Kapitel 8: Hydraulische Einbindung · Hydraulische Einbindung 8. Hydraulische Einbindung Die Einbindung eines Biomasse-Heizkessels erfordert prinzipiell keine speziellen Maßnahmen

Kapitel 8: Hydraulische Einbindung

Inhaltsverzeichnis

8. Hydraulische Einbindung 2

8.1 Allgemeines 2

8.2 Aufbau hydraulischer Netzwerke 3

8.3 Grundlegende Verteilervarianten 5

8.4 Verbraucherschaltungen 6 8.4.1 Grundlegendes 6 8.4.2 Mengenvariable Schaltungen 7 8.4.3 Mengenkonstante Schaltungen 9 8.4.4 Zusammenfassung der Schaltungseigenschaften 13 8.4.5 Zusammenfassung der Einsatzgebiete 14

8.5 Pufferspeicher 15 8.5.1 Dimensionierung eines Pufferspeichers 16 8.5.2 Integration eines Pufferspeichers 19

8.6 Einbindung einer Solaranlage 21

8.7 Quellen 23

Hydraulische Einbindung

8. Hydraulische Einbindung

Die Einbindung eines Biomasse-Heizkessels erfordert prinzipiell keine speziellen Maßnahmen auf Seite der Hydraulik. Für das Wärmeverwertungssystem ist die Art und Weise wie Wärme bereitgestellt wird nicht von herausragender Bedeutung. Im Umkehrschluss bedeutet dies auch, dass die Auslegung der Anlage allgemein nach Gesichtspunkten des hydraulischen Abgleichs1, geeigneter Ventilautoritäten2 etc. stattfinden soll.

Eine Ausnahme bilden allerdings die scheitholzbefeuerten Kessel. Da diese Kessel nicht regulierbar sind3, muss zwingend eine Wärmeabnahme erfolgen, da zum Zeitpunkt des Abbrandes nicht sichergestellt ist, dass die gesamte erzeugte Leistung auch direkt verbraucht wird. Um eine etwaige Überproduktion an Wärme abzufangen ist ein Pufferspeicher im hydraulischen Netz vorzusehen.

Wie auch bei anderen Kesseln ist ebenfalls bei Biomassekesseln eine Rücklaufanhebung vorzusehen, so sie nicht bereits vom Hersteller integriert wurde. Sie dient zur Vermeidung übermäßiger Korrosion im Bereich der Wärmetauscherflächen auf der Abgasseite.

Als empfehlenswerte Literatur zum Thema Hydraulik in Gebäudeanlagen sei auf das Werk „Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 2005/06“ von H. Recknagel, erschienen im Oldenburg Industrieverlag4, verwiesen.

8.1 Allgemeines

Die nachfolgenden Beschreibungen von Hydrauliknetzwerken im Allgemeinen und Grundschaltungen der Hydraulik in der Gebäudetechnik im Speziellen beziehen sich im Wesentlichen auf die VDI-Richtlinie VDI 2073. In Tabelle 1 sind die in diesem Kapitel verwendeten graphischen Symbole zur Veranschaulichung der Schaltungsvarianten angeführt.

1 Der hydraulische Abgleich bezeichnet die Abstimmung hinsichtlich des Druckverlustes mehrerer Heizkreise untereinander bzw. mehrere Heizkörper in einem Heizkreis. Er bewirkt, dass durch jeden Heizkreis (bzw. Heizkörper) der gleiche (bzw. gewünschte) Massenstrom fließt. 2 Die Ventilautorität beschreibt das Verhältnis von Druckverlust über das Ventil zum Druckverlust über das gesamte hydraulische Netzwerk. Sie gibt somit an wie gut das Ventil „greift“ (zum Regeln verwendet werden kann). 3 Ist das Scheitholzfeuer einmal entfacht, kann es nicht wie z.B. bei Pelletskesseln durch eine geringere Brennstoffzufuhr geregelt werden. 4 Neue Auflagen erscheinen in regelmäßigen Abständen

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Hydrauliknetzwerke

Rücklauf

motorbetriebenes Ventil

Fixer Durchfluss

Variabler Durchfluss

Motorbetriebenes 3-Wege-Ventil

Erzeuger

Vorlauf

Pumpe

Verbraucher

Verteiler

Pufferspeicher

Tabelle 1: graphische Symbole

In den nachfolgenden Abbildungen der Grundschaltungen finden sich jeweils zwei Schaltungszustände. Die linke Zeichnung beschreibt immer den Zustand mit geschlossenem Regelventil, während hingegen die rechte Zeichnung ein komplett offenes Regelventil beinhaltet. Die weißen Pfeile im Vor- und Rücklauf symbolisieren die Hauptströmungsrichtung des Heizmediums (siehe Kapitel 8.4).

In den Erklärungstexten zu den einzelnen Schaltungen mit Bypass ist von Primär- und Sekundärseite die Rede. Die Primärseite meint in diesen Ausführungen die dem Verteiler nähere, linke Seite der Schaltung, während hingegen die Sekundärseite den Teil rechts vom Bypass bezeichnet.

8.2 Aufbau hydraulischer Netzwerke

In hydraulischen Netzen werden prinzipiell unterschiedliche Funktionen erfüllt. Am Beispiel der Wärmebereitstellung wird die notwendige Energie erzeugt, verteilt und verbraucht. Dementsprechend unterscheidet man drei Bereiche in einem Rohrnetzwerk (siehe Abbildung 1), die jeweils spezifischen Aufgaben übernehmen:

- Erzeuger

- Verteiler

- Verbraucher


Abbildung 1: Grundsätzlicher Aufbau eines hydraulischen Netzes

Es ergeben sich naturgemäß gewisse Forderungen an die einzelnen Bereiche des gesamten Netzwerkes:

Erzeuger

- Volumenstrom, sowie Vor- und Rücklauftemperatur müssen den Erzeugerforderungen entsprechen

- Möglichst lange Erzeuger-Laufzeiten sind wünschenswert um häufiges Hoch- und Niederfahren zu verhindern (Verbesserung des Jahresnutzungsgrades)

- Erzeugerbetrieb muss unabhängig von Übergabezwängen (Wärmeabnahme) möglich sein

Verteiler

- Fungiert als Bindeglied zwischen Erzeuger und Verbraucher

- Verbraucherschaltungen mit gleichem oder ähnlichem Verhalten sollen an einem Verteiler angeschlossen werden

Verbraucher

- Anpassungsfähigkeit an Leistungsforderung ist zwingend notwendig

- Die Verbraucherschaltungen müssen zum Verteiler passen oder umgekehrt (mit oder ohne Differenzdruck)

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Hydrauliknetzwerke

8.3 Grundlegende Verteilervarianten

Bei hydraulischen Verteilern wird zwischen Varianten mit oder ohne Hauptpumpe unterschieden. Das Vorhandensein einer Hauptpumpe im Vorlauf bringt mit sich, dass, sofern keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden, ein Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf am Erzeuger anliegt. Ist eine derartige Pumpe nicht in das Verteilsystem integriert, dann wird der Verteiler als drucklos angesehen5.

Eine weitere, dritte Variante ist der Verteiler mit Hauptpumpe und hydraulischer Weiche vor den Verbraucherschaltungen. Diese hydraulische Weiche stellt einen Bypass dar und bewirkt, dass der Verteiler differenzdruckarm arbeitet.

Differenzdrucklose Verteiler oder Anschlüsse kommen überwiegend in kleineren Heizungsanlagen zum Einsatz. Sie haben den Vorteil, dass trotz schwankender Bedingungen auf der Erzeugerseite konstante Verhältnisse auf der Verbraucherseite herrschen.

Einen Überblick über die Eigenschaften und Einsatzgebiete der beschriebenen Verteilertypen gibt die Tabelle 2.

Hauptpumpe OHNE MIT

Bypass OHNE OHNE MIT

Druck-verhältnis

Drucklos Druckbehaftet Druckarm

Pumpen-regelung - Drehzahl ungeregelt ungeregelt

Volumen-strom über Erzeuger

variabel variabel konstant konstant

Rücklauf-temperatur zu Erzeuger

tief tief hoch hoch

Geeignete Schaltungen

Ladekreis Beimischschaltung

Zonenregelung Drosselschaltung Umlenkschaltung Einspritzschaltung

Zonenregelung Drosselschaltung Umlenkschaltung Einspritzschaltung

Ladekreis Beimischschaltung Einspritzschaltung*

* eine weitere Pumpe muss dafür im Vorlauf vor dem Regelventil einsetzt werden

Tabelle 2: Übersicht über Verteilertypen, deren Eigenschaften und Einsatzgebiete [i]

5 geringe Vorwiderstände treten lediglich aufgrund der Strömungswiderstände in den Leitungen auf

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Eine Erklärung zu den Funktionsweisen der einzelnen Schaltungen gibt nachfolgendes Kapitel 8.4.

8.4 Verbraucherschaltungen

8.4.1 Grundlegendes

Die Leistung an einem Verbraucher oder Erzeuger berechnet sich nach folgender

Überlegung: ρ⋅⋅∆⋅= pcTVQ**

Hierin bedeuten: Leistung *Q

Volumenstrom *V

spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck pc

ρ Dichte

T∆ Temperaturdifferenz über Erzeuger oder Verbraucher

Für weiterführende Betrachtungen kann die spezifische Wärmekapazität cp und die Dichte ρ als konstant über den geschlossenen Hydraulikkreislauf angesehen werden, was zu einer Vereinfachung des oben gezeigten Zusammenhanges führt.

Es gilt: TVQ ∆⋅≈**

Dies bedeutet, dass sich die Leistung proportional zum Volumenstrom bzw. zur Temperaturdifferenz verhält und zeigt die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Leistung über einen Verbraucher auf. Sowohl eine Variation des Volumenstroms, als auch eine Änderung der Temperaturdifferenz führt zu einer Änderung der Leistung. Dementsprechend ergeben sich zwei Gruppen von Schaltungen6:

- Mengenvariable Schaltungen (Variation des Volumenstroms)

- Mengenkonstante Schaltungen (Variation der Temperaturdifferenz)

6 Alternativ zu dieser Einteilungsmethode kann auch das Verteilnetz zur Kategorisierung herangezogen werden. Je nachdem ob auf dieser Ebene ein Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf anliegt erfolgt die Unterteilung in differenzdruckbehaftete oder differenzdruckfreie Anschlüsse.

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8.4.2 Mengenvariable Schaltungen

Drosselschaltung

Die Variation der Leistung erfolgt bei dieser Schaltung rein über die Stellung des Ventils im Vorlauf7. Daraus resultiert eine Beeinflussung des Volumenstroms im gesamten Kreis und somit auch im Verbraucher. Die hier im Vorlauf eingezeichnete Pumpe symbolisiert, dass entweder der Verteiler mit einer Hauptpumpe ausgestattet sein muss oder die Pumpe tatsächlich wie in Abbildung 2 in die Schaltung zu verbauen ist.

Regelventil geschlossen Regelventil geöffnet

Abbildung 2: Drosselschaltung

Die Drosselschaltung zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

- Tiefe Rücklauftemperatur bei Teillast

- Langsame Fließgeschwindigkeit bei Teillast

- Variabler Volumenstrom im gesamten Kreis

- Zonenventil mit richtiger Autorität auslegen!

- Verteiler muss differenzdruckbehaftet sein (oder Pumpe in der Schaltung!)

Aufgrund der tiefen Rücklauftemperatur ergeben sich folgende Anwendungsgebiete:

- Fernwärme

- Brennwertkessel

- Anbindung an Pufferspeicher

- Zonenregelung bei Radiator- und Fußbodenheizungssystem

Bei mehreren Drosselschaltungen im Rohrnetzwerk verschiebt sich durch die Hubänderung am Ventil und der daraus resultierenden Druckänderung der Arbeitspunkt

7 Das Ventil muss nicht zwingend im Vorlauf montiert werden. Die gewünschten Effekte stellen sich bei einer Montage im Rücklauf ebenso ein.

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für die Pumpe, was eine Änderung des Energiebedarfs bedeutet. Die auftretende Differenzdruckänderung führt zu einer Beeinflussung der einzelnen Verbraucher.

Umlenkschaltung

Bei dieser Schaltung handelt es sich im Prinzip um eine Erweiterung bzw. Abwandlung der Drosselschaltung. Die Leistung wird wieder über den Volumenstrom reguliert, mit dem Unterschied, dass der Wassermengenstrom primärseitig konstant gehalten wird. Über das hier im Rücklauf integrierte Dreiwegeventil wird bei Bedarf ein Teil des Vorlaufes direkt in den Rücklauf umgelenkt, was zu einer Reduktion des Volumenstroms im Verbraucher führt. Auch hier steht die Pumpe entweder für einen differenzdruckbehafteten Verteiler oder für eine tatsächliche Pumpe im Schaltungskreis.


Abbildung 3: Umlenkschaltung

Folgende Merkmale:

- Keine leistungsgeregelte Pumpe notwendig, da Volumenstrom im Primärkreislauf konstant

- Immer maximale Temperatur des Primärkreislaufes am Verbraucher

- Im Teillastbetrieb Anhebung der Rücklauftemperatur

- Schnelle Verfügbarkeit des heißen Primärmediums am Verbraucher

Anwendungsgebiete:

- Luftheizregister8

- Zonenregelung9

8 Vorrichtung zum Erhitzen von Luft. Wird oft in Passivhäusern eingesetzt 9 Zonenregelungen übernehmen die Feinregelung der Temperaturen in den einzelnen Räumen (Zonen) eines Gebäudes

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8.4.3 Mengenkonstante Schaltungen

Beimischschaltung

Einfache Beimischschaltung

Diese Schaltung arbeitet mit einer konstanten Strömung im Sekundärkreislauf (siehe Abbildung 4) und reguliert die Leistung über die Vorlauftemperatur. Bei einer Absenkung der Leistungsanforderung wird über das Dreiwegeventil ein Teil des Rücklaufs zum Vorlauf gemischt und so eine niedrigere Temperaturdifferenz über den Verbraucher erreicht.

Da diese Schaltung sehr leicht zu realisieren ist erfreut sie sich großer Beliebtheit und ist am Weitesten verbreitet.

Es ist kein Differenzdruck auf der Verteilerseite erlaubt, was eine Pumpe im Sekundärkreislauf bedingt.


Abbildung 4: Beimischschaltung

Eigenschaften:

- Gute Regelfähigkeit durch konstanten Volumenstrom im Sekundärkreis

- Das Temperaturniveau ist primär- und sekundärseitig annähernd gleich. Daraus folgt, dass mit dieser Schaltung keine Koppelung eines Niedertemperatursystems an ein Hochtemperatursystem realisiert werden kann.

Anwendungen:

- Heizkörpersysteme (Standardschaltung für Heizkörper)

- Luftheizregister

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Beimischschaltung mit fixer Vormischung

Als Variante der Beimischschaltung kommt auch die sog. Doppelte Beimischung oder auch Beimischung mit fixer (fester) Beimischung zum Einsatz. Bei dieser Schaltung wird ein fixer Bypass in den Sekundärkreislauf verbaut. Auf diese Art können unterschiedliche Temperaturniveaus im Primär- und Sekundärkreislauf realisiert werden. Unabhängig von der Stellung des Dreiwegeventils wird eine fixe Menge des Rücklaufmediums zum Vorlauf gemischt (siehe Abbildung 5).


Abbildung 5: Beimischschaltung mit fixer Vormischung

Merkmale:

- Gute Regelfähigkeit

- Temperaturniveaus in Primär- und Sekundärkreislauf unterschiedlich

- Differenzdruck primärseitig nicht gestattet.

- Keine großen Distanzen (<20m) zwischen Bypass und Regelventil (Dreiwegeventil)

Anwendungen:

- Allgemein: Verbraucherkreise mit niedrigerer Vorlauftemperatur als Erzeuger

- Speziell: Niedertemperaturheizungen (Fußbodenheizung) an einem Hochtemperatursystem

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Hydrauliknetzwerke

Einspritzschaltung

Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

Die Einspritzschaltung erfordert sowohl im Verteiler-, als auch im Verbraucherkreis zwingend jeweils eine Pumpe. Je nach Stellung des Durchgangventils (in Abbildung 6 im Rücklauf eingezeichnet) wird aus dem Primärkreis mehr oder weniger heißes Wasser in den Verbraucherkreis eingespritzt. Dies bedeutet, dass beim Verbraucher der Volumenstrom konstant ist und lediglich das Temperaturniveau des Vorlaufmediums adaptiert wird. Im Erzeugerkreis ergeben sich im Umkehrschluss große Änderungen von Temperatur und Druck, was bei der Einbindung mehrerer Gruppen in das System zu beachten ist.


Abbildung 6: Einspritzschaltung mit Durchgangsventil

Eigenschaften:

• Zur Dimensionierung des Regelventils muss der Differenzdruck über den Verteiler bekannt sein (Differenzdruck über das Ventil > Differenzdruck über den Verteiler)

• Unterschiedliche Temperaturniveaus für die Primär- und Sekundärseite

Anwendungen:

• Heizkörpersysteme

• Niedertemperaturheizungen (Fußboden)

• Luftheizregister

• Fernheizung

• Brennwertgeräte

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Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil

Der Mechanismus funktioniert an sich ähnlich wie die Einspritzschaltung mit Durchgangsventil, mit dem Unterschied, dass eine Vermischung des frisch eingespritzten Vorlaufmediums mit dem angesaugten Rücklaufmedium stattfindet. Aus Abbildung 7 erkennt man, dass sowohl im Primär-, als auch im Sekundärkreis konstante Strömungsbedingungen herrschen.


Abbildung 7: Einspritzschaltung mit Dreiwegventil

Eigenschaften:

- Ohne Wärmeabnahme hohe Rücklauftemperatur (entspricht der Vorlauftemperatur)

- Konstanter Durchfluss im Erzeuger- und Verbraucherkreis

- Unterschiedliche Temperaturen im Primär- und Sekundärkreislauf

- Geringe oder fast gar keine Totzeit bis zur Bereitstellung von heißem Wasser

- Ventilautorität von fast 110!

Anwendungen:

- Heizkörpersysteme

- Luftheizregister bei unbekanntem Differenzdruck

- Niedertemperaturheizung

- Nicht geeignet für Fernwärme aufgrund der eventuell hohen Rücklauftemperatur!

10 Diese Ventilautorität kommt zustande, da nur der geringe Druckabfall über die mengenvariable Strecke für das Regelventil relevant ist.

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8.4.4 Zusammenfassung der Schaltungseigenschaften

In Tabelle 3 sind noch einmal übersichtlich wesentliche Eigenschaften der einzelnen Schaltungen dargestellt.

Rücklauf- anhebung

MassenstromVorlauf-

temperaturMassenstrom

Drosselschaltung Nein Variabel Konstant VariabelBeeinflussung anderer Verbraucher

Umlenkschaltung Ja Konstant Variabel Variabel

Keine Beeinflussung anderer Verbraucher

Einspritzschaltung mit Durchgangs-ventil

Nein Variabel Konstant Konstant

Kombination Fußbodenheizung / Radiatorenmöglich

Einspritzschaltung mit Dreiwegeventil Ja Konstant Variabel Konstant

Immer Primärtemperatur am Regelventil,gute Regelfähigkeit

Beimischschaltung einfach Nein Variabel Variabel Konstant

Immer Primärtemperatur am Regelventil,gute Regelfähigkeit

Beimischschaltung doppelt Nein Konstant Variabel Konstant

Kombination Fußbodenheizung / Radiatorenmöglich

Dru

cklo

ser V

erte

iler

BesonderheitSchaltungPrimärkreis Sekundärkreis

Dru

ckbe

hafte

ter V

erte

iler

Tabelle 3: Eigenschaften der Grundschaltungen[ii]

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8.4.5 Zusammenfassung der Einsatzgebiete

Tabelle 4 zeigt zusammenfassend die Einsatzmöglichkeiten der einzelnen Schaltungen.

SchaltungDrossel-

schaltung

Umlenk-

schaltung

Einspritz-

schaltung

Einspritz-

schaltung

Beimisch-

schaltung

Beimisch-

schaltung

Anwendungsfall Durchgangsventil Dreiwegeventil einfach doppelt

X X

X

X X X

X

X X

X X X

X X

Druckloser VerteilerDruckbehafteter Verteiler

Fernwärme

Brennwertgeräte

Zonenregelung

Heizkörpersysteme

Fußbodenheizung

Kombination

Fußbodenheizung /

Radiatoren

Luftheizregister

X

Tabelle 4: Einsatzgebiete der Grundschaltungen [iii]

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8.5 Pufferspeicher

Ein Zentralheizungskessel wird entsprechend der Heizlast eines Gebäudes (= Wärmeleistung, die ein Gebäude am „kältesten“ Wintertag benötigt) dimensioniert. Diese maximale Auslastung wird aber im Allgemeinen nur während weniger Heiztage im Jahr erreicht. Wie Abbildung 8 zeigt, ist der Kessel an durchschnittlich 6 Tagen ausgelastet. Der Wärmebedarf kann im Verlauf einer Heizperiode erheblich (zwischen 15 und 100 % der errechneten Heizlast) schwanken. Der Kessel muss in dieser Zeit im Teillastbereich betrieben werden.

Abbildung 8: Verteilung der Kesselleistung [iv]

Für den Betrieb von Pellet- und Hackgutkesseln ist ein Pufferspeicher nicht zwingend erforderlich. Durch die kesseleigene Leistungsanpassung ist der Wärmeüberschuss bei Änderung der Leistungsanforderung geringer. Pellet- und Hackgutkessel können auch im Teillastbereich effizient und mit niedrigen Emissionen betrieben werden. Die Kombination mit einem Pufferspeicher als Lastausgleich ist jedoch üblich und wird zum Teil auch von den Kesselherstellern empfohlen.

Bei einem scheitholzbefeuerten Kessel ist aufgrund der diskontinuierlichen Energiebereitstellung ein Pufferspeicher unbedingt zu empfehlen. Dadurch kann die Brenndauer auf Volllaststufe verlängert und die Schalthäufigkeit verringert werden. Dies beeinflusst vor allem die Lebensdauer des Kessels sowie die Emissionen positiv.

Die wesentlichen Vorteile bei der Einbindung eines Pufferspeichers sind:

− Ein höherer Jahresnutzungsgrad der Anlage

− Ein geringerer Brennstoffverbrauch

− Geringere Emissionen

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− Ein erhöhter Heizkomfort durch die Verlängerung der Nachlegeintervalle

− Verlängerung der Kessellebensdauer

− Kleinere Kesselleistungen können verwendet werden

Je nach Anforderung und Einsatzbereich stehen verschiedene Speichertypen zur Verfügung. Die Brauchwassererwärmung kann separat erfolgen oder in den Pufferspeicher integriert sein. Die Kombination von Holzheizungen mit solarthermischen Systemen für die Brauch- und Heizwassererwärmung erfordert den Einsatz eines speziellen Wärmespeichers.

Abbildung 9: Varianten von Pufferspeichern mit und ohne Brauchwasserspeicher bzw. Solarwärmeeinspeisung [v]

8.5.1 Dimensionierung eines Pufferspeichers

Die Dimensionierung des Pufferspeichers nach ÖNORM EN 303-5 [vi] berücksichtigt die Gebäudeheizlast, die Nennwärmeleistung sowie die kleinste Wärmeleistung und erlaubt die Ermittlung der Mindest-Pufferspeichergröße. Die Berechnungsformel lautet:

)/3,01(15 minQQQTV HNBSp ⋅−⋅⋅⋅=

VSp = Pufferspeichervolumen in Liter

TB = Abbrandzeit in Std. bei Nennlast (brennstoffabhängig)

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QN = Nennwärmeleistung in kW

QH = Heizlast des Gebäudes in kW

Qmin = Kleinste Wärmeleistung in kW

Abbildung 10: Pufferspeicherinhalt für Heizkessel mit Handbeschickung [vi]

Eine überschlägige Pufferspeicherdimensionierung kann über das Füllraumvolumen des Heizkessels erfolgen. Hier kann die Funktion des Pufferspeichers in Lastausgleichspeicher oder Wärme- bzw. Komfortspeicher unterschieden werden. Die Aufgabe des Lastausgleichsspeichers ist die Aufnahme der überschüssigen Wärmemenge einer Kesselfüllung. Der meist größer dimensionierte Pufferspeicher findet als Komfort- bzw. Wärmespeicher bei großem Unterschied zwischen Kesselnennlast und Gebäudeheizlast bzw. zur Erreichung eines höheren Komforts durch eine Verlängerung der Nachlegeintervalle Verwendung [i].

Folgende Faustformeln für den Einsatz eines Pufferspeichers als Lastausgleichsspeicher oder als Wärmespeicher werden verwendet:

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Als Lastausgleichsspeicher:

Als Faustformel kann hier 8 l Pufferspeichervolumen pro l Füllraumvolumen des Kessels angenommen werden.

VSp [l]= Füllraumvolumen des Heizkessels [l] . 8

Als Wärme- bzw. Komfortspeicher:

Als Faustformel kann hier 14 l Pufferspeichervolumen pro l Füllraumvolumen des Kessels angenommen werden

VSp [l]= Füllraumvolumen des Heizkessels [l] · 14

.5.1.1 Berechnungsbeispiel

Gegeben:

Nennwärmeleistung QN = 20 kW

Kleinste Wärmeleistung Qmin = 10 kW

Füllraumvolumen des Kessels VFüll = 140 l

Heizlast des Gebäudes QH = 15 kW

Abbrandperiode TB = 6 h

Gesucht:

Ermitteln Sie die Mindest-Pufferspeichergröße nach ÖNORM EN 303-5 . Schätzen Sie weiters die erforderliche Größe bei Verwendung als Lastausgleichspeicher und bei Verwendung als Komfortspeicher ab.

Berechnung:

1. Schritt: Ermittlung der Mindest-Pufferspeichergröße nach ÖNORM EN 303-5.

l990)1015

3,01(20615)QQ

3,01(QT15Vmin

HNBSp =⋅−⋅⋅⋅=⋅−⋅⋅⋅=

2.Schritt: Speichergröße bei Verwendung als Lastausgleichspeicher

l11208VV Füllsp =⋅=

3. Schritt: Speichergröße bei Verwendung als Komfortspeicher

l196014VV Füllsp =⋅=

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8.5.2 Integration eines Pufferspeichers

Die große Mehrheit der Biomassekessel Hersteller empfiehlt die Integration eines Pufferspeichers in das hydraulische Netzwerk. Wie bereits erwähnt kann der Einsatz eines derartigen Speichers unter anderem zu einem höheren Jahresnutzungsgrad führen. In diesem Kapitel werden zwei unterschiedliche Varianten für die Integration eines Pufferspeichers präsentiert.

Serienschaltung

In Abbildung 11 ist die serielle Einbindung eines Pufferspeichers in ein Hydrauliknetzwerk dargestellt.

Abbildung 11: Serielle Einbindung eines Pufferspeichers

Diese Kombinationsart bringt eine vollständige hydraulische Entkoppelung mit sich, was bedeutet, dass der Erzeugerkreis komplett vom Verteilerkreis getrennt wird. Die vom Erzeuger produzierte Wärme wird direkt in den Pufferspeicher (buffer storage) eingebracht, und indirekt aus dem Speicher vom Verteiler wieder entnommen.

Dieser Umstand bringt auch mit sich, dass im Fall eines kalten Pufferspeichers die am Verbraucher geforderte Wärme nicht unmittelbar nach Anlaufen des Erzeugers (boiler) zur Verfügung steht, sondern erst wenn das Medium im Pufferspeicher eine hinreichend hohe Temperatur hat.

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Parallelschaltung

Das Problem der großen Latenz bei der Bereitstellung von Wärme aus dem absolut kalten Zustand versucht die Parallelschaltung von Verteiler und Pufferspeicher zu umschiffen (Abbildung 12).

Abbildung 12: Parallele Einbindung eines Pufferspeichers

Durch diese Schaltungsvariante kann direkt warmes Wasser vom Erzeuger (Boiler) in den Verteilerkreis geliefert werden, allerdings fällt der Vorteil der hydraulischen Entkopplung weg.

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8.6 Einbindung einer Solaranlage

Die Einbindung einer Solaranlage macht die Verwendung eines Pufferspeichers unabdingbar. Abbildung 9 zeigte bereits beispielhaft das notwendige Speicherdesign um eine zusätzliche Wärmequelle in den Hydraulikkreis zu integrieren.

Von Kessel- (und auch Solarkollektor) Herstellern empfohlene Schaltungsvarianten werden in den nachfolgenden Abbildung 13 bis Abbildung 15 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Schaltungen vergleichsweise einfach sind. Als relevante Elemente im Solarkollektorkreislauf sind in jedem Fall eine Wasserpumpengruppe im Rücklauf und ein Druckausgleichsbehälter vorzusehen.

Die durch die Sonnenstrahlung im Solarkreislauf gewonnene Energie (Temperaturerhöhung des Fließmediums) wird im Pufferspeicher wieder abgegeben. Da die erreichbaren Vorlauftemperaturen der Kollektoren niedriger als die eines Kessels liegen wird das Register im unteren und somit kühleren Bereich des Speicherinneren genutzt. Die höhere Temperaturdifferenz zwischen solar erhitztem Wasser und Speicherwasser bringt eine Erhöhung der erreichbaren Leistung mit sich.

Abbildung 13 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [vii]

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Aus den genannten Abbildungen ist ersichtlich, dass für das Fließmedium jeweils ein eigenes Register im Pufferspeicher vorgesehen ist. Der Grund für diesen technischen Aufwand liegt darin, dass für den Solarkreislauf kein normales Wasser verwendet wird. Vielmehr wird ein Frostschutzmittel11 beigemengt, um etwaigen Schäden in kalten Jahreszeiten vorzubeugen. Eine Vermengung dieses Mittels mit dem Brauchwasser hätte weit reichende gesundheitliche Auswirkungen und gilt es zu verhindern.

Abbildung 14 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [viii]

In Abbildung 14 ist eine eigene Lösungsvariante für oben beschriebenes Problem dargestellt. So wird bei dieser Schaltung ein externer Wärmetauscher verwendet, der die Energie des Fließmediums im Solarkreis an einen weiteren Wasserkreislauf übergibt. Das so erwärmte Wasser wird aber nicht wie sonst üblich in den Pufferspeicher geleitet um dort das Brauchwasser zu erwärmen, sondern direkt als Brauchwasser verwendet. Diese Schaltungsvariante bringt den Vorteil mit sich, dass für warme Jahreszeiten in denen kein Heizbedarf besteht das Warmwasser direkt von der Solaranlage bereitet wird. Der gezeigte Pelletskessel muss somit nur in Heizperioden verwendet werden um Warmwasser zu Heizzwecken bereitzustellen.

11 Oft kommt für diesen Zweck Propylenglykol zum Einsatz

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Hydrauliknetzwerke

Abbildung 15 Beispiel einer Einbindungsmöglichkeit für Solaranlagen [viii]

Quellen i In Anlehnung an R. HOCHWARTER „Hydraulik in Biomasseanlagen“, Vortrag 2005 ii In Anlehnung an HERZ Armaturen: Hydraulik in HKLS-Anlagen, S. 6 http://www.herzglobal.com/pages_publications/publ_docs/deu/07_hydraulik_in_hkls-anlagen.pdf September 2007 iii In Anlehnung an HERZ Armaturen: Hydraulik in HKLS-Anlagen, S. 7 http://www.herzglobal.com/pages_publications/publ_docs/deu/07_hydraulik_in_hkls-anlagen.pdf September 2007 iv OÖ. Energiesparverband: Biomasseheizanlagen für größere Gebäude, Linz 2006 v Hartmann, H. et.al: Handbuch Bioenergie-Kleinanlagen, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 2003 vi ÖNORM EN 303-5: Heizkessel. Teil 5: Heizkessel für feste Brennstoffe, hand- und automatisch beschickte Feuerungen, Nenn-Wärmeleistung bis 300 kW. Österreichisches Normungsinstitut (Hrsg.), Wien 1999 vii Solarfocus, Planungsunterlagen, Prospekt viii Froeling, Pelletskessel P2 Planungsunterlagen, Prospekt, 2004

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http://www.herzglobal.com/pages_publications/publ_docs/deu/07_hydraulik_in_hkls-anlagen.pdf




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