Hydraulischer Abgleich und hydraulische Grundschaltungen

6. Müssen beim Einbau einer ­Wärmepumpe im Baubestand auch neue Heizkörper eingesetzt werden?

Heizflächen übertragen die vom Heizungswasser bereitgestellte Wärme durch Konvektion und Strahlung in die zu beheizenden Räume. Generell lassen sich Heizflächen in frei aufstellbare Varianten wie z. B. Heizkörper und in den Baukörper integrierte Heizflächen wie Fußboden- und Wandheizungen unterteilen. Die Anteile von abgegebener Strahlungs- und Konvektionsleistung schwanken je nach Ausführung. Dies bedingt eine unterschied­liche Abhängigkeit der Heizflächenleistung von der Heizwassertemperatur. Diese Abhängigkeit wird vereinfachend durch den Heizkörperexponenten n ausgedrückt. Konvektoren weisen n= 1,4 auf, Fußbodenheizungen dagegen n = 1,1. Der Heizkörperexponent ist also ein Maß dafür, wie stark die Wärmeabgabe der Heizfläche von der Übertemperatur abhängt.

Grundsätzlich gilt: Je geringer das Temperaturniveau, desto größer müssen die notwendigen Heizflächen sein, umso gleichmäßiger ist aber auch die Wärmeverteilung und damit das Behaglichkeitsempfinden im Raum. Für Wärmepumpen werden generell von allen Herstellern möglichst geringe Vorlauftemperaturen empfohlen. Damit bilden Flächenheizungen automatisch die beste Kombination in Verbindung mit einer Wärme­pumpe. Ist ein vollständig unsanierter Altbau vorhanden, sollte generell überprüft werden, ob sich der Einbau einer Wärmepumpe überhaupt als effizienteste Alternative anbietet.

Bei einem teilsanierten Altbau hingegen können die in der Regel eingesetzten Radiatoren alleine schon aufgrund der früher oft bestehenden Überdimensionierung der Heizflächen genügend Potenzial auch für eine geringere Vorlauftemperatur bieten. Letztendlich sollte die Frage nach der Verwendung bestehender Heizflächen aber durch eine Heizlastberechnung für jeden einzelnen Raum beantwortet werden.

7. Wie führe ich einen hydraulischen Abgleich durch?

Wasser sucht sich immer den Weg des geringsten Widerstands. Dadurch kommt es innerhalb einer Heizanlage automatisch zu einer Überversorgung der Heizkörper, die dem Wasser strömungstechnisch den geringsten Widerstand durch Rohrleitungen, Absperrorgane und Fittings entgegensetzen. Gleichzeitig werden die Heizkörper unterversorgt, die einen höheren Widerstand im Gesamtsystem haben. Folge eines fehlenden hydraulischen Abgleichs ist, dass die Heizkörper mit höheren Widerständen nicht ausreichend mit Wärmeenergie versorgt werden. In der Praxis wurde dieser Problematik früher oft damit Rechnung getragen, dass die Heizungsumwälzpumpe größer dimensioniert, eine zusätzliche Pumpe eingebaut oder die Heizkurve nach oben verschoben wurde. Diese Vorgehensweisen entsprechen in keiner Weise mehr dem heutigen Effizienzgedanken. Es bedeutet zugleich einen höheren Stromverbrauch und eventuell extreme Fließgeräusche.

Damit jeder Heizkörper genau den Wärmestrom bekommt, den er benötigt, werden heute Rücklaufverschraubungen oder Thermostatventile mit Voreinstellung eingebaut, die sich einregulieren lassen. Damit kann strömungstechnisch günstig gelegenen Heizkörpern ein künstlicher Widerstand entgegengesetzt werden. Dieser Widerstand richtet sich nach dem Heizkörper mit dem höchsten Druckverlust im Heizkreis.

Die alte, seit Jahrzehnten praktizierte Rohrnetzberechnung hat sich inzwischen für bestehende Anlagen überholt. Sinnvoll ist die Analyse mit einem computergestützten Berechnungsprogramm. Auch die Berechnung für den nachträglichen Abgleich in Altbauten ist mit diesen Programmen möglich. Viele Hersteller bieten auch Überschlagsrechnungen an, die für die Praxis tolerierbar sind. Der hydraulische Abgleich ist nicht nur nach der VOB Teil C, DIN 1380 und der EnEV vorgeschrieben, sondern auch Grundvoraussetzung für eine effizient arbeitende außentemperaturgesteuerte Heizanlage. Bei mehreren Förderprogrammen wird der hydraulische Abgleich ebenfalls zwingend vorgeschrieben.

Unter dem häufig im Zusammenhang mit der Rohrnetzberechnung verwendeten Begriff (Wasser-)Stromkreis versteht man den Weg, den das Wasser vom Wärmeerzeuger über Vorlauf, Wärmeübertrager, Heizkörper und Rücklauf zum Wärmeerzeuger zurücklegt. Dieser Stromkreis besteht in der Regel aus mehreren Teilstrecken. Bei der Zweirohrheizung können Teilstrecken der Vor- und Rückläufe mit gleichen Heizwasserströmen zusammengefasst werden.

Durch den von der Umwälzpumpe erzeugten Pumpendruck wird der Druckverlust ausgeglichen, der durch Einzelwiderstände, Regelarmaturen und gerade Rohrstrecken entsteht. Da die einzelnen Stromkreise einer Heizanlage parallel geschaltete Widerstände abbilden, errechnet sich der notwendige Pumpendruck aus den Druckverlusten des ungünstigsten Stromkreises. In die Stromkreise, in denen der Druckverlust geringer ist, müssen Drosselarmaturen eingebaut werden. Sie reduzieren den überschüssigen Druck, damit der günstigste Heizkreis nicht die Anlage steuert, denn dieser Heizkörper bzw. Heizkreis würde sonst die Funktion der anderen Heizkörper beeinflussen.

Wenn nicht in allen Stromkreisen der gleiche Druckverlust entsteht, stellen sich andere Heizwasserströme als die berechneten notwendigen Massenströme ein. Das Wasser strömt dann in einer viel zu großen Menge durch die Heizkörper mit den geringeren Widerständen. Diese Heizkörper geben dann zu viel Wärme ab und wirken als Störgröße für die Raumregelung. Dadurch wird die gesamte Hydraulik des Heizsystems entscheidend gestört.

Nach einem erfolgreichen hydraulischen Abgleich kann in der Regel die Heizkurve deutlich nach unten verschoben werden. Durchschnittlich 15 % Heizenergie lassen sich dann einsparen ein überzeugendes Argument, das gerade beim Einsatz von Wärmepumpen von hoher Relevanz ist. Gleichzeitig sollte dann eine geregelte Hocheffizienzpumpe als Umwälzpumpe eingesetzt werden, die im Vergleich zu ungeregelten Pumpen bis zu 80 % weniger Strom verbraucht.

8. Ist ein Legionellenschutz erforderlich?

Legionellen sind im Süßwasser natürlich vorkommende Bakterien. Normalerweise sind sie keine Gefahr für den Menschen. Erst unter bestimmten Bedingungen können sich Legio­nellen jedoch stark vermehren und dann die Legionellose oder auch Legionärskrankheit auslösen. Diese ähnelt von ihren Symptomen her einer schweren Lungenentzündung oder Grippe und kann insbesondere bei immungeschwächten Personen tödlich verlaufen.

Übertragen wird die Legionärskrankheit durch das Einatmen von Wasseraerosolen. Eine Übertragung von Mensch zu Mensch ist ausgeschlossen.

Legionellen vermehren sich bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 30 und 40 °C also der typischen Dusch- und Badewassertemperatur. Quellen können vor allem Duschanlagen, Schwimmbäder und Klimaanlagen mit Luftbefeuchtung sein, in denen Wasser nicht stark erhitzt wird und längere Zeit stillsteht. Anfällig sind vor allen Dingen große Warmwasserspeicher mit mehr als 400 Litern Inhalt, wie sie in Einfamilienhäusern kaum zum Einsatz kommen. Darüber hinaus bildet aber auch jedes Warmwasser führende Rohr eine potenzielle Gefahrenquelle, wenn das Warmwasser lange mit der entsprechenden Temperatur in den Leitungen steht. Dies betrifft z. B. gut gedämmte Zirkulationsleitungen für Warmwasser im Neubau, wenn die Zirkulationspumpe über einen längeren Zeitraum abgestellt wird.

Nach dem DVGW Arbeitsblatt W551 muss bei Großanlagen über 400 Liter Speichervolumen und/oder mehr als drei Liter Wasser in jeder Rohrleitung zwischen dem Abgang des Trinkwassererwärmers und der Entnahmestelle stets eine Temperatur größer/gleich 60 °C am Warmwasseraustritt des Trinkwassererwärmers eingehalten werden. Der gesamte Trinkwasserinhalt von Vorwärmstufen muss mindestens einmal am Tag auf über 60 °C erwärmt werden.

Für Kleinanlagen wird die Einstellung der Reglertemperatur am Trinkwassererwärmer auf 60 °C empfohlen. Betriebstemperaturen unterhalb von 50 °C sollten in jedem Fall vermieden werden. Allerdings sollte der Kunde bzw. Betreiber im Rahmen der Inbetriebnahme und Einweisung über das eventuelle Gesundheitsrisiko aufgeklärt werden.

9. Welche hydraulischen Schaltungen ­lassen sich bei Wärmepumpen ­idealerweise einsetzen?

Die wasserseitige Zusammenschaltung eines Stellgliedes mit der Wärmeerzeugung, der Pumpe und dem Wärmeverbraucher zu einer funktionsfähigen Anlage wird als hy­draulische Schaltung bezeichnet. Die Wirkung hydraulischer Schaltungen auf die Anlagenfunktion ist eine der wichtigsten Grundlagen der Regelaufgaben in wasserführenden Systemen. Die Regelung ermöglicht es, den Wärmetransport durch das Stellglied zu verändern und so automatisch dem jeweiligen Bedarf anzupassen.

Beimischschaltung: Ein Dreiwege-Stellglied unterteilt die ganze Schaltung in Primär- oder Wärmeerzeugerkreis und Sekundär- oder Heizkreis. Heißes Wärmeerzeugerwasser und abgekühltes Heizkreisrücklaufwasser werden gemischt, um die gewünschte Vorlauftemperatur in den Heizkreis zu steuern und damit dessen Leistung zu bestimmen.

Die Eigenschaften dieser hydraulischen Schaltung lassen sich durch eine tiefe Rücklauftemperatur bei kleiner Last, einen varia­blen Volumenstrom im Wärmeerzeugerkreis, einen konstanten Volumenstrom mit variabler Temperatur im Heizkreis und die gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher beschreiben.

Beimischschaltung mit fester Vormischung: Ein Dreiwege-Stellglied unterteilt auch hier zunächst den Wärmeerzeuger- und den Heizkreis. Zusätzlich wird aber durch eine feste Vormischung immer ein bestimmter Anteil abgekühltes Rücklauf­wasser dem Vorlauf beigemischt. Diese Schaltung ist dann sinnvoll, wenn die gewünschte Vorlauftemperatur zum Heizkreis im Auslegungszustand tiefer liegt als die vom Wärmeerzeuger bereitgestellte Vorlauftemperatur. So wird erreicht, dass das Dreiwege-Stellglied über den gesamten Stellbereich arbeitet. Die Eigenschaften dieser hydraulischen Schaltung entsprechen denen der reinen Beimischschaltung. Beimischschaltungen sowohl ohne als auch mit fester Vormischung werden generell bei zwei verschiedenen Systemtemperaturen innerhalb einer Heizanlage benötigt beispielsweise für Heizkörper und Fußbodenheizung.

Einspritzschaltung mit Dreiwege-Ventil: Die Wasserumlaufmenge ist sowohl im Wärmeerzeuger- als auch im Heizkreis immer konstant. Für jeden Kreis wird eine Pumpe benötigt. Die Wärmeerzeugerpumpe spritzt je nach Stellung des Dreiwegeventils eine unterschiedliche Menge heißes Vorlaufwasser in den Heizkreis ein. Dieses wird mit abgekühltem Heizkreis-Rücklaufwasser gemischt, welches von der Heizkreispumpe über den Bypass angesaugt wird. Im Heizkreis erhält man dadurch einen konstanten Volumenstrom mit variabler Temperatur.

Die Eigenschaften dieser hydraulischen Schaltung sind neben dem konstanten Durchfluss eine relativ hohe Rücklauftemperatur und die gleichmäßige Temperaturverteilung über den Heizkreis.

Direktschaltung: Bei dieser hydraulischen Grundschaltung ist im Heizkreis kein Regelventil eingebaut. Daher erfolgt keinerlei Leistungsanpassung die Energieabgabe erfolgt hydraulisch ungeregelt. Die Ladepumpe wird über einen Thermostaten ein- bzw. ausgeschaltet. Diese Schaltung wird vorrangig in der Trinkwassererwärmung eingesetzt. Sind z. B. in einem Neubau jedoch das Rohrnetz sowie die Volumenströme genau bekannt und es liegt eine entsprechende Druckverlustberechnung vor, ist es auch beim Einsatz einer invertergeregelten Wärmepumpe möglich, die Direktschaltung zu nutzen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass beim am weitesten vom Wärmeerzeuger entfernt liegenden Heizkörper oder Heizkreisverteiler ein Überströmventil eingesetzt und die Umwälzpumpe stufig ausgeführt wird. Selbstregelnde Pumpen dürfen bei der Direktschaltung mit Wärmepumpen nicht verwendet werden. Nur so ist gewährleistet, dass die komplette Wassermenge für den Abtauvorgang zur Verfügung steht.

10. Lässt sich anhand eines EnEV-Nachweises eine Heizlast­berechnung durchführen?

Rückschlüsse von einem EnEV-Nachweis auf die benötigte Heizlast sind theoretisch zwar möglich, werden aufgrund individueller objektspezifischer Gegebenheiten, die der EnEV-Nachweis nicht erfasst, aber nie die tatsächlich erforderliche Heizlast widerspiegeln können. Zwar bietet der Markt hier sogar Softwarelösungen, die diesen Umkehrschluss durchführen aber letzten Endes werden wichtige Faktoren außer Acht gelassen, die im Endeffekt dann zu Mängeln in der Wohnwärmeversorgung führen können.

Generell machen wir die Erfahrung, dass sich die Kälte- und Klimaanlagenbauer, die jetzt mit uns zusammen Wärmepumpen planen und installieren vorab qualifiziert haben, so Bernd Lohbreier, Product Support Engineer bei Mitsubishi Electric. In der Regel werden Verständnisfragen zum Umgang mit der Hydraulik oder der Einbindung des Gesamtsystems vor dem ersten Einbau unserer Ecodan-Systeme gestellt. Die hier aufgeführten Fragen und Antworten spiegeln insofern die häufigsten Pro­bleme vor der ersten Inbetriebnahme wider. Vor Ort können die mit uns kooperierenden Kälte- und Klimaanlagenbauer dann ihre hohe Kompetenz auch in einem grundsätzlich neuen Aufgabengebiet unter Beweis stellen.

Fazit

Zehn Fragen und zehn Antworten sie beschreiben nach den Erfahrungen von Mitsubishi Electric die wesentlichen Gebiete, zu denen Kälte- und Klimaanlagenbauer Hintergrundinformationen für die erste Planung und Montage einer Wärmepumpe benötigen. Naturgemäß drehen sich diese Fragen in erster Linie um die Bereiche der Hydraulik. Hier stehen Aufgabengebiete an, die bislang noch nicht zum Wissens-Kernrepertoire der Kälte- und Klimaanlagenbauer gehören.

Verkaufsaktive Kälte- und Klimaanlagenbauer können sich jedoch mit dem Geschäftszweig Wärmepumpen gerade im Privatsektor ein krisensicheres Engagement für die kommenden Jahre aufbauen, der ein intensives Training rechtfertigt.