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Stimmt in einer Heizungsanlage die Anlagenhydraulik nicht, bieten selbst effiziente Heizungspumpen und intelligente Regelungen nur begrenzt Energieeinsparungen. Deshalb ist der hydraulische Abgleich zwingend erforderlich.
Zu Zeiten der Schwerkraftheizung (bis Ende der 1960er-Jahre) war es für einen Heizungsbauer selbstverständlich, sich um die hydraulischen Verhältnisse einer Anlage zu kümmern. Als dann die Heizungsanlage mit Pumpenunterstützung zum Standard wurde, setzte sich im Handwerk eine völlig falsche Botschaft durch: „Jetzt ist der hydraulische Abgleich verzichtbar!“ Die Folge dieser Fehleinschätzung ist, dass in den vergangenen 40 Jahren der hydraulische Abgleich quasi in Vergessenheit geriet. Konsequenz ist, dass mehr als 80 % (Bild 3) der Bestandsheizungsanlagen aufgrund einer fehlerhaften Anlagenhydraulik Energie verschwenden. Hinzu kommen weitere vermeidbare Mängel wie
- ungleichmäßige Versorgung der einzelnen Räume
- Verlängerung der Wiederaufheizzeiten
- Strömungsgeräusche
- regelungstechnische Probleme.
Symptome zu kurieren ist der falsche Weg und bringt nichts
Anstatt die Ursache solcher Störungen an der Wurzel zu packen, wird an bestehenden Anlagen häufig der Versuch unternommen, die Symptome zu kurieren:
- Einbau einer größeren Pumpe oder Wahl einer höheren Drehzahlstufe
- Erhöhung der Heizkurve
- Verkürzung von Absenkphasen.
Alle diese Versuche scheitern aber regelmäßig, denn es handelt sich nicht um Temperatur- oder Pumpenleistungsprobleme, sondern schlicht und einfach um Verteilprobleme innerhalb des hydraulischen Systems. Da hilft nur der hydraulische Abgleich.
Meist fehlen die Anlagendaten
Warum das Handwerk den hydraulischen Abgleich bis heute trotz aller Vorgaben und intensiver Aufklärungsarbeit durch die Hersteller und Verbände so massenhaft ignoriert, ist klar: Der Heizungsbauer scheut den hohen Aufwand der Rohrnetz- und der Heizlastberechnung gemäß DIN EN 12831 – das ist in der Tat auch eher eine Aufgabe für Planer. Und im Bestandsbau vermutet er leider zu Recht, dass ihm die hierfür erforderlichen Daten ohnehin fehlen. Im Altbau hat er im Grunde häufig keinerlei Informationen zur Anlage – in der Regel fehlen ihm Angaben/Daten zur Heizlast und damit zu den Massenströmen, die Rohrreibungs- und Armaturenwiderstände sind ihm ebenso unbekannt wie die Druckverhältnisse bzw. der Rohrleitungsverlauf (inklusive deren Dimensionen – man sieht sie ja meist nicht). Kurz und gut: Jeglicher Berechnungsansatz scheitert aufgrund fehlender Anlagendaten.
Ducken und ignorieren geht nicht mehr
Da im privaten Bereich das Thema hydraulischer Abgleich mehr oder weniger unbekannt ist, kommt das Handwerk mit der Haltung „ducken und ignorieren“ bislang ungeschoren davon – was der Kunde nicht kennt, fordert er nicht ein. Das wird sich mit dem Ausruf der Energiewende durch die Politik mit großer Sicherheit ändern. Das Handwerk muss sich darauf einstellen, dass aufgeklärte Kunden nach Modernisierungsarbeiten in ihrem Altbau den hydraulischen Abgleich in Zukunft deutlich aktiver einfordern werden, denn nicht zuletzt sind mögliche Förderungen (KfW, BAFA) bereits seit einiger Zeit stets mit dessen Ausführung verknüpft.
Deshalb sind in der Praxis im Bestandsbau Annäherungen an den 100-prozentigen hydraulischen Abgleich (basierend auf der Heizlastberechnung gemäß DIN EN 12831 und der Rohrnetzberechnung) gefragt. Und es gibt diese Alternativen durchaus (Bild 1). Bereits mit der einfachen Klassifizierung nach der Größe der Heizkörper erreicht der Heizungsbauer etwa 30 % des Potenzials einer genauen Berechnung. Und mit der Abschätzung „installierte Heizkörperleistung = Raumheizlast“ mit den Arbeitsmitteln von Grundfos bzw. Honeywell erreicht der Heizungsbauer nahezu 80 % der Qualität einer genauen Berechnung.
Klassifizierung gemäß installierter Heizkörpergröße
Die erste Annäherung an einen hydraulischen Abgleich ist die Begehung des Gebäudes und Klassifizierung der installierten Heizkörper nach deren Größe: klein, mittel, groß. Entsprechend dieser Klassifizierung wird dann das Heizkörperventil voreingestellt. Konkret bedeutet das: Die kleinen Heizkörper werden am stärksten eingedrosselt, die großen Heizkörper am wenigsten.
Machbar ist ein hydraulischer Abgleich in Abhängigkeit von der Heizkörpergröße natürlich nur, wenn die Heizkörper voreinstellbare Thermostatventile besitzen oder zumindest Rücklaufverschraubungen mit reproduzierbarer Voreinstellmöglichkeit haben. Gemäß EnEV sind solche Voreinstellmöglichkeiten im Neubau heute Pflicht, und sie sollten im Bestand spätestens bei einer Sanierung unbedingt nachgerüstet werden.
Die Einstellarbeiten an den Heizkörpern dauern etwa fünf Minuten pro Heizkörper, wenn keine Bauteile auszutauschen sind. Der Zeitaufwand für ein Einfamilienhaus mit zwölf Heizkörpern ist demnach sehr gering. Qualität dieser Maßnahme: Etwa 30 % einer genauen Berechnung des hydraulischen Abgleichs. Das ist immerhin besser, als gar nichts zu tun.
Datenscheibe vereinfacht die Auslegung erheblich
Bei der nächsten Stufe hinsichtlich der Genauigkeit geht es um den Einsatz der von Grundfos zusammen mit einem Armaturenhersteller entwickelten Auslegungsscheibe. Mithilfe dieser Scheibe ermittelt der Heizungsbauer im Gebäudebestand mit bis zu zehn Wohneinheiten anhand der Heizkörpergröße die installierte Heizleistung. Dabei geht er davon aus, dass die installierte Heizleistung auch tatsächlich der Heizlast entspricht. Zur Erinnerung: Die Heizlast ist die Heizleistung bei Auslegungsbedingungen, die erforderlich ist, um eine bestimmte Raumtemperatur konstant zu halten.
Hierzu ist die erforderliche Wassermenge zu ermitteln, die bei einer gewünschten Temperaturspreizung zu jedem Heizkörper fließen muss, um daraus die Einstellung der Heizkörperventile abzuleiten. Das geschieht, indem man den vorhandenen Heizkörper ausmisst – und stillschweigend davon ausgeht, dass die Heizleistung des Heizkörpers tatsächlich der Heizlast des Raumes entspricht. (Wurde das Gebäude in der Zwischenzeit gedämmt, stimmt diese Annahme natürlich nicht mehr – die Qualität dieser Vorgehensweise nimmt dann ab.)
Mit der so ermittelten Heizkörperleistung und einer gegebenen Temperaturspreizung von beispielsweise 15K kann der Heizungsbauer mit der Grundfos-Scheibe den Volumenstrom bestimmen, der fließt. Mithilfe der Datenscheibe kann er nun wiederum die Voreinstellung des installierten Thermostatventils ableiten (z.B. mit dem Datenschieber von Honeywell).
Mit Zollstock und Bleistift
Die Praxis: Benötigt werden Protokollformulare, ein Zollstock und ein Stift. Je Raum bestimmt man die einzelnen Heizkörperleistungen nach der Bauart (DIN, Platte). Die Angaben der Datenscheibe beziehen sich auf Heizkörper Baujahr 1975; 70/55/20°C mit der Bauhöhe 600. Der Heizungsbauer misst die Baulänge (Zeile 2) und zieht diesen Wert auf die Bautiefe (Zeile 1) oder alternativ auf den Typ (Zeile 3). An der Markierung liest er die Heizkörperleistung (Zeile 4) und den Volumenstrom ab (Zeile 5). Damit erhält er die erforderliche Voreinstellung für die Ventile. Volumenströme anderer Bauhöhen lassen sich näherungsweise mit bestimmten Faktoren berechnen. Die größte ermittelte Stranglänge zum entferntesten Heizkörper ist maßgeblich für die Förderhöhe der Pumpe, die ebenfalls mit dem Datenschieber ermittelt werden kann.
Der Zeitaufwand für ein Einfamilienhaus mit zwölf Heizkörpern liegt bei etwa zwei Stunden. Qualität dieser Maßnahme: Je nach Übereinstimmung der Annahme einer ursprünglich exakten Auslegung der Heizkörper mit der Realität bis zu 80 % einer genauen Berechnung des hydraulischen Abgleichs. War der Planer bei der ursprünglichen Auslegung zu großzügig, setzt sich dieser Fehler hier natürlich fort – die Qualität dieser Vorgehensweise nimmt dann ab.
Vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung der Heizlast
Zur vereinfachten Bestimmung der Heizlast mit dem Datenschieber von Honeywell werden in jedem Raum alle wichtigen Bauteile betrachtet und auch eventuelle Verbesserungen (neue Fenster etc.) berücksichtigt.
Die Praxis: Wie viele Fenster sind vorhanden, wie groß ist die Fensterfläche insgesamt? Wie groß ist der Anteil an Außenwänden? Gibt es eine Tür zu einem unbeheizten Raum? Wie groß ist der Anteil der Dachfläche? Hinzu kommt als Parameter die Klimazone – es macht durchaus einen Unterschied, ob das Haus eher milden Wintern ausgesetzt ist, wie z.B. in Rostock, oder heizungstechnisch für extrem frostige Temperaturen ausgelegt wird, wie z.B. in Garmisch-Partenkirchen. Nicht zuletzt wird eine Gebäudeklassifizierung nach dem Baujahr vorgenommen. Auch die durch Luftwechsel verursachten Wärmeverluste werden berücksichtigt.
Alle diese Parameter finden sich auf dem Datenschieber von Honeywell – und aus dieser Betrachtung heraus erhält der Heizungsbauer eine relativ exakte Annäherung an die tatsächliche Heizlast eines Raumes. Doch keine Angst vor der scheinbaren Komplexität: Alle Parameter werden auf der Datenscheibe in einfacher Weise eingestellt. Der Heizungsbauer muss nur Flächen messen, die Berechnungen übernimmt die Datenscheibe. Mit der nun gegebenen recht genauen Heizlast des Raumes und einer gegebenen Temperaturspreizung kann der erforderliche Volumenstrom und damit die Voreinstellung des Thermostatventils ermittelt werden.
Datenscheibe gibt es auch als App
Die Praxis: Konkret zeigt der Datenschieber von Honeywell eine auf die Baureihe des Ventils bezogene Voreinstellung. Beispielsweise ergibt sich bei einer Heizlast von 1kW und einer Temperaturspreizung von 15K ein Volumenstrom von 56l/h. Die Voreinstellung beim Thermostatventil VS von Honeywell beträgt dann 2,8. Den Heizkörper-Ventildatenschieber gibt es auch als App für das Smartphone. Man gibt die Heizkörperleistung und die Temperaturspreizung zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur ein. Nach Auswahl des passenden Ventiltyps wird der kv-Wert des Ventils sowie die erforderliche Voreinstellung des gewählten Ventiltyps angezeigt.
Der Zeitaufwand für ein Einfamilienhaus mit zwölf Heizkörpern dürfte bei etwa drei Stunden liegen. Qualität dieser Maßnahme: 80 % einer genauen Berechnung des hydraulischen Abgleichs. Mit der Datenscheibe eines anderen Ventil-Herstellers funktioniert das natürlich in ähnlicher Weise – der Heizungsbauer bleibt somit fabrikatunabhängig.
Optimus-Software zur Heizlastermittlung
Im Rahmen der Optimus-Studie wurde bereits vor Jahren für Bestandsimmobilien die Relevanz des hydraulischen Abgleichs untersucht und nachgewiesen. Im Rahmen dieser Studie wurden auch Verfahren zur Anlagenoptimierung von bestehenden Ein- und Mehrfamilienhäusern erarbeitet. Die Umsetzung derartiger Optimierungen kann heute mithilfe von leistungsfähiger Software durchgeführt werden, z.B. mit dem Programm Optimus der Firma ETU. Bei solchen anspruchsvollen Softwarelösungen werden die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste eines Gebäudes mit sehr hoher Genauigkeit ermittelt. Die Anlagenoptimierung umfasst neben der Einstellung der Armaturen und der richtigen Auswahl und Einstellung der Pumpe auch die Optimierung der Vorlauftemperatur und weiterer Anlagenparameter.
Ausgangspunkt für dieses Optimus-Projekt war ein 1998 erbautes Mehrfamilienhaus in Braunschweig mit 18 Wohneinheiten und einer Wohnfläche von 1250 m2. Die Optimierung erfolgte ohne jegliche Investition in Komponenten – allein durch Voreinstellung vorhandener Thermostatventile, Anpassung der Pumpenförderhöhe und Anpassung der Regelungseinstellung (Vorlauftemperatur). Ergebnis: Eine Verbrauchsreduzierung an thermischer Energie von 99 auf 78kWh/m2 – das entspricht einer Einsparung von 21 %. Der Aufwand geht in Richtung einer klassischen Planungsaufgabe. Qualität dieser Maßnahme: Über 90 % einer genauen Berechnung des hydraulischen Abgleichs.
Die Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 ist die exakteste, aber auch aufwendigste Berechnungsmethode. Die Berechnung erfordert genaue Kenntnisse über die Gebäudegeometrie und den Aufbau (Wärmedurchgangskoeffizienten) der wärmeübertragenden Bauteile. Diese Methode lässt sich im Gebäudebestand ohne Vereinfachungen aufgrund fehlender Datenbasis nur schwer umsetzen.
Kritischer Blick auf die Pumpentechnik
Im Altbau wird der Heizungsbauer in aller Regel auf eine ungeregelte Pumpe stoßen; allenfalls wird es eine manuell in Stufen einstellbare Pumpe sein. Im letzteren Fall ist davon auszugehen, dass die Pumpe auf die höchste Leistung eingestellt ist. Nachteil der ungeregelten Pumpe ist, dass die Förderhöhe mit abnehmendem Förderstrom zunimmt. Wenn also das Thermostatventil den Heizkörper drosselt, beispielsweise weil die Sonne den Raum erwärmt, erhöht die ungeregelte Pumpe die Förderhöhe (den Druck) und es kommt möglicherweise zu Strömungsgeräuschen. Ein weiterer Nachteil ungeregelter Pumpen ist deren höherer Energieverbrauch.
In aller Regel ist deshalb die Installation einer drehzahlregelbaren Hocheffizienzpumpe zu empfehlen, zumal diese ab einer bestimmten Nennheizleistung ohnehin laut EnEV Pflicht ist. Regelbare Pumpen erlauben eine automatische Anpassung der Drehzahl bei Veränderung des Volumenstroms. Diese Volumenstromänderung tritt immer dann auf, wenn die Heizkörperventile ihre Ventilstellung verändern, das heißt möglicherweise kontinuierlich. Eine permanente Drehzahlanpassung stellt in diesem Fall sicher, dass keine unnötige Förderhöhe (Druck) von der Pumpe erzeugt wird. Das schützt zum einen vor Strömungsgeräuschen und hilft zum anderen, Energie zu sparen.
Pumpe via App auslegen
Die Grundfos-Pumpen Alpha2 und Magna stellen verschiedene Regelkennlinien zur Verfügung, die je nach Anlagentyp eingestellt werden können. In Bestandsanlagen ist das Einstellen der Pumpen bezüglich des gewünschten Sollwertes häufig allerdings gar nicht so einfach: Fehlende Daten über die Druckverhältnisse in der Anlage erlauben häufig nur das Schätzen des erforderlichen Förderhöhen-Sollwertes. Hier bieten die Alpha2 und Magna eine interessante Lösung: Mit der patentierten AutoAdapt-Funktion kann es der Heizungsbauer der Pumpe überlassen, die korrekte Sollwert-Einstellung vorzunehmen. Hierbei analysiert die Pumpe die Hydraulik der Anlage und stellt sich anschließend selbsttätig auf den richtigen Sollwert ein. Das bedeutet: Mit der AutoAdapt-Funktion gehören Falscheinstellungen auch in Bestandsanlagen der Vergangenheit an. Hinweis: Zur Unterstützung der korrekten Auslegung der Pumpe steht mit dem sogenannten AppCAPS ein entsprechendes App zur Verfügung. Das alles hat natürlich nur bei einer hydraulisch abgeglichenen Anlage Sinn.
Kritischer Blick auf die Ventiltechnik
Der Austausch alter Thermostatköpfe ist eine vergleichsweise geringe Investition – eine, die leicht realisierbar und sehr wirksam ist und sich zudem rechnet. Es sollte eine Armatur mit PI-Regelung bevorzugt werden, um die sogenannte bleibende Regelabweichung von in der Regel 2K eines reinen P-Reglers zu vermeiden. Bereits eine um 1K überhöhte Raumtemperatur verursacht einen Mehrverbrauch an Energie von 6 bis 8 %. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, elektronische Heizflächenregler einzusetzen, die einzeln im Raum oder im Verbund als dezentrales Regelsystem sehr energieeffizient arbeiten können.
Mit dem Einbau des Einzelraumregelungs-Systems Evohome von Honeywell spart der Hausbesitzer deutlich, der Energieverbrauch verringert sich um bis zu 30 %. Der Einspareffekt entsteht durch eine optimale Wärmeausnutzung durch die Einzelraumregelung, indem jeder Raum nach seiner individuellen Nutzung programmiert werden kann. Dadurch sind nur jene Räume beheizt, die auch genutzt werden.
Die Energiewende und der hydraulische Abgleich
Aus der Kernkraft auszusteigen, ohne die Klimaziele zu gefährden – die von der Politik beschlossene Energiewende in Deutschland ist ohne Frage äußerst ambitioniert. Lebhaft diskutiert werden deshalb die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien, der unbedingt erforderliche Netzausbau und auch der Neubau von Kohle- und Gaskraftwerken. In den Hintergrund gerät dabei die einfach nachvollziehbare Erkenntnis, dass nicht benötigte Energie die ökologisch wie ökonomisch beste Lösung ist.
Jeder Heizungsbauer sollte sich auf die veränderten Anforderungen der Nach-Fukushima-Zeit vorbereiten. Das betrifft nicht allein die Technik-Hardware wie Pumpen und Armaturen nebst Regelungstechnik. Der hydraulische Abgleich ist unverzichtbarer Teil eines energieeffizienten Systems. Mit einem vergleichsweise geringen Zeitaufwand kann er mithilfe der vorgestellten Näherungsmethoden auch im Bestand eine Qualität von über 80 % eines berechneten Abgleichs erreichen. In Deutschland sind rund 40 Millionen Wohneinheiten im Bestand. Neu gebaut werden pro Jahr gerade einmal 175000 Wohneinheiten. Jedem müsste eigentlich klar sein, wo er in Zukunft seine Geschäftsfelder findet.
Recht + Gesetz
VDMA-Einheitsblatt 24199 zum hydraulischen Abgleich
Hydraulisch abgeglichene Strömungskreise sind eine Voraussetzung für einen bestimmungsgemäßen Betrieb von Heizungsanlagen. Eine wirtschaftliche und ökologische Betriebsweise (Energieeinsparung, CO2-Minderung) wird damit sichergestellt.
Hydraulisch abgeglichene Strömungskreise vermeiden typische Mängel wie ungleichmäßige bzw. nicht bestimmungsgemäße Wärme-/Kälteverteilung, zu hohe oder zu geringe Pumpenleistung, falsche Ventilautorität, falsche Heizkennlinieneinstellung, Reduzierung des Wärme- oder Kälteerzeugerwirkungsgrades, Geräuschbildung, sowie die Nichterfüllung der technischen Anschlussbedingungen bei Fernwärmeanlagen.
Zitate aus der VOB/DIN 18380
3.1.1. „... Armaturen und Rohrleitungen sind durch Berechnungen so aufeinander abzustimmen, dass auch bei den zu erwartenden wechselnden Betriebsbedingungen eine ausreichende Wassermengenversorgung sichergestellt ist ...“
3.5.1. „... Der hydraulische Abgleich ist mit den rechnerisch ermittelten Einstellwerten so vorzunehmen, dass bei bestimmungsgemäßem Betrieb, also z.B. auch nach Raumtemperaturabsenkung oder Betriebspausen der Heizungsanlage alle Wärmeverbraucher entsprechend ihrem Wärmebedarf mit Heizwasser versorgt werden ...“
EnEV-Forderung zu drehzahlgeregelten Pumpen
§14 Verteilungseinrichtungen und Warmwasseranlagen Abschnitt 3: In Zentralheizungen mit mehr als 25kW Nennleistung sind die Umwälzpumpen der Heizkreise beim erstmaligen Einbau und bei der Ersetzung so auszustatten, dass die elektrische Leistungsaufnahme dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig in mindestens drei Stufen angepasst wird, soweit sicherheitstechnische Belange des Heizkessels dem nicht entgegenstehen.
SBZ Tipp
In 60 Minuten fit rund um den hydraulischen Abgleich
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Dienstag, 20. September um 18:00 Uhr
Montag, 17. Oktober um 18:00 Uhr
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Dirk Schlattmann SBZ-Chefredakteur
Extras
Unter http://www.gentner.de/Webinar haben wir hilfreiche Arbeitsmittel hinterlegt. Hilfsmittel und Zusatzinformationen finden Sie auch unter den Extras auf unserer SBZ-Homepage:
Leitfaden zum hydraulischen Abgleich im Bestand
Tabellen zur Heizlastberechnung und Ermittlung der Ventilvoreinstellung
EDV-Datenschieber zur Abschätzung der Heizlast nach DIN 12831
EDV-Datenschieber zur Ermittlung der Ventilvoreinstellung
EDV-Datenscheibe zur Pumpenauslegung
Pumpenhandbuch
Pumpentauschliste
Autoren
Dipl.-Ing. Frank Räder ist Schulungsingenieur der Grundfos GmbH in Erkrath, https://www.grundfos.com/de
Jürgen Lutz leitet das Seminar- und Schulungswesen bei Honeywell in Schönaich, https://www.honeywell.com/de/de
