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Heizung

Biomasse Heizung

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Kraft/Wärme-kopplung

Hybride Systeme

Hydraulischer Abgleich

Heizung-Allgemein: Auf dieser Seite

Energiesparen durch Heizungsoptimierung

Kleine Sofortmaßnahmen

Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, die unabhängig von der eingesetzten Heizungstechnik immer beachtenswert und nützlich sind:

  • Die Verluste im Heizsystem sind abhängig von den Systemtemperaturen. Niedrige Systemtemperaturen = niedrige Verluste.
  • niedrige Vorlauftemperaturen (Flächenheizungen -> Fußboden, Wand, Decke). Eine um  1oC geringere Vorlauftemperatur bringt etwa 1,5% Energieersparnis
  • Dem Bedarf angepasste Kesseltemperaturen (Witterungsgeführte Regelung, modulierende Erzeuger)
  • Niedrige Raumtemperaturen (Senkung um 1oC bringt ~ 6% Energieeinsparung)
  • Raumweise Temperaturregelung (nicht jeder Raum braucht die gleiche Temperatur), Bedarfs gesteuerte Raumtemperatur Regelung
  • Nachtabsenkung der Raumtemperatur: Ersparnis ~6%. Bei Fußbodenheizungen (grosse Puffermasse), Wärmepumpen (Nachtstrom Nutzung ohne Pufferspeicher) und stark gedämmten Häusern ist eine Nachtabsenkung nicht unbedingt sinnvoll bzw. bringt nichts.
  • Maßnahmen an der Wärmeverteilung und Übergabe:
  • Zugängliche Verteilleitungen dämmen (insbesondere im unbeheizten Bereich)
  • Ersatz alter Thermostatventile (älter als 15 Jahre) oder erstmaliger Einbau; Thermostatventile mit Zeitsteuerung
  • Hydraulischer Abgleich der Anlage immer dann, wenn sich wesentliche Auslegungsparameter geändert haben. Dieses sind z.B. reduzierter Energiebedarf nach Dämm-Maßnahmen, veränderte Raumtemperaturen, Um- Anbauten, neuer Heizkessel ...
  • Austausch alter ungeregelter Umwälzpumpen
  • Nach Baulichen Veränderungen (Dämmung, geänderter Raumschnitt, Erweiterung, Rückbau....) sollte der neue Wärmebedarf ermittelt und die Heizanlage entsprechend abgestimmt werden incl. hydraulischem Abgleich s.o..

Theoretisch ergeben sich für die nachfolgend beschriebenen Veränderungen der Anlagenparameter nach den Berechnungsalgorithmen der VDI 3808 folgende Energieverbrauchsänderungen:

  • Raumtemperatur: ca. 6% höhere Wärmeverluste je Kelvin Raumtemperatur Erhöhung
  • Abgasverlust: 1,2% höhere Abgasverluste je 20 Kelvin Erhöhung der Abgastemperatur
  • Strahlungsverluste: 0,25 % Erhöhung der Strahlungsverluste je 10 Kelvin Kesseltemperaturerhöhung
  • Verteilungsverluste: 1,5 % Erhöhung der Verteilungsverluste je 10 Kelvin Erhöhung der mittleren Heizwassertemperatur im Rohrnetz.
  • Mit den beschriebenen Verlustfaktoren ist ein Energieeinsparpotential durch den hydraulischen Abgleich von ca. 5 bis 15 % bezogen auf die gesamte Wärmeerzeugungsanlage und Wärmeverteilungsanlage möglich

Alle diese Maßnahmen amortisieren sich kurzzeitig bei überschaubarem Aufwand.

Systematischer Ansatz

Situation im Bestand

Nachdem erstmals  im Neubaustadium eines Gebäudes eine abgestimmte Haustechnik installiert wurde, gibt es im  Folgenden immer wieder Zeitpunkte oder Ereignisse, die es erforderlich machen sich mit der bestehenden Anlagentechnik (hier insbesondere Heizung, Lüftung und Warmwasserbereitung) des Gebäudes zu beschäftigen. Solche Anlässe können sein:

  • Defekte an Anlagenkomponeneten

Diese Ereignisse verlangen zumeist kurzfristiges Eingreifen und lassen in der Regel wenig Zeit zu einer etwas differenzierteren Betrachtung alternativer Möglichkeiten

  • Erweiterung / Rückbau des Gebäudes
  • Wärmebedarf reduzierende Maßnahmen an der Gebäudehülle

Einhergehend mit diesen Maßnahmen muss immer auch die Anlagentechnik betrachtet werden. Untätigkeit in diesem Kontext kann zu Komforteinschränkung und Energieverschwendung führen. Es ist zumindest eine Neuabstimmung der Anlage erforderlich.

  • Ende der Lebensdauer oder Nichteinhaltung strenger gewordener gesetzlicher Vorgaben.
  • Energiepreissteigerungen
  • Verfügbarkeit neuer effizienter Technik

Diese Punkte betreffen jede Anlagentechnik im Altbau die schon einige Jahre hinter sich hat. Hier stellt sich weniger die Frage ob die Anlage noch klaglos ihre Funktion erfüllt, sondern ob man sich die alte Technik noch leisten kann, bzw. darf.

Hier ist eine breite vorausschauende Planung unter Einbezug aller heute möglichen Techniken angeraten. Neue Technik kann zu  erheblichen Kostensenkungen und Komforterhöhungen führen, die sich unter Umständen schon in wenigen Jahren rentieren. Auch das Thema Klimaschutz kann dann angemessen berücksichtigt werden (Einsatz erneuerbarer Energien).

Generelles Vorgehen

Um die Auswirkungen von Veränderungen am Gebäude oder an Komponenten der Heizungsanlage beurteilen zu können, ist in der Regel eine Neuberechnung der Heizunganlage erforderlich

Auslegung und Berechnung einer Heizungsanlage vollzieht sich generell in folgenden Schritten:

Diese Schritte sind nach einer Änderung erneut zu prüfen und die Anlage ist ggf. neu anzupassen.

Grundlagen

Internationales Einheitensystem (SI)

Basiseinheiten

Daraus abgeleitete Einheiten

Basisgrößen

Abkür-zung

Basis-einheiten

Symbol

weitere erlaubte Einheiten

Länge

l

Meter

m

mm, cm, dm, km

Masse

m

Kilogramm

kg

g

Zeit

t

Sekunde

s

min, h (Stunde), d (Tag),a (Jahr)

Stomstärke

I

Ampere

A

 

Temperatur

T

Kelvin

K

oC

Lichtstärke

lV

Candela

cd

 

Stoffmenge

n

Mol

mol

 

Abgeleitete Größen

Basis-einheiten

Abkür-zung

Ableitungen

Frequenz

Hertz

Hz

1/s

Kraft

Newton

N

J/m, m*kg/s2

Druck

Pascal

Pa

N/m2, kg/m*s2

Energie, Arbeit, Wärmemenge

Joule

J

N*m, Ws, m2*kg/s2

Leistung

Watt

W

J/s, V*A,  m2*kg/s3

Umrechnung von Größen

Umrechnung von Drücken

Umrechnung von Energie, Arbeit, Wärmemenge

bar

mbar=hPa

kPa

mWS

kg/cm2

1 bar

1

1.000

100

10,1972

1,01972

1 mbar = 1 hPA

0,001

1

0,1

0,0102

0,00102

1 kPa

0,01

10

1

0,10197

0,0102

1 mWS

0,09807

98,0665

9,80665

1

0,1

1 kg/cm2

0,98067

980,665

98,0665

10

1

 

J=Ws

kJ

MJ

Wh

kWh

kcal

1 J = Ws

1

0,001

0,000 001

0,000 278

277,8 *10-9

0,000 239

1 kJ

1 000

1

0,001

0,277 8

277,8 *10-6

0,238 8

1 Mj

1 000 000

1 000

1

277 ,8

0,277 8

238 ,8

1 Wh

3 600

3,6

0,003 6

1

0,001

0,86

1 kWh

3 600 000

3 600

3,6

1 000

1

860

1 kcal

4 186,8

4,187

0,004 19

1,163

0,001 163

1

mWS= Meter Wassersäule, mbar = Millibar, hPa = HektoPascal, kPa = KiloPascal. Bei Systemdrücken in der Heiztechnik wird meist mit bar gearbeitet, bei Druckverlusten im Rohrnetz und in der Lüftungstechnik kommt vorwiegend Pascal zur Anwendung.

J = Joule, Ws = Wattsekunde, Wh = Wattstunde, kWh = Kilowattstunde, kcal = Kilocalorie.

In der Heizungstechnik wird für Wärmemengen in der Regel kWh und für die Leistung kW  (z.B. Kesselleistung) oder W (z.B. Heizkörper) verwendet.

Primäre Energieformen

Die zur Wärme Erzeugung erforderliche primäre Energie kann fossilen Ursprungs sein (Erdgas, Erdöl, Kohle) oder erneuerbar (Sonne, Erdwärme, Biomasse). Eine Sonderstellung nimmt die Atomenergie ein, sie ist nicht erneuerbar (Metall Uran) aber auch nicht fossilen Ursprungs.

Unter “Erneuerbaren Energien” werden zwei doch recht unterschiedliche Gruppen zusammengefasst: Energien aus nachwachsenden Rohstoffen (Biomasse) und die, zumindest über  menschliche Zeitspannen , unerschöpflichen Energiequellen (Sonne, Erdwärme).

Erstere ist nur erneuerbar, wenn man das Erneuern auch tatsächlich macht.

erneuerbar

erneuerbar, kostenlos und unerschöpflich

Biomasse und aus Biomasse hergestellte Energieträger:

  • Holz
  • Biosprit
  • Biogas

Biomasse muss käuflich erworben werden und unterliegt den Regeln von Angebot und Nachfrage. Biomasse dient als Grundlage für eine Vielzahl von Produkten (incl. Lebensmitteln). So konkurriert z.B.: die Produktion von Pellets mit der von Spanplatten.

Der Anteil biogener  Festbrennstoffe am Energieverbrauch für Wärme in Deutschland beträgt in 2012  7,5%. Das geschätzte nutzbare Potential ist etwa doppelt so gross. D.h. biogene Festbrennstoffe (Holz) werden in absehbarer Zukunft möglicherweise eine  knappe Resource. Quelle: BMU

    Sonne und Erde liefern Ihre Energie kostenlos. Sie ist nicht nur unerschöpflich, sie wird auch in überreicher Menge angeboten.

    Erst ca. ein Zehntel des in der BRD für Wärmeerzeugung verfügbaren Potentials ist derzeit genutzt. (Wärmepumpen nicht eingeschlossen) Quelle: BMU

Heizöl

Erdgas

Heizöl EL nach DIN 51603-1): Heizöl EL wird in verschiedenen Qualitätsstufen geliefert:

  • Heizöl EL Standard: Schwefelgehalt  >50 max. 1000 mg/kg geeignet für alle Ölheizungen. Bei Verwendung (sofern vom Kessel-Hersteller zugelassen) in Brennwertkesseln  ist Kondensat Neutralisierung erforderlich.
  • Heizöl EL Schwefelarm: Schwefelgehalt max. 50 mg/kg. Ist weitgehend geruchsneutral und verbrennt nahezu rückstandsfrei. Sollte für Brennwertkessel verwendet werden. Bei Anlagen unter 200kW ist eine Kondensat Neutralisierung nicht erforderlich. Die Mineralölsteuer ist um 1,5 Cent geringer als bei EL Standard. Öl-Brennwertheizungen, die mit schwefelarmem Heizöl betrieben werden, müssen nur noch alle 2 Jahre geprüft werden.
  • Heizöl EL Premium (Handelsname ,auch  Zusatz Super gebräuchlich) : Ist Heizöl EL Standard mit Zusätzen zur Verbessrung des Geruchs, der Lagerstabilität und möglicherweise einer noch saubereren Verbrennung.

Erdgas: Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Der Methananteil liegt abhängig von der Fundstätte zwischen 75 % und 99 %. Je höher der Methananteil je höher der Heiz- / Brennwert des Erdgases

  • Erdgas H / L: Bezeichnung  für die in Deutschland in der öffentlichen Gasversorgung zur Verteilung kommenden Gase (H wie high für ein höher kaloriges Gas, L wie low für eine niederkalorigere Variante).
  • Erdgas E / LL: Mit Einführung einer Europa weiten Normierung (EN 437) wurden die Gruppen E und LL definiert (diese sind auch die Grundlage für eine CE Zertifizierung von Gas-Kesseln). Dabei umfasst E (Europa) sowohl den deutschen H-Gas-Bereich, aber auch einige vergleichbare Fälle im europäischen Ausland, sodass ein für E-Gas zugelassenes Gerät europaweit einsetzbar ist. LL (low low, besonders niederkalorig) Ein Gerät dieser Bauart kann in Gebieten mit L-Gas und darüber hinaus auch in Gebieten mit Gas von besonders niedrigem Methangehalt eingesetzt werden.

Begriffe

  • Heizlast : Eine Heizungsanlage muss auch am kältesten Tag des Jahres  die Beheizung eines Gebäudes für die gewünschte Innentemperatur und die geplante Warmwassermenge sicherstellen. Hierfür muss die Anlage eine bestimmte maximale Leistung (kW, Kilowatt) erbringen. Diese Leistung wird als Heizlast bezeichnet. Eine Heizlastberechnung wird für das gesamte Gebäude benötigt (Auswahl der Kesselgröße) und für jeden einzelnen zu beheizenden Raum (Dimensionierung der Heizflächen pro Raum). Die Summe der Raumheizlasten entspricht der Gebäudeheizlast (ohne Brauchwasser und evtl. geplanten Reserven). Die Höhe der Heizlast ist im Wesentlichen abhängig von:
  • Heizwärmebedarf: Die Heizung läuft nicht während des ganzen Jahres mit der Höchstleistung. Je nach Außentemperatur wird mehr oder weniger Energie benötigt. Der über ein Jahr aufsummierte Bedarf ist der Heizwärmebedarf (kWh, Kilowattstunden). Der Heizwärmebedarf ist im Wesentlichen abhängig von:
    • Der Qualität der Gebäudehülle (Transmissionsverluste, Lüftungsverluste)
    • Dem Wetter (Außentemperaturen während des Jahres)
    • Dem Warmwasser Bedarf
    • Dem Nutzerverhalten
  • Vorlauftemperatur: Dies ist die Temperatur auf die die Heizungsanlage das Heizwasser erwärmt und zu den Heizflächen schickt.
  • Rücklauftemperatur: Dies ist die Temperatur mit der das  Heizwasser nach Wärmeabgabe an den Raum zum Heizkessel zurückfließt.
  • Spreizung: Die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur wird als Spreizung bezeichnet.
  • Volumenstrom/Massenstrom: Ist die Wassermenge die einem Heizkörper zur Erreichung  der Heizleistung zugeführt werden muss in l/h (Volumenstrom) oder kg/h (Massenstrom). Das Volumen von 1 l Wasser entspricht  genau 1 kg Wasser bei seiner höchsten Dichte (ca. +4°C unter Normaldruck). Die Masse und damit der Massenstrom  sind unabhängig von Druck und Temperatur.
  • Heizgrenztemperatur: Die Heizgrenztemperatur  ist die Tagesmitteltemperatur, ab der ein Gebäude nicht mehr beheizt werden muss. Tage an denen die Tagesmitteltemperatur unter der Heizgrenztemperatur liegt, gelten als Heiztage. Der Wert für die Heizgrenztemperatur ist  im wesentlichen abhängig vom Dämmstandard und der “Schwere” des Gebäudes. Je besser gedämmt und je schwerer das Gebäude je niedriger ist die Heizgrenztemperatur. Die Heizungsregelungen mitteln ständig den Außentemperaturgang und bilden daraus die Tagesmitteltemperatur. An Hand der in der Regelung hinterlegten Heizgrenztemperatur (muss man 1x eingeben) schaltet sich die Heizung automatisch ab (Sommerbetrieb). Als grobe Richtschnur für die Heizgrenztemperatur kann man von folgenden Werten ausgehen:
    • Altbau -> ca. 15oC
    • Neubau -> ca 12oC
    • Passivhaus -> ca. 10oC
  • Hydraulik , hydraulischer Abgleich: Hydraulik ist die Lehre vom Strömungsverhalten der Flüssigkeiten, in diesem Fall vom Strömungsverhalten des Heizwassers. Die treibende Kraft hinter der Strömung des Heizwassers vom Kessel über die Heizkörper und zurück ist die Heizungsumwälzpumpe. Das Wasser nimmt dabei den Weg des geringsten Widerstandes, also mehr oder weniger zufällig. Damit nun aber jeder Heizkörper die für seine Erwärmungstätigkeit notwendige Wassermenge erhält, müssen in den Zweigen des Rohrsystems, die zu viel Heizwasser bekommen, einstellbare Drosseln (Ventile) eingebaut werden. Mit diesen Ventilen wird der Weg der Wasserverteilung gezielt beeinflusst. In der Praxis erhält jeder Heizkreis (Heizkörper) ein derartiges, einstellbares Ventil. Die richtige Einstellung dieser Ventile mit dem Ziel jedem Heizkörper “seine” Wassermenge (nicht zu viel und nicht zu wenig) zukommen zu lassen, wird als hydraulischer Abgleich bezeichnet. Dazu gehört auch die abgestimmte Einstellung der Pumpe(n).

Temperatur / Systemtemperaturen

Temperaturen-celsius-kelvin

Die SI-Einheit für die Temperatur ist Kelvin [K]. Auch gebräuchlich ist Grad Celsius [oC]

Die Scala für K beginnt am absoluten Nullpunkt der Temperatur (-273 oC)

Der Nullpunkt für oC liegt beim Schmelzpunkt von Eis. Der Siedepunkt von Wasser ist mit 100 oC festgelegt. Dazwischen 100 gleiche Teile (1 Grad Celsius = 1 oC). Für den Bereich der Heizungs- Klimatechnik ergibt oC die handlicheren Werte. K wird zwecks Unterscheidbarkeit zumeist für Temperaturdifferenzen benutzt

Druck / Förderhöhe

offenes System

Druckverlauf, Begriffe offene Anlage

  • HA = Förderhöhe Anlage [m]
  • pe = Druck im saugseitigen Behälter [Pa]
  • pa = Druck im druckseitigen Behälter [Pa]
  • ρ = Dichte des Fördermediums [kg/m3]
  • g = Fallbeschleunigung [9,81 m/s2]
  • ve = Geschwindigkeit im saugseitigen Behälter [m/s]
  • va = Geschwindigkeit im druckseitigen Behälter [m/s]
  • za = geodätische Höhe drucks [m].
  • ze =  geodätische Höhe saugs. [m]
  • Hv.d,a = Verlusthöhe druckseitig von punkt d bis a [m]
  • Hv.e,s = Verlusthöhe saugseitig von Punkt e bis s [m]

Bei der  Berechnung der Förderhöhe sind 4 Komponenten zu berück-sichtigen:

  • Manometrische Höhendifferenz (pa-pe): Druckdifferenz zwischen den Drücken, die auf dem saug- und druckseitigen Flüssigkeitsspiegel liegen (setzt mindesten einen geschlossenen Behälter voraus)
  • Differenzdruck durch unterschiedliche zufließende und abfließende Ströme (va-ve)
  • Geodätische Höhendifferenz (za-ze) [m]
  • Druckhöhenverluste: Strömungs- und Rohrleitungsverluste (Σ Hv) [m]

geschlossenes System

Druckverlauf im geschlossenen System, Betriebsdrucklinie

Druckverlauf-Verteilung-Skizze Der Nullpunkt (N) des Druckverlaufs liegt beim Membranausdehnungsgefäß (MAG). Hier besteht der für das MAG eingestellte Druck. Die Pumpe wälzt das Heizungswasser um, sie beeinflusst nicht die statischen Druckverhältnisse im System. Durch die Volumenänderung des Heizwasser bei Aufheizen und Abkühlen ändert sich der Ruhedruck. Im Gegensatz zum offenen System entfallen hier bei der Festlegung der Förderhöhe die Komponenten: Manometrische Höhendifferenz, Differenzdruck durch unterschiedliche zufließende und abfließende Ströme, und die Geodätische Höhendifferenz. Letztere wirkt sich nur auf den im MAG erforderlichen Vordruck aus. Für die Ermittlung der Pumpen-Förderhöhe  sind nur die Fließwiderstände (Rohre. Ventile,..) im Netz zu berücksichtigen.

Komponenten einer Heizungsanlage

Schema, Komponenten einer Heizungsanlage

Die Wesentlichen Bausteine einer Heizungsanlage (Warmwasserheizung) sind :Erzeugung, Speicherung, Verteilung, und Übergabe

Die Erzeugung kann auch vorgelagert sein, z.B. Nah- Fern-wärme. Auch bei der Nutzung von Solar Anlagen ist die Umwandlung vorgelagert im Kollektor. Eine Speicherung ist immer dann erforderlich, wenn der Wärmeanfall asynchron zum Wärmebedarf ist. z.B.: Solare Wärme. Ein asynchroner Anfall kann auch beabsichtigt sein z.B. bei einer Wärmepumpe zur Nutzung eines günstigen Stromtarifs. Ein Speicher/Puffer wird auch eingesetzt um Wirkungsgrad und Lebensdauer eines Erzeugers durch verlängerte ununterbrochene Laufzeiten zu verbessern z.B.: bei Stückholzkesseln.

Die optimale Zusammenarbeit der Bausteine soll die Regelung sicher stellen. Dies kann oft nur erreicht werden, wenn eine Regelung das gesamte System steuert, oder wenn die beteiligten Regelungen vernetzt sind.

 

Erzeugung

Die Heizwärmeerzeugung hat zwei prinzipielle Aufgaben:

  • Umwandlung der primären Energieform in Wärme (Verbrennungsprozess). Diese Aufgabe entfällt lokal bei der Fernwärmeversorgung.
  • Übertragung der Wärme auf das Heizungswasser. Diese Aufgabe entfällt bei einigen Varianten der Stromdirektheizung und bei Fernwärme mit direktem Anschluss

Die Umwandlung einer Energieform in eine andere Energieform und die Wärmeübertragung auf das Heizwasser ist immer mit Verlusten verbunden. Diese Verluste gilt es gering zu halten.

Erzeugertypen /Bewertung

Primäre Energieform

Erzeuger

Laufende Energie Kosten

Höhe der Anlagen Kosten

Umwelt- Freundlich-keit

Anfor-derung an die Lagerung

Punkte

 

Fossil 1)

Holz

Pellet/Stückholz Kessel

+

-

+

- -

12

Gas

Erdgas/-Flüssiggas/

Brennwerkessel

0

0

0

+

13

Biogas 1)

Brennwerkessel

0

0

+

+

15

Öl

Erdöl

Brennwerkessel

-

-

0

-

9

Bioöl 2)

BHKW

+

- -

+

-

11

Fernwärme

Erneuerbar

Übergabestation

-

0

+

++

14

Fossil

Übergabestation

-

0

-

++

12

Sonne direkt

Solarthermie

Solarkollektor(thermisch)

++

0

++

+

17

Photovoltaik

Solarkollektor(Fotovoltaik)

++

0

++

-

14

Sonne indirekt

Wind

Windrad

++

-

++

-

14

Luft

Wärmepumpe

-

-

0

+

9

Grundwasser

Wärmepumpe

+

- -

+

++

13

OberflächennaheGeothermie

Wärmepumpe

+

- -

+

++

13

Erdwärme

Tiefengeothermie

Übergabestation

-

+

+

++

15

Stromdirekt -heizung

Strom fossil

Speicher

 

 

 

 

 

direkt

 

 

 

 

 

Strom regenerativ

Speicher

 

 

 

 

 

direkt

 

 

 

 

 

Verluste / Wirkungsgrad

Effizienz wird zumeist durch den Vergleich von Wirkungsgraden beurteilt. Der Begriff Wirkungsgrad ist aber nicht eindeutig. Es gibt in der Heizungstechnik eine Reihe von Wirkungsgraden mit jeweils unterschiedlicher Bedeutung. Die Hersteller verwenden oft nur den unscharfen Begriff “Wirkungsgrad” und nehmen dafür den Feuerungstechnischen Wirkungsgrad her (macht den besten Eindruck).

Verluste, Wirkungsgrad-Heizkessel

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Dieser Wirkungsgrad hat für die Praxis geringe Bedeutung.

Er gibt lediglich Auskunft über die Effektivität der Verbrennung im Kessel während der Brennerlaufzeit. Er wird allerdings oft verwendet, da er in der Kesselmessung durch den Schornsteinfeger ermittelt  wird. (Feuerungstechnischer Wirkungsgrad = Von der Flamme abgegebene Wärme / im Brennstoff zugeführte Energie)

Kesselwirkungsgrad

Der Kessel verliert bei laufender Feuerung Wärme nicht nur über den Schornstein, er gibt auch Wärme über seine Oberfläche ab. Berücksichtigt man auch diesen Verlust erhält man den Kesselwirkungsgrad.

(Kesselwirkungsgrad = 100% - Abgasverluste in % -Strahlungsverluste in %).

Jahresnutzungsgrad des Kessels

Unter diesem Begriff versteht man den Wirkungsgrad eines Kessels über ein Jahr und zwar in der Zeit, in der der Brenner läuft und auch in der Zeit in der der Brenner nicht läuft. Auch in der Zeit in der der Brenner nicht läuft gibt der Kessel über die Strahlung/Konvektion Wärme ab. Die dadurch entstehenden Verluste sind die Bereitschaftsverluste. (Jahresnutzungsgrad = 100% - Abgasverluste in % -Strahlungsverluste in % - Bereitschaftsverluste in %).

Normnutzungsgrad

Alle 3 oben genannten Kennwerte beziehen sich auf die Nennleistung des Kessels. Bei modulierenden Kesseln (Leistung des Brenners kann an Wärmebedarf angepasst werden, gilt z.B. für Gas- oder Pelletkessel) wird der Nutzungsgrad für verschiedene Teilleistungsstufen ermittelt und daraus der Normnutzungsgrad gebildet. Der Normnutzungsgrad ist in der Regel höher als der Jahresnutzungsgrad. Der Normnutzungsgrad sollte bei dem Vergleich von Kesseln herangezogen werden.

Auch im Rohrnetz (Verteilung) und bei der Abgabe der Wärme an den Raum (Übergabe) entstehen noch Verluste. Werden diese auch berücksichtigt erhält man den Jahresnutzungsgrad der gesamten Heizungsanlage.

Effiziente Erzeugertechnik

Alle  Energieformen, auch die erneuerbaren, müssen mit geeigneter Technik in die jeweils benötigte Energieform (Wärme, Strom, mechanische Energie) umgewandelt werden. Der Umwandlungsprozess geht mit Verlusten einher, die zum Teil erheblich sind. Effiziente Technik hat die Minimierung dieser Verluste zum Ziel.

Alle Techniken haben über die Jahre erhebliche Effizienzfortschritte gemacht, sodass der Austausch älterer Kessel sich heute zumeist in wenigen Jahren amortisiert.

Wesentliche Effizienz steigernde Wärmeerzeuger-Techniken sind u.A.:

  • Die Brennwert Technik
  • Modulierende Brenner

Brennwerttechnik

    • Die Brennwerttechnik ist eine äußerst effiziente Technik um Erdgas oder Heizöl durch Verbrennung in zu Heizzwecken nutzbare Wärme umzuwandeln. Hierzu nutzt die Brennwerttechnik noch im Abgas enthaltene, durch herkömmliche Technik unerschlossene, Wärmepotenziale.
    • Bei der Verbrennung von Heizöl oder Erdgas (überwiegend Kohlenwasserstoffverbindungen) entsteht durch den Verbrennungsvorgang (Reaktion mit mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft) Kohlendioxid und Wasser in Form von Wasserdampf. Für Erdgas (CH4 Methan) ist die vereinfachte Verbrennungsgleichung:

    CH4 + 2 O2 -> 2 H2O + CO2 + Wärme

    • Die Brennwerttechnik nutzt durch Abkühlung des Abgases die latente Kondensationswärme des Wasserdampfes. Zusätzlich wird die über die Abgasanlage abgeführte Restwärme erheblich reduziert.

Heizwert / Brennwert

 

Brenn-

wert

Hs

kWh/m3

Heiz-

wert

Hi

kWh/m3

Hs / Hi

 

 

 

Hs - Hi

 

 

kWh/m3

Kondens-wassermenge

(theoretisch)

kWh/m3   1)

Stadtgas

5,48

4,87

1,13

0,61

0,89

Erdgas LL

9,78

8,83

1,11

0,95

1,53

Erdgas E

11,46

10,35

1,11

1,11

1,63

Propan

28,02

25,80

1,09

2,22

3,37

Heizöl EL 2)

10,68

10,08

1,06

0,60

0,88

1) bezogen auf die Brennstoffmenge

2) bei Heizöl EL sind die Angaben auf die Einheit Liter bezogen

  • Der Heizwert Hi (i -> inferior) bezeichnet die bei einer vollständigen Verbrennung freiwerdenden Wärmemenge, wenn das dabei entstehende Wasser in Form von Wasserdampf abgeführt wird.
  • Der Brennwert Hs (s-> superior) bezeichnet die bei einer vollständigen Verbrennung freiwerdenden Wärmemenge einschließlich der Verdampfungswärme, die im Wasserdampf des Heizgases enthalten ist.
  • Der theoretisch mögliche Brennwertnutzen ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung (Wasserstoffgehalt) des Brennstoffes (Erdgas ~11%, Heizöl ~ 6%).
  • Mit herkömmlicher Technik war eine Brennwertnutzung nicht möglich. Wirkungsgradangaben wurden daher auf den Heizwert bezogen. Aus Gründen der Vergleichbarkeit (auch Normfestlegung) ist diese Art der Berechnung auch für Brennwertkessel noch üblich. Es können daher Wirkungsgraden > 100 % ausgewiesen werden.
Vergleich der Wirkungsgrade von Niedertemperaturkessel, Brennwertkessel-Gas und Brennwertkessel-Öl

Die nebenstehende Grafik zeigt im Vergleich die Wirkungsgrade verschiedener Kesseltypen immer bezogen auf den Heizwert (100%)

Generell sollte mit der Einführung eines Brennwertkessels die gesamte Anlage sorgfältig neu abgestimmt werden. Nur dann lassen sich die theoretisch möglichen Wirkungsgrade näherungsweise erreichen.

Real erreichbare Normnutzungsgrade liegen heute bei ca 105 bis 109% (abhängig von Brennstoff und Anlagenauslegung)

Brennwertnutzung (in der Sanierung)

Abhängigkeit von Norm-Nutzungsgrad und Teillast-Nutzungsgrad von der spezifischen FeuerungsleistungNutzungsgrade

 

A

Gas-Brennwerkessel 40/30oC

 

B

Gas-Brennwerkessel 75/60oC

 

C

Niedertemperatur Heiz- kessel (ohne untere Temperaturbegrenzung)

 

D

Heizkessel Baujahr 1987 (untere Temperaturbegrenzung: 40oC)

 

E

Heizkessel Baujahr 1975 (konstant angehobene Kesselwasser- temperatur: 75oC

Brennwertnutzung-Taupunkt-Öl / Gas Vorlauftemperaturen

Brennwertkessel haben gegenüber Niedertemperaturkesseln bessere Wirkungsgrade, weil sie die Kondensationswärme des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes nutzen und weil sie generell mit geringeren Abgastemperaturen arbeiten. Bis zu welchem Grad der Brennwert des Brennstoffes genutzt werden kann, und wie weit die Abgastemperatur gesenkt werden kann, ist abhängig vom verwendeten Brennstoff und von der erreichbaren Rücklauftemperatur

Einflussfaktoren zur Brennwertnutzung

  • Brennstoff:
    • Je höher der Wasserstoffgehalt eines Brennstoffes, desto höher der Wasserdampfanteil im Abgas, und desto größer die mögliche Brennwertnutzung. Der Zusatznutzen beträgt für Erdgas 11% und für leichtes Heizöl 6%.
    • Die Temperatur bei der der Wasserdampf im Abgas kondensiert (Taupunkt) ist auf Grund der chemischen Zusammensetzung für Öl bzw. Gas unterschiedlich: Öl 47oC, Gas 57oC. Die Taupunkttemperaturen sind zudem abhängig vom CO2 Gehalt des Abgases. Brennwertkessel müssen mit hohem CO2 Gehalt bzw. geringem Luftüberschuss betrieben werden.
  • Rücklauftemperatur:
    • Im Brennwertkessel wird das Abgas bevor es den Kessel verlässt durch einen Abgaskühler geleitet, der vom Heizungsrücklaufwasser durchflossen wird. Um den Brennwert zu nutzen muss das Heizgas auf Temperaturen unterhalb des Taupunktes (s.o.) des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes abgekühlt werden. D.h.: Mit Gas-Brennwertkesseln ist das Brennwertpotential leichter (schon bei höheren Rücklauftemperaturen) als bei Öl-Brennwertkesseln zu erschließen.
  • Teillast
  • Die mittlere Auslastung von Heizkesseln liegt über das Jahr betrachtet bei weniger als 30%. Brennwertkessel weisen insbesondere bei geringer Auslastung einen besonders guten Nutzungsgrad auf, da dann auf Grund des niedrigen Temperaturniveaus des Heizwassers die Brennwertnutzung besonders effektiv ist. So weisen z.B. Gas-Brennwertkessel auch bei einer 75/60 Auslegung einer Anlage noch einen Normnutzungsgrad von 106% auf.

Empfehlung

  • Wenn die Wahlmöglichkeit besteht ist aus wirtschaftlicher Sicht ein Gas- Brennwertkessel zu empfehlen (Höherer Normnutzungsgrad, deutlich geringerer Preis, keine Kondensatneutralisation erforderlich). Auch bei Ölbrennwertkesseln, die mit schwefelarmen Heizöl betrieben werden  ist mittlerweile eine Neutralisation des Kondensats erst ab einer Feuerungsleistung von mehr als 200 kW  gefordert.
  • Bei Berücksichtigung einer möglichen Überdimensionierung (schon bei der ursprünglichen Planung oder durch nachträgliche Gebäudedämmmaßnahmen)  der vorhandenen Heizflächen einer Bestandsanlage lässt sich ein neuer Kessel in der Regel mit niedrigeren Vorlauftemperaturen betreiben. Vor Einbau eines neuen Kessels die aktuelle Heizlast berechnen / abschätzen lassen
  • Zur Sicherstellung eines optimalen Brennwertnutzung ist die Hydraulik einer Bestandsanlage sorgfältig zu prüfen und ggf. anzupassen (keine Vierwegeventile / Überströmventile / Hydraulische Weichen, größere Heizkreisspreizung, Hydraulischen Abgleich durchführen)
  • Beim Umstieg auf Brennwerttechnik ist in der Regel eine Sanierung der Abgasanlage erforderlich, hierbei sollte ein Raumluft unabhängiger Betrieb realisiert werden (konzentrische Abgasleitung).

Die oben zum Thema Brennwert  aufgeführten Sachverhalte beruhen im Wesentlichen auf der Quelle: Viessman Fachreihe Brennwerttechnik

Modulierende Brenner, Invertertechnik

Modulierende / Taktende Brenner

Modulierende Brenner:

Modulierende Brenner können die zur verbrennende Kraftstoffmenge dosieren. D.h. sie sind nicht nur an oder aus, sondern sie können einen breiten Leistungsbereich kontinuierlich abdecken (z.B. Brenner mit einem Leistungsbereich von 3kW bis 15kW). Damit entfällt das häufige Takten (an, aus, an, aus..) des Brenners und damit  einhergehend eine signifikante Verringerung der  Verluste. Ein modulierender Brenner fängt erst an zu Takten, wenn die benötigte Wärmeleistung seine untere Leistungsgrenze unterschreitet. Gas-Brenner haben einen breiteren Modulationsbereich als Ölbrenner. Alle Brenner in Gas-Brennwertkesseln arbeiten heute modulierend.

Öl-Brennwertkessel können nicht modulierend betrieben werden, hier ist heute ein 2-Stufiger Brenner die Regel (z. B: Stufe1: 9,5 kW und Stufe 2: 15 kW)

 

Invertertechnik:

Dies ist eine Technik zur Drehzahlsteuerung des Kompressors und des Lüfters bei Wärmepumpen (auch bei Kühlschränken). Hiermit erreicht man den gleichen Effekt wie mit den modulierenden Brennern bei etwa gleicher Modulationsbreite (z.B.: Wärmepumpe 4kW bis 14kW). Die Drehzahl dieser Motoren ist Frequenz abhängig. Die Ansteuerung mit unterschiedlichen Frequenzen vollzieht ein Inverter. Hierzu wird zunächst aus dem 230V Wechselstrom ein Gleichstrom erzeugt. Dieser wird dann durch den Inverter in einen 3 Phasen Pseudo-Wechselstrom variabler Frequenz transformiert.

Regelung

 Es gibt zwei Möglichkeiten die Leistung des Heizkörpers/ der Fußbodenheizung zu regeln:

  • Veränderung der Vorlauftemperatur, z.B.: durch eine Außentemperatur geführte Vorlauftemperatur. Je geringer die Außentemperatur desto höher die Vorlauftemperatur und damit die Übertemperatur des Heizkörpers (siehe Heizkurve, Mischer).
  • Veränderung des Volumen- Massenstroms  durch das Heizkörper- Heizverteilerventil (nur eingeschränkt wirksam siehe)

In den heute üblichen Heizsystemen wird die Außentemperatur geführte Regelung der Vorlauftemperatur als Grundregelung für das gesamte Gebäude eingesetzt. Die Raum weise Anpassung erfolgt auf der Basis von Raumthermostaten die unmittelbar oder mittelbar auf eine Veränderung des Volumenstrom hinwirken.

Für die Raumweise Anpassung sind heute auch intelligente Steuerungen im Einsatz, die Temperatur, Zeit, An- Abwesenheit der Bewohner sowie andere Einflüsse berücksichtigen können.

Regelung Begriffe

Regelung-Prinzip /Begriffe

  • w Sollwert Eingabe: Vorgabe von z.B. Temperatur, Druck, Durchfluss; manuell an Einstellscala z.B. Thermostat, oder im Regler hinterlegt z.B. als Heizkurven.
  • x Regelgröße: Dieses ist die zu regelnde Größe z.B. Raumtemperatur, Vorlauftemperatur, Pumpendruck. Sie ist abhängig vom Istwert und vom Sollwert.
  • z Störgröße: Beeinflusst (stört) den Istwert der Regelgröße (Ursachen: z.B. Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind, Innere Wärmequellen)
  • y Stellgröße: Der Regler ermittelt aus der Differenz von Istwert zu Sollwert die Stellgröße, die wiederum zur Einstellung Stellgliedes dient.
  • R Regler
  • M (Motor) Stellantrieb: Verstellt das Stellglied gesteuert durch die Stellgröße

Regeln bedeutet den Istwertes ständig / periodisch messtechnisch zu erfassen, und bei dessen Abweichung vom Sollwert das Stellglied so zu beeinflussen, dass der Istwert wieder dem Sollwert entspricht. Man unterscheidet zwischen stetigen Reglern und unstetigen Reglern

    • unstetige Regler kennen nur die Stellung: ”Ein” oder ”Aus” bzw. ”Auf” oder ”Zu”. Sie werden daher auch als 2-Punkt-Regler bezeichnet. Der Stellantrieb wird direkt über zwei elektrische Anschlüsse angesteuert. Der Antrieb besitzt zwei Stellungen „Auf” und „Zu”. Wobei je nach Typ des Stellgliedes dem stromlosen Zustand das Attribut „Auf“ (NO) oder „Zu“ (NC) zugeordnet werden kann. Ein weiterer nicht stetiger Regler ist der 3-Punkt Regler. Dieser dient der Steuerung von 3-Punkt-Stellantrieben. Der Stellantrieb besitzt drei elektrische Anschlüsse. Über die Ansteuerungsdauer oder -Impuls an dem jeweiligen Richtungsanschluss wird der Antrieb auf die gewünschte Position gefahren.
    • stetige Regler können den Regelbereich kontinuierlich abdecken. Stetige Stellantriebe werden über die Spannungsversorgung und ein stetiges Stellsignal (z.B. 0-10V) angesteuert. Abhängig vom Stellsignal wird die exakte Position angefahren.

    Weiter unterscheiden sich Regler darin ob sie für Ihre Funktion Fremdenergie benötigen oder nicht. Regler ohne Fremdenergie-Nutzung sind z.B. Thermostatventile oder Differenzdruckregler. Motor betriebene Regler sind immer Regler mit Fremdenergie z.B. Mischer. Eigentlich sind alle abgesetzten Stelleinrichtungen, die von einer zentralen oder räumlich entfernten Steuerung geführt werden, Regler mit Fremdenergie . Sicherheitseinrichtungen sollten sinnvollerweise Einrichtungen ohne Fremdenergie sein (Überdruckventile, Überhitzungsschutzschalter..)

Heizungsregelung Überblick

Gebäude Regelung mit gemischtem und ungemischtem  Heizkreis, Prizip der Steuerung

Bild 2 zeigt eine typische Heizungshydraulik. Die Regelung erfolgt hier mit Hilfe zweier Regelkreise. Regelkreis 1 (RK1) regelt den Kesselkreis, und Regelkreis 2 (RK2) regelt einen Mischerkreis

  • Kesselkreis Regelung:
    • Über die Außentemperatur (AF) wird mittels der Heizkurve der Sollwert der Kesselwassertemperatur ermittelt, und der Brenner entsprechend eingestellt (ein/aus oder modulierend). Die Istwert Abfrage erfolgt über den Kessel-Temperaturfühler (KF).
    • Hat die Anlage Heizkreise mit unterschiedlichem Temperaturniveau (z.B. Fußbodenheizung plus Heizkörper), wird der Kessel entsprechend dem höchsten Temperaturniveau gefahren. Die Vorlauftemperatur eines  Fußbodenheizkreises wird dann über einen Mischer (Regelkreis 2) gesteuert.
    • Arbeitet die Heizung mit nur einem Temperaturniveau (rein Fußboden oder rein Heizkörper) ist eine Mischer nicht erforderlich. Bei Betrieb einer Fußbodenheizung wird meist trotzdem ein Mischer zwischengeschaltet. Damit wird verhindert, dass nach einer WW-Erhitzung das bis zu 70 Grad heiße Kesselwasser direkt in den Fußbodenheizkreislauf gelangt und damit dessen Temperaturwächter anspricht. Der Mischer ist zunächst geschlossen und öffnet erst langsam entsprechend der Abkühlung des Kesselwassers. Kesseltemperatur und Vorlauftemperatur haben in diesem Fall die gleiche Heizkurve. Die Kesseltemperatur ist dabei um ca. +5 oC gegenüber der Vorlauftemperatur verschoben.
    • In der Kesselkreis Regelung können auch Zeitprogramme hinterlegt sein, die eine zeitabhängige Vorlauftemperatur ermöglichen z.B. Absenkbetrieb
    • Die Berücksichtigung einer Sommer-Winter Heizgrenztemperatur ermöglicht die automatische Abschaltung der Heizanlage incl. Umwälzpumpe in der warmen Jahreszeit
    • Der Raumeinfluss sollte dezentral pro Raum geregelt werden. Möglich ist es aber auch einen “Führungsraum” zu bestimmen, dessen Raumthermostat zentral auf den Kesselkreislauf wirkt
    • Der Kessel kann stetig geregelt werden (modulierender Brenner) oder unstetig (taktender Brenner).

Regelung mit Mischer

Pumpen- Mischergruppe

  • Mischerkreisregelung:
    • Im Mischer wird die Kesselwasser Temperatur der benötigten Heizkreis Temperatur angepasst. Hierfür verfügt die Mischerregelung über eine dem Heizkreis angepasste Heizkurve. Es gibt verschiedene Mischer Typen (3-Wege und 4-Wege Mischer). Standard im Wohnungsbau sind heute 3-Wege Mischventile. Zumeist als Gruppe mit Pumpe, Thermometern, Absperrventilen und evtl. einem Bypass als vor-konfektionierte Einheit.(Bild links).
    • Bei der Temperaturregelung mit einem 3-Wege Mischer bleibt der Volumenstrom im Heizkreis konstant. Der Volumenstrom im Kesselkreis ist variabel.
    • Läßt der Erzeuger eine gleitende Vorlauftemperatur von 20 oC bis zur max. benötigten Vorlauftemperatur zu, ist ein Mischer nicht erforderlich. Bei Fußbodenheizungen wird zumeist trotzdem ein Mischer eingesetzt, damit die hohe Kesseltemperatur nach einer Warmwasserbereitung nicht direkt auf die Fußbodenheizung einwirken kann (Mischer öffnet nur langsam).
  • Sonderformen der Heizkreisregelung
    • Auch gemischte Übergabevarianten (Heizkörper und Fußboden) können über einen gemeinsamen Heizkreis angeschlossen werden. Die Verteilung ist dabei für das System mit der höheren Temperatur (Heizkörper) ausgelegt. Für die Fußbodenheizung wird das Heizwasser über eine Spezial-Armatur Raum weise abgezweigt. Diese Armatur besteht aus einem Raumthermostaten und einem Rücklauftemperatur Begrenzer. Damit wird einerseits die Raumtemperatur geregelt und andererseits das Temperaturniveau der Fußbodenheizung auf verträgliche Werte begrenzt. Diese Variante ist insbesondere bei nachträglichem Zubau einer Fußbodenheizung in Einzelräumen geeignet.

Pumpen- Mischergruppe mit  Thermometern

(1) Beimischschaltung

(2) Beimischschaltung mit Festbeimischung

(3) Kombination von ungemischtem und gemischtem Heizkreis

Mischerregelung Beimischschaltung

Mischerregelung Beimischschaltung-mit-fester-Beimischung

Beimischschaltung :Kombination mit direktem Heizkreis
  • Die Beimischschaltung ist die Standardschaltung für Heizungsanlagen mit Versorgung durch Brennwertkessel oder andere Wärmeerzeuger ohne untere Rücklauftemperaturbegrenzung. Der Volumenstrom im Heizkreis ist konstant. Die Temperaturanpassung im Heizkreis kann Kessel seits und/oder durch den Mischer erfolgen. Um  dem Mischer die Arbeit zu erleichtern sollte das Regulierventil im Bypass (B) auf den Druckverlust des Kessels eingestellt sein.
  • Bild 2 zeigt zusätzlich zu der variablen Beimischung durch den Mischer eine Festbeimischung im Zusatzbypass. Die Mengeneinstellung erfolgt per Regulierventil.
  • Bild 3 zeigt eine Anwendung dieser Festbeimischung. Der Zusatzbypass ist so eingestellt, dass sich bei voll geöffnetem Mischer eine Heizkreisvorlauftemperatur von 40 oC einstellt. Damit steht für die Regelung der Vorlauftemperatur die volle Regelbandbreite des Mischers zur Verfügung.

Heizkurve

  • Die Regelung der Raumtemperatur erfolgt primär über die Außentemperatur (bei konstantem Volumenstrom). Je kälter es draußen ist, je höher muss die Vorlauftemperatur sein. Thermostatventile schalten sich erst  dann regelnd ein, wenn Fremdwärme (Sonneneinstrahlung,  andere Wärmequellen wie Backofen, Kamin, viele Menschen) zugeführt wird , oder wenn vom Auslegungszustand abweichende Ventileinstellungen vorgenommen werden.
  • Zur Regelung der Vorlauftemperatur sind im Regelgerät Heizkurven hinterlegt, die die Abhängigkeit der Vorlauftemperatur von der Außentemperatur beschreiben. Je nach Anlagenauslegung ergeben sich unterschiedliche Heizkurven. Die im Gerät einzustellende Heizkurve ergibt sich entsprechend der Anlagenauslegung aus der gewählten höchsten Vorlauftemperatur für den kältesten Tag im Jahr. Im Beispiel (Bild Heizkurvenauswahl) mit den Auslegungsdaten: Vorlauftemperatur von 52 Grad und der niedrigsten Außentemperatur von -15 Grad wäre die Heizkurve 4 einzustellen. Diese Einstellung gilt für eine Raumtemperatur von 20 Grad.
  • Die Spreizung ist bei konstantem Volumenstrom in etwa proportional zur Heizkörperleistung. Mit zunehmender Außentemperatur reduziert sich die Spreizung.

Regelung Heizkurvenauswahl Steigung der Heizkurve

Heizkurvenauswahl Parallelverschiebung der Heizkurve

Raumtemperatur zu niedrig bei:

 

sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Außentemperaturen

Parallelverschiebung: positiv (1)

nur bei niedrigen  Außentemperaturen

Steilheit ändern: positv (3)

nur bei höheren Außentemperaturen

Parallelverschiebung: positiv (1)

Steilheit ändern: negativ (4)

Raumtemperatur zu hoch bei:

 

sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Außentemperaturen

Parallelverschiebung: negativ (2)

nur bei niedrigen  Außentemperaturen

Steilheit ändern: negativ (4)

nur bei höheren Außentemperaturen

Parallelverschiebung: negativ (2)

Steilheit ändern: positiv (3)

Je nach Ausführung der Heizungsanlage und des Gebäudes ist es möglich, dass sich nach der oben beschriebenen Grundeinstellung nicht  bei allen Außentemperaturen die gewünschte Raumtemperatur einstellt. Dann ist eine Korrektor der Einstellung erforderlich.

Neben der Auswahl einer anderen Heizkurve, lässt sich die ausgewählte Heizkurve parallel verschieben (Bild oben rechts). Damit wird bei allen Außentemperaturen die Vorlauftemperatur und damit die Raumtemperatur um die eingestellte Grad Zahl zu höheren (1) oder zu niedrigeren (2) Temperaturen hin verschoben. Mit den Mitteln der Heizkurvenauswahl (Steilheit der Heizkurve) und der Parallelverschiebung lässt sich die Regelung entsprechend Tabelle links anpassen.

Eine spezifische Verschiebung der Art (2) ist die Nachtabsenkung. Diese ist unabhängig von der o.g. Verschiebung einstellbar. Damit wird die Vorlauftemperatur während der Nacht (Schaltuhr) um die einstellbare Temperaturdifferenz abgesenkt. Viele Regelungen ermöglichen darüber hinaus auch die komplette Abschaltung (außer Frostschutz) oder die Absenkung abhängig von der Raumtemperatur

Die Heizkurve sollte nach jeder Veränderung des Gebäudes oder der Heizungstechnik angepasst werden (entsprechend Tabelle oben). Dies kann nur über einen längeren Zeitraum und bei unterschiedlichen Außentemperaturen durchgeführt werden. Dabei sollten die Thermostatventile auf die gewünschte Raumtemperatur eingestellt sein. Auf Grund der Trägheit des Heizsystems kann es bei massiven, schweren Gebäuden bis zu zwei Tagen dauern ehe sich eine Neueinstellung vollständig auswirkt. Bevor man sich an der Heizkurve zu schaffen macht, sollte der  hydraulische Abgleich vorgenommen worden sein.

Raumeinfluss

Die Voreinstellung von Heizkörper- oder Verteiler-Ventil stellt den für die geplante Raumtemperatur erforderlichen Volumenstrom sicher (mit geringen Abweichungen z.B. infolge Stufigkeit des Einstellmechanismus). Im realen Betrieb gibt es dann aber noch eine Reihe von Störgrößen die ohne eine weitere raumweise Regelung das gewünschte Temperaturniveau stören.

Dies können sein: Sonneneinstrahlung, Wärmeerzeuger im Raum (Beleuchtung, anwesende Personen, Kühlschränke, PC, Kochplatten ...), oder vom Bewohner gewünschte Abweichung von der Auslegungs-Raumtemperatur. Die dadurch erzeugte Temperaturabweichung vom Sollwert muss durch eine geeignete raumweise Regelung korrigiert werden. Dies erfolgt üblicherweise bei Heizkörpern über Thermostatventile bzw. bei Fußbodenheizungen über ferngesteuerte Motorstellantriebe im Geschossverteiler.

Thermostatventil Oberteil (Raumthermostat)

Stellantrieb einer Fußbodenheizung (ferngesteuert, Eberle)

Thermostatkopf für Heizkörper Regelung

Fußbodenheizung ferngesteuertes Ventil zur raumweisen Regelung im Heizkreisverteiler

Im Heizkörper-Thermostatventil sind, Sollwerteingabe und Raumtemperaturfühler mit Stellantrieb in einem kompakten Element (Thermostatkopf) vereinigt. Der Regler ist hier ein Regler ohne Fremdenergie. Die Energie zum Schließen und öffnen des Ventils wird durch eine Temperatur-abhängige Ausdehnung z.B. einer Flüssigkeit im Stellglied erreicht. Der Temperaturfühler kann bei thermisch ungünstiger Lage auch als Fernfühler ausgeführt sein (über eine dünnes Rohr mit dem Thermostatkopf verbunden).

Der Steuermechanismus der Regelung im Heizkreisverteiler ist im Prinzip identisch. Nur sind hier Sollwerteingabe und Raumtemperaturfühler vom Stellglied getrennt. Der Raumthermostat befindet sich an einer geeigneten Stelle/Wand des zu steuernden Raumes. Das Stellglied (Elektrothermischer Antrieb) befindet sich im Heizkreisverteiler (ein Stellglied pro Heizkreis) D.h. ein Raumthermostat steuert alle Heizkreise eines Raumes (z.B. Randzone und Innenzone). Diese Regelung benötigt Fremdenergie (Steckdose im Heizkreisverteiler und Batterie im Raumfühler). Die Kommunikation zwischen  Stellglied und Raumfühler kann drahtlos oder Draht gebunden erfolgen. Bei Nachrüstung zumeist drahtlos (Funk).

Thermostatventile: Was ist zu beachten:

  • Bei Thermostatventilen ist darauf zu achten, dass die Temperatur am  Thermostatkopf nicht verfälscht wird dadurch dass z.B.:
    • erwärmte Luft vom Heizkörper oder vom Vorlauf an ihn gelangt
    • keine Wärmestrahlung vom Heizköper auf ihn einwirkt
    • die Raumlufttemperatur nicht exakt erfasst werden kann weil Vorhänge, Simse, Möbel usw. den Thermostaten abschirmen.

    In kritischen Situationen ist der Einsatz eines Fernfühlers angeraten.

  • Die Qualität des Thermostatventils kann entscheidend sein:
    • Die Temperatur im Heizkreis wirkt je nach Qualität des Thermostaten durch Wärmeleitung auf den Temperaturfühler zurück (bei Fernfühlern weniger).
    • Die Hysterese (siehe Bild: Hysterese)  ist je nach verwendetem Füllmittel des Thermostaten unterschiedlich groß.
  • Die Anlagenauslegung -Abstimmung ist u.U., entscheidend für das Regelverhalten des Thermostaten
    • Der Differenzdruck über dem Thermostatventil sollte 100mbar nicht überschreiten
    • Witterungsbedingte Vorregelung der Vorlauftemperatur ist unabdingbar. Eine Regelung über den Volumenstrom ist nur in bis zu etwa 50% der Heizkörperleistung stetig (Bild Heizkörperkennlinie)
    • Auswahl des passenden Ventilunterteils
      • Richtige Basisgröße (Grund kvs Wert). Die meisten Hersteller haben 2 Größen (für Ein- / Zweifamilienhäuser) im Angebot
      • Ventilunterteil mit Einstellmöglichkeit: Voreinstellung (oberer Leistungsbereich) oder Feineinstellung (unterer Leistungsbereich).
    • Thermostatkopf nicht senkrecht stellen sondern waagerecht

Raumtemperaturregelung bei Fußbodenheizung: Was ist zu beachten

  • Fußbodenheizungen reagieren in der Regel träge (zumindest Typen älterer Bauart mit 4 bis 5 cm Estrichüberdeckung) daher beeinflusst eine Nachtabsenkung die Innentemperatur kaum (schwankt um ca 1 bis 2 Grad aber so Zeit versetzt, dass es nicht passt).
  • Eine raumweise Regelung wirkt auch nur langfristig und ist daher nur geeignet Räume über längere Zeit (> 2 Tage) zu temperieren (Gilt auch für Urlaubsschaltungen).

Stellantriebe

Für die Einzelraum Temperaturregelung mit Heizkörpern ist das Thermostatventil noch die weitest verbreitete Lösung. Sie ist kostengünstig, einfach zu installieren und zu bedienen, und sie benötigt keine Fremdenergie. Varianten mit Batterie ermöglichen auch komplexere Funktionen (z.B. Zeitschaltungen). Die Vereinigung aller Komponenten eines Reglers in einer kompakten Einheit limitiert aber auch die Steuerungsmöglichkeiten. Mit einer Trennung von Stellantrieb und Regler eröffnen sich eine Reihe neuer Regelmöglichkeiten:

  • Steuerung mehrerer Stellglieder über einen Regler z.B.:Ein Regler pro Raum steuert mehrere Heizkörper / Fußbodenheizkreise
  • Einbeziehung weiterer Störgrößen und wechselnder Sollwerte in den Regelprozess z.B.:
    • Tages- Wochen- Jahreszeit (wechselnde Sollwerte).
    • Fensteröffnung (weitere Störgröße)
  • Zudem kann in einem zentralisierten Regler kostengünstig zusätzliche Intelligenz angesiedelt werden. Dieses auch über hierarchisch angeordnete und/oder vernetzte Steuerungen.
    • Berücksichtigung der An- Abwesenheit von Bewohnern
    • Vorausschauende Regelstrategien (Wetter)
    • Komfortable Fernbedienung -wartung (WLAN, TCP/IP)
    • Kopplung mit einer Lüftungssteuerung
    • Schaltung von Jalousien (z.B. bei Überhitzung durch Sonneneinfall)

Diese räumliche Trennung von Stellantrieb und Regler bedingt eine Raum überbrückende Kopplung von Regler und Stellglied zwecks Übertragung der Stellgröße. Hier haben sich verschiedene Verfahren etabliert, die sich im Übertragungsverfahren und in der Kodierung der Stellgröße unterscheiden.

  • Funk: Verfahren siehe Auflistung
    • Funk direkt bis zum Stellglied .Stromversorgung des Stellgliedes extra z.B.: Batterie
    • Oder (häufiger) indirekt zu einem Konzentrator, dieser setzt die Funkschnittstelle in eine drahtgebundene Schnittstelle um
  • Drahtgebunden direkt
    • 2-Punkt (Ein/Aus) als 24V AC/DC oder 230V AC/DC siehe auch Variante/Verfahren
    • Stetige Regelung mit 10V Steuerspannung siehe auch Varinten/Verfahren
    • Drahtgebunden über Bussysteme: (z.B.: KSX/EIB, LON)
      • Direktanschluss an Bus-System
      • Indirekt über Raummodul

Zwei Gruppen von Stellgliedern werden vorzugsweise in der Heizungstechnik eingesetzt:

Thermischer Stellantrieb

Thermischer-Stellanrtieb-Hzg-IMI

1 Ausdehnungssystem

2 Feder

3 PTC Heizelement

4 Nut zur Aufnahme von „Colorclips“

5 Stellungsanzeige

Übliche Betriebsparameter:

  • Betriebsspannug: 230V oder 24V
  • Schließ- und Öffnungszeit: ca. 3 min. (Die Öffnungs- und Schließzeit ist anhängig von der Umgebungstemperatur).
  • Stellweg: 4mm

Bild: IMI-Heimeier

  • Elektrothermische Antriebe arbeiten mit einem PTC-beheizten (3) Dehnstoffelement (1) und einer Druckfeder (2). Das Dehnstoffelement wird durch Anlegen der Betriebsspannung beheizt und dadurch ausgedehnt. Die durch die Dehnung entstehende Kraft wird auf den Ventilstößel übertragen und öffnet bzw. schließt somit das Ventil.
  • Bei der Ausführung stromlos-zu (NC) wird beim Einschalten der Betriebsspannung - nach Ablauf der Totzeit - das Ventil durch die Stößelbewegung gleichmäßig geöffnet. Durch Abschalten der Betriebsspannung kühlt sich das Dehnstoffelement ab. Nach Ablauf der Verharrzeit wird das Ventil durch die Schließkraft der Druckfeder gleichmäßig geschlossen.
  • Bei der stromlos offenenen Ausführungen (NO) arbeite das Prinzip genau entgegengesetzt.
  • Der Öffnungszustand wird in der Regel durch einen sichtbaren Indikator angezeigt. Es gibt Ausführungen die sich zusätzlich manuell öffnen lassen, oder im Auslieferungszustand geöffnet sind (erleichtert den Einbau).

Der elektrothermische Stellantrieb ist die Standardlösung für komfortable Regelung von Radiatoren, Heizkreisverteilern, Konvektoren und ähnlichen Geräten

  • Mit ihm lassen sich  stabile Zweipunktregelungen realisieren.
  • Für die flinke Ansteuerung von Heiz- Kühlsystemen kann der elektrothermische Stellantrieb zur stetigen Regelung über eine 10V Schnittstelle eingesetzt werden.
  • Mit stetiger Regelung 10V Pulsproportional ist er auch hervorragend für den Einsatz in der Gebäudeleittechnik geeignet
  • Der elektrothermische Stellantrieb ist preisgünstig, robust, benötigt keine Wartung  ist praktisch  Verschleißfrei und arbeitet geräuschlos

Es ist auf die -je nach Hersteller- zugelassenen Einbaulagen zu achten..

Motorischer Stellantrieb

Motorischer-Stellanrtieb-Hzg-Oventrop

Der Antrieb der Motorventile besteht aus einem Elektromotor und einem Getriebe. Sie sind nicht verschleißfrei und arbeiten nicht geräuschfrei.

Diese Stellantriebe sind praktisch universell einsetzbar. Sie eignen sich neben dem Einsatz als 2- und 3-Punkt Schaltern auch zur sehr genauen stetigen Regelung. Dabei kann mit unterschiedlichen voreinstellbaren Kennlinien (linear, gleichprozentig, logarithmisch, exponentiell, etc.) gearbeitet werden. Im Vergleich zu den elektrothermischen Antrieben arbeiten elektromotorische Antriebe schneller.

Ansteuerbar über 24/230 V , 0-10V, oder über verschiedene Busschnittstellen (KNX/EIB, LON). Die aktuelle Stellung ist abfragbar.

Es wird empfohlen Ventil und Stellantrieb vom gleichen Hersteller einzusetzen. Mitgelieferte Adapter für “Fremdventile” passen nicht immer für Alle und nicht immer so genau (gilt auch  für elektrothermische Antriebe).

Bild: Oventrop

Steuerdiagramme

Schaltdiagramm-Thermisches-Stellglied

Motorantrieb-proportional-Hub

2-Punkt Steuerung

 0-10V Proportionale Regelung des Hubes

Schaltdiagramm-Thermisches-Stellglied-PWM

Motorantrieb-proportional-Durchfluss

Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation

 0-10V Proportionale Regelung der Durchflussmenge

Übergeordnete Steuerungssysteme

Lieferanten der Heizungstechnik bieten  heute schon vernetzbare Heizungsregelungen an, und ermöglichen damit z.B. den Zugang einer zentralen Fernüberwachung und Diagnose sowie die Möglichkeit die Heizung über das Smartphone zu bedienen. Dieses zumeist in einem Firmen spezifischen Rahmen.

Auf dem Feld der raumweisen Heizungsregelung sind häufig die Ventilhersteller aktiv, die hier mehr oder weniger komplette Systeme für den Neubau und die Sanierung anbieten.

Als Dritter im Bunde beschäftigen sich Hersteller aus dem Bereich der Gebäudeautomation mit der Vision des „Smart Home“ und liefern hierzu Lösungen von unterschiedlichstem Zuschnitt.

Die drei o.g. Felder überschneiden sich zum Teil, und erfordern für ein wirklich smartes Home wiederum eine Vernetzung der einzelnen Funktionsbereiche.

Eine weitere Baustelle hat sich mit der häuslichen Einbindung in das „smart Grid“ und mit der Einbindung lokaler Photovoltaik und Batteriespeichern in das „smart Home“ aufgetan. Auch hier gibt es Verknüpfungen von Heizungstechnik mit der Photovoltaik, der übrigen Haustechnik und dem externen Stromnetz.

Vernetzt werden müssen Sensoren, Stellglieder und Regler Gebäude weit. Auch ist eine Einbindung in die Web-Infrastruktur gewünscht.

Für letzteres werden die bekannten Netze Internet, Intranet und WLAN,  genutzt. Innerhalb des Gebäudes haben sich je nach Anwendungsfall verschiedene Standards (Bussysteme) entwickelt und mehr oder weniger etabliert.

Bussysteme in der Gebäudeautomation

Bussysteme verbinden Anlagen oder Geräte, zwecks Informationsaustausch, über eine gemeinsame physikalische Infrastruktur (Draht oder Funk). Der Datenaustausch wird über standardisierte Protokolle abgewickelt, die eine sichere Übertragung ermöglichen. Als physikalisches Übertragungsmedium kommen Draht gebundene oder Funk basierte Netze zum Einsatz. Die im Europäischen Raum vorzugsweise eingesetzten Verfahren sind im Folgenden kurz beschrieben:

Draht gebunden:  LON, KNX, BACnet

  • Local Operating Network (LON) ist ein Feldbus, welcher vorrangig in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird. Dieser Feldbus wurde von der US-amerikanischen Firma Echelon um das Jahr 1990 entwickelt. Die LON-Technologie– mit ANSI/EIA-709.x und EIA-852 standardisiert sowie als EN14908 in das europäische und als ISO/IEC 14908-x in das internationale Normenwerk übernommen – ermöglicht den neutralen Informationsaustausch zwischen Anlagen und Geräten von verschiedensten Herstellern und unabhängig von den Anwendungen.
  • Der Konnex-Bus (KNX) ist ein Standard, der beschreibt, wie in einer Installation u.a. Sensoren und Aktoren miteinander über ein Bus-/Protokoll-System verbunden werden können. Der Bus wurde im Jahre 2002 als Nachfolger aus dem Zusammenschluss der drei Bussysteme -EIB, BatiBus und EHS- konzipiert. KNX ist kompatibel zur vorhergehenden Norm EN 50090, welche den EIB-Standard normiert. KNX ist ein Kommunikationssystem für die Gebäudeautomation mit starker Verbreitung in Europa und verbreitetem Know-How im Elektro- und zunehmend auch im Heizungs-Handwerk.
  • BACnet (Building Automation and Control network) ist heute wohl das bekannteste und meist verbreitete Kommunikationsprotokoll in der Gebäudeautomation. Als herstellerneutrale und lizenzfreie Spezifikation bietet es umfassende und leistungsfähige Funktionen und Dienste für die Anforderungen der Datenkommunikation in der Gebäudeautomation. Es wurde in die internationale Norm für Gebäudeautomation DIN EN ISO 16484 als Teil 5 aufgenommen. Seit 2011 ist sie als DIN EN ISO 16484-5 gleichzeitig auch eine deutsche Norm.

Drahtlos (Funk): Zigbee, Z-Wave, EnOcean, KNX-RF

  • Zigbee gibt es in Varianten für das 868-MHz- und das 2,4-GHz-Band. Die unteren Protokollschichten dieses Protokolls sind in der IEEE-Spezifikation IEEE-802.15.4 beschrieben. Eine Allianz von über 200 Chip-Herstellern und Anwendern unterstützt, vermarktet und entwickelt diese Technik weiter. Die Leistungsaufnahme von ZigBee-Komponenten ist sehr gering und für den Batteriebetrieb geeignet.. Die Technik ist rund um den Globus verbreitet, leidet aber an massiven Inkompatibilitäten unterschiedlicher Protokollversionen und Herstellerimplementierungen. Mit ZigBee PRO  / Green Power (ZGP) wurde auch ein ZigBee-Profil für den Betrieb von batterielosen Sensoren entwickelt.
  • Z-Wave ist eine Entwicklung des dänischen Unternehmens Zen-Sys, des alleinigen Herstellers der zugehörigen Chips. Wesentliche Teile von Z-Wave sind seit 2012 von der Standard-Organisation ITU-T als Standard G.9959 definiert. Dies sorgt für eine hohe Kompatibilität. Eine Allianz von über 150 Firmen entwickelt am Umfang und an den Anwendungen des Protokolls. Z-Wave ist in den USA der De-facto-Standard für die funkgesteuerte Hausautomation und sorgt durch ein Zertifizierungsprogramm für Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern. Z-Wave Komponenten zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch aus.
  • EnOcean ist eine Entwicklung eines Münchner Unternehmens gleichen Namens, das ebenfalls durch eine Allianz von mehr als 100 Unternehmen unterstützt wird. EnOceans Alleinstellungsmerkmal ist der sehr geringe Stromverbrauch der Sensoren und Aktoren, der unter gewissen Bedingungen einen batterielosen Betrieb ermöglicht. Mehrere Wandschalter-Hersteller im deutschsprachigen Raum setzen deshalb diese Technik ein. Sie hat sich aber außerhalb Europas bisher nicht durchsetzen können – auch wegen der vergleichsweise hohen Kosten.
  • KNX-RF ist die KNX-Funk Variante. Sie arbeitet auch im 868 MHZ Band. KNX-RF ist noch relativ neu auf dem Markt, mit bisher geringer Verbreitung. Auch bieten erst wenige Hersteller entsprechende Komponenten an. Hier kann es noch zu Kompatibilitäts Probleme zwischen unterschiedlichen Herstellern kommen..

Beispiel Gebäudeautomation im Bereich Heizungssteuerung

2-Übersicht-Gebäudeautomatisierung

1) Feldbussystem

2) Fensterkontakt (Signal zur Temperaturabsenkung)

3) Anwesenheitsdetektor (Anheben Temperatur auf Komfortniveau)

4) Raumtemperatursensor (Minimalversion oder teilzentrale Steuerung)

5) Heizungsverteiler für Fußbodenheizung mit Stellventilen

6) Fernsteuerbarer Funkthermostatkopf

7) Raummodul: Konzentrator, Schnittstellenumsetzer, Spannungs-versorgung

8) WLAN-Router

9) Raumsteuerung (mit Webserver und Anbindung an Web und/oder direkter Benutzeroberfläche)

10) Zentrale Steuerung mit Bussystem und Web-Anbindung und/oder direkter Benutzeroberfläche

11) Weitere vernetzte Steuerbereiche z.B. Heizung, Lüftung, Warmwasser

12) Einbindung weiterer Steuerbereiche über andere Schnittstelle / Bussystem (Gateway)

13) Ventil mit Busanschluss

Das Bild oben gibt beispielhaft einen Überblick über den Aufbau von Managementsystem im Hinblick auf die raumweise Heizungssteuerung.

Im Bild links ist eine komplett über Funk abgewickelte Automation skizziert. Dies sind zumeist (teil)proprietäre Lösungen mit Bedienoberfläche und Installationssupport über Smartphone / PC.

Rechts im Bild ist ein Beispiel für eine drahtgebundene Lösung mit Einbindung einiger Sensoren über Funk zu sehen. Auch hier finden sich (teil)proprietäre Lösungen mit dem Trend zur Vernetzung über den KNX-Bus.

Verteilung

Die Komponenten der Verteilung haben die Aufgabe die vom Erzeuger produzierte Wärme zu den Übergabeeinrichtungen  (z.B.: Heizkörper, Fußbodenheizung,..) zu transportieren. Diese Aufgabe erfüllt üblicherweise ein Rohrnetz (Warmwasserrohre ->Warmwasserheizung, Lüftungsrohre -> Warmluftheizung).

Strom Direktheizungen benötigen keine Verteilung, bzw. das Stromnetz ist das Verteilernetz. Bei hohen benötigten Stromstärken sind eigene Stromkreise erforderlich (z.B. Nachtspeicherheizungen)

 

Komponenten der Verteilung (Hier beschränkt auf die Warmwasserheizung):

  • Das Rohrnetz: Transportweg für das Warmwasser
  • Umwälzpumpe: Erzeugt den Druck der das Warmwasser im Heizungskreislauf zirkulieren lässt.
  • Ventile: Regeln die Verteilung des Warmwassers im verzweigten Netz.
    • Absperrventile (Absperrorgane)  dienen der einfacheren Wartbarkeit des Netzes.
    • Weitere spezielle Ventile garantieren die Netzsicherheit bei Fehlfunktionen (Übertemperatur, Überdruck, Wassermangel).
    • Regelnde Ventile (Regulierorgane) können manuell eingestellt werden (Grundeinstellung des Systems) oder automatisch durch Stellwerte wie Temperatur, Druck, Durchflussmenge. Sie beeinflussen damit Temperatur, Volumenstrom und die Verteilung des Warmwassers im Netz.
  • Darüberhinaus muss die Verteilung für bestimmte Kesseltypen auch Kesselschutzfunktionen erfüllen.
    • Sicherung eines Mindest-Volumenstromes. Dadurch Schutz vor Überhitzung des Kessels (Kessel mit geringem Wasservolumen)
    • Sicherung einer minimalen Rücklauftemperatur zur Vermeidung von Wasserdampf-Kondensation im Kessel (Hoch- Niedertemperaturkessel)
    • Garantie von niedrigen Rücklauftemperaturen (Brennwertkessel)
    • Schutz vor Verschmutzung / Korrosion durch Sauerstoffeintrag bei älteren Fußbodenheizungen (nicht Sauerstoff dichte Heizrohre)

Damit das Netz richtig funktioniert, müssen alle Komponenten (Erzeuger, Verteilung, Regelung, Speicherung, Übergabe) aufeinander abgestimmt und korrekt eingestellt sein. Das bedeutet auch, dass nach jeder Änderung (Reparatur, Austausch von Komponenten, Erweiterung, Rückbau) im Netz die Kompatibilität und die Einstellungen zu überprüfen und ggf. anzupassen sind.

Verteilung Struktur

Damit das Heizungswasser vom Kessel zu den Heizkörpern gelangen kann wird ein  Rohrnetz benötigt. Der Aufbau des Rohrnetzes ist primär abhängig von der Topologie des Gebäudes. Ziel wäre es die Versorgung auf möglichst kurzen Wegen herzustellen und möglichst alle Heizkörper gleichmäßig zu versorgen. Für diese Aufgaben haben sich in der Vergangenheit sinnvolle Standardstrukturen etabliert.

Das erste wesentliche Entscheidungskriterium ist die Antriebskraft, die das Wasser durch die Rohre treiben soll. Dies kann durch die Schwerkraft erfolgen (Warmes Wasser ist leichter als kaltes Wasser), dann spricht man von einer Schwerkraft Heizung. Damit die Schwerkraft effektiv wirken kann, sind große Leitungsdurchmesser erforderlich und die Topografischen Möglichkeiten sind wie auch die Steuerungsmöglichkeiten eingeschränkt. Man findet diese Heizungen oft noch im Altbau, aber da meist auch schon mit einer Pumpe versehen. Im Neubau spielt die Schwerkraftheizung praktisch keine Rolle mehr.

Bei Pumpenheizungen gibt es das Einrohr oder Zweirohr System. Bei den Zweirohrsystemen ist das Tichelmannsystem eine Besonderheit. Je nachdem ob die primäre Verteilung im Keller oder auf dem Dachboden erfolgt spricht man von unterer oder oberer Verteilung. Sogenannte Strangleitungen oder Steigleitungen erschließen die einzelnen Stockwerke. Innerhalb der Stockwerke sorgt die horizontale Verteilung für die Anbindung der Heizkörper.

Einrohrheizung

Einrohrheizung

Einrohr-Regulierventil

Einrohrheizung mit einstellbarem Bypass:

Für den Anschluss von Heizkörpern an diesen Typ Einrohrsystem gibt es verschiedene Ventilgarnituren. Im Bild links kann mit Hilfe des Regulierventils der Massenstrom zum Heizkörper stufenlos im Bereich zwischen 30-60 % eingestellt werden. Der nächste Heizkörper erhält dann eine Mischtemperatur aus Vorlauftemperatur und interner Heizkörper Rücklauftemperatur.

Bild: IMI Heimeier

Der Vorlauf der Einrohrheizung wird über alle Heizkörper eines Stranges geschleift und vom letzten Heizkörper im Strang zum Kessel zurückgeführt. Der erste Heizkörper wird mit der System-Vorlauftemperatur beschickt. Jeder durchlaufene Heizkörper kühlt das Heizungswasser weiter ab, am letzten Heizkörper wird die System-Rücklautemperatur erreicht. Im einfachsten Fall ist die Einrohrheizung eine einfache Reihenschaltung der Heizkörper. Im hier gezeigten Beispiel wird das System durch eine Bypass Armatur, in der Effektivität merklich verbessert. Die Einrohrheizung kann sich vertikal oder wie oben gezeigt horizontal erstrecken.

Die jeweilige Heizleistung eines Heizkörpers ergibt sich, wie bei anderen Systemen auch, aus der mittleren Übertemperatur des Heizkörpers. Diese nimmt mit zunehmender Entfernung ab, sodass zum Ende hin höhere Volumenströme und/oder größere Heizkörper erforderlich werden. Die Hieraus entstehenden Nachteile:

  • Allgemein höheres Temperaturniveau
  • Höhere Rücklauftemperaturen bei Drosselung einzelner Heizkörper. Heizkörper beeinflussen sich gegenseitig (bei Regelung über Thermostatventile)
  • Auch Im Teillastbereich oder bei ganz abgeriegelten Thermostatventilen immer noch Wasserzirkulation (Anlagen mit Bypass)
  • Geregelt Heizungspumpen müssen auf Konstantdruck eingestellt werden

Führen zu einem um etwa 20 % erhöhten thermischen Leistungsbedarf und um bis zu 70% erhöhtem Strombedarf, sodass die Einrohranlage trotz ihrer günstigen Herstellungskosten  in den Gesamtkosten mit einer 2-Rohr Anlage nicht konkurrenzfähig ist und heute kaum mehr im Wohnungsbau eingesetzt wird.

Zweirohrheizung

Untere-Verteilung

Heizungsverteilung-Tichelmann

Standardverteilung: Parallelschaltung der Heizkörper. Vorverteilung horizontal im Keller auf  verschiedene Steigleitungen. Daran anschließend wo erforderlich eine horizontale Verteilung. Diese Art der Verlegung ist äußerst flexibel und kostengünstig. Sie führt aber auch dazu, dass die Heizkörper an unterschiedlich langen Vor- Rücklaufsträngen hängen. Dies bedingt dann einen speziellen Abgleich der Wasserströme über Heizkörperventile. Auch eine obere Verteilung ist möglich, z.B. sinnvoll bei Schwerkraftheizungen.

Tichelmannverteilung: Diese Art der Verteilung führt zu gleichen Druckverhältnissen an allen Heizkörpern, da die Summenlänge aus Vor und Rücklauf für jeden Heizkörper gleich groß ist. Gleiche Heizkörpergrößen/Leistungen voraus gesetzt ist dann ein weiterer hydraulischer Abgleich nicht nötig. Diese Art der Verlegung führt zu etwas erhöhtem Materialverbrauch. Die Voraussetzung „durchgehend  gleiche Heizkörper“ ist nicht immer realisierbar. Die Tichelmannverteilung wird im Einfamilienhausbau praktisch nicht angewandt. Sinnvoll ist die Anwendung z.B. beim Anschluss eines Solarkollektorenfeldes.

Varianten der unteren Verteilung

Die Verteilung des Heizwassers im Netz kann über verschiedenen Grundschemata erfolgen. Die zu wählende Variante ist abhängig von den im Netz vorgefundenen Komponenten in Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Übergabe. Auch die gewählte Temperatur- Volumenstrom-Regelungsstrategie beeinflusst die Netzkonzeption.

(1) Verteiler ohne Hauptpumpe

Standardfall: Verteilung-ohne-Hauptpumpe mit 2 Strängen

Zwischen Kessel und Verteiler ist keine Pumpe eingebaut, jeder Heizkreis hat seine eigene Pumpe.  Die Pumpen müssen die Kesselkreis- und die jeweiligen Heizkreis-Widerstände überwinden.

Beim Einsatz von Mischern im Heizkreis ist die Wassermenge im Heizkreis konstant, im Kesselkreis variabel

  • Einfache (Kosten günstige) Schaltung. Ist so oft in kleinen Anlagen zu finden
  • Mengenänderungen in einem Heizkreis beeinflussen über den gemeinsamen Kesselkreis den anderen Heizkreis. Daher nur bei geringen Druckverlusten im Kesselkreis anwendbar
  • Bei falscher Dimensionierung der Heizkreisventile kann es zu Fehlzirkulationen kommen.
  • Problemlos immer anwendbar bei nur einem Heizkreis.
  • Anwendbar für Heizungsanlagen mit Versorgung durch Brennwertkessel oder andere Wärmeerzeuger ohne untere Rücklauftemperaturbegrenzung.

(2) Verteilung mit Hauptpumpe / Vorschubpumpe, Druckloser Verteiler

Verteiler mit-Hauptpumpe 2 gemischte Heizkreise Druckloser Verteiler

Wenn der Druckverlust im Kesselkreis durch räumliche Anordnung und/oder durch notwendige Armaturen  6 bis 7 kPa übersteigt muss der Verteiler mit einer eigenen (Vorschubpumpe) versorgt werden. Im Drucklosen Verteiler sind Vor- und Rücklauf direkt miteinander verbunden (Kurzschluss). Die Mischgruppen sollten räumlich zusammengefasst sein.

  • Die Vorschubpumpe muss mindestens die Summe der Volumenströme aller angeschlossenen Heizkreise fördern.
  • Die Beeinflussung der Heizkreise untereinander ist in dieser Schaltung praktisch ausgeschlossen.
  • Die Schaltung stellt einen mindest Kesseldurchfluss sicher und kann eine mindest Rücklauftemperatur garantieren.
  • Angewendet wird diese Lösung für Standard- und Niedertemperaturkessel
  • Nicht empfehlenswert für Brennwertkessel

Heute wird an Stelle des drucklosen Verteilers eine  Hydraulische Weiche eingesetzt, sofern eine hydraulische Entkopplung gefordert ist.

(3) Verteiler mit hydraulischer Weiche

Verteiler mit-Hydraulischer-Weiche 2 Heizkessel 2 gemischte Heizkreise

Die Hydraulische Weiche (HW) realisiert eine hydraulische Trennung zwischen Erzeuger und einem oder mehreren nachgeschalteten Verbraucherkreisen. Eine HW ist keine Systemtrennung.

  • Der Primärkreis muss mindestens auf die maximal Bedingungen (Temperatur, Summen-Volumen) der Verbraucherkreise abgestimmt sein.
  • Die Beeinflussung der Heizkreise untereinander ist in dieser Schaltung ausgeschlossen (vorausgesetzt die Stränge sind nah oder direkt an der Weiche angeschlossen).
  • Mit der HW kann ein mindest Kesseldurchfluss sichergestellt und eine mindest Rücklauftemperatur garantiert werden.
  • geringerer Druckverlust als im drucklosen Verteiler.
  • Anwendung: Bei Kesseln mit begrenztem Volumenstrom (Volumenstrom Kessel < Summen-Volumenstrom Heizkreise), Kessel mit geringem Wasserinhalt, Mehrkesselanlagen, bei unklaren hydraulischen Verhältnissen im nachgeordneten Rohrnetz.

Systemtrennung

(4) Systemtrennung für Fußbodenheizung

(5) Systemtrennung Fußbodenheizung, hydraulischer Weiche

Systemtrennung bei Fußbodenheizungen mit nicht Sauerstoffdichtem Rohr

Hydraulische Weiche, ein Heizkreis mit Systemtrennung

Systemtrennung

Mit einer Systemtrennung (4) erreicht man sowohl eine hydraulische Entkopplung als auch eine Trennung der Wasserkreisläufe in Kessel und Verteilung. Die Trennung erfolgt durch einen Plattenwärmetauscher. Eingesetzt wird diese Art der Entkopplung bei Einbau eines neuen Kessels in Anlagen mit Fußboden-Heizkreisen und Sauerstoff durchlässigen Fußboden-Heizungsrohren (soweit der Kessel-Hersteller es vorschreibt). Derartige Rohre wurden in älteren Fußbodenheizungen eingebaut und können durch den Sauerstoffeintrag zu Korrosions- und/oder Verschlammungs-Schäden am neuen Kessel führen. Diese Schaltung kann auch (soweit der Hersteller es vorschreibt) hinter einer hydraulischen Weiche betrieben werden (5). Das wäre der Fall: max. Kessel-Durchfluss für die Auslegung der Fußbodenheizung zu klein (Abhilfe: hydraulische Weiche) und nicht Sauerstoff dichte Fußboden-Heizungsrohre (Abhilfe Systemtrennung).

Diese Probleme können in der Bestandssanierung mit einem geplanten Kesseltausch auftauchen. Sie müssen nicht zwangsläufig auf die oben beschriebene Weise gelöst werden. Zumeist gibt es andere Kessel (für die Renovierung gleichwertige) die nicht den Einschränkungen unterliegen, die zu derartigen Lösungen zwingen (Heizungsbauer eindringlich befragen). Die Konfiguration (4) und noch mehr die Konfiguration (5) komplizieren die Hydraulik und müssen gut eingestellt werden. Zudem sind sie  teurer und verschwenden mehr Energie (höhere Anzahl von Pumpen, erhöhte Netzwiderstände, höhere Kesselwassertemperaturen).

Eine Systemtrennung findet sich auch bei indirektem Anschluss der Hausstation an Fernwärmeanlagen (da ist sie durchaus sinnvoll)

Rohrnetz

Nennweite DN

Außendurch- messer mm

Wanddicke mm

Zoll

6

10,2

2

1/8

8

13,5

2,35

1/4

10

17,2

2,35

3/8

15

21,3

2,65

1/2

20

26,9

2,65

3/4

25

33,7

3,25

1

32

42,4

3,25

1 1/4

40

48,3

3,25

1 1/2

50

60,3

3,65

2

65

76,1

3,65

2 1/2

80

88,9

4,05

3

100

114,3

4,5

4

Als Rohre im Warmwasser-Verteilnetz werden verschiedene Rohrmaterialien eingesetzt:

  • Stahlrohre: Präzisionsstahlrohre, Gewinderohr, nahtloses Stahlrohr, geschweißtes Stahlrohr. Zur Verbindung werden Stahlrohre geschweißt (außer verzinktem Stahlrohr), gepresst oder geschraubt.
  • Kupferrohre: Nahtlos gezogen, gepresst oder gelötet.
  • Kunststoffrohre: geklebt, geschweißt, Verbindung mit Klemmfittings oder Pressverbindungen mit speziellen Pressfittings. Kunststoffrohre müssen Sauerstoff- diffusionsdicht sein. Sind in alten Fußbodenheizungen noch diffusionsoffene Kunststoffrohre verlegt, ist zumindest bei einem Kesseltausch eine Systemtrennung des Rohrnetzes vom Kessel vorzunehmen, um Korrosion oder Verschlammung des Kessels zu vermeiden.

Dämmung von Rohrleitungen und Armaturen

Zeile

Art der Leitungen/Armaturen

Mindestdicke der Dämmschicht, bezogen auf eine Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/(m·K)

1

Innendurchmesser bis 22 mm

20 mm

2

Innendurchmesser über 22 mm bis 35 mm

30 mm

3

Innendurchmesser über 35 mm bis 100 mm

gleich Innendurchmesser

4

Innendurchmesser über 100 mm

100 mm

5

Leitungen und Armaturen nach den Zeilen 1 bis 4 in Wand- und Deckendurchbrüchen, im Kreuzungsbereich von Leitungen, an Leitungsverbindungsstellen, bei zentralen Leitungsnetzverteilern

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

6

Wärmeverteilungsleitungen nach den Zeilen 1 bis 4, die nach dem 31. Januar 2002 in Bauteilen zwischen beheizten Räumen verschiedener Nutzer verlegt werden

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

7

Leitungen nach Zeile 6 im Fußbodenaufbau

6 mm

8

Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen

6 mm

Nachrüstverpflichtung zur  Wärmedämmung von Rohrleitungen und Armaturen EnEV Text:

Eigentümer von Gebäuden müssen dafür sorgen, dass bei heizungstechnischen Anlagen bisher ungedämmte, zugängliche Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen, die sich nicht in beheizten Räumen befinden, entsprechend nebenstehender Tabelle zur Begrenzung der Wärmeabgabe gedämmt sind.

 

Anmerkung:  Insbesondere die Dämmung von Armaturen wird gern vernachlässigt.

Pumpen

Pumpenkennlinien-Prinzip, Arbeitspunkt, Anlagenkennlinie, Pumpenkennlinie

Pumpeauswahl, Auslegungs-Betriebspunkt

Auch die Pumpenauswahl erfolgt primär für den Auslegungsfall. Die Pumpe muss am kältesten Tag des Jahres dem ungünstigst situierten Heizkörper den erforderlichen Volumenstrom liefern können. Dies ist die Grundlage für die Pumpenauswahl. Nun ist der Auslegungsfall praktisch tatsächlich nie vorhanden, weil die Thermostatventile nicht wie im Auslegungsfall angenommen geöffnet (je nach Auslegung) sind, sondern je nach Situation (Fremdwärme, manuelle Verstellung) zu geänderten Volumenströmen im System führen. Dieses bringt das zuvor gut abgestimmte System durcheinander, sofern die Pumpe sich nicht regelnd anpasst.

 

Das Bild oben links zeigt die prinzipielle Arbeitsweise von Heizungspumpen

    • Die Leistung von Pumpen wird über die Drehzahl geregelt. Kennlinien 1 ist die Kennlinie bei max. Leistung. Kennlinie 2 und 3 sind drehzahlreduzierte Kennlinien. Einstellbare Pumpen ermöglichen über einen Schalter die Einstellung der Leistung (Drehzahl) in Stufen oder stufenlos. Diese Einstellung erfolgt bei Einbau und erstmaligem Abgleich der Anlage. Eine möglichst niedrige Einstellung ist anzustreben (Geräusche, Stromverbrauch, Regelverhalten der Ventile).
    • Wird der Volumenstrom in einem Heizsystem gedrosselt (kleiner) z.B. durch Schließen der Thermostatventile (automatisch oder manuell) erhöht sich der Druck im System, und der Arbeitspunkt  wandert z.B. bei einer Pumpe mit der Kennlinie 1 von A nach b (Volumenstrom halbiert) bzw. c (Volumenstrom geviertelt). Diese Druckerhöhung verschlechtert das Regelverhalten von Thermostatventilen (siehe Bild Hysterese Thermostatventil), verursacht u.U. Fließgeräusche und führt zu stark ansteigendem Stromverbrauch.
    • Elektronisch geregelte (und einstellbare) Pumpen ermöglichen es durch automatische Drehzahlanpassung den Druck konstant zu halten. Einstellbar heißt immer: Auswahl des Leistungs- / Druckbereiches in dem die Pumpe Arbeiten soll. Geregelt bedeutet konstant halten des Differenzdruckes bei unterschiedlichen Volumenströmen im Rahmen der Einstellung (Die geregelte Betriebsweise reduziert Stromverbrauch und Geräusche).
    • Der Volumenstrom den eine Pumpe erzeugt ist direkt proportional zur Drehzahl. Der Druck den eine Pumpe erzeugt ändert sich mit den Quadrat der Drehzahl. Der Leistungsbedarf einer Pumpe ändert sich mit der 3. Potenz der Drehzahl.

Das Bild oben rechts zeigt eine Pumpe neuerer Bauart (Grundfos Alpha 25-60)

    • An der Pumpe kann die gewünschte Kennlinie voreingestellt werden. Diese Pumpe beherrscht “Drehzahl konstant”, “Druck konstant” oder “Proportionaldruck” Kennlinien. Die Auswahl einer Proportionaldruck Kennlinie führt zu einer Druckabnahme bei fallendem Volumenstrom. Dies trägt der Tatsache Rechnung , dass bei geringerem Volumenstrom der Druckverlust im Rohrnetz abnimmt (abhänig von Quadrat der  Fließgeschwindigkeit)
    • Die Pumpe verfügt weiterhin über eine aktivierbare automatische Drehzahlabsenkung während des Absenkbetriebes (Nachtabsenkung, grüne Kennlinie) Neueste Pumpengenerationen können den optimalen Kennlinienbereich auch selbsttätig ermitteln und einstellen.
    • Wilo liefert eine vergleichbare Pumpe (Stratos Pico)  mit einer ähnlichen Dynamik Adapt genannten Funktion. Bei dieser Pumpe lässt sich die Förderhöhe und Konstant- oder Proportionaldruck vorgeben.
    • Pumpen neuerer Bauart können im Anzeige-Feld auch den aktuellen Strom-Verbrauch und Volumenstrom anzeigen. Letzteres ist bei der Einstellung der Anlage recht hilfreich.

Pumpentausch: was ist zu beachten:

    • Alte Pumpen sind Energiefresser. Neue Pumpen verbrauchen schon im Auslegungszustand (Maximaler Volumenstrom) deutlich wenigen als alte Pumpen. (Hocheffizienzpumpen, Energieklasse A)
    • Geregelte Pumpen reduzieren ihre Leistung automatisch bei vermindertem Volumenstrom infolge geringeren Wärmebedarfs durch z.B. Fremdwärme (Sonneneinstrahlung, Kaminofen ..) oder gewollte Absenkung des Temperaturniveaus  am Thermostatventil.
    • Die Einstellung des optimalen Betriebspunktes der Pumpe ist gerade im Altbau u.U. äußerst schwierig. Pumpen neuester Bauart finden den optimalen Betriebspunkt in dem meisten Fällen selbsttätig (AutoAdapt Funktion bei Grundfoss Alpha, oder Dynamic Adapt bei Wilo Stratos Pico).
    • Eingebaute Pumpen (Teil des  Heiz-Kessels) sind oft überdimensioniert (eine Pumpe für alle Typen, für  den ”schlimmsten Fall”€ ausgelegt) auch sind diese Pumpen u.U. Sparversionen mit vermindertem Funktionsumfang. Wenn möglich auf externe Pumpe wechseln. Einige Hersteller liefern Kesselvarianten speziell zum Einsatz mit externer Pumpen.
    • Für  Heizgruppen ohne große Variation des Volumenstromes wie  z.B. Fußbodenheizungen ohne Raumeinfluss sind auch ungeregelte Pumpen ausreichend. Auch Pumpen in  Primärkreisen (Wärmeerzeuger-, Wärmequellen, Solarkreispumpen) sowie  Wasserzirkulations- und Speicherladepumpen sind ungeregelt. Die Drehzahl sollte aber dem Fall entsprechend einstellbar sein.
    • Bei Proportionaldruckregelung ist der Pumpenwirkungsgrad immer besser als bei der Konstantdruckregelung.

Ventile

Ventile lassen sich prinzipiell in 2 Gruppen einteilen:

  • Absperrorgane: Hiermit werden Teile des Verteilnetzes oder einzelne Komponenten vom Netz abgetrennt oder zugeschaltet. Absperrorgane kennen nur die Zustände EIN oder AUS. Beispiele sind: Entleerungsventile, Entlüftungsventile, oder Absperrventile die den problemlosen Austausch von Bauteilen ermöglichen sollen (Heizkörper, Pumpen, einzelne Stränge)
  • Regelorgane: Mit diesen kann die Durchflussmenge und oder der Druck in der Heizwasserverteilung geregelt werden. Dabei stehen Druck und Durchfluss immer in einem definierten Zusammenhang (Kv-Wert). Die meisten Regelorgane kennen über die Zustände  EIN/AUS hinaus auch definierte Zwischenwerte. Der Zusammenhang zwischen Ventileinstellung und Durchfluss wird von den Herstellern in Ventilkennlinien dokumentiert. Regelorgane können manuell eingestellt werden oder Teil einer komplexeren automatischen Regelung sein (siehe Regelung)

Ventil-Kennwerte

kV-Wert (Ventilkoeffizient):

KV-Wert-Berechnungm3/h und bar

KVS-Wert-Berechnung-l/h und Pascal

Berechnung Volumenstrom aus Kv-Wert und Differenzdruck

  • kV-Wert: Ist der Wert den ein Ventil haben muss, um bei einem bestimmten Druck über dem Ventil einen gewünschten  Volumenstrom durch zu lassen . Die Einstellung eines erforderlichen kv-Wertes ist z.B. Bestandteil des Hydraulischen Abgleichs.
  • kVS-Wert: Bezeichnet den Volumenstrom [m3 / h] durch das voll geöffnete Ventil bei einer Druckdifferenz von 1 bar (maximaler Volumenstrom).

Ventilautorität Pv :

Berechnung Ventilautorität

Δpv = Druckabfall über dem Ventil, ΔpR = Druckabfall im Rohrnetz,  ΔpA = Druckabfall der Anlage (im Auslegungszustand = Pumpendruck)

  • Ein Regelventil beeinflusst den Volumenstrom im Netz. Dabei ändern sich auch die Druckverhältnisse im Netz. Bei einem voll geöffneten Ventil ergibt sich über dem Ventil ein Druckabfall Δpv. Dieser Druckabfall geteilt durch den gesamten Druckabfall im Netz (Pumpendruck)  wird als Ventilautorität (Pv) bezeichnet.
  • Um ein gutes Regelverhalten zu gewährleisten sollte die Ventilautorität möglichst hoch sein. Dies setzt voraus, dass der Anlagendruck und damit die Strömungsgeschwindigkeit im Ventil nicht zu hoch sind (auch zur Geräuschvermeidung).
  • In der Praxis geht man von einem max. Differenzdruck von 200 mbar (20000Pa) aus, und einem mindest Druckverlust über dem Ventil von 40 mbar. Der maximale Druckverlust über dem Ventil sollte 150 mbar (15kPa) nicht überschreiten. Dabei muss sich die Ventilautorität in einem Bereich von 0,3 bis 0,7 bewegen. Sind die Drücke in einzelnen Netzsträngen zu hoch, müssen sie strangweise ( oder mit einem Druck unabhägigen Hk-Ventil) reduziert werden (Strangventil / Differenzdruckregler).

Kennlinien /Regelverhalten

Lineare Ventilkennlinie Deformation durch Ventilautorität
Auswirkungen der Ventilautorität und Wärmeleistung-auf Kennlinien
Gleichprozentife-Ventilkennlinie-Deformation- durch Ventilautorität

Regelventile sind so konstruiert, dass der Ventilhub und die damit verbundene Beeinflussung des Volumenstromes in einem definierten Verhältnis zueinander stehen. Dieses Verhältnis beschreibt die Ventilkennline.

  • Bei einem  1:1 Verhältnis von Hub (prozentual) und Volumenstrom (prozentual) bei konstantem Pumpendruck spricht man von einer linearen Kennlinie (2). Diese lineare Kennlinie ist nur dann annähernd linear, wenn der Fließwiderstand des Ventils groß ist gegenüber den übrigen Rohrnetzwiderständen, also eine hohe Ventilautorität Pv hat.
  • Eine gleichprozentige oder logarithmische Kennlinie (3) erhält man, wenn sich  der Hub jeweils um den gleichen Prozentsatz vom vorhergehenden Wert unterscheidet.
  • Stellt man die Kennlinie als das Verhältnis von Ventilhub zu Wärmeleistung eines Heizkörpers dar (1) erkennt man das mit einer gleichprozentigen Kennlinie das beste Regelverhalten erziehlt wird. Dieser Effekt ist auf den nicht linearen Zusammenhang von Massenstrom und Wärmeleistung eines Heizkörpers zurückzuführen (seihe Heizkörperkennlinie). Die Nichtlinearitäten von gleichprozentiger Ventilkenlinie und Heizkörperkennlinie gleichen sich annähernd aus.

Spezielle Ventile

 Volumenstrombegrenzer

Volumenstrombegrenzer / Differenzdruckregler:

Mit Volumenstrom- und Differenzdruckreglern kann abhängig von Volumenstrom  bzw. Differenzdruck die Systemhydraulik beeinflusst werden.

  • Beide Reglertypen steuern den Volumenstrom im Netz /Strang abhängig vom gemessenen Druck / Druckdifferenz.
    • Der Volumenstromregler misst die Druckdifferenz im Ventil über einen definierten Durchflusswiderstand (Blende) und kann daraus auf den Volumenstrom schließen. Dieser Volumenstrom wird mit dem eingestellten Sollwert verglichen und das Ventil wird bei sinkendem Druck (kleiner Volumenstrom) geöffnet, bei höherem Druck geschlossen.(siehe auch Druck unabhängige Heizkörperventile)
    • Der Differenzdruckregler misst die Druckdifferenz über Vor- und Rücklauf. Der Differenzdruck wird mit dem voreingestellten Wert verglichen. Das Ventil schließt bei steigendem Druck und öffnet bei fallendem Druck. Der Druck über der Anlage wird damit konstant gehalten.
  • Diese Ventile können im Vorlauf oder im Rücklauf eingebaut werden. Volumenstromregler sind meist mit Messstutzen ausgestattet die eine exakte Messung des Volumenstromes ermöglichen.

Anwendung dieser Ventile:

  • In Fernwärme-Übergabestationen zur Begrenzung des Volumenstroms auf den Anschlusswert und zur Druckanpassung. Diese Funktionen sind dort in der Regel in einer Armatur zusammengefasst (Einbau im Rücklauf)
  • Differenzdruckregler können in Zusammenhang mit dem hydraulischen Abgleich eingesetzt werden, wenn ungeregelte Pumpen zum Einsatz kommen, oder wenn Stränge mit unterschiedlichen Druckverlusten von einer Pumpe versorgt werden und um Beeinflussungen zwischen den Strängen bei Massenstromänderungen in den Strängen zu vermeiden.

Volumenstromregler Prizipschaltung Funktion

Differenzdruckregler

Differenzdruckregler Prizipschaltung Funktion

Überströmventil Einbauvariante A

Überströmventil Einbauvariante B

Überströmventil

Ein Überströmventil ist ein Feder-belastetes Ventil, das sich ab einem voreinstellbaren Druck öffnet. Die Öffnungsweite ist proportional zum abzubauenden Überdruck.

  • Ein Überströmventil soll bei schließenden Thermostaventilen einen zu starken Druckanstieg infolge ungeregelter Pumpe vermeiden (kostet Pumpenstrom und kann zu unangenehmen Fließgeräuschen im Thermostatventil  führen).
  • bei Kesseln die einen Mindestvolumenstrom erfordern, diesen Mindestvolumenstrom sicherstellen.

Diese Art der Problemlösung hat einige Nachteile. Einbauvariante A führt zu einer Rücklaufanhebung des Kesselwassers (nicht gut für Brennwert-Einsatz). Zudem steigt der Druck über dem Überströmventil  proportional zum überströmenden Volumenstrom, was wiederum zur Druckerhöhung führt.

Einbauvariante B vermeidet die Rücklaufanhebung, kann aber keinen Mindestvolumenstrom sicherstellen (bei alten Kesseln u.U. unabdingbar).

Zu beachten bei Sanierungen:

  • Generell Überströmventil entfernen und Einsatz einer geregelten Pumpe
  • Bei Kesselanforderungen nach Mindestrücklauftemperatur oder Mindestvolumenstrom Einsatz einer hydraulischen Weiche erwägen.

Ueberströmventil-Einbausituation-A,  über Verbraucherstrang

Ueberströmventil-Einbausituation-B, über Pumpe

Bypass Einsatzbeispiel

Bypass

Das Einsatzbeispiel zum Bypass zeigt eine Anlage die sowohl Heizkörper als auch eine Fußbodenheizung bedient. Die Vorlauftemperatur des Kessels richtet sich nach dem Bedarf des Heizkörperstranges. Diese Vorlauftemperatur ist für die Fußbodenheizung zu hoch, sie wird durch den Mischer auf das benötigte niedrigere Niveau gebracht. Der Mischer müsste nun schon im Auslegungsfall die Vorlauftemperatur des Kessels von 60 auf 40 oC runtermischen. Damit kann nur noch ein Teil des Regelbereichs des Mischers für seine eigentliche Aufgabe (Regelung der Vorlauftemperatur im Bereich von 20 bis 40 oC genutzt werden. Die Aufgabe der  60 -> 40 Anpassung übernimmt das Ventil im Bypass. Dieses ist so eingestellt, dass  sich im Auslegungszustand und voll geöffnetem Mischer am Bypass-Mischpunkt eine Temperatur von 40 oC einstellt.

Anwendung-Bypassventil, feste Beimischung

Hydraulische Weiche

Beispielkonfiguration mit hydraulischer Weiche

Bild einer hydraulischen Weiche mit integriertem Verteiler

Hydraulische-Weiche: Betriebszustände, Regelung,

Hydraulische Weiche kombiniert mit Verteiler

 

Weiche kombiniert mit

2 Kreis Verteiler und interner Verbindung zwischen Weiche und Verteiler

Quelle: Sinus Verteiler

Eine Hydraulische Weiche ist ein, im Verhältnis zum Querschnitt der Anschlussrohre, großes Rohr das den Kesselkreis mit den Verbraucherkreisen praktisch ohne Druckverlust verbindet. Die Weiche dient der Entkopplung von Kesselkreis und Verbraucherkreisen, sodass Druckveränderungen in den einzelnen Kreisen keine Rückwirkung auf die anderen Kreise (Kessel- und Verbraucherkreise) haben.

Dies setzt voraus, dass auch der Verteiler geringe Druckverluste aufweist und nah an der Weiche positioniert ist (Verteiler und Weiche bilden oft eine kompakte Einheit, siehe Bild oben).

Da in der Weiche geringe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen, ist die Weiche auch gut als Ort für Schlammfänger und Mikroblasenabscheider geeignet. Einige Anbieter liefern entsprechend ausgerüstete Weichen.

 

Die Weiche kann je nach herrschenden Volumenstromverhältnissen 3 unterschiedliche Betriebszustände annehmen.

  • (1) Volumenstrom im Kesselkreis ist gleich dem Summenvolumenstrom der Verbraucherkreise. In diesem Fall passieren Vor- und Rücklauf die Weiche ohne jegliche Vermischung. (T1 = T2 / T3 = T4).
  • (2) Der Volumenstrom im Kesselkreis ist größer als der Volumenstrom im Verbraucherkreis. Der „überschüssige“ Volumenstrom wird zum Kesselkreis zurückgeleitet, er vermischt sich mit dem Verbraucherrücklauf (T1 = T2 / T3 > T4 ).
  • (3) Der Volumenstrom im Kesselkreis ist kleiner als der Volumenstrom im Verbraucherkreis. Der „überschüssige“ Rücklauf-Volumenstrom des Verbraucherkreises wird zum Vorlauf des Verbraucherkreises zurückgeleitet, er vermischt sich mit dem Kesselvorlaufwasser (T1 > T2 / T3 = T4)

Zu (1):Dieses ist der normale Auslegungszustand. In der Beispielkonfiguration oben wird die Kesseltemperatur über die Heizkurve für den Radiatorheizkreis bestimmt (gleitende Vorlauftemperatur, Regelkreis A). Der Fußbodenheizkreis wird über den Mischer geregelt (Regelkreis B).

Zu (2) Wird im Verbraucherkreis der Volumenstrom gedrosselt, z.B durch die Thermostatventile, wird das „überschüssige“ Vorlaufwasser zum Kessel zurückgeführt. Es kommt zur Anhebung der Rücklauftemperatur. Die Vorlauftemperatur bleibt konstant. Dieser mit Brennwertkesseln unerwünschte Effekt ließe sich nur durch eine Anpassung des Volumenstroms der Primärseite an den der Sekundärseite vermeiden (Primärkreis wird mengenvariabel).

Zu (3) Dieser Fall sollte eigentlich nicht vorkommen, er wird aber gezielt eingesetzt, wenn der Kessel für den sekundärseitig benötigten Volumenstrom zu klein ist, und/oder wenn die im Kessel verbaute Pumpe den erforderlichen Volumenstrom nicht schafft. In diesem Fall fährt der Kessel mit erhöhter Übertemperatur und gleicht damit das Leistungsdefizit aus. Die Weiche wirkt dann wie ein Mischer.

Übergabe

Heizkörper

Heizkörper werden in den unterschiedlichsten Ausführungen angeboten. Die Wesentlichen Typen sind:

  • Radiatoren sind genormte Heizkörperelemente. Die Wärmeübergabe erfolgt durch Strahlung und Konvektion:
    • Gliederheizkörper: In Guss- (hohe Lebensdauer, schwer) oder Stahlblechausführung, unterschiedlicher Breite, Tiefe und Gliederanzahl
    • Plattenheizkörper: Stahlblech mit 1 bis 3 Platten, mit und ohne Konvektionsblechen, glatt oder profiliert, unterschiedlichen Breite, Höhe, Tiefe. Mit Plattenheizkörpern lassen sich bei gleichen Abmessungen höhere Heizleistungen als mit Gliederheizkörpern erzielen.
  • Konvektoren: Sind Heizrohre mit aufgesetzten Lamellen. Sie entfalten ihre Wirkung fast ausschließlich durch Konvektion. Hierzu ist ein Einbau erforderlich der eine Luftumwälzung ermöglicht (Einbau in Nische, Unterflurschacht , Fußbodenleiste, hinter Verkleidungen). Die Luftumwälzung kann  durch die enstehende Thermik (Kamineffekt) natürlich erfolgen oder durch Zwangsumwälzung mittels Ventilator. An Konvektoren lagert sich leicht Staub ab -> säubern vor jeder Heizperiode.
  • Sonderbauformen z.B spez. Badheizkörper

Auslegung von Heizkörpern

Für die Auswahl der Heizkörpergröße ist die Kenntnis von Raumheizlast und Systemtemperaturen (Vor- Rücklauf) erforderlich.

Hierzu bieten die Hersteller Listen die die Standard Heizlast bei unterschiedlichen Systemtemperaturen angeben. Dies sind in der Regel (Vorlauftemp./Rücklauftemp./Raumtemp. : 75/65/20 (Normheizlast) und oft auch für 70/55/20 oder 55/45/20              .

Sollen Systemtemperaturen anders als die Normtemperatur (75/65/20) verwendet werden, ist eine Umrechnung nach nebenstehender Formel möglich. Die Heizkörperübertemperatur ΔT gibt an, um wieviel Grad (im Mittel) der Heizkörper wärmer ist als der Raum. Der Heizkörperexponent findet sich in den Hersteller Unterlagen. Typische Exponenten sind:

  • Fußbodenheizungen = 1,1
  • Plattenheizkörpern = 1,2 bis 1,3
  • Handtuchradiatoren = 1,2 bis 1,3
  • Konvektoren n = 1,3 bis 1,5

Eine ungünstige Einbauposition kann die Leistung eines Heizkörpers schmälern.

  • Mindestabstände nicht eingehalten (zur Wand 50mm zum Boden 100mm)
  • Einbau in Heizkörpernischen, unter Fensterbänken, hinter Verkleidungen, Vorhängen, Gardienen

Die Art des Anschlusses (Vorlauf / Rücklauf) kann die Leistung beeinflussen

  • Die ausgewiesene Leistung gilt für den Standardanschluss (einseitig, Vorlauf oben Rücklauf unten)
  • Abweichende Montage kann zu Leistungsminderungen bis zu 20% führen sofern der Anbieter eine andere Anschlußart nicht separat ausgewiesen oder als gleichwertig deklariert hat.

Das Verhältnis Spreizung zur maximal auftretenden Temperaturdifferenz wird als Wärmeübertragerkennwert a bezeichnet (Siehe Formel rechts)

 

Heizkörper in Räumen die ans Erdreich grenzen bei Außentemperatur geführter Vorlauftemperatur:

Werden Heizkörper für Räume die ans Erdreich grenzen (Keller) entsprechend Heizlastberechnung ausgelegt, kann es in der Übergangszeit zu einer Unterversorgung kommen. In der Übergangszeit (knapp unterhalb der Heizgrenze) kann es dazu kommen, dass die Luft z.B schon 14oC aufweist (bei entsprechend gesenkter Vorlauftemperatur), die Außenwände des Kellers aber auf Grund der langsamen Bodenerwärmung noch nicht vergleichbar nachgezogen haben

Umrechnung Normheizlast eines Heizkörpers auf konkrete  Temperaturbedingungen

Φ = zu ermittelnde Wärmeleistung

ΦSL= Katalogwärmeleistung

ΔT = Betriebsbedingungen, die der Umrechnung zugrunde liegt

ΔTn = Normübertemperatur

n = Heizkörperexponent

 

Berechnung der Übertemperatur eines Heizkörpers

 

ΔT = Heizkörperübertemperatur (arithmetische)

TV =Vorlauftemperatur

TR =Rücklauftemperatur

Ti = Raumtemperatur (innen)

 

Wärmeübertragerkenwert eines Heizkörpers

 

a = Wärmeübertragerkennwert

Heizkörper Kennlinie  Verformung durch Wärmeübetragerkennwert

Bei Auslegungs-Rücklauftemperatur = Raumtemperatur ist die Heizkörperkennlinie eine Gerade (a = 1, theoretischer Fall)

Der Verlauf der Kennlinien zeigt, dass bei kleiner werdenden a-Werten  (kleinere Spreizung, kleinere Vorlauftemperatur) die Beeinflussbarkeit der Heizleistung durch Volumenstromregelung abnimmt.

Der Wärmeübertragerkennwert ist damit ein Maß für die Regelbarkeit der Heizflächenleistung durch Volumenstromänderungen (Ventile).

In Systemen mit geringem Wärmeübertragerkennwert (z. B. Auslegung auf 60/50 °C, a=0,25) bedeutet eine Volumenstromänderung praktisch keine Leistungsänderung. Die Heizflächen lassen sich daher in solchen Fällen durch die Heizkörperventile verhältnismäßig schlecht regeln. Andererseits werden in Netzen mit geringen Wärmeübertragerkennwerten die Auswirkungen hydraulischer Fehler vermindert spürbar.  Auch bei großen Volumenstrom-Schwankungen (z.B. fehlender Hydraulischer Abgleich) geben Heizkörper annähernd die gleiche Leistung ab.

Für eine Regelung über weite Bereiche bietet sich daher eine Regelung über die Vorlauftemperatur an, mit der über den ganzen Temperaturbereich zuverlässig und genau geregelt werden kann (siehe Heizkurve)

Flächenheizung

 

 

 

Brauchwasserbereitung

  • Wasserhärte
  • kombitherme (Verluste des speichers, untergestellt, wandhängend Wärmetauscher. Schichtspeicher
  • Temperaturniveau
  • Legionellen
  • Zirkulation
  • Frischwasserstation

Druckhaltung im System

  • Dichtes Rohrnetz
  • Luft im System
  • Ausgleichsbehalter

Heizwasseraufbereitung

  • Wasserhärte, Ph-Wert, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt
  • Steinbildung, Korrosionsschäden, Luft, Schlamm
  • Abscheider
  • Wasseraufbereitung
    • Entsalzung
    • Enthärtung
    • Ph-Wert Stabilisierung
    • Erstbefüllung
    • Nachspeisung
  • Systemtrennung
  • Reinigung, Spülung
  • VE-Wasser

Gebäude mit geringem Heizleistungsbedarf

 

Rechtlicher Hinweis: Alle Angaben sind nach bestem Wissen und sorgfältiger Recherche erfolgt. Irrtümer oder Tippfehler sind aber nicht vollständig auszuschließen. Für unvollständige, fehlerhafte oder nicht aktuelle Angaben übernehmen wir daher keine Haftung.

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