Übersicht und Funktion hydraulischer Schaltungen

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In diesem Beitrag erkläre ich euch die Funktion hydraulischer Schaltungen und – Kreise anhand eines Beispiels, zeige die wichtigsten hydraulischen Grundschaltungen und werde die Einsatzgebiete hervorheben sowie deren Vor- und Nachteile erläutern.

Hydraulische Schaltungen

Um Wärme und Kälte richtig dosiert in bestimmte Räume und Gebäudeteile zur richtigen Zeit zu transportieren, kommt meist das Trägermedium Wasser zum Einsatz. Um hier einen optimalen Transport von heißem oder kaltem Wasser zu gewährleisten, ist es elementar die Hydraulik eines Wassersystems zu verstehen.

Zum Verständnis:

  • Die Hydraulik ist die Lehre vom Fließverhalten von Flüssigkeiten.
  • Der hydraulische Abgleich ist die Optimierung eines Heizsystems.
  • Hydraulische Schaltungen bilden das Gesamtkonstrukt aller verbauten Anlagenteile zu einem funktionierenden Heiz- oder Kühlsystem.

Mit einer funktionierenden Heizungs- bzw. Kühlanlage ist es mögliche das Raumklima in Gebäuden zu unterschiedlichen klimatischen Bedingungen für uns Menschen behaglich zu gestalten. Dazu gehören das Heizen an kalten Tagen und das Kühlen an besonders heißen Tagen. Um dies zu erreichen werden hydraulische Schaltungen eingesetzt.

Aufbau eines Hydraulischen Kreises am Beispiel einer Heizungsanlage

In verschiedenen Beiträgen dieses Blogs habe ich in Darstellungen den sinngemäßen Aufbau von Heizungsanlagen skizziert (siehe Übersicht Heizung). Da in diesen Abbildungen die hydraulischen Grundschaltungen zum Verständnis der Thematik eine untergeordnete Rolle spielten, möchte ich anhand der folgenden Skizze (Beimischschaltung) noch einmal zeigen, welche Bauteile in fast jeder hydraulischen Schaltung einer Pumpenwarmwasserheizung vorkommen:

  • Einen Wärmeerzeuger (z.Bsp. Heizkessel)
  • Ein Mischventil (Stellglied) mit Stellantrieb
  • Eine Regeleinrichtung mit Temperaturfühler
  • Eine Umwälzpumpe
  • Eine Abgleichdrossel (z.Bsp. Strangregulierventil)
  • Heizkörper zur Wärmeübergabe an den Raum
Darstellung eines hydraulischen Heizkreises

Abbildung 1: Hydraulischer Heizkreis

Die Darstellung von hydraulischen Kreisen

Hydraulische Kreise und Schaltungen können schematisch unterschiedlich dargestellt werden. Es gibt die geografische und die synoptische Darstellung. Die in Abbildung 1 gezeigte Grafik sieht schematisch und synoptisch dargestellt folgendermaßen aus:

Darstellung hydraulischer Kreise

Abbildung 2: Darstellung hydraulischer Kreise, links geografisch, rechts synoptisch

Bei der geografischen Darstellung kann man ein Heizungsnetz sehr bezugsnah darstellen, sodass man sich theoretisch danach orientieren kann.

Bei der synoptischen Darstellung können komplexe hydraulische Schaltungen geordnet, systematisiert und übersichtlich wiedergegeben werden. Wichtig ist bei der synoptischen Darstellung, dass der Wärmeerzeuger (Primärkreis) immer auf der linken Seite und die Wärmeübergabe (Sekundärkreis) auf der rechten Seite gezeichnet werden. Der Vorlauf befindet sich dabei immer oben und der Rücklauf unten.

Die richte Darstellung von Mischventilen

Eines der wichtigsten Bauteile in einer hydraulischen Schaltung ist das Durchfluss- bzw. Mischventil. Über diese Bauteile wird der Durchfluss des Wassers geregelt und somit die hydraulischen Gegebenheiten im Heizsystem je nach Bedarf verändert.

Darstellung von Ventiltoren

Abbildung 3: Darstellung von Ventiltoren

Aus diesem Grund ist es wichtig darauf zu achten, dass die Ventiltore richtig gezeichnet werden. In Abbildung 3 haben wir ein Dreiwegeventil mit 3 Ventiltoren. Die Ventiltore sind folgendermaßen dargestellt:

  • Ventiltore mit variablem Durchfluss werden ausgefüllt gezeichnet
  • Ventiltore mit konstantem Durchfluss werden nicht ausgefüllt gezeichnet

Variabler Durchfluss bedeutet in diesem Fall, dass die Ventiltore über die Regeleinheit je nach Bedarf geöffnet und geschlossen werden können. Das Ventiltor mit konstantem Durchfluss ist immer zu 100 % geöffnet. Mit Hilfe dieser Darstellung ist für einen Betrachter die Fließrichtung des Heizwassers immer eindeutig.

Die Funktion eines hydraulischen Kreises

Mit den vorgestellten Bauteilen ist es nun möglich zu unterschiedlichen klimatischen und räumlichen Bedingungen eine gewünschte Raumtemperatur von beispielsweise 20 °C zu erzeugen. Mit Hilfe des hydraulischen Kreises ist es möglich die Vorlauftemperatur oder den Volumenstrom anzupassen. Wie das funktioniert erkläre ich euch am Beispiel einer Beimischschaltung:

Szenario 1:  Die Raumtemperatur im Raum beträgt 17 °C, die Solltemperatur soll jedoch bei 20 °C. liegen.
-> Es wird demnach eine höhere Heizleistung benötigt, um den Raum zu erwärmen. Das Ventiltor 1 (vom Heizkessel kommend) ist zu 100 % geöffnet, sodass nur heißes Wasser aus dem Heizkessel zum Heizkörper durchgelassen wird, um die Raumtemperatur auf 20 °C anzuheben. Das Ventiltor 2 vom Rücklauf kommend ist geschlossen (0% geöffnet).

Darstellung eines hydraulischen Heizkreises mit 17 °C Raumtemperatur

Abbildung 4: 17 °C Raumtemperatur

Szenario 2:  Die Raumtemperatur und die Solltemperatur im Raum betragen 20 °C.
-> Der Temperaturregler hat sich auf den mittleren Wert eingestellt, da nun nicht mehr so viel Wärme benötigt wird, das Temperaturniveau von 20 °C soll jedoch gehalten werden. Die beiden Ventiltore sind nun zu jeweils 50% geöffnet, sodass heißes Wasser aus dem Heizkessel aber auch abgekühltes Wasser aus dem Rücklauf des Heizkörpers wieder zum Heizkörper fließen kann. Die Wasserströme aus Heizkessel und Rücklauf werden am Mischventil gemischt, sodass eine mittlere Heizleistung für den Raum zur Verfügung gestellt wird.

Darstellung eines hydraulischen Heizkreises mit 20 °C Raumtemperatur

Abbildung 5: 20 °C Raumtemperatur

Szenario 3:  Die Raumtemperatur beträgt 22 °C, die Solltemperatur 20 °C.
-> Der Temperaturregler steht auf dem niedrigsten Wert, da nur eine geringe Heizleistung benötigt wird. Die Ventilstellung lässt jetzt nur noch abgekühltes Wasser aus dem Rücklauf des Heizkreises erneut in den Heizkreis fließen – Ventriltor 2 ist 100% geöffnet. Das Heizwasser kann somit seine Wärme optimal im Gebäude abgeben, abkühlen und es wird verhindert, dass der Raum durch heißes Wasser aus dem Heizkessel weiter aufwärmt. Das Ventiltor 1 vom Heizkessel kommend ist geschlossen.

Darstellung eines hydraulischen Heizkreises mit 22 °C Raumtemperatur

Abbildung 6: 22 °C Raumtemperatur

Mit Hilfe einer hydraulischen Schaltung kann durch die Anpassung der Ventilöffnungen die Heizleistung den Raumbedingungen angepasst werden.

Hydraulische Grundschaltungen auf der Verbraucherseite

Da sich die Heizleistung \dot{Q} (Wärmestrom) proportional, also immer im selben Verhältnis, zum Produkt von Temperaturdifferenz \Delta\vartheta und Volumentstrom \dot{V} ändert (\dot{Q} \sim \dot{V}\cdot \Delta\vartheta), gibt es zwei Möglichkeiten einen hydraulischen Kreis aufzubauen:

  • Möglichkeit 1: Mengenkonstanter Betrieb: Der Volumenstrom bleibt konstant, die Vorlauftemperatur kann jedoch geändert werden. Durch die Veränderung der Vorlauftemperatur kann somit die Heizleistung angepasst werden. Dieser Betrieb wird auch Mischregelung genannt.
  • Möglichkeit 2: Mengenvariabler Betrieb: Der Volumenstrom kann verändert werden, die Temperatur bleibt jedoch konstant. Durch die Veränderung des Volumenstroms kann somit die Heizleistung angepasst werden. Dieser Betrieb wird auch Durchflussregelung genannt.

Mengenkonstanter Betrieb – Mischregelung

Es gibt zwei klassische Grundschaltungen für den Mengenkonstanten Betrieb: die Beimischschaltung und die Einspritzschaltung.

Die Beimischschaltung

Beimischschaltung, schematische Darstellung (synoptisch und geografisch)

Abb. 7: Beimischschaltung

In meinem Beitrag „Was ist eine Beimischschaltung und wie funktioniert sie?“ gehe ich detailliert auf die Beimischschaltung ein. Hier findet ihr folgende Informationen:

– Funktion der Beimischschaltung
– Eigenschaften der Beimischschaltung
– Einsatzgebiet der Beimischschaltung

Die Einspritzschaltung

Einspritzschaltung, schematische Darstellung (synoptisch und geografisch)

Abb. 8: Einspritzschaltung

In meinem Beitrag „Was ist eine Einspritzschaltung und wie funktioniert sie?“ (Beitrag folgt) gehe ich detailliert auf die Einspritzschaltung ein. Hier findet ihr folgende Informationen:

– Funktion der Einspritzschaltung
– Eigenschaften der Einspritzschaltung
– Einsatzgebiet der Einspritzschaltung

Mengenvariabler Betrieb – Durchflussregelung

Es gibt zwei klassische Grundschaltungen für den Mengenvariablen Betrieb: die Drosselschaltung und die Umlenkschaltung.

Die Drosselschaltung

Drosselschaltung, schematische Darstellung (synoptisch und geografisch)

Abb. 9: Drosselschaltung

In meinem Beitrag „Was ist eine Drosselschaltung und wie funktioniert sie?“ (Beitrag folgt) gehe ich detailliert auf die Drosselschaltung ein. Hier findet ihr folgende Informationen:

– Funktion der Drosselschaltung
– Eigenschaften der Drosselschaltung
– Einsatzgebiet der Drosselschaltung

Die Umlenkschaltung

Umlenkschaltung, schematische Darstellung (synoptisch und geografisch)

Abb. 10: Umlenkschaltung

In meinem Beitrag „Was ist eine Umlenkschaltung und wie funktioniert sie?“ (Beitrag folgt) gehe ich detailliert auf die Umlenkschaltung ein. Hier findet ihr folgende Informationen:

– Funktion der Umlenkschaltung
– Eigenschaften der Umlenkschaltung
– Einsatzgebiet der Umlenkschaltung

Übersicht und Vergleich der einzelnen Grundschaltungen

Eine Übersicht der einzelnen Grundschaltungen mit Vor- und Nachteilen folgt nach der Fertigstellung der einzelnen Beiträge zu den Schaltungen. Habt noch etwas Geduld 🙂

Ich hoffe ich konnte euch damit einen kleinen Einblick in die hydraulischen Grundschaltungen sowie den Aufbau von hydraulischen Kreisen geben. Ich freue mich auf eure Fragen, Anregungen und Kritik in den Kommentaren.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Siemens Hydraulikbuch
SBZ Monteur – Darstellung    
Bosy Online – Hydraulische Schaltungen
Rietschel – Raumklimatechnik: Band 3: Raumheiztechnik*


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2 Kommentare/Fügen deinen eigenen Kommentar hinzu

  1. Gintas / Antworten ¬

    Hallo Martin,

    das ist ein sehr interessantes Thema. Ich bin sehr gespannt auf Deine Beiträge bezüglich der Schaltungen, die folgen. Viel Erfolg Martin.

    Gintas

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Gintas,

      vielen Dank für deinen Kommentar 🙂 das Thema wird mit der Zeit fertig gestellt werden

      Liebe Grüße, Martin

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