Potenziale des digitalen hydraulischen Abgleichs

Grenzen des Verfahrens B im Vergleich mit digitalen adaptiven Systemen

Beim Verfahren B für den Nachweis des hydraulischen Abgleichs handelt es sich im Kern um eine einmalige Berechnung und Einstellung ohne Funktionsprüfung. Demgegenüber können neue, digitale, adaptive Systeme hydraulisch abgeglichene Betriebszustände in allen Lastsituationen sichern und überwachen. Mit ihre neuen Möglichkeiten können sie daher einen erstrebenswerten Beitrag zur Beschleunigung der energetischen Optimierung darstellen.

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1 - Beispiel eines (nahezu) perfekt hydraulisch abgeglichenen Systems Bild: pikovit/stock.adobe.com, ratiodomo
1 - Beispiel eines (nahezu) perfekt hydraulisch abgeglichenen Systems Bild: pikovit/stock.adobe.com, ratiodomo

Für Ingenieurinnen und Ingenieure sind die Innovationen der Natur Quelle der Inspiration. Die Bionik nutzt Erkenntnisse aus biologischen Vorbildern für technische Problemlösungen. Übertragen auf den hydraulischen Abgleich zeigt uns das Vorbild des menschlichen Blutkreislaufes (Bild 1), dass die Digitalisierung der TGA zur Entwicklung nachhaltiger Lösungen eigentlich erst am Anfang steht.

Verfasser des Beitrags

Dr.-Ing. Martin Donath, geschäftsführender Gesellschafter ratiodomo Ing-GmbH, Ostseebad Nienhagen. Er war u. a. federführend bei der Verfassung der Norm DIN EN 15378 Inspektion von Heizungsanlagen, Teil Analyseverfahren und wirkte an der DIN 94679-4 Hydraulische Systeme in heiz-, kühl- und raumlufttechnischen Anlagen. Temperaturbasierte Alternativen zum hydraulischen Abgleich (derzeit im Entwurf) mit. Dr. Donath beschäftigt sich seit Jahren mit der messwertbasierten Analyse des Betriebsverhaltens von Energieanlagen.

Der gesetzlich geforderte hydraulische Abgleich verlangt auch für Bestandsgebäude einen wiederholten Berechnungsgang der Auslegung. So heißt es beispielsweisein einem Schreiben des BTGA Bundesindustrieverband Technische Gebäudeausrüstung e.V. vom Juni 2023: „Für Förderanträge ab dem 1. Januar 2023 wird der hydraulische Abgleich ausschließlich nach dem Verfahren B akzeptiert, was eine korrekte raumweise Ermittlung der Heizlast voraussetzt.“ Soweit es in der Branche verstanden wird, ist mit „Ermittlung“ eine Berechnung gemeint.

Demnach sind auch bei Gebäuden im Bestand Raumlasten und Heizflächen sowie Massenstrom, Voreinstellungen der Ventile und Heizkurve erneut zu berechnen. Entsprechend der Berechnungsdaten sind dann die entsprechenden Einstellungen vorzunehmen. Das so genannte „Verfahren B“ verknüpft damit die Schritte „Auslegung der Heizung“, „Hydraulischer Abgleich“ und „Einregelung“ miteinander. Ein messwertbasierter Funktionsnachweis wird jedoch nicht gefordert. Das Verfahren B ist somit ein einmaliger Vorgang, der den hydraulisch abgeglichenen Zustand im Auslegungsfall sichern soll, dessen Ergebnis aber nicht geprüft wird. Der Vorgang des hydraulischen Abgleichs wird zwar beschrieben, der benötigte hydraulisch abgeglichene Zustand aber nicht bedacht.

Gewünschtes Ergebnis im realen Betrieb nicht garantiert

Es bleibt damit offen, ob die geforderten Schritte zum gewünschten Ergebnis geführt haben. Und dies gilt nur für den Zustand der vorherrschenden Auslegungstemperatur oder die Phase einer Aufheizung, also nur zeitweise, von einer Veränderung der Hydraulik durch Nutzereingriffe ganz abgesehen. Dabei ist sicher nachvollziehbar, dass gerade im Bestand die Ermittlung der Raumlasten nur annähernd erfolgen kann. Jede Berechnung im Bestand ist schließlich auf Vereinfachungen und Annahmen angewiesen. Herstellerangaben, z. B.über Ventilkennwerte, beinhalten unvermeidbare Toleranzen. Bei der handwerklichen Umsetzung treten naturgemäß Fehler und Irrtümer auf. Hinzu kommt, dass dieses Verfahren entsprechende Fachkenntnis verlangt, die aktuell nicht im erforderlichen Maße zur Verfügung steht.

Neue Möglichkeiten durch Digitalisierung

Dieses Beharren auf traditioneller Vorgehensweise erinnert den Verfasser an das historische Beispiel der geschweißten Nietverbindung aus seinem Schiffbaustudium. Nieten war anfangs für stählerne Schiffe die übliche Verbindungsmethode, siehe Bild 2, Verbindungsart 1. Dem späteren Schweißen begegnete man zunächst mit Misstrauen, so dass an den Verbindungsstellen sich überlappende, kostenaufwändige und anfällige Zwischenformen, siehe Bild 2, Verbindungsart 2, entstanden. Erst nach einer Lernkurve wurden dann die Stöße direkt mit einer Schweißnaht verbunden, siehe Bild 2, Verbindungsart 3. Dieser technologische Schritt war eine wesentliche Grundlage für die spätere Digitalisierung im Stahlbau.

2 - Verbindungsarten im Schiffbau: Vom Nieten bis zum weit effizienteren Schweißen führte kein direkter Weg. Bild: ratiodomo

Software gestützt hydraulischen Zustand bewerten und Energieverbrauch optimieren

Als Ingenieurgesellschaft hat ratiodomo ab dem Jahr 1998 im Rahmen der Markteinführung des Verfahrens zur messwertbasierten Ermittlung der Gebäudeheizlast zur Identifizierung von über- oder unterdimensionierten Wärmeerzeugern, die später in die Norm DIN EN 15378 aufgenommen wurde, auf die messwertbasierte Analyse des Betriebsverhaltens der Wärmeerzeuger konzentriert, um damit den Nutzungsgrad zu verbessern und die Gebäudeheizlast zu ermitteln. Dazu wird softwaregestützt eine spezifische Gebäudekennlinie erstellt (siehe Bild 3). Sie findet u.a. auch Verwendung, um die Anschlusswerte für Fernwärme nach Dämmmaßnahmen neu zu bestimmen. Das Prinzip wird sowohl vom Anbieter, meist Stadtwerke, als auch vom Abnehmer, meist Wohnungsgesellschaften, nachvollzogen und akzeptiert.

3 - Messwertbasierte Bestimmung einer Gebäudekennlinie Bild: ratiodomo

Den hydraulischen Zustand bewertet ratiodomo über das zeitabhängige Verhalten der Spreizung des Heizkreises sowie die Gradienten des Anstiegs der Raumtemperaturen und detektiert so fehlerhafte hydraulische Einstellungen. Oft sind Heizkurven und Pumpenleistungen zu hoch eingestellt, um Hydraulikfehler zu kompensieren oder um einfach auf der ganz sicheren Seite zu sein. Der Mehrverbrauch entsteht somit primär durch den ausbleibenden Brennwerteffekt bei der Wärmeerzeugung mittels brennstoffbefeuerter Kessel und durch Übertemperaturen im Verteilsystem und in den Räumen. Letzteres ist in besser gedämmten Gebäuden an der Tagesordnung.

Der Geschichte verhaftet

Einen wesentlichen Impuls für die Durchführung des hydraulischen Abgleichs gab sicher auch die Optimus-Studie 2002–2005. Dort wurde ermittelt, dass die Optimierung vor Ort die Voreinstellung der Thermostatventile zur Durchflussbegrenzung, die Einstellung der Pumpe oder des Differenzdruckreglers auf die Anforderungen des nachgeschalteten Netzes und die Einstellung der Regelung umfasste und die Einsparung in den Gebäuden der neuesten Baualtersklasse deutlich größer als in der mittleren Baualtersklasse war. In der ältesten Baualtersklasse waren praktisch keine Einsparungen durch den hydraulischen Abgleich nachweisbar. Das ist auch logisch, weil auch in den neueren Gebäuden weiterhin hohe Vorlauftemperaturen zur Verfügung standen, schon deshalb, um die Warmwasserbereitung bestimmungsgemäß zu realisieren.

Neue digitale adaptive Systeme für den Abgleich in Echtzeit

Inzwischen werden zunehmend digitale adaptive Systeme entwickelt, die als „Verfahren des temperaturbasierten hydraulischen Abgleichs“ bezeichnet werden. Derartige Systeme sind, analog der messwertbasierten Bestimmung der Gebäudeheizlast, sehr gut in der Lage, Raumheizlasten im Bestand über die funktionsbedingt generierten, spezifischen Messwerte in den Regelstrecken zu ermitteln. Dazu stehen je nach Regelkonzept gemessene und zueinander in Bezug gesetzte Medientemperaturwerte, Heizflächentemperaturen, Differenzdrücke, Ventilpositionen oder Volumenströme zur Verfügung.

So übernimmt beispielsweise das mit dem TGA-Award2020 ausgezeichnete blossom-ic-System permanent auf der Basis der eigenen Messdaten die Prüfung, ob die jeweilige sollinnentemperatur- und außentemperaturabhängige Raumheizlast mit der bereitgestellten Raumheizleistung übereinstimmt.

4 - Das System von blossom-ic übernimmt permanent auf der Basis der eigenen Messdaten die Prüfung, ob die jeweilige sollinnentemperatur- und außentemperaturabhängige Raumheizlast mit der bereitgestellten Raumheizleistung übereinstimmt. Bild: blossom-ic

So wird bei jedem Aufheizvorgang der Gradient der Aufheizung der Räume miteinander verglichen. Dabei handelt es sich u. a. um Thermostate im Informationsverbund, die über entsprechende Regelalgorithmen bei Verwendung der vorhandenen Temperaturmesswerte sichern, dass das System in allen Lastsituationen und auch bei Nutzereingriffen immer im hydraulisch abgeglichenen Zustand arbeitet. Damit entsteht für jeden Raum wiederum analog der Gebäudekennlinie eine Raumkennlinie, mit der die korrekte Dimensionierung der Heizfläche und die Einstellparameter der Heizung geprüft werden. „Abweichler“ werden markiert und z. B.über das Display des Mobiltelefons dem Nutzer mitgeteilt.

Bild 5 zeigt beispielhaft die Raumtemperaturen in einem Einfamilienhaus über einen Zeitraum von 24 Stunden mit Nachtabsenkung und Aufheizphasen. Diese Messdaten bilden die Grundlage für die iterativ arbeitenden Algorithmen zur messwertbasierten Bestimmung der Raumheizlasten. Die Gradienten der Aufheizphase sind hier im Zeitraum von 06:00 Uhr bis 07:00 Uhr gut erkennbar.

5 - Raumtemperaturen in einem Einfamilienhaus über 24 Stunden Bild: ratiodomo

Wichtiger Baustein digitaler hydraulischer Abgleich

Wenn man noch dazu berücksichtigt, dass statt des zeitaufwändigen Verfahrens B im Bestand nur der Wechsel der Thermostate ohne die Notwendigkeit spezieller Fachkenntnisse mit anschließender Erfolgskontrolle und das auch bei laufendem Betrieb alternativ möglich ist, sollten die Systeme des digitalen hydraulischen Abgleichs als erstrebenswerter Beitrag zur Beschleunigung der energetischen Optimierung der Heizungen verstanden werden.

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Dr.-Ing. Martin Donath

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Grenzen des Verfahrens B im Vergleich mit digitalen adaptiven Systemen
Seite 25 bis 27
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