[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines Rohrnetzes einer Heizungsanlage
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Analyse eines mehrere Heizkörper aufweisenden
Rohrnetzes ist nach der
DE 35 29 257 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren sind die Heizkörper jeweils über ein Ventil vom Rohrleitungsnetz
abtrennbar, wobei am Rohrleitungsnetz Mittel zur Volumenstrom- und Druckverlusterfassung
vorgesehen sind und wobei sich ein Gesamtströmungswiderstand des Rohrleitungsnetzes
aus einer Reihe von Einzelströmungswiderständen zusammensetzt. Das Rohrleitungsnetz
ist als so genanntes Zweirohrheizungssystem ausgebildet, bei dem die Heizkörper parallel
zueinander geschaltet sind (ein so genanntes Einrohrheizungssystem läge vor, wenn
der Rücklauf eines Heizkörpers mit dem Vorlauf des nächsten Heizkörpers verbunden
wäre - solche System interessieren an dieser Stelle aber nicht).
[0003] Gemäß Anspruch 1 und Spalte 5, Zeile 34 f. der
DE 35 29 257 A1 erfolgt die Analyse auf Basis einer an sich bekannten Netzstruktur, d. h. die so
genannten Strukturdaten des Netzes müssen dem Programm zu Beginn der Analyse mitgeteilt
werden.
[0004] Dieses bereits aus dem Jahr 1985 stammende Verfahren eignet sich somit immer dann,
wenn die Netzstruktur an sich bekannt ist. Ist sie dagegen unbekannt, kann das Verfahren
nicht angewendet werden.
[0005] Der Erfindung liegt dementsprechend insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art auch dann zur Anwendung bringen zu können, wenn die Netzstruktur
an sich unbekannt ist, wie es zum Beispiel bei älteren Häusern der Fall ist, bei denen
nach Einbau eines neuen Heizkessels ein so genannter hydraulischer Abgleich (Einstellung
der Heizungsanlage derart, dass alle Heizkörper möglichst gleichmäßig mit Wärmeträgermedium
versorgt werden) durchgeführt werden soll.
[0006] Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
[0007] Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass
a) in einem ersten Schritt zwei Heizkörper als erstes Heizkörperpaar definiert werden,
wobei einerseits zunächst ausschließlich das Ventil des einen Heizkörpers geöffnet
und der sich im Rohrleitungsnetz einstellende Druckverlust bei gleichzeitiger Erfassung
des Volumenstroms ermittelt wird, wobei danach ausschließlich das Ventil des anderen
Heizkörpers geöffnet und der sich im Rohrleitungsnetz einstellende Druckverlust bei
gleichzeitiger Erfassung des Volumenstrom ermittelt wird, und wobei andererseits (vorher
oder anschließend) beide Ventile des Heizkörperpaares geöffnet werden und der sich
im Rohrleitungsnetz einstellende Druckverlust bei gleichzeitiger Erfassung des Volumenstroms
ermittelt wird,
b) in nächsten Schritten der erste Schritt soweit erforderlich für weitere mögliche
Heizkörperpaare des Rohrleitungsnetzes wiederholt wird,
c) im letzten Schritt die paarweise ermittelten Druckverluste und Volumenströme zur
(iterativen) Berechnung der Einzelströmungswiderstände verwendet werden.
[0008] Mit anderen Worten ausgedrückt, können durch die paarweise Ermittlung der Volumenströme
und Druckverluste nach und nach alle Einzelströmungswiderstände ermittelt werden.
Auf deren Basis kann dann, was noch genauer erläutert wird, eine Rekonstruktion der
an sich unbekannten Netzstruktur und schließlich der bereits erwähnte hydraulische
Abgleich vorgenommen werden.
[0009] Bezüglich der oben genannten Maßgabe, dass "ein" Ventil des Heizkörpers geschlossen
wird, ist anzumerken, dass Heizkörper heutzutage typischerweise zwei Ventile aufweisen,
nämlich ein Thermostatventil und eine Rücklaufverschraubung. Das Thermostatventil
dient während der Benutzung des Heizkörpers zur Einstellung der tatsächlich gewünschten
Temperatur.
[0010] Bei älteren Heizungsanlagen werden bzw. wurden die bodenseitig angeordneten Rücklaufverschraubungen
mit Einstellmöglichkeit verwendet, um den Durchströmquerschnitt und damit letztlich
einen bestimmten Volumenstrom bei entsprechendem Druckverlust einstellen zu können.
Letztlich hat sich aber herausgestellt, dass diese Rücklaufverschraubungen mit Einstellmöglichkeit
nicht ausreichend genau einstellbar sind bzw. waren, d. h. heutzutage werden die Rücklaufverschraubungen
eigentlich nur noch zur prinzipiellen Absperrung des Heizkörpers vom Heizkreis (zum
Beispiel beim Entleeren eines Heizkörpers) verwendet. Zur eigentlich Voreinstellung
wird stattdessen ein Thermostatventil mit integrierter Voreinstellfunktion eingesetzt,
wobei die Voreinstellung des Durchströmquerschnitts im Rahmen des hydraulischen Abgleichs
erfolgt und das Thermostatventil dann, wie oben erwähnt, zur Einstellung der gewünschten
Temperatur dient.
[0011] Die Maßgabe "ein" Ventil bringt somit letztlich einfach zum Ausdruck, dass der Heizkörper
vom Rohrleitungsnetz abgekoppelt wird, und zwar unabhängig davon, ob nun per Thermostat-,
Drossel-, sonstigem Ventil oder Rücklaufverschraubung.
[0012] Werden beim erfindungsgemäßen Mess-Verfahren Thermostatventile eingesetzt, um die
Heizkörper vom Heizkreis zu trennen, werden die so genannten Thermostatköpfe wegen
ihrer Temperaturempfindlichkeit demontiert. Auf die verbleibenden Ventilsockeln können
dann so genannte Bauschutzkappen oder auch per Funk oder dergleichen ansteuerbare
Ventilantriebe aufgesetzt werden.
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung
zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
[0014] Es zeigt
- Figur 1
- schematisch das Schaltbild eines Rohrleitungsnetzes mit zwei Heizkörpern;
- Figur 2
- im Schnitt ein Haus mit fünf Heizkörpern;
- Figur 3
- einen Schaltplan des Hauses gemäß Figur 2; und
- Figur 4
- den Schaltplan gemäß Figur 3 als Netzwerk in Form von Strömungswiderständen.
[0015] Anhand von Figur 1 soll zunächst an einem möglichst einfachen Beispiel das erfindungsgemäße
Verfahren erläutert werden: Figur 1 zeigt ein Rohrleitungsnetz 1, wobei R1 den Strömungswiderstand
eines ersten Heizkörpers, R2 den Strömungswiderstand eines zweiten Heizkörpers und
Rg den gemeinsamen Strömungswiderstand darstellt. DV1 und DV2 sind entsprechende Drosselventile
an den Heizkörpern.
[0016] Bei geschlossenem Drosselventil DV2 und geöffnetem Drosselventil DV1 strömt kein
Wasser durch den zweiten Heizkörper, d. h. der Volumenstrom durch den ersten Heizkörper
ist so groß wie durch das gesamte Rohrleitungsnetz 1. Auf Basis der Messung des Volumenstroms
V (mit den Mitteln zur Volumenstromerfassung 4) und des Differenzdruckes Δp (mit den
Mitteln zur Druckverlusterfassung 5) erhält man folgenden Zusammenhang:

[0017] Analog ergibt sich bei geschlossenem Drosselventil DV1 und bei geöffnetem Drosselventil
DV2 folgende Gleichung:

[0018] Werden nun beiden Drosselventile DV1 und DV2 geöffnet, gilt folgender Zusammenhang:

[0019] Durch die Messung sind alle oben genannten Differenzdrücke und Volumenströme bekannt.
Es verbleiben die drei unbekannten Strömungswiderstände, die sich aber mit Hilfe der
Gleichungen (1) bis (3) iterativ berechnen lassen.
[0020] Normalerweise besteht ein Rohrleitungsnetz einer Heizungsanlage aber nicht nur aus
zwei, sondern aus einer Vielzahl von Heizkörpern. Existieren zum Beispiel in einem
kleinen Einfamilienhaus fünf Heizkörper, so werden im Sinne des Patentanspruchs 1
folgende paarweise Messungen durchgeführt, wobei HK für Heizkörper steht:
HK1 & HK2, HK1 & HK3, HK1 & HK4, HK1 & HK5
HK2 & HK3, HK2 & HK4, HK2 & HK5,
HK3 & HK4, HK3 & HK5
HK4 & HK5
[0021] Auf diese Weise lassen sich alle Strömungswiderstände berechnen, was die Voraussetzung
für die Rekonstruktion und den hydraulischen Abgleich ist.
[0022] Wie bereits oben erwähnt, ergeben sich bei zwei Heizkörpern insgesamt drei Gleichungen
zur Bestimmung der Strömungswiderstände. Bei der obigen Variante mit fünf Heizkörpern
ergeben sich zunächst prinzipiell betrachtet insgesamt 30 Gleichungen. In Tabellenform
gebracht, gilt Folgendes:
Anzahl der Heizkörper |
Anzahl der Gleichungen |
2 |
3 |
3 |
9 |
4 |
18 |
5 |
30 |
6 |
45 |
7 |
63 |
8 |
84 |
9 |
118 |
10 |
135 |
[0023] In Bezug auf die tatsächliche Anzahl an durchzuführenden Messungen ist folgende,
für drei Heizkörper beispielhaft aufgeführte Tabelle aufschlussreich:
Messung |
HK1 |
HK2 |
HK3 |
Kombination |
1 |
1 |
0 |
0 |
HK1 & HK2 |
2 |
0 |
1 |
0 |
3 |
1 |
1 |
0 |
4 |
1 |
0 |
0 |
HK1 & HK3 |
5 |
0 |
0 |
1 |
6 |
1 |
0 |
1 |
7 |
0 |
1 |
0 |
HK2 & HK3 |
8 |
0 |
0 |
1 |
9 |
0 |
1 |
1 |
Es fällt auf, dass die Messungen 1 und 4, 2 und 7 sowie 5 und 8 identisch sind. Es
ist daher weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass Messungen während des ersten
Schritts und der nächsten Schritte, bei denen lediglich ein Ventil 3 eines Heizkörpers
2 geöffnet ist, zur Vermeidung von Doppelmessungen insgesamt nur einmal durchgeführt
werden. Bezogen auf obiges Beispiel würde also konkret auf die 4., 7. und 8. Messung
verzichtet werden (Anmerkung: Messungen an Heizkörperpaaren, bei denen zwei Ventile
geöffnet sind, treten prinzipiell nur einmal auf).
[0024] Bei prinzipiell gleichbleibender Anzahl an zu lösenden Gleichungen reduziert sich
die Anzahl der Messungen somit auf:
Anzahl der Heizkörper |
Anzahl der Messungen |
2 |
3 |
3 |
6 |
4 |
10 |
5 |
15 |
6 |
21 |
7 |
28 |
8 |
36 |
9 |
45 |
10 |
55 |
[0025] Oder als Formel: Die Anzahl der Messungen beträgt bei k Heizkörpern k*(k+1)/2.
[0026] Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit Blick auf
die Vielzahl an Messungen bei vielen Heizkörpern vorgesehen, alle Heizkörper 2 mit
motorisch angetriebenen Ventilen 3 zu versehen, wobei dann die Regelung der Heizungsanlage
vorzugsweise über Funk entsprechende Öffnungs- und Schließbefehle an die Ventile 3
sendet, um das gesamte Messprogramm (Druckverlust, Volumenstrom) zu automatisieren.
Der Aufwand für den Anlagenbauer (und an diesen richtet sich das erfindungsgemäße
Verfahren vornehmlich, aber nicht ausschließlich) reduziert sich somit auf ein Minimum:
- a) Abnehmen der Köpfe von den Ventilen (vorzugsweise Thermostatventilen);
- b) Aufsetzen der Motoren auf die Ventile;
- c) Warten bis die Regelung alle Möglichkeiten "durchgespielt" hat und ein entsprechendes
Signal gibt;
- d) Motoren wieder abnehmen und die von der Regelung errechneten Voreinstellungen an
den Ventilen durchführen.
[0027] Durch die Erfindung lassen sich somit die Strömungswiderstände berechnen und bestehende
Rohrnetze rekonstruieren, die für den hydraulischen Abgleich und die Festlegung der
Restförderhöhe der Umwälzpumpe dienen. Der Algorithmus wird vorzugsweise in die Regelung
des Heizkessels 7 integriert, wobei sich das Verfahren sogar auf Rohrnetze von luftechnischen
Anlagen (Klimaanlagen) erweitern lässt.
[0028] Anhand der Figuren 2 bis 4 wird nachfolgend die Rekonstruktion eines Rohrleitungsnetz
erläutert:
Figur 2 zeigt im Schnitt ein vereinfachtes Haus mit insgesamt fünf Heizkörpern 2.
Es gibt zwei Stränge, einen für das Erdgeschoss und einen zweiten für das Ober- und
Dachgeschoss. Der Verteiler sowie der Heizkessel 7 befinden sich im Keller. Figur
3 zeigt das gleiche Rohrleitungsnetz abstrahiert, wobei sich aus diesem im Sinne von
Figur 4 ein Netzwerk in Form von einzelnen Strömungswiderständen herleiten lässt.
[0029] Da am Rohrleitungsnetz 1 fünf Heizkörper 2 vorgesehen sind, gibt es zur Ermittlung
der einzelnen Strömungswiderstände (wie oben erläutert) 10 Messkombinationen (HK1
& HK2, HK1 & HK3 etc.) und insgesamt 30 zu lösende Gleichungen.
[0030] Die Kombination HK1 & HK3 hat den gemeinsamen Widerstand R
KA. Dieser Widerstand gilt aber auch als der gemeinsame Widerstand der Kombinationen
HK1 & HK4, HK1 & HK 5, HK2 & HK3, HK2 & HK4 und HK2 & HK5.
[0031] Weiterhin hat die Kombination HK1 & HK2 den gemeinsamen Widerstand R
KA + R
AB.
[0032] Die Kombinationen HK3 & HK5 und HK4 & HK5 haben den gemeinsamen Widerstand R
KA + R
AC.
[0033] Die Kombination HK3 & HK4 hat den gemeinsamen Widerstand R
KA + R
AC + R
CD.
[0034] Anhand der Einzelwiderstände und der gemeinsamen Widerstände ist es möglich, die
Heizkörper im Rohrnetz zu "sortieren", und zwar insbesondere danach, wie entfernt
die Heizkörper zur Pumpe und auch welche Heizkörper an einem gemeinsamen Strang angeordnet
sind. Für diese Analyse ist im Rahmen der Erfindung ein entsprechender Algorithmus
(Computerprogramm) entwickelt worden.
[0035] Bezogen auf Figur 2 bis 4 lässt sich mit dieser Software (hilfsweise auch durch entsprechende
gedankliche Analyse) insbesondere anhand der gemeinsamen Widerstände ermitteln, dass
HK1 und HK2 an einem und HK3, HK4 und HK5 an einem anderen Strang angeschlossen sind.
Außerdem sind HK3 und HK4 zueinander parallel geschaltet, wobei außerdem HK5 parallel
zu HK3 und HK4 ist. Damit lässt sich die gesamte Netzstruktur anhand der gemeinsamen
Widerstände rekonstruieren.
[0036] Wenn der gemeinsame Widerstand R
KA + R
AC viel größer als R
KA + R
AB ist, kann außerdem geschlossen werden, dass HK1 und HK2 überversorgt und HK3, HK4
und HK5 unterversorgt sind. In diesem Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Strangregulierungsventil
6 am Strang für HK1 und HK2 einzubauen (siehe Figur 3). Über dieses Ventil kann ein
Druckabfall realisiert werden, wobei dessen Höhe von den Korrelationen im gesamten
hydraulischen Netz abhängig gemacht wird. Unter Korrelationen ist dabei zum Beispiel
zu verstehen: Wie groß ist die Differenz zwischen R
KA + R
AC und R
KA + R
AB? Welche Volumenströme liegen im Auslegungsfall für die einzelnen Heizkörper HK1 bis
HK5 vor?
Bezugszeichenliste
[0037]
- 1
- Rohrleitungsnetz
- 2
- Heizkörper (auch HK genannt)
- 3
- Ventil
- 4
- Mittel zur Volumenstromerfassung
- 5
- Mittel zur Druckverlusterfassung
- 6
- Strangregulierungsventil
- 7
- Heizkessel
- R1
- Strömungswiderstand eines ersten Heizkörpers
- R2
- Strömungswiderstand eines zweiten Heizkörpers
- Rg
- gemeinsamer Strömungswiderstand
- DV1
- erstes Drosselventil
- DV2
- zweites Drosselventil
1. Verfahren zur Analyse eines Rohrnetzes einer Heizungsanlage, wobei in einem Rohrleitungsnetz
(1) mehrere Heizkörper (2) verwendet werden, die jeweils über ein Ventil (3) vom Rohrleitungsnetz
(1) abtrennbar sind, wobei am Rohrleitungsnetz (1) Mittel zur Volumenstrom- und Druckverlusterfassung
(4, 5) vorgesehen sind, wobei sich ein Gesamtströmungswiderstand des Rohrleitungsnetzes
(1) aus einer Reihe von Einzelströmungswiderständen zusammensetzt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Schritt zwei Heizkörper (2) als erstes Heizkörperpaar definiert werden,
wobei einerseits zunächst ausschließlich das Ventil (3) des einen Heizkörpers (2)
geöffnet und der sich im Rohrleitungsnetz (1) einstellende Druckverlust bei gleichzeitiger
Erfassung des Volumenstroms ermittelt wird,
wobei danach ausschließlich das Ventil (3) des anderen Heizkörpers (2) geöffnet und
der sich im Rohrleitungsnetz (1) einstellende Druckverlust bei gleichzeitiger Erfassung
des Volumenstrom ermittelt wird, und
wobei andererseits beide Ventile (3) des Heizkörperpaares geöffnet werden und der
sich im Rohrleitungsnetz (1) einstellende Druckverlust bei gleichzeitiger Erfassung
des Volumenstroms ermittelt wird,
dass in nächsten Schritten der erste Schritt soweit erforderlich für weitere mögliche
Heizkörperpaare des Rohrleitungsnetzes (1) wiederholt wird,
dass im letzten Schritt die paarweise ermittelten Druckverluste und Volumenströme zur
Berechnung der Einzelströmungswiderstände verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass Messungen während des ersten Schritts und der nächsten Schritte, bei denen lediglich
ein Ventil (3) eines Heizkörpers (2) geöffnet ist, zur Vermeidung von Doppelmessungen
insgesamt nur einmal durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ermittelten Einzelströmungswiderstände zur Rekonstruktion des Rohrleitungsnetzes
verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ermittelten Einzelströmungswiderstände zur Durchführung eines hydraulischen Abgleichs
des Rohrleitungsnetzes verwendet werden.