Hydraulischer Abgleich

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Der Begriff hydraulischer Abgleich wird im Allgemeinen im Bereich der Warmwasserheizungsanlagen verwendet, gilt aber auch für Kühlsysteme und Trinkwasserverteilung. Hier wird der Begriff im Zusammenhang mit der Warmwasserheizung erläutert.

Der hydraulische Abgleich beschreibt ein Verfahren, mit dem innerhalb einer Heizungsanlage jeder Heizkörper oder Heizkreis einer Flächenheizung auf einen bestimmten Durchfluss des warmen Wassers eingestellt wird. Damit soll erreicht werden, dass bei einer bestimmten Vorlauftemperatur als Arbeitspunkt der Heizungsanlage jeder Raum genau mit der Wärmemenge versorgt wird, die benötigt wird, um die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen und der Rücklauf jedes Heizkörpers die gleiche Temperatur aufweist.

Folgen bei fehlendem hydraulischen Abgleich

Fehlt der hydraulische Abgleich, so werden Heizkörper, die nahe zur Wärmequelle stehen, besser versorgt, weiter entfernte Heizkörper beispielsweise in oberen Stockwerken werden nicht warm. Das Regelverhalten in den entfernten Räumen ist schlecht.

Bei einem Leitungsnetz ohne hydraulischen Abgleich wird der einer Wärmequelle (Heizkessel, Pufferspeicher, Wärmetauscher) am nächsten gelegene Heizkörper mit geringstem Strömungswiderstand erreicht, eher und leichter durchflossen und sein Rücklaufwasser verlässt den Heizkörper mit vergleichsweise hoher Temperatur. Der geringere Durchflußwiderstand wird dazu führen, dass durch diesen Heizkörper mehr Wasser fließt als benötigt. Das bewirkt:

  • eine Benachteiligung anderer entfernt liegender Heizkörper oder der Räume mit hohem Wärmebedarf,
  • die weit entfernt liegenden Heizkörper werden nicht oder nur spät warm und das Regelverhalten in den entfernten Räumen ist schlecht. Erst das Schließen der Ventile an den nahen Heizkörpern führt dazu, dass weiter entfernte Heizkörper warm werden.
  • Der gesamte Heizungsrücklauf zum Warmwassererzeuger besteht zu einem Großteil aus dem Rücklauf des ersten Heizkörpers und seine Temperatur ist dadurch heißer als bei gleichmäßigerer Verteilung.

Wird der Heizungsrücklauf zu heiß,

  • entstehen unnötige thermodynamische Verluste im Leitungsnetz,
  • schaltet eine einfach gebaute Heizungsregelung die Pumpe für die Wärmezufuhr ab,
  • oder es wird der Brenner des Heizkessels abgeschaltet.

Schaltet die Heizungsregelung vorzeitig aus, werden weiter entfernt gelegene Heizkörper nicht beheizt. Meist werden dann als Abhilfe die Leistung der Heizungswasser-Umwälzpumpe und/oder die Vorlauftemperatur erhöht. Das löst das Problem der schlecht erwärmten Heizkörper zwar, aber heißes Wasser aus dem ersten Heizkörper fließt dann noch schneller oder noch heißer zurück und führt zu noch mehr Brennerstopps, Auskühlen des Brenners mit Wärmeverlust bis zum Wiedereinschalten („Takten“) des Brenners.

Die wesentlichen Nachteile und Heizwärmeverluste resultieren:

  • aus den häufigen Brennerstopps,
  • der darauf folgenden Abkühlung eines Gas- oder Ölbrenners durch Spülung des Brennerraums mit kalter Zuluft (wobei Wärmeenergie ins Abgas verloren geht) oder bei Pelletskesseln ein Rest-Abbrand, ohne die Wärme zu nutzen,
  • der folgenden Abkühlung aller Heizkessel durch Wärmeabstrahlung oder Wärmeleitung in den Heizraum,
  • und die unvollständige Verbrennung (Brennstoffverschwendung oder Bildung von Kohlenmonoxid mit Restheizwert) in den ersten Minuten der Brenneranlaufphase, wodurch mit jedem unnötigen Brennerstopp Energie verschwendet wird.

Die Stillstandszeit zwischen Brennerstopp und Brennerstart wird „Takt“ genannt, der Heizkessel oder Brenner „taktet“ zu kurz.

Einsparpotential

Bei dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten OPTIMUS-Programm wurden Einsparpotentiale bei 92 Gebäuden im Raum Norddeutschland bei Ein- und Mehrfamilienhäusern in der Praxis ermittelt und die Wärmeverluste anschließend mit einem eingeschränkten Leistungskatalog minimiert. Die untersuchten Objekte hatten im Mittelwert unter anderem eine Leistungsüberdimensionierung der Pumpen von etwa 3 bezogen auf die ausreichende elektrische Auslastung[1].

Die Gegenmaßnahmen waren (2003) mit Aufwänden von € 2,- bis € 7,- pro Quadratmeter Wohnfläche vergleichsweise kostengünstig.[2]. Die Erfolge der beim OPTIMUS-Projekt verbesserten Einzelheizungen, hochgerechnet auf die gesamte Bundesrepublik Deutschland ergaben ein Einsparungspotential zwischen 20.000 und 28.000 GWh pro Jahr [3]

Durchgeführt wurden lediglich:

  • Voreinstellung von Thermostatventilen zur Durchflussbegrenzung (= hydraulischer Abgleich),
  • Einstellungen der Heizungsumwälzpumpen (geringere Leistung)
  • Einstellung der Heizungsregelungen [4]

Anzeichen für fehlenden hydraulischen Abgleich

  • einzelne Heizkörper werden nicht warm, während andere Anlagenteile überversorgt sind („hydraulischer Kurzschluss“);
  • Brenner der Heizkessel takten zu oft;
  • die Heizkosten (pro Quadratmeter und Jahr) sind vergleichsweise hoch;
  • Heizkörperventile geben Geräusche ab, da der Differenzdruck im Ventil zu groß ist.
  • Heizkörperventile und Rohrleitungen geben Geräusche ab, da die Strömungsgeschwindigkeit groß ist.
  • Heizkörperventile öffnen und schließen nicht bei der gewünschten Innentemperatur, ebenfalls wegen zu hoher Differenzdrücke im Ventil.
  • Motoren der Automatikventile Versagen wegen hoher Stellkräfte
  • Das Regelverhalten von Thermostatköpfen ist schlecht durch starkes „Überschwingen“.
  • Die Heizungsanlage wird mit hohen Vorlauftemperaturen betrieben, um die Unterversorgung auf diesem Wege auszugleichen.
  • Die Heizkörper werden zu heiß. Insbesondere beim Einsatz von Wärmepumpen und bei unterstützender Stromheizung verschlechtert sich der Nutzungsgrad.
  • Es werden ungeregelte Pumpen mit hoher Leistung verwendet, die im Betrieb hohe Kosten verursachen.
  • Die Rücklauftemperaturen sind unnötig hoch. Insbesondere beim Einsatz moderner Brennwerttechnik verschlechtert sich der Nutzungsgrad.
  • Der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers verschlechtert sich, da die Anlage mit zu hohen Rücklauftemperaturen und stark schwankenden Volumenströmen betrieben wird.

Aus dem nicht optimalen Betriebsverhalten resultiert ein erheblicher Mehrverbrauch an Strom- und Heizungsenergie. Die Energieeinsparverordnung in Deutschland schreibt aus diesem Grund den hydraulischen Abgleich für zu erstellende oder zu sanierende Anlagen vor.

Abgleichmethoden

Grundlage des hydraulischen Abgleichs ist ein entsprechendes Rechenmodell. Dabei muss

  • die Wärmeleistung der einzelnen Heizkörper
  • die Größe des Raumes
  • der Luftaustausch durch Türen und Lüftung
  • der Wärmeverlust durch Wände und Fenster

bekannt sein. Je weniger bekannt ist, desto schlechter wird das Rechenmodell versorgt. Mit dem hydraulischen Abgleich wird eine bessere Verteilung des Heizwassers erreicht.

Ein anderer messtechnischer Ansatz benutzt eine Temperaturmessung am Rücklauf des einzelnen Heizkörpers. Mit dem hydraulischen Abgleich wird eine etwa gleiche Temperatur an allen Rücklaufdrosseln erreicht.

Ein hydraulischer Abgleich wird bei einem Neubau des Gebäudes oder der Heizanlage durch gute Planung, Überprüfung und Einstellung bei der Inbetriebnahme der Anlage erreicht.

Auch ein nachträglicher hydraulischer Abgleich ist möglich, wenn die dafür erforderlichen Armaturen zur Durchflussminderung bei einzelnen Heizkörpern vorhanden sind durch

  • druckgeregelte Vorlaufpumpen
  • einstellbare Rücklaufdrosselventile
  • mit voreinstellbaren Thermostatventilen oder
  • mit Strangdifferenzdruckreglern.

Der hydraulische Abgleich ist eine Aufgabe für Heizungsfachbetriebe, Energieberater und Schornsteinfeger. Diese können beraten und die Berechnungen oder Messungen vornehmen.

Für eine Förderung der Heizungsmodernisierung durch die KfW und das Marktanreizprogramm zur Nutzung erneuerbarer Energien (MAP) des BAFA ist der hydraulische Abgleich eine Voraussetzung.

Der hydraulische Abgleich in der Theorie

Seit dem 1. April 2004 gilt in Deutschland die DIN EN 12831 (Juni 2003). Danach ist eine fachgerechte Planung mit Heizlast-, Rohrnetz-, und Heizflächenberechnung von einem Planer erforderlich. Aus der Planung ergeben sich Wärmebedarf und Volumenströme.

In Deutschland sind Handwerker, die ihr Werk im Sinne der Verbände vollständig ausführen möchten, nach der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C verpflichtet, Heizungsrohrnetze hydraulisch abzugleichen. Das ist insbesondere für Heizanlagen ohne Durchflussregelung erforderlich.

Ein stationärer (quasi statischer) hydraulischer Abgleich ist erreicht, wenn alle parallelen Systeme (etwa Heizkörper an einem Strang oder Wohnungen in einem Gebäude) jeweils den gleichen hydraulischen Widerstand besitzen. Grundsätzlich ist das jedoch nur für einen Arbeitspunkt (gewünschte Raumtemperatur) und bei gleichbleibenden Systembedingungen, also einer bestimmte Durchflussmenge, möglich.[5] Zum Beispiel darf die Pumpenfördermenge nicht schwanken oder einzelne Heizkörper dürfen nicht geschlossen werden. Deshalb erfolgt der stationäre hydraulische Abgleich für einen besonders kritischen Zustand: der maximalen Heizlast, bei der alle Heizflächen durchströmt werden.

Insbesondere in modernen Heizanlagen mit geregeltem Pumpendruck und veränderlicher Gasamtdurchflussmenge sowie Thermostatventilen am einzelnen Heizkörper und veränderlicher Einzeldurchflussmenge sowie veränderlicher Wärmeabnahme ist der stationäre hydraulische Abgleich von geringerer Bedeutung. Statt dessen muss dort die maximal mögliche Durchflussmenge für den einzelnen Heizkörper begrenzt werden. So wird ein dynamischer Abgleich erreicht, der insbesondere den abzusperrenden Druck am einzelnen Thermostatventil reduziert und damit die Lebensdauer von dessen Spindelantrieb verlängert.

Der hydraulische Abgleich in der Praxis

Um die Durchflussmenge für jeden Heizkörper voreinzustellen, werden entweder Thermostatventile mit Durchflusskennwert (angepasste kV-Kegel) eingesetzt und der berechnete Wert eingestellt oder durch die Rücklaufverschraubungen werden die Durchflusswiderstände reguliert. Auch hier ist das Einstellen entsprechend einer Modellrechnung möglich.

Diese Voreinstellung ist sinnvoll nur mit speziellen Rücklaufverschraubungen möglich,[6] die eine Feineinstellung unterstützen und nicht allein dem Absperren dienen.

Es können auch Heizkörperventile mit integriertem Volumenstromregler eingesetzt werden. Bei diesen Ventilen wird der für den Heizkörper maximal erforderliche Volumenstrom einmalig eingestellt. Danach wird der Thermostat auf dem Ventil montiert. Der Thermostat regelt jetzt nur noch im Bereich von Null bis zum voreingestellten Volumenstrom. Eine so ausgerüstete Anlage arbeitet zu jeder Zeit stabil, da die Einflüsse anderer Anlagenteile keine Rückwirkungen auf den Heizkörper haben. Es muss nur dafür gesorgt werden, dass am Heizkörper ein ausreichender Differenzdruck ansteht.

Auch die Heizungspumpe muss eine hocheffiziente, elektronisch geregelte Heizungspumpe sein,[7] denn sie ist Voraussetzung für optimale Durchflusswassermengen. Sie muss auch nach der vorgenommenen Berechnung eingestellt werden.

Hydraulischer Abgleich in Warmwasserzirkulationsnetzen

Für erwärmtes Trinkwasser wird häufig ein Zirkulationsnetz verbaut, das über eine rückführende Leitung die Temperaturen bis zum letzten Verbraucher aufrechterhält. In Großanlagen ist es ebenfalls sinnvoll, dieses Rohrnetz ähnlich dem der Heizung abzugleichen. Die Zirkulationspumpe in der rückführenden Leitung kann bis zu 50 % effizienter laufen und somit Strom sparen, und die Legionellenproblematik wird verringert, da die bessere Durchströmung auch an weit entfernten Verbrauchern zum Tragen kommt. Das DVGW-Arbeitsblatt W 553 gibt Aufschluss über die richtige Bemessung der entsprechenden Leitungsdimension. Hier wird der Begriff „Großanlage“ für den Bereich der Warmwasserbereitung auch spezifiziert: Somit sind Kleinanlagen im Sinne des Arbeitsblatts nur in Gebäuden mit 1 WE (WE = Wohneinheiten) bzw. 2 WE, wenn der Eigentümer mit im Haus wohnt, als solche zu betrachten. Ferner spielen Inhalt des Warmwasserbereiters (WWB) und der Rohrinhalt der verbauten Installation eine wichtige Rolle. Beträgt das Nennvolumen des WWB 400 Liter oder mehr, wird automatisch von einer Großanlage gesprochen. Ebenso darf eine als Kleinanlage definierte Installation nicht mehr als 3 Liter Rohrinhalt im Warmwasserbereich aufweisen.

Wichtigster Unterschied zu den Klein- und Großanlagen besteht in den Betriebstemperaturen. Ein Warmwassernetz in Großanlagen ist immer mit mindestens 60 °C zu betreiben, eine Auskühlung bis zum Wiedereintritt der Zirkulation in den WWB darf nicht mehr als 5 Kelvin betragen. In Kleinanlagen darf der Warmwasserbereiter mit 50 °C betrieben werden, jedoch werden auch hier wegen der Legionellenproblematik 60 °C empfohlen.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Jagnow, Wolff: OPTIMUS-Kurzbericht, Seite 3 (PDF; 198 kB)
  2. Das Projekt OPTIMUS
  3. Jagnow, Wolff: OPTIMUS-Kurzbericht, Seite 7 (PDF; 198 kB)
  4. Jagnow, Wolff: OPTIMUS-Kurzbericht, Seite 5 (PDF; 198 kB)
  5. Die Heizungsumwaelzpumpe
  6. Die Ruecklaufverschraubung
  7. Hydraulischer Abgleich

Literatur