In einer 20 Jahre alten und mit rund 400 Danfoss RAVL-Ventilen ausgestatteten Heizungsanlage sorgten die hydraulischen Gegebenheiten – Komplexität der Rohrverteilungen sowie zu hohe Differenzdrücke – für Fließgeräusche an den Heizkörpern und eine Übertemperierung der Räume. Die Heizkörper waren zudem mit nicht-voreinstellbaren Ventilen ausgestattet, die ein Anpassen der Wassermengen an den Wärmebedarf nicht zulassen. Im Rahmen der Reinigung des Fußbodenheizungssystems stellte sich deshalb für den Anlagenbetreiber die Frage, wie auch die Heizkörperanlage kostengünstig saniert werden könnte.

Folgende Möglichkeiten standen zur Diskussion:

• die Installation neuer Heizkörperventilgehäuse
• der Austausch alter Ventileinsätze unter Verwendung der alten Fühlerelemente
• eine Modernisierung durch Austausch alter Ventileinsätze gegen neue voreinstellbare Einsätze und die Installation neuer Fühlerelemente.

Da berücksichtigt werden muss, dass ein kompletter Austausch der Ventilgehäuse in Altanlagen hinsichtlich der Rohranbindungen problematisch ist, fiel die Entscheidung für den Einsatz neuer voreinstellbarer Ventileinsätze in Verbindung mit neuen Fühlerelementen. Diese Lösung ist zeit- und kostensparend, vermeidet die bei baulichen Maßnahmen sonst übliche Beeinträchtigung und bietet weitere Vorteile. So müssen zum Beispiel die Heizkörper nicht ausgebaut werden. Am Ventilgehäuse wird mit wenigen Handgriffen lediglich der alte gegen einen neuen, voreinstellbaren Einsatz ausgetauscht und ein modernes Fühlerelement installiert. Das alte Ventilgehäuse leistet so den vorgeschriebenen hydraulischen Abgleich, vermindert Fließgeräusche sowie eine Übertemperierung der Räume. Die aufgerüsteten Ventile in Kombination mit den Fühlerelementen entsprechen den Anforderungen der DIN 4701/10 sowie der VOB/DIN 18380.

Das Objekt Bildungshaus Schmerlenbach
Das Bildungshaus Schmerlenbach liegt vor den Toren Aschaffenburgs, nur wenige Autominuten von Frankfurt entfernt. Vor fast 800 Jahren wurde an der Stelle des heutigen Bildungshauses eine Benediktinerinnen-Abtei gegründet, die bis 1808 bestand. Die heutige Einrichtung der Diözese Würzburg, die seit 1985 fertig gestellt und mit entsprechender Gebäudetechnik ausgerüstet ist, wird vor allem für die Erwachsenen- und Weiterbildung genutzt (Abb. 1). Nach über 15 Jahren Betrieb war eine Modernisierung fällig.

Lösung und Ziele
Eine geeignete Modernisierungs-Lösung bezüglich Anlagenhydraulik und Übertemperierung der Räume war die Installation von Strangdifferenzdruckreglern mit variablem Einstellbereich in Verbindung mit voreinstellbaren Heizkörperventilen. Auf Grund der schon erwähnten komplexen Rohrleitungsführung und weil differenzdruckgeregelte Pumpen vorhanden waren, wurde auf zusätzliche Strangdifferenzdruckregler verzichtet. Stattdessen erfolgte der Austausch der alten Danfoss-RAVL-Thermostatventilgehäuse gegen die neu entwickelten voreinstellbaren Ventileinsätze. Diese Vorgehensweise bietet über die konkrete Problemlösung hinaus weitere Vorteile. Zum einen können die Ventilgehäuse in der Anlage bleiben. Zum anderen ist kein Eingriff in die alten Heizkörperanbindungen nötig, wodurch sich Lärm und Schmutz bei der Modernisierung erheblich reduzieren.

Ein Blick auf die Heizungsanlage
Die Heizzentrale mit den Radiator-, Fußbodenheizungs-, Lüftungs- und Warmwassersystemen wurde 1984 nach den anerkannten Regeln der Technik fertig gestellt (Abb. 2). Zwei Gaskessel versorgen die Anlage mit je 367 kW. Das Heizkörpersystem wird im 2-Rohrbetrieb mit Vor- und Rücklauftemperaturen von 70°/60° C gefahren und ist in drei Stränge – die Gebäudebereiche Erwachsenenbildung, Altbau und Verwaltung – aufgeteilt (Abb. 3). Die Versorgung der einzelnen Stränge übernimmt je eine differenzdruckgeregelte Pumpe. In der gesamtem Anlage sind über¬wiegend Stahlröhrenheizkörper sowie ein geringer Teil Konvektoren installiert. Die Radiatoren verfügen über Ventilgehäuse in den Nennweiten DN 10 (3/8“), DN 15 (1/2“) und DN 20 (3/4“) und Fühlerelemente Typ RAVL (Abb. 4).

Was gilt es beim Austausch von Ventileinsätzen zu beachten ?
Um den richtigen Ventileinsatz auszuwählen, müssen Ventiltyp, Nennweite und kv-Wert bekannt sein. Informationen des Herstellers geben Aufschluss darüber, welche älteren Heizkörperventile gegen welche neuen voreinstellbaren Ventileinsätze ausgetauscht werden können.

Darüber hinaus ist es nötig, den Wärmebedarf der einzelnen Räume sowie den Differenzdruck über dem Ventil beziehungsweise im Strang zu kennen. Nur so lässt sich die richtige Wassermenge für jeden Heizkörper am voreinstellbaren Ventileinsatz individuell festlegen (Tabelle 1). Beim Modernisierungsobjekt in Schmerlenbach wurde der errechnete Wärmebedarf durch die installierte Heizkörperleistung um rund 32 kW überschritten. Diese Überdimensionierung von etwa 10 % bewegt sich bei älteren Heizungsanlagen eher an der unteren Grenze und beträgt in den meisten Fällen/Anlagen bis zu 30 %.

Montage und Voreinstellung der Ventileinsätze
Nachdem alle notwendigen Informationen zu Heizkörpertyp, Ventilgehäuse und Wärmebedarf zur Verfügung standen, wurden die eingestellten Strangdifferenzdrücke von den differenzdruckgeregelten Pumpen abgelesen (Tabelle 2). Aus dem Datenblatt beziehungsweise über das Auslegungsdiagramm konnte dann für jeden Raum die individuelle Voreinstellung ermittelt werden (Bild 7). Die Dimensionierung ist außerdem mit Hilfe der Danfoss-Software möglich.

Beim Umrüsten einer Gesamtheizungsanlage wird das Heizwasser abgelassen. Betrifft die Modernisierung nur Teilabschnitte oder einzelne Räume beziehungsweise Heizkörper, kann zukünftig das Auswechseln der Ventileinsätze unter Anlagendruck mit einem Demontagewerkzeug (Schleuse) erfolgen. Das Auswechseln ist einfach und lässt sich in wenigen Schritten durchführen; inklusive Befestigung des Thermostatelementes müssen maximal fünf Minuten veranschlagt werden.

In Schmerlenbach wurden nach Ablassen des Heizwassers und der Montage der Ventileinsätze die drei Stränge durchgespült. Dabei gewährleistet die Werkseinstellung „N“ (voll geöffnet) den maximalen Strömungsquerschnitt zwischen Sitz und Kegel. Die Spülung der 388 umgerüsteten Ventilgehäuse erfolgte problemlos. Nach dem Füllen und Entlüften der Stränge wurden alle Ventileinsätze voreingestellt. Dadurch lässt sich der Volumenstrom senken und der Differenzdruck über dem Heizkörperventil quadratisch reduzieren (Δp = kv x V ² ). Das Resultat: Die Fließgeräusche, die sich vor der Umrüstung an diversen Heizkörpern als störend auswirkten, waren nach der Umrüstung völlig verschwunden. Am Beispiel eines Raums aus dem Verwaltungsbereich sieht die Berechnung (kv-Formel) wie folgt aus:

Heizkörperleistung	1690 W
Wärmebedarf	1540 W
ΔT	10 K (70/60)
RAVL 15	kv 0,8 m3 /h
Δp	02, bar

Der Volumenstrom des Heizkörpers errechnet sich demnach wie folgt:



Auch die Begrenzung von Durchfluss und Wärmeleistung wurde so realisiert. Mit der zuvor ermittelten Voreinstellung auf Position 5 erreicht der Volumenstrom exakt die erforderlichen 132 l/h. Stimmen die hydraulischen Verhältnisse dagegen nicht, kann über das alte RAVL-Ventil bei Δp = 0,2 bar ein Volumenstrom von bis zu 230 l/h Wasser fließen, also rund 70 % mehr als erforderlich (Bild 8).

Energieeinsparung und Amortisationszeit
Modernisierungen müssen sich bezahlt machen – durch Komfortgewinn, aber auch durch Energiekostenreduzierung. Deshalb ist die Frage, wie viel Primärenergie sich durch die Aufrüstung alter Thermostatventile – also von festem kv- auf variablen kv-Wert – einsparen lässt und wann sich die Investition amortisiert.

Aufschluss gibt die vergleichende Betrachtung der Heizzeiten, des Nutzungsverhaltens, der Gasverbrauchswerte sowie der meteorologischen Daten für die Zeiträume Januar bis April 2002 und Januar bis April 2003, also vor und nach der Umrüstung.

Das Nutzungsverhalten kann nach Aussage des Betreibers für beide Zeiträume als identisch angenommen werden. Unter diesen Umständen ergeben sich auch bei den Gasverbrauchswerten bezogen auf die Gesamtheizungsanlage inklusive Fußbodenheizung, Lüftung und Warmwasserbereitung vergleichbare Werte. Die Außentemperaturen, ermittelt vom Deutschen Wetterdienst, sind mittlere Tageswerte und wurden zwei Meter über dem Erdboden gemessen. Auf Grund der örtlichen Nähe zu Aschaffenburg wurden die Daten der Messstation Frankfurt/Main-Flughafen ausgewählt. Da die mittlere Temperaturabweichung nur 0,1 K beträgt, ergibt sich eine Energieeinsparung von 5 %. Ausnahme war Februar 2003, der im Mittel um etwa 6 K kälter war als 2002, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führte. Ausgehend von einer ermittelten Mindestenergieeinsparung von 5 % über die Gesamtheizpe¬riode bei einem Energieverbrauch von rund 900 MWh in der Heizperiode 2001/2002 konnten 45 MWh beziehungsweise 3850 m³ Gas eingespart werden. Multipliziert mit dem mittleren Gaspreis (Sondertarif) ergibt sich eine Einsparung von 2.250 Euro pro Heizperiode (exklusive Zins und Zinseszins).

Der Kostenaufwand für die Umrüstung der 388 Ventile betrug 17.734 Euro (inklusive Material) und umfasste folgende Tätigkeiten:

• Anlage entleeren
• Anlage reinigen
• Anlage spülen
• Dimensionierung
• Ventileinsätze umrüsten und voreinstellen
• Thermostatelemente bestücken
• Anlage füllen und entlüften

Die umgerüstete Heizungsanlage wird sich also in acht Heizperioden amortisiert haben. Bei vielen anderen alten Heizungsanlagen mit Überdimensionierungen bis zu 30 % kann sich die Amortisationszeit auf bis zu 5 Jahre reduzieren.