DE102016100883B4

DE102016100883B4 - Vorrichtung und Verfahren zum hydraulischen Abgleich

Info

Publication number: DE102016100883B4
Application number: DE102016100883.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: DE102016100883C5; EP3203155A1; DE102016100883A1

Abstract

Vorrichtung zum hydraulischen Abgleich von Heizkörpern oder Heizkreisen von Flächenheizungen einer Warmwasser-Heizanlage mit einem Massenstromsensor, der in den Vorlauf (12) oder in den Rücklauf (13) der Heizkörper (10) oder Heizkreise einbaubar ist und mit einem voreinstellbaren Thermostatventil (11) im Vorlauf und/oder einer Rücklaufdrossel (15), mit denen der Durchflusswiderstand jedes Heizkörpers (10) derart einstellbar ist, dass die Rücklauftemperaturen aller Heizkörper (10) und/oder Heizkreise im Kondensationstemperaturbereich eines Brenners der Heizanlage liegen.

Description

Geänderte Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum hydraulischen Abgleich von Heizkörpern oder Heizkreisen von Flächenheizungen einer Warmwasser-Heizanlage.
Mit einem hydraulischen Abgleich einer Heizanlage soll erreicht werden, dass bei einer gegebenen Vorlauftemperatur der Heizanlage jeder Raum des Gebäudes mit der zuvor errechneten Wärmemenge über den dort installierten Heizkörper oder die dort installierte Flächenheizung versorgt wird. Wenn ein solcher hydraulischer Abgleich nicht durchgeführt wird, so werden diejenigen Heizkörper oder Heizkreise, die sich dichter an der Pumpe der Heizungsanlage befinden, stärker erwärmt als die weiter entfernt liegenden Heizkörper oder Heizkreise. Damit lassen sich die Heizkörper oder Heizkreise in den weiter entfernt liegenden Räumen nur schlecht regeln. Es kann auch dazu kommen, dass diese Räume überhaupt nicht mit ausreichend Wärme versorgt werden können.
Außerdem ist die Rücklauftemperatur relativ hoch, da der Rücklauf der gesamten Heizungsanlage in erster Linie aus dem Rücklaufwasser des ersten Heizkörpers besteht. Ein zu heißer Rücklauf kann dazu führen, dass die Pumpe oder der Brenner der Heizungsanlage vorzeitig abgeschaltet werden.
Ein hydraulischer Abgleich wird bisher in erster Linie durch eine Voreinstellung von Thermostatventilen zur Durchflussbegrenzung an den Heizkörpern oder an den Heizkreisen vorgenommen. Der hydraulische Abgleich lässt sich auch über Rücklaufdrosselventile oder mit Hilfe von druckgeregelten Vorlaufpumpen erzielen.
Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die Einstellungen an den Heizkörpern oder Heizkreisen entsprechend der gewünschten Wärmemenge für den zu heizenden Raum umständlich aus Diagrammen der Hersteller der Ventile oder Pumpen entnommen werden müssen. Außerdem ist mit den bekannten Verfahren eine Überprüfung der tatsächlichen Durchflussverhältnisse an den einzelnen Heizkörpern oder Heizkreisen nicht möglich.
Aus der DE 10 2008 049 619 A1 ist ein Heizsystem bekannt, bei dem der Volumenstrom jedes Heizkörpers gemessen und auf einen Sollwert geregelt wird, sodass ein zulässiger Maximalwert nicht überschritten wird.
Die DE 41 32 752 A1 beschreibt eine Heizungsanlage mit Strömungssensoren, mit deren Hilfe ein Schließen eines Heizkörperventils detektiert werden kann. Die Pumpleistung der Heizanlage wird dem gemessenen Volumenstrom angepasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der sich ein hydraulischer Abgleich einer Heizungsanlage auf einfachere und besser überprüfbare Weise als bisher vorgenommen werden kann und mit der weitere Energieeinsparungen der Heizungsanlage erzielt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum hydraulischen Abgleich mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Durch den Massenstromsensor kann der Massenstrom jedes Heizkörpers exakt gemessen und entweder an den Thermostatventilen oder an den Rücklaufdrosseln der Heizkörper oder Heizkreise exakt auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Das Arbeiten mit Herstellerdiagrammen kann entfallen. Außerdem ist auch nachträglich jederzeit eine Kontrolle des Massenstroms jedes Heizkörpers oder Heizkreises möglich. Der erforderliche Massenstrom dm/dt rechnet sich dabei nach folgender Formel: $\frac{dm}{dt} = \frac{Q}{c \cdot Δ T,}$
wobei Q die gewünschte Wärmeenergie, c die spezifische Wärmekapazität und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf sind.
Durch das Anpassen des korrekten Massenstroms an jedem Heizkörper oder Heizkreis wird der Gesamtmassenstrom der Heizanlage geringer. Die Heizungspumpen können bei geringerer Leistung laufen. Dadurch lässt sich elektrische Energie zum Betrieb der Heizungsanlage einsparen.
Zur Messung des Massenstroms eines Heizkörpers oder Heizkreises sind verschiedene Sensoren einsetzbar. Eine Möglichkeit besteht darin, kalorimetrische Massenstromsensoren einzusetzen. Vorzugsweise kann der Massenstromsensor jedoch einen in den Vor- oder Rücklauf einbaubaren Durchflusssensor aufweisen, dessen Messsignale von einer extern an die Vorrichtung anschließbaren Auswerteeinheit auslesbar und in einen Massenstrom umrechenbar sind.
Durchflusssensoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Häufig eingesetzt werden beispielsweise Ultraschalldurchflusssensoren, Differenzdrucksensoren oder magnetisch-induktive Durchflusssensoren. Zu der letztgenannten Kategorie gehören Turbinenrad-Durchflusssensoren, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt eingesetzt werden können. Bei diesen Sensoren kann die Drehzahl des Turbinenrades berührungslos über eine Magnetkupplung oder eine Induktionsspule von der Auswerteeinheit erfasst werden. Durch das berührungslose Auslesen kann auf mechanische Verbindungen nach außen verzichtet werden. Es entstehen an der Vorrichtung somit keinerlei Dichtigkeitsprobleme.
Bei dieser Ausgestaltung ist außerdem lediglich eine Auswerteeinheit für sämtliche Heizkörper und Heizkreise der Heizungsanlage erforderlich. Mit der Auswerteeinheit kann die Drehzahl des Turbinenrades jeder der Vorrichtungen in einen Massenstrom umgerechnet werden. Die Drehzahl des Turbinenrades verhält sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, womit die Durchflussmenge bestimmbar ist. Der Massenstrom ist das Produkt aus der Durchflussmenge und der Dichte der Heizflüssigkeit, d. h. in der Regel von Wasser.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung außerdem einen Temperatursensor aufweist. Mit diesem Temperatursensor kann insbesondere die Rücklauftemperatur erfasst werden. Damit kann der Massenstrom des Heizkörpers oder Heizkreises auch zur Beeinflussung der Rücklauftemperatur eingestellt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung in Form eines Rohrstücks ausgebildet, in das der Massenstromsensor eingebaut ist. Das Rohrstück lässt sich einfach in den Vor- oder Rücklauf eines Heizkörpers oder Heizkreises einbauen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Turbinenrad-Durchflusssensor vorgesehen ist und das Turbinenrad in einem mittleren Abschnitt des Rohrstücks angeordnet ist, der einen geringeren Innendurchmesser aufweist als die anschließenden äußeren Abschnitte. Unter Ausnutzung de Venturi-Prinzips dreht sich dadurch das Turbinenrad auch bei kleinem Massenstrom schnell, sodass eine ausreichende Messgenauigkeit gewährleistet ist.
Die Vorrichtung kann vorzugsweise zwischen einem Heizkörper oder Heizkreis und einer Rücklaufdrossel einbaubar sein. Während des Ablesens des Massenstroms kann dann parallel an der Rücklaufdrossel der Massenstrom auf den gewünschten Wert eingestellt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum hydraulischen Abgleich der Heizkörper und/oder Heizkreise und Flächenheizungen einer Warmwasser-Heizanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Die Durchflusswiderstände können dabei entweder mittels voreinstellbarer Thermostatventile im Vorlauf und/oder mittels Rücklaufdrosseln eingestellt werden. Sind die Vorrichtungen in den Rücklauf eingebaut, ergibt sich der Vorteil, dass die Messung des Massenstroms und seine Regulierung durch die Rücklaufdrossel direkt benachbart zueinander stattfinden.
Die Durchflusswiderstände werden zusätzlich derart eingestellt, dass die Rücklauftemperaturen aller Heizkörper und/oder Heizkreise im Kondensationstemperaturbereich eines Brenners der Heizungsanlage liegen. Wird ein Brenner im Kondensationstemperaturbereich betrieben, so lassen sich zusätzliche Energieeinsparungen erzielen.
Insgesamt dient daher die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren dazu, den hydraulischen Abgleich einer Heizungsanlage zu vereinfachen, wobei zusätzlich eine deutlich höhere Präzision als mit Herstellerdiagrammen erreicht wird. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich auch jederzeit an bestehenden Heizkörpern und/oder Heizkreisen einer Heizungsanlage nachrüsten.
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Ansicht eines Heizkörpers mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
3 eine der 2 entsprechende vergrößerte Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt.

In 1 ist ein Heizkörper 10 mit einem Thermostatventil 11 in einem Vorlauf 12 dargestellt. Über den Vorlauf 12 erhält der Heizkörper 10 von einem hier nicht dargestellten Brenner einer Heizungsanlage erwärmtes Wasser. Dieses Wasser durchströmt den Heizkörper 10 und verlässt ihn an einem Rücklauf 13 wieder. Im Bereich des Rücklaufs 13 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 14 zum hydraulischen Abgleich angeordnet, die direkt in den Heizkörper 10 eingeschraubt ist, wie 2 verdeutlicht. Der Vorrichtung 14 nachgeordnet ist eine Rücklaufdrossel 15 vorgesehen, mit deren Hilfe der Wasserdurchfluss durch den Heizkörper 10 einstellbar ist. Mit der Vorrichtung 14 dagegen kann der Durchfluss und damit der Massenstrom des Heizkörpers 10 gemessen werden. Damit ermöglicht die Vorrichtung 14 ein Überprüfen der Einstellung des Durchflusses mit Hilfe der Rücklaufdrossel 15.
Die Vorrichtung 14 ist in 2 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Rohrstück 16, das mittels eines Gewindes 27 in den Heizkörper 10 einschraubbar ist. Im Inneren des Rohrstücks 16 ist ein Turbinenrad 17 angeordnet, das durch das Rücklaufwasser in Drehung versetzt wird. Das aus dem Rohrstück 16 ausströmende Wasser gelangt in die Rücklaufdrossel 15, die in das Rohrstück 16 eingeschraubt ist. Am Ausgang der Rücklaufdrossel 15 kann ein hier nicht dargestelltes Rücklaufrohr in eine dafür vorgesehene Gewindebuchse 18 eingeschraubt werden. Zur Erfassung der Drehzahl des Turbinenrades 17 ist auf der Außenseite des Rohrstücks 16 eine Auswerteeinheit 19 angeordnet. Diese bestimmt die Drehzahl des Turbinenrades 17 berührungslos. Dazu kann beispielsweise das Turbinenrad 17 mit Magneten bestückt sein und in der Auswerteeinheit 19 ein Hall-Sensor vorgesehen sein, der die Drehzahl des Turbinenrades 17 in ein Pulssignal umwandelt. Alternativ kann das Turbinenrad 17 mit elektrisch leitfähigen Elementen bestückt oder aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein. In der Auswerteeinheit 19 lässt sich dann eine Induktionsspule integrieren, die ebenfalls aus der Drehzahl des Turbinenrades 17 ein Pulssignal mit einer Frequenz, die von der Drehzahl des Turbinenrades 17 abhängt, generiert. Aus der Drehzahl lässt sich bei bekanntem Querschnitt des Rohrstücks 16 der Volumenstrom des Heizkörpers 10 und daraus der Massenstrom berechnen. Diese Berechnungen können ebenfalls von der Auswerteeinheit 19 vorgenommen werden.
Zur Erzielung einer bestimmten Heizleistung des Heizkörpers 10 ist der dazu erforderliche Massenstrom aus den Wärmebedarfsberechnungen für den Raum, in dem der Heizkörper 10 aufgestellt ist, bekannt. Zeigt die Auswerteeinheit 19 einen von dem gewünschten Massenstrom abweichenden Wert an, so kann über die Rücklaufdrossel 15 der Durchflusswiderstand des Heizkörpers 10 erhöht oder verringert werden, bis der Massenstrom, der durch die Auswerteeinheit 19 permanent gemessen wird, den gewünschten Wert erreicht.
Die Auswerteeinheit 19 kann vom Rohrstück 16 abgenommen und zur Bestimmung des Massenstroms gleichartiger Vorrichtungen 14 an weiteren Heizkörpern 10 oder Heizkreisen von Flächenheizungen eingesetzt werden. Die Auswerteeinheit 19 ist hier mit einem Stromkabel 20 zur Spannungsversorgung dargestellt. Sie könnte jedoch auch eine batteriebetriebene Einheit sein. Ein Netzanschluss zu ihrem Betrieb wäre dann nicht erforderlich.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung 14' zum hydraulischen Abgleich des Heizkörpers 10. Auch die Vorrichtung 14' besteht aus einem Rohrstück 16', das mittels eines Gewindes 27' in den Heizkörper 10 einschraubbar ist. Im Gegensatz zum Rohrstück 16 weist das Rohrstück 16' jedoch einen mittleren Abschnitt 21 als Durchflusskanal mit wesentlich geringerem Durchmesser als das Rohrstück 16 auf. Das im Inneren des Durchflusskanals angeordnete Turbinenrad 17' dreht sich dadurch deutlich schneller als das Turbinenrad 17. Die Vorrichtung 14' eignet sich daher insbesondere für Heizkörper mit relativ langsam durchfließendem Wasser. Durch die Verengung des Querschnitts im Durchgangskanal 21 wird die Messempfindlichkeit der Vorrichtung 14' deutlich erhöht. Auch an die Vorrichtung 14' kann eine Auswerteeinheit 19' zur Erfassung der Drehzahl des Turbinenrades 17' und zur Berechnung des Massenstroms aufgesetzt werden. Zur Einstellung des gewünschten Massenstromwertes kann der Durchflusswiderstand des Heizkörpers 10 ebenfalls wieder über eine Rücklaufdrossel, die in 3 nicht dargestellt ist, beeinflusst werden.

Claims

Vorrichtung zum hydraulischen Abgleich von Heizkörpern oder Heizkreisen von Flächenheizungen einer Warmwasser-Heizanlage mit einem Massenstromsensor, der in den Vorlauf (12) oder in den Rücklauf (13) der Heizkörper (10) oder Heizkreise einbaubar ist und mit einem voreinstellbaren Thermostatventil (11) im Vorlauf und/oder einer Rücklaufdrossel (15), mit denen der Durchflusswiderstand jedes Heizkörpers (10) derart einstellbar ist, dass die Rücklauftemperaturen aller Heizkörper (10) und/oder Heizkreise im Kondensationstemperaturbereich eines Brenners der Heizanlage liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstromsensor einen in den Vor- oder Rücklauf einbaubaren Durchflusssensor aufweist, dessen Messsignale von einer extern an die Vorrichtung anschließbaren Auswerteeinheit (19, 19') auslesbar und in einen Massenstrom umrechenbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor ein Turbinenrad-Durchflusssensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Turbinenrades (17, 17') berührungslos über eine Magnetkupplung oder eine Induktionsspule von der Auswerteeinheit (19, 19') erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Turbinenrades (17, 17') von der Auswerteeinheit (19, 19') in einen Massenstrom umrechenbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen Temperatursensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form eines Rohrstücks (16, 16') aufweist, in das der Massenstromsensor eingebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (17, 17') in einem mittleren Abschnitt (21) des Rohrstücks angeordnet ist, das einen geringeren Innendurchmesser aufweist als die anschließenden äußeren Abschnitte.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen einem Heizkörper (10) oder Heizkreis und einer Rücklaufdrossel (15) einbaubar ist.
Verfahren zum hydraulischen Abgleich der Heizkörper und/oder Heizkreise von Flächenheizungen einer Warmwasser-Heizanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in den Vor- oder Rücklauf (12, 13) jedes Heizkörpers (10) und/oder Heizkreises eine Vorrichtung (14, 14') nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingebaut wird und der Durchflusswiderstand jedes Heizkörpers (10) und/oder Heizkreises derart eingestellt wird, dass der mit den Vorrichtungen (14, 14') gemessene Massenstrom der gewünschten Heizleistung des jeweiligen Heizköpers (10) oder Heizkreises entspricht und dass die Rücklauftemperaturen aller Heizkörper (10) und/oder Heizkreise im Kondensationstemperaturbereich eines Brenners der Heizanlage liegen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusswiderstände mittels voreinstellbarer Thermostatventile (11) im Vorlauf (12) und/oder mittels Rücklaufdrosseln (15) eingestellt werden.