2-Wege-Ventil oder 3-Wege-Ventil? Welches wird wo eingesetzt?

Das 2-Wege-Ventil ist ein Regelorgan mit einem Eingang und einem Ausgang, das über den veränderten Strömungsquerschnitt den Volumenstrom durch den Kreis verringert oder ganz absperrt. Das 3-Wege-Ventil hat dagegen drei Anschlüsse und sperrt den Volumenstrom nicht ab; es führt zwei Strömungen unterschiedlicher Temperatur an einem Ausgang zusammen oder teilt einen einzelnen Eingang auf zwei Leitungen auf. Das eine regelt den Volumenstrom, das andere die Temperatur oder die Richtung.

Den Unterschied erkennt man daran, was in der Schließstellung des Ventils geschieht. Schließt ein 2-Wege-Ventil, wird dieser Kreisstrang vollständig stillgelegt, der Volumenstrom in der Leitung sinkt auf null, und der Gesamtvolumenstrom der Anlage nimmt ab. Schließt ein 3-Wege-Ventil, wird nichts stillgelegt; das Wasser verlässt das Register und strömt in den Bypass-Strang, sodass sich der Gesamtvolumenstrom des Kreises kaum ändert. Deshalb ändert sich auch die Last, die die Pumpe sieht, nicht.

Dieser einzige Unterschied ist die Quelle der gesamten Energiediskussion. Hat ein Gebäude Hunderte Fan-Coil-Geräte und sind alle mit 3-Wege-Ventilen ausgeführt, fördert die Hauptpumpe auch mitten im Winter denselben Volumenstrom weiter, wenn alle Räume die Solltemperatur erreicht haben und die Ventile die Register verlassen. Wird dasselbe Gebäude mit 2-Wege-Ventilen ausgeführt, sinkt der Gesamtvolumenstrom auf 20–30 Prozent, und die Pumpe mit Frequenzumrichter senkt durch Drehzahlreduzierung die Leistung deutlich.

Einen dritten Unterschied gibt es noch: Gehäuse und Stellkraft. Beim 2-Wege-Ventil liegt in der Schließstellung der gesamte Differenzdruck der Pumpe auf der Dichtfläche an, und der Stellantrieb muss diese Kraft überwinden. Beim 3-Wege-Ventil öffnet ein Anschluss, während der andere schließt, daher ist das Kräftegleichgewicht günstiger. Bei gleicher Nennweite DN verlangt das 2-Wege-Ventil in der Regel einen stärkeren Stellantrieb; der Schließdruck, also der Close-off-Wert, ist unbedingt dem Katalog zu entnehmen. Sie können sich unsere Produktgruppe für Ventile und Stellantriebe ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

Die technische Antwort auf die Frage, wozu ein 2-Wege-Ventil dient, lautet: Es erhöht den Widerstand des Kreises und senkt so den Volumenstrom dieses Strangs auf den gewünschten Wert. Das Regelventil ändert die Spindelstellung nach dem Signal des Raumthermostats oder der Gebäudeautomation; je kleiner der Querschnitt, desto größer der Druckverlust und desto geringer der Volumenstrom. Ist die Gesamtdruckdifferenz über dem Kreis konstant, ist der Volumenstrom direkt proportional zum Kv-Wert des Ventils.

Die Beziehung ist einfach: Q gleich Kv mal Wurzel aus Delta P. Dabei ist Q der Volumenstrom in m³/h, Delta P die Druckdifferenz über dem Ventil in bar und Kv der Durchflussbeiwert bei der jeweiligen Öffnung. Bei vollständig geöffnetem Ventil wird der Kv-Wert im Katalog als Kvs-Wert angegeben. Beispielsweise beträgt der Volumenstrom durch ein Ventil mit Kvs 2,5 bei 0,10 bar Differenzdruck 2,5 mal Wurzel aus 0,10 gleich 2,5 mal 0,316 gleich 0,79 m³/h.

Die Kennlinie des 2-Wege-Ventils ist mindestens so wichtig wie der Kvs-Wert. Bei Heiz- und Kühlregistern wird eine gleichprozentige Kennlinie, also Equal Percentage, verwendet, weil sich die Wärmeleistung des Registers nicht linear, sondern entlang einer rasch in die Sättigung laufenden Kurve mit dem Volumenstrom ändert. Sinkt der Volumenstrom eines Wasserregisters auf 50 Prozent, fällt die Wärmeleistung nur um 10–15 Prozent. Das gleichprozentige Ventil kehrt diese Krümmung um und macht das Gesamtverhalten des Systems annähernd linear.

Die lineare Kennlinie gehört dagegen zu Misch- und Temperaturregelungen. Die falsche Kennlinienwahl führt dazu, dass bereits bei den ersten 20 Prozent Öffnung 80 Prozent der Wärmeleistung abgegeben werden und die Regelung in ein ständiges Auf-Zu-Pendeln übergeht. Ventiltyp, Kennlinie und Antrieb eines Regelventils werden gemeinsam betrachtet. (Details: Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich)

Die moderne Form des 2-Wege-Ventils ist der druckunabhängige Typ. Druckunabhängige Strangregulierventile wie das Danfoss AB-QM tragen in ihrem Gehäuse einen Membranregler und halten den Differenzdruck über dem Ventil unabhängig vom Strömungszustand konstant. Schließt das Ventil eines Strangs, ändert sich dadurch der Volumenstrom des Nachbarstrangs nicht, die Anlage bleibt von selbst im Gleichgewicht, und ein zusätzliches Strangregulierventil ist nicht erforderlich. Zur Logik des Abgleichs haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?)

Die Antwort auf die Frage, wie ein 3-Wege-Ventil funktioniert, beruht auf zwei getrennten hydraulischen Aufgaben. Bei der Mischfunktion sind zwei Anschlüsse des Ventils Eingänge und einer ein Ausgang: Das heiße Primärwasser und das kalte Rücklaufwasser vereinigen sich im Ventil, und die Mischung wird in der gewünschten Temperatur am Ausgang abgegeben. Bei der Verteilfunktion ist dagegen ein Anschluss Eingang und zwei sind Ausgänge: Die einzelne ankommende Strömung wird proportional auf zwei Leitungen aufgeteilt.

Das 3-Wege-Mischventil wird überall eingesetzt, wo eine Temperatureinstellung erforderlich ist, etwa im Fußbodenheizungs-Mischerset, im Kesselschutzkreis und im Heizregister eines Klimazentralgeräts. Die Funktionsweise ist folgende: Fährt die Spindel aus, öffnet der Anschluss für das heiße Wasser aus dem Primärkreis, gleichzeitig schließt der Anschluss für das über den Bypass kommende Rücklaufwasser. Da die Summe der Querschnitte beider Anschlüsse annähernd konstant bleibt, bleibt auch der Gesamtvolumenstrom am Mischausgang konstant.

Das 3-Wege-Verteilventil teilt die Strömung auf zwei Ziele auf. Typischer Einsatz ist, einen Teil der Strömung zum Register in den Bypass-Strang umzuleiten. Aus Sicht der Regelung ist das Ergebnis dasselbe wie beim Mischen, die Druckverteilung im Ventilgehäuse ist jedoch eine völlig andere: Beim Verteilventil strömt das Medium von unterhalb des Ventilkegels nach oben, beim Mischventil von oberhalb des Ventilkegels nach unten. Deshalb sind beide Typen nicht gegeneinander austauschbar.

Drehschieber-Ausführungen von 3-Wege-Ventilen sind bei dieser Unterscheidung flexibler. Drehsektor-Mischventile wie das Danfoss VRG3 tragen im Gehäuse statt einer Dichtfläche eine rotierende Scheibe; der Druckausgleich an der Scheibe ist unempfindlich gegenüber einer Richtungsumkehr, und sie können, sofern der Hersteller es erlaubt, auch im Verteilbetrieb eingesetzt werden. Bei 3-Wege-Ventilen in Sitzbauweise, also in Globe-Bauart, ist die Richtung dagegen zwingend, und der Pfeil auf dem Gehäuse zeigt die einzig richtige Einbaulage.

Auch die Kvs-Logik des 3-Wege-Ventils unterscheidet sich vom 2-Wege-Ventil. Im Katalog werden in der Regel zwei Kvs-Werte angegeben: für den Durchgangsweg und für den Bypassweg. Ein Unterschied von 10–20 Prozent zwischen beiden Werten ist normal. Die Dimensionierung erfolgt über den geregelten Weg; der Widerstand des Bypass-Strangs wird mit einem Strangregulierventil an den Durchgangsweg angeglichen. Unterbleibt dieser Abgleich, verschiebt sich mit zunehmender Öffnung des Ventils der Gesamtvolumenstrom des Kreises, und die Regelung wird gestört.

Die Antwort auf die Frage, was eine Anlage mit konstantem Volumenstrom ist, lautet: Es ist eine Anlage, in der der Wasservolumenstrom im Kreis unabhängig von der Last konstant bleibt und der Wärmetransport allein über die Änderung der Spreizung (Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur) geführt wird. Eine Anlage mit variablem Volumenstrom macht das Gegenteil: Sie hält die Spreizung auf dem Auslegungswert und verringert den Volumenstrom entsprechend der Last. Die erste Topologie beruht auf dem 3-Wege-Ventil, die zweite auf dem 2-Wege-Ventil.

Der folgende Vergleich nennt die messbaren Unterschiede beider Topologien. Die Werte gelten für den Kühlkreis eines typischen Gewerbegebäudes; genaue Ergebnisse unterscheiden sich je nach Anlage.

• Ventiltyp — Konstanter Volumenstrom: 3-Wege-Mischen oder -Verteilen; Variabler Volumenstrom: 2-Wege-Drosselventil oder druckunabhängiger Typ
• Kreisvolumenstrom im Teillastbetrieb — Konstanter Volumenstrom: bleibt bei etwa 95–100 Prozent des Auslegungsvolumenstroms; Variabler Volumenstrom: ändert sich parallel zur Last zwischen 20 und 100 Prozent
• Pumpenregelung — Konstanter Volumenstrom: konstante Drehzahl genügt, ein Frequenzumrichter bringt keinen Gewinn; Variabler Volumenstrom: Frequenzumrichter ist zwingend, Ansteuerung über Differenzdrucksensor
• Jährlicher Pumpenverbrauch — Konstanter Volumenstrom: etwa 95 Prozent des Volllastverbrauchs; Variabler Volumenstrom: in derselben Anlage typischerweise 30–45 Prozent
• Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf — Konstanter Volumenstrom: verengt sich im Teillastbetrieb, bei 6 K Auslegung sinkt sie auf 2–3 K; Variabler Volumenstrom: bleibt auf dem Auslegungswert
• Wirkungsgrad der Kältemaschine — Konstanter Volumenstrom: der COP sinkt wegen des Low-Delta-T-Syndroms; Variabler Volumenstrom: da die Delta T erhalten bleibt, bleibt die Maschine nahe am Nennwirkungsgrad
• Positionen der Anfangsinvestition — Konstanter Volumenstrom: pro Ventil ein weiterer Bypass-Strang und ein Strangregulierventil, höherer Rohrleitungsaufwand; Variabler Volumenstrom: Positionen für Umrichter und Differenzdrucksensor kommen hinzu
• Aufwand bei der Inbetriebnahme — Konstanter Volumenstrom: jeder Bypass-Strang muss einzeln abgeglichen werden; Variabler Volumenstrom: beim Einsatz druckunabhängiger Ventile entfällt der Abgleichaufwand nahezu
• Frost- und Stagnationsrisiko — Konstanter Volumenstrom: das Register sieht unter allen Bedingungen Wasser, geringes Risiko; Variabler Volumenstrom: bei langen Stillstandszeiten sind Frostschutz und ein Mindestvolumenstrom-Bypass erforderlich

Bei einer Anordnung mit variablem Primärvolumenstrom, also VPF, gilt eine zusätzliche Bedingung: Der vom Hersteller der Kältemaschine oder des Heizkessels angegebene Mindestvolumenstrom darf nicht unterschritten werden. Deshalb wird zwischen den Hauptverteilern eine geregelte Bypass-Leitung eingebaut, die öffnet, wenn der Mindestvolumenstrom erreicht ist. Der Bypass ist für die gesamte Anlage nur ein einziger Punkt; er darf nicht mit einem eigenen Bypass an jedem Fan-Coil-Gerät verwechselt werden. Für den Aufbau mechanischer Anlagen im Gebäudemaßstab können Sie in unseren allgemeinen Ratgeber schauen. (Details: Was ist HVAC?)

Drosselt das 2-Wege-Ventil den Volumenstrom, steigt der Anlagenwiderstand, der Betriebspunkt wandert auf der Pumpenkennlinie nach links, und der Differenzdruck steigt. Die Pumpe mit Frequenzumrichter erkennt diesen Anstieg über einen Differenzdrucksensor, senkt die Drehzahl und führt den Druck auf den Zielwert zurück. Nach den Affinitätsgesetzen ist der Volumenstrom proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl und die Wellenleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl.

Ein Zahlenbeispiel: Betrachten wir eine Umwälzpumpe mit 1,5 kW Wellenleistung, die bei Volllast mit 18 m³/h Volumenstrom und 12 mWS Förderhöhe arbeitet. Sinkt die Gebäudelast auf 50 Prozent, drosseln die 2-Wege-Ventile, und der erforderliche Volumenstrom fällt auf 9 m³/h. Das Drehzahlverhältnis ist 9 geteilt durch 18 gleich 0,5. Die Leistung sinkt auf das Verhältnis 0,5 hoch 3 gleich 0,125, also 1,5 mal 0,125 gleich 0,19 kW.

In der Praxis sinkt sie nicht so weit, denn in einer Anlage im Konstantdifferenzdruck-Modus folgt die Pumpenkennlinie nicht exakt dem kubischen Gesetz; ein realistischer Wert liegt im selben Punkt in der Größenordnung von 0,45–0,60 kW. Der Gewinn ist dennoch eindeutig: Im Kreis mit konstantem Volumenstrom und 3-Wege-Ventilen nimmt die Pumpe bei gleicher Last weiterhin 1,4–1,5 kW auf. Der Unterschied beträgt etwa 0,9 kW.

Rechnen wir das auf kWh pro Jahr um. Läuft die Anlage 3.000 Stunden im Jahr und entfällt etwa zwei Drittel dieser Stunden auf den Teillastbetrieb, ergeben sich 2.000 Stunden mal 0,9 kW gleich 1.800 kWh/Jahr direkte Einsparung. Liegt die gesamte Umwälzleistung in einem mittelgroßen Bürogebäude in der Größenordnung von 5–6 kW, erreicht dieselbe Rechnung einen Bereich von 6.000–8.000 kWh/Jahr. Zur Logik der Pumpe mit Frequenzumrichter können Sie unseren eigenen Ratgeber lesen. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Voraussetzung für den Gewinn ist die richtige Regelungsart. Der Differenzdrucksensor wird möglichst in der Nähe des am weitesten entfernten Kreises angeordnet; bei einem Sensor an der Pumpe bleibt die Drehzahlabsenkung begrenzt. Nassläuferpumpen mit Eingang für einen externen Sensor wie die Grundfos MAGNA3 unterstützen diese Installation. Außerdem nimmt eine Pumpe mit einem EEI-Wert unter 0,20 nach EN 16297 und ErP 641/2009 selbst bei gleicher Drehzahl weniger Strom auf. Zu den Gründen, warum eine Pumpe mehr verbraucht als nötig, finden Sie weitere Informationen in einem eigenen Beitrag. (Details: Warum verbraucht eine Pumpe so viel Strom? 8 Wege, den Energieverbrauch zu senken)

Schließt das 3-Wege-Ventil das Register ab, stoppt es das Wasser nicht, sondern lenkt es in den Bypass-Strang um. Der Kreiswiderstand, den die Pumpe sieht, bleibt annähernd gleich, wenn der Widerstand des Bypass-Strangs dem des Registers angeglichen ist; da sich der Volumenstrom nicht ändert, ändert sich auch die Pumpenleistung nicht. Das heißt: In einer Anlage mit 3-Wege-Ventilen nimmt die Pumpe auch dann nahezu volle Leistung auf, wenn die Gebäudelast von 100 Prozent auf 20 Prozent sinkt.

Zeigen wir es in Zahlen. Der Gesamtdruckverlust des Kreises betrage 12 mWS und der Volumenstrom 18 m³/h. Schalten alle 3-Wege-Ventile auf Bypass, bleibt der Gesamtverlust in einer korrekt abgeglichenen Anlage im Bereich von 11–12 mWS. Der Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie rührt sich nicht; bei einer Pumpe mit konstanter Drehzahl bleibt die Leistung gleich, bei einer drehzahlvariablen Pumpe sinkt die Drehzahl nicht, weil sich der vom Sensor gemessene Differenzdruck nicht ändert. Ergebnis: Der Einbau eines Umrichters bringt in dieser Topologie keinerlei Gewinn.

Der Energieverlust beschränkt sich außerdem nicht auf die Pumpe. Das durch den Bypass strömende Wasser kehrt ohne Wärmeaufnahme aus dem Register zum Verteiler zurück und erhöht die Rücklauftemperatur. Beim Kühlen bedeutet das, dass die Rücklauftemperatur sinkt und sich die Spreizung verengt. Fällt die Auslegungsspreizung von 6 K im Teillastbetrieb auf 2,5 K, muss die Kältemaschine für dieselbe Kühllast deutlich mehr Wasser umwälzen, und ihr Wirkungsgrad sinkt. In der Branche nennt man dieses Bild Low-Delta-T-Syndrom.

Das bedeutet nicht, dass der Dreiwege-Bypass völlig nutzlos wäre. Es gibt Fälle, in denen ein konstanter Volumenstrom die Ausrüstung schützt: Rücklauftemperaturschutz bei Nicht-Brennwertkesseln, Frostschutz bei einigen Wärmeübertragern ohne Direktverdampfung und Produktionsanlagen, die einen Mindestvolumenstrom benötigen. Die Entscheidung wird bewusst zwischen Energiegewinn und Anlagensicherheit getroffen.

Der Kvs-Wert ist der Wasservolumenstrom, den ein Ventil in vollständig geöffneter Stellung bei 1 bar Differenzdruck durchlässt, und seine Einheit ist m³/h. Die Auswahl erfolgt nicht nach dem Durchmesser DN, sondern per Berechnung: Zuerst wird der Volumenstrom des Kreises ermittelt, dann der am Ventil verbleibende Druckverlust festgelegt, und zuletzt wird aus dem Katalog die nächsthöhere Standardstufe des Kvs-Werts gewählt. Das Ventil nach dem Rohrdurchmesser zu wählen, ist der häufigste Fehler in der Regelungstechnik.

Schritt 1 ist die Berechnung des Volumenstroms. Die Beziehung lautet Q gleich P geteilt durch 1,163 mal Delta T; dabei ist P in kW, Delta T die Spreizung in °C und Q in m³/h. Betrachten wir als Beispiel ein Fan-Coil-Register mit 3,5 kW Heizleistung bei 5 K Temperaturdifferenz. Q gleich 3,5 geteilt durch 1,163 mal 5 gleich 3,5 geteilt durch 5,815 gleich 0,60 m³/h.

Schritt 2 ist die Wahl des am Ventil verbleibenden Druckverlusts. Die Regel lautet: Der Verlust über dem vollständig geöffneten Ventil sollte nahe am Verlust des geregelten veränderlichen Kreisabschnitts liegen. In diesem Fan-Coil-Strang wurde die Summe aus Register-, flexibler Verbindung und Formteilverlust mit 12 kPa, also 0,12 bar gemessen. Setzen wir als Ziel, dem Ventil 10 kPa, also 0,10 bar zu überlassen.

Schritt 3 ist die Berechnung des erforderlichen Kv: Kv gleich Q geteilt durch Wurzel aus Delta P. Setzen wir die Werte ein: Kv gleich 0,60 geteilt durch Wurzel aus 0,10 gleich 0,60 geteilt durch 0,316 gleich 1,90 m³/h. Im Katalog gibt es 1,90 nicht; die Standardstufen folgen typischerweise der Reihe 0,25 – 0,40 – 0,63 – 1,0 – 1,6 – 2,5 – 4,0 – 6,3. Die nächstniedrigere Stufe ist 1,6 und die nächsthöhere 2,5.

Schritt 4 ist die Rückkontrolle der gewählten Stufe. Wird Kvs 2,5 gewählt, beträgt der tatsächliche Druckverlust: Delta P gleich Q geteilt durch Kvs, das Ganze zum Quadrat, gleich 0,60 geteilt durch 2,5, das Ganze zum Quadrat, gleich 0,24 zum Quadrat gleich 0,058 bar, also 5,8 kPa. Wird Kvs 1,6 gewählt, ergibt sich Delta P gleich 0,60 geteilt durch 1,6, das Ganze zum Quadrat, gleich 0,141 bar, also 14,1 kPa. Die zweite Option lässt dem Ventil mehr Verlust und ist hinsichtlich der Regelqualität besser; vorausgesetzt, die Pumpe kann diesen zusätzlichen Verlust aufbringen.

Schritt 5 ist die Kontrolle auf Kavitation und Geräusche. In Kaltwasserkreisen werden Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzgeräusche deutlich, wenn der Differenzdruck über dem Ventil 100 kPa überschreitet; oberhalb von 150 kPa wird das Kavitationsrisiko real. Bei Regelventilen gilt in der Praxis als Obergrenze 50–60 kPa. Wo diese Grenze überschritten wird, ist die Lösung nicht ein größerer Kvs-Wert, sondern ein Differenzdruckregler am Strangfuß oder ein druckunabhängiges Ventil.

Die Ventilautorität ist das Verhältnis des Druckverlusts des Regelventils in vollständig geöffneter Stellung zum gesamten veränderlichen Verlust im geregelten Kreisabschnitt. Ihr Formelzeichen ist a, und sie ist dimensionslos. Die Formel lautet: a gleich Delta P Ventil voll geöffnet geteilt durch, Delta P Ventil voll geöffnet plus Delta P restlicher Kreis. Die Autorität misst, wie viel tatsächlichen Einfluss die Spindelbewegung des Ventils auf den Volumenstrom hat.

Gehen wir die Frage, wie die Ventilautorität berechnet wird, am obigen Fan-Coil-Beispiel durch. Bei Kvs 2,5 beträgt der Ventilverlust 5,8 kPa, der restliche Kreis 12 kPa. Es ergibt sich a gleich 5,8 geteilt durch 5,8 plus 12 gleich 5,8 geteilt durch 17,8 gleich 0,33. Wäre Kvs 1,6 gewählt worden, wäre a gleich 14,1 geteilt durch 14,1 plus 12 gleich 14,1 geteilt durch 26,1 gleich 0,54. Derselbe Kreis, derselbe Volumenstrom, völlig anderes Regelverhalten.

Der zulässige Bereich ist klar. Liegt die Autorität über 0,50, ist die Regelung nahezu perfekt. Der Bereich 0,30–0,50 ist der in der Praxis angestrebte Normalbereich. Zwischen 0,25 und 0,30 liegt die Grenze, die eine sorgfältige Inbetriebnahme verlangt. Unter 0,25 ist das Ventil kein Regelorgan mehr: Schon in den ersten 10–20 Prozent der Spindelbewegung springt der Volumenstrom nahezu auf seinen vollen Wert, die restlichen 80 Prozent der Bewegung bewirken nichts, und die Anlage fällt in ein Auf-Zu-Pendeln.

Bei 3-Wege-Ventilen erweitert sich die Definition der Autorität etwas, und ein zweiter Begriff kommt hinzu: die Bypass-Autorität. Die Widerstände von Durchgangsweg und Bypassweg sollen nahe beieinanderliegen; das Verhältnis wird zwischen 0,5 und 2,0 gehalten. Ist der Bypass-Strang deutlich widerstandsärmer als der Durchgangsweg, steigt beim Umschalten des Ventils auf Bypass der Gesamtvolumenstrom des Kreises, und das Gleichgewicht der Nachbarkreise wird gestört. Die Lösung ist, in den Bypass-Strang ein Strangregulierventil einzubauen und die Widerstände anzugleichen.

Druckunabhängige Regelventile erledigen die Autoritätsdiskussion von der Konstruktion her. Da der Membranregler im Gehäuse den Differenzdruck über dem Regelorgan konstant hält, verhält sich die Autorität praktisch wie nahe 1,0, und im Teillastbetrieb entfällt der Einfluss der Nachbarkreise. Die Baureihe Danfoss AB-QM ist ein verbreitetes Beispiel für dieses Prinzip und bietet ein breites Programm von DN 10 bis DN 250.

Die Regel für die Ventilauswahl bei Fan-Coil-Geräten ist eindeutig: In neu errichteten Anlagen mit Pumpe mit Frequenzumrichter wird das 2-Wege-Ventil eingesetzt. Das 3-Wege-Ventil wird nur bevorzugt, wenn eine bestehende Anlage mit Pumpe mit konstanter Drehzahl erweitert wird oder wenn der Mindestvolumenstrom des Kreises unbedingt erhalten bleiben muss. Die große Mehrheit der Fan-Coil-Kreise in Wohn- und Bürogebäuden gehört zur ersten Gruppe.

Typische Werte im Fan-Coil-Kreis sind: wasserseitiger Druckverlust des Registers 10–25 kPa, Kreisvolumenstrom 0,15–0,90 m³/h, Spreizung beim Heizen 10–15 K, beim Kühlen 5–6 K. Die Kvs-Werte der Regelventile konzentrieren sich auf 0,25 bis 2,5. Die Nennweite ist in der Regel DN 15, und da sich dieses Maß nicht ändert, ist es von vornherein falsch, die Ventilauswahl nach dem Rohrdurchmesser vorzunehmen.

Die zweite Entscheidung bei Fan-Coil-Ventilen ist, ob Ein-Aus oder proportional geregelt wird. Ein-Aus-Ventile mit thermischem Stellantrieb sind günstig, leise und für Wohnanwendungen ausreichend; die Öffnungszeit beträgt 2–4 Minuten, und diese Verzögerung passt zur Trägheit des Gebäudes. Die Proportionalregelung wird in Bereichen mit hohem Komfortanspruch wie Büros und Hotels eingesetzt, insbesondere mit 0–10-V- oder modulierenden Stellantrieben, und senkt die Raumtemperaturschwankung auf den Bereich von 0,5 K.

Im Kühlbetrieb kommt eine zusätzliche Bedingung hinzu: die Kondensation. Schließt das 2-Wege-Ventil das Register vollständig, steht das Register still, und die Oberflächentemperatur nähert sich der Umgebung an, was gut ist. Läuft bei geschlossenem Ventil jedoch der Ventilator weiter und ist die Umgebungsluft feucht, kann sich Kondensat ansammeln, das aus der Wanne nicht abgeführt werden kann. Deshalb wird im Regelungsszenario festgelegt, dass der Ventilator bei geschlossenem Ventil ebenfalls stoppt oder auf Mindestdrehzahl geht. Zum Funktionsprinzip von Fan-Coil-Systemen haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen)

Bei Heiz- und Kühlregistern von Klimazentralgeräten (RLT-Geräten) ist die Standardlösung das proportional geregelte 2-Wege-Ventil. Die Register von Zentralgeräten haben eine hohe Leistung und große Volumenströme; diesen Volumenstrom in einem Kreis mit konstantem Volumenstrom auch im Teillastbetrieb umzuwälzen, erzeugt den größten einzelnen Pumpenverlust der Anlage. Wegen der vielen Teillaststunden auf der Geräteseite bringt die Ausführung mit variablem Volumenstrom hier den höchsten Gewinn.

Eine Ausnahme gibt es, und sie wird ernst genommen: Außenluft-Heizregister mit Frostgefahr. Wird bei einem Gerät, in dem die Außentemperatur unter 0 °C fällt, das Heizregister mit einem 2-Wege-Ventil vollständig abgesperrt, kann das stehende Wasser in den Registerrohren gefrieren, und das Register platzt. Bei diesen Registern wird entweder ein Mischkreis mit 3-Wege-Mischventil und eigener Umwälzpumpe aufgebaut, oder es wird ein Wasser-Glykol-Mischung als Medium verwendet.

Die Lösung mit Mischkreis funktioniert so: Das Register liegt in einem geschlossenen Sekundärkreis, in dem eine eigene kleine Pumpe ständig Wasser umwälzt. Das 3-Wege-Ventil stellt ein, wie viel Warmwasser aus dem Primärverteiler entnommen wird; der Volumenstrom im Register bleibt dank der Sekundärpumpe unter allen Bedingungen auf seinem vollen Wert. So entfällt sowohl die Frostgefahr, als auch wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Registeroberfläche erreicht.

Die Kvs-Berechnung für Ventile von Klimazentralgeräten folgt denselben Schritten wie beim Fan-Coil-Gerät, nur der Druckverlustbereich ist ein anderer. Bei Registern von Zentralgeräten liegt der wasserseitige Verlust typischerweise bei 20–60 kPa, die Volumenströme bei 2–30 m³/h und die Nennweiten zwischen DN 25 und DN 65. Der am Ventil verbleibende Verlust wird wiederum nahe am veränderlichen Teil des Kreises gewählt; der Bereich 25–50 kPa ist in der Praxis am gebräuchlichsten.

Auf der Seite des Stellantriebs wird die Schließkraft hier kritisch. Die Stellkraft, die ein 2-Wege-Ventil DN 50 benötigt, um gegen 200 kPa Differenzdruck dicht zu schließen, ist deutlich höher als die eines 3-Wege-Ventils gleicher Größe. Der Close-off-Druck aus dem Katalog wird gleich oder höher als der Nullförderdruck der Pumpe (Druck bei geschlossenem Absperrorgan) gewählt. Sie können sich unsere Produktgruppe für Lüftung und Zentralgeräte ansehen. (Details: Lüftung)

Das Fußbodenheizungs-Mischerset ist eine Gruppe, die das Warmwasser aus einem mit 60–80 °C betriebenen Primärkreis durch Beimischen des Rücklaufwassers des Fußbodenkreises auf den Bereich von 35–45 °C absenkt. Im Kern enthält es ein 3-Wege-Mischventil, eine Umwälzpumpe und einen Temperaturfühler. Ein 2-Wege-Ventil kann hier nicht verwendet werden, weil der Volumenstrom im Fußbodenkreis zwingend konstant bleiben muss.

Warum der Volumenstrom konstant bleiben muss, zeigt die Rechnung. Bei der Fußbodenheizung soll die Fußbodenoberflächentemperatur in Aufenthaltsbereichen 29 °C und in Nassbereichen 33 °C nicht überschreiten. Die Spreizung wird über den Kreis auf 5–7 K gehalten, damit zwischen einem Ende des Fußbodens und dem anderen kein Oberflächenunterschied von mehr als 3–4 °C entsteht. Wird der Volumenstrom gesenkt, wächst bei gleicher Wärme die Temperaturdifferenz, und der Fußboden ist am Anfang warm und am Ende kalt.

Das 3-Wege-Ventil übernimmt in dieser Anordnung die Temperaturregelung, nicht die Volumenstromregelung. Die Mischtemperatur zum Verteiler wird vom Fühler gelesen, und der Primärwasseranteil wird über die Einstellung der Ventilspindel verändert. Kommt eine witterungsgeführte Regelung hinzu, wird eine Kurve befolgt, etwa 42 °C bei einer Außentemperatur von -5 °C und 30 °C bei +12 °C. Zur Funktionsweise von Fußbodenheizungssystemen können Sie unseren eigenen Ratgeber lesen. (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat)

Bei Mischersets gibt es zwei getrennte Produktfamilien. Die erste sind thermostatische Mischventile: Ein mechanisches Thermostatelement stellt die Temperatur ein, es wird kein Strom benötigt, der Einstellknopf deckt den Bereich 20–50 °C ab, und die Abweichung beträgt typischerweise 2–3 K. Die zweite sind motorische Mischventile: Auf das Gehäuse des Danfoss VRG3 wird ein Stellantrieb vom Typ AMB oder AMV gesetzt, die Regelung übernimmt ein Raum- oder witterungsgeführter Regler, und die Abweichung sinkt auf 0,5–1 K.

Das Sicherheitselement ist in beiden Fällen gesondert vorzusehen. Es wird ein Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) benötigt, der verhindert, dass bei einem Ausfall des Mischventils 70 °C heißes Wasser in den Fußboden gelangt; dieser Begrenzer schaltet die Pumpe typischerweise bei 50–55 °C ab. Hohe Temperaturen im Estrich verursachen bleibende Schäden an Kunststoffrohr und Bodenbelag. Sie können sich unsere Produktgruppe Fußbodenheizung ansehen. (Details: Fußbodenheizung)

Die Rücklauftemperaturanhebung beim Kessel ist die Erwärmung des Rücklaufwassers durch Beimischung, um bei Nicht-Brennwertkesseln zu verhindern, dass das Abgas im Kessel kondensiert und säurehaltige Korrosion verursacht. Diese Aufgabe wird typischerweise mit einem 3-Wege-Mischventil oder einem thermostatischen Ladeventil erfüllt. Die Schwelle bestimmt der Kesseltyp.

Die Zahlenschwellen sind folgende. Bei Gliederkesseln aus Guss beginnt die Kondensation, wenn die Rücklauftemperatur unter 55 °C fällt; der Hersteller verlangt meist eine Untergrenze von 55–60 °C. Bei Stahlkesseln liegt die Grenze im Bereich 50–55 °C. Bei Festbrennstoffkesseln ist die Grenze höher, und es werden 60–65 °C verlangt, weil zusätzlich Teerbildung ins Spiel kommt. Der Taupunkt von Erdgas liegt bei etwa 55 °C, der von Diesel in der Größenordnung von 47 °C.

Das thermostatische Ladeventil erledigt diese Aufgabe ohne Strom. Das darin befindliche Wachs-Thermostatelement zieht, solange die Rücklauftemperatur unter dem Einstellwert liegt, über den Bypass heißes Wasser vom Kesselausgang und mischt es in den Rücklauf. Erwärmt sich die Anlage, schließt der Bypass, und der gesamte Volumenstrom geht in die Anlage. Die Einstellwerte variieren je nach Baureihe; die in der Praxis gebräuchlichsten Stufen sind 55 °C, 60 °C und 65 °C. Sie können sich unsere Produktgruppe Heizung ansehen. (Details: Heizung)

Die motorische Lösung ist flexibler. Das in die Kesselrücklaufleitung eingesetzte 3-Wege-Ventil erhält seinen Befehl von einem am Kesselausgang angebrachten Temperaturfühler und stellt das Mischungsverhältnis laufend ein. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass eine zu Beginn der Heizperiode kalte Anlage den Kessel nicht schockt; bei Anlagen mit großem Wasservolumen kann das Rücklaufwasser beim ersten Anfahren etwa 20 °C haben, und das erzeugt im Gusskessel einen thermischen Schock bis hin zur Rissbildung.

Bei Brennwertkesseln kehrt sich die Logik dagegen um, und die Regel ist noch einmal zu lesen: Ein Brennwertkessel will das Rücklaufwasser bewusst niedrig. Ein Brennwertkessel, der mit 30 °C Rücklaufwasser arbeitet, erreicht einen Nettowirkungsgrad in der Größenordnung von 106–108 Prozent; arbeitet derselbe Kessel mit 60 °C Rücklauf, sinkt der Wirkungsgrad auf 96–98 Prozent. Deshalb bedeutet es, in einem Brennwertkessel ein Rücklaufanhebungsventil einzubauen, den erkauften Wirkungsgrad direkt in den Müll zu werfen. Dasselbe hydraulische Schema führt bei den beiden Kesseltypen zu zwei entgegengesetzten Entscheidungen.

Im Speicherladekreis, also bei der Warmwasserbereitung, ist die gebräuchlichste Lösung das 3-Wege-Verteilventil. Das aus dem Kessel kommende Vorlaufwasser tritt in das Ventil ein; fordert der Speicherthermostat an, lenkt das Ventil die Strömung zur Rohrwendel des Speichers, und endet die Anforderung, geht die Strömung zurück in den Heizkreis. Diese Anordnung heißt Warmwasservorrang und ist der einfachste Weg, mit einer einzigen Pumpe zwei Aufgaben zu erfüllen.

Die zahlenmäßige Begründung der Vorranglogik ist die Aufheizzeit. Die Wärme, die erforderlich ist, um das Wasser eines 200-Liter-Speichers von 15 °C auf 55 °C zu bringen, ergibt sich aus der Beziehung Q gleich m mal c mal Delta T: 200 kg mal 4,18 kJ/kgK mal 40 K gleich 33.440 kJ, also 9,3 kWh. Beträgt die auf die Rohrwendel übertragene Leistung 24 kW, ergibt sich eine Dauer von 9,3 geteilt durch 24 gleich 0,39 Stunden, also etwa 23 Minuten. Dass die Heizung 23 Minuten wartet, wird durch die Trägheit des Gebäudes aufgefangen; Wärme und Warmwasser aufzuteilen, lässt dagegen beide unzureichend.

Die alternative Lösung sind zwei getrennte 2-Wege-Ventile. In dieser Anordnung gibt es im Heizstrang ein und im Speicherstrang ein Absperrventil, und die Regelung steuert beide miteinander verriegelt an. Der Vorteil ist, dass die Stränge im Störungsfall unabhängig bleiben und für die Wartung nur ein Strang abgesperrt werden kann. Der Nachteil sind zwei Stellantriebe, zwei Verkabelungen und die Einstellung einer Totzeit im Szenario, damit beim Umschalten nicht beide Ventile zugleich geschlossen bleiben.

Am Trinkwasserausgang gibt es noch ein weiteres Ventil, das nicht verwechselt werden darf: den thermostatischen Mischer. Dieses Element hat mit der Speicherladung nichts zu tun; es mischt das 60–65 °C heiße Wasser im Speicher vor dem Zapfhahn mit Kaltwasser und senkt es auf 45–50 °C. Sein Zweck ist der Verbrühschutz, und er ermöglicht es, den Speicher wegen der Legionellengefahr oberhalb von 60 °C zu halten. Drehventil-Mischer wie die Caleffi-Baureihe 6000 und klassische thermostatische Mischer übernehmen diese Aufgabe.

Speichervolumen und Rohrwendelleistung werden vor der Ventilauswahl gewählt. Ist die Rohrwendelfläche unzureichend, verlängert sich die Aufheizzeit, welches Ventil auch immer eingebaut wird. Zu den Auswahlkriterien für Speicher finden Sie weitere Informationen in einem eigenen Ratgeber. (Details: Wie viele Liter Warmwasserspeicher sollte ich kaufen? Berechnung für 2, 4, 6, 10 und 20 Personen)

Die Einbaulage des 3-Wege-Ventils ist bei Misch- und Verteilfunktion jeweils umgekehrt und richtet sich nach dem Pfeil auf dem Gehäuse. Beim Mischventil sind zwei Anschlüsse Eingang und einer Ausgang; beim Verteilventil ist ein Anschluss Eingang und zwei sind Ausgang. Ein Ventil vom Mischtyp im Verteilbetrieb einzusetzen, bringt den Druck unterhalb des Ventilkegels aus dem Gleichgewicht.

Die Folgen treten in dieser Reihenfolge auf. Zuerst beginnen die Geräusche: Der Ventilkegel schlägt gegen die Dichtfläche, im Kreis ist ein rhythmisches Klappern zu hören, und das Geräusch nimmt mit jeder Bewegung des Stellantriebs zu. Dann wird die Regelung gestört: Da der Ventilkegel instabil positioniert ist, schwankt der Volumenstrom, und die Automation versucht ständig, das Ventil nachzuregeln. Zuletzt kommt der mechanische Schaden: Dichtung und Dichtfläche verschleißen, und das Ventil beginnt in geschlossener Stellung zu lecken.

Die Kontrolle der richtigen Montage erfolgt vor Ort in vier Schritten. Erstens der Vergleich der Pfeil- und Buchstabenmarkierungen am Gehäuse mit dem Projekt. Zweitens das Verfahren des Stellantriebs von Hand und die Bestätigung mit einem Anlegethermometer, ob sich die Temperatur am AB-Anschluss in der erwarteten Richtung ändert. Drittens die Kontrolle von Hubrichtung und Einbaulage des Stellantriebs; bei vielen Globe-Ventilen darf der Stellantrieb nicht so montiert werden, dass er unterhalb der horizontalen Achse liegt, weil sich an der Spindelabdichtung Kondensat und Schmutz ansammeln. Viertens der Test vor der Dämmung.

Die folgende Liste sagt direkt, welches Ventil bei den am häufigsten vorkommenden Kreistypen das richtige ist. Jeder Punkt enthält eine Anwendung, ein Urteil und die messbare Begründung des Urteils.

• Neue Fan-Coil-Anlage, Pumpe mit Frequenzumrichter — Urteil: 2-Wege-Ventil, vorzugsweise druckunabhängiger Typ; Begründung: Im Teillastbetrieb sinkt der Volumenstrom auf 20–30 Prozent, die Pumpenleistung fällt nach dem kubischen Gesetz
• Fan-Coil-Erweiterung einer bestehenden Anlage mit Pumpe mit konstanter Drehzahl — Urteil: 3-Wege-Mischen; Begründung: Eine Pumpe mit konstanter Drehzahl verschiebt den Betriebspunkt bei Teilvolumenstrom nach links und erzeugt Geräusche und überhöhten Differenzdruck
• Kühlregister im Klimazentralgerät — Urteil: 2-Wege-Ventil, proportional; Begründung: Die meisten Betriebsstunden eines Zentralgeräts fallen in den Teillastbetrieb, der Einzelgewinn liegt in der Größenordnung von kW
• Außenluft-Heizregister im Klimazentralgerät, Außenluft unter 0 °C — Urteil: 3-Wege-Mischen plus Sekundärpumpe; Begründung: Frostgefahr im stehenden Wasser, ein geplatztes Register ist ein bleibender Schaden
• Fußbodenheizungs-Mischerset — Urteil: 3-Wege-Mischen; Begründung: Der Fußbodenvolumenstrom muss konstant bleiben, die Spreizung muss im Bereich 5–7 K gehalten werden
• Schutzkreis für Nicht-Brennwertkessel — Urteil: 3-Wege-Mischen oder thermostatisches Ladeventil; Begründung: Bei Rücklaufwasser unter 55–60 °C beginnen Kondensation und säurehaltige Korrosion
• Brennwertkesselkreis — Urteil: 3-Wege-Rücklaufanhebung wird nicht verwendet; Begründung: Bei 30 °C Rücklauf beträgt der Nettowirkungsgrad 106–108 Prozent, bei 60 °C Rücklauf sinkt er auf 96–98 Prozent
• Speicherladung, Warmwasservorrang — Urteil: 3-Wege-Verteilen oder zwei verriegelte 2-Wege-Ventile; Begründung: Ein 200-Liter-Speicher wird mit 24 kW in etwa 23 Minuten geladen, ein geteilter Betrieb lässt beide unzureichend
• Fernwärme-Hausstation Primärseite — Urteil: 2-Wege-Ventil; Begründung: Auf der Seite des Versorgers ist ein variabler Volumenstrom zwingend, ein Bypass widerspricht dem Vertrag
• Primärkreis der Kältemaschine, VPF-Anordnung — Urteil: 2-Wege-Ventil, plus ein einziger zentraler Bypass mit Automation; Begründung: Der Mindestvolumenstrom des Maschinenherstellers muss erhalten bleiben, in jedem Kreis darf kein eigener Bypass geöffnet werden

Die Entscheidungsregel für gemischte Szenarien lautet: Steht der Energiegewinn im Konflikt mit der Anlagensicherheit, gewinnt die Sicherheit; steht er nicht im Konflikt, gewinnt das 2-Wege-Ventil. Frostgefahr, Mindestvolumenstrom-Anforderung und Rücklauftemperaturschutz sind die drei berechtigten Sicherheitsgründe. Jede 3-Wege-Entscheidung außerhalb dieser Gründe wird über die gesamte Lebensdauer der Anlage in kWh bezahlt. Zu den ausführlichen Kriterien der Ventilauswahl können Sie in unseren allgemeinen Ratgeber schauen. (Details: Motorventil-Ratgeber)

Auf dem Markt für Regelventile bilden vier Hersteller das in der Praxis am häufigsten anzutreffende Programm. Die folgenden Beispiele sind auf Baureihenebene angegeben; der DN-Bereich, die Kvs-Stufen und die Druckklasse jeder Baureihe sind anhand des Katalogs zu überprüfen, da die Werte je nach Untervariante abweichen.

• Danfoss AB-QM — Typ: druckunabhängiges 2-Wege-Regelventil; Besonderheit: Die Volumenstrom-Voreinstellung erfolgt am Gehäuse in Prozent, die Autorität verhält sich praktisch nahe 1,0; Typischer Einsatz: Fan-Coil-Geräte und Steigleitungsanwendungen
• Danfoss VRG3 — Typ: 3-Wege-Drehsektor-Mischventil; Besonderheit: wird mit Stellantrieben der Baureihen AMB und AMV kombiniert, verbreitet in Mischkreisen; Typischer Einsatz: Fußbodenheizungs-Mischerset, Kesselschutz
• Siemens VVG41 — Typ: 2-Wege-Sitz-Regelventil, Bronzegehäuse; Besonderheit: gleichprozentige Kennlinie, arbeitet mit Stellantrieben der Baureihen SAX und SSA; Typischer Einsatz: Fan-Coil-Geräte und kleine Registerkreise
• Siemens VXG41 — Typ: 3-Wege-Sitz-Mischventil; Besonderheit: Der gemeinsame Anschluss AB ist im Mischbetrieb der Ausgang, die Einbaulage ist am Gehäuse markiert; Typischer Einsatz: Mischkreis des Heizregisters im Zentralgerät
• Caleffi Baureihe 6000 — Typ: Drehventil-Mischer; Besonderheit: von Hand oder mit Stellantrieb zu betätigen, kompaktes Gehäuse; Typischer Einsatz: Misch-Gruppen für Fußbodenheizung und Trinkwasser
• Honeywell V5013 — Typ: 3-Wege-Globe-Regelventil; Besonderheit: kombinierbar mit dem Antriebsprogramm von Resideo, wird in Heiz- und Kühlregistern eingesetzt; Typischer Einsatz: Klimazentralgeräte und große Fan-Coil-Kreise

Auf der Seite des Stellantriebs ist die Markenzuordnung ein eigenes Thema. Ventilgehäuse und Stellantrieb sollen aus einer kompatiblen Baureihe desselben Herstellers gewählt werden; Hub, Stellkraft und Anschlussschnittstelle müssen zueinander passen. Pomeka Mekanik liefert die Marke Belimo nicht; auf der Seite der Stellantriebe führen wir als gleichwertige Alternativen die Baureihen Danfoss AME und AMV sowie Siemens SAX und SSA. Der allgemeine Rahmen der Auswahlkriterien für Stellantriebe findet sich in einem eigenen Ratgeber. (Details: Belimo-Stellantrieb auswählen: Ratgeber zu Drehmoment, Spannung und Regelungsart)

Auch die Art des Regelsignals gehört zur Auswahl. Es gibt drei verbreitete Optionen: Ein-Aus, also 230-V- oder 24-V-Auf-Zu, 3-Punkt, also Auf-Halt-Zu, und proportional, also 0–10 V oder 4–20 mA. Bei Kreisen, die an die Gebäudeautomation angebunden werden, wird die proportionale Ausführung bevorzugt; Ein-Aus-Lösungen mit thermischem Stellantrieb genügen dagegen bei Fan-Coil-Geräten im Wohnbereich und bei Zonenventilen der Fußbodenheizung. Für alle geführten Marken können Sie sich unsere Seite „Marken“ ansehen. (Details: unsere Markenseite)