Durchflusssystem mit Strahlpumpentechnik

Bild: panthermedia.net/Volker Riechert

Die folgenden Abbildungen zeigen häufig eingesetzte hydraulische Schaltungen für Anlagen zur Erwärmung von Trinkwasser mit Speicher und im Durchflusssystem ohne Speicher.

Warmwasserbereitung mit Speicher. Bild: W. Bälz & Sohn GmbH & Co.

 

Warmwasserbereitung im Durchflusssystem. Bild: W. Bälz & Sohn GmbH & Co.

Die Warmwasserbereitung mit Speicher wird noch häufig in den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Fernwärmeversorger empfohlen. Daher ist diese Technik weit verbreitet, obwohl zahlreiche Nachteile mit ihr verbunden sind:

• höherer Platzbedarf
• erhöhte Investitionskosten
• unnötige Wärmeverluste durch große Speicheroberfläche
• erhöhte Heizmittelrücklauftemperatur während der Aufheizphase
• erhöhte Legionellengefahr Die Warmwasserbereitung im Durchflussprinzip hat gegenüber der Variante mit Trinkwasserspeicher(n) vor allem hygienische und energetische Vorteile.

Die Warmwassertemperatur soll dabei mit möglichst kleinen Toleranzen genau geregelt werden. Diese Temperaturregelung erfolgt durch die primärseitige Regelung des Heizmediums. Das Trinkwasser wird im Wärmeübertrager im Durchlauf erwärmt.

Ein Problem des Durchflusssystems war in der Vergangenheit die immer noch oft verwendete Drosselschaltung mit Durchgangsregelventil. Der gegenüber der Beimischschaltung geringere Wasservolumenstrom durch den Wärmeübertrager erschwert ein gutes Regelverhalten im Teillastfall.

Die nächsten Bilder zeigen den Aufbau der Drosselschaltung und den Aufbau der sinnvolleren Schaltung mit einer Beimischung.

Drosselschaltung. Bild: W. Bälz & Sohn GmbH & Co.

Beimischung mit Strahlpumpen-Regelung. Bild: W. Bälz & Sohn GmbH & Co.

Bei der Beimischschaltung werden Systeme mit und ohne Umwälzpumpe unterschieden.

Die bessere Alternative zur Umwälzpumpe ist die sogenannte Strahlpumpe, welche den Umwälz-Volumenstrom nach dem Injektionsprinzip erzeugt und somit gegenüber der Umwälzpumpe Investitionskosten und Energie spart.

Die Beimischung mittels Strahlpumpe bewirkt eine angepasste Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager und eine erhöhte Wassermenge im Teillastfall. Damit wird der Wärmeübergang verbessert. In einem Lastbereich um ca. 3 % beispielsweise wird im Vergleich zur Drosselschaltung ca. die 9-fache Wassermenge über dem Wärmeübertrager umgewälzt. Diese Wassermenge garantiert ein stabiles Regelverhalten auch in kleinsten Lastbereichen, z. B. nachts bei der bloßen Erwärmung des Zirkulationswassers.

Vorteile der Beimischschaltung mittels Strahlpumpenregelung:

• Verringerung von Materialspannungen am Wärmeübertrager
• Verringerung der Verkalkung durch die Temperaturanpassung
• Ausregelung von Druckschwankungen im Primärnetz des Wärmeversorgers
• Vergrößerung der zirkulierenden Wassermenge auf der Primärseite des Wärmeübertragers im Teillastbetrieb
• Stabiles Regelverhalten von 1–100 % Lastschwankungen
• Schnelle Reaktionszeiten durch Kaskadenregelung
• Niedrige Rücklauftemperatur (Die speichergebundene Warmwasserbereitung ist eine Ursache für überhöhte Rücklauftemperaturen in Wärmenetzen)

Beispiel: 60 °C Trinkwasser sollen geregelt werden. Bei der Drosselschaltung mit Durchgangsregelventil werden 125 °C gemäß dem Beispiel in jedem Lastfall in den Wärmeübertrager eintreten. Aus zu hohen Heizungswasser-Vorlauftemperaturen ergeben sich diverse Nachteile für das Material und die Regelung.

Die Beimischung des Rücklaufwassers durch die Strahlpumpe dagegen erfolgt nur mit einem geringen Mehraufwand gegenüber einer Drosselschaltung und spart Betriebskosten. Damit entfällt der Hauptgrund für den Einsatz einer einfachen Drosselschaltung.

Die Beimischregelung der Temperatur mit einer Strahlpumpe liefert die idealen Voraussetzungen für Anlagen mit Wärmeübertragern, insbesondere bei der Anwendung zur Warmwasserbereitung im Durchflusssystem.

Das folgende Bild zeigt eine Anlage mit Strahlpumpe und separatem Schaltkasten.

Strahlpumpen-Regelung im Durchflusssystem. Bild: W. Bälz & Sohn GmbH & Co.

Anlagen mit separater Gebäudeleittechnik können direkt an den Motorhubantrieb der Strahlpumpe angeschlossen werden. Alternativ kann dann ein Mikroprozessor-Regler mit Busschnittstelle genutzt werden, der unter der gelben Haube des Antriebs installiert wird. Der im Bild sichtbare Schaltkasten kann dann entfallen.

Die regelungstechnischen Varianten (Kaskadenschaltung) und die hydraulischen Schaltungen, z. B. mit Vor- und Nachwärmer sind je nach Anwendung vielfältig. Es gilt gemäß den technischen Randbedingungen der Versorgerseite (Fernwärme, Kesselanlage) und dem sekundärseitigen Bedarf (Wohngebäude, Krankenhäuser, Industrie) die optimale Lösung zu erarbeiten. Ein geringfügiger Mehraufwand in der Planung mit dem Vergleich einiger unterschiedlicher Varianten spart während des Betriebes oft tausende Euro.

Fazit

Die Speicherung von Trinkwasser ist in den seltensten Fällen noch notwendig. Der Anlagenaufbau ohne Speicher liefert unter den aktuellen technischen Rahmenbedingungen die nachhaltigere Technik. Die richtige Hydraulik, moderne Regelungstechnik und schnelle Antriebe ermöglichen Reaktionszeiten für Durchflusssysteme in wenigen Sekunden. Systeme mit primärseitigem Heizungsspeicher sind bei Anwendungen mit Spitzenlastfällen sinnvoll, bei denen der Leistungsbedarf über dem Leistungsangebot der Versorgungsanlage liegt (Kesselleistung, Fernwärmeanschlusswert).

Erfahrungswerte aus der Praxis

Bei der Bayer HealthCare am Standort in Berlin hatte der Projektverantwortliche, Dipl.-Ing. Dirk Hellweg von der Bayer Technology Services GmbH, in der Ausführungsplanung sehr dynamische Anforderungen für die Warmwassererwärmung im Durchflusssystem definiert. Sprungartig geänderte Volumenströme des Warmwasserbedarfs in einem Hochhaus von 100 % (4 auf 8 m³/h) sollten innerhalb weniger Sekunden erwärmt werden. Die zulässige Regeltoleranz für die Warmwasser-Vorlauftemperatur wurde mit max. +/-5 K vorgegeben. Diese Vorgabe wurde erfolgreich durch die Beimischregelung mit Strahlpumpen bei allen beauftragten vier Anlagen getestet. Die Anlagen sind seit November 2013 erfolgreich in Betrieb, und weitere Projekte mit Strahlpumpentechnologie wurden von der Bayer HealthCare bereits beauftragt.