自動的かつ動的なハイドロリックバランシング
循環水加熱システムでは、水を熱の貯蔵・輸送容器として使用します。しかし、実際に必要な水の量はどれくらいなのでしょうか。また、輸送、移送、貯蔵される熱量に対して「適切な」水量を確保するにはどうすればよいのでしょうか。この記事では、サーモスタット式アプローチがこの問題をより簡単に（自動的に）、より良く（動的に）解決できることを示したい。
ハイドロニックバランシングの利点とは？ハイドロニックバランシングの目的は、配水ネットワークの各需要家に「適切な」量の水を供給することです。そうでなければ、消費者に十分な熱が供給されないからです。また、そうでなければ、循環ポンプの仕事量が不釣り合いに増加し、他の消費者への供給に支障をきたす可能性があるからです。さらに、ハイドロニックバランシングには、熱ネットワークの効率を高めるというさらなる課題もあります。低い戻り温度は、潜熱凝縮熱、太陽熱、その他の再生熱源などの低温の熱源を消費者が実際に利用できるようにするための前提条件のひとつだからです。さらに、実際の経験によれば、過剰に高い戻り温度や過剰に高い循環水量を持つシステムは、水力改修後に再生熱源がなくても、消費量が大幅に減少する（場合によっては40%まで）。
同じ課題は、原理的には熱発生器の水力統合にも当てはまる：水量が多すぎると、特にバッファー貯槽に水を入れる際に、流水温度が設定温度に達しないという悪影響が生じます。従って、"適切な "水量は常に できるだけ小さくもちろん、常に 必要な大きさ.しかし、ここで疑問が生じる。 「適量の水 また、どうすれば確実に調整できるのか？
図1：熱を移動させる際、一輪車で砂を運ぶように、水を運搬容器として使用する。砂の輸送量は、一輪車での移動回数と往路と復路の重量差の積によって決まる。
熱力学の§1が常に適用される
循環水加熱システムでは、加熱面によって輸送または移動される熱出力Q_A78、流量V_A78C、および温度差ΔTには、次の簡略化された3つの法則が適用される：
Qꞌ = c - Vꞌ - ΔT
従って、消費者に供給される熱出力Q_A78は、流量V_A78と流量／還流温度差または広がりΔTの積に比例する：
Qꞌ ～ Vꞌ - ΔT（電力消費率）
したがって、たくさんの水を少し冷やす（または温める）ことによっても、少しの水をたくさん冷やす（または温める）ことによっても、同じ量の熱を輸送、移動、貯蔵することができる。
c ≈ 4.2 J/(g-K) = 1 cal
つまり、水1グラム［g］を1ケルビン［K］冷やす（温める）と、4.2ジュールの熱を奪う（加える）ことができる。同じように、1/2gの水を2K、または1/4gの水を4K冷やすことができる。この熱量は「1カロリー」とも呼ばれる。1ワットは、1ジュールの熱量が1秒間に移動または輸送されるときの電力であるため（1W＝1J/s）、上記の電力率は標準単位で次のように書くことができる：
Qꞌ [kW] = 7/6 - V [m³/h] - ΔT [K］2
例えば、定格電力がQꞌの消費者。N = 28kWであり、公称スプレッド∆Tに対してN = 20 K（例えば80/60℃または50/30℃）、公称流量：
VꞌN = 7/6 - 28 kW / 20 K = 1.2 m³/h
今のところ目新しいものはない。
非自動および静的なハイドロニックバランシング...
...は、この消費者を通る流量を、事前に計算された後のこの公称体積流量に調節することである。したがって、「非自動的」とは、個々の公称体積流量をすべて把握していなければ、ハイドロニック・バランシングを実施できないという意味であり、これは改修だけの場合にも軽視できない障害である。しかし、このようにして「正しく」バランシングされた消費者が、部分負荷時に公称出力より少ない消費しかしない場合はどうなるでしょうか？例えば
- 電気式ルームサーモスタットによってファンのスイッチが切られたエアヒーターだから？
- 温水循環の待機損失をカバーするだけの飲料水貯蔵タンクだから？
もし水量Vꞌが減少した出力Qꞌに調整されなければ、Qꞌ～Vꞌ - ∆Tが常に適用されるため、温度差∆Tは減少しなければならない！したがって、「静的」とは、流量V_A78Cが部分負荷の下で伝達される実際の熱出力Q_A78Cに調整されていないことを意味します。
部分荷重といえば
この時点で、2つの大きく異なるタイプの「部分的な負荷」を明確に区別しておきたい：
天候による部分負荷
天候補償部分負荷では、暖房負荷は一般に、建物外皮の熱伝導による外気温と室温の差に比例して増加すると仮定する。そして、外気温が下がるにつれて、暖房曲線を介して流れ温度が上昇する。加熱曲線の急勾配は、外気温が1ケルビン下がると、流量温度が何ケルビン上がるかを示している。したがって、部分的な負荷は、ほぼ一定の水循環で流水温度によって制御される。加熱面の伝達能力は、その平均温度と室温の差にほぼ比例するため、戻り温度は2つ目の、より平坦な加熱曲線に沿い、この曲線は加熱負荷がゼロの時に最初の加熱曲線と交差する。この時、広がりもゼロとなる。したがって、加熱負荷Q_A78は広がりΔTに比例し、水循環V_A78は天候補正された負荷範囲全体にわたってほぼ一定に保たれる：
Qꞌ ~ ∆T | V↪Ll_A78C = const.(図2を参照。
図2：天候補正による部分負荷では、流量はほぼ一定に保たれるが、流量温度は負荷とともに低下する。したがって、平均加熱表面温度も低下するため、戻り温度も、より平坦ではあるが、加熱曲線を描く。
メディア誘導による部分負荷
媒体制御部分負荷の場合、我々は、天候制御された負荷ケース、すなわち、想定されるが固定された外気温と、正しい加熱曲線を介してこれから導き出される十分に寸法化されたが一定でもある流量温度において、目標媒体の温度、例えば室温に設定点／実際の偏差があると仮定する。理想的には、目標温度制御装置が、加熱面を通る流量を絞ります：
Qꞌ ～ Vꞌ｜∆T = const.(フロー制御）
例えば、2配管システムのラジエーターのサーモスタット弁は、タップブロックのバイパスが閉じている場合に機能する。流量制御によるメディア主導の部分負荷の場合、加熱面を通る流量は減少し、広がりは少なくとも一定に保たれる。サーモスタット弁の場合、平均加熱面温度は加熱負荷と共に低下するため、戻り温度さえも低下する。ネットワークは水力的に緩和され、熱効率は向上する（図 3 参照）。
残念なことに 別件流量が一定であれば、熱の消費は抑えられる：
Qꞌ ～∆T｜Vꞌ = const.(戻り温度によるデルタT制御）
図3：例えば、室温が高すぎるときにサーモスタット弁が2管式ネットワークのラジエーターを通る流れを絞った場合、平均暖房表面温度は伝達された電力によって下がり、戻り温度も下がるため、広がりはさらに大きくなる。そのため、ネットワークは水力的（水の循環）と熱的（戻り温度）に緩和されます。
これは例えば、空気加熱コイルのファン が電気式ルームサーモスタットによってオフにされ た場合や、単管式ラジエータトレインで起こる：このとき、広がりΔTは熱出力Q_A78Cとともに低下しなければならず、つまり、流量温度が一定であれば戻り温度は上昇することになる。ネットワークは水力的に緩和されず、熱効率は低下する（図4参照）。
図4：一方、空気ヒーターや単管式暖房ラインなどのように、流量を下げることなく送電量を減らした場合、送電量に応じて広がりが小さくなるだけなので、戻り温度は上昇する。そのため、ネットワークは水力的に緩和されず（水の循環）、熱効率が低下する（戻り温度が上昇する）。
個々の加熱面にどのような影響がありますか？
ほとんどすべての加熱面には、対象となる媒体の温度を調節するための個別のコントローラーがある：
- AHU：三方混合器の連続開閉III残念なことに、通常はその前にあるスイッチによって切り離されるI
- 空気加熱コイル：ルームサーモスタットがファンのオン/オフを切り替えるI
- 輻射天井パネル：ルームサーモスタットがゾーンバルブを完全に開閉するII
- ラジエーター/2パイプシステム：サーモスタットバルブが連続的に流量を絞るIII
- ラジエーター/1パイプシステム：すべてのバイパスはオープンのままI
- 床暖房：サーモスタットバルブ全開/全閉II
- 飲料水貯蔵タンク：チャージポンプのオン／オフII
- プール水：ゾーンバルブの完全開閉II
以下の3つのケースに分けられる：
(I) 流量は、部分負荷の全範囲にわたって一定である（流量制御を全く行わない）。
(II) 流量は、部分負荷がゼロを超えると一定に保たれる（2点流量制御のオン／オフ）。
(III) 流量は、部分負荷範囲全体にわたって制御される（連続流量制御 0-100%）。明らかに、ケースIは最悪であり、ケースIIは2番目に悪く、ケースIIIのみが、供給の安全性と水力・熱供給網の効率を最大化するという望ましい目標に対する最適解である。
2点制御と熱効率
二点制御の本質は、熱伝達のオンとオフを完全に切り替えることであるため、熱伝達時間を制限することでしか熱伝達を抑えることはできない。つまり
- 期間中 スイッチオフ・フェーズ 加熱面には流れがないため、戻り温度には寄与しない。
- 期間中 スイッチオン・フェーズ 熱伝達は限られた範囲内で行われる必要があるため、より高い比表面電力（加熱面または熱交換器の単位面積当たりの電力）で行われ、その結果、表面温度が高くなり、流量と戻り温度が高くなる。
したがって2点制御は、熱的快適性（新築の建物では床面が冷たいとよく批判されることがある）の点で比例制御や連続制御に劣るだけでなく、少ない暖房面をより効率的に使うことができる。
自動的で動的なハイドロニックバランシング
サーモスタット式発熱体を加熱面の戻り流に設置する場合 戻り温度リミッター（RTB） 自動制御弁として、戻り温度に応じて流量を絞る、この自動制御弁は、2つの最悪のケースIとIIに関連する戻り温度の上昇により、加熱面を通る流量が減少し、その結果、戻り温度の上昇が補償される。これは、公称状態での全負荷時に "自動的に"、すなわち公称体積流量を知ることなく、また、媒体誘導部分負荷時に "動的に"、すなわち対象媒体の温度に応じて発生する。このようなことは、改修の場合にはしばしば不可能であり、この目的のために施工業者に手渡されるコンピュータ計算された数値の絨毯を時折見れば、新築の建物における完全な配管網の計算でさえ、かなりスポーツ的な作業である。
特にピーク負荷ボイラーにも同じことが言える。
例えば、ピーク負荷ボイラーが、通常より弱い回生熱発電機のために予約されているバッファーの全体を直ちに充電することなく、バッファーの貯蔵タンクの上部ゾーンを最低温度に維持する場合、当然ながら、少なくともこの温度（輸送損失とヒステリシスのための追加料金）でバッファーを供給しなければならない。しかし、特に次のような場合、どのようにしてこれを確保できるのだろうか。
- 戻り温度と
- 変調パワー
ピーク負荷ボイラーの？唯一の解決策は、ボイラー流量の温度を測定し、それに基づいてボイラー流量を調整することです。このような弁を、熱消費弁とは異なり、温度が上昇すると開かなければならない流量温度リミッター（VTB）と呼んでいる。
ルールの質についてはどうか？
これらの戻り温度リミッタ（RTB）と供給温度リミッタ（VTB）には、流量がゼロにならないように、公称流量の1％のオーダーの最小流量（MUL）を装備するのが有利であることがわかりました。そうでなければ、負荷の急激な低下後のオーバーシュート（例えば、上述のように空気加熱コイルのファンモーターのスイッチが切られた場合）において、水の静止により、戻り温度センサーが加熱面の実際の熱消費から切り離される危険性があり、これは、その間に新たな負荷要求が発生した場合に、戻り温度リミッター（RTB）が開かないか、開くのが遅すぎることを意味する。特にファンで作動する暖房面では、関連するウォームスタートは快適性の要件であるだけでなく、霜が降りた場合に外気が供給される場合の運転上の安全要件でもある。
もちろん、制御の質は、いつものように、本質的に温度測定の質に依存する。したがって 加熱面の出口に近いセンサー (デッドタイムを最短に！）、特に補助電源のないコントローラーでは浸漬センサーとして使用できます。 完全に温水に囲まれている つまり、適切な作業準備が不可欠である。さらに、ネットワークの個々の並列配管も同様に校正する必要があります。すなわち、各空調システム、各空気加熱コイル、各放熱器単管配管、各パネル加熱ループ、各飲料水貯蔵タンク、各プール水熱交換器です。
ヒーティングカーブとの関連はどうなっていますか？
戻り温度リミッタ（RTB）を使用すると、設計ケースと比較して、戻り温度の加熱曲線が平坦になり、その結果、天候補償部分負荷の制御範囲における平均加熱表面温度も平坦になる。これは、対応する流量温度の上昇または加熱曲線の急峻さによって補正されなければならない。図5を参照されたい。
図5：暖房面が、天候補正暖房カーブの戻り温度リミッター（RTL）で運転されている場合、戻り温度は一定である。しかし、加熱面出力は同じ平均加熱面温度でしか維持できないため、流量温度を上げなければならない。スプレッドが高いため、出力はかなり低い流量とかなり低い戻り温度で伝達される。流量が天候補正負荷範囲全体にわたってほぼ一定であるという条件は維持され、これはスプレッドが天候補正負荷に比例して増減するという事実によって認識することができる。
これは自己調整効果にとってどのような意味を持つのだろうか？
表1の*印の床暖房システムでは、RTBによって制御される戻り温度は実質的に室温となる。その結果、床暖房のいわゆる自己調整効果が高まる。自己調整効果」とは、床暖房システムの平均加熱面温度が室温より数ケルビン高いだけであることを指す。例えば、新築の建物（設計：35/28 °C）で、50台の1TP3タイガーによる部分負荷（28/24 °C）がある場合、これは26 °Cであり、室温20 °Cより6 K高くなります。室温が1 K上昇して21 °Cになると、この温度差は1 K減少して5 Kになる。しかし、この温度差は暖房面から放出される熱出力にほぼ比例するため、室温の上昇は熱供給の減少によって補われる。
しかし、すでに説明したように、流量が一定で熱出力が減少した加熱面は、戻り温度の上昇、したがって平均加熱面温度の上昇に反応する。したがって、RTBなしの静的ハイドロニックバランシングでは、自己調整効果は部分的に共食いする。一方、RTBを使用した動的バランシングの場合、戻り温度の上昇は流量の減少によって相殺されるため、自己調整効果は完全に有効であることを意味する（図6参照）。
図6：表面および床暖房システムでは、戻り温度を室温に非常に近づけることができるため、自己調整効果がサポートされ、戻り温度リミッタ（RTB）によって、EnEVの意味での「室温を部屋ごとに自動制御する装置」を実現することができる。しかし、連続的なコントローラーとして、戻り温度リミッター（RTB）は、快適性と効率の点で、2点式コントローラーより優れている。
EnEVは具体的に何を要求しているのか？
EnEV第14条(2)によれば、「水を熱媒体とする暖房システムは、...建物に設置される場合、室温を部屋ごとに制御する自動装置を備えなければならない」。従って、設定温度を室内で入力しなければならないとは規定されていない。床暖房システム用の個々のルームコントローラーの多くは2点式コントローラーを装備しているため、連続的に作動するRTBによる室温制御の方が熱効率の観点から優れていることは前述の通りである。リビングルームと寝室を兼用する場合のみ、通常の個別室温調節器にスイッチオフ機能を追加した方が有利です。
BAFAとKfWのコメントは？
5.エネルギー効率の高い改修-融資（151/152）」、「エネルギー効率の高い改修投資助成金（430）」、「エネルギー効率の高い建設（153）」に関するKfWの「インフォメーションシートの附属書」の25「革新的技術のための開放条項」には、次のように記載されている。"エネルギー評価において、技術システム構成部品が、公認の技術規則またはEnEV第9条（2）第2項半文3に従って公表された信頼できる経験値が利用できない住宅用建築物に使用される場合、同等またはそれ以下のエネルギー特性を有する構成部品をこの目的に使用することができる。この目的のために使用可能な構成部品」とは、EnEV計算基準に記載されている非自動及び静的ハイドロニックバランシングの従来の方法及び構成部品を指す。
そのため、革新的な技術は同等かそれ以上のものでなければならない。サーモスタット式還流温度リミッターは、暖房回路の自動的かつ動的な水力バランシングとして、それを主張することができる。このため、RTB（VTB）の設置と正しい設定には、BAFAとKfWの両方から補助金が出る。
図8：還気温度リミッター（RTB）を設置することで、全負荷時（ファン回転数全開）、部分負荷時（ファン回転数低下）、およびファン停止時の両方で、エアヒーターの流量が自動的に調整されます。最小循環量を固定したサーモスタット制御機能により、ウォームスタートと防霜が保証されます。
エネルギーのバランスに関する最後のコメント
制御エネルギーとは、制御弁を開閉するのに必要な機械的仕事である。大規模システムにおいては、電気的補助エネルギーによって、すなわち電気アクチュエータによって供給されることが多い。特に小規模なシステムでは、多数の制御弁が補助エネルギーなしでハイドロニックバランシングに使用されます。しかし、これは追加のエネルギー供給を必要としないという意味であって、機能するためにエネルギーを必要としないという意味ではない。しかし、機能するために必要なエネルギーはどこから供給されるのでしょうか？
油圧駆動バルブ
使用されるバランシングバルブは、差圧または流量のいずれかを一定に保つように設計されています。ほとんどの場合、バルブアクチュエータの機械的なストロークは、油圧ネットワーク自体の差圧からダイヤフラムを介して生成されます。レギュレーターが機能するためには、最小の圧力降下-通常は約2mWS-を確保する必要があり、これは循環ポンプの追加作業を意味する。
熱作動弁
一方、熱作動弁では、この仕事は温度センサーが満たされた媒体の膨張または気化に起因する。従って、制御エネルギーは熱の形で加熱水から取り出されるため、上述したように、センサーの熱接続の質がここで特別な役割を果たす。しかし、設置時にこの課題が解決されれば、そのようなバルブは、残りの耐用年数の間、追加の最小圧力降下を必要とせず、従って、「フローノイズ」の問題は言うに及ばず、循環ポンプによる追加作業も必要としない。従って、サーモスタットで平衡されたネットワークは、油圧で平衡されたネットワークよりもかなり低い差圧で運転することができ、従って循環ポンプの油圧作業負荷もかなり低いという結論に達することができる。
概要
サーモスタット式戻り温度リミッターの設置
- 自動ハイドロニック・バランシングが可能になる。
- メディア主導の部分負荷にダイナミックに適応することで、サーマルネットワークの効率を高める。
- 差圧駆動のバランシングバルブを操作するための追加のポンプ作業からネットワークを解放します。
- 床暖房と併用し、各部屋のコントロールとして使用可能（スイッチオフ機能なし
- は、BAFAとKfWによって少なくとも同等であると認められ、推進されている。
- はすでに何千回も試され、テストされている。
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