Belimo-Stellantrieb auswählen: Ratgeber zu Drehmoment, Spannung und Regelungsart

Ein Stellantrieb ist das Antriebselement, das ein Klappenblatt oder eine Ventilspindel mit elektrischer Energie bewegt und seine Stellung nach einem Regelsignal einstellt. Die Auswahl erfolgt entlang von vier voneinander unabhängigen Achsen, und die Reihenfolge der Achsen ist wichtig: zuerst die mechanische Eignung (Drehmoment oder Stellkraft), dann die Versorgungsspannung, dann die Regelungsart, zuletzt die Sicherheitsstellung. Wird diese Reihenfolge nicht eingehalten, wird ein Gerät mit dem richtigen Signaltyp, aber zu geringem Drehmoment gewählt, was erst nach der Montage vor Ort auffällt.

Wer die vier Achsen einzeln schriftlich festhält, senkt die Fehlerquote bei der Auswahl deutlich. Sind die folgenden vier Zeilen wie ein Projektformular ausgefüllt, bleibt nur noch die Zuordnung der Klasse im Katalog.

• Achse 1 — Mechanische Last: Drehmoment (Nm) bei der Klappe, Stellkraft (N) beim Hubventil, Drehmoment (Nm) beim Kugelhahn. Der Wert wird mit dem Sicherheitsfaktor 1,3 vergrößert.
• Achse 2 — Versorgung: 24 V AC/DC (Kleinspannung, Transformator erforderlich) oder 230 V AC (direkt am Netz). Wird Modulation gewünscht, praktisch 24 V.
• Achse 3 — Regelung: Auf-Zu (2 Stellungen), 3-Punkt (auf-halt-zu), Modulation 0-10 V oder 2-10 V, Kommunikation über MP-Bus / Modbus RTU / KNX.
• Achse 4 — Sicherheit: Bleibt die Stellung bei Energieausfall erhalten, oder fährt der Stellantrieb mit Federrücklauf in die sichere Stellung? NC (stromlos geschlossen) oder NO (stromlos geöffnet).
• Zusätzliche Prüfungen — Laufzeit (s), Drehwinkel (°) oder Hub (mm), Wellendurchmesser und Klemmbereich, IP-Schutzart, Umgebungstemperatur, Einbaulage.

Das Ergebnis dieser vier Achsen ist kein Modellcode, sondern eine Produktklasse: zum Beispiel ein Klappenantrieb der Klasse 10 Nm, 24 V, mit Modulation 0-10 V, ohne Feder. Nach der Festlegung der Klasse ist die Frage, zu welcher Baureihe welcher Marke man greift, eine Frage der Lieferung und der Kompatibilität mit der Automation (Details: Ventile & Armaturen).

Ein Klappenantrieb erzeugt eine Drehbewegung, und seine Leistung wird in der Einheit Drehmoment (Nm) angegeben; er dreht die Klappenblätter typischerweise um 90°. Ein Ventilantrieb erzeugt dagegen entweder eine lineare Stellkraft (N) und bewegt die Ventilspindel auf und ab, oder er erzeugt bei Kugelregelhähnen ebenfalls ein Drehmoment (Nm). Die beiden Gruppen sind physikalisch nicht gegeneinander austauschbar; gemeinsam ist nur die Logik von Versorgung und Regelsignal.

Den Unterschied in Zahlen zu fassen, spart beim Lesen von Katalogen am meisten Zeit. Der folgende Vergleich stellt die Entscheidungsgrößen der beiden Gruppen nebeneinander.

• Bewegungsart — Klappenantrieb: drehend, 90° Standard. Linearer Ventilantrieb: geradlinig, 5-40 mm Hub.
• Einheit der Leistung — Klappenantrieb: Drehmoment, Bereich 2-40 Nm. Linearer Ventilantrieb: Stellkraft, Bereich 200-2500 N.
• Maßgebliche Berechnung — Klappenantrieb: Blattfläche × spezifisches Drehmoment. Ventilantrieb: Schließdruck × Fläche der Dichtfläche.
• Typische Laufzeit — Klappenantrieb: 90-150 s / 90°. Linearer Ventilantrieb: 15-120 s, je nach Hub unterschiedlich, angegeben in s/mm.
• Anbindung — Klappenantrieb: Wellenklemme und Verdrehsicherungsbügel. Ventilantrieb: Adapter, der auf den Ventilhals passt, marken- und baureihenspezifisch.
• Einbauumgebung — Klappenantrieb: außerhalb des Kanals, innerhalb oder außerhalb des Klimazentralgeräts, IP54 und höher. Ventilantrieb: Verteiler und Technikraum, stehende Montage wegen Kondensat.

In der Praxis werden am häufigsten die kleinen Zonenventile in Fan-Coil-Kreisen verwechselt. Dabei handelt es sich nicht um lineare Stellantriebe, sondern meist um kleine thermische oder drehende Antriebe, deren Schließdruck bei etwa 100 kPa liegt (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen). Ebenso wichtig ist es, die Wegeart des Ventilgehäuses mit dem Stellantrieb abzustimmen; Zweiwege- und Dreiwegeventilgehäuse unterscheiden sich im Schließverhalten (Details: 2-Wege-Ventil oder 3-Wege-Ventil? Welches wird wo eingesetzt?).

Die Drehmomentberechnung für einen Klappenantrieb ist eine einzeilige Multiplikation: erforderliches Drehmoment (Nm) = Klappenfläche (m²) × spezifisches Drehmoment (Nm/m²) × Sicherheitsfaktor. Das spezifische Drehmoment liegt bei Standard-Jalousieklappen bei 5-7 Nm/m², bei leckagearmen Klappen mit Blatt- und Seitendichtung bei 10-15 Nm/m². Ein Sicherheitsfaktor von 1,3 genügt in der Praxis vor Ort.

Gehen wir ein Beispiel durch. Für eine Standard-Luftkanalklappe ohne Dichtung mit den Maßen 1200 mm × 800 mm verläuft die Berechnung wie folgt.

• Schritt 1 — Fläche: A = 1,2 m × 0,8 m = 0,96 m²
• Schritt 2 — Spezifisches Drehmoment: Für eine Jalousieklappe ohne Dichtung werden 6 Nm/m² angesetzt
• Schritt 3 — Rohdrehmoment: T = 0,96 × 6 = 5,76 Nm
• Schritt 4 — Sicherheit: T_erforderlich = 5,76 × 1,3 = 7,49 Nm
• Schritt 5 — Klassenwahl: Die erste Standardstufe oberhalb von 7,49 Nm ist 10 Nm. Der Belimo NM24A ist ein typischer Vertreter dieser Klasse; auf Siemens-Seite gehört die Baureihe GLB181 zur Klasse 10 Nm.
• Kontrolle — Beträgt das Nenndrehmoment des gewählten Stellantriebs mindestens das 1,3-Fache des berechneten Werts, ist die Auswahl sicher: 10 / 5,76 = 1,74.

Bei der Drehmomentberechnung ist bei kleinen Klappen der Klasse 5 Nm die Wellenreibung zu beachten. Bei Klappen unter 0,5 m² ist es bei Klappen mit minderwertiger Lagerung richtig, in die Klasse 5 Nm aufzusteigen, selbst wenn die Berechnung 3 Nm ergibt. Produkte wie der Belimo LM24A und der Siemens GDB181 sind verbreitete Beispiele dieser Klasse 5 Nm. Umgekehrt gilt: Liegt die Berechnung über 40 Nm, ist es günstiger und wartungsfreundlicher, die Klappe in zwei Felder zu teilen und jedem Feld einen eigenen Stellantrieb zu geben, statt nach einem einzelnen Stellantrieb zu suchen.

Das spezifische Drehmoment steigt je nach Leckageklasse der Klappe und Art der Blattdichtung auf bis zu das Dreifache. Während bei der Jalousieklappe ohne Dichtung 5-7 Nm/m² genügen, erreicht es bei leckagearmen Klappen mit EPDM- oder Silikon-Blattdichtung 10-15 Nm/m² und bei Klappen, die der Außenluft ausgesetzt sind und bei denen Eisbildung möglich ist, 15-20 Nm/m². Da die Klemmkraft der Dichtung in den letzten 10° des Schließvorgangs wirkt, tritt das Spitzendrehmoment genau im Moment des vollständigen Schließens auf.

Die anzusetzenden Werte für das spezifische Drehmoment nach Klappentyp lassen sich in folgenden Bereichen zusammenfassen. Liegt ein Katalog des Klappenherstellers vor, sind die Werte daraus zu entnehmen; die folgenden Werte sind Größenordnungen auf der sicheren Seite für den Fall, dass kein Katalog verfügbar ist.

• Standard-Jalousieklappe ohne Dichtung — 5-7 Nm/m², Innenbereich, geringe Druckdifferenz
• Leckagearme Klappe mit Blattdichtung — 10-12 Nm/m², Außenluft und Mischkammern
• Dichtschließende Klappe mit Blatt- und Seitenrahmendichtung — 12-15 Nm/m², Außenlufteintritt und Fortluft
• Klappe im Außenbereich mit Vereisungsgefahr — 15-20 Nm/m², zusätzlich wird ein Typ mit Federrücklauf empfohlen
• Runde Drosselklappe (DN 100-400) — 3-8 Nm, je nach Durchmesser; statt der Flächenformel wird die Drehmomentkennlinie des Herstellers verwendet
• Hohe Druckdifferenz (Δp > 1000 Pa) — auf das berechnete Drehmoment werden 20-30 % aufgeschlagen

Mit wachsender Fläche kommt eine zweite Grenze ins Spiel: die Wellenverdrillung. Bei Klappen über 2 m² führt der Antrieb an nur einer Stelle dazu, dass das entfernte Wellenende verzögert schließt. Die Faustregel lautet, die Klappe in Felder von 1,5-2 m² zu teilen und jedem Feld einen eigenen Stellantrieb zu geben. Das erleichtert zugleich die Transformatorberechnung, weil die Stromsumme der parallel angeschlossenen Stellantriebe bekannt ist (Details: Lüftung).

Die Antwort auf die Frage, was der Schließdruck (Close-off-Druck) ist, lautet: Der Schließdruck ist der maximale Differenzdruck, bei dem der Stellantrieb das Ventil in der angegebenen Leckageklasse vollständig schließen kann; er wird in kPa oder bar angegeben. Übersteigt die Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt bei geschlossenem Ventil diesen Wert, kann der Stellantrieb das Ventil nicht vollständig in den Sitz bringen; der Kreis wird zwar als geschlossen angezeigt, aber der Durchfluss setzt sich fort. Die erforderliche Stellkraft leitet sich aus der Kraft ab, die diese Druckdifferenz auf die Dichtfläche ausübt.

Die Berechnung verläuft wie folgt. Angenommen, bei einem Zweiwege-Regelventil DN50 mit Sitz wird in geschlossener Stellung ein Differenzdruck von 200 kPa (2 bar) erwartet.

• Schritt 1 — Fläche der Dichtfläche: A = π/4 × (0,05 m)² = 0,00196 m² (19,6 cm²)
• Schritt 2 — Druckkraft: F = Δp × A = 200.000 Pa × 0,00196 m² = 392 N
• Schritt 3 — Zuschlag für Reibung und Dichtung: F_erforderlich = 392 × 1,5 = 588 N
• Schritt 4 — Klassenwahl: Die erste verbreitete Stufe oberhalb von 588 N ist 800 N. Der Siemens SAX61.03 ist ein typisches Beispiel dieser Klasse (800 N, 20 mm Hub, 24 V).
• Kontrolle — Der Schließdruck laut Katalog muss mindestens das 1,25-Fache des vor Ort erwarteten maximalen Δp betragen.
• Warnhinweis — Die Förderhöhe, die die Pumpe in der Kennlinie bei geschlossenem Absperrorgan (Shut-off, Nullförderdruck) erzeugt, ist die Obergrenze des tatsächlichen Δp vor Ort; die Berechnung wird mit diesem Wert durchgeführt.

Bei kleinen Nennweiten (DN15-DN25) deckt die Klasse 400 N die meisten Anwendungen ab; lineare Stellantriebe im Bereich 400 N wie der Siemens SQS65 sind typische Beispiele dieses Bereichs. Ab DN65 muss dagegen in die Klasse 1000-2500 N gewechselt werden. Bei druckunabhängigen Regelventilen (PICV), die mit Strangregulierventilen zusammenarbeiten, ist der Schließdruck zusätzlich auf dem Gehäuse angegeben und in der Regel höher (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?).

Die Regel ist eindeutig: Sind Modulation, ein Rückmeldesignal oder die Einbindung in die Automation gewünscht, wird 24 V AC/DC gewählt; bei allein arbeitenden Klappen mit Auf-Zu-Funktion, die nicht an die Automation angeschlossen werden, kann 230 V AC gewählt werden. Der überwiegende Teil der modulierenden Stellantriebe wird nur mit 24-V-Versorgung hergestellt, weil sich das Regelsignal 0-10 V und die Netzspannung im selben Gehäuse nicht sicher trennen lassen.

Die projektbezogenen Unterschiede der beiden Versorgungsarten sind in den folgenden Punkten zusammengefasst. Dieser Vergleich beeinflusst unmittelbar die Entscheidung über den Transformator im Schaltschrank.

• 24 V AC/DC — Modulation, 3-Punkt und Auf-Zu sind alle verfügbar; MP-Bus- und Modbus-Optionen gibt es hier.
• 24 V AC/DC — Ein Transformator ist erforderlich; die Gesamt-VA-Berechnung und ein gemeinsamer Nullleiter (Erdungsbezug) sind einzuplanen.
• 24 V AC/DC — Der Kabelquerschnitt wird nach dem Spannungsfall gewählt; bei Leitungen über 50 m können 2,5 mm² statt 1,5 mm² erforderlich sein.
• 230 V AC — Kein Transformator, direkt am Netz; bei kleinen Projekten sinken die Kosten für Schaltschrank und Verkabelung.
• 230 V AC — Nur Auf-Zu und 3-Punkt sind vorhanden; Modulation 0-10 V gibt es praktisch nicht.
• 230 V AC — Das Sicherheitsverfahren bei der Wartung ist aufwendig; in feuchter Umgebung im Klimazentralgerät wird 24 V bevorzugt.

Die Berechnung der Transformatorleistung erfolgt Schritt für Schritt. Angenommen, in einem Klimazentralgerät befinden sich 12 modulierende 24-V-Klappenantriebe. Im Katalog liegt die Leistung im Betrieb typischerweise bei 2,5-5 W, die Scheinleistung im Bereich 4-7 VA; in der Berechnung wird der obere Wert angesetzt. Schritt 1: Scheinleistung je Antrieb 7 VA. Schritt 2: Summe = 12 × 7 = 84 VA. Schritt 3: Gleichzeitigkeitsfaktor; es wird angenommen, dass sich alle Stellantriebe gleichzeitig bewegen können, ein Abschlag erfolgt nicht. Schritt 4: Sicherheitsfaktor 1,25 → 84 × 1,25 = 105 VA. Schritt 5: Gewählt wird die nächsthöhere Standardstufe, ein Transformator mit 160 VA.

Bei Typen mit Federrücklauf ändert sich diese Berechnung, weil das Gespannthalten der Feder dauerhaft Strom zieht. Bei einem Stellantrieb mit Feder liegt die Leistung beim Aufziehen bei 8-10 VA, im Haltebetrieb (Feder gespannt halten) bei 3-5 VA, und der Haltestrom fließt rund um die Uhr (24/7). Bei zehn Stellantrieben mit Feder und 20 Nm beträgt allein die Haltelast 10 × 5 = 50 VA; der Transformator wird nicht nach dieser Dauerlast, sondern nach der Spitzenlast beim Aufziehen gewählt: 10 × 10 = 100 VA, ×1,25 = 125 VA, Wahl 160 VA.

Die Prüfung des Spannungsfalls wird in den meisten Projekten übersprungen und kommt vor Ort als Beschwerde „Der Stellantrieb schließt nicht vollständig“ zurück. Die Berechnung lautet: ΔU = 2 × L × I × ρ / A. Für Kupfer gilt ρ = 0,0175 Ω·mm²/m. Bei 50 m Länge, 1,5 mm² Querschnitt und für einen einzelnen Stellantrieb I = 7 VA / 24 V = 0,29 A ergibt sich ΔU = 2 × 50 × 0,29 × 0,0175 / 1,5 = 0,34 V, also 1,4 %. Werden an dieselbe Leitung 10 Stellantriebe parallel angeschlossen, beträgt I = 2,9 A und ΔU = 3,4 V, also 14 %. Gilt als Grenze 10 %, muss diese Leitung entweder auf 2,5 mm² erhöht oder auf zwei getrennte Versorgungsstränge aufgeteilt werden (Details: Installationstechnik).

Die Regelungsart legt fest, mit welchem Signal der Stellantrieb seine Stellung erhält, und gliedert sich in vier Gruppen: Auf-Zu (2 Stellungen), 3-Punkt (auf-halt-zu), analoge Modulation (0-10 V oder 2-10 V) und Kommunikation (MP-Bus, Modbus RTU, KNX, BACnet MS/TP). Die Wahl hängt davon ab, wie genau die geregelte Größe gehalten werden muss: Soll die Temperatur im Bereich von ±0,5 °C gehalten werden, ist Modulation nötig; wird nur eine Sicherheitsfunktion offen-geschlossen verlangt, genügt Auf-Zu.

Die Anwendungsbereiche der vier Regelungsarten stehen unten. Der Ausgangstyp im Automationsschaltschrank (Relais, Triac, Analogausgang, serielle Leitung) wird nach dieser Liste geplant.

• Auf-Zu — Zwei Adern und ein Relais; Brandschutzklappe, Fortluftklappe, Zonenventil. Eine Stellungsrückmeldung erhält man nur über einen Hilfsschalter.
• 3-Punkt (Floating) — Drei Adern, zwei Relais oder ein Triac-Ausgang; die Stellung wird aus der Laufzeit berechnet. Günstig, aber mit der Zeit tritt Drift auf; empfohlen wird einmal täglich eine Synchronisation über den vollen Hub.
• Modulation 0-10 V / 2-10 V — Ein Analogausgang; Außenluftklappe, Mischkammer, Ventil des Heiz-/Kühlregisters. Die Auflösung der Stellung beträgt etwa 1 %.
• Mit Kommunikation — Stellung, Rückmeldung, Störung und Betriebsstunden über ein einziges Adernpaar; bei großen Klimazentralgeräten senkt dies die Kabelkosten spürbar.
• Entscheidungsregel — Gibt es im Kreis eine Proportionalregelung (PID), dann Modulation; sonst Auf-Zu. 3-Punkt wird nur bevorzugt, wenn sich im vorhandenen Schaltschrank kein Analogausgang ergänzen lässt.

Der Unterschied zwischen 0-10 V und 2-10 V ist ein kleines, aber folgenreiches Detail. Bei 2-10 V wird die Nullstellung durch 2 V dargestellt; eine Messung von 0 V auf der Leitung kann als Signalausfall gedeutet werden, und die Automation erzeugt einen Alarm. Bei 0-10 V lassen sich dagegen ein Kabelbruch und der Befehl „vollständig geschlossen“ nicht voneinander unterscheiden. Bei kritischen Klappen verschafft die Wahl von 2-10 V eine Diagnosefähigkeit. Bei den meisten modulierenden Stellantrieben lassen sich diese beiden Bereiche am selben Gerät per Schalter wählen.

Das Rückmeldesignal (meist 2-10 V) wird über eine separate Klemme ausgegeben und meldet die tatsächliche Stellung des Stellantriebs. Wird diese Klemme nicht angeschlossen, kennt die Automation zwar die Information „Befehl gegeben“, aber nicht „Befehl ausgeführt“. Ein klemmendes Klappenblatt fällt nur auf, wenn die Rückmeldung gelesen wird. Ebenso wichtig ist es, den Signaltyp des raumseitigen Regelgeräts mit dem des Stellantriebs vor Ort abzustimmen (Details: Welcher ist der beste Raumthermostat? Danfoss, Siemens, Resideo und ECA im Vergleich).

Ein Stellantrieb mit Kommunikation ist ein Stellantrieb, der den Stellbefehl statt über eine analoge Spannung über eine digitale serielle Leitung erhält und über dieselbe Leitung Stellung, Störung und Betriebsstunden zurückmeldet. Die wirtschaftliche Schwelle liegt grob hier: Werden aus einem Schaltschrank mehr als 8-10 Stellantriebe angesteuert oder müssen zu den Stellantrieben Kabel von mehr als 40 m verlegt werden, übersteigt die Kommunikation die Kosten für Kabel und Analogkarte.

Die drei verbreiteten Protokolle haben unterschiedliche Einsatzgebiete und dürfen nicht verwechselt werden.

• MP-Bus — Das eigene Protokoll von Belimo; Versorgung und Kommunikation laufen über dieselben drei Adern, auf einer Leitung werden bis zu 8 Geräte adressiert. Über dieselbe Leitung kann auch ein passiver Sensor gelesen werden.
• Modbus RTU (RS-485) — Herstellerunabhängig, in der Türkei die verbreitetste Lösung in Gebäudeautomations-Schaltschränken; auf einer Leitung sind 32 Geräte Standard, mit Repeater mehr.
• KNX — In Systemen, die Beleuchtung, Beschattung und HLK im gesamten Gebäude in einem Adressraum zusammenfassen; auf der Seite der mechanischen Haustechnik weniger verbreitet.
• BACnet MS/TP — Wird in großen Gewerbegebäuden bevorzugt, wenn direkt mit dem BMS-Backbone kommuniziert werden muss.
• Entscheidungsregel — Welches Protokoll das vorhandene BMS spricht, in diesem Protokoll wird auch der Stellantrieb gewählt; ein Zwischenwandler (Gateway) ist keine Lösung, sondern ein zusätzlicher Ausfallpunkt.

Der eigentliche Gewinn der Kommunikation liegt nicht im Kabel, sondern in der Diagnose. Lassen sich Stellungsrückmeldung, Warnung bei Drehmomentüberschreitung und die Gesamtzahl der Bewegungen auslesen, wird eine klemmende Klappe nicht erst Monate nach der Montage, sondern in derselben Woche entdeckt. In Projekten, die diese Daten gebäudeweit zentral erfassen wollen, muss die Automationsarchitektur von Anfang an so aufgebaut werden (Details: Was ist HVAC?).

Ein Stellantrieb mit Federrücklauf ist ein Stellantrieb, der bei Energieausfall mit der Energie der gespannten Feder die Klappe oder das Ventil in eine vorher festgelegte sichere Stellung bringt. Beim Typ NC (normally closed) ist die stromlose Stellung geschlossen, beim Typ NO (normally open) geöffnet. Der Federrücklauf ist typischerweise in 15-20 Sekunden abgeschlossen und benötigt keinen Strom. Bei Komfortanwendungen ist er optional; in den folgenden drei Fällen ist er zwingend.

Die Fälle, in denen er zwingend ist, und die zu wählende Federrichtung sind wie folgt. Wird die Federrichtung falsch gewählt, arbeitet das Gerät zwar, aber die Sicherheitsfunktion wirkt in die falsche Richtung, was riskanter ist, als gar keine zu haben.

• Brandschutzklappe — Bei Energieausfall und bei Auslösung der thermischen Auslöseeinheit muss die Klappe schließen: NC. Im Brandfall lässt sich die Unversehrtheit der Kabel nicht garantieren, deshalb muss die Sicherheit mechanisch sein.
• Frostschutz — In einem Klimazentralgerät mit Heizregister muss die Außenluftklappe bei Energieausfall schließen: NC. Andernfalls kann das Register bei -5 °C Außenluft innerhalb von 20-30 Minuten einfrieren.
• Außenluftklappe — Sie schließt, damit bei Stillstand des Ventilators kein Regen, Schnee und Wind in den Kanal gelangt: NC.
• Fortluft- und Entrauchungsklappe — Bei Leitungen, die im Rauchszenario offen bleiben sollen: NO. Diese Wahl erfolgt nach dem Brandszenario-Bericht und ist keine Standardeinstellung.
• Ventil des Heizregisters — Bei frostgefährdeten Zentralgeräten soll das Ventil bei Energieausfall offen bleiben: NO, damit der Warmwasserstrom weiterläuft.
• Nicht kritische Klappen im Innenbereich — Feder nicht erforderlich; der Typ ohne Feder ist günstiger und senkt die Transformatorlast, weil er keinen dauerhaften Haltestrom zieht.

Der Preis des Typs mit Feder besteht aus drei Posten: Bei gleichem Drehmoment ist das Gehäuse größer, er zieht dauerhaft Haltestrom, und seine mechanische Lebensdauer ist kürzer als die des Typs ohne Feder. Deshalb vergrößert die Haltung „Setzen wir überall Feder ein“ sowohl die Transformatorberechnung als auch das Wartungsprogramm unnötig. Der Unterschied beim Haltestrom zwischen kleinen Typen mit Feder der Klasse 4 Nm wie dem Belimo LF24 und großen Typen mit Feder der Klasse 20 Nm kann das Zwei- bis Dreifache betragen; die Berechnung muss für jedes Projekt gesondert erfolgen.

Ein Brandschutzklappen-Stellantrieb ist ein Stellantrieb mit Federrücklauf und thermischer Auslöseeinheit, der zusammen mit einer nach EN 15650 CE-gekennzeichneten Brandschutzklappe in der vom Klappenhersteller freigegebenen Kombination gewählt wird. Der Stellantrieb wird hier nicht für sich allein gewählt: Klappe und Stellantrieb müssen gemeinsam im Feuerwiderstandsversuch nach EN 1366-2 geprüft worden sein. Wird ein anderer Stellantrieb eingebaut, verliert die Feuerwiderstandsklasse der Klappe (zum Beispiel EI 90 S) ihre Gültigkeit.

Die Kontrollpunkte der Auswahl sind folgende. Diese Punkte sind zugleich die Liste der Unterlagen, die im Vertragsanhang anzufordern sind.

• Auslösetemperatur der thermischen Auslöseeinheit — In allgemeinen Lüftungsleitungen 72 °C, in Leitungen mit hohen Temperaturen wie Küchenabluft 95 °C.
• Federrichtung — NC; bei Energieausfall schließt die Klappe. Die Schließzeit liegt typischerweise unter 20 Sekunden.
• Stellungsschalter — Zwei Hilfskontakte, die die Stellungen offen und geschlossen getrennt melden; sie gehen an das BMS und an die Brandmelderzentrale.
• Versorgung — 24 V AC/DC sind üblich; es gibt auch Typen für 230 V AC. Weil im Brandszenario eine Abschaltung der Versorgung gewünscht ist, wird die Versorgungsleitung über das Szenario-Relais geführt.
• Regelmäßige Prüfung — Verfügt der Stellantrieb über eine automatische Testfunktion (zu-auf), kann die Anforderung, die Klappe mindestens einmal pro Jahr zu prüfen, durch die Automation erfüllt werden.
• Umgebung — Er wird außerhalb des Kanals an einer Stelle montiert, die 50 °C nicht überschreitet und über die Revisionsklappe zugänglich ist.

Der häufigste Fehler bei der Auswahl eines Brandschutzklappen-Stellantriebs ist, den defekten Stellantrieb einer vorhandenen Klappe gegen „eine andere Marke mit gleichem Drehmoment“ auszutauschen. Selbst wenn das Drehmoment übereinstimmt, wird die zertifizierte Kombination zerstört. Diese Position sollte gemeinsam mit den übrigen Ausrüstungen der Brandschutzleitung von Anfang an in einer einzigen Verantwortung gebündelt werden (Details: Brandschutz). Auch der Zusammenhang von Sprinkler- und Rauchsteuerungsszenarien mit der Bewegungsfolge der Klappen wird im selben Bericht definiert (Details: Wie funktioniert eine Sprinkleranlage? Wie hängt sie mit der Feuerlöschpumpe zusammen?).

Die Laufzeit gibt an, in wie vielen Sekunden der Stellantrieb seinen vollen Hub oder seine Drehung um 90° abschließt, und bestimmt unmittelbar die Regelgüte. Bei Klappenantrieben liegt der typische Wert bei 90-150 s / 90°, bei schnellen Typen bei 30-40 s. Bei linearen Ventilantrieben wird die Zeit pro Millimeter angegeben; zum Beispiel 15 s/mm × 20 mm Hub = 300 s. Die Zeitkonstante des Regelkreises sollte mindestens das Fünffache der Laufzeit des Stellantriebs betragen.

Die praktischen Werte für die Wahl der Laufzeit sind folgende. Ein schneller Stellantrieb ist nicht immer besser; ein für den Regelkreis zu schneller Stellantrieb erzeugt Pendeln.

• Außenluft- und Mischklappe — 90-150 s. Sie soll langsam sein; plötzliche Volumenstromänderungen lassen den Druck im Zentralgerät schwanken.
• Klappe der VAV-Box — 30-90 s. Raumdruck- und Volumenstromregelung verlangen eine schnellere Reaktion.
• Federrücklauf der Brandschutzklappe — unter 20 s. Diese Zeit ist normative Anforderung, keine Wahlmöglichkeit.
• Ventil des Heiz-/Kühlregisters — 120-300 s. Die thermische Trägheit des Registers ist hoch; ein schnelles Ventil pendelt.
• Zonenventil (Fan-Coil) — 30-180 s; bei thermischen Typen kann das Öffnen 2-3 Minuten dauern.
• Drehwinkel — Standard 90°; mit mechanischem Anschlag auf 30-90° begrenzbar. Öffnet das Klappenblatt weniger als 90°, wird auch der Stellantrieb auf diesen Wert eingestellt.

Kritisch beim Hub ist, dass der tatsächliche Verfahrweg der Ventilspindel und der Hub des Stellantriebs zusammenpassen. Wird ein Stellantrieb mit 20 mm Hub auf ein Ventil mit 5,5 mm Hub montiert, nutzt der Stellantrieb ein Viertel seines Wegs, und die Regelauflösung wird durch vier geteilt. Die richtige Zuordnung ist ein Stellantriebshub, der gleich dem Ventilhub ist oder der nächsthöheren Stufe entspricht. Diese Unterschiede bei der Zuordnung in der Familie der Motorventile sind in einem eigenen Abschnitt vergleichend behandelt (Details: Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich).

Der Wellendurchmesser des Klappenantriebs ist die erste Prüfung, die darüber entscheidet, ob der Stellantrieb mechanisch auf die Klappenwelle passt. Die gängigen Klemmbereiche liegen bei runden Wellen bei 8-20 mm und bei quadratischen Wellen bei 6-16 mm. Ein ebenso wichtiges zweites Maß wie der Wellendurchmesser ist die freie Länge der Welle, die aus dem Klappenrahmen herausragt: Für Klemme und Verdrehsicherungsbügel sind typischerweise 50-70 mm freie Welle erforderlich.

Werden die Prüfungen zu mechanischer Passung und Umgebung in einer einzigen Liste zusammengefasst, entfällt der größte Teil der Überraschungen am Montagetag vor Ort.

• Wellendurchmesser und -typ — rund oder quadratisch, das Maß wird mit der Schieblehre geprüft; auf das Klappenschild ist kein Verlass.
• Freie Wellenlänge — mindestens 50 mm; bei kurzer Welle ist ein Zwischenadapter oder eine Verlängerungswelle erforderlich.
• Verdrehsicherungsbügel — Er verhindert, dass sich das Stellantriebsgehäuse mit der Welle mitdreht; wird er vergessen, reißt das Kabel ab.
• Drehrichtung — Schalter für Uhrzeigersinn / gegen den Uhrzeigersinn; sie wird nach der Schließrichtung der Klappe eingestellt und vor der Montage geprüft.
• IP-Schutzart — Für den Innenbereich und im Zentralgerät genügt IP54; im Außenbereich, auf dem Dach und in Bereichen mit Reinigung durch Abspritzen wird IP66 verlangt.
• Umgebungstemperatur — Der typische Betriebsbereich liegt zwischen -30 °C und +50 °C; an Stellen wie Küchenabluft und Heizraum wird die Obergrenze geprüft.
• Einbaulage — Lineare Ventilantriebe werden mit höchstens 90° Abweichung von der waagerechten Achse montiert; ein Stellantrieb wird niemals so montiert, dass er unterhalb des Ventils liegt, weil Kondenswasser in den Motor läuft.
• Zugang für den Service — Vor dem Stellantrieb werden 100-150 mm Platz für Handhebel und Deckelöffnung freigehalten.

Eine manuelle Notverstellung (Handhebel oder Entkupplungstaste) haben die meisten Stellantriebe; sie dient dazu, bei der Inbetriebnahme von Hand zu prüfen, ob sich die Klappe frei dreht. Dieser Test muss unmittelbar nach der Montage erfolgen, bevor der Stellantrieb unter Spannung gesetzt wird: Dreht sich die Klappe von Hand ohne Klemmen zwischen 0 und 90°, ist die Mechanik in Ordnung. Dreht sie sich nicht, liegt das Problem nicht am Stellantrieb, sondern an der Klappe, und ein größeres Drehmoment zu wählen ist keine Lösung (Details: Motorventil-Ratgeber).

Die folgenden drei Beispiele zeigen, wie die vier Achsen in einem realen Projekt ausgefüllt werden. In jedem Beispiel sind Daten, Berechnung und Ergebnis getrennt angegeben; das Ergebnis ist kein Modellcode, sondern eine Produktklasse.

Beispiel 1 — Klimazentralgerät einer Büroetage, Mischklappe ohne Dichtung. Daten: Klappe 1200 × 800 mm, Innenbereich, Analogausgang im Automationsschaltschrank vorhanden, keine Frostgefahr, Montage im Zentralgerät.

• Drehmoment — A = 0,96 m²; spezifisches Drehmoment 6 Nm/m²; T = 0,96 × 6 = 5,76 Nm; × 1,3 = 7,49 Nm → Klasse 10 Nm
• Spannung — Modulation gewünscht → 24 V AC/DC; je Antrieb 7 VA, 3 Klappen → 21 VA × 1,25 = 26 VA → Transformator mit 40 VA
• Regelung — Das Mischverhältnis wird proportional geregelt → Modulation 2-10 V, Rückmeldung 2-10 V
• Sicherheit — Kein Heizregister, Innenbereich → Feder nicht erforderlich, Typ ohne Feder
• Zusätzlich — Laufzeit 150 s, Drehwinkel 90°, Welle 16 mm rund, IP54
• Ergebnis — Klappenantrieb 10 Nm, 24 V, Modulation 0-10 V / 2-10 V, ohne Feder. Der Belimo NM24A ist der bekannte Vertreter dieser Klasse; das von uns geführte Äquivalent ist die Siemens-Baureihe GLB181.

Beispiel 2 — Außenluftklappe des Klimazentralgeräts auf dem Dach eines Hotels. Daten: Klappe 1200 × 900 mm, dichtschließender Typ mit Blatt- und Rahmendichtung, der Außenluft ausgesetzt, Zentralgerät mit Heizregister, Winter-Auslegungstemperatur -3 °C.

• Drehmoment — A = 1,08 m²; für dichtschließende Klappe 12 Nm/m²; T = 1,08 × 12 = 12,96 Nm; × 1,3 = 16,85 Nm → Klasse 20 Nm
• Spannung — 24 V AC/DC; Typ mit Feder, Aufziehen 10 VA, 2 Stück → 20 VA × 1,25 = 25 VA → Transformator mit 40 VA (Haltelast 2 × 5 = 10 VA)
• Regelung — Außenluftanteil veränderlich → Modulation 0-10 V; zusätzlich ein separater Kontakt für das Zwangsschließen
• Sicherheit — Frostschutz zwingend → Federrücklauf, NC (schließt bei Energieausfall), Federrücklauf unter 20 s
• Zusätzlich — Außenbereich → IP66, Umgebungsbereich -30…+50 °C, Welle 20 mm, Verdrehsicherungsbügel aus Edelstahl
• Ergebnis — Klappenantrieb 20 Nm, 24 V, Modulation 0-10 V, mit Federrücklauf NC. Bei Belimo findet diese Klasse ihre Entsprechung in der SF-Familie, bei Siemens in der Baureihe der Klappenantriebe mit Federrücklauf.

Beispiel 3 — Fernwärme-Wärmeübertrager, Zweiwege-Regelventil DN50. Daten: Nullförderdruck der Primärkreispumpe 2 bar, Ventilhub 20 mm, Temperaturregelung PID, Technikraum, 24-V-Schaltschrank vorhanden.

• Kraft — A = π/4 × 0,05² = 0,00196 m²; F = 200.000 × 0,00196 = 392 N; × 1,5 Reibungszuschlag = 588 N → Klasse 800 N
• Prüfung des Schließdrucks — Schließdruck laut Katalog muss ≥ 2 bar × 1,25 = 2,5 bar sein
• Spannung — 24 V AC; je Gerät etwa 8 VA, ein einzelnes Gerät → 10 VA × 1,25 = 13 VA → der vorhandene Transformator mit 40 VA genügt
• Regelung — PID-Ausgang → modulierender Stellantrieb 0-10 V; die Stellungsrückmeldung 2-10 V wird von der Automation eingelesen
• Sicherheit — Keine Frostgefahr, im Technikraum → Feder nicht erforderlich; falls gewünscht, wird ein Typ gewählt, der bei Energieausfall offen bleibt
• Ergebnis — Linearer Ventilantrieb 800 N, 20 mm Hub, 24 V, Modulation 0-10 V. Der Siemens SAX61.03 ist die direkte Entsprechung dieser Klasse; auf Danfoss-Seite ist die Baureihe AME gleichwertig.

Die gemeinsame Lehre der drei Beispiele lautet: Die Berechnung von Drehmoment und Kraft macht nur ein Drittel der gesamten Arbeit aus. Werden Sicherheitsstellung und Regelungsart falsch gewählt, bringt auch ein Stellantrieb mit richtigem Drehmoment die Anlage nicht zum Laufen. Die Kreisarchitektur auf der Heizungsseite bestimmt diese Entscheidungen in hohem Maß (Details: Heizung).

Pomeka Mekanik liefert diese Marke nicht; die von uns geführten gleichwertigen Baureihen sind die Ventilantriebe Danfoss AME und AMV, die thermischen Antriebe Danfoss ABV, die linearen Ventilantriebe Siemens SAX und SQS, die drehenden Klappenantriebe Siemens GDB und GLB sowie die Familien der linearen Ventilantriebe und Klappenantriebe von Honeywell/Resideo. Dieser Beitrag ist ein neutraler technischer Ratgeber, der die Auswahlmethode erläutert; die Gleichwertigkeit wird auf Ebene der Produktklasse hergestellt.

Die gleichwertigen Entsprechungen auf Ebene der Produktklasse stehen unten. Bei der Zuordnung müssen Drehmoment- oder Kraftklasse, Regelungsart und Sicherheitsstellung gemeinsam beibehalten werden; es genügt nicht, nur das Drehmoment anzugleichen.

• Drehender Klappenantrieb der Klasse 5 Nm — Entsprechung zum Belimo LM24A: Siemens-Baureihe GDB181 (5 Nm, 24 V, 0-10 V) oder die Stufe 5 Nm der Resideo-Baureihe N.
• Drehender Klappenantrieb der Klasse 10 Nm — Entsprechung zum Belimo NM24A: Siemens-Baureihe GLB181 (10 Nm, 24 V) oder die Stufe 10 Nm der Resideo-Baureihe N.
• Drehender Klappenantrieb der Klasse 20 Nm — Die Siemens-Baureihe GEB und die Stufe 20 Nm der Resideo-Baureihe N liegen in diesem Bereich.
• Klappenantrieb mit Federrücklauf — Entsprechung zu Belimo LF24 und der SF-Familie: die Baureihen der Klappenantriebe mit Federrücklauf von Siemens; bei Brandschutzklappen ist die vom Klappenhersteller freigegebene Kombination maßgeblich.
• Modulierender linearer Ventilantrieb — Danfoss AME 435 und Siemens SAX61.03 (800 N) sowie SQS65 (Klasse 400 N) sind direkte Entsprechungen.
• Linearer Ventilantrieb 3-Punkt — Danfoss AMV 435 ist die Ausführung desselben Gehäuses mit 3-Punkt-Regelung; die 3-Punkt-Varianten der Siemens-Familie SAX sind gleichwertig.
• Thermischer Zonenventilantrieb — Für Verteiler und Fußbodenheizkreise die thermischen Antriebe der Baureihe Danfoss ABV; Verteilerantriebe von Caleffi und Watts erfüllen dieselbe Funktion.

Bei der Wahl eines Äquivalents werden drei Positionen unbedingt neu geprüft: Wellendurchmesser und Klemmbereich, Schließdruck und Signaltyp der Automation. Stimmen diese drei nicht, ist Drehmomentgleichheit bedeutungslos. Bei Fußbodenheizungsverteilern folgt die Auswahl des thermischen Antriebs einer eigenen Logik, denn dort sind nicht das Drehmoment, sondern die Öffnungszeit und das NC/NO-Verhalten maßgeblich (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat). Die vollständige Liste der geführten Marken steht auf einer eigenen Seite (Details: Fußbodenheizung).

Die folgenden Urteile sind so formuliert, dass sie Zweifel bei der Auswahl in einer einzigen Zeile ausräumen. Jeder Punkt ist unmittelbar anwendbar, wenn die daneben genannte Bedingung erfüllt ist.

• Wohngebäude und kleines Büro, Heizung mit einer Zone — Ein thermischer oder 3-Punkt-Zonenventilantrieb genügt. Die Mehrkosten der Modulation amortisieren sich nicht.
• Bürogeschoss mit Fan-Coil — 2-Wege-Ventil + Auf-Zu- oder 3-Punkt-Stellantrieb; in Verbindung mit dem Raumthermostat.
• Mischkammer und Außenluftkammer des Klimazentralgeräts — 24 V, Stellantrieb mit Modulation 0-10 V; auf der Außenluftseite mit Federrücklauf NC.
• Jedes Zentralgerät mit Heizregister — Wegen des Frostschutzes ist an der Außenluftklappe der Typ mit Feder zwingend, ohne Ausnahme.
• Brand- und Rauchschutzklappen — Nur die zertifizierte Kombination des Klappenherstellers; thermische Auslösung 72 °C, mit Stellungsschaltern.
• Zentralgerät mit mehr als 8 Stellantrieben — Typ mit Kommunikation über MP-Bus oder Modbus RTU; spart bei Kabel und Analogkarte.
• Montage auf dem Dach und im Außenbereich — IP66, weiter Temperaturbereich, Bügel aus Edelstahl; kein Typ für den Innenbereich.
• Im vorhandenen Schaltschrank lässt sich kein Analogausgang ergänzen — 3-Punkt-Regelung; die tägliche Synchronisation über den vollen Hub wird programmiert.
• Regelventile ab DN65 — Linearer Stellantrieb der Klasse 1000-2500 N; der Schließdruck wird anhand des Nullförderdrucks der Pumpe geprüft.

Alle diese Urteile müssen zusammen mit dem Automationsschema des Projekts gelesen werden. Gibt es kein Schema, wird zuerst ein Schema erstellt; die Stellantriebsliste wird aus dem Schema abgeleitet, nicht umgekehrt (Details: häufig gestellte Fragen).