Effiziente Anlagen-Technik,erneuerbare Energien

Die Bundesregierung hat sich (uns) im Rahmen des Klimaschutzes das Ziel gesetzt den CO₂ Ausstoß bis 2020 um 40 %  gegenüber 1990 zu senken. Dies ist möglich, wenn wir aus der Energie, die wir nutzen das Bestmögliche herausholen (effiziente Anlagentechnik), Energie sparen, und den Einsatz erneuerbarer Energien ausbauen.

Auf dieser Seite

• Erneuerbare Energien erneuerbar, unerschöpflich
• Effiziente Anlagentechnik
• Energie sparen: allgemeine Hinweise
• Wirkungsgrad
• Feuerungstechnischer Wirkungsgrad, Kesselwirkungsgrad, Jahresnutzungsgrad, Normnutzungsgrad
• Brennwerttechnik
• Heizwert / Brennwert, Brennwertnutzung
• Heizungsanlagen Auslegung
• Optimierung von Bestandsanlagen
• Generelles Vorgehen
• Anlagenauslegung, Heizlast, Vorlauf- Rücklauftemperatur, Spreizung
• Heizkörperauswahl, Volumenstrom, Wärmebedarf
• Thermostatventile, kv-Wert, Proportionalbereich, Kennlinien
• Heizungspumpen, Pumpenkennlinien, Regelung, Leistungsbedarf
• Rohrnetz Berechnung, Hydraulischer Abgleich
• Heizkurvenoptimierung, Parallelverschiebung, Steilheit

Erneuerbare Energien (EE)

effiziente Anlagentechnik

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 tut.

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.

erneuerbar

unerschöpflich

erneuerbar

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 2007 5,2%. 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, direkt genutzt als Wärme- (Solarthermie) oder Elektrizitätsquelle (Photovoltaik), oder indirekt als:
• Wind
• erwärmtes Wasser
• oberflächlich erwärmte Erde (oberflächennahe Geothermie)
• Wärme des Erdkernes (Tiefengeothermie)

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 eigeschlossen) Quelle: BMU

Biomasse wird zur Wärmeerzeugung mit speziell angepassten Heizkesseln eingesetzt. Diese Kessel sind mittlerweile sowohl im Wärme- Erzeugungsprozess als auch in der Handhabung äußerst effizient . Wirkungsgrad um die 90% (Pellet Brennwertkessel >95%)

Die Sonnenenergie wird zwecks Wärmeerzeugung in Solarthermie Anlagen in nutzbare Wärme umgesetzt bzw durch Photovoltaik Anlagen in elektrische Energie umgewandelt.

Oberflächennahe Erdwärme, Wärme des Grundwassers und Wärme der Luft  machen Wärmepumpen für Heizzwecke nutzbar.

Effizienz ist trotz kostenloser Primärenergie auch hier ein Thema. Nur effiziente Anlagen  sind aus wirtschaftlicher Sicht konkurrenzfähig.

Auch die etablierte Technik zur Nutzung fossiler Energien hat über die Jahre erhebliche Fortschritte in Richtung Effizienzerhöhung gemacht (z.B.: Brennwerttechnik), sodass ein einfacher Austausch des Heizkessels schon zu erheblichen Einsparungen führt. Auch ”Kleinteile” der Anlagentechnik z.B.: Pumpen, Regeleinrichtungen haben Effizienzsprünge vollzogen, die in vielen Fällen einen Austausch nahe legen.

Energie Sparen: Die billigste und umweltfreundlichste Energie ist die Energie die man nicht verbraucht

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) 1^oC geringere Vorlauftemperatur bringt etwa 1,5% Energieersparnis
• Angepasste Kesseltemperaturen (Witterungsgeführte Regelung)
• Niedrige Raumtemperaturen (Senkung um 1^oC bringt ~ 6% Energieeinsparung)
• Raumweise Temperaturregelung (nicht jeder Raum braucht die gleiche Temperatur), zeitgesteuerte 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 Überrgabe:
• Zugängliche Verteilleitungen dämmen (insbesondere im unbeheizten Bereich)
• Ersatz alter Thermostatventile (älter als 15 Jahre) oder erstmaliger Einbau; Thermostatventile mit Zeitsteuerung
• Hydraulischer Abgleich der Anlage (z.B. in Verbindung mit Austausch Heizkörper oder Ventile oder als Einzelmaßnahme wenn Voraussetzungen vorhanden
• 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.

Alle diese Maßnahmen amortisieren sich kurzzeitig bei überschaubarem Aufwand.

Wirkungsgrad

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Dieser Wirkungsgrad hat für die Praxis die geringste 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 Wärme)

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.

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

• Der Heizwert H_i (i -> inferior) bezeichnet die bei einer vollständigen Verbrennung freiwerdenden Wärmemenge, wenn das dabei entstehende Wasser dampfförmig abgeführt wird.
• Der Brennwert H_s (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.

• 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)

Nutzungsgrade

A

Gas-Brennwerkessel 40/30^oC

B

Gas-Brennwerkessel 75/60^oC

C

Niedertemperatur Heiz- kessel (ohne untere Temperaturbegrenzung)

D

Heizkessel Baujahr 1987 (untere Temperaturbegrenzung: 40^oC)

E

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

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.

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 47^oC, Gas 57^oC. Die Taupunkttemperaturen sind zudem abhängig vom CO₂ Gehalt des Abgases. Brennwertkessel müssen mit hohem CO₂ Gehalt bzw. geringem Luftüberschuss betrieben werden.

Rücklauftemperatur:

Im Brennnwertkessel 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.

Brennwertkessel in der Sanierung

• Wenn die Wahlmöglichkeit besteht ist aus wirtschaftlicher Sicht ein Gas- Brennwertkessel zu empfehlen (Höherer Normnutzungsgrad, deutlich geringerer Preis, keine Kondensatneutralisation erforderlich).
• 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.
• Zur Sicherstellung eines optimalen Brennwertnutzung ist die Hydraulik einer Bestandsanlage sorgfältig zu prüfen und ggf. anzupassen (keine Vierwegeventile, größere Heizkreisspreizung ……)
• Beim Umstieg auf Brennwerttechnik ist in der Regel eine Sanierung der Abgasanlage erforderlich.

Heizöl ELnach 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. Keine Kondensat Neutralisierung erforderlich (Anlagen unter 200kW ). Mineralölsteuer ist um 1,5 Cent geringer als bei EL Standard.
• Heizöl EL Premium (Handelsname ,auch  Zusatz Super gebräuchlich) : Ist Heizöl EL Standard mit Zusätzen zur Verbessrung des Geruchs, der Lagerstabilität und möglicherweise einer saubereren Verbrennung.

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

Optimierung von Bestandsanlagen: Grundlagen, Hinweise

Motivation, generelles Vorgehen

Situation im Bestand

Generelles Vorgehen

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 mit 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.

Um die Auswirkungen von Veränderungen am Gebäude oder an Komponenten der Heizungsanlage beurteilenzu können, ist ein Verständnis der Zusammenhänge zwischen Gebäude, Kessel, Rohrnetz, Pumpen, Ventilen,  Einrichtungen zur Heizwärmeübergabe und der Regelung der Heizanlage unabdingbar. Diese Zusammenhänge sollen im Folgenden erläutert werden.

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

• Berechnung der erforderlichen Heizleistung und des Wärmebedarfs für jeden Raum des Gebäudes (beinhaltet auch die Festlegung der Raum- und der tiefsten Außentemperatur).
• Auswahl der Heizungsanlage:
• Kessel (Gas/ÖL/Biomasse-Kessel, Wärmepumpe, Thermische-Solarunterstützung, BHKW, Lüftungs- Klimaanlage...)
• Wärmeübergabe (Radiatoren, Flächenheizungen ...)
• Festlegung der Auslegungstemperaturen (Vor- RücKlauftemperatur entssprechend Anlagenauswahl)
• Auswahl der Heizkörper bzw. Berechnung der Flächenheizung und der resultierenden Volumen- Massenströme.
• Rohrnetzberechnung, Pumpenauswahl
• Ventilauswahl und -Einstellung.
• Einstellung der Regelung (Heizkurve)

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

Die Ausführungen beziehen sich im wesentlichen auf einfache  kleine Anlagen ein Heizkreis oder 1 Pumpe pro Heizkreis. Bei größeren Anlagen ist analog zu verfahren.

Anlagenauslegung

Die Grafik zeigt für einen Heizkörper (Normwärmeleistung 1KW) verschiedene Kombinationen von Vor- Rücklauftemperaturen die alle zu der gleichen Heizkörperleistung (0,52kW) aber unterschiedlichen Volumenströmen führen.

• Heizlast : Eine Heizungsanlage muss auch am kältesten Tag des Jahres  die Beheizung eines Gebäudes für die gewünschte Innentemperatur und Warmwassermenge sicherstellen. Hierfür muss die Anlage eine bestimmte maximale Leistung (kW, Kilowatt) erbringen. Diese Leistung wird als Heizlast bezeichnet. Die Höhe der Heizlast ist im Wesentlichen abhängig von:
• Der Qualität der Gebäudehülle (Transmissionsverluste, Lüftungsverluste)
• Der niedrigsten Außentemperatur im Jahr und der Innentemperatur.
• Dem Warmwasser Bedarf
• Heizwärmebedarf: Nun läuft eine Heizung nicht während des ganzen Jahres mit der Höchstleistung sondern je nach Außentemperatur wird mehr oder weniger Energie verbraucht. 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
• Vorlauftemperatur: Dies ist die Temperatur auf die die Heizungsanlage des Heizwasser erwärmt und zu den Heizkörpern schickt.
• Rücklauftemperatur: Dies ist die Temperatur mit der das  Heizwasser nach Wärmeabgabe in den Heizkörpern zur Heizanlage zurückkehrt.
• 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 bei  ca. +4°C und Normaldruck. Die Masse und damit der Massenstrom  sind unabhängig von Druck und Temperatur.

• Auslegungstemperaturen: Die Dimensionierung einer Anlage erfolgt für den Auslegungsfall. Dieses ist der kälteste Tag im Jahr (regional unterschiedlich), für diesen wird der Wärmebedarf ermittelt und für diesen Fall werden die Auslegungstemperaturen (Vor-, Rücklauf- und Raumtemperatur) festgelegt.
• Grundsätzlich ist ein niedriges Temperaturniveau in der Heizanlage zu bevorzugen (geringe Verluste). Zudem erfordern neuere Technologien niedrige Vorlauftemperaturen, wenn sie optimal arbeiten sollen (Thermische  Solaranlagen, Wärmepumpen, Brennwertkessel).
• Bei gleichem Heizwärmebedarf ermöglichen große Heizflächen (Fußboden, Wand/Deckenheizungen) niedrigere Vorlauftemperaturen.
• Bei reduziertem Heizwärmebedarf (z.B.: nachträgliche Dämmung des Gebäudes) kann bei gleicher Heizflächengröße die Vorlauftemperatur gesenkt werden.
• Eine bestimmte (gleiche) Leistung eines Heizkörpers bzw. Systems kann mit unterschiedlichen Spreizungen erreicht werden.
• Eine Erhöhung der Spreizung hat eine Verminderung des Volumenstromes zur Folge (kleinere Pumpengröße).
• Verminderung der Spreizung führt zu erhöhten Volumenstrom (größere Pumpe),
• In der Praxis ergeben sich sinnvolle  Auslegungswerte aus dem Wärmebedarf des Gebäudes, dem eingesetzten Kessel und der Form der Wärmeübergabe. Je nach Heizsystem sind Spreizungen von 10 (Niedertemperatur) bis 25 Grad (Hochtemperatur) üblich.
• Übliche Vorlauf- Rücklauftemperaturen sind: Alte Anlagen (Schwerkraft) 90/70, Niedertemperatur Radiatorenheizungen 65/45 bis 50/40, Fußboden- Wandheizungen 40/30 bis 30/25.
• Überschlägige Berechnung der Heizlast aus dem Öl/Gas Verbrauch :
• Möglichkeit a: Heizlast [kW] incl. Warmwasser = Verbrauch [l Öl, m³ Gas] / Faktor  (Faktor für ÖL=300, für Gas=280)
• Möglichkeit b: Heizlast [kW] = Verbrauch [l Öl, m³ Gas] * Wirkungsgrad * 10 / 1800 (Wirkungsgrad = Wirkungsgrad Brenner)

Wärmebedarf, Heizkörperauswahl, Volumenstrom

• Heizkörperauswahl:
• Basis für die Heizkörperauswahl ist die Berechnung des Wärmebedarfs eines jeden Raumes im Auslegungsfall
• Aus Tabellen der Hersteller lässt sich dann der benötigte Heizkörper je Raum mit der erforderlichen Leistung (einer oder mehrere) für die gewünschte Auslegungstemperatur ermitteln.
• Volumenstrom:
• Aus Heizkörperleistung und Temperaturdifferenz zwischen Vor- Rücklauf lässt sich die Wassermenge (Volumenstrom/Massenstrom) ermitteln die zur Erreichung der Heizkörperleistung benötigt wird (siehe Formel links).
• Damit dieser Volumenstrom im Heizkörper entsteht muss zwischen Vor- und Rücklauf eine bestimmte Druckdifferenz bestehen. Diese Druckdifferenz muss durch die Heizkreispumpe geliefert werden.
• Temperaturregelung: Es gibt zwei Möglichkeiten die Leistung des Heizkörpers zu regeln:
• Veränderung der Vorlauftemperatur, z.B.: durch eine Außentemperatur geführte Vorlauftemperatur (je geringer die Außentemperatur je höher die Vorlauftemperatur, siehe Heizkennlinie)
• Veränderung des Volumen-/Massenstroms  durch das Heizkörperventil.

Als Vorgaben für den weiteren Planungsprozess liefert dieser Schritt die benötigten Volumenströme

Formel zur Berechnung des Volumenstromes

Die Heizkörperleistung wird für den Auslegungszustand (kältester Tag, Wärmebedarf des Raumes, Heizkesselauslegung) festgelegt. Bauliche Veränderungen (Erweiterung, Rückbau, anderer Raumschnitt, Dämmmaßnahmen, geänderte Nutzung von Räumen, Umstieg von Radiatoren auf Fußbodenheizung, Heizkesseltausch,..) machen eine Neuberechnung / Neueinstellung u.U der gesamten Heizungsanlage erforderlich.

Thermostatventile

Formel zur Berechnung des  k_V - Wertes

Beispiel: Thermostatventil Oberteil VHF von Heimeier mit 6 Feineinstellbereichen (die Kurven stellen jeweils den oberen Wert der Stufe dar).

Thermostatkopf

Thermostatventil Unterteil einstellbar

Einstellmechanismus Detail

Zur Temperaturregelung  in Heizanlagen mit Heizkörpern werden heute ausschließlich Thermostatventile eingesetzt. Thermostatventile regeln den Volumenstrom durch einen Heizkörper abhängig von einer am Thermostatkopf eingestellten Temperatur. Zusätzlich sind Thermostatventile mit einer Voreinstellung versehen, die den maximal möglichen Volumenstrom einschränken kann. Diese Voreinstellung wird für den hydraulischen Abgleich benötigt.

Fußbodenheizungen können mit Temperaturfühlern je Raum ausgestattet werden, die auf die jeweiligen Regelventile im Heizkreisverteiler wirken.

Begriffe im Zusammenhang mit Thermostatventilen:

• k_VS-Wert: Bezeichnet den Volumenstrom [m³ / h] durch das voll geöffnete Ventil bei einer Druckdifferenz von 1 bar (maximaler Volumenstrom). Dieser kann bei gegebenem Ventil durch die Voreinstellung vermindert werden.
• k_V-Wert: Ist der Wert den ein Ventil haben muss, um bei einem bestimmten Druck über dem Ventil einen gewünschten  Volumenstrom durch zu lassen (siehe Formel oben). Die Einstellung des erforderlichen kv-Wertes ist Bestandteil des Hydraulischen Abgleichs.
• Proportionalbereich/Regeldifferenz x_p: Ein Thermostatventil benötigt zum Schließen eine Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der am Thermostatkopf eingestellten Temperatur. Diese Temperaturdifferenz (Regeldifferenz) wird auch als Auslegungsproportionalbereich bezeichnet (Bild links zeigt die Regelcharakteristik eines Ventils bei einem Auslegungsproportionalbereich von 2K). Der Begriff Auslegungsproportionalbereich drückt aus, dass die Regeldifferenz keine Produkteigenschaft des Ventils oder des Thermostatkopfes ist, sondern aus der Auslegung des Rohrnetzes resultiert. Das Bild rechts oben zeigt die Kennlinien eines Thermostatventils mit den 6 möglichen Voreinstellungen. Bei einer Voreinstellung auf 6 und einem kv Wert von 0,316 würde sich eine Regeldifferenz von 2K einstellen. Betrüge der  der kvs Wert des Ventils 0,215 wäre die Regeldifferenz 1K.. Eine geringe Regeldifferenz kommt dadurch zu Stande, dass das Ventil im Auslegungszustand der Anlage schon mehr oder weniger geschlossen ist.

Ausgangspunkt der Ventilauswahl ist aber der bei der Rohrnetzberechnung ermittelte kv-Wert. Bei z.B. vorgegebenem kv-Wert von 1,5 würde bei einer 2K Auslegung die Voreinstellung 5 ausgewählt, und es  würde sich eine reale Regeldifferenz von ca. 1K einstellen. Bei einer 1K Auslegung würde die Voreinstellung 6 ausgewählt ,es würde sich eine Regeldifferenz von ca. 0,6K einstellen. Siehe Bild oben rechts, braune Pfeile

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 oben links)  ist je nach verwendetem Füllmittel des Thermostaten unterschiedlich groß .
• Die Anlagenauslegung/Abstimmung ist u.U., entscheidend für das Regelverhalten des Thermostaten
• Differenzdruck über dem Thermostatventil (siehe Bild oben links) sollte 100mbar nicht überschreiten)
• Witterungsbedingte Vorregelung der Vorlauftemperatur ist unabdingbar (unter 50% Wärmeleistung ist keine stetige Regelung mit dem Thermostatventil mehr möglich)
• Auswahl des passenden Ventils
• Richtige Basisgröße (Grund kv Wert). Die meisten Hersteller haben 2 Größen (für Ein- / Zweifamilienhäuser) im Angebot
• Ventiloberteil mit Einstellmöglichkeit (Voreinstellung, Feineinstellung)

Heizungspumpen

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. So wandert der Arbeitspunkt bei einer Pumpe mit der Kennlinie 1 von A nach b (Volumenstrom halbiert) bzw. c (Volumenstrom gevierteilt). 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 das Druckniveau voreingestellt werden, die Regelungsart 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.

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 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 selbsttätig.
• Eingebaute Pumpen (Teil des Heiz-Kessels) sind oft überdimensioniert (eine Pumpe für alle Typen, für “schlimmsten Fall” ausgelegt). Wenn möglich auf externe Pumpe wechseln.
• Für Heizgruppen ohne große Variation des Volumenstromes wie Fußbodenheizungen ohne Thermostatventile (für niedrige Vorlauftemperatur ausgelegt) 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.

Rohrnetz / Hydraulischer Abgleich

• Ausgehend von einem angenommenen Förderdruck der Pumpe kann über die Druckverluste des Rohnetzes der jeweils über den Ventilen anliegende Druck ermittelt werden. Im Beispiel 42,4  35,00 und 27,5 mbar. Die Solldrücke zur Erzielung des  zur Heizleistung erforderlichen Massenstroms sind allerdings mit 26,78  2,41  und 4,28 mbar geringer. Die Druckdifferenz zwischen Ist und Soll müssen zur Erzielung des Auslegungs Massenstroms durch Reduzierung des Durchflusses an den Ventilen abgebaut werden . Hierzu ist die Voreinstellung der Ventile auf die Werte  6,  4, 5  erforderlich.
• Der 1kW Heizkörper hat den kleinsten Drucküberschuss (ungünstigster Heizkörper). Aber auch eine Pumpe mit 40 mbar Förderdruck (gestrichelte Linie) würde ihn noch ausreichend versorgen.
• Ein neues innovatives Konzept arbeitet mit einer Minipumpe je Heizkörper. Dabei wird die Durchflussmenge (Pumpendrehzahl) über einen programmierbaren  Raumthermostaten geregelt. Dies erspart die Thermostatventile und den hydraulischen Abgleich.(WILO)

Basis Bild oben: Auslegungsproportionalbereich 2K, Widerstände von Kessel und Heizkörper vernachlässigt, Rohrnetzwiderstand (Druckabfall im Rohrnetz) = 1,5 mbar/m (üblicher Näherungswert Vor + Rücklauf), Ventildaten von: Thermostatventil Oberteil VHF von Heimeier mit 6 Feineinstellbereichen.

Heizkurven

• 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.

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 links). Damit wird bei allen Außentemperaturen die Vorlauftemperatur und damit die Raumtemperatur um die eingestellte Gradzahl 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 entsprechen 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.

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