Danfoss, Siemens oder Belimo? Motorventile und Stellantriebe im Vergleich

Der Stellantrieb ist das Antriebselement, das die Spindel eines Ventils mit elektrischer Energie bewegt. Das Ventil selbst ist ein hydraulischer Widerstand; der Stellantrieb dagegen ist die mechanische Kraftquelle, die diesen Widerstand entsprechend dem Regelsignal verändert. In Heizungs- und Kühlanlagen übersetzt der Stellantrieb das Signal vom Raumthermostat oder vom Gebäudeautomationssystem in eine Bewegung der Ventilspindel.

Die Auswahl des Stellantriebs erfolgt nach acht Größen, und keine davon darf ausgelassen werden. Die erste ist die Bewegungsart: drehend (Rotary) oder linear. Die zweite ist das Drehmoment bzw. die Stellkraft. Die dritte ist der Hub, d. h. der Weg, den die Spindel zurücklegt. Die vierte ist der Schließdruck. Die fünfte ist die Regelungsart, die sechste die Versorgungsspannung, die siebte, ob ein Federrücklauf vorhanden ist, und die achte die IP-Schutzart.

Die Bewegungsart wird vom Ventilgehäuse selbst bestimmt und ist keine frei wählbare Präferenz. Kugelhähne, Absperrklappen und Luftklappen drehen um 90 Grad; bei ihnen spricht man vom Drehmoment (Nm). Sitzventile (Globe Valves), Dreiwege-Mischventile und Zonenventile bewegen sich linear; bei ihnen spricht man von Stellkraft (N) und Hub (mm). An eine Absperrklappe lässt sich kein Linearantrieb montieren, an ein Sitzventil kein Drehantrieb.

Die Auswahlreihenfolge in der Praxis lautet: Zuerst werden Ventiltyp und Kvs-Wert festgelegt, dann der Differenzdruck ermittelt, dem das Ventil ausgesetzt sein wird, anschließend die für diesen Druck ausreichende Kraftklasse gewählt, und zuletzt werden Regelungsart und Versorgung entschieden. Geht man in umgekehrter Reihenfolge vor, d. h. wählt man zuerst Marke und Modell und versucht dann, sie an das Ventil anzupassen, sind ein nicht schließendes Ventil und ein pendelnder Kreis das in der Praxis am häufigsten auftretende Ergebnis. Sie können sich unsere Produktgruppe Ventile & Armaturen ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

Das Drehmoment des Stellantriebs ist bei Drehventilen das Torsionsmoment, das zum Drehen der Welle erforderlich ist, und wird in Nm angegeben. Bei Linearventilen ist die Entsprechung die Stellkraft, die in N angegeben wird. Die Antwort auf die Frage, wie man das Drehmoment eines Stellantriebs berechnet, lautet: Man vergleicht die vom Ventilhersteller veröffentlichte erforderliche Drehmomentkurve mit dem Nenndrehmoment des Stellantriebs; das Drehmoment wird nicht von Grund auf hergeleitet, sondern dem Ventilkatalog entnommen und mit einem Sicherheitszuschlag multipliziert.

Bei Absperrklappen setzt sich das erforderliche Drehmoment aus drei Anteilen zusammen: dem Reibmoment des Dichtelements, der Lagerreibung der Welle und dem hydrodynamischen Moment der Klappenscheibe gegen die Strömung. Die Summe dieser drei Anteile steigt mit der Nennweite des Ventils und dem anstehenden Differenzdruck. Eine Absperrklappe DN 50 mit Weichdichtung benötigt ein Drehmoment in der Größenordnung von ca. 15–25 Nm, eine Klappe desselben Typs DN 100 von ca. 45–70 Nm und eine Klappe DN 150 von ca. 100–160 Nm. Diese Bereiche variieren je nach Dichtungswerkstoff und Druck; der genaue Wert wird stets dem Ventilkatalog entnommen.

Die Berechnung erfolgt in drei Schritten. Erster Schritt: Lesen Sie im Ventilkatalog das erforderliche Drehmoment ab, das dem Betriebsdifferenzdruck entspricht. Zweiter Schritt: Multiplizieren Sie diesen Wert mit dem Sicherheitsfaktor. Bei sauberem Heizungswasser im geschlossenen Kreis beträgt der Faktor 1,25; bei selten betätigten Leitungen mit möglicher Verkalkung und Ablagerungen 1,5; bei verschmutztem Wasser und im Freien betriebenen Leitungen 2,0. Dritter Schritt: Wählen Sie die erste Katalogstufe oberhalb des errechneten Werts.

Zahlenbeispiel: Gegeben seien eine Absperrklappe DN 100, ein Betriebsdifferenzdruck von 4 bar und ein dem Katalog entnommenes erforderliches Drehmoment von 55 Nm. Für Heizungswasser im geschlossenen Kreis wird ein Sicherheitsfaktor von 1,25 angesetzt. Ergebnis: 55 mal 1,25 gleich 68,75 Nm. Die erste Stufe oberhalb dieses Werts ist typischerweise die Klasse 80 Nm; ein 40-Nm-Stellantrieb kann diese Klappe also unter keinen Umständen schließen. Die Klasse 40 Nm ist nur bei Nennweiten bis DN 65 und niedrigem Differenzdruck die richtige Wahl.

Beim Linearantrieb verläuft die Überlegung nach demselben Muster über die Kraft. Die erforderliche Stellkraft ergibt sich näherungsweise aus der wirksamen Fläche des Ventilkegels mal dem anstehenden Differenzdruck plus der Feder- und Stopfbuchsenreibung. Sitzventile von DN 15 bis DN 25 benötigen typischerweise eine Kraft von 300–500 N, von DN 32 bis DN 50 von 800–1000 N, von DN 65 bis DN 100 von 1500–2800 N und ab DN 125 eine Kraft in der Größenordnung von 4000–5000 N. Deshalb sind auch die Baureihen der Linearantriebe grob nach diesen Stufen aufgebaut.

Ein Überschuss an Drehmoment und Kraft scheint harmlos, hat aber seinen Preis. Ein überdimensionierter Stellantrieb ist schwerer und erzeugt am Ventilhals ein zusätzliches Moment, außerdem verursacht er beim Schließen unnötigen Verschleiß an Lager und Dichtung. Der richtige Ansatz ist, die Stufe unmittelbar oberhalb des errechneten Werts zu wählen und nicht zwei Stufen zu überspringen. Für Gebäudeautomation und Ventilgruppen können Sie einen Blick auf unsere Heizungsprodukte werfen. (Details: Heizung)

Die Antwort auf die Frage, was der Schließdruck ist, lautet: Der Schließdruck (Close-off) ist der höchste Differenzdruck, bei dem das Paar aus Stellantrieb und Ventil das Ventil dicht schließen kann; er wird in kPa oder bar angegeben. Er darf nicht mit dem zulässigen maximalen Betriebsdruck des Ventils verwechselt werden: Der Schließdruck beschreibt nicht die Festigkeit des Gehäuses, sondern die Kraft, die der Stellantrieb überwinden kann.

Dieser Wert ist das erste Ausschlusskriterium, weil bei einer Überschreitung die Störung unbemerkt bleibt. Der Stellantrieb meldet, dass er die geschlossene Stellung erreicht hat, in der Anzeige der Automation steht das Ventil auf null Prozent, aber weil der Ventilkegel nicht aufsitzt, fließt weiterhin Wasser durch den Kreis. Die Folge sind sich im Sommer aufheizende Räume, nicht kühlbare Fan-Coil-Kreise und unerkannte Energieverluste. Zur Planung von Fan-Coil-Kreisen und zum Ventilanschluss haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen)

Der Schließdruck wird nicht berechnet, sondern je nach Kombination aus Ventil und Stellantrieb einer Tabelle entnommen. Dasselbe Ventilgehäuse kann mit einem 400-N-Stellantrieb z. B. einen Schließdruck von 200 kPa erreichen, mit einem 1000-N-Stellantrieb dagegen 600 kPa. Deshalb werden Ventil und Stellantrieb gemeinsam aus der Kompatibilitätsliste desselben Herstellers ausgewählt; wer das Gehäuse einer Marke mit dem Stellantrieb einer anderen Marke kombiniert, hebt die Schließdruckgarantie auf.

Der erforderliche Schließdruck ergibt sich aus dem ungünstigsten Szenario der Anlage. Dieses Szenario ist in der Regel der Moment, in dem die Pumpe bei voller Drehzahl läuft und alle übrigen Ventile geschlossen sind; dann sieht ein einzelnes Ventil nahezu die gesamte Förderhöhe der Pumpe bei geschlossenem Absperrorgan (Nullförderhöhe). In einem Kreis eines Wohngebäudes mit einer Förderhöhe von 60 kPa genügt ein Schließdruck von 100 kPa. In einem gewerblichen Kreis mit einem Nullförderdruck von 220 kPa dagegen erfordert dasselbe Ventil die Klasse 300 kPa.

Zahlenbeispiel: Die Nullförderhöhe der Pumpe betrage 25 mWS. Das entspricht in kPa etwa 25 mal 9,81 gleich 245 kPa. Besteht im Kreis die Möglichkeit, dass sich alle automatisiert angesteuerten Ventile gleichzeitig schließen, wird der erforderliche Schließdruck mit mindestens 245 kPa, mit Sicherheitszuschlag mit 300 kPa gewählt. Ist die Pumpe im selben Kreis im Modus Δp-v so eingestellt, dass ihr Druck bei geschlossenem Ventil auf 120 kPa sinkt, genügt eine Kombination der Klasse 150 kPa. Wie man sieht, verkleinert die richtige Regelungsart der Pumpe die Klasse des Stellantriebs unmittelbar.

Der Hub ist der Weg, den die Spindel eines Linearventils von vollständig geschlossen bis vollständig geöffnet zurücklegt, und wird in mm angegeben. Der Hub des Stellantriebs muss gleich dem Ventilhub oder größer sein; ist er kleiner, öffnet das Ventil nie vollständig, und der Kreis erreicht den berechneten Volumenstrom nicht. Typische Werte: bei Ventilen DN 15–DN 25 5,5–8 mm, bei Ventilen DN 32–DN 50 15–20 mm, bei Ventilen ab DN 65 20–40 mm.

Die Laufzeit gibt an, in wie vielen Sekunden der Stellantrieb einen Millimeter Weg zurücklegt, und wird in s/mm angegeben. Bei Drehantrieben wird dagegen direkt die Laufzeit für den vollen Hub (s/90 Grad) angegeben. Dieser Wert bestimmt gemeinsam die Regelqualität und das Risiko eines Wasserschlags. Ein schneller Stellantrieb bringt den Kreis rasch wieder ins Gleichgewicht, erzeugt aber bei plötzlichem Schließen einen Druckstoß; ein langsamer Stellantrieb dämpft den Druckstoß, vergrößert aber das Pendeln der Temperatur.

Praxisnahe Bereiche sind die folgenden. Bei modulierenden Heiz- und Kühlventilen wird die Laufzeit für den vollen Hub im Bereich 30–150 s gewählt; ein typischer Wert liegt bei ca. 15 s/mm, d. h. ein Ventil mit 20 mm Hub öffnet in etwa 300 s vollständig. Bei Zonenventilen und Auf-Zu-Anwendungen werden 60–180 s akzeptiert. Bei Brandschutz- und Rauchschutzklappen liegt die Schließzeit mit Federrücklauf in der Regel bei ca. 15–25 s, weil ein schnelles Schließen erforderlich ist.

Die Regelungsart legt fest, welches Signal der Stellantrieb von der Automation erhält, und gliedert sich in vier Klassen: Auf-Zu (2 Stellungen), 3-Punkt (Floating), analoge Modulation (0–10 V oder 4–20 mA) und kommunikationsfähig (Bus). Diese Wahl bestimmt nicht nur die Verdrahtung, sondern auch die Temperaturgenauigkeit, die der Kreis erreichen kann.

Die Auf-Zu-Regelung ist die einfachste: Der Stellantrieb ist entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen. Wird ein einzelner Phasenanschluss bestromt, öffnet das Ventil; bei Unterbrechung schließt es eine Feder oder eine Gegenwicklung. Zonenventile für Heizkörper im Wohnbereich, thermische Stellantriebe am Fußbodenheizungsverteiler und einfache Fan-Coil-Kreise gehören zu dieser Klasse. Bei der Raumtemperatur werden typischerweise Schwankungen von 0,5–1,5 °C hingenommen. Die Auswahl des Raumthermostats beeinflusst diese Schwankung unmittelbar. (Details: Welcher ist der beste Raumthermostat? Danfoss, Siemens, Resideo und ECA im Vergleich)

Die Antwort auf die Frage, was eine 3-Punkt-Regelung ist, lautet: Zum Stellantrieb führen zwei getrennte Steueranschlüsse und ein gemeinsamer Anschluss; wird an den einen Spannung gelegt, bewegt sich das Ventil in Öffnungsrichtung, wird sie an den anderen gelegt, in Schließrichtung, liegt an keinem Spannung, bleibt es stehen. Eine Stellungsrückmeldung gibt es nicht, deshalb schätzt das System die Stellung durch Zählen der Laufzeit und synchronisiert sich periodisch durch Anfahren der Endlagen. Die Verdrahtung ist günstig, die Genauigkeit liegt nahe an der analogen Regelung, aber die Stellungsinformation wird der Automation nicht direkt geliefert.

Die 0–10-V-Modulation ist das verbreitetste analoge Verfahren. Die Automation sendet eine Spannung zwischen 0 und 10 V, der Stellantrieb setzt diese linear in eine Stellung um; 0 V bedeutet vollständig geschlossen, 10 V vollständig geöffnet. Der Stellantrieb erzeugt außerdem ein 0–10-V-Stellungsrückmeldesignal, sodass die Automation sieht, ob sich das Ventil tatsächlich an der gewünschten Stelle befindet. Alternative Skalen sind 2–10 V und 4–20 mA; der Vorteil von 2–10 V besteht darin, dass ein Kabelbruch als 0 V gelesen und als Störung gewertet werden kann.

Kommunikationsfähige Stellantriebe übertragen Stellung, Verbrauch, Fehlerstatus und bei einigen Modellen Volumenstrom- und Temperaturdaten über ein digitales Protokoll. Verbreitete Protokolle sind BACnet MS/TP, Modbus RTU und herstellerspezifische Buslösungen. Der Vorteil sind Kabelersparnis und umfangreiche Daten: Über eine Leitung lassen sich Dutzende Stellantriebe versorgen und auslesen. Der Nachteil ist, dass Inbetriebnahme und Fehlersuche Automationskenntnisse erfordern.

Die Auswahlregel ist schlicht. Räume mit einer Temperaturtoleranz unter 1 °C, Wärmerückgewinnungskreise, Mischventile und große Fan-Coil-Gruppen erfordern eine Modulation. Reicht Auf-Zu aus, nehmen Sie keine unnötige Modulation; wird dagegen in einem Kreis über Temperaturpendeln geklagt, besteht die Lösung häufig darin, den Stellantrieb auf einen modulierenden Typ umzustellen. Auch die Entscheidung zwischen Zweiwege- und Dreiwegeventil fällt in dieser Phase. (Details: 2-Wege-Ventil oder 3-Wege-Ventil? Welches wird wo eingesetzt?)

Die Antwort auf die Frage, ob ein Stellantrieb mit 24 V AC oder 230 V AC gewählt wird, hängt von der Anwendung ab, aber die Grenze ist eindeutig: Jeder modulierende und kommunikationsfähige Stellantrieb wird mit 24 V AC oder 24 V DC versorgt, 230 V AC wird nur bei Auf-Zu- und 3-Punkt-Anwendungen verwendet. Der Grund liegt in der Elektronik; die analoge Regelungskarte arbeitet mit Niederspannung und muss dasselbe Bezugspotenzial wie die Signalleitung haben.

Die 24-V-Versorgung hat drei Vorteile. Der erste ist die Sicherheit: SELV-Spannung birgt in Nassräumen und in zugänglichen Verteilerschränken kein Berührungsrisiko. Der zweite: Da Regelsignal und Versorgung vom selben Transformator stammen, gibt es kein Problem mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial. Der dritte: Die Anforderungen an Kabelquerschnitt und Kanaltrennung werden geringer; während es verboten ist, ein 230-V-Leistungskabel und ein Signalkabel im selben Kanal zu führen, gilt diese Einschränkung bei 24-V-Leitungen nicht.

Der Preis der 24-V-Versorgung ist die Dimensionierung des Transformators, und das ist die am häufigsten ausgelassene Berechnung. Die Leistungsaufnahme von Stellantrieben wird in VA angegeben, und der Wert beim Anlauf liegt deutlich über dem Betriebswert. Ein modulierender Ventilstellantrieb nimmt typischerweise 2–6 VA auf, ein mittlerer Klappenstellantrieb 4–10 VA, große Typen mit Federrücklauf 10–20 VA. Der Transformator wird mit mindestens dem 1,3-fachen der Summe der Anlauf-VA aller Stellantriebe gewählt.

Zahlenbeispiel: Bei einer Etagenverteilung seien 18 Stück modulierende Stellantriebe mit je 5 VA und 4 Stück Klappenstellantriebe mit je 12 VA vorhanden. Summe: 18 mal 5 gleich 90 VA, plus 4 mal 12 gleich 48 VA, Gesamtsumme 138 VA. Mit Sicherheitszuschlag ergibt sich 138 mal 1,3 gleich 179 VA; der zu wählende Transformator ist die Klasse 200 VA. Wird diese Etage mit einem 100-VA-Transformator in Betrieb genommen, bricht die Spannung ein, wenn morgens alle Ventile gleichzeitig anlaufen, und die Stellantriebe bleiben willkürlich stehen. Diese Störung wird in der Automationssoftware gesucht, ihre Ursache liegt aber im Transformator.

Der richtige Platz für den 230-V-AC-Stellantrieb sind Wohngebäude und kleine gewerbliche Anlagen ohne oder mit einfacher Automation. Thermische Stellantriebe am Verteiler, Zonenventile und direkt vom Raumthermostat gespeiste Kreise benötigen bei Ausführung mit 230 V keinen zusätzlichen Transformator, die Verdrahtung wird einfacher. Bei Fußbodenheizungsverteilern ist diese Ausführung der Standard. (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat)

Ein Stellantrieb mit Federrücklauf ist ein Stellantrieb, der bei Energieausfall durch die Energie einer vorgespannten Feder das Ventil in eine vordefinierte sichere Stellung fährt. Die sichere Stellung kann je nach Anwendung vollständig geschlossen (NC) oder vollständig geöffnet (NO) sein. Ein Stellantrieb ohne Feder bleibt bei Energieausfall in seiner Stellung stehen; dieses Verhalten ist in den meisten Heizkreisen unproblematisch, in manchen Kreisen verursacht es jedoch unmittelbar Schäden.

Der Federrücklauf ist in vier Fällen zwingend. Der erste sind frostgefährdete Außenluft-Zentralgeräte und Heizregister; bei Energieausfall muss das Heizventil vollständig öffnen und die Außenluftklappe vollständig schließen. Der zweite sind Rauchschutz- und Brandschutzklappen. Der dritte sind Prozessleitungen, die sich bei einer Unterbrechung füllen oder entleeren müssen. Der vierte sind Kreise mit Außenluftkontakt, in denen Stromausfälle lange andauern können und es tatsächlich zum Einfrieren kommt.

Der Preis der Feder besteht aus drei Posten. Der erste sind Gewicht und Volumen; ein Stellantrieb mit Feder und gleichem Drehmoment beansprucht deutlich mehr Platz als einer ohne Feder. Der zweite ist die Leistungsaufnahme, denn der Stellantrieb verbraucht ständig Energie, um die Feder gespannt zu halten; deshalb kann der Betriebs-VA-Wert bei Typen mit Feder fast das Doppelte des Werts ohne Feder erreichen. Der dritte ist die Auswahlgrenze: Die Baureihen mit Feder bieten einen engeren Drehmomentbereich als die federlose Baureihe derselben Marke.

Als Alternative zur Feder gibt es eine kondensatorgestützte elektronische Sicherheitsstellung. Bei diesen Typen speichert ein Superkondensator im Stellantrieb bei Energieausfall genug Energie, um den Motor in die sichere Stellung zu fahren. Der Vorteil sind ein höheres Drehmoment im selben Gehäuse und ein geringerer Dauerverbrauch. Der Nachteil ist, dass der Kondensator ein Bauteil mit begrenzter Lebensdauer ist und das Verhalten bei sehr langen Unterbrechungen nicht garantiert werden kann. Bei Brandschutzanwendungen legt die einschlägige Vorschrift ausdrücklich fest, welche Lösung zulässig ist; die Wahl ist nicht frei.

Die IP-Schutzart des Stellantriebs ist der Schutzgrad des Gehäuses gegen feste Fremdkörper und Wasser und wird mit zwei Ziffern angegeben. Für einen Verteilerschrank im Innenraum und für den Heizraum genügt IP40–IP42. In technischen Räumen mit Spritzwasser und im Klimazentralgerät (RLT-Gerät) wird IP54 verlangt. Bei im Freien aufgestellten Zentralgeräten, auf dem Dach und im Umfeld von Kühltürmen ist IP65–IP66 erforderlich. In industriellen Räumen unter Wasser oder mit Nassreinigung wird die Klasse IP67 gewählt.

Bei Linearventil-Stellantrieben gibt es eine zweite, noch wichtigere Einbauregel: Der Stellantrieb darf niemals unterhalb des Ventils liegen. Der zulässige Bereich beträgt, von der senkrecht nach oben weisenden Stellung aus gerechnet, 90 Grad in beide Richtungen; d. h. der Stellantrieb darf bis in die waagerechte Lage gelangen, aber nicht hängend montiert werden. Bei hängender Montage läuft austretendes Heißwasser und Kondensat unmittelbar an der Spindel entlang in die Elektronik und verursacht einen Ausfall außerhalb der Garantie. Bei heißem Medium erwärmt zusätzlich die Wärme, die an der Spindel nach oben geleitet wird, das Stellantriebsgehäuse übermäßig.

Die Handbetätigung ist die Möglichkeit, den Stellantrieb im stromlosen Zustand von Hand zu bewegen, und ist bei Inbetriebnahme und im Störungsfall unverzichtbar. Sie gibt es in drei Formen: Typen, bei denen ein Kupplungsknopf die Welle freigibt, Getriebetypen, die mit Sechskantschlüssel oder Hebel gedreht werden, und Typen mit elektrischem Handmodus, die sich nur bewegen, solange die Taste gedrückt gehalten wird. Wird in der Ausschreibung kein Punkt zur Handbetätigung aufgenommen, bleibt in einer gefüllten Anlage nur das Entleeren der Leitung, um ein defektes Ventil abzusperren.

Auch die Grenze der Umgebungstemperatur darf nicht vergessen werden. Der Betriebsbereich der meisten Stellantriebe liegt zwischen minus 5 °C und plus 50 °C; Typen für den Außeneinsatz reichen bis minus 30 °C. Übersteigt die Mediumtemperatur 100 °C, wird zwischen Ventil und Stellantrieb ein Zwischenstück (Adapterhals) benötigt, sonst wird die Elektronik durch die Temperatur beschädigt. Unsere Anschlusselemente und Armaturen für die Installation finden Sie auf unserer Produktseite. (Details: Installationstechnik)

Der Kvs-Wert ist der Wasservolumenstrom, den ein Ventil in vollständig geöffneter Stellung bei 1 bar Differenzdruck durchlässt, und wird in m³/h angegeben. Er ist die einzige Zahl, die die hydraulische Kapazität des Ventils beschreibt; ist er nicht richtig gewählt, kann kein Stellantrieb eine hochwertige Regelung erzielen. Die Berechnung erfolgt mit einer einzigen Formel: Kvs gleich Q geteilt durch Wurzel aus Δp. Dabei ist Q der Auslegungsvolumenstrom in m³/h und Δp der Druckverlust in bar, den das Ventil in vollständig geöffneter Stellung übernehmen soll.

Schritt-für-Schritt-Beispiel: Ein Fan-Coil-Kreis benötige einen Volumenstrom von 2,4 m³/h, und das Ventil sei so ausgelegt, dass es in vollständig geöffneter Stellung 25 kPa Druckverlust übernimmt. Zuerst wird die Einheit umgerechnet: 25 kPa gleich 0,25 bar. Wurzel aus 0,25 gleich 0,5. Kvs gleich 2,4 geteilt durch 0,5 gleich 4,8 m³/h ergibt sich.

Der zweite Schritt besteht darin, die errechnete Zahl in eine Katalogstufe einzuordnen. Die Kvs-Stufen im Katalog folgen typischerweise der Reihe 0,25 - 0,4 - 0,63 - 1,0 - 1,6 - 2,5 - 4,0 - 6,3 - 10 - 16 - 25. Für den errechneten Wert 4,8 gibt es zwei Nachbarn: 4,0 und 6,3. Die Regel lautet, die erste Stufe unterhalb des errechneten Werts zu wählen; d. h. es wird 4,0 genommen. Ein klein gewähltes Ventil übernimmt einen höheren Druckverlust und erhöht die Autorität; ein groß gewähltes Ventil senkt die Autorität und verschlechtert die Regelung.

Die Auswahl wird überprüft: Bei einem Ventil mit Kvs 4,0 und einem Durchgang von 2,4 m³/h beträgt der tatsächliche Druckverlust Δp gleich Q geteilt durch Kvs, quadriert. 2,4 geteilt durch 4,0 gleich 0,6; im Quadrat 0,36 bar, d. h. 36 kPa. Anstelle der in der Planung vorgesehenen 25 kPa ergeben sich 36 kPa; diese Differenz muss zur Förderhöhe der Pumpe addiert werden. Wäre Kvs 6,3 gewählt worden, hätte der Verlust 2,4 geteilt durch 6,3 gleich 0,381 betragen; im Quadrat 0,145 bar, d. h. nur 14,5 kPa, und die Autorität wäre auf ein kritisches Niveau gesunken.

Das druckunabhängige Regelventil (PICV) ist eine Alternative, die diese Berechnung überflüssig macht. Dank des darin integrierten Differenzdruckreglers halten diese Ventile den eingestellten maximalen Volumenstrom konstant, selbst wenn der Druck im Kreis schwankt; die Auswahl erfolgt statt über den Kvs-Wert direkt über die Volumenstromeinstellung in l/h. Zur Logik des Strangregulierventils und zur Abgrenzung des PICV finden Sie Informationen in unserem entsprechenden Ratgeber. (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?)

Die Ventilautorität ist das Verhältnis des Druckverlusts, den das Regelventil in vollständig geöffneter Stellung übernimmt, zur gesamten veränderlichen Druckdifferenz, die am Ventil anliegt, und wird mit dem Buchstaben β bezeichnet. Formel: β gleich Δp Ventil geteilt durch Δp gesamt. Dabei ist Δp gesamt die Druckdifferenz, die das Ventil im geschlossenen Zustand sehen würde, und sie entspricht in der Praxis dem eigenen Verlust des Ventils plus dem restlichen Verlust des von ihm geregelten Kreises.

Der Zielbereich liegt bei 0,3–0,5. Fällt β unter 0,3, wird die Kennlinie des Ventils verzerrt: In den ersten 20 Prozent des Spindelwegs fließt nahezu der gesamte Volumenstrom, auf den verbleibenden 80 Prozent des Wegs ändert sich so gut wie nichts. In diesem Fall verhält sich selbst ein modulierender Stellantrieb faktisch wie ein Auf-Zu-Antrieb, der Kreis gerät ins Pendeln, und die Raumtemperatur schwankt ständig über und unter den Sollwert. Steigt β dagegen über 0,5, wird die Regelung hervorragend, aber der Ventilverlust wächst, und Förderhöhe der Pumpe und Stromverbrauch steigen.

Schritt-für-Schritt-Berechnung: In einem Kreis verliere das Regelventil in vollständig geöffneter Stellung 25 kPa, das von ihm geregelte Register und die Rohrleitung dagegen 50 kPa. Der gesamte veränderliche Verlust beträgt 25 plus 50 gleich 75 kPa. Es ergibt sich β gleich 25 geteilt durch 75 gleich 0,33. Dieser Wert liegt am unteren Ende des Bereichs, aber noch im akzeptablen Grenzbereich.

Wäre im selben Kreis das Ventil eine Stufe größer gewählt worden, wäre sein Verlust auf 12 kPa gesunken. Dann ergibt sich β gleich 12 geteilt durch 62 gleich 0,19, und der Kreis lässt sich nicht mehr regeln. Wäre das Ventil eine Stufe kleiner gewählt worden, wäre sein Verlust auf 45 kPa gestiegen; β gleich 45 geteilt durch 95 gleich 0,47, die Regelung verbessert sich, aber die Pumpe müsste 20 kPa zusätzlich aufbringen. Der Begriff der Ventilautorität drückt das Gleichgewicht zwischen diesen drei Szenarien in einer einzigen Zahl aus.

Die Ventilkennlinie ist die Form des Zusammenhangs zwischen Spindelstellung und durchfließendem Volumenstrom, und es gibt zwei Grundtypen. Bei der linearen Kennlinie beträgt der Volumenstrom bei 50 Prozent Öffnung der Spindel ebenfalls etwa 50 Prozent. Bei der gleichprozentigen Ventilkennlinie dagegen ändert jeder gleiche Schritt der Spindel den jeweils aktuellen Volumenstrom um denselben Prozentsatz; im Ergebnis steigt der Volumenstrom zu Beginn der Öffnung sehr langsam und am Ende schnell.

Diese Wahl ist keine Laune, sondern eine physikalische Notwendigkeit. Die Wärmeleistung eines Heiz- oder Kühlregisters ist dem Volumenstrom nicht direkt proportional: Bei 20 Prozent des Volumenstroms liefert das Register etwa 50 Prozent seiner Leistung, bei 50 Prozent des Volumenstroms etwa 80 Prozent seiner Leistung. Um diese konkave Leistungskurve zu korrigieren, ist eine entgegengesetzt gekrümmte Ventilkennlinie erforderlich. Das gleichprozentige Ventil tut genau das, und das Produkt beider ergibt eine annähernd lineare Leistungsregelung.

Als Regel gilt: Bei Zweiwege-Regelventilen und bei der Registerregelung wird die gleichprozentige Kennlinie gewählt. Bei Dreiwege-Mischventilen und in Kreisen, die einen konstanten Volumenstrom benötigen, wird die lineare Kennlinie gewählt; denn dort ist das Ziel nicht die Leistung, sondern die Regelung des Verhältnisses der beiden Teilströme. Auch bei Mischgruppen von Fußbodenheizungen wird ein lineares Verhalten bevorzugt.

Das Stellverhältnis (Rangeability) wird gemeinsam mit der Kennlinie gelesen. Dieser Wert ist das Verhältnis des größten zum kleinsten Volumenstrom, den das Ventil regeln kann, und liegt typischerweise zwischen 50:1 und 100:1. Je höher das Verhältnis, desto länger bleibt die Regelung bei niedrigen Lasten erhalten; wird das Verhältnis unterschritten, beginnt das Ventil unvermeidlich im Auf-Zu-Betrieb zu arbeiten. Für Lüftungszentralgeräte und Registerkreise können Sie einen Blick auf unsere Produktgruppe Lüftung werfen. (Details: Lüftung)

Bei Motorventilen liegt die Stärke von Danfoss in Fernwärme, Heizzentralen und druckunabhängiger Strangregulierung. Die Baureihe der Linearantriebe wird mit den Buchstaben AME und AMV kodiert: Die Reihe AME bezeichnet Typen mit integriertem analogem, modulierendem Regler, die Reihe AMV dagegen Typen mit 3-Punkt-Regelung. Auf der Ventilseite sind VB2, VS2 und VM2 Sitzventile kleiner Nennweite, die Reihen VF und VFG Flanschgehäuse mittlerer und großer Nennweite.

• Lineare Stellkraft — Baureihen in der Größenordnung von 400 N im kleinen Bereich, 2000 N im mittleren Bereich und bis zu 5000 N bei großen Flanschventilen
• Typischer Hub — Bereich von 5–15 mm bei kleinen Gehäusen, 20 mm bei mittleren Gehäusen, 40–60 mm bei großen Gehäusen
• Regelungsart — Danfoss AME 435 modulierend 0–10 V, die gleichwertige Variante mit der Kennung AMV mit 3-Punkt-Regelung
• Versorgung — 24 V AC/DC bei modulierenden Typen, bei Auf-Zu- und 3-Punkt-Typen zusätzlich die Option 230 V AC
• Besonderes Merkmal — automatische Hub-Erkennung und die Fähigkeit, den Ventilhub bei der Inbetriebnahme selbst zu messen
• Druckunabhängige Linie — die Baureihe Danfoss AB-QM nimmt die Volumenstromeinstellung prozentual in Stufen am Ventil selbst vor
• Kommunikation — die auf AB-QM aufsetzbare Familie digitaler Stellantriebe liefert Stellungs- und Volumenstromdaten über BACnet MS/TP und Modbus RTU
• Typische Anwendung — Heizzentrale, Wärmeübertragergruppe, Fernwärme-Übergabestation, große Fan-Coil- und Registerkreise

Das Besondere an Danfoss ist, dass Ventil und Stellantrieb als eine einzige hydraulische Lösung konzipiert werden. In der Familie AB-QM vereint das Ventil Abgleich, Regelung und Differenzdruckregler in einem Gehäuse; bei der Inbetriebnahme sind weder Messungen noch Drosselung erforderlich, der Auslegungsvolumenstrom wird am Einstellrad in Prozent eingegeben. Bei Anlagen mit vielen Kreisen verkürzt dies die Zeit für den hydraulischen Abgleich deutlich.

Die Schwäche ist, dass die Baureihe für Klappen und die Luftseite nicht so breit ist wie die für die Heizungsseite. Beim Antrieb von Klappen in Klimazentralgeräten und von Brand- und Rauchschutzklappen ist die Auswahl begrenzter. Außerdem erfordert die Kodierung AME und AMV bei der Bestellung Aufmerksamkeit, da sie für dasselbe Gehäuse zahlreiche Varianten bietet; Regelungsart, Versorgung und Federrücklauf werden durch Kennungen unterschieden, und eine falsche Kennung bedeutet unmittelbar ein falsches Produkt.

Die Ventil- und Stellantriebsfamilie von Siemens trägt den Namen Acvatix, und ihre Stärke liegt in Projekten mit integrierter Gebäudeautomation. Die Linearantriebe werden nach Kraftklasse kodiert: Die Reihe SQS ist für kleine Ventile, die Reihen SAX und SAY für die mittlere Klasse, die Reihen SKD, SKB und SKC für große Flanschventile. Auf der Klappenseite gibt es Drehantriebe, die mit den Buchstaben GDB, GLB und GMA kodiert sind.

• Kleine lineare Klasse — in der Größenordnung von Siemens SQS65 mit 400–500 N Stellkraft und 5,5 mm Hub, passend zu den Ventilgehäusen VVP45 und VXP45
• Mittlere lineare Klasse — in der Größenordnung von Siemens SAX61.03 mit 800 N Stellkraft, 20 mm Hub, 24 V AC Versorgung und 0–10-V-Modulation
• Große lineare Klasse — Gehäuse SKD etwa 1000 N, Gehäuse SKB etwa 2800 N, Gehäuse SKC etwa 4500 N
• Klappenstellantrieb — Drehmoment in der Größenordnung von 5 Nm bei der Klasse GDB, 10 Nm bei der Klasse GLB, 20 Nm bei der Klasse GMA
• Regelungsart — in derselben Gehäusefamilie Varianten mit 3-Punkt, 0–10-V-Modulation und Kommunikation; unterschieden durch die Kennung
• Kommunikation — Optionen KNX, BACnet MS/TP und Modbus RTU, direkt in der Siemens-Automationsplattform Desigo hinterlegt
• Kennlinie — bei vielen Gehäusen werden gleichprozentige und lineare Varianten mit eigenen Produktcodes angeboten
• Typische Anwendung — Gebäudeautomation in Büros und Hotels, Registerregelung in Klimazentralgeräten, Zonengruppen für Heizen und Kühlen

Das Besondere an Siemens ist, dass der Stellantrieb als fertiges Objekt für das Automationssystem geliefert wird. Bei Desigo oder einer ähnlichen Plattform wird der Stellantrieb aus der Bibliothek aufgerufen, die Datenpunkte sind definiert, die Inbetriebnahmezeit verkürzt sich. Außerdem bietet die Baureihe in derselben Kraftklasse mehrere Regelungsarten und Versorgungsoptionen, sodass sich im gesamten Projekt über eine einzige Marke sowohl das kleine Fan-Coil-Ventil als auch das große Zentralgeräteventil lösen lässt.

Die Schwäche ist die unübersichtliche Produktkodierung. Die zweistellige Kennung am Ende derselben Reihe ändert sowohl die Regelungsart als auch den Hub; eine falsch gelesene Kennung bringt statt 20 mm ein Produkt mit 5,5 mm Hub auf die Baustelle. Deshalb ist es zwingend, Ventilgehäuse und Stellantriebscode gemeinsam anhand der Kompatibilitätstabelle zu verifizieren.

Belimo ist eine Marke, die bei Drehantrieben für Klappen und Absperrklappen als Referenz gilt. Das Rückgrat der Baureihe sind die nach Drehmomentklasse mit Buchstaben kodierten Klappenstellantriebe: Die Klasse LM liegt in der Größenordnung von 5 Nm, die Klasse NM von 10 Nm, die Klasse SM von 20 Nm, die Klasse GM von 40 Nm. Die Entsprechungen mit Federrücklauf werden mit den Buchstaben TF, LF, NF und AF unterschieden und decken typischerweise die Klassen 2 Nm, 4 Nm, 10 Nm und 15 Nm ab. Auf der Seite der Linearventile werden die Familien NV und LV, bei großen Ventilen die Familie EV verwendet.

Pomeka Mekanik liefert diese Marke nicht. Das folgende technische Profil wird zu Vergleichszwecken neutral dargestellt; die bei uns geführten gleichwertigen Baureihen sind die Linearantriebe Danfoss AME und AMV, die Baureihen Siemens SQS, SAX und SKD sowie die Familien von Zonenventilen und Stellantrieben von Resideo. Muss man die Entsprechung eines Belimo-Stellantriebs finden, bleibt das Kriterium dasselbe: Stimmen Drehmoment bzw. Kraft, Hub, Schließdruck, Regelungsart und Versorgung überein, ist der Austausch problemlos.

• Drehmomentklassen für Klappen — federlose Typen in der Größenordnung von LM 5 Nm, NM 10 Nm, SM 20 Nm, GM 40 Nm
• Klassen mit Federrücklauf — in der Größenordnung von LF 4 Nm, NF 10 Nm, AF 15 Nm, typische Schließzeit im Bereich 15–25 s
• Modulationskennung — beim Code Belimo LM24A-SR zeigt die Kennung SR die proportionale 0–10-V-Regelung an, die Kennung A die Versorgung mit 24 V AC/DC
• Linearventil-Stellantrieb — Klasse Belimo NV24-MFT mit einer Stellkraft in der Größenordnung von 1000 N und programmierbarer Regelungsschnittstelle
• Kommunikation — herstellerspezifische Busschnittstelle zusammen mit den Optionen BACnet MS/TP und Modbus RTU
• Messende Linie — Gehäuse, die elektronische Volumenstrom- und Energiemessung am Stellantrieb bündeln, sowie druckunabhängige charakterisierte Regelventile
• Besonderes Merkmal — programmierbare Kennlinie, einstellbarer Arbeitsbereich und breite Kompatibilität mit Montageadaptern
• Typische Anwendung — Klappen in Klimazentralgeräten, Antrieb von Absperrklappen, Brand- und Rauchschutzklappen, charakterisierte Regelventile

Die größte Stärke der Belimo-Baureihe sind ihre Breite auf der Luftseite und die einfache Montage. Die Bauform, die direkt per Klemmung auf der Klappenwelle sitzt, macht Zwischenverbindungselemente weitgehend überflüssig und verkürzt die Montagezeit. Weil sich bei programmierbaren Typen Regelbereich, Kennlinie und Laufzeit über eine Schnittstelle ändern lassen, deckt ein einziger Lagerartikel zahlreiche Anwendungen ab. Zur detaillierten Auswahllogik von Belimo-Stellantrieben finden Sie Informationen in unserem eigenen Ratgeber. (Details: Belimo-Stellantrieb auswählen: Ratgeber zu Drehmoment, Spannung und Regelungsart)

Der folgende Vergleich fasst zusammen, wie die drei Marken dieselben Kriterien erfüllen. Die Werte variieren je nach Baureihe und Variante; die genaue Zahl muss stets anhand des aktuellen Herstellerkatalogs verifiziert werden.

• Lineares Stellkraftspektrum, Danfoss — 400 N bis 5000 N, stark bei Heizzentralen und großen Flanschventilen
• Lineares Stellkraftspektrum, Siemens — etwa 400 N bis 4500 N, die größte Variantenzahl bei kleinen und mittleren Nennweiten
• Lineares Stellkraftspektrum, Belimo — etwa 500 N bis 4000 N, auf mittlere Nennweiten konzentriertes Spektrum
• Drehmomentspektrum für Drehantriebe, Danfoss — begrenzte Rotary-Familie in der Größenordnung von 5–15 Nm, Schwerpunkt auf der linearen Seite
• Drehmomentspektrum für Drehantriebe, Siemens — Hauptstufen 5 Nm, 10 Nm und 20 Nm, ausreichend für Klappen- und Mischboxanwendungen
• Drehmomentspektrum für Drehantriebe, Belimo — in engen Stufen von 2 Nm bis 40 Nm, das breiteste Spektrum auf der Luftseite unter den dreien
• Druckunabhängige Lösung — Danfoss AB-QM ausgereift und in der Praxis weit verbreitet, auch bei Siemens und Belimo gibt es Entsprechungen
• Automationsintegration — Siemens mit der eigenen Plattform am reibungslosesten, Danfoss und Belimo binden über Standard-BACnet und Modbus an
• Programmierbarkeit — Belimo bei Kennlinie und Bereichseinstellung am Stellantrieb am flexibelsten, Danfoss stark bei der automatischen Hub-Erkennung
• Eindeutigkeit der Kodierung — bei allen dreien ändern Kennungen die Regelungsart; die Prüfung der Kompatibilitätstabelle vor der Bestellung ist zwingend
• Liefersituation bei Pomeka Mekanik — Danfoss und Siemens gehören zu den geführten Marken, Belimo zählt nicht zu den geführten Marken

Das zweite Ergebnis sind die Kosten einer Markenmischung. Werden in einem Gebäude gleich drei Marken verwendet, verdreifacht sich der Ersatzteilbestand, das Kodiersystem, das der Techniker lernen muss, wächst auf drei, und auf der Automationsseite werden drei getrennte Integrationsschemata geführt. Deshalb lautet das praktische Urteil des Vergleichs häufig: Verwenden Sie für Luftseite und Wasserseite nicht mehr als zwei Marken. Sie können sich unser gesamtes Markensortiment ansehen. (Details: unsere Markenseite)

Die Antwort auf die Frage „Danfoss, Siemens oder Belimo?“ ist je nach Anwendungstyp eindeutig und wird unten als Urteil gegeben. Diese Urteile gelten unter der Annahme, dass in derselben Klasse korrekt dimensioniert wurde.

• Heizzentrale, Wärmeübertragergruppe, Fernwärme-Übergabestation — wählen Sie Danfoss; die Linearbaureihen AME und AMV sowie die Gehäuse VF und VFG stehen im Zentrum dieser Anwendung
• Wenn bei Anlagen mit vielen Fan-Coil- und Registerkreisen der Aufwand für den hydraulischen Abgleich hoch ist — wählen Sie Danfoss AB-QM; die druckunabhängige Bauweise verkürzt die Inbetriebnahmezeit
• Wenn die Gebäudeautomation auf einer einzigen Plattform aufgebaut wird und die Zahl der Datenpunkte hoch ist — wählen Sie Siemens Acvatix; die in der Bibliothek definierte Integration verkürzt die Inbetriebnahmezeit
• Wenn viele Fan-Coil-Ventile kleiner Nennweite in beengte Einbauorte kommen — kompakte Linearantriebe der Klasse Siemens SQS65 sind geeignet
• Wenn die Registerregelung eines Klimazentralgeräts mittlerer Größe, 20 mm Hub und 0–10-V-Modulation gewünscht sind — die Klasse Siemens SAX61.03 ist die unmittelbare Entsprechung
• Wenn der Antrieb von Klappen in Klimazentralgeräten, von Absperrklappen und von Rauchschutzklappen überwiegt — eine Drehantriebsbaureihe wie Belimo LM24A-SR bietet die breiteste Auswahl, Pomeka Mekanik liefert diese Marke jedoch nicht; die bei uns geführten gleichwertigen Klappenstellantriebe sind Siemens GDB, GLB und GMA
• Wenn programmierbare Kennlinie und Einstellung vor Ort Vorrang haben — die Klasse Belimo NV24-MFT ist flexibel; als bei uns geführte Entsprechung liefert Danfoss AME 435 mit automatischer Hub-Erkennung ein ähnliches Ergebnis
• Wenn in Wohngebäuden und kleinen gewerblichen Anlagen eine einfache Zonenregelung gewünscht ist — thermische Auf-Zu-Stellantriebe mit 230 V AC genügen, die fortgeschrittenen Baureihen der drei Marken sind nicht nötig

Der gemeinsame Nenner der Urteile lautet: Die Anwendung wählt die Marke, nicht die Marke die Anwendung. Gibt es in einer Anlage sowohl eine Heizzentrale als auch eine große Luftseite, ist es richtig, mit zwei Marken zu arbeiten; drei Marken auf dasselbe Gebäude zu verteilen, verursacht dagegen auf der Betriebsseite Kosten.