Hydraulische Weiche für Heizung: Zweck + Installationsschema + Parameterberechnungen

Heizsysteme in ihrer modernen Form – sind komplexe Anlagen, die mit unterschiedlicher Ausrüstung ausgestattet sind. Ihr effizienter Betrieb wird durch eine optimale Abstimmung aller Komponenten gewährleistet. Die Hydraulikweiche für die Heizung soll das Gleichgewicht sicherstellen. Es lohnt sich, ihr Funktionsprinzip zu verstehen, finden Sie nicht?

Wir erklären, wie die hydraulische Weiche funktioniert und welche Vorteile der damit ausgestattete Heizkreis bietet. In dem von uns vorgestellten Artikel werden die Regeln für Installation und Anschluss beschrieben. Es werden nützliche Empfehlungen zum Betrieb gegeben.

Trennung der hydraulischen Ströme

Die Hydraulikweiche für die Heizung wird auch häufig als hydraulische Trennvorrichtung bezeichnet. Daraus wird deutlich, dass diese Vorrichtung für den Einbau in Heizungssysteme vorgesehen ist.

Bei der Heizung werden mehrere Kreisläufe vorausgesetzt, wie zum Beispiel:

• Leitungen mit Heizkörpergruppen;
• Fußbodenheizung;
• Warmwasserversorgung über einen Boiler.

Ohne hydraulische Weiche muss man für ein solches Heizungssystem entweder einen sorgfältig berechneten Entwurf für jeden Kreislauf erstellen oder jeden Kreislauf mit einer individuellen Umwälzpumpe ausstatten.

Doch selbst in diesen Fällen besteht keine vollständige Gewissheit, die optimale Balance zu erreichen.

So ungefähr kann man die klassische Konstruktion hydraulischer Weichen betrachten, die auf Basis von runden oder rechteckigen Rohren hergestellt werden. Eine einfache, aber wirksame Lösung, die den Zustand des Heizsystems mit Kessel grundlegend verändert.

Die Aufgabe wird dabei einfach gelöst. Man muss lediglich eine hydraulische Weiche – eine Hydraulikweiche – in das Schema einbauen. Auf diese Weise werden alle in das System integrierten Kreisläufe optimal getrennt, ohne dass hydraulische Verluste in einem von ihnen riskiert werden.

Hydraulikweiche ist ein umgangssprachlicher Begriff. Die korrekte Bezeichnung ist – «hydraulische Weiche». Aus konstruktiver Sicht sieht die Vorrichtung wie ein Stück eines gewöhnlichen Hohlrohrs aus (runder oder rechteckiger Querschnitt).

Beide Stirnseiten des Rohres sind mit Metallscheiben verschlossen, und an den verschiedenen Seiten des Gehäuses befinden sich Einlass-/Auslassanschlüsse (ein Paar auf jeder Seite).

Das natürliche Erscheinungsbild der Produkte – Hydraulische Weichen aus Rechteck- und Rundrohren. Beide Varianten zeigen eine hohe Effizienz. Allerdings gelten Hydraulische Weichen auf Basis von Rundrohren als die bevorzugte Option.

Traditionell ist der Abschluss der Montagearbeiten für die Einrichtung der Heizungsanlage der Beginn des nächsten Prozesses – des Tests. Die erstellte Sanitäranlage wird mit Wasser gefüllt (T = 5 – 15 °C), danach wird der Heizkessel in Betrieb genommen.

Bis der Wärmeträger die erforderliche Temperatur (vom Kesselprogramm vorgegeben) erreicht hat, wird der Wasserstrom durch die Umwälzpumpe des Primärkreislaufs zirkuliert. Die Umwälzpumpen der Sekundärkreisläufe sind nicht angeschlossen. Der Wärmeträger wird durch die Hydraulische Weiche von der warmen zur kalten Seite geleitet (Q1 > Q2).

Wenn der Wärmeträger die vorgegebene Temperatur erreicht, werden die sekundären Kreisläufe der Heizungsanlage aktiviert. Die Ströme des Wärmeträgers im Haupt- und in den Nebenschleifen gleichen sich an. Die hydraulische Weiche funktioniert unter diesen Bedingungen nur als Filter und Entlüfter (Q1 = Q2).

Funktionsdiagramm der klassischen Hydraulischen Weiche für drei verschiedene Betriebsmodi des Kessels. Das Diagramm zeigt anschaulich die Verteilung der Wärmeströme für jeden einzelnen Betriebsmodus der Kesselanlage.

Wenn ein Teil (z. B. der Fußbodenheizkreis) der Heizungsanlage den eingestellten Heizpunkt erreicht, wird die Wärmeentnahme durch den Sekundärkreislauf vorübergehend gestoppt. Die Umwälzpumpe wird von der Automatik abgeschaltet, und der Wasserstrom wird durch die Hydraulische Weiche von der kalten zur warmen Seite geleitet (Q1 < Q2).

Berechnungsparameter der Hydraulikweiche

Der wichtigste Referenzparameter für die Berechnung ist die Geschwindigkeit des Wärmeträgers im vertikalen Bewegungsbereich innerhalb der Hydraulischen Weiche. Üblicherweise beträgt der empfohlene Wert nicht mehr als 0,1 m/s, unabhängig von einer der beiden Bedingungen (Q1 = Q2 oder Q1 < Q2).

Die geringe Geschwindigkeit ist auf durchaus vernünftige Schlussfolgerungen zurückzuführen. Bei einer solchen Geschwindigkeit setzen sich Verunreinigungen (Schlamm, Sand, Kalk usw.) im Wasserstrom am Boden des Rohrs der Hydraulischen Weiche ab. Zudem kann sich aufgrund der geringen Geschwindigkeit das erforderliche Temperaturgefälle bilden.

Zwei konstruktive Arten von Hydraulischen Weichen, für die üblicherweise Berechnungen durchgeführt werden: 1 – nach drei Durchmessern; 2 – nach abwechselnden Anschlussstutzen. Unabhängig von der gewählten Methode sind die grundlegenden Berechnungsparameter stets typisch – der Wärmeträgerdurchsatz durch die Kreisläufe und der Geschwindigkeitsparameter.

Die geringe Geschwindigkeit des Wärmeträgertransports fördert eine bessere Trennung von Luft und Wasser, um sie anschließend über den Entlüfter des Hydraulischen Trennsystems abzuführen. Generell wurde der Standardparameter unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren gewählt.

Für Berechnungen wird häufig die sogenannte Methode der drei Durchmesser und der wechselnden Stutzen verwendet. Hier ist der endgültige Berechnungsparameter der Wert des Durchmessers des Trennstücks.

Ausgehend von diesem Wert werden alle anderen erforderlichen Werte berechnet. Um jedoch den Durchmesser der hydraulischen Weiche zu ermitteln, werden folgende Daten benötigt:

• die Durchflussmenge im ersten Kreislauf (Q1);
• die Durchflussmenge im sekundären Kreislauf (Q2);
• die Geschwindigkeit des vertikalen Wasserflusses in der hydraulischen Weiche (V).

Im Grunde genommen sind diese Daten für die Berechnung immer vorhanden.

Zum Beispiel beträgt die Durchflussmenge im ersten Kreislauf 50 l/min. (aus der technischen Spezifikation der Pumpe 1). Die Durchflussmenge im zweiten Kreislauf beträgt 100 l/min. (aus der technischen Spezifikation der Pumpe 2). Der Durchmesser der hydraulischen Weiche wird mit der folgenden Formel berechnet:

Formel zur Berechnung des Rohrdurchmessers der hydraulischen Weiche in Abhängigkeit von den Parametern des Kühlmitteldurchflusses (Durchfluss gemäß Pumpenkennlinie) und der Geschwindigkeit des vertikalen Durchflusses

wobei: Q – die Differenz der Durchflussmengen Q1 und Q2; V – die Geschwindigkeit des vertikalen Durchflusses innerhalb der Weiche (0,1 m/s); π – die Konstante 3,14.

In der Zwischenzeit kann der (nominale) Durchmesser der hydraulischen Weiche unter Verwendung einer Tabelle mit ungefähren Standardwerten ausgewählt werden.

Der Höhenparameter für die Wärmestromtrennung ist nicht kritisch. Tatsächlich kann die Rohrhöhe beliebig gewählt werden, jedoch unter Berücksichtigung der Anschlusshöhen der Zu- und Ableitungen.

Schematische Lösung zur Verschiebung der Rohranschlüsse

Die klassische Variante der hydraulischen Weiche sieht vor, dass die Stutzen symmetrisch zueinander angeordnet sind. Es wird jedoch auch eine schematische Variante mit einer etwas anderen Konfiguration praktiziert, bei der die Stutzen asymmetrisch angeordnet sind. Was bringt das?

Schema der Herstellung einer hydraulischen Weiche, bei der die Stutzen des Sekundärkreislaufs gegenüber den Stutzen des Primärkreislaufs etwas verschoben sind. Nach Meinung der Erfinder (und durch die Praxis bestätigt) erscheint diese Variante hinsichtlich der Partikelfiltration und Luftabscheidung effektiver.

Wie die praktische Anwendung asymmetrischer Schemata zeigt, wird in diesem Fall eine effizientere Luftabscheidung sowie eine bessere Filtration (Absetzen) der im Kühlmittel vorhandenen Schwebstoffe erreicht.

Anzahl der Anschlüsse an der Hydraulikweiche

Die klassische Schaltungstechnik sieht den Anschluss von vier Rohrleitungen an die Konstruktion der hydraulischen Weiche vor. Daraus ergibt sich zwangsläufig die Frage, ob die Anzahl der Ein-/Ausgänge erhöht werden kann. Grundsätzlich ist ein solcher konstruktiver Ansatz nicht ausgeschlossen. Allerdings sinkt die Effizienz der Schaltung mit zunehmender Anzahl von Zu-/Ableitungen.

Betrachten wir eine mögliche Variante mit einer größeren Anzahl von Stutzen im Unterschied zur klassischen und analysieren wir die Arbeit des hydraulischen Trennsystems für solche Montagebedingungen.

Schema einer Trennvorrichtung für mehrkanalige Verteilung von Wärmeströmen. Diese Variante ermöglicht die Versorgung größerer Systeme, jedoch sinkt die Gesamteffizienz des Systems drastisch, wenn die Anzahl der Anschlussstutzen auf mehr als vier steigt.

In diesem Fall wird der Wärmestrom Q1 vollständig vom Wärmestrom Q2 aufgenommen, wenn die Durchflussmengen dieser Ströme tatsächlich gleichwertig sind:

Q1=Q2.

Im gleichen Systemzustand ist der Wärmestrom Q3 in der Temperatur näherungsweise gleich den durchschnittlichen Werten Tsr., die in den Rücklaufleitungen (Q6, Q7, Q8) fließen. Gleichzeitig ist ein geringer Temperaturunterschied in den Leitungen mit Q3 und Q4 zu beobachten.

Wenn der Wärmestrom Q1 in seiner thermischen Komponente gleich Q2+Q3 wird, ergibt sich die Verteilung der Temperaturdifferenz in folgender Abhängigkeit:

T1=T2, T4=T5,

wohingegen

T3= T1+T5/2.

Wenn der Wärmestrom Q1 gleich der Summe aller anderen Wärmeströme Q2, Q3, Q4 wird, dann gleichen sich in diesem Zustand alle vier Temperaturdifferenzen an (T1=T2=T3=T4).

Mehrkanaliges Trennvorrichtungssystem mit vier Eingängen/vier Ausgängen, das in der Praxis recht häufig eingesetzt wird. Für die Versorgung von Heizsystemen in Privathaushalten ist diese Lösung hinsichtlich der technologischen Parameter und der Stabilisierung des Kesselbetriebs vollkommen zufriedenstellend.

In solchen Situationen treten bei mehrkanaligen Systemen (mit mehr als vier Kanälen) folgende Faktoren auf, die die Funktion des Geräts insgesamt negativ beeinflussen:

• die natürliche Konvektion im Inneren der hydraulischen Trennvorrichtung wird reduziert;
• der Effekt der natürlichen Vermischung von Vorlauf und Rücklauf wird verringert;
• die Gesamteffizienz des Systems tendiert gegen Null.

Daraus ergibt sich, dass die Abweichung vom klassischen Schema mit zunehmender Anzahl der Abzweigstutzen die Arbeitsweise, die eine Hydraulikweiche haben sollte, praktisch vollständig zunichtemacht.

Hydraulische Weiche ohne Filter

Die Konstruktion einer Hydraulikweiche, bei der die Funktionen eines Entlüfters und eines Schmutzfängers fehlen, weicht ebenfalls etwas vom üblichen Standard ab. Gleichzeitig können mit einer solchen Konstruktion zwei Ströme mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (dynamisch unabhängige Kreisläufe) erzielt werden.

Unkonventionelle konstruktive Lösung für die Herstellung einer Hydraulikweiche. Sie unterscheidet sich von der klassischen Variante dadurch, dass hier keine Filter- und Entlüftungsfunktionen vorhanden sind. Zudem folgt die Verteilung der Wärmeströme einem senkrechten Transport, wodurch eine Geschwindigkeitsentkopplung erreicht wird.

Zum Beispiel gibt es den Wärmestrom des Kesselkreislaufs und den Wärmestrom des Heizkörperkreislaufs (Radiatoren). Durch die unkonventionelle Konstruktion, bei der die Ströme senkrecht zueinander verlaufen, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Kreislaufs mit den Heizkörpern erheblich.

Entlang des Kesselkreislaufs ist die Bewegung hingegen verlangsamt. Dies ist allerdings eine rein theoretische Betrachtung. In der Praxis muss unter konkreten Bedingungen getestet werden.

Wozu ist die Hydraulikweiche nützlich?

Die Notwendigkeit der Verwendung einer klassischen Bauform eines hydraulischen Trennstücks ist offensichtlich. Darüber hinaus wird die Integration dieses Elements in Systemen mit Heizkesseln zu einer zwingenden Maßnahme.

Der Einbau einer hydraulischen Weiche in ein von einem Heizkessel betriebenes System gewährleistet die Stabilität der Strömungen (des Wärmeträgerdurchflusses). Dadurch wird das Risiko von Wasserschlägen und Temperatursprüngen vollständig beseitigt.

Beispiele für Hydraulikweichen in klassischer einfacher Ausführung auf Basis von Kunststoffrohrleitungen. Heutzutage sind solche Konstruktionen sogar häufiger anzutreffen als metallische. Die Wirksamkeit ist nahezu dieselbe wie bei metallischen, jedoch besteht eine Kostenersparnis bei der Anschaffung und Integration in das System.

Bei jedem normalen Wasserheizungssystem, das ohne hydraulischen Trenner erstellt wurde, wird das Abschalten einiger Leitungen zwangsläufig von einem starken Temperaturanstieg im Kesselkreislauf aufgrund des geringen Durchflusses begleitet. Gleichzeitig kommt es zur Rückkehr eines stark abgekühlten Rücklaufs.

Es besteht das Risiko von Wasserschlägen. Solche Phänomene führen zu einem schnellen Ausfall des Kessels und verkürzen die Lebensdauer der Anlage erheblich.

Für Haushaltssysteme sind Kunststoffkonstruktionen in den meisten Fällen gut geeignet. Diese Anwendungsvariante erscheint kostengünstiger in der Installation.

Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Fittings die Montage von Systemen aus Kunststoffrohren und den Anschluss von Kunststoff-Hydraulikweichen ohne Schweißen. Aus Wartungssicht sind solche Lösungen ebenfalls zu begrüßen, da der auf Fittings montierte hydraulische Trenner jederzeit leicht entfernt werden kann.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Video über die praktische Anwendung: Wann der Einbau einer Hydraulikweiche erforderlich ist und wann nicht.

Die Bedeutung der Hydraulikweiche für die Verteilung der Wärmeströme kann kaum überschätzt werden. Es handelt sich um eine wirklich notwendige Ausrüstung, die in jedem System der Einzelheizung und Warmwasserversorgung installiert werden sollte.

Das Wichtigste ist, das Gerät – den hydraulischen Trenner – richtig zu berechnen, zu entwerfen und herzustellen. Nur eine genaue Berechnung ermöglicht es, die maximale Leistung aus dem Gerät herauszuholen.

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