Das Planungsziel, genaue Sollwerte und zudem einen energieeffizienten Betrieb zu erreichen, stellt für Heizungs- und Kältesysteme hohe Anforderungen an die Funktion der Anlagenhydraulik. In großen Heizungsanlagen erschweren weit verzweigte Leitungsnetze die gleichmäßige und konstante Verteilung der Heizwassermengen. Hinzu kommt, dass unterschiedliche Heizkreise (z.B. in einer Anlage mit Heizkörpern, Konvektoren, Lufterhitzern und Trinkwassererwärmung) auch ihre jeweils eigenen hydraulischen Eigenschaften aufweisen. Die Kälteversorgung für die Klimatechnik in Gebäuden zeigt sich oftmals noch sensibler, da zum Beispiel geringe Spreizungen keine starken Schwankungen der Volumenströme erlauben.
Energieeffizienter Betrieb verlangt abgeglichene Hydraulik
Zu den Maßnahmen des hydraulischen Abgleichs zählt die Einregulierung der Durchflussmengen in den betreffenden Leitungsabschnitten. Damit sollen in Heizungsanlagen wie auch in Kühlsystemen die Massenströme so reguliert werden, dass sowohl die geforderten Temperaturen als auch ein energieoptimierter Anlagenbetrieb erreicht werden. Welche Durchflussmengen aber nach der Einregulierung tatsächlich durch die Rohrleitungen strömen, lässt sich in der Praxis nur mit messtechnischem Aufwand kontrollieren.
Exakte und konstante Durchflussmengen sind beispielsweise für die Klimatisierung von OP-Räumen in Krankenhäusern notwendig, um konstante Raumtemperaturen gewährleisten zu können. Ebenso stellt zum Beispiel die Kühlung von EDV-Rechenzentren hohe Anforderungen an konstante Volumenströme. Mit zunehmender Nennweite der Rohrleitungen ist zudem die Auswahl geeigneter Regeleinrichtungen auch eine Kostenfrage. In einer Industrieanlage, einem Klinikum oder einem großen Gewerbekomplex sind jedoch Dimensionen ab DN 100 bis DN 200 und darüber keine Ausnahme.
In komplexen Warmwasserheizungsanlagen oder Kältesystemen zur Klimatisierung kann für einzelne Leitungsabschnitte oder angeschlossene Verbraucher eine punktgenaue Regulierung erforderlich sein. Die Planungssituationen können sich unterschiedlich darstellen, wie die folgenden beiden Beispiele zeigen:
- In der Wärmeverteilung eines großen Gewerbeobjekts (z.B. Hotel, Bürogebäude, Messehalle) soll die ausreichende Versorgung hydraulisch ungünstiger Leitungsabschnitte gewährleistet sein. Dies erfordert Reguliereinrichtungen, die an den entsprechenden Stellen sowohl eine Einregulierung als auch die Kontrolle der Durchflussmenge ermöglichen.
- In der Kälteversorgung eines Krankenhauses ist zur Bereitstellung konstanter Kühlleistungen für medizintechnische Geräte ein konstanter Volumenstrom erforderlich. Unmittelbar in der Anschlussleitung zum Verbraucher soll dazu ein konstanter Volumenstrom einreguliert werden können und die Kontrolle von Durchflussmenge und Mediumtemperatur möglich sein.
Abgleichen in neuen und bestehenden Anlagen
Ein wesentlicher Faktor ist auch, ob eine Neuinstallation oder ein bestehendes Anlagensystem hydraulisch abzugleichen ist. Für neu erstellte Anlagen können die Ergebnisse der Rohrleitungsdimensionierung herangezogen werden, um Regelorgane auf den errechneten Auslegungs-Volumenstrom einzustellen. In bestehenden Anlagen kann in den meisten Fällen jedoch nicht mehr auf Berechnungsgrundlagen zurückgegriffen werden. Zudem stellen die hydraulischen Eigenschaften der Leitungsnetze von Industrie- oder Gewerbebauten oft eine große Unbekannte dar. Nach zahlreichen Umbauten oder Erweiterungen sind diese meist rechnerisch nicht mehr nachvollziehbar; die Anlagen müssten mit großem Zeitaufwand neu aufgenommen und berechnet werden.
Durchflussmenge auf Tastendruck abfragen
Für diese Anwendungsfälle können Regelventile eingesetzt werden, die direkt am Einbauort sowohl die Einregulierung als auch die direkte Kontrolle der Durchflussmengen ermöglichen. Für den Einsatz in Heizungs- und Kälteanlagen hat die KSB Aktiengesellschaft die Regelventile BOA Control IMS und BOA-CVE Control IMS entwickelt. Die Armaturen in Flanschausführung (Baulänge F4) dienen gleichzeitig als Absperreinrichtung sowie zur Abfrage von Durchflussmenge und Mediumtemperatur. Im eingangsseitigen Flansch ist dazu ein kalorimetrischer Messsensor integriert. Das zugehörige Messgerät Boatronic liest über eine Steckerverbindung zum Sensor die Messdaten aus. Basis dieses Messsystems ist ein Sensor mit zwei Pins, die innerhalb der Armatur vom Durchflussmedium berührt sind. Einer der Pins misst die Temperatur des Mediums; der zweite Pin wird durch das Boatronic-Messgerät mit konstanter Energie beheizt. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Pins wird als Spannung gemessen. Aus der Temperaturdifferenz und der im Sensor gespeicherten Querschnittsfläche werden die Strömungsgeschwindigkeit und daraus der Volumenstrom errechnet.
Das digitale Messgerät zeigt die Durchflussmenge in m³/h sowie die Mediumtemperatur an. Zusätzlich kann bei beiden Ausführungen am Display des Messgeräts die Nennweite des Ventils angezeigt werden. Dies ist von Vorteil, wenn Armatur und Rohrleitungen gedämmt sind und die Rohrdimension so nicht erkennbar ist. Nach Angaben des Herstellers ist je nach Ausführung die Anwendung als Messventil oder Strangregulierventil möglich.
Hydraulischer Abgleich: Einregulierung und direkte Kontrolle am Einbauort
Die Ausführung BOA Control IMS ist für den Einsatz als Messventil vorgesehen. Die Abfrage von Volumenstrom und Mediumtemperatur erfolgt direkt am Einbauort über das Messgerät Boatronic. Für den hydraulischen Abgleich in Heizungs- oder Kältesystemen kann so direkt im betreffenden Leitungsabschnitt zeitsparend die Ist-Durchflussmenge kontrolliert und einreguliert werden. Hierzu wird die batteriebetriebene Ausführung M-2 des Messegerätes Boatronic eingesetzt und als transportables Auslesegerät genutzt. In einer Anlage mit mehreren installierten Messventilen ermöglicht das mobile Messgerät dem technischen Betriebspersonal, die Durchflusswerte auf einfache Weise zu kontrollieren und an die Sollwertvorgaben anzupassen.
Automatische Sollwert-Regelung: Armatur bildet mit Stellantrieb autarken Regelkreis
Das Regelventil BOA-CVE Control IMS ist mit einem Stellantrieb versehen und wird zusammen mit der stationären Ausführung M-420 des Messgerätes Boatronic eingesetzt, das im unmittelbaren Bereich des Ventils montiert wird. Regelventil und Messgerät bilden so einen eigenständigen Regelkreis. Für den betreffenden Leitungsabschnitt kann damit über die Ventilstellung ein Sollwert vorgegeben werden, den die Armatur bei Schwankungen von Temperatur und Durchflussmenge selbsttätig reguliert.
Die Mess- und Regelventile stehen in den Dimensionen DN 15 bis DN 200 zur Verfügung. In bestehenden Anlagen können die BOA-Control-Ventile durch die Ausführung in Kurzbaulänge gegen eine vorhandene Absperrarmatur gleicher Baulänge getauscht werden, ohne dass dazu die Rohrleitung angepasst werden muss oder längere Betriebsunterbrechungen verursacht würden. Zur Auswahl des geeigneten Ventiltyps bietet KSB Planungshilfen an, beispielsweise einen Auslegungsschieber sowie ein Auslegungs-Formblatt. Anhand des Formblatts, das aus dem Baureihenheft entnommen werden kann, werden die zur Auslegung relevanten Daten ermittelt. Abhängig von den hydraulischen Daten wie Nenn-Volumenstrom, Druckdifferenzen sowie den Betriebsbedingungen können so die KSB-Mitarbeiter das passende Ventil bestimmen. -
Wolfgang Heinl,
Freier Fach- und PR-Journalist für Gebäudetechnik, Wangen im Allgäu
Interview mit Dieter Hanewald, Produktmanager Armaturen bei KSB
KSB führt zusätzlich zum Hauptprodukt Pumpen auch ein breites Armaturen-Programm für die Gebäude- und Energietechnik. Für die Anwendungsbereiche Heizungs-, Kälte- und Trinkwasseranlagen entwickelt und produziert KSB Absperr- und Drosselventile, wartungsfreie Membranventile (Sisto), Absperrklappen (AMRI) sowie Mess- und Regelventile. Mit dem Messventil BOA-Control IMS und dem Regelventil BOA-CVE-Control IMS hat KSB für den Einsatz in Heizungs- und Kälteanlagen Armaturen entwickelt, die direkt am Einbauort zusammen mit den Boatronic-Messgeräten die Abfrage und Einregulierung der Durchflussmengen sowie eine automatische Sollwertregelung ermöglichen. Über die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten der Armatur mit integriertem Messsensor berichtet Dipl.-Ing. (FH) Dieter Hanewald, Produktmanager Armaturen bei der KSB Aktiengesellschaft.
Mess- und Regelventile von KSB
Auf welche Weise arbeitet die in der Armatur integrierte digitale Durchflussmessung, und worin besteht der Nutzen?
Hanewald: In den zulaufseitigen Flansch der Armatur ist ein Sensor integriert. In diesem Sensor sitzt ein Mikroprozessor, in dem die zur Messung und Auslesung von Volumenstrom und Temperatur erforderlichen Daten und Informationen hinterlegt sind. Für den ausführenden Handwerker wie für den Anlagenbetreiber liegt ein wesentlicher Vorteil in der direkten IstwertErfassung. Mit dem Messgerät Boatronic wird über eine steckbare Kabelverbindung einfach, zeitsparend und permanent der aktuelle Durchflusswert angezeigt. Das Display zeigt einen exakten Messwert an, wahlweise Volumenstrom, Temperatur oder die Nennweite der Armatur.
Wird das Messgerät zum Auslesen der Daten zusammen mit der Armatur installiert? Wie wird die Regulierung der Ventileinstellung gehandhabt? Kann die Leitung mit dem Ventil auch abgesperrt werden?
Hanewald: Das Messgerät Boatronic steht in zwei Varianten zur Auswahl. Die Ausführung M-420 wird stationär in der Nähe der Armatur montiert. Über einen Ausgang mit 4 bis 20mA kann das Messgerät in die Gebäudeleittechnik integriert werden, so dass die Werte für Durchflussmenge und Mediumtemperatur permanent abgefragt werden können. Die mobile Ausführung des batteriebetriebenen Messgeräts vom Typ M-2 ist sinnvoll, wenn in einer Anlage mehrere BOA-Control IMS-Messventile installiert sind. Bei Kontrollgängen muss einfach nur ein Verbindungskabel in den Anschluss zum Sensor der Armatur gesteckt werden, um die aktuellen Daten abzufragen. Weicht die Durchflussmenge vom Sollwert ab, kann die Ventilstellung korrigiert und das Ergebnis sofort wieder kontrolliert werden. Die Ventileinstellung lässt sich durch eine Feststellvorrichtung arretieren, um sie gegen unbeabsichtigtes Verstellen zu sichern. Das Ventil kann bei Bedarf auch geschlossen werden; eine zusätzliche Absperrarmatur wird also nicht benötigt. Eine Schutzkappe mit Hubbegrenzung sorgt dafür, dass beim Öffnen die eingestellte Ventilposition automatisch wieder exakt erreicht wird.
Für welche Anwendungsfälle wurde die Ausführung mit elektrischem Stellantrieb entwickelt?
Hanewald: Die Ausführung BOA-CVE-Control IMS ist ein Regelventil für die automatische Sollwertregelung. Zum integrierten Messsensor und zum Messgerät Boatronic M-420 kommt ein elektrischer Stellantrieb mit integriertem Prozessregler hinzu. Die Besonderheit ist, dass mit dieser Armatur ein autarker Regelkreis zur Verfügung steht. Es lässt sich also ein definierter Sollwert regeln. Mit konventionellen Bauteilen wäre zunächst eine Durchflussmesseinrichtung mit elektronischer Abnahme nötig; das Messsignal müsste an ein Regelorgan übermittelt werden, das ein Stellsignal erzeugt und dieses Stellsignal wiederum an ein Stellglied überträgt. Diesen regelungstechnischen Prozess deckt das Regelventil BOACVE Control IMS komplett ab. Für die Installation ist keine Einbindung in ein MSR-System notwendig, es ist lediglich eine Elektrozuleitung mit 230V AC oder 24V AC erforderlich. Messgerät und Regelung werden über den Stellantrieb mitversorgt. Insgesamt vereinfacht dies die Planung, die Ausschreibung sowie die Installation auch bei einer Nachrüstung erheblich.
Für die Bestimmung des passenden Ventiltyps und der richtigen Größe sollte das von KSB angebotene Auslegungsblatt genutzt werden. Warum ist dies von entscheidender Bedeutung?
Hanewald: Um den richtigen Ventiltyp zu bestimmen, müssen die Planungsdaten, Auslegungsparameter und die zu erwartenden Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Da die CVE-Ventile gegenüber handelsüblichen Stellventilen ein höheres Durchflussvermögen aufweisen, kann hier möglicherweise die vom Kunden getroffene Auswahl noch optimiert werden. Ein weiterer Faktor ist, dass im Betrieb innerhalb der Armatur Kavitation vermieden wird. Durch Kavitation entstehen bekanntermaßen nicht nur Schäden am Material, es würde auch das Messergebnis verfälscht. Dies kann bei richtiger Auslegung vermieden werden; dafür sind dann auch hohe Durchflussmengen bei geringen Durchflusswiderständen gewährleistet.
