Einsatz von Differenzdruckunabhängigen Regelventilen in CW-Geräten

An anderer Stelle (im Blog "CW-Standby-Management") ist schon die Rede davon gewesen, dass zur Kühlung von größeren Rechenzentren zumeist auf Kaltwassersysteme mit zentraler Kaltwasserversorgung und sogenannte Umluftklimageräte in CW-Ausführung (CW = Chilled Water = Kaltwasser) zurückgegriffen wird. Die Gründe dafür liegen zumeist in der guten Skalierbarkeit und einer vergleichsweise einfachen Hydraulik.

Neben dem Kaltwasserwärmetauscher und den Ventilatoren ist das Kaltwasser-Regelventil die weitere mechanische Hauptkomponente eines Umluftklimageräts in CW-Ausführung. Je nach hydraulischem System und eingesetzter Pumpenart (drehzahlgeregelt oder mit konstanter Drehzahl) sind in der Vergangenheit entweder 3-Wege- oder 2-Wege-Regelventile zum Einsatz gekommen. Seit einiger Zeit werden jedoch auch häufiger sogenannte "Druckunabhängige" oder "Differenzdruckunabhängige" 2-Wege-Regelventile oder -kugelhähne eingesetzt.

Um die Funktionsweise und Vorteile dieses Differenzdruckunabhängigen Regelventils besser zu verstehen, müssen wir uns kurz ein paar hydraulische Grundlagen in Erinnerung rufen:

Ein Regelventil stellt sicher, dass ein Wärmetauscher immer mit der korrekten Wassermenge für den aktuellen Betriebspunkt oder Kühlbedarf (Volllast oder Teillast) versorgt wird. Die zugehörige Ventilstellung bzw. der Ventilöffnungsgrad wird über ein externes Regelsignal vorgegeben.
Die Ventilgröße (Stichworte: kvs-Wert, Ventilautorität) muss in Abhängigkeit der benötigten Wassermenge (Volllastbetrieb) sowie des wasserseitigen Druckverlustes über den Wärmetauscher ausgelegt werden.
Der aus der Ventilberechnung resultierende Druckverlust über das Regelventil wird auch als "Differenzdruck" bezeichnet. Dieser Differenzdruck und der Druckverlust des Wärmetauschers müssen korrekt aufeinander abgestimmt sein:
- Differenzdruck zu klein (= Ventil zu groß): Ventil arbeitet nur in einem kleinen Hubbereich, Beeinträchtigung der Regelgüte sowie instabiles Regelverhalten (Schwingungen) möglich
- Differenzdruck zu groß (= Ventil zu klein): starke Geräuschentwicklung und Kavitation möglich, Verbrauch von unnötiger Pumpenenergie
In jedem hydraulischen System variieren die Druckverhältnisse über die Ventile, Wärmetauscher und Rohrleitungen je nach Netzart, Einbauort und Entfernung zur Pumpe sowie in Abhängigkeit von den Lastbedingungen.
Ausschlaggebend für die Größe und Einstellung der Pumpe ist die Sicherstellung, dass dem letzten Verbraucher im System immer die erforderliche Volllast-Wassermenge zur Verfügung gestellt wird und dass der zugehörige Differenzdruck überwunden werden kann.
Je dichter ein Verbraucher (z. B. ein CW-Umluftklimagerät) an der Pumpe liegt, desto mehr Volumenstrom stellt sich ein, und ohne einen sogenannten "Hydraulischen Abgleich" steigt auch der Differenzdruck über das Regelventil dieses Verbrauchers an. Ein Hydraulischer Abgleich stellt somit sicher, dass jeder Verbraucher im System immer die erforderliche Wassermenge erhält und das Wasser nicht den Weg des geringsten Widerstands nimmt.

Wie kommt hier nun das Differenzdruckunabhängige Regelventil ins Spiel?

Ein modernes elektronisches Druckunabhängiges Regelventil vereint prinzipiell immer 4 Funktionen in einer Ventileinheit – Druckunabhängige Regelung, Messung des Wasservolumenstroms, Absperrfunktion sowie Automatischer Hydraulischer Abgleich. Dies wird über die Komponenten Regelkugelhahn, Ventilantrieb und Volumenstromsensor sichergestellt.

Das bedeutet, dass bei einem "druckunabhängigen" oder "differenzdruckunabhängigen" Regelventil als Sollwert immer der benötigte Volllast-Wasservolumenstrom eingestellt wird. Da der aktuelle Durchfluss permanent gemessen wird, passt das Ventil in Abhängigkeit von der Last die benötigte Wassermenge an, und der Druckverlust des Ventils (Differenzdruck) ist dann das Ergebnis des Volumenstroms und nicht über eine Ventilgröße oder den kvs-Wert definiert. Eine Differenz zwischen eingestelltem Sollwert und dem aktuellen Durchfluss durch eine Änderung des Differenzdrucks wird somit über den Öffnungswinkel des Regelkugelhahns vollautomatisch ausgeglichen.

"Unabhängig vom Differenzdruck" bedeutet somit, dass dem Verbraucher immer die korrekte Wassermenge zur Verfügung gestellt wird und dass die Regelgüte nicht von der Position des Ventils im Hydraulischen System und den vorherrschenden Druckverhältnissen abhängig ist.

Vorteile eines Differenzdruckunabhängigen Regelventils

1. Planung/Ausführung:

Einfache und schnelle Ventilauslegung nur anhand der benötigten Wassermenge – kvs-Werte, Ventilautorität und unterschiedliche Differenzdrücke sind prinzipiell vernachlässigbar
Keine Abgleichdrosseln und/oder Strangregulierventile notwendig – geringere Investitionskosten und Installationskosten

2. Inbetriebnahme/Betrieb:

Keine Abgleichdrosseln und/oder Strangregulierventile notwendig – dadurch geringere wasserseitige Druckverluste und damit Verringerung der Pumpenleistung möglich
Kein langwieriger und personalintensiver Hydraulischer Abgleich notwendig – das differenzdruckunabhängige Regelventil übernimmt den Hydraulischen Abgleich, einfaches Einstellen der benötigten Wassermenge
Stabile und präzise Regelung bei allen Lastzuständen durch die fest definierte Wassermenge und zwar unabhängig vom gewählten Hydraulischen System
Flexibel einstellbare Wassermenge bei Erweiterungen, Umbauten und/oder Modernisierungen
Auslesbarkeit der Wassermenge – weiterführende Auswertungen (z. B. Kühlleistung) möglich

Der Einsatz von sogenannten Differenzdruckunabhängigen Regelventilen ist demnach in den meisten Fällen sinnvoll, da Investitions- und Betriebskosten reduziert werden können und eine stabile Regelung unabhängig vom gewählten Hydraulischen System und von den Lastbedingungen gewährleistet wird.

About the author

Norbert Wenk ist Leiter Produktmanagement. Er kam 1999 im Anschluss an sein Maschinenbau-Studium zu STULZ. Zu Beginn seiner Laufbahn bei STULZ arbeitete er in der Abteilung für Forschung und Entwicklung. Später wechselte er zur Abteilung Vertrieb Export und war dort als Area Sales Manager tätig. Inzwischen kann er auf über 20 Jahre Erfahrung im Bereich der Klimatisierung von Rechenzentren zurückblicken.