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Neues Optimus-Verfahren automatisiert hydraulischen Abgleich

Mit der Inbetriebnahme einer neuen Heizung sah sich der Informatiker Michael Sparn mit dem Problem konfrontiert, die 25 Jahre alten NT-Heizkörper und Fußbodenheizungskreise auf den neuen Wärmeerzeuger abzustimmen. Sparn entwickelte dazu das Optimus-Verfahren zur "Thermisch Hydraulischen Optimierung" der Heizkörper und sparte innerhalb eines Jahres 4.000 Kilowattstunden Wärme ein. Grund genug für Sparn, das automatische Abgleichsverfahren als Patent anzumelden.

Der optimale Betriebspunkt stellt sich bei Nennbedingungen ein. Ist die Spreizung doppelt so hoch, muss der Massenstrom halb so groß sein, während das Produkt aus Spreizung und Massenstrom gleich bleibt. (Grafik: Quad Blau)

Der optimale Betriebspunkt stellt sich bei Nennbedingungen ein. Ist die Spreizung doppelt so hoch, muss der Massenstrom halb so groß sein, während das Produkt aus Spreizung und Massenstrom gleich bleibt. (Grafik: Quad Blau)

Der Hydraulische Abgleich ist unbestritten die richtige Methode für die Abstimmung zwischen Wärmerzeuger und Wärmeverbraucher. Dabei wird vor Allem auf die Hydraulik geachtet: Die bedarfsgerechte Versorgung der Wärmeverbraucher mit dem Heizungswasser, also dem Massenstrom, steht im Vordergrund. Zusätzlich sollen die Umwälzpumpen noch langsam laufen, um Strom zu sparen.

Dem thermischen Faktor der Spreizung wird hingegen weniger Beachtung geschenkt. Daher machte sich der Informatiker Michael Sparn Gedanken, wie der Prozess des hydraulischen Abgleichens unter Beachtung der jeweiligen Spreizung automatisiert werden könnte und erfand das Optimus-Verfahren der "Thermisch Hydraulischen Optimierung".

Beziehung zwischen Massenstrom und Spreizung

Worum geht es bei der Thermisch Hydraulischen Optimierung? Mit einem Satz gesagt: Definiere den richtigen Betriebspunkt und stelle ihn ein. Was ist nun der richtige Betriebspunkt und was wird wie eingestellt? Zu den technischen Daten eines Heizkörpers bzw. einer Flächenheizung gehört die Nennleistung zu Nennbedingungen. Aus dem Tripel (75 65 20) oder (55 45 20) lässt sich die Spreizung berechnen, 10 K. Wird diese Spreizung eingehalten, resultiert daraus ein Massenstrom von 0,086 kg/h für jedes Watt Nennleistung. Es gibt also eine Beziehung zwischen Massenstrom und Spreizung.

Der optimale Betriebspunkt stellt sich dann bei Nennbedingungen ein. Ist die Spreizung doppelt (z. B. 20 K) so hoch, muss der Massenstrom halb so groß sein. Das Produkt aus Spreizung und Massenstrom, die thermische Leistung, ist aber gleich. Um aber auch die gleiche Übertemperatur des Heizkörpers zu erreichen, wird die Vorlauftemperatur angehoben. Ein typisches, aber schlechtes Vorgehen, wenn es nicht warm genug wird, so Sparn.

Vereinfachte Rechnung bei unterschiedlicher Spreizung

1) Rechenbeispiel bei Nennspreizung:

Nennleistung 1.000 W, Tripel (55 45 20). Spreizung 55 °C – 45 °C = 10 K Massenstrom 86 kg/h, Übertemperatur5 (55 °C + 45 °C) / 2 - 20 °C = 30 K

2) Rechenbeispiel bei doppelter Spreizung:

Nennleistung 1.000 W, Tripel (60 40 20). Spreizung 60 °C – 40 °C = 20 K Massenstrom 43 kg/h, Übertemperatur (60 °C + 40 °C) / 2 - 20 °C = 30 K

Abstimmung von Pumpenleistung und Vorlauftemperatur

Ganz schlecht, so Sparn, wird es allerdings, wenn die Spreizung so groß wird und der Massenstrom so niedrig, dass die Rücklauftemperatur in die Nähe der Raumtemperatur gerät. Dramatisch wird es dann, wenn der Heizkörper bereits in der Mitte oder noch weiter oben schon kalt ist. Damit ist die Vergeudung von Heizenergie vorprogrammiert. Denn die Heizleistung wird aus der viel zu hohen Vorlauftemperatur gewonnen und die Heizfläche des Heizkörpers nicht voll ausgenutzt.

Mit Erhöhung der Pumpenleistung und Absenken der Vorlauftemperatur wird dieser Energievergeudung entgegengewirkt. Das kann natürlich manuell erfolgen. Sparn wollte dies jedoch automatisieren, indem der Betriebspunkt aller Heizkörper automatisch erfasst und für mindestens einen Heizkörper der optimale Betriebspunkt eingestellt wird. Wegen der typischerweise inhomogenen Auslegung von Heizkörpern wird der optimale Betriebspunkt allerdings nicht für alle Heizkörper machbar sein, so Sparn.

So funktioniert die Thermisch Hydraulische Optimierung

Für die Bestimmung des Betriebspunktes eines Heizkörpers werden die Rücklauftemperatur und der Grad der Öffnung der Thermostatventile gemessen. Diese Messwerte werden mit dem für die aktuelle Außentemperatur vorgegebenen Sollwert verglichen. Ist die Rücklauftemperatur zu niedrig, wird die Vorlauftemperatur abgesenkt und der Massenstrom erhöht. Hat ein Heizkörper die Sollrücklauftemperatur erreicht, ist die optimale Einstellung für diese Außentemperatur für alle Heizkörper gefunden. Für die Bestimmung der Sollwerte werden in der zentralen Regelung Parameter hinterlegt. Für den Standort ist die Auslegungsaußentemperatur wichtig, für die Bausubstanz die Heizgrenztemperatur. Zusammen mit der Mindestspreizung wird das THOp-Dreieck gebildet. Das wiederum ermöglicht die Berechnung der idealen Rücklauftemperatur und den Soll-Ist-Vergleich.

Dieser Prozessschritt wird regelmäßig wiederholt und auf diese Weise die Heizkurve nach und nach für alle Außentemperaturen nachjustiert. Ändert sich das Verhalten der Bewohner oder werden Änderungen in der Bausubstanz bzw. in der Heizungsanlage vorgenommen, wird das abgestimmte System verstimmt und die Optimierung wieder eingeleitet. Denn die Thermisch Hydraulische Optimierung ist integraler Bestandteil der Heizungsanlagenregelung.

Das Optimus-Verfahren zur "Thermisch Hydraulischen Optimierung" wurde mittlerweile als Patent (DE102012020750A1) veröffentlicht und in zwei eBooks ("Beim Heizen nichts vergeuden (THOp-Check)" und "Beim Heizen nichts vergeuden (Betriebspunkt von Heizkörpern)") näher beschrieben. Weitere Informationen erhalten Sie bei Dipl.-Inform. Michael Sparn unter quad.blau(at)t-online.de

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"Neues Optimus-Verfahren automatisiert hydraulischen Abgleich" wurde am 10.06.2014 verfasst