Wie funktioniert eigentlich eine hydraulische Weiche?

Der Fachmann will sicherstellen, dass die Flüssigkeit in einer Heizungs- oder Kühlanlage entsprechend dosiert, die Verbrauchsstellen erreicht. In der SHK-Welt ist die Heizungsanlage vertrauter als ein Kühlsystem. Daher beschränkt sich der Autor in den folgenden Ausführungen auf Kreisläufe von Heizungsanlagen.

Was ist vom Volumenstrom abhängig?

Volumenströme sind bekanntlich kein Selbstzweck und werden nicht zufällig gewählt in der Heizungstechnik. Wenn ein Heizkörper durchströmt werden soll, dann mit einem Volumenstrom, der passt.

Ein Beispiel mit anschließendem Gedankenexperiment macht die Zusammenhänge klar:

Ein Heizkörper [HK] ist passend ausgewählt worden und gibt in dem Wohnzimmer unter Auslegungsbedingungen eine Leistung von 1745 W ab. Dabei strömen 100 kg/h Wasser durch die Heizung Das Rücklaufwasser kühlt sich innerhalb des Heizkörpers um 15 K ab.

Durch diese einfache Beziehung ((Verbraucherkreis) ist die Ordnung beschrieben, nach der jeder Heizkörper, aber auch jede Fußbodenheizung oder jeder Lufterhitzer funktioniert.

Die Gedankenexperimente sind dann einfach strukturiert:

1. Wasserhunger

Läuft weniger Wasser durch den Heizkörper als vorgesehen, kühlt es sich auf der langsamen Fahrt mehr ab als bei einer höheren Fließgeschwindigkeit. Der Heizkörper ist in der Mitte nicht mehr so heiß. Daher nimmt die Leistung des Heizkörpers ab.

2. Wasserüberschuss

Ist der Volumenstrom durch den Heizkörper zu hoch, kühlt sich das Wasser beim Vorlauf nicht entsprechend ab. Der Heizkörper ist im Durchschnitt heißer (höhere Vorlauftemperatur) als vorgesehen und bringt mehr Leistung. Das Rücklaufwasser ist allerdings auch heißer und verhagelt der gesamten Anlage den Wirkungsgrad, insbesondere bei Brennwertnutzen.

Damit ist klar, dass Volumenstrom kein Zufall und eine wichtige einzuhaltende Größe innerhalb einer Heizungsanlage ist.

Soeben, in dem Gedankenexperiment, wurde die Wärmeübergabe des Heizkörpers an den Raum als Maßstab für eine Betrachtung zur Leistungsabgabe genommen. Einen ähnlichen Ansatz kann man natürlich auch durchspinnen für die Erzeugerseite, also beispielsweise den wandhängenden Kessel, umgangssprachlich für die Therme.

Beschränkungen der Wärmeerzeuger: die hydraulische Weiche

Auch für die modernen Wärmeerzeuger gilt, dass der Volumenstrom nicht beliebig schwanken darf. Es gibt beispielsweise Mindestumlaufmengen, die im Kesselkreis nicht unterschritten werden sollten.

Ein Beispiel schafft Verständnis: Wenn in dem Mehrfamilienhaus am Morgen sämtliche Mieter das Haus verlassen haben und einer Arbeit nachgehen und nur noch die sparsame Rentnerin des Hauses am Küchenfenster sitzt und daher auch nur diese Küche beheizt, dann kann durchaus ein Volumenstrom von 50 l/h für den einzigen Heizkörper ausreichen.

• Die Therme im Keller des Hauses leistet in der Spitze 35 kW und moduliert natürlich herunter bis auf 5 kW. Aber die 700 W in der Küche werden sicher überschritten.
• Die Therme fährt auch noch in Anlehnung an die kleinste Leistung von 5 kW mit einer Mindestumlaufmenge von 300 l/h, die bei der alten Dame natürlich nicht erreicht würden. Als Ungleichgewicht stehen 50 zu 300 l/h.
• Zu anderen Zeiten könnten in dem Gebäude verschiedene Anforderungen von Heizkreisen anstehen, die jeweils die Maximalleistung der Therme überschreiten.

Wieder ein Beispiel im gleichen Gebäude: An kalten Tagen werden in den Wohnungen des Mehrfamilienhauses die Fußbodenheizungen in Betrieb gesetzt. Der Volumenstrom aller Verbraucherkreise ergibt eine Summe von 1.400 l/h. Gleichzeitig können abends sämtliche Heizkörper in Betrieb sein und zusätzlich 1.000 l/h benötigen.

Zusammen müssten also rund 2.400 l/h durch die Therme strömen, obwohl diese für nur 1.800 l/h konstruiert wurde. Das könnte die Therme überlasten, obwohl die Leistung des Geräts in Kilowatt immer noch ausreichend wäre. Das Ungleichgewicht bestünde nun im Verhältnis von 2.400 zu 1.800 l/h.

Auch für die in der Therme bereits eingebaute Pumpe könnte dieser Volumenstrom einfach zu hoch sein.

Die Funktion der hydraulischen Weiche:

Für eine Heizungsanlage können durchaus Lastsituationen auftreten, die zwar leistungsseitig locker erschlagen werden können, hydraulisch aber Grenzen überschreiten.

Ein zu geringer Volumenstrom im Kesselkreis kann genauso schädlich sein wie ein zu hoher. Der Lösungsansatz lautet dann fast immer, das Wasser zuerst durch eine hydraulische Weiche zu schicken.

Die Beschreibung der Funktion einer solchen Weiche weckt das Verständnis.

Die hydraulische Weiche in Funktion:

• Von der Heizungs-Therme wird das Heizungswasser in Richtung eines voluminösen Gefäßes gedrückt und durch dieses Gefäß wieder zurück zur Therme gezogen. In diesem Gefäß befinden sich keine bewegten Teile.
• Vielmehr verliert das einströmende Wasser (Vorlauf) seine Geschwindigkeit und Strömungsausrichtung. In dem großen Gefäß wird es einfach nur in gleicher Menge ein- wie ausgelassen. Der Strömungsverlauf stellt gewissermaßen einen Kurzschluss dar. Ohne irgendeine Nutzenergie abzugeben, würde das Heizungswasser zurück zur Therme strömen und dieser irgendwann melden:
• „Die Vorlauf- ist fast gleich der Rücklauftemperatur, die Regelung kann den Heizbetrieb der Feuerung abschalten, weil niemand die Wärme benötigt.“
• Den zulaufenden Anschlüssen dieses Gefäßes gegenüberliegend können sich wiederum Anschlüsse befinden. Das hier ausströmende Wasser (Rücklaufwasser) wird mit einer eigene Pumpe durch einen Heizkreis gepumpt. Diese eigene Pumpe ist notwendig, da ja die Thermenpumpe nur die Wasserbewegung zwischen Therme und Gefäß bedient hat.
• Durch eine Entkopplung kann die Pumpe des Heizkreises völlig unabhängig von der Thermenpumpe einen beliebigen Volumenstrom bewegen.
• Die Thermenpumpe könnte zwischen den empfohlenen 300 und 1.800 l/h jeden Volumenstrom zum Gefäß bewegen. Gleichzeitig könnten diesem durch die Heizkreispumpe zwischen 50 und 2.400 l/h entnommen werden. Da sich beide Strömungen im Gefäß bedienen, beharken sich die Strömungen nicht.

Ist das wirklich so einfach?

„Gefäß integrieren ist gleich hydraulische Weiche“ oder was?

Die Weiche ist zwar kein High-Tech-Produkt, aber auch kein beliebiges Behältnis im Heizmittelstrom einer Therme.

Die Fachwelt ist sich einig, dass man zur Auslegung einer hydraulischen Weiche den maximalen Volumenstrom kennen sollte. Man betrachtet nur einen der beiden, also entweder den Primär- (von der Therme) oder den Sekundärkreis (zu den Heizkreisen).

Und dieser Volumenstrom wird auf eine maximale Geschwindigkeit von 0,2 m/s ausgelegt. Das heißt, der Querschnitt der Weiche ergibt eine Geschwindigkeit, die bei gegebenem Volumenstrom maximal 0,2 m/s betragen soll:

Für das Beispiel dieses Berichts bedeutet das bei einem maximalen Volumenstrom von 2400 l/h folgenden Mindestdurchmesser für die hydraulische Weiche:

Und aus der Flächenformel eines Kreises kann man den runden Durchmesser errechnen, der mindestens für eine solche Weiche angesetzt werden sollte.

Für das Beispiel wäre eine hydraulische Weiche mit einem kreisrunden Durchmesser von mindestens 6,5 cm erforderlich.

Ein winziger Topf mit diesem Durchmesser würde allerdings nicht ausreichen. Die Anschlüsse von Primärkreis (Therme) und Sekundärkreis (Heizkörper und Fußbodenheizung) sollten einen Mindestabstand zueinander einhalten.

Gemeint ist jeweils der Abstand von Vor- und Rücklauf dieser Kreise. Im großen Leistungsbereich ist der Topf ohnehin schon großzügig genug und es reicht aus, den 2,5-fachen des Anschlussdurchmessers als Abstand zu erreichen. Bei kleiner Leistung, wie im Beispiel, sollte der Abstand 10-mal die Anschlussnennweite betragen.

Die 2.400 kg/h würde man gegebenenfalls in einem DN 32 Rohr in Primär- und Sekundärkreis bewegen. Daher könnte der Abstand der Stutzen von Mitte bis Mitte bei 320 mm liegen und die Weiche würde funktionieren.

Eine Überdimensionierung bezüglich Durchmesser des Gefäßes und Abstand der Anschlussstutzen zueinander ist unerheblich. Zu kleine Weichen hingegen funktionieren nicht entsprechend. Die einzelnen Strömungen würden sich bei einem kleinräumigen Kurzschluss beeinflussen.

Varianten in der Praxis

• In der Praxis setzt man auch gerne Pufferspeicher als hydraulische Weichen ein. Ein Pufferspeicher dient ja dem Bevorraten von erwärmtem Heizungswasser. Da es sich nicht um Trinkwasser handelt, steht der Speicherung von Heizenergie und der späteren Entwärmung eines solchen Speichers nichts entgegen. Und die Kriterien für eine hydraulische Weiche bezüglich des Gefäßdurchmessers und der Abstände der Anschlussstutzen erfüllt ein Puffer allemal.
• Es gibt auch hydraulische Weichen mit insgesamt sechs Anschlüssen. Mit diesen können auch mehrere Wärmeerzeuger eingebunden werden, die dann unabhängig voneinander hydraulisch agieren. Theoretisch kann ein Spitzenlastkessel mit riesiger Leistung und daher volumenstarker Kesselpumpe mit einem winzigen Kessel und folglich kleiner Pumpe gemeinsam die Arbeit verrichten.
• Da man die Fließgeschwindigkeit des Heizungswassers in einer hydraulischen Weiche naturgemäß stark herabsetzt, bietet sich eine Entschlammung an dieser Stelle an. Es sind daher auch Weichenkombinationen mit Magnetitabscheidern am Markt erhältlich.

Auslegung in der Praxis

Es ist, wie in anderen Fällen auch, sehr hilfreich, wenn man die Zusammenhänge und Funktionen eines Bauteils kennt. Dieses schlichte, aber gleichzeitig funktionelle Bauteil wird man angesichts heutiger Stundensätze für einen guten Monteur nicht mehr handwerklich fertigen. Weichen werden also von der Stange gekauft und daher mittels einfacher Auslegehilfen bestimmt und bestellt.

Oft sind es die Kesselhersteller, die bereits in den Planungsunterlagen entsprechende Hinweise geben, wie denn wohl hydraulisch entkoppelt wird.

Anhand eines Beispiels sehen Sie diese Auswahl:

• Mit den Auslegungsdaten der Fußbodenheizungen und Heizkörper des Beispielgebäudes ergibt sich eine Spreizung von rund 12,5 K. Die Auslegungslinie befindet sich folglich ziemlich einfach zwischen den Linien des Diagramms für T = 10 K und T = 15 K. Damit kommen zwei Weichentypen infrage. Möglich wären also Typ WHV 35 und WH 40.
• Überprüft man die Bauform beider Typen im Diagramm, wird eine weitere Frage beantwortet, nämlich die Frage nach der Einbaurichtung. Muss man also hydraulische Weichen senkrecht oder waagerecht einbauen?
• Zwar könnte man von einer Schichtung innerhalb der Weiche ausgehen, die sich durch heißes, leichtes Wasser und kaltem und folglich schwererem Wasser bildet. Sobald aber der eigentliche Pumpenbetrieb diese Schichtung durchpflügt, ist diese hinfällig. Der Betrieb einer hydraulischen Weiche hängt daher nicht davon ab, ob diese senkrecht oder waagerecht installiert wurde.

Fazit

Hydraulische Probleme lassen sich eventuell mit einer entsprechenden Weiche lösen. Früher waren diese Gefäße nicht so verbreitet, weil alte Kessel als solche und mit dem damals gehörigen Volumeninhalt diese Funktion von Hause übernahmen. Kompakte Wärmeerzeuger von heute rufen immer häufiger die hydraulische Weiche auf den Plan. 

Dieser Artikel von Elmar Held ist zuerst erschienen in SBZm 3 / 2018.