DE3529256C2 - 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 hydraulischen Auslegung der Rohrleitungsanlage eines Heizkreislaufs wird zunächst anhand eines Netzschemas die Netzstruktur der Anlage festgelegt. Weiter werden die Ein­ zelwiderstände der verwendeten Bauelemente innerhalb dieser Struktur bestimmt. Es kommen dabei im wesentlichen folgende Bauelemente in Betracht: Rohrleitungen, Krümmer, Ver­ zweigungen, Heizflächen, Stell- bzw. Regelventile, Abgleich­ ventile, Umwälzpumpe, Kessel, Mischer, Vor- und Rücklauf­ sammler, 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 Auslegungs­ volumenstrom (bzw. Auslegungsmassenstrom) für jede Heiz­ fläche und damit auch für das Gesamtsystem. Aus diesem Auslegungsvolumenstrom wird für jede Rohrstrecke der Druck­ abfall 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 ausge­ legt.

Sodann wird der Teilstrang 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 Druckab­ fälle von der Pumpe aus aufsummiert, wobei dieser Summen­ wert der nun folgenden Ventilauslegung zugrundegelegt wird. Beginnend mit dem genannten 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 be­ treffenden 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 ver­ schiedenen Teilsträngen unterschiedliche Drosselventile eingesetzt werden, die gegebenenfalls mit geeigneten Abgleichventilen oder Voreinstellschrauben auf den Sollwert einstellbar sind. Damit sind für den der Auslegung zugrunde­ liegenden Arbeitspunkt sowohl der Differenzdruck als auch der Volumenstrom bekannt.

Der Installateur baut das Heizungssystem nun aufgrund des Netzschemas und der in vorstehender Weise ermittelten Aus­ legungsparameter ein. Vom Planer werden dabei bereits an bestimmten kritischen Stellen des Kreislaufs Abgleichventile vorgesehen. Insbesondere besitzen die meisten Drossel­ ventile eine solche Abgleichsmöglichkeit. Nach dem erfolgten Einbau werden bisher an den betreffenden Abgleich­ stellen die vom Planer vorausberechneten Voreinstellungen vorgenommen, und zwar ohne Messung des Durchflußdifferenz­ drucks, der Rücklauftemperatur und dgl. Die Einstellung erfolgt ausschließlich anhand von mechanischen Stellgrößen, wie Umdrehungen oder Winkelstellungen der Abgleichventile.

Die Installation von Heizkreisläufen allein aufgrund von Planungsdaten birgt jedoch eine Reihe von Fehlermöglich­ leiten 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 Widerstandsbei­ werten eingesetzt, die zu einer Änderung der Auslegungspara­ meter führen, die nur schwer zu erfassen ist. Hinzu kommt, daß auch schon geringe Verstellungen an einzelnen Abgleich­ stellen große Widerstandsänderungen zur Folge haben können, die die Einstellung des ganzen Systems verändern können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ab­ gleichsverfahren 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 erfindungs­ gemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise ausge­ führt werden kann.

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

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise geht von der Erkennt­ nis aus, daß aufgrund der Planungsdaten genügend In­ formationen vorliegen, um sie unter bestimmten Einstell­ konfigurationen einer meßtechnischen Erfassung zugänglich zu machen. Es ist nämlich grundsätzlich möglich, Strömungs­ widerstände in den einzelnen Teilsträngen des Heizkreis­ laufs sowohl rechnerisch aus den Auslegungsparametern als auch durch Messung an einer zentral gelegenen Stelle zu ermitteln. Dadurch können die tatsächlich vorhandenen Ab­ weichungen von den Planungsdaten in jedem einzelnen Teil­ strang 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 flüssigkeits­ durchströmten Bauelements oder Teilstrangs i des Heizkreis­ laufs ist wie folgt definiert:

wobei Δp_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 be­ deutet.

Ein hydraulisches Rohrleitungsnetz läßt sich mit den beiden Schaltungstypen Parallelschaltung und Reihenschaltung voll­ ständig 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 Netz­ werken - 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 Δp an der Pumpe und des Volumenstroms in der Pumpenleitung wie folgt ermitteln:

Bei Kenntnis der Pumpenkennlinie braucht grundsätzlich nur einer der Parameter Δp 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 schema­ tisch dargestellt.

Das Programm verlangt zunächst die Eingabe der Struktur­ daten 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 Einzel­ widerstände, die sich aufgrund der Ventilkennlinien ergeben, werden aus den ebenfalls in geeigneter Codierung einge­ gebenen Ventilstellungen errechnet.

Nach Aufsuchen der innersten Verzweigung des Netzes werden sodann sukzessive von innen nach außen die Parallel­ schaltungen des Netzwerks und die zugehörigen Ersatzwider­ stände 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 Ventil­ konstellation ausgedruckt werden. Der Programmablauf nach Fig. 1 eignet sich vor allem bei komplizierten Netz­ strukturen 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 in­ stallierten Heizkreislaufs notwendig sind. Die Vorgehens­ weise bei dieser Abgleichung wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 2 ein Funktionsschema zum hydraulischen Abgleich von Rohrnetzen und

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das das Prinzip des hydraulischen 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 Vorlauf­ sammler 10, von dem mehrere Vorlaufstränge 8 abgezweigt sind. An jeden Vorlaufstrang ist eine größere Anzahl Heiz­ körper 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 Abgleichventil 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 Umwälzpumpe 6 ein Di­ fferenzdruckmeßgerät 20 angeschlossen, während in der Vor­ laufleitung vor der Pumpe ein Volumen- oder Massenstrom­ meßgerät 19 angeordnet ist. Die Ausgänge der Meßgeräte 19 und 20 sind ihrerseits an einen Meßwertwandler 21 angeschlossen, der u. a. mit einem Mikroprozessor bestückt ist, in dem die ankommenden Signale nach Gl. (4) in ein dem hydraulischen Gesamtwiderstand entsprechendes Signal umgerechnet werden. Die Meßwerte können durch ein mobiles Sende- und Empfangsgerät 18 über die serielle Übertragungsstrecke 22 vom Meßwertwandler 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 Drossel­ ventile 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 Gesamt­ widerstands 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 ein Meßvorgang an den Meßgeräten 19 und 20 ausgelöst. Der an der Sichtanzeige des Empfangsgeräts 18 angezeigte Istwert des Gesamtwiderstands wird dann mit dem Sollwert in der ausgedruckten Liste ver­ glichen und durch Verstellen des Abgleichventils 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 Strangab­ gleich unter Verstellung der Abgleichventile 17 am Eintritt des Vorlaufstranges möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zum hydraulischen Abgleichen eines flüssig­ keitsführenden Heizkreislaufs, der eine Rohrleitungsan­ lage mit einer Umwälzpumpe, einem Vor- und einem Rück­ taufsammler, mehreren an den Sammlern über Abgleich- und/oder Absperrventile abgezweigten Strängen und inner­ halb der Stränge parallel und/oder hintereinander ange­ ordneten, durch Abgleich- und Drosselventile in ihrem Volumendurchsatz steuerbaren, flüssigkeitsdurchströmten Heizflächen aufweist, wobei die die schaltungstechnische Anordnung der genannten Bauelemente bildende Netz­ struktur und die für einen vorgegebenen Wärmebedarf unter Berücksichtigung der strömungstechnischen Randbe­ dingungen errechneten Auslegungsparameter des Heizkreis­ laufs bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand des Heizkreislaufs unter Berück­ sichtigung der Auslegungsparameter für vorgegebene Ven­ tilstellungen als Sollwert berechnet wird, daß die Ven­ tile 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 den Sollwert abgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abgleichvorgänge an verschiedenen Heizflächen des Heiz­ kreislaufs durchgeführt werden, wobei jeweils die Drosselventile aller Heizflächen bis auf eines ge­ schlossen werden und nur das Abgleichventil der Heiz­ fläche mit vollständig geöffnetem Drosselventil zum Zwecke des Abgleichens verstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abgleichvorgänge an verschiedenen Strängen des Heiz­ kreislaufs durchgeführt werden, wobei jeweils die Ab­ sperrventile aller Stränge bis auf eines geschlossen werden und nur das Abgleichventil des Stranges mit vollständig geöffnetem 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 Com­ puters berechnet wird, der ein Programm zur Bestimmung des Gesamtwiderstands der vorgegebenen Netz­ struktur unter Berücksichtigung der Auslegungsparameter und der Stellungen der im Kreislauf angeordneten, durch vorgegebene Kenndaten definierten Ventilstellungen ent­ hält.

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 Mikrocom­ puter als Unterprogramm oder als Datensatz abge­ speicherten Pumpenkennlinie der Gesamtwiderstand der Anlage als Istwert ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Pumpe gemessene Differenzdruck und/oder der Volumenstrom oder der daraus ermittelte Gesamtwiderstand 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 Sollwerts des Gesamt­ widerstands der vorgegebenen Netzstruktur unter Berück­ sichtigung der Auslegungsparameter und der Stellungen der im Kreislauf angeordneten, durch vorgegebene Kenn­ daten 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-Digital­ wandler mit der Meßanordnung verbundene Mikroprozessoran­ ordnung zur Ermittlung des Istwerts des Gesamtwider­ stands 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 Differenz­ druckmesser und/oder Volumenstrommesser mit einem Sende­ gerät verbindbar ist, mit dem die Meßdaten auf den Em­ pfänger übertragbar sind.