Hydraulische Weiche, der hydraulische Nullpunkt

Hydraulische Weiche

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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Hydraulische Weichen werden in Mehrkesselanlagen oder in Einkesselanlagen mit geringem Wasserumlaufvolumen zur Leistungsanpassung eingesetzt. Sie sollen den Wärmeerzeuger und den Wärmeverbraucher hydraulisch entkoppeln. Die Vorgänger der Weichen waren die offenen Verteiler (druckloser oder druckarmer Verteiler).

Wenn die Wasserumlaufmenge des Wärmeverbrauchers größer ist als die des Heizkessels kann durch den Einbau der Weiche eine Unterversorgung der Verbraucher vermieden werden. Es wird allerdings eine zusätzliche Pumpe für den Verbraucherkreis benötigt. Die Kesselkreispumpe muss auch ausreichend groß dimensioniert sein. Erforderlich ist eine hydraulische Weiche bei Zweikreis-Anlagen (Fußbodenheizung / Heizkörper oder Anlagen mit mehreren Heizkörperkreisen), wenn kein offener Verteiler vorgesehen ist, damit die Pumpen nicht gegeneinander Arbeiten (je nach der vorhandenen hydraulischen Schaltung) und es zu Strömungsgeräuschen kommt bzw. ein vernünftiger hydraulischer Abgleich der Anlage möglich ist. Die hydraulische Weiche kann, richtig konstruiert, auch als Luftabscheider und Schlammabscheider eingesetzt werden.

Die Weiche ersetzt den früher üblichen offenen Verteiler (druckloser oder druckarmer Verteiler).

Auch ein Pufferspeicher, wenn er technisch notwendig ist, wirkt wie eine hydraulische Weiche.

Vorteile:

- Hydraulische Entkopplung bei unterschiedlichen Volumenströmen
- Kesselkreis bzw. Wärmeerzeugerkreis verfügt immer über eine konstante Durchflussmenge
- Sanfte Regelung (hoher Wirkungsgrad, geringste Emissionen)
- Hohe Leistungsspitzen der Verbraucher möglich
- Geringer Aufwand für Regelung, preiswerte Lösung
- als Entschlammungsbehälter einsetzbar (Entschlammungsstutzen notwendig)
- als Luftabscheider einsetzbar (Entlüfungsventil gut zugänglich montieren, evtl. nach unten ziehen)

Nachteile:

- Bei Brennwertheizgeräten sollen die Rücklauftemperaturen niedrige sein, damit möglichst viel Kondensat entsteht und effizient arbeitet. Durch die hydraulische Weiche wird die Rücklauftemperatur annähernd auf die Vorlauftemperatur angehoben. Der Kondensatfluss verringert sich oder es entsteht überhaupt kein Kondensat.
- Wenn Wärmeerzeuger (z. B. Wärmepumpen, Elektrokessel) eine stufenlose automatische Leistungsanpassung (Modulation) haben, werden unnötige Bauteile (z. B. Umwälzpumpe) und Regelungen eingebaut.

Funktion der Weiche

Genau im Mittelpunkt (vertikal) der hydraulischen Weiche befindet sich der Nullpunkt der Heizungsanlage. Somit können zu jeder Betriebszeit unterschiedliche Volumenströme fließen, ohne dass die verschiedenen Kreisläufe voneinander hydraulisch beeinträchtigt werden.
Beim Austausch von Heizkesseln in vorhandene Rohrsysteme (Austausch von Wärmeerzeugern in Altanlagen) ist die Verringerung der neuen Kesselleistung zur vorhandenen Leistung im Regelfall bis zu 40 % geringer. Im Normalfall sind die Pumpen in Altanlagen 2 bis 3fach überdimensioniert und dadurch ist die Wassermenge in den Abnehmerkreisläufen viel zu groß.
Hier kann nur über die hydraulische Weiche ein vernünftiges Abgleichen und Verteilen der unterschiedlichen Volumenströme vorgenommen werden. Natürlich sollte die Pumpenleistung den neuen Gegebenheiten der Anlage angepasst werden.
Mit Hilfe einer mehrstufigen oder besser elektronischen Pumpe kann bei diesen Anlagen die Leistung genauestens dem Bedarf angepasst werden. Dadurch senken sich die Kosten der Elektroantriebsenergie in den meisten Fällen bis zu 70 %.

Um eine einwandfreie Funktion zu realisieren, muß die hydraulische Weiche richtig dimensioniert sein. Dies ist dann der Fall, wenn zwischen Primär- und Sekundärkreislauf praktisch kein Druckabfall auftritt. Anders ausgedrückt kann man auch sagen, die hydraulische Weiche ist dann richtig dimensioniert, wenn in der Ausgleichsleitung die Nennwassermenge mit geringer Strömungsgeschwindigkeit (bis ...0,2 m/s) strömt. Die durchströmte Querschnittsfläche bei angenommener Strömungsgeschwindigkeit, oder die Strömungsgeschwindigkeit bei gegebener Querschnittsfläche kann mit folgender Gleichung berechnet werden:

V(Punkt) = Volumenstrom der Umwälzpumpe/Kesselkreispumpe (m³/h)
w = Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der hydr. Weiche (m/s)
A = Durchströmte Querschnittsfläche (m²)

Volumenstrom	Kesselleistung	ca. Abmessungen
	delta_t= 15 K	D	KV/HV
(m³/h)	(kW)	(mm)	KR/HR
4,0	70	100	Rp 1 ½
5,2	90	110	Rp 1 ½
5,7	100	120	Rp 1 ½
6,8	120	130	Rp 1 ½
8,6	150	150	DN 65
10,3	180	160	DN 65
13,0	250	180	DN 80
17,1	300	200	DN 100
20,0	350	220	DN 100
22,9	400	233	DN 100
25,1	440	243	DN 100
28,6	500	260	DN 100
30,3	530	270	DN 100
34,3	600	285	DN 125

Eine eventuelle Überdimensionierung wird sich für das System niemals negativ auswirken.

Betriebszustände in der Hydraulischen Weiche
m_prim= m_sek	m_prim> m_sek	m_prim< m_sek
Der Volumenstrom des Primärkreises (Erzeugerkreises) und der des Sekundärkreises (Verbraucherkreises) sind gleich groß.	Der Volumenstrom des Primärkreises ist größer als der des Sekundärkreises – die Rücklauftemperatur im Primärkreis steigt an.	Der Volumenstrom des Primärkreises ist kleiner als der des Sekundärkreises – der Vorlauf des Sekundärkreises ist kälter als der des Primärkreises, da ihm in der Weiche kaltes Rücklaufwasser beigemischt wird.
Quelle: Uponor GmbH

Die Hersteller unterscheiden bei den hydraulischen Weichen zwischen Typ I und Typ II. Der Unterschied liegt im Kesselanschluss. So werden beim Typ I die Kesselanschlüsse vor der hydraulischen Weiche zusammengezogen, beim Typ II hingegen wird jeder Wärmeversorger einzeln an die Weiche angeschlossen.

Kompaktweichen
Typ I - Typ II

Magnetitabscheidungsmodul
Quelle: SINUSVERTEILER GmbH

Die Kompaktweichen bestehen aus einer senkrechte Rechteckkammer aus Vierkant-Hohlprofil und hat Anschlußstutzen für Wärmeabnehmer und Wärmeerzeuger aus geschweißtem Stahlrohr mit Vorschweißflanschen PN 6. Oben befindet sich ein Entlüftungsanschluss und unten ein Entschlammungsanschluss. Die Hydraulische Weiche ist werkseitig 100 % dichtigkeitsgeprüft und grundiert. Betriebsdruck max. 6 bar, Betriebstemperatur max. 110 °C. Standfuß mit Bohrungen für Bodenfestigung.

Typ I: Kesselanschlüsse sind vor der Hydraulischen Weiche möglich.
Typ II: Direktanschluss jedes Kessels von rechts nach links sind an die Hydraulische Weiche möglich.

Ein Magnetitabscheidungsmodul ist zur Abscheidung ferromagnetischer Stoffe in Hydraulischen Kompaktweichen lieferbar, muss aber bei der Bestellung angegeben werden.

Hydraulische Weichen - Caleffi S.p.a.

Verteilerweiche
Die Verteilerweiche "Sinus HydroFixx" vereint die platzsparende Heizkreisanordnung eines Kompaktverteilers mit der Wirkungsweise einer Hydraulischen Weiche. Hier sind zwei hintereinander angeordnete und durch eine sinusförmige Wand getrennte Vor- und Rücklaufkammer vorhanden. Dabei münden in diese Kammern zwei Öffnungen der darunter angeordneten Hydraulischen Weiche. Diese Öffnungen liegen nahe der Enddeckel des Weichenkorpus, wodurch der gesamte Wasserinhalt der Hydraulischen Weiche als Puffervolumen für längere Reaktionszeiten der Regelung beim hydraulischen Abgleich dient.

Verteilerweiche Sinus HydroFixx

Quelle: SINUSVERTEILER GmbH

Heutzutage ist es nicht mehr zwingend erforderlich, die Hydraulische Weiche senkrecht anzuordnen, da dort die Kraftfelder (Auftriebs- und Gravtationskraft) aufgrund der gewollten Beimischung gegen die Strömungskraft nicht wirken können. Auf eine Temperaturschichtung in der Weiche wird kein Wert gelegt, da bei dem Einsatz von Brennwertkesseln generell dem Sekundär-Vorlauf ein Teil des Rücklaufwassers beigemischt wird, um die Kesselrücklauftemperatur niedrig zu halten (zwecks Ausnutzung des Kondensationseffekts). Deshalb kann eine Weiche auch waagerecht eingebaut werden, ohne die Hauptfunktion des hydraulischen Entkoppelns zu mindern.
Wichtig für einen reibungslosen Betrieb des Sinus HydroFixx ist eine anforderungspezifische Dimensionierung der Grundkörper sowie die richtige Platzierung der Ein und Austrittsöffnungen zwischen Weiche und Verteiler. Die integrierte Weiche wird wie eine senkrechte Hydraulische Weiche so ausgelegt, dass in ihr laminare Strömungsverhältnisse herrschen. Das heißt, dass die Querschnittsfläche der Weiche ein Mehrfaches so groß ist wie der Zuleitungsquerschnitt. Werden bei der Auslegung die genannten Kriterien beachtet, ist ein problemloser Betrieb der Heizungsanlage und eine funktionierende Hydraulik gewährleistet.
Die Weiche ist aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit die ideale Stelle zur Entschlammung und Magnetitabscheidung. Der Hersteller bietet Magnetitfilterkerzen an, die dort eingesetzt werden können.

Sepcoll - Verteiler mit hydraulischer Weiche - Abgänge 3+1 für Heizungs- und Klimaanlagen
Quelle: CALEFFI ARMATUREN GmbH

Die Verteilerweiche "SEPCOLL" verfügt über einen Bereich mit geringem Druckverlust,der dafür sorgt, dass der primäre Heizkreis und die sekundären Heizkreise, die an diesem Bereich angeschlossen sind, hydraulisch unabhängig voneinander arbeiten (hydraulische Trennung). Die Strömung innerhalb des einen Heizkreises wirkt sich nicht auf die Strömung innerhalb des anderen Heizkreises aus, wenn der Druckverlust in dem gemeinsamen Abschnitt zu vernachlässigen ist. In diesem Fall sind die Durchflussmengen, die durch den jeweiligen Heizkreis strömen, ausschließlich durch die Charakteristik der Pumpen bedingt und ein wechselseitiger Einfluss wird aufgrund des Anschlusses in Reihe verhindert.
Die Weiche ist aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit die ideale Stelle zur Entschlammung und Magnetitabscheidung. Der Hersteller bietet ein Magnet an, der an dem Anschluss der Entlüftung eingesetzt werden kann.

Hydraulische Multifunktions-Weiche
Die hydraulische Multifunktions-Weiche erfüllt verschiedene Funktionen in Heizungs- und Kühlanlagen in einem Bauteil. Zur Ausstattung gehört außerdem ein im Warmverfahren vorgeformte Dämmschalenisolierung zum perfekten Schutz gegen Wärme- bzw. Kälteverluste. Die Multifunktions-Weiche beinhaltet folgende Funktionen:

Hydraulische Trennung Der Wärmeerzeuger bzw. Kälteerzeuger wird vom Heiz- bzw. Kühlkreis hydraulische entkoppelt.
Luftabscheidung Durch die Vergrößerung des Querschnitts verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit, und im Netz aus technischen Polymeren entstehen wirbelartige Bewegungen, die die Lösung der Mikroblasen begünstigen. Die Blasen verbinden sich, werden größer, steigen dadurch in den oberen Bereich der Weiche und können durch den automatischen Schwimmentlüfter abgeschieden werden.
Schlammabscheidung Der Schlammabscheider ermöglicht das Abscheiden und Sammeln der in den Kreisläufen befindlichen Verunreinigungen (z. B. Magnetitschlamm, Rostteilchen), die auf die Oberfläche des inneren Elements treffen und somit aufgefangen werden.
Entfernung magnetischer Partikel Ein entsprechendes magnetisches System (patentiert) reinigt das Wasser von eventuell enthaltenen ferromagnetischen (eisenhaltigen) Partikeln. Diese werden im Sammelbereich zurückgehalten und können somit nicht mehr in den Umlauf kommen.

Hydraulische Multifunktions-Weiche

Entschlammungsvorgang
Quelle: CALEFFI ARMATUREN GmbH

Entlüftungselement Im oberen Teil der Weiche befindet sich ein Entlüftungselement, das die Abscheidung der in der Anlage vorhandenen Luftpartikel bis zur Größe von Mikroblasen ermöglicht. Die Entlüftung erfolgt schließlich über den automatischen Schwimmentlüfter, der am oberen Ende der Multifunktions-Weiche eingebaut ist.

Schlammabscheider Eine weitere Funktion der hydraulischen Multifunktions-Weiche wird von dem in der Armatur befindlichen Schlammabscheider durchgeführt. Dieser ermöglicht das Abscheiden und Auffangen der in der Anlage vorhandenen Schmutzteilchen. Letztere werden durch das im unteren Teil befindliche Ventil beseitigt, das an eine Ablassleitung anschließbar ist (kann während Anlagenbetrieb geöffnet werden).

Magnetclip Der im unteren Bereich der Vorrichtung positionierte Magnetclip ermöglicht eine wirksamere Abscheidung und Sammlung ferromagnetischer (eisenhaltiger) Verunreinigungen. Diese werden durch das starke Magnetfeld, das die im Außenring eingesetzten Magnete erzeugen, im Gehäuse der Weiche zurückgehalten. Der Magnetclip lässt sich außerdem vom Gehäuse abziehen, um die abgelagerten Verunreinigungen auch bei laufender Anlage abzuscheiden. Der außen am Gehäuse der Weiche angebrachte Magnetring ändert nicht dessen hydraulische Eigenschaften.

Entschlammung Zur Ausführung der Entschlammung ist es ausreichend, den Clip (A) zu entfernen, in dem sich die Magnete befinden, welche in der Phase der Schlammabscheidung die ferromagnetischen (eisenhaltigen) Verunreinigungen zurückgehalten haben. Anschließend ist für die Entschlammung der Absperr-Kugelhahn (B) mit dem vorgesehenen Schlüssel (C) zu öffnen.

Hydraulische Weichen - Caleffi S.p.a.

Einsatz von Mischventilen

Hydraulische Weiche - Luftabscheider - Schmutzfänger

SpiroCross AX-J - 3 in 1 - Spirotech bv Niederlassung Deutschland

hydraulische Weiche

Quelle:. Zortea Gebäudetechnik GmbH

ZORTEA-Weiche
Die Zortea-Weiche ist eine hydraulische Weiche mit besonderen Merkmalen gegenüber den handelsüblichen Weichen. Die zwei Rohre haben inliegend je einen Schlitz entsprechend der notwendigen Durchflussmengen für den Ausgleich. Bei unausgeglichenen Druckverhältnissen zwischen Energieerzeuger und Abnehmer quillt das Wasser heraus oder es wird angesaugt. Durch den geraden Durchfluss in den beiden Rohren ergeben sich keine Turbolenzen. Die Trennung der Vor- und Rücklauftemperaturen wird um vieles verbessert.

Ideal für Brennwertkessel und Kaskadenschaltungen
Höchstmögliche Trennung von Vor- und Rücklauf
Widerstandsloser Durchfluss
Volumenstromausgleich durch Überquellen oder Ansaugen
Keine Strömungswirbel

Eine andere Art der hydraulischen Verteilung - ZORTSTRÖM^®-Technologie

flacher Verteiler

Deckenverteiler

Quelle:. Zortea Gebäudetechnik GmbH

Beim Sammeln und Verteilen von Wärme und Kälte bestehen hohe Anforderungen. Vor allen Dingen wenn unterschiedliche Temperaturen transportiert und mehrere Wärme- bzw. Kältequellen berücksichtigt werden müssen.

Dieses System hat folgende Vorteile:

- Schnelle, flexible Planung
- Unkomplizierte Ausführung
- Einwandfrei funktionierende Hydraulik
- Problemloses Zusammenspiel der einzelnen Wärmeerzeuger/Abnehmer(keine hydraulischen Blockaden)
- Einfache Rohrführung im Heizraum
- Minimale Betriebsunterbrechung bei Renovierung der Heizanlage
- Minimaler Energieverbrauch
- Nutzung bestehender Wärmequellen und Abnehmer dank innovativer Kombinationsmöglichkeiten
- Tiefe Rücklauftemperaturen bei Brennwertkessel und Fernheizungen
- Optimale Ausschöpfung der Potenziale im Gesamtsystem
- Geringer Stromverbrauch der Pumpen Platzsparend
- Flexible Montage - an der Wand, an der Decke, auf dem Boden, um die Ecke speziell bei Sanierungskonzepten
- Geringer Platzverbrauch - sprich enormer Platzgewinn
- Niedrige Planungskosten dank einfachem Konzept
- Zukunftssicheres, ausbaubares System
- Sanierung von Heizzentralen ohne störende Betriebsunterbrechung
- Energieeinsparung dank optimaler Energienutzung

Kaskadenverteiler

Quelle:. Zortea Gebäudetechnik GmbH

Kaskadenverteiler

Durch die Kaskadenanordnung des "Multi" lassen sich die verschiedenen Heiz- und Kühlkreise gut einbinden, sodass am Ende sehr niedrige Temperaturen erreicht werden.

ZORTSTRÖM^®-Technologie für den Heiz- und Kühlbereich
Quelle:. Zortea Gebäudetechnik GmbH

Kostensenkung außerdem in vielen anderen Bereichen:

- dank Einsparungen im Bereich Elektroplanung und Elektroinstallation (Elektronik-Schaltschränke)
- dank Einsparung von Regel- und Umschaltventilen (mechanisch, elektrisch, mikroelektrisch), von Mischer und Elektronik (für Rücklaufanhebung), von hydraulischen Weichen mit Isolierung
- dank kleinerer Pumpen (Richtwert 1 Watt/kW Heizlast)
- dank Verzicht auf zusätzliche Schieber und Flanschen, auf Mengenregler und Strangventile usw.

Kaskadenverteiler - Heizung

Die ZORTSTRÖM^®-Technologie ermöglicht die Entkopplung aller Volumenströme der Heizungsanlage auf einfache Weise. Jeder Erzeuger, Speicher und Verbraucherkreis wird mit Vor- und Rücklauf einzeln an den Zortström angeschlossen. Durch die Entkopplung wird jeder Kreis zu 100 % unabhängig von den anderen Kreisen betrieben. Mit dem Kaskadenverteiler kann die Rücklauftemperatur der einzelnen Heizkreise verringert werden. Durch die Kaskadenanordnung des "ZORTSTRÖM^® Multi" lassen sich die verschiedenen Heizungskreise gut einbinden, so werden am Ende sehr niedrige Temperaturen erreicht und den Wärmeerzeugern (Wärmepumpe, Brennwertgerät) zugeführt. Die niedrige Temperatur erhöht die Brennwertnutzung. Das Sammel- und Verteilzentrum "Multi" wurde durch eine integrierte Pufferfunktion mit Gleitschichtraum^® erweitert, wodurch lange Laufzeiten einer Wärmepumpe erreicht werden.
Alle Volumenströme der verschiedenen Heizkreise (Hoch- und Niedertemperatur) der Anlage werden voneinander entkoppelt und jeder Wärmeerrzeuger, Speicher und Verbraucherheizkreis wird mit Vor- und Rücklauf einzeln an den Verteiler angeschlossen. Durch die Entkopplung wird jeder Kreis zu 100 % unabhängig von den anderen Kreisen betrieben.

Kaskadenverteiler Multi PG - Heizung

Quelle:.Zortea Gebäudetechnik GmbH

Kaskadenverteiler Multi PG - Heizung

Quelle:.Zortea Gebäudetechnik GmbH

Aufbau Zortström Multi-PG H/K
Der VortMix vermischt in Sekundenschnelle das ankommende Wasser mit dem in der Stufe vorhandenen Wasser. So stellen wir sicher, dass die Temperatur in der Stufe absolut homogen ist und alle Verbraucher dieselbe Temperatur bekommen. Der VortMix macht sich die Dynamik des Wassers zu Nutze, deshalb haben wir die Möglichkeit mit hoher Geschwindigkeit einzuströmen, bis 5 m/s!

Der FlowSplit stellt die zuverlässige Trennung der Temperaturschichten, sowie den strömungsberuhigten Wasseraustausch zwischen den Stufen sicher. Durch den FlowSplit wird auch der Gleitschichtraum so be- und entladen, dass die Solltemperatur im Gleitschichtraum nach oben oder unten verschoben und das Volumen nicht vermischt wird.

Der Gleitschichtraum^® ermöglicht die Pufferung von Energie mit einem bestimmten Energieniveau. So können Verbrauchsspitzen bedient und Laufzeiten von Wärmeerzeugern verlängert werden. Im Gleitschichtraum treffen die Temperaturen der darüber und darunter liegenden Temperaturstufe aufeinander. Diese bleiben jedoch im Gleitschichtraum durch die FlowSplit Einheit sauber getrennt. Durch den Betrieb der Anlage bewegt sich lediglich die Grenzschicht im Gleitschichtraum nach oben oder unten. Für Wärmeerzeuger bedeutet dies eine Optimierung der Laufzeiten bei gleichzeitig tiefen Rücklauftemperaturen. Bei Kälteanwendungen kann so ein großes Volumen mit exakter Temperatur erzeugt werden.

Volle Nutzung der angebotenen Wärme, durch stufenweise Abgabe in verschiedenen Temperaturen
Hohe Nutzung der angebotenen Energie
Tiefste Rücklauftemperatur für die
Nah- und Fernwärmeversorgung
Hohe Wärmetransportleistung der
Fernleitungen, durch die zu erreichende sehr große Temperaturdifferenz
Vergrösserung der Leistungsfähigkeit
bestehender Fernheizanlagen

Zusätzliche Vorteile bei integrierter
Pufferfunktion mit Gleitschichtraum^®

Kein Takten - Effizienzsteigerung und
verlängerte Lebensdauer der
Energieerzeuger
Einfacher Aufbau
Einfache Regelung

Anlagenschema der ZORTSTRÖM^®-Technologie mit Puffer- und Gleitschichtraum^®
Quelle:. Zortea Gebäudetechnik GmbH

Kaskadenverteiler - Kühlung

Die dreistufige Zortström Multi-PG-K werden oft als Unterverteiler oder in Kältenetzen eingesetzt. Im Beispiel sind drei Verbraucher mit Kälte zu bedienen, welche ein unterschiedliches Temperaturniveau benötigen. So kann die Energie doppelt genutzt werden. Aus dem Kältenetz wird nur die Energie bezogen welche unbedingt nötig ist. Der Verbraucher 1 wird mit Vorlauf 6 °C versorgt, der Rücklauf hat 12 °C und wird sogleich als Vorlauf für den Verbraucher 2 genutzt. Der Gleitschichtraum^® garantiert eine optimale Laufzeit der Kältemaschine. Die Versorgung vom Zortström erfolgt über eine geregelte Pumpe.

Kaskadenverteiler Multi PG - Kühlung

Quelle: Zortea Gebäudetechnik GmbH

Zortea-Weichen


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