Wie funktioniert eigentlich ein Dreiwegemischer mit Bypass?
Die Kombination eines Wärmeerzeugers mit einer Flächenheizung ist Standard und meistens ohne Schwierigkeiten zu bewältigen. Was ist aber, wenn der Wärmeerzeuger eine sehr hohe Vorlauftemperatur erzeugt und die Flächenheizung diese nicht verträgt?
Beispielsweise kann in einem modernen Wohnhaus ein Scheitholzkessel installiert sein. Der möchte nicht während der Heizperiode mit 40°C Vorlauftemperatur betrieben werden. Bei 40°C würde der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensieren und könnte den Kessel damit schädigen. Ein solcher Kessel wird daher ganzjährig mit einer Temperatur betrieben, die diesen Effekt sicher ausschließt. Für einen Scheitholzkessel liegen die Vorlauftemperaturen bei 70°C.
Die Flächenheizung kann, ausgeführt als Kunststoffrohr, in den Estrich eingebettet sein. Hohe Temperaturen könnten auf Dauer dem Rohr schaden oder auch den Estrich an seine Belastungsgrenze führen. Außerdem wären bei zu hohen Temperaturen des Heizwassers die Oberflächentemperaturen auf dem Fußboden empfindlich hoch.
Es muss also zwangsläufig eine Regulierung der Temperatur erfolgen. Dabei gibt es Besonderheiten, die wir in diesem Bericht vorstellen und die sich auf ähnliche Problemstellungen sehr gut übertragen lassen.
Besonderheit Flächenheizung
Eine Flächenheizung (FHZ) wird üblicherweise mit konstantem Volumenstrom betrieben. Beispiel:
Im Auslegungsfall, bei minus 10 °C Außentemperatur strömt heißes Vorlaufwasser mit 40 °C durch den 50 Meter langen Heizkreis und kühlt sich auf dem Weg durch den Raum auf 35 °C ab. Ist die Anforderung an den Raum geringer, weil die Außentemperatur plötzlich auf plus 5 °C steigt, reicht eine Vorlauftemperatur von 30 °C aus und das Wasser strömt mit 25 °C zurück zum Verteiler.
Der Volumenstrom durch diesen Kreis bliebe dabei konstant.
Würde man den Volumenstrom verändern, könnte man auch bei einer Außentemperatur von plus 5 °C die 40 °C im Vorlauf beibehalten. Der Effekt im Raum wäre dann aber, dass die ersten Meter mit der heißen Brühe von 40 °C ordentlich warm würden, die letzten Meter des Kreises aber erheblich abgekühlt wären mit nur noch 22 °C. Auf dem Fußboden des Raumes wären also erhebliche Temperaturschwankungen feststellbar und auch fühlbar.
Ein übertriebener Witz aus der Thermodynamik macht das deutlich:
„Steck den Kopf in den Kühlschrank und die Füße in den Backofen und du bist im Mittel gut temperiert.“
Um also große Temperaturschwankungen auf dem Fußboden zu vermeiden, bleibt der Volumenstrom durch einen Flächenkreis konstant und es wird lediglich die Vorlauftemperatur an den Bedarf angepasst. Dadurch stellt sich auf dem Fußboden eine gleichmäßige Oberflächentemperatur ein.
Dreiwegemischer
Die Funktion eines Dreiwegemischers ist gut durchschaubar und auf dieser Seite schematisch dargestellt. Die Umwälzpumpe treibt das Heizwasser durch die FHZ und schiebt das Wasser abgekühlt in den Rücklauf.
An einem Abzweig könnte das Rücklaufwasser nochmals in den Vorlauf fließen oder direkt zurück zum Kessel. Der Dreiwegemischer kriegt Hinweise über einen Temperaturfühler im Vorlauf, ob die Temperatur für die FHZ angemessen ist.
Ist diese Temperatur zu hoch, wird kühles Rücklaufwasser beigemischt, und ist die Temperatur zu niedrig, so wird mehr von dem heißen Kesselwasser verwendet.
In der Darstellung sieht man die Tore A, B und AB. Das Tor A wird vom heißen Kesselwasser bedient. Das Tor B vom kühlen Rücklauf. Die Summe beider Tore, also AB, ergibt den Zustrom für die Flächenheizung.
Verhältnismäßig viel kühles Rücklaufwasser wird genutzt, wenn der Drehschieber des Mischers auf kurz vor halb zwölf steht, denn dann ist das Tor B zu AB maximal geöffnet. Am meisten heißes Kesselwasser wird genutzt, wenn der Drehschieber kurz nach halb eins zeigt und daher das Tor A weit offensteht. Also kein Problem, würde man jetzt denken, dieser Mischer wird es schon mischen.
Nebenbei: Die Umwälzpumpe ist absichtlich in Fließrichtung hinter dem Mischer, denn dann kann der Volumenstrom zu den Heizkreisen der FHZ konstant gehalten werden.
Überprüft man bei allem Verständnis für den Dreiwegemischer dessen bevorzugten Drehbereich, wird man leicht feststellen, dass dieser im gedachten Beispiel niemals seine gesamte Bandbreite nutzen kann. Theoretisch kann der Mischer aus der Darstellung sich um 60 Grad im Kreis schwenken.
Die höchste Anforderung an die Vorlauftemperatur zur FHZ erfährt der Mischer natürlich im Winter. Zum Zeitpunkt des Auslegungsmaximums bietet der Kessel 70 °C an und die FHZ will 40 °C bekommen, wobei sich 35 °C im Rücklauf einstellen. Betrachten wir daher mal die rechnerischen Gegebenheiten für ein Wohnhaus mit 5.815 W Leistung sämtlicher Flächenheizungen zusammengerechnet. Die Spreizung zwischen 40 °C und 35 °C beträgt für sämtliche Kreise 5 Kelvin.
Die Frage stellt sich nach dem gesamten Massenstrom oder auch Volumenstrom und vor allem für den Dreiwegemischer nach der Aufteilung der Massenströme vom heißen Kessel und dem kühlen Rücklauf der FHZ.
Der FHZ-Kreis schreit also nach 1.000 kg/h.
Mittels der Mischwasserformel lässt sich noch ausrechnen, welchen Anteil das heiße Kesselwasser mit 70 °C haben wird und welcher Volumenstrom aus dem kühlen Rücklauf mit 35 °C stammt.
- mm = 1.000 kg/h
- ϑm = 40 °C
- ϑk = 35 °C
- ϑw = 70 °C
- mk = gesucht
Damit wird also rechnerisch nachgewiesen, dass im Auslegungsfall der kühle Rücklauf 857 Liter pro Stunde (l/h) beisteuert und folglich nur rund 143 l/h aus dem Kessel kommen. Auf den ersten Blick würde man also einen solchen Dreiwegemischer mit riesigem „Scheunentor“ für den maximalen Volumenstrom von 1.000 l/h auslegen. Dieses bewegliche „Scheunentor“ bliebe aber ständig extrem weit geöffnet, um mindestens 857 l/h an kaltem Wasser einzulassen. Das hört sich noch nicht so verrückt an.
Krass wird es erst, wenn man bedenkt, dass dieses riesige, bereits geöffnete Tor mit dem letzten Teil der noch zur Verfügung stehenden Drehung den Durchsatz von maximal 143 l/h koordinieren soll, also den heißen Anteil dazu steuert.
Zur Auslegung könnte man dann behaupten: Gebaut ist der Dreiwegemischer für 1.000 l/h, aber der Regelbereich beschränkt sich auf einen maximalen Volumenstrom von 143 l/h. Schwenken kann der Mischer um einen Winkel von 60 Grad, nutzen kann dieser aber nur noch einen Bereich von 10 Grad. Öffnet der Mischer weiter als 10 Grad das Tor zum Kessel, wird die Temperatur von maximal zulässigen 40 °C bereits überschritten. Ein erheblicher Anteil an möglicher Drehbewegung zur Regelung der beiden Volumenströme ist also ohne Effekt und verpufft. Will man einem Mischer auf die Sprünge helfen, müsste man 857 l/h als Standard liefern und dem Mischer selbst die Hoheit über 143 l/h überlassen.
Die Lösung ist so genial wie simpel. Da systembedingt immer ein erheblicher Teil des Rücklaufwassers aus der Flächenheizung genutzt werden soll, wird eine Rohrverbindung mit einem einstellbaren Ventil zwischen Vor- und Rücklauf eingebaut, der sogenannte Bypass. Über diese Strecke wird der ohnehin notwendige Anteil an kühlem Rücklaufwasser transportiert und mit dem Bypassventil dieser Kurzschlussstrecke einreguliert. Der Mischer wird für den eher geringen, vom Kessel kommenden Anteil dimensioniert. Der Drehschieber des deutlich kleineren Dreiwegemischers steht dann für die gesamte Regelarbeit zur Verfügung. 60 Grad Schwenkarbeit sorgen für eine gehörige Portion an Genauigkeit im Ergebnis. Statt für 1.000 l/h ohne den cleveren Bypass wird der Dreiwegemischer hier nur noch für 143 l/h dimensioniert. Der Bypass liefert durch eine Festeinstellung die Differenz 857 l/h zum Gemisch ständig dazu. Das hätte der Mischer in der Variante ohne Bypass als Mindestmenge ebenfalls aus dem Rücklauf schöpfen müssen.
Dieser Beitrag von Elmar Held ist zuerst erschienen in SBZ Monteur 06/2020. Dipl.-Ing. (FH) Elmar Held ist verantwortlicher Redakteur des SBZ Monteur. Er betreibt ein TGA-Ingenieurbüro, ist Dozent an der Handwerkskammer Münster und Hochschule Düsseldorf, sowie öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger.
