Hydraulische Weiche

Hydraulische Weichen werden in Mehrkesselanlagen oder in Einkesselanlagen mit geringem Wasserumlaufvolumen zur Leistungsanpassung eingesetzt. Sie sollen den Wärmeerzeuger und den Wärmeverbraucher hydraulisch entkoppeln.

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 und es zu Strömungsgeräuschen kommt bzw. ein vernünftiger hydraulischer Abgleich der Anlage möglich ist. Die hydraulische Weiche kann, richtig konstruiert, auch als Luftabscheider und Entschlammungbehälter eingesetzt werden.

Die Weiche ersetzt den früher üblichen offenen Verteiler.

Auch ein Pufferspeicher wirkt wie eine hydraulische Weiche.

Vorteile:

- Hydraulische Entkopplung bei unterschiedlichen Volumenströmen
- Kesselkreis 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 %.

Bei der Dimensionierung von hydraulischen Weichen ist bei Volllastbetrieb eine mittlere Fließgeschwindigkeit von max. 0,2 m/s nicht zu überschreiten.

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

Betriebszustände in der Hydraulischen Weiche

m_prim = m_sek
Der Volumenstrom des Primärkreises (Erzeugerkreises) und der des Sekundärkreises (Verbraucherkreises) sind gleich groß.

m_prim > m_sek
Der Volumenstrom des Primärkreises ist größer als der des Sekundärkreises – die Rücklauftemperatur im Primärkreis steigt an.

m_prim < m_sek
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.

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.

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.

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)

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

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.

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.

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.

Wichtig für einen reibungslosen Betrieb des Sinus HydroFixx ist eine anforderungspezifische Dimensionierung der Grundkörper sowie die richtige Platzierung der Ein­ und Austrittsöffnugen 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.

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.

Bei dem Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln (Propan oder Ammoniak) kommen durch die speziellen Eigenschaften dieser Kältemittel (brennbar/toxisch) fast ausschließlich Kaltwasser- oder Kaltsolesysteme für den "Kälte"-Transport vom Flüssigkeitskühler zu den Kühlstellen zum Einsatz.

Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlagen ist die "Hydraulische Weiche", die zwischen Kälteerzeuger/Flüssigkeitskühler und den einzelnen Kühlräumen oder Kühlmöbel eingebaut wird. Eine für diesen Zweck entwickelte hydraulische Weiche für ein Kaltwasser-/ Kaltsolesystem kann ohne großen Aufwand zu einem PCM-Latentspeicher erweitert werden. Durch diese Erweiterung wird im Kaltwasser-/ Kaltsolesystem eine große Mengen an "Kälteenergie" auf kleinstem Raumvolumen eingespeichert werden.
Hierfür werden PCM-Elemente (Kugeln, Linsen) auf der Baustelle einfach durch eine entsprechende Flanschöffnung in den Speicher eingebracht. Diese verteilen sich dann automaisch zwischen den beiden horizontal eingebrachten Lochblechen. Diese " Speicher" verfügen über Inhalte von 500 Liter bis zu 10.000 Liter, was Speicherkapazitäten von 25 kWh bis 500 kWh entspricht.

Die Kunststofflinsen ("HeatSels") oder Kunststoffkugeln bestehen aus einem für den Anwendungsfall und Temperaturbereich eingestelltem Eutektikum/ Salzhydrat. Das PCM (Phase Change Material) befindet sich in luftdicht verschweißten Linsen/Kugeln mit einer speziellen Geometrie aus Kunststoff (HDPE). Diese Geometrie garantiert einen schnellen und effektiven Phasenwechsel des Materials im Inneren der Kunststofflinsen/-kugeln. Die Geometrie der Linsen ist patentiert. Die Linsen/Kugeln werden mit Hilfe des umlaufenden Wasser-Frostschutzgemisches der Kälteanlage im Ladebetrieb gefroren bzw. im Entladebetrieb wieder geschmolzen. Dieser Vorgang erfolgt bei nahezu konstanter Temperatur und kann ohne Verschleiß beliebig oft wiederholt werden.

Der PCM-Latentspeicher hat ein sehr weites Anwendungsgebiet. Er kann z. B. als thermischer Zwischenspeicher für Kälte aus günstigem Strom (Überschuss einer PV-Anlage, negative Regelenergie) oder als Reserve und Rückhaltung für Lastspitzen oder Notfallversorgungen dienen. Mit einem PCM-Latentspeicher kann die Effizienz und die Versorgungssicherheit eines Systems erhöht werden.

Der Ladebetrieb eines PCM-Latentspeichers bei der Kombination mit Strom ist immer dann sinnvoll, wenn günstige und umweltfreundlich erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht. Besonders bei Niedrigstromtarifen oder zum Beispiel bei Überkapazitäten einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage (oder der Speicherung von negativer Regelenergie). Für Kälte- und Klimaanlagen steht dann nachts, durch Abschmelzen des PCM-Latentspeichers, die tagsüber emissionsfreie und umweltschonend erzeugte Kältemenge zur Kühlung zur Verfügung.