DE3529256C2 - Verfahren und Anordnung zum hydraulischen Abgleichen eines Heizkreislaufs - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum hydraulischen Abgleichen eines HeizkreislaufsInfo
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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 Ri eines jeden flüssigkeits
durchströmten Bauelements oder Teilstrangs i des Heizkreis
laufs ist wie folgt definiert:
wobei Δpi 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 = ρi 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 Ri
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.
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