Auslegung des Heizungssystems

Basis für die Auswahl der Heizung einschließlich ihrer Heizkörper und der Auslegung der Anlage ist die Berechnung der Heizlast für jeden einzelnen Raum.

• das Raumvolumen, gegeben durch die Geometrie in den Zeichnungen, sofern vorhanden

• wärmetechnische Beschaffenheit der Umfassungsflächen (Wände, Decken, Böden, Fenster und Türen)

• Orientierung (Himmelsrichtung) des Bauteiles

• Erwünschte Raumtemperatur

• Standort des Gebäudes

• Nutzungsart des Gebäudes.

Auszug Berechnung des Wärmedurchgangswertes U in DIN 12831

Auf diese Weise werden die Transmissionsverluste des Gebäudes festgestellt

Weiterhin ist die sogenannte Lüftungsheizlast zu berechnen. Das ist in der Regel die Wärmemenge, die durch Lüftung verloren geht und ersetzt werden muss. Infolge der teilweise sehr dicht schließenden Fenster und Türen ist dieser Anteil aus bautechnischer Sicht relativ gering.

Anders ist es bei maschineller Lüftung. Aber hier ist der Rechenweg ein anderer als bei der Planung einer statischen Heizung. Entsprechend der Benutzung der Gebäude kann ein Aufheizzuschlag sinnvoll sein, der eine möglichst schnelle Wieder-Aufheizung des Gebäudes nach einer Absenkphase ermöglicht (siehe vorherige Fußnote). Auch ist eine für die Gebrauchswarmwasserbereitung benötigte Leistung zu berücksichtigen. Bei energieeffizienten Gebäuden kann dies für die Kesseldimensionierung ausschlaggebend sein. Für die Berechnung der Heizlast gibt es die DIN 12831. Die obige Beschreibung der Berechnung der Heizlast ist in dieser DIN einschließlich ihrer Beiblätter Schritt für Schritt vorgegeben.

Klimadatensatz im neuen Regelwerk DIN 12831

Weil sich im Laufe der Jahre besonders auf dem Gebiet der ständigen Verbesserung des Wärmeschutzes und der Entwicklung neuer Materialien und Verfahren in regelmäßigen Abständen sehr viel tut, ist diese DIN, gerade zwischen den Fachleuten abgestimmt und in Kraft gesetzt, schon wieder veraltet. Zum heutigen Zeitpunkt sind es nicht nur die verbesserten Materialien, sondern auch die klimatischen Bedingungen. Die Berechnung der Heizlast bezieht sich aber unter anderem eben auch auf diese klimatischen Werte, die für unterschiedliche Regionen der Berechnung zugrunde gelegt werden müssen. Gerade darum geht momentan der fachliche Disput. Im Jahr 2019 soll die neueste Version der DIN 12831 verbindlich werden.

Hierzu wurden die Daten der Norm-Außentemperaturen mit zusätzlichen Informationen wie z. B. der Postleitzahl und den jeweiligen geografischen Höhen ergänzt. Auf dieser Basis kann in Berechnungsprogrammen zukünftig ein noch genauerer Klimadatensatz dem Objekt hinterlegt werden.

So verwundert es nicht, wenn die Fachleute sich hierzu in unterschiedlicher Weise äußern und unter anderem auch ihre Verunsicherung zum Ausdruck bringen. Letztlich ist die exakte Berechnung der Heizlast der Ausgangspunkt für die Auslegung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Schließlich ist es üblich, bei festgestellten Mängeln auch zu untersuchen, ob die zugrundeliegenden Berechnungen korrekt sind.

Weil die Heizlastberechnung selbst nicht direkt Aufgabe des Facility Managers sein wird, soll hierzu lediglich ein Beispiel für die überschlägige Berechnung gegeben werden. So mag sich ein Facility Manager ein grobes Bild machen, ob eine Schieflage vorliegt oder ob die Heizung in Ordnung sein mag. Für den interessierten Leser ist im Anhang eine Abhandlung beigefügt die diesen fachlichen Disput um die DIN 12831 beschreibt. Siehe „Anhang 02 Status Quo bei DIN 12831 Heizlastberechnung“.

Wie bereits dargelegt, stellt das Fallbeispiel lediglich eine Überschlagsrechnung dar. Die korrekte Auslegung einer Anlage sollte nur dann auch als wirklich korrekt betrachtet werden, wenn ihr eine Berechnung nach DIN 12831 tatsächlich zugrunde liegt.

Zu den Volllaststunden gibt es verschiedene Quellen die Erfahrungswerte für unterschiedliche Heiz-Situationen liefern. Für Wohngebäude im Flachland / Mittelland (bis ca. 800m ü NN) kann man mit 2.000 bis 2.100 Volllaststunden ohne Warmwasserbereitung und mit 2300 bis 2400 Volllastsunden inclusive Warmwasser rechnen.
ΦHL = Verbrauch ● HS ● η / tVoll

ΦHL = Norm-Heizlast in kW

HS = Brennwert

η = Jahresnutzungsgrad der Anlage

tVoll = Vollaststunden

Für Öl [l] ohne WW gilt:

ΦHL = Öl [l] x 10,6 x η / 2000

Für Gas [m3] ohne WW gilt:

ΦHL = Gas [m3] x 11,55 x η / 2000

Für η gilt ca. 0,8 bis 9,5 für Bestandsanlagen je nach Alter.

Eine weitere wichtige planerische Aufgabe besteht darin, auf der Grundlage der berechneten Heizlasten für jeden einzelnen Raum das Heizsystem selbst so auszulegen, dass es die berechnete Wärmemenge auch tatsächlich in die jeweiligen Räume zu transportieren in der Lage ist und die Heizkörper genauso groß sind, damit sie ihrer Aufgabe gerecht werden.

Für Auslegung und Einstellung einer Heizungsanlage ist also eine Heizlastberechnung für jeden zu beheizenden Raum durchzuführen. Das erfolgt für den kältesten Tag im Jahr. Die Heizlast ist diejenige Wärmeleistung [in W oder kW], die dem Raum kontinuierlich zugeführt werden muss, damit er die gewünschte Temperatur erreicht und hält, die er nach DIN 12831 haben soll. Die Höhe der Leistung ist abhängig von der Qualität der den Raum umschließenden Gebäudehülle. Zur Hülle zählen alle Wände, Decken, Böden, Fenster, die an Bereiche grenzen, deren Temperatur niedriger ist als die geplante Raumtemperatur.

Die Raumheizlast ist dann die Grundlage für die Auswahl von Heizkörpergröße und Heizkörperanzahl. Hierzu müssen auch Vorlauf- und Rücklauftemperatur festgelegt werden; z.B.: 50/40 für Heizkörperheizung und 30/25 für Fußbodenheizung. Die benötigte Wärme wird im Heizkessel erzeugt, dort auf das Heizungswasser übertragen und durch die Heizkreispumpe zu den Heizkörpern / Fußbodenheizkreisen befördert. Jeder Heizkörper benötigt eine bestimmte Wassermenge (Volumenstrom) pro Zeiteinheit [l/min oder m3/h], um die zuvor berechnete Heizleistung zu erbringen.

Um den erforderlichen Volumenstrom zu erreichen muss die Pumpe einen bestimmten Differenzdruck erzeugen, der abhängig von den Rohrreibungswiderständen, kv-Werten der Ventile, Luftabscheidern, Schlammfängern usw. ist. Dieser Widerstand wird für den (hydraulisch) am weitest entfernten Heizkörper im Heizkreis berechnet und entsprechend ihrer Kennlinie hiernach die Pumpe gewählt.

Wegen der Maßgabe, dass das Heizungswasser auch den letzten Heizkörper sicher in vollem Umfang erreichen muss und die Nennweiten der gewählten Heizungsrohre nur in gewissen Abstufungen vorhanden sind, entstehen im Heizsystem Stellen, an denen der Differenzdruck zu hoch ist, sodass der Durchfluss an den Voreinstelleinrichtungen der entsprechenden Ventile gedrosselt werden muss. Diesen Vorgang nennt man den hydraulischen Abgleich.

Der hydraulische Abgleich kann also nur dann vorgenommen werden, wenn eine raumweise Heizlastberechnung durchgeführt wurde und auch das Rohrnetz entsprechend des Heizwasserbedarfs an den jeweiligen Stellen entsprechend dimensioniert wurde.

Ein Facility Manager sollte davon ausgehen dürfen, dass ein ihm übertragenes Objekt ursprünglich nach diesen Vorgaben berechnet und ausgeführt worden ist. Dann besteht seine Aufgabe lediglich darin, die entsprechenden Dokumentationen hierfür zu archivieren und bereitzuhalten für den Fall, wenn diese Unterlagen gebraucht werden.

Ein solcher Fall tritt ein, wenn infolge Umbau oder Sanierung des Gebäudes sein Wärmebedarf und damit auch der der Räume, also die ursprüngliche Auslegung des hydraulischen Systems nicht mehr stimmen. Dies gilt für die Höhe der Heizlasten und zumeist auch für das Verhältnis der Verteilung auf die einzelnen Heizkörper.

• Wärmedämmung von Außenwänden, Decken, Böden, Wänden zu unbeheizten Räumen, Dach, Fenstertausch

• Änderung der Raumaufteilung, Anbau, Dachausbau, Rückbau

• Austausch der Heizkörper (bei veränderter Leistung), des Heizkessels, der Heizkreis-Pumpe.

Prinzipbild zum hydraulischen Abgleich

Von besonderer Bedeutung ist dieser gesamte Berechnungs- und Abgleichvorgang in seiner energetischen und damit letztlich kostenmäßigen Auswirkung im Bereich der öffentlichen Hand, wenn sie diese Fördermaßnahmen in Anspruch nimmt. In solchen Fällen kann/muss ein hydraulischer Abgleich auf der Basis einer korrekten Heizungsdokumentation durchgeführt werden. Auch wer keine Förderung in Anspruch nehmen will bzw. kann, sollte im eigenen Interesse den Abgleich durchführen lassen.

Schließlich sei noch erwähnt, dass es auch zu einem gewissen Teil um Komfort geht. Ist der hydraulische Abgleich nämlich nicht korrekt durchgeführt, kann es sein, dass es bei irgendeiner Einstellungsstufe am Heizkörperregulierventil zu Strömungsgeräuschen kommt, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Heizungswassers den Grenzwert überschreitet. Solche Geräusche sind stets ein Zeichen unkorrekter Ausführung und sollten reklamiert werden.

Die beschriebenen Zusammenhänge betreffen ausschließlich den Bereich, den wir üblicherweise mit statischer Heizung beschreiben. Der Zubau einer thermischen Solaranlage, die Einbindung von Photovoltaik Anlagen oder Änderungen an der Warmwasserbereitungsanlage beeinflussen die hydraulischen Verhältnisse im Heizkreis i.d.R. nicht, weil sie eigene Kreisläufe besitzen.

• Die an den Heizkörpern befindlichen Thermostat-Ventilköpfe abnehmen,

• den errechneten Einstellwert einstellen (gilt auch für druckunabhängige Ventile)

• bei Fußbodenheizung erfolgt die Einstellung im Geschossverteiler

• Bei Einsatz von ferngesteuerten Reglern mit thermischem-Antrieb muss u. U. ein

• Mindestdurchfluss eingestellt werden (Herstellerangaben beachten) Falls Stellantriebe vorhanden sind, diese abnehmen, Falls einstellbares Ventil vorhanden, und kein Durchflussmesser, Ventileinstel-lung nach dem errechnetem Einstellwert vornehmen, Falls einstellbares Ventil vorhanden, plus Durchflussmesser, Ventileinstellung nach errechnetem Einstellwert und zusätzlich Kontrolle über Durchflussmes-ser, Falls einstellbarer Durchflussmesser vorhanden ist, Volumenstrom am Durch-flussmesser einstellen.

Nach der ersten Einstellrunde ist zumeist ein weiterer Abgleich infolge der strömungstechnisch sich gegenseitig beeinflussenden Volumenströme notwendig.

Bei Einstellung über einen Durchflussmesser muss die Pumpe eingeschaltet sein. An der Pumpe prüfen, ob sich nach Abgleich der erwartete Summenvolumenstrom ergibt.

Um Energie zu sparen, werden Heizungsanlagen nur dann betrieben, wenn ihre Wärme benötigt wird. So benötigt im Wohnzimmer beispielsweise im Normalfall nachts niemand Wärme. Das spricht dafür, eine sogenannte Nachtabsenkung einzuführen. Diese wird normalerweise am Tableau des Kessels eingestellt. Das Verfahren wird zwar in den Bedienungsanleitungen beschrieben, ist aber für Laien erst nach intensiver Beschäftigung damit zu durchschauen. Hier ist der Servicetechniker des Vertrauens der Richtige.

Pumpen mit einer automatischen Nachtabsenkungs-Kennlinie fahren während der Nachtabsenkungs-Zeiten eine energiesparende Minimalversorgung.

Die Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Nachtabsenkung erfolgt in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. Die Pumpe schaltet automatisch auf Nachtabsenkung um, wenn die Vorlauftemperatur innerhalb von ca. 2 Stunden um mehr als 10-15 °C sinkt. Der Temperaturabfall muss mindestens 0,1 °C/min. betragen. Die Umschaltung auf Normalbetrieb erfolgt ohne Verzögerung, sobald die Vorlauftemperatur wieder um 10 °C angestiegen ist. Diese Funktion ist nur wirksam, wenn sie auch eingeschaltet ist. Eine Nachtabsenkung der Heizungssteuerung (Verringerung der Vorlauftemperatur um z.B. 5°C würde damit nicht unterstützt.) Es gibt auch Pumpen, deren Kennlinie extern ansteuerbar ist.

Die Wirksamkeit der Nachtabsenkung ist stark abhängig von der Bauphysik des Gebäudes. Bei einem Gebäude, das gut gedämmt und von schwerer Bauart ist, ist der Einspareffekt eher gering (kühlt nur langsam aus, und muss früh wieder aufgeheizt werden). Das gilt auch für Fußbodenheizungen mit üblicher Estrichüberdeckung (~6 cm). Längere Absenkperioden sind hingegen stets die Ausnahme z.B. Ferienschaltung.

Bei schlecht wärmegedämmten Bauten kann sich eine Absenkung lohnen. Hier ist aber darauf zu achten, dass es in den Räumen nicht zu Taupunktunterschreitungen kommt. Die Wirksamkeit einer Nachtabsenkung und die sich bei Abkühlung automatisch öffnenden Thermostatventile sind leider gegenläufig. Eine unabhängige automatische Pumpe mit Nachtabsenkungs-kennlinie wäre hier z.B. die Wahl.

Diese Zielstellung ist sinnvoll und auch relativ leicht ausgesprochen. Allerdings zeigen die Erfahrungen, dass nur in den seltensten Fällen vom Auftraggeber den Planern entsprechend konkrete Angaben gemacht werden können. Viel zu oft sind die Einzelheiten nicht rechtzeitig klar. Weiterhin spielen die Kosten eine erhebliche Rolle beim Bau, und dass eine ausgefeilte Regelungstechnik teurer ist als eine „0-8-15 Lösung“ ist ebenfalls klar. Also wird eine Anlage entworfen und gebaut, wie sie im Stadium der Planung nicht besser möglich ist.

Im Betrieb zeigt sich dann, dass es besser gewesen wäre eine intelligente Lösung zu organisieren, welche zugegebenermaßen auch teurer gewesen wäre. So muss nun improvisiert werden, was eine große Herausforderung sein kann, zumal diese Herausforderungen relativ oft an den Facility Manager herangetragen werden, weil neue Belegung von Räumen, funktionale um Änderungen, Umänderung von Raumgrundrissen usw. durchaus an der Tagesordnung sind. Aber Versäumtes zu beklagen, hilft ja auch nicht weiter.

Wir wollen nun so tun, als wäre uns ein klares und endgültiges Raumkonzept vorgegeben.

Zweifelsfrei bedarf es eines intelligenten Regelungskonzeptes, um im gesamten betrachteten Bereich zum einen ein angenehmes Raumklima zu schaffen, denn dieses ist jenseits aller DIN- und anderer Vorschriften für den Nutzer das einzig gültige Kriterium und zum anderen, dies bei hoher Energieeffizienz zu erreichen.

Diese in Aussicht gestellte intelligente Regelung hat die Aufgabe, die einzelnen Komponenten der unterschiedlichen Nutzungszonen zu überwachen und einen energetisch vernünftigen Gesamtbetrieb zu garantieren.

An dieser Stelle wird eine weitere Anforderung im Zuge der Planung sichtbar. Es leuchtet ein, dass ein derartiges gesamtheitliches Regelungskonzept nur dann erstellt werden kann, wenn die Planung aus einer Hand gemacht wird. Insbesondere im öffentlichen Bereich, wo es darauf ankommt, möglichst viele Wettbewerbsteilnehmer an den Aufgaben zu beteiligen, kommt es schnell zu einer Zerstückelung der Planung und mithin zum Nichterreichen einer gesamtheitlichen und nach einheitlicher Strategie zusammenwirkenden Gesamtlösung. Aber auch hier wollen wir annehmen, dass eine gesamtheitliche Aufgabenstellung die Grundlage sein möge.

• auch Komponenten, die eine bestimmte Realisierungsfirma selbst nicht herstellt, also am Markt „zusammengesucht“ werden,

• die Vermeidung unnützer Schnittstellen,

• Vereinfachung des Installationsaufwandes,

• hohe Systemeffizienz

• und schließlich einen raumklimatischen Komfort.

Insbesondere beim Werben um die besten Arbeitskräfte sind die Unternehmen bemüht, die besten Aufenthalts- und Arbeitsbedingungen zu schaffen. Dazu gehört zweifelsfrei die Sicherstellung behaglichen Raumklimas. Das wird in Zukunft umso wichtiger, je höher im Zuge des Klimawandels die Außentemperaturen steigen. In Arbeitsräumen, wo die Arme bei der Hitze am Schreibtisch „festkleben“, wird nichts Vernünftiges geschaffen. Also bleibt nichts Anderes übrig, als zur Erreichung angenehmer Temperaturen und einer guten Qualität der Raumluft entsprechend konzipierte Lüftungs- und Klimadeckensysteme einzusetzen. Wie bereits erwähnt, ist eine zusätzliche Aufgabe hierbei zu lösen, nämlich die Energieeffizienz, denn der Energieverbrauch erzeugt im Laufe der Nutzungszeit wesentlich höhere Gesamtkosten, als der Kapitaldienst. Dies verstärkt sich in Zukunft, weil der Anteil der Klimatisierung sich erhöhen wird und der Energieverbrauch für die Klimatisierung (Kühlung) etwa dreimal so hoch ist, wie der vergleichbare Energieverbrauch für die Heizung.

• mit denen die Abfuhr von Wärme- und Kühllasten über dezentrale, wasserführende Sys-temkomponenten realisiert wird,

• Die Luftvolumenströme auf den hygienisch notwendigen (ausreichenden) Wert reduziert werden können.

Der Markt hat sich hierauf längst eingestellt und stellt eine Vielzahl entsprechender Produkte zur Verfügung.

• die Istwerte bezüglich der jeweiligen Personalbelegung,

• die erforderliche Innentemperatur als Folge der Nutzungsart,

• den Temperaturgang der Außentemperaturen,

• die geforderte Luftqualität Reinheitsgrad, Volumenstrom, Temperatur, Feuchte, die baulichen Gegebenheiten (Fensterstellung, Wärmedämmung, Wandstär-ken etc.)

erfassen und auf dieser Grundlage die Anlagen der Heizung, Lüftung, usw. aufeinander abstimmen und ansteuern.

Die planerische und ausführungstechnische Anforderung hierbei ist, dass die jeweiligen gewählten Komponenten nicht nur jede für sich allein, sondern in der korrekten Kombination zueinander den geplanten Nutzerkomfort und energetischen Systembetrieb erreichen. Dies bedingt letztlich nichts anderes, als das sinnvolle Zusammenspiel von Lüftung und Heizung und gegebenenfalls Klimatisierung. Zu beachten ist hierbei auch, dass auch Belange der Sanitärtechnik (beispielsweise die Gebrauchswarmwassererwärmung) hierbei eine Rolle spielen. An dieser Stelle ist es nicht sinnvoll, weiter in die Tiefe der planerischen Erfordernisse einzusteigen, denn das wird - wie gesagt - Aufgabe der Planer sein. Für den Facility Manager sei noch zum allgemeinen Verständnis ein Fallbeispiel dargestellt, welches zur Erläuterung der hier notwendigen Komplexität dienen soll.

Das Lüftungsgerät übernimmt die primäre Abdeckung des Außenluftbedarfs und auch die Abfuhr der Grundheiz- und Grundkühllasten.

In dem Augenblick, in dem die Temperierung der erforderlichen Mindestluftrate erreicht ist, wird der Unterflurkonvektor automatisch zugeschaltet.

• hoher thermischer Komfort

• energiesparende Betriebsweise

• geringe Schallemissionen (infolge Drehzahlanpassung).

• Vernetzung der Lüftungs- und Klimatechnik in ein übergeordnetes Automationssystem

• Einbindung weiterer raumklimatische Komponenten in dieses Automatisierungssystem Fensterkontakte, Verschattungssysteme, Stellventile u.a.m.

• Erfassung einer jeden Nutzungszone durch die Raumautomation bezüglich der weiter oben beschriebenen Komponenten und Daten (die Zustände bzw. Istwerte bezüglich Be-legung, Temperatur, Luftqualität, Fensterstellung usw.)

• Einbindung der Beleuchtungsanlage, soweit relevant.

Informativ übernimmt der Autor hier eine Mitteilung aus einer recherchierten Literaturstelle, dass beispielsweise mithilfe solcher Raum-Automatisierungssysteme Energieeinsparungen in Büro bzw. Schulgebäuden bis zu 40 % erreichbar seien. Das mag im Einzelfall zutreffen oder nicht. Auf jeden Fall nützt eine solche Angabe ohne die dazugehörige Wirtschaftlichkeitsberechnung recht wenig. Schließlich ist letztlich für den Kaufmann nicht die Energieeinsparung allein das Maß der Dinge, sondern das Saldo aus Kapitalaufwand und sich reduzierenden Verbrauchskosten über einen bestimmten Nutzungszeitraum.

Bei Heizungsanlagen erfolgt die direkte Sonnenenergienutzung mit thermischen Solarkollektoren. Eine zusätzliche Speicheranlage und eine konventionelle Wärmeerzeugung sind in den meisten Fällen erforderlich.

In Freibädern z. B. ist während der Sommermonate eine Kollektoranlage ohne Zusatzbeheizung möglich. Als thermische Solarkollektoren werden Flachkollektoren, Vakuum-Röhren-Kollektoren oder Kollektormatten eingesetzt.

• Erzeugung von Wärme

• Erzeugung von elektrischer Energie. Diese zählt jedoch nicht zur Heizung.

• Flachkollektoren,

• Vakuum-Röhren-Kollektoren oder

• Kollektormatten

verwendet.