussstrom auffassen, der zur Anhebung der mittleren
HK-Übertemperatur führt.
Zur einfacheren Auswertung der Ergebnisse soll bei „Öffnen“ der TRV-Öffnungsgrad durch F1* = –1/F1 substituiert werden. Der lineare Regelbereich ist
dann –1 < F1* < –0,58, s. Bild 1d. Der lineare Regelbereich und die wirksame
Regelkennlinie sind dann resp. -1>F1* <
-0,58 und m*(F1*) = –1/m(F1).
ĭ1="unten"
ĭ1="min"
ĭ2= 100 %
ĭ2= 50 %
ĭ2= 20 %
ĭ2= 10 %
Auslegung
Bild 1e
150
100
30
40
Bei Temperaturen
der Übergangsjahreszeit können in
üblichen Wohngebäuden bedeutende
Energieverluste durch Dauerlüften entstehen. Bei diesen Temperaturen liegen
HK-Wärmeabgabe und Lüftungsverluste nahe beieinander. So besteht wenig
Anreiz, die Fenster zu schließen. Das
Heizmittel strömt im Kurzschluss vom
Vor- in den Rücklauf. Der Anstieg der
HK-Übertemperatur bewirkt zusätzliche
Verluste. Gleichzeitig gehören diese
Temperaturen in unseren Breiten statistisch zu den häufigsten. Klinikgebäude
werden allerdings in der Regel mit einer
Lüftungsgrundlast betrieben, dennoch
ist das Thema auch hier von grundsätzlichem Interesse.
Bei Minimallüftung lautet die Durchflussgleichung der Armatur
Msoll 2 = rDp0 /[(1/kV1)2 + (1/kV2)2] (1c)
und bei bedingter Dauerlüftung, also
bei voll geöffnetem TRV,
M2 = rDp0/[(1/kV1max)2 + (1/kV2)2]
(1d)
50
60
70
ĭ1= kV1/kV1*
80
90
100
{%}
Nach Verhältnisbildung von Gl. (1c)
und (1d), Substituieren durch (2a) und
F2 = kV2/KVs2 sowie Annahme, dass
rDp0 = konst bleibt, wird
(M / Msoll )2 =
=
(3)
(
) (Φ / Φ )
/ kV ) ⎡⎢Φ / (kV
/ kV ) ⎤⎥
⎣
⎦
1 + kVs2 / kV1*
(
1 + kVs2
*
1
2
2
2
1
2
2
1max
*
1
Gl. (3) ist in Bild 1e veranschaulicht.
Die Verluste sind, wie zu erwarten, am
geringsten im linearen Bereich, also bei
F1 > 58 %. Zusätzlich zeigt sich aber
auch, dass sie kleiner werden durch statischen Abgleich, also wenn F2 < 100 %
ist.
Hinzu kommt, dass bei M/Msoll >>
100 %, die Annahme Dp0 = konst nicht
mehr zutrifft. Netzpumpe bzw. zuständiges Bereichsventil müssen höher eingestellt werden, so dass M/Msoll weiter
ansteigt.
Wird fortgesetzt in HLH 2/2016
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