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Verluste genauer betrachtet

Rohrleitung/ Hydraulik

Womit wir bei der Rohrleitungsinstallation angekommen wären

Hier betrachten wir die Anlagenteile “Boiler” und “Gebäudeheizung” separat

Wie der Boiler vor meinem Eingriff angeschlossen war, haben sie ja schon oben in der Zeichnung gesehen. Diese Anschlußart war mit Sicherheit die billigst mögliche; man sparte eine Pumpe, einen Fühler, eine Rückschlagklappe...... In diesem Zustand nahm der Boiler nicht nur beim Kesselbetrieb nach einiger Zeit die gleiche Temperatur wie der Kessel, sondern auch bei den Betriebsunter- brechungen. Das bedeutet, daß ein energiesparender unterbrochener Betrieb gar nicht möglich war, weil die gesamte Energie im Heizungsnetz und im Boiler durch den Kessel über den Schornstein aus dem System entwichen wäre.

Um mir die Möglichkeit zu schaffen, die Boilertemperatur zu regeln, die Boilerladezeiten zu kontrollieren, und die einmal erzeugte Wärme im Boiler festzuhalten, habe ich dann die folgenden Änderungen an der Rohrleitungsinstallation vorgenommen:

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Wie sie erkennen können, habe ich hierbei den “Fehler” begangen, und habe den Heizungsvorlauf am oberen Anschluß des Wärmetauschers angeschlossen, was zur Folge hat, das nur ein geringerer Volumenanteil des Behälters auf die maximale Temperatur aufgeheizt wird. Bei unserem geringen Wasserverbrauch ergibt sich jedoch keinerlei Komforteinbuße.

Die Kombination aus Ladepumpe und Thermischem Absperrventil habe ich nachträglich installiert, weil sich gezeigt hat, daß es unter bestimmten Voraussetzungen vorkommen kann, das die Rückschlagklappe in der Boilerladeleitung vom Unterdruck der Heizungspumpe geöffnet wird und sich der Wärmeinhalt des Boilers in Richtung Gebäudeheizung verflüchtigt. Dann ist kurzzeitig kein warmes Wasser im Boiler.

Der Thermische Antrieb (beispielsweise Heimeier E-MOT) wird paralell zur Ladepumpe mit 220 V betrieben und benötigt für die vollständige Öffnung ca. 3 Minuten. Die Pumpe selbst wird vom Regler freigegeben, wenn die Boilertemperatur unter 41 °C liegt und das Zeitprogramm die Boilerladung erlaubt. Bei Erreichen von 45° Boilertemperatur wird die Brennerfreigabe abgeschaltet (bei reinem Sommerbetrieb), die Boilerladepumpe läuft jedoch noch 15 Minuten nach. Dadurch wird der Energieinhalt des Kessels zum Teil noch im Boiler nutzbar gemacht; außerdem wird am Kessel ein unerwünschtes “Nachheizen” ,und damit das Auslösen des Sicherheitsthermostaten vermieden. Die Verluste am Kessel werden durch die reduzierte Kesseltemperatur ebenfalls verringert.

Nun betrachten wir einmal das gesamte hydraulische System:

Im Originalzustand:

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Was für den Boilerbetrieb galt, galt auch für den Heizungsbetrieb. Da es sich bei dem Kessel um einen sogenannten “Konstanttemperaturkessel” handelt, mußte er ohne Rücksicht auf den jeweiligen Wärmebedarf immer mit einer Mindesttemperatur betrieben werden. Diese lag, wenn man die Schornsteinversottung unberücksichtigt lässt, etwa bei 65 °C. Wegen der fehlenden Temperaturregelung für den Heizkreis stand diese Temperatur während des Betriebes überall zur Verfügung. Einerseits wurde dadurch mit Sicherheit während der Übergangszeiten die Raumheizung überversorgt (was zur Energieverschwendung durch Lüften führt), andererseits nahm der Boiler im Laufe des Betriebes die Kesseltemperatur an. Durch die überhöhten Temperaturen im gesamten System ist natürlich der Wärmeverlust an den Oberflächen von Verteilungsleitungen (z.B. im Keller) und Boiler erheblich höher, als bei geregelten, niedrigeren Temperaturen.

Wie bereits oben erwähnt, war diese Installation denkbar ungeeignet für einen unterbrochenen, energiesparenden Heizungsbetrieb. Da keinerlei automatische Absperrorgane vorhanden waren, hat sich bei jeder Abschaltung der gesamte Energieinhalt des Kessels, des Boilers und aller angeschlossen Rohrleitungen über den Schornstein verflüchtigt. Hier kann man wirklich sagen: Billig gebaut - teuer geheizt! Seit 30 Jahren!

Und nach dem (ersten) Umbau:

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Der Einbau des Dreiwege-Mischventils erlaubt mir jetzt, im Kessel und im Heizkreis unterschiedliche Temperaturen zu “fahren”. Der Kessel hat weiterhin seine Mindesttemperatur von ca 65°C, während die Heizungsvorlauf je nach Witterung bis auf 33°C (Altbau) reduziert werden kann. Wenn in den betriebsfreien Zeiten der Kessel abgeschaltet wird, läuft auch die Heizungspumpe noch ca 30 Minuten nach, um die Wärme noch der Raumheizung zur Verfügung zu stellen, und die Verluste im Kessel zu reduzieren. Nach Ablauf der Zeit schließt das Ventil den Heizungsvorlauf. Damit ist die verbliebene Wärme im Kessel zumindest auf der Wasserseite hermetisch eingeschlossen.

Zusammen mit der Installation der Luftführung (Schornstein, Zuluft, Klappen), und der Isolierung, braucht der Kessel nun mehr als 48 Std, um wieder auf Raumtemperatur abzukühlen.

Trotz der durch diese Hydraulik erzielten enorm hohen Einsparungen an Brennstoff (siehe das Verbrauchsjahr 2002!) Muß ich gestehen, daß sie einen gravierenden Fehler enthält, und die besonderen Bedürfnisse der Ölfeuerung bezüglich einer Mindestrücklauftemperatur zur Vermeidung von Taupunktkorrosion nicht erfüllt.

Auch alle möglichen Regelungstechnischen Tricks (Pumpenfreigabe erst nach Erreichen der Kesselmindesttemperatur, Schließen des Mischventils bei Unterschreitung der Mindesttemperatur) konnten bei der von mir angewendeten Betriebsweise mit einer Totalabschaltung der Heizung in den betriebsfreien Zeiten eine Taupunktunterschreitung nicht sicher vermeiden. Die Kesselvorlauftemperatur wurde zwar schnell erreicht, jedoch blieb die Kesselrücklauftemperatur dauerhaft unter der Taupunkttemperatur von 47 °C (bei ÖL). So kam es im Bereich des Rücklaufeintritts in den Kessel zu deutlicher Kondensation von Schwefelsäure, die dann zu Korrosion führt. Diesem Thema werde ich noch einen gesonderten Abschnitt widmen.

Mit der oben gezeigten Schaltung können Sie nur sofort Energie sparen, ohne einen neuen Kessel anzuschaffen. Mit dieser Schaltung wird der Kessel im Laufe der Zeit durchrosten, so daß ein neuer Kessel irgendwann doch fällig wird!

Für diejenigen, die nicht nur Energie sparen wollen, sondern auch noch eine besonders lange Lebensdauer Ihres Kessels erzielen wollen, habe ich 2003 noch eine besondere hydraulische Schaltung mit zugehöriger Regelung entworfen, die dieses Problem unter allen Betriebsbedingungen sicher und dauerhaft beseitigt.

Bei alten Kesseln sparen wir dann nämlich zusätzlich die Energie, die zur Herstellung des neuen Kessels erforderlich ist! Ebenfalls ein Beitrag zum Umweltschutz. Die Schaltung ist allerdings auch für neue Kessel geeignet und von einer bereits bekannten hydraulischen Schaltung von Buderus abgeleitet.

Hydraulisches Schema mit Rücklauftemperaturregelung zur Verringerung der Korrosion

Der entscheidende Unterschied dieser hydraulischen Schaltung ist die Verwendung einer “Hydraulischen Weiche” zwischen dem Wärmeerzeuger (Kessel) und den Wärmeverbrauchern (Heizkreise, Boiler...). Eine hydraulische Weiche ist prinzipiell ein Stück Rohr (mit größerem Durchmesser), an dem sowohl Vor- und Rücklauf des Wärmerzeugers, als auch der Verbraucher angeschlossen wird. Dadurch entsteht für die Wärmeverbraucher zunächst einmal ein “Kurzschluß” für die Umwälzpumpe; die Verbraucherumwälzpumpe kann nun kein Wasser mehr aus dem Wärmeerzeuger ansaugen, das Wasser im Kessel steht. still. Um dennoch die erzeugte Wärme aus dem Kessel zu den Verbrauchern zu transportieren, benötige ich zwangsläufig eine Kesselkreispumpe. Diese sollte so ausgelegt sein, das die in der Lage ist, genau die Wassermenge zu transportieren, die bei einer Temperaturspreizung von 20 (bzw. 15) K exakt der vom Brenner erzeugten Wärmemenge entspricht.

Nun kann ich aufgrund der hydraulischen Trennung des Kesselkreises vom Verbraucherkreis in beiden Kreisen unterschiedliche Wassermengen (und Temperaturen) “fahren”.

Hierbei ist die Wassermenge im Kesselkreis immer gleich groß, während sie im Verbraucherkreis je nach Stellung der Thermostatventile veränderlich sein kann.

Das alleine ist in Bezug auf die Anhebung der Rücklauftemperatur (Korrosionsverminderung, Säuretaupunkt) bereits eine erhebliche Verbesserung gegenüber der vorherigen Hydraulik.

Vorausgesetzt, meine Regelung regelt den Kessel auf eine Mindestvorlauftemperatur von 65 °C, dann wird sich aufgrund der Fördermenge der Kesselkreispumpe eine Rücklauftemperatur von etwa 45 °C einstellen. Das ist bereits erheblich höher, als vorher beispielsweise in der Übergangszeit. Der Kessel wurde zwar ebenfalls auf 65 °C geregelt, jedoch habe ich ja durch den Mischer im Verbraucherkreis die Vorlauftemperatur bis auf minimal 33 °C (Heizkurve) heruntergeregelt.Damit lag dann natürlich die Rücklauftemperatur am Kessel noch unter 33°C

Dennoch genügt mir die gedachte Rücklauftemperatur von 45 °C aus drei Gründen immer noch nicht:

 Erstens liegt der Taupunkt bei der Ölfeuerung bei etwa 47 °C, so das die erreichbaren 45 ° Rücklauftemperatur noch etwas knapp sind.

Zweitens hat die Kesseltemperaturregelung ein Schaltspiel (Hysterese), so das sowohl die Vorlauftemperatur, als auch die Rücklauftemperatur schwanken können.

Drittens kühlt die gesamte Heizungsanlage durch die häufigen Betriebsunterbrechungen ziemlich stark ab (besonders der Wasserinhalt der Radiatoren), so das ohne weitere Maßnahmen die Rücklauftemperatur trotzdem lange Zeit unterhalb des Taupunktes läge.

Als weitere Maßnahmen habe ich zusätzlich im Heizungsregler eine Funktion programmiert, die die Verbraucherpumpen erst dann einschaltet, wenn die Kesselrücklauftemperatur mindestens 50°C beträgt. Das ist zwar wiederum eine kleine Hilfe, reicht aber immer noch nicht aus, da ja nur der geringe Wasserinhalt des Kessels (etwa 32 Liter) warm ist. Der gesamte Inhalt der Verteilungsleitungen und der Radiatoren (geschätzt etwa 300 Liter) ist ja immer noch kalt.

Nun komme ich zur Funktion des Dreiwegemischers, der sich im Kesselrücklauf zwischen der Kesselkreispumpe und der hydraulischen Weiche befindet.

Dieser Mischer ist so aufgebaut, das der Ventilstößel im Normalfall (Ohne den Stellantrieb) genau wie bei einem Thermostatventil herausgedrückt wird. Allerdings ist in dieser Stellung dann der gerade Durchgang gesperrt, der Bypass ist geöffnet.

Ohne einen Stellantrieb kann also kein Wasser aus der hydraulischen Weiche in den Kesselrücklauf gelangen. Dadurch wäre also schon einmal sichergestellt, das sich der Kessel in der kürzest möglichen Zeit aufheitzt, und schnell den Temperaturbereich des Taupunktes überschreiten kann.

Als Stellantrieb habe ich Keinen elektrisch betriebenen Antrieb gewählt, sondern einen Antrieb, der genauso aufgebaut ist, wie ein Thermostatkopf. Der Unterschied ist nur, das der Fühler nicht direkt im Kopf sitzt, sondern als Fernfühler mit einem Kapilarrohr in einer Tauchhülse unmittelbar vor dem Kessel im Rücklauf montiert ist. Natürlich hat der Fühler einen anderen Messbereich als ein Thermostatkopf.

Bei steigender Temperatur wird nun der Stellantrieb entsprechend seinem Sollwert den Ventilstößel langsam hereindrücken - der Bypass wird also bei Erreichen der gewünschten Rücklauftemperatur geschlossen, es kann also Wasser im Kesselkreis  über die Weiche zirkulieren, der Heizbetrieb wird aufgenommen.

Die Vorteile dieser Schaltung sind ziemlich offensichtlich:

Durch das Regelventil, das ohne Fremdenergie auskommt, kann ich in jeder Betriebssituation sicherstellen, das der Kessel schnellstmöglich aufgeheizt wird und den Temperaturbereich des Taupunktes sicher und dauerhaft überschreitet.

Damit ist die Gefahr der Taupunktkorrosion auf ein absolutes Minimum reduziert, so das ich davon ausgehen kann, das mein alter Gusskessel noch weiterhin ein langes Leben haben wird.

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Bitte sehen sie großzügig über die Unordnung auf den Bildern hinweg. Es handelt sich ja immerhin noch um eine Baustelle, wie man beispielsweise an der fehlenden Stromzuleitung der Heizungspumpe erkennen kann.

Auf dem 4.Bild von links möchte ich sie besonders auf die Wärmedämmung des Mischventils rechts neben der Weiche aufmerksam machen. Auch, wenn es nur ein kleines Bauteil ist, so trägt dessen Dämmung wieder zur Verringerung der Bereitstellungsverluste des Kessels bei. Durch die geänderte Hydraulik gehören alle Bauteile bis einschließlich zur Weiche zum Kessel!

Die Weiche selbst, die bereits mit einer fertigen Wärmedämmung geliefert wurde, musste ich ebenfalls zusätzlich dämmen, da hier auch noch zuviele Verluste auftraten. Nun hat die gesamte Kesselanlage bei einer mittleren Kesseltemperatur von etwa 71 °C einen Bereitstellungsverlust von etwa 0,81 % bzw 242 Wh / h.

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