DE3529256A1 - Verfahren und anordnung zum hydraulischen abgleichen eines heizkreislaufs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydraulischen Abgleichen eines flüssigkeitsführenden Heizkreislaufs der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Abgleichsverfahrens.

Bei der hydraulichen Auslegung der Rohrleitungsanlage eines Heizkreislaufs wird zunächst anhand eines Netzschemas die Netzstruktur der Anlage festgelegt. Weiter werden die Einzelwiderstände der verwendeten Bauelemente innerhalb dieser Struktur bestimmt. Es kommen dabei im wesentlichen folgende Bauelemente in Betracht: Rohrleitungen, Krümmer, Verzweigungen, Heizflächen, Stell- bzw. Regelventile, Abgleichventile, Umwälzpumpe, Kessel, Mischer, Vor- und Rücklaufsammler, Strangabgleichventile und Fußverschraubungen.

Bei der Auslegung eines Heizkreislaufs ist zunächst der Wärmebedarf der einzelnen Räume festzulegen. Außerdem ist die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf an jedem Heizkörper vorzugeben. Daraus ergibt sich der Auslegungsvolumenstrom (bzw. Auslegungsmassenstrom) für jede Heizfläche und damit auch für das Gesamtsystem. Aus diesem Auslegungsvolumenstrom wird für jede Rohrstrecke der Druckabfall im Auslegungszustand berechnet. Die Rohrdurchmesser werden dabei in der Regel so festgelegt, daß der Druckabfall im geraden Rohr zwischen 100 und 200 Pascal/m liegt. Krümmer und Abzweigungen werden dann im gleichen Durchmesser ausgelegt.

Sodann wird der Teilsstrang ausgesucht, der den größten Druckabfall innerhalb des Systems besitzt. Regelmäßig ist dies der von der Pumpe am weitesten entfernt angeordnete Heizkörper. Für diesen Teilstrang werden dann die Druckabfälle von der Pumpe aus aufsummiert, wobei dieser Summenwert der nun folgenden Ventilauslegung zugrundegelegt wird. Beginnend mit dem geannten Heizkörper werden die Ventile in den einzelnen Teilsträngen so eingestellt, daß im Arbeitspunkt die Ventilautorität, d. h. das Verhältnis zwischen Druckabfall im Ventil und Druckabfall im betreffenden Teilstrang mindestens 40% beträgt.

Die Auslegung der Ventile in den weiteren Teilsträngen (Heizkörpern) erfolgt nun so, daß der Druckabfall über jeden Teilstrang dem Druckabfall im erstgenannten Teilstrang entspricht. Dies wird dadurch erreicht, daß an den verschiedenen Teilsträngen unterschiedliche Stell- bzw. Regelventile eingesetzt werden, die gegebenenfalls mit geeigneten Abgleichventilen oder Voreinstellschrauben auf den Sollwert einstellbar sind. Damit sind für den der Auslegung zugrundeliegenden Arbeitspunkt sowohl der Differenzdruck als auch der Volumenstrom bekannt.

Der Installateur baut das Heizungssystem nun aufgrund des Netzschemas und der in vorstehender Weise ermittelten Auslegungsparameter ein. Vom Planer werden dabei bereits an bestimmten kritischen Stellen des Kreislaufs Abgleichsventile vorgesehen. Insbesondere besitzen die meisten Stell- bzw. Regelventile eine solche Abgleichsmöglichkeit. Nach dem erfolgten Einbau werden bisher an den betreffenden Abgleichstellen die vom Planer vorausberechneten Voreinstellungen vorgenommen und zwar ohne Messung des Durchflußdifferenzdrucks, der Rücklauftemperatur und dgl. Die Einstellung erfolgt ausschließlich anhand von mechanischen Stellgrößen, wie Umdrehungen oder Winkelstellungen der Abgleichsventile.

Die Installation von Heizkreisläufen allein aufgrund von Planungsdaten birgt jedoch eine Reihe von Fehlermöglichkeiten in sich, die mit der herkömmlichen Abgleichsmethode nicht kompensiert werden können. Die tatsächliche Ausführung des Heizkreislaufs wird bei der Planung nur idealisiert berücksichtigt und kann etwa beim Auftreten von Verjüngungen im Bereich von Schweißnähten oder beim Biegen von Rohren zu Fehlberechnungen führen. Auch bei der Bauausführung kann es zu ungewollten Verschmutzungen, beispielsweise durch Hanf, Schweißperlen, Schneidspäne oder dgl. kommen, die eine Verfälschung der Auslegung hervorrufen. Häufig können die bei der Planung vorgesehenen Bauelemente und Armaturen mangels Verfügbarkeit nicht eingebaut werden. Es werden dann Ersatzelemente mit anderen Widerstandsbeiwerten eingesetzt, die zu einer Änderung der Auslegungsparameter führen, die nur schwer zu erfassen ist. Hinzu kommt, daß auch schon geringe Verstellungen an einzelnen Abgleichstellen große Widerstandsänderungen zur Folge haben können, die die Einstellung des ganzen Systems verändern können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Abgleichsverfahren der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, bei dem mit möglichst geringem technischem Aufwand die geplanten Voreinstellungen anhand von Messungen überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden können. Weiter soll eine Anordnung geschaffen werden, mit der das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise ausgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise geht von der Erkenntnis aus, daß aufgrund der Planungsdaten genügend Informationen vorliegen, um sie unter bestimmten Einstellkonfigurationen einer meßtechnischen Erfassung zugänglich zu machen. Es ist nämlich grundsätzlich möglich, Strömungswiderstände in den einzelnen Teilsträngen des Heizkreislaufs sowohl rechnerisch aus den Auslegungsparametern als auch durch Messung an einer zentral gelegenen Stelle zu ermitteln. Dadurch können die tatsächlich vorhandenen Abweichungen von den Planungsdaten in jedem einzelnen Teilstrang festgestellt und durch Abgleichung kompensiert werden.

Bei der rechnerischen Ermittlung der Strömungswiderstände innerhalb der Netzstruktur wird wie folgt vorgegangen:

Der hydraulische Widerstand R _i eines jeden flüssigkeitsdurchströmten Bauelements oder Teilstrangs i des Heizkreislaufs ist wie folgt definiert: wobei Δ p _i den Druckabfall und _i den Volumenstrom durch das betreffende Bauelement i bedeuten und der Exponent n einen Wert zwischen 1,7 und 2 annehmen kann. Statt des Volumenstroms _i kann grundsätzlich auch der Massenstrom _i = ρ _i zur Definition des Strömungswiderstands in Gl. (1) eingesetzt werden, wobei ρ die Dichte des Heizmediums bedeutet.

Ein hydraulisches Rohrleitungsnetz läßt sich mit den beiden Schaltungstypen Parallelschaltung und Reihenschaltung vollständig beschreiben. Für den Ersatzwiderstand einer Parallelschaltung mehrerer hydraulischer Widerstände R _i ergibt sich die Beziehung während der Ersatzwiderstand einer Reihenschaltung durch die Summe der einzelnen Widerstände gebildet wird:

Der Gesamtwiderstand R eines Rohrleitungssystems läßt sich somit relativ einfach - ähnlich wie bei elektrischen Netzwerken - durch sukzessive Anwendung der Beziehungen (2) und (3) der in Teilstränge i aufgeteilten Rohrleitungsanlage rechnerisch ermitteln.

Andererseits läßt sich der Gesamtwiderstand der Anlage meßtechnisch durch Erfassung des Differenzdrucks Δ p an der Pumpe und des Volumenstroms in der Pumpenleitung wie folgt ermitteln:

Bei Kenntnis der Pumpenkennlinie braucht grundsätzlich nur einer der Parameter Δ p oder gemessen zu werden, während der andere sich dann aus der Pumpenkennlinie ergibt.

In Fig. 1 ist der Programmablauf für die Berechnung des Gesamtwiderstands R eines Heizungsnetzes bei vorgegebenen Ventilstellungen in einer bekannten Netzstruktur schematisch dargestellt.

Das Programm verlangt zunächst die Eingabe der Strukturdaten des Netzes in vorgegebener Reihenfolge, wobei die Verknüpfungspunkte der Reihen- und Parallelschaltungen in einem vom Programm vorgeschriebenen Code anzugeben sind. Zu den Strukturdaten gehören auch die fest vorgegebenen Einzelwiderstände der Bauelemente. Die variablen Einzelwiderstände, die sich aufgrund der Ventilkennlinien ergeben, werden aus den ebenfalls in geeigneter Codierung eingegebenen Ventilstellungen errechnet.

Nach Aufsuchen der innersten Verzweigung des Netzes werden sodann sukzessive von innen nach außen die Parallelschaltungen des Netzwerks und die zugehörigen Ersatzwiderstände nach Gl. (2) ermittelt, bis sich in der äußersten Verzweigung der Gesamtwiderstand R des Netzes ergibt. Die innerhalb jedes Zweiges einer Parallelschaltung in Reihe angeordneten Einzelwiderstände können nach Gl. (3) additiv zu einem Teilstrangwiderstand zusammengefaßt werden.

Der auf diese Weise ermittelte Gesamtwiderstand kann sodann zusammen mit einem Kennzeichen für die jeweilige Ventilkonstellation ausgedruckt werden. Der Programmablauf nach Fig. 1 eignet sich vor allem bei komplizierten Netzstrukturen zur Durchführung in einem Computer.

Eine besondere Anwendung dieses Programms besteht in der Berechnung der Sollwerte aus den Auslegungsparametern des Rohrnetzes, die für eine exakte Abgleichung des installierten Heizkreislaufs notwendig sind. Die Vorgehensweise bei dieser Abgleichung wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 2 ein Funktionsschema zum hydraulischen Abgleich von Rohrnetzen und

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das das Prinzip des hydraulichen Abgleichs durch Berechnung (Sollwerte) und zentrale Vergleichsmessung (Istwerte) veranschaulicht.

Das Funktionsschema nach Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Heizkreislauf. Die vom Vorlaufaustritt eines nicht dargestellten Heizkessels kommende Vorlaufleitung, die die Umwälzpumpe 6 enthält, mündet in einen Vorlaufsammler 10, von dem mehrere Vorlaufstränge 8 abgezweigt sind. An jeden Vorlaufstrang ist eine größere Anzahl Heizkörper 4 angeschlossen, von denen in dem Schema nur einer dargestellt ist. Der Rücklauf der Heizkörper ist mit einem Rücklaufstrang 9 verbunden. Mehrere Rücklaufstränge münden in einen Rücklaufsammler 11, der mit dem Rücklauf des nicht dargestellten Heizkessels verbunden ist. Am Eintritt eines jeden Vorlaufstranges befindet sich ein Strangabgleichventil 17 und gegebenenfalls ein nicht dargestelltes Absperrventil. Der Flüssigkeitsdurchtritt durch die Heizkörper ist durch ein Drosselventil 2 (Stell- oder Regelventil) und zusätzlich ein Abgleichventil 16 verstellbar.

Zur meßtechnischen Ermittlung des Gesamtwiderstands R des Systems ist zwischen Ein- und Ausgang der Pumpe 6 ein Differenzdruckmeßgerät 20 angeschlossen, während in der Vorlaufleitung vor der Pumpe ein Volumen- oder Massenstrommeßgerät 19 angeordnet ist. Die Ausgänge der Meßgeräte 19 und 20 sind ihrerseits an einen Meßwertumwandler 21 angeschlossen, der u. a. mit einem Mikroprozessor bestückt ist, in dem die ankommenden Signale nach Gl. (4) in ein dem hydraulichen Gesamtwiderstand entsprechenden Signal umgerechnet werden. Die Meßwerte können durch ein mobiles Sende- und Empfangsgerät 18 über die serielle Übertragungsstrecke 22 vom Meßwertumwandler 21 abgerufen und in einer Sichtanzeige anzeigt werden.

In dem Prinzipdiagramm nach Fig. 3 ist die Meß- und Übertragungsstrecke in der unteren Kästchenreihe angedeutet.

Zur Abgleichung des Rohrnetzes werden für eine größere Anzahl einfach einstellbarer Betriebszustände einmal die Sollwerte des Gesamtwiderstandes unter Verwendung des in Fig. 1 im Programmablauf dargestellten Algorithmus berechnet und in Form einer Liste ausgedruckt. Hierfür bieten sich solche Betriebszustände an, bei denen jeweils alle Drosselventile 2 der Heizkörper 4 bis auf einen geschlossen sind und das Drosselventil 2 des verbleibenden Heizkörpers zu 100% geöffnet ist. Diese Betriebszustände werden nun für alle Heizkörper unter Ermittlung des zugehörigen Gesamtwiderstands durchgerechnet und die Ergebnisse in einer Liste ausgedruckt.

Anhand dieser Liste werden vom Installateur zum Zwecke des Systemabgleichs nacheinander die Drosselventile 2 der einzelnen Heizkörper vorgabegemäß geöffnet bzw. geschlossen und jeweils über die Fernsteuerung 18 ein Meßvorgang an den Meßgeräten 19 und 20 ausgelöst. Der an der Sichtanzeige des Handgeräts 18 angezeigte Istwert des Gesmtwiderstands wird dann mit dem Sollwert in der ausgedruckten Liste verglichen und durch Verstellen des Abgleichsventils 16 so lange verändert, bis eine Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollwert hergestellt ist. Dieser Vorgang wird für alle Positionen in der ausgedruckten Liste durchgeführt, so daß am Ende alle Heizkörper im Sinne der Auslegungsparameter abgeglichen sind.

Eine entsprechende Vorgehensweise ist auch beim Strangabgleich unter Verstellung der Strangabgleichventile 17 möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zum hydraulischen Abgleichen eines flüssigkeitsführenden Heizkreislaufs, der eine Rohrleitungsanlage mit einer Umwälzpumpe, einem Vor- und einem Rücklaufsammler, mehreren an den Sammlern über Abgleich- und/oder Absperrventile abgezweigten Strängen und innerhalb der Stränge parallel und/oder hintereinander angeordneten, durch Abgleich- und Drosselventile in ihrem Volumendurchsatz steuerbaren, flüssigkeitsdurchströmten Heizflächen aufweist, wobei die die schaltungstechnische Anordnung der genannten Kreislaufelemente bildende Netzstruktur und die für einen vorgegebenen Wärmebedarf unter Berücksichtigung der strömungstechnischen Randbedingungen errechneten Auslegungsparameter des Heizkreislaufs bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand des Heizkreislaufs unter Berücksichtigung der Auslegungsparameter für vorgegebene Ventilstellungen als Sollwert berechnet wird, daß die Ventile entsprechend der Vorgabe eingestellt und der Istwert des Gesamtwiderstands des Heizkreislaufs durch Bestimmung des an der Umwälzpumpe auftretenden Differenzdrucks und/oder Volumenstroms ermittelt wird, und daß durch Verstellung mindestens eines der Abgleichventile der Istwert auf dem Sollwert abgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abgleichvorgänge an verschiedenen Heizflächen des Heizkreislaufs durchgeführt werden, wobei jeweils die Drosselventile aller Heizflächen bis auf eines geschlossen werden und nur das Abgleichventil der Heizfläche mit vollständig geöffnetem Stell- bzw. Regelventil zum Zwecke des Abgleichens verstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abgleichvorgänge an verschiedenen Strängen des Heizkreislaufs durchgeführt werden, wobei jeweils die Absperrventile aller Stränge bis auf eines geschlossen werden und nur das Strangabgleichventil des Stranges mit vollständig geöffneten Absperrventil zum Zwecke des Strangabgleichs verstellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Heizflächen und/oder Stränge des Heizkreislaufs einzeln abgeglichen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert mit Hilfe eines Computers berechnet wird, der ein Programm zur Bestimmung des Anlagengesamtwiderstands der vorgegebenen Netzstruktur unter Berücksichtigung der Auslegungsparameter und der Stellungen der im Kreislauf angeordneten, durch vorgegebene Kenndaten definierten Ventilstellungen enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Differenzdruck oder der Volumenstrom gemessen wird und daß aufgrund dieses Meßwerts unter Berücksichtigung der in einem Mikrocomputer als Unterprogramm oder als Datensatz abgespeicherten Pumpenkennlinie der Gesamtwiderstand der Anlage als Istwert ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pumpe gemessenen Differenzdruck- und/oder Volumenstromdaten oder die daraus ermittelten Gesamtwiderstandsdaten auf eine Fernanzeige zum Zwecke der Sichtanzeige des Istwerts übertragen werden.

8. Anordnung zur Durchführung des Abgleichsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Computer, der ein Programm zur Bestimmung sowie zur Anzeige und/oder zum Ausdruck eines Sollwertes des Gesamtwiderstands der vorgegebenen Netzstruktur unter Berücksichtigung der Auslegungsparamter und der Stellungen der im Kreislauf angeordneten, durch vorgegebene Kenndaten definierten Ventile enthält, ferner gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung des durch die Pumpe aufgebauten Differenzdrucks und/oder des Volumenstroms in der Pumpenleitung, eine über einen Analog-Digitalwandler mit der Meßanordnung verbundene Mikroprozessoranordnung zur Ermittlung des Istwerts des Gesamtwiderstands aus den genannten Meßdaten sowie eine den Istwert anzeigende Sichtanzeige.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der im Bereich der Meßanordnung angeordnete Mikrocomputer mit einem Sender verbunden ist, und daß die Sichtanzeige in einem mobilen Empfangsgerät angeordnet ist, dessen Eingang mit dem vom Sender aussendbaren Istwert-Signal beaufschlagbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer und die Sichtanzeige in einem mobilen Empfangsgerät angeordnet sind, und daß der Differenzdruckmesser und/oder Volumenstrommesser mit einem Sendegerät verbindbar ist, mit dem die Meßdaten auf den Empfänger übertragbar sind.