Bestandsaufnahme vorhandener Heizkörper und Optimierung der Vorlauf-temperatur:
Hier ist klar zu erkennen, wie weit die Vorlauftemperatur abgesenkt werden kann (bis 50/40/20°C), bzw. welche Heizkörper getauscht werden sollten.
Vorhandene Röhrenheizkörper, die vorwiegend als Handtuchhalter /-Trockner verwendet werden, sind wärmetechnisch weniger relevant.
Die Heizkörper-Überdimensionierung der wichtigen HK sollte eigentlich nicht zu stark streuen.
Es gilt ein einen "gesunden" Kompromiss aus HK-Tausch und Absenkung der Vorlauftemperatur zu finden.
Ziel: Hydraulischer Abgleich
1. Heizkörper-Berechnung (Wärmeleistung)
Bei der Bestandsaufnahme der vorhandenen Heizkörper und deren Heizleistung (Wärmeleistung) kann man einiges falsch machen. Deshalb möchte ich auch hier Schritt für Schritt den Weg zum hydraulischen Abgleich aufzeigen und die wesentlichen Punkte aufzeigen und erklären, denn hier wird oft und zu vorschnell festgelegt und abgehakt (nicht ohne Grund hat der Anlagenmechaniker SHK eine 3,5-jährige Berufsausbildung).
Beim Verändern der Vor- und Rücklauftemperaturen (und auch der Spreizung) verändert sich auch die Wärmeleistung der HKs.
Viele Hersteller von HK veröffentlichen schöne und umfangreiche Diagramme und Tabellen für ihre HK, doch manche sind dazu übergegangen, nur noch schmale Tabellen mit der "Norm-Wärmeleistung nach DIN EN 442" anzugeben; schön - und auch absolut ausreichend.
Doch für uns bedeutet das wieder ein neues Tabellenblatt um die tatsächliche Wärmeleistung unserer HK bei unseren Bedingungen zu berechnen. Schwer ist das nicht, muss aber gemacht werden! (Schulbücher, wie das eingangs empfohlene, bieten neben dem Fachwissen auch jede Menge Tabellen und Beispielrechnungen...)
Norm-Wärmeleistung nach DIN EN 442
Kernaussage: Raumheizkörper erreichen nach o.a. DIN ihre Norm-Wärmeleistung bei einer wirksamen Übertemperatur von 50K.
Die wirksame Übertemperatur ist definiert als: ΔϑH = ϑm - ϑi [K]
mit: ϑi = Innen- / Raumtemperatur [°C]
ϑm = mittlere Heizwassertemperatur = 0,5 * ( ϑV + ϑR ) [°C]
ϑV = Vorlauftemperatur [°C]
ϑR = Rücklauftemperatur [°C]
Auf HK-Formen und -Typen möchte ich hier nicht weiter eingehen, das ist im Internet leicht zu finden.
Tatsächliche Wärmeleistung von Flach-HK
Sie lässt sich berechnen aus der Länge des HK, der Norm-Wärmeleistung und einem Faktor f1.
Q̇H = l * q̇n * f1 [ W ]
mit: l = Länge des Flach-HK [ m ]
q̇n = Norm-Wärmeleistung [ W/m ]
f1 = Umrechnungsfaktor bei abweichenden Temperaturen
(der kleine Punkt über Q̇ und q̇ sollte eigentlich mittig über den Buchstaben stehen ...)
Umrechnungsfaktor f1
Nach der Berechnung der wirksamen Übertemperatur kann aus der nebenstehenden Tabelle der Umrechnungsfaktor abgelesen werden.
In der 1. Spalte nach unten die Zehnerstelle und nach rechts die Einerstelle wählen.
ein Beispiel:
Vorhanden ist ein Flach-HK:
profiliert, Höhe H = 0,4m, Breite B = 0,065 m,
Typ 21 ( 2 Platten, 1 Konvektor )
Länge L = 1,4 m alternativ La = 1,2 m
Aus den Hersteller-Angaben ist die Norm-Wärmeleistung mit 925 W/m zu entnehmen.
Absenkung der Heiztemp.
Hier gilt es zu entscheiden, wie weit die Heiztemperatur abgesenkt werden kann, bzw. auch die Spreizung (Vor- und Rücklauf) angepasst werden kann....
<--- Kompromiss --->
Hier muss jeder individuell entscheiden, wie weit er die Temperatur des Heizungswassers absenken will und wie viel Aufwand er treiben will beim Austausch von Heizkörpern.
Hier stehen letztendlich die voraussichtlichen Betriebskosten gegen die Investitionskosten.
Austausch von Heizkörpern
Auf der anderen Seite steht der Aufwand von nicht ausreichend großen Heizkörpern, die auszutauschen wären. Die Frage ist: wie weit kann und will ich hier investieren?
... nächster Schritt
2. Rohrleitungs-Berechnung (Druckverluste)
Sind die Heizkörper und damit letztendlich auch die Wärmeströme in den HKs (und somit auch in den Heizungsrohren) festgelegt, kann mit der Berechnung der Druckverluste in eben diesen Heizungsrohren gestartet werden.
Der (verständliche) Wunsch ist ja, dass alle HKs gleichmäßig Wärme abgeben und die einzelnen Räume auf die gewünschte Temperatur aufheizen und diese dann auch halten. Dazu muss die Pumpe das Heizungswasser in die HKs fördern. Es ist ja leicht zu verstehen, dass die HKs in der Nähe der Pumpe (ohne hydraulischen Abgleich) mehr und schneller warmes Wasser abbekommen, als entfernte HKs. Aus diesem Grund sollte der Strömungswiderstand von der Pumpe zu jedem HK (und wieder zurück) gleich groß sein, und deshalb müssen vom Aufstellort bevorzugte HK am einstellbaren Ventil zusätzlich gedrosselt werden. Das ist auch schon die ganze Theorie des Hydraulischen Abgleichs!
Wo liegen denn die Heizungsrohre? Gute Frage, aber halb so wild. Ein halber Meter hin oder her spielt hier keine große Rolle. Die Hauptwiderstände kommen von Winkeln, Abzweigen, Ventilen, Mischern und Verengungen.
Vielleicht sind ja noch Bilder oder sogar Pläne vom Heizungsbau vorhanden; das wäre optimal! Ansonsten sucht man am besten die Steigleitungen der Heizung, bzw. die Etagenverteiler; evtl. kann auch ein gutes Metallsuchgerät zum Aufsuchen der Leitungen helfen. Da die Leitungen normalerweise parallel zu den Wänden verlaufen, kann man jetzt die Längen in den zwei Ebenen-Richtungen abschätzen, wie auch die Anzahl der Winkel und Abzweigungen; beim Querschnitt der Rohre wird's dann u.U. etwas aufwendiger. Im Etagenverteiler kann man erkennen, in welchen Querschnitten das Heizungswasser von dort aus verteilt wird und an den HK-Anschlussblöcken ist der kleinste Durchmesser (i.d.R. DN15) zu erkennen. Da aufgrund der HK-Auslegungen die einzelnen Durchfluss-Volumen bekannt sind, kann man bei den einzelnen Rohrabschnitten die jeweiligen Durchflussmengen ermitteln und daraus wiederum auf die erforderlichen Querschnitte schließen, da die Strömungsgeschwindigkeiten idealerweise gleich oder zumindest ähnlich sein sollten. Damit sind wir auch schon bei den erforderlichen Druckverlust-Tabellen für Rohre; z.B. für Kupferrohre nach DIN EN 1057 kann man nun aufgrund der Rohrdurchmesser über den Wassermassenstrom bzw. die Wassergeschwindigkeit das Druckgefälle R in mbar/m ablesen, der nur noch mit den jeweiligen Längen (gleicher DN) zu multiplizieren ist.
Der Druckverlust im Rohr: Δp = l * R [ mbar ] mit l = Rohrlänge in m und R = Druckgefälle in mbar/m
Die Einzelwiderstände für die diversen Armaturen, HK, Ventile, Winkel, Abzweigungen kommen idealerweise von den jeweiligen Herstellern, bzw. können mit ausreichender Genauigkeit mit den Widerstandsbeiwerten ζ (Zeta) aus Tabellen des Heizungsbaus entnommen werden.
Der Druckverlust Z = 0,5 * Σζ * ρ * v² [ mbar mit:
Σζ = Summe der Widerstandsbeiwerte,
ρ = Dichte des Wassers [kg/m³]
v = Wassergeschwindigkeit [m/s]
Zur Vereinfachung der Berechnungen kann der Druckverlust z für ζ = 1 auch abhängig von der Fließgeschwindigkeit aus einer entsprechenden Tabelle entnommen werden; dann gilt:
Z = Σζ * z [ mbar ] mit Σζ = Summe der Widerstandsbeiwerte und z = Druckverlust bei ζ = 1 [mbar]
Beispiel für einen Rohr-Abschnitt:
In einem Rohrabschnitt bestehend aus drei Segmenten soll der Druckverlust berechnet werden.
Mit dem folgenden Schema in einer Tabelle kann dieser Druckverlust ganz einfach ermittelt werden. Die erforderlichen Tabellen-Segmente sind unten zu finden.
Einzelwiderstände für Armaturen
Hier ein Auszug aus den für dieses Beispiel erforderlichen ζ-Werten. Die Werte können natürlich auch bei den jeweiligen Herstellern erfragt werden.
Druckverluste in Rohren
Aufgrund der Beschaffenheit der verwendeten Rohre kann ein Druckverlust pro Meter und die Fließgeschwindigkeit abgelesen.
Druckverluste z
In Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit kann der relative Druckverlust vereinfacht ermittelt werden.
Eine mögliche Lösung
Die obere Tabelle zeigt die Haupt-Rechnung und die untere ist eine Hilfsrechnung für die verwendeten Armaturen.
Die Teilsegmente werden durchnummeriert, danach werden die vorgegebenen Größen eingetragen. Aufgrund dieser können aus der Tabelle oben rechts die Fließgeschwindigkeit v und das Druckgefälle R ermittelt werden um dann daraus die einzelnen Druckverluste der Rohre zu ermitteln und aufzusummieren.
Im nächsten Schritt werden in der Nebentabelle in jedem Abschnitt die Winkel und Armaturen aus der Tabelle links gesammelt und die Σζ-Werte ermittelt. Diese werden in die Haupttabelle übertragen und mit den jeweiligen z-Werten (aus v: in der Tabelle unten rechts) multipliziert. Aus den Produkten (Σζ * z) werden nun die Druckverluste aufgrund der Armaturen und Winkel berechnet und dann ebenfalls aufsummiert. Die Summe aus den Druckverlusten in den Rohren und den Armaturen erhält man schließlich den Gesamt-Druckverlust Δp im mbar des berechneten Segmentes.
... noch ein Schritt
3. Die Heizungspumpe
Zunächst mal vorne weg: Heutzutage gibt es Heizungspumpen, die sogar Konstant-Druck oder Proportional-Druck fahren können!
Wer eine 20 Jahre alte Heizungspumpe betreibt, sollte sich vielleicht mal Gedanken über einen Austausch machen, da sich dadurch viel Strom sparen lässt. Ich habe momentan noch eine alte Pumpe mit 55 Watt elektrischer Anschlussleistung im Einsatz, die neue braucht nur noch 11 bis 13 Watt! Zusätzlich kann sie auf Konstantdruck programmiert werden und lässt sich sogar per Wlan in ein Smart Home - System einbinden und überwachen.
Grundsätzlich soll diese Pumpe das warme Wasser in die Heizkörper transportieren und danach wieder zurück zum Wärme-Speicher oder -Erzeuger. Dazu muss sie die Druckverluste in den Rohren, Armaturen, Winkeln, Abzweigen und Heizventilen überwinden. Je nach Heizventiltyp sind hier nochmals rund 50 mbar Druckverlust einzuplanen. Schon aus diesem Grund ist eine Berechnung der Druckverluste in der Heizungsanlage sinnvoll.
Übrigens: In den letzten Jahren wurden um einen konstanten Druck in der Anlage fahren zu können nach der Pumpe sog. Druckregelventile eingebaut; bei einem einzelnen Heizkreis könnte man diesen Job nun die neue Pumpe machen lassen, bei mehreren Heizkreisen ist es dann schon sinnvoll jeden Heizkreis separat mit derartigen Ventilen zu regeln. Wenn Sie sich fragen, warum ein Konstantdruck, dann überlegen Sie doch mal, was passieren würde, wenn Sie ein Thermostatventil nach dem anderen zudrehen? Genau, je weniger Volumen gefördert wird, desto höher steigt der Druck und damit auch die Strömungsgeschwindigkeit. Die Folge, vereinfacht gesagt, das benötigte Fördervolumen ist viel zu hoch und es können deutliche Strömungsgeräusche auftreten.
Ach ja: haben Sie schon überlegt, wie schnell sich eine neue Pumpe bis zur Amortisation laufen muss?
Hier ist sie wieder, die Frage: ab wann übersteigen die Betriebskosten die Investitionskosten !?!
Nachschlag:
Die Firma Grundfos wirbt mit ihrer App "Grundfos GO Balance" für den perfekten hydraulischer Abgleich in Verbindung mit ihren neuen Heizungspumpen; wäre vielleicht mal einen Versuch wert ?!
... letzter Schritt
4. Der Hydraulische Abgleich
... oder die Drosselung der Heizkörperanschlüsse.
Wenn wir die Tabelle vom Beispiel mit dem Rohrabschnitt nur noch um drei Spalten erweitern, dann können wir den "hydraulischen Abgleich" unserer Heizungsanlage berechnen. Am besten erstellt man eine Skizze mit dem gesamten Heizungssystem, entweder Zweidimensional oder als Isometrie, je nach Geschmack. Jedes einzelne Segment mit konstantem Querschnitt und Volumenstrom wird vom Wärmeerzeuger, bzw. -Speicher, bis zu jedem Heizkörper durchnummeriert. Achtung: bei jedem Abzweig teilen sich die Volumenströme und dadurch beginnt dort das nächste Segment.
Diese Segmente nehmen wir in unserer Tabelle auf und berechnen sie nacheinander. Im nächsten Schritt addieren wir alle Segmente von der "Heizung" bis zu jedem einzelnen HK auf und verdoppeln diesen Wert, weil das Wasser ja auch wieder zurückfließt.
So ermitteln wir für jeden HK den Gesamt-Druckverlust in seinem Heizwasser-Kreislauf. Danach suchen wir den HK mit dem höchsten Wert und dieser Wert plus die 50 mbar für das Heizkörperventil muss von der Pumpe generiert werden (siehe Pumpe).
Bei allen anderen Heizkörpern, die zum Anfahren mit Heizungswasser weniger Druckverluste aufweisen, ist dann der "Druck-Überschuss" mit der Einstellung am Heizkörper-Ventil (unter dem Thermostatkopf) wegzudrosseln. Welcher Wert jetzt dort eingestellt werden muss, hängt vom Ventil-Typ (z.B.: RA-N) ab. Dieser Wert ist am besten aus den Tabellen im jeweiligen Datenblatt zu entnehmen.
Hurra, ja, das war auch schon der "hydraulische Abgleich"!
Gratulation!
Das war der rechnerische Teil, und der ist jetzt abgeschlossen!
Also höchste Zeit für eine Pause, und eine Hopfenkaltschale des Braumeisters Deines Vertrauens!