Heizungssystem mit natürlicher Zirkulation: gängige Schaltungen von Wasserkreisläufen

Die Errichtung eines autonomen Heiznetzes vom Schwerkrafttyp wird gewählt, wenn es nicht sinnvoll und manchmal unmöglich ist, eine Umwälzpumpe zu installieren oder an die zentrale Stromversorgung anzuschließen.

Ein solches System ist in der Einrichtung günstiger und völlig unabhängig von Strom. Seine Funktionsfähigkeit hängt jedoch weitgehend von der Genauigkeit der Planung ab.

Damit das Heizsystem mit natürlicher Zirkulation störungsfrei funktioniert, müssen seine Parameter berechnet, die Komponenten korrekt installiert und das Schema des Wasserkreislaufs fundiert ausgewählt werden. Wir helfen Ihnen bei der Lösung dieser Fragen.

Wir haben die wichtigsten Funktionsprinzipien des Schwerkraftsystems beschrieben, Ratschläge zur Auswahl der Rohrleitung gegeben, die Regeln für die Montage des Kreislaufs und die Platzierung der Arbeitskomponenten erläutert. Besondere Aufmerksamkeit haben wir den Besonderheiten der Planung und Funktionsweise von Ein- und Zweirohr-Heizsystemen gewidmet.

Prinzipien des natürlichen Zirkulationsprozesses

Der Prozess der Wasserbewegung im Heizkreislauf ohne Einsatz einer Umwälzpumpe erfolgt aufgrund natürlicher physikalischer Gesetze.

Das Verständnis der Natur dieser Prozesse ermöglicht es, sachgemäß ein Heizungsprojekt zu entwickeln für Standard- und Sonderfälle.

Maximale Differenz des hydrostatischen Drucks

Die grundlegende physikalische Eigenschaft eines jeden Wärmeträgers (Wasser oder Frostschutzmittel), die seine Bewegung im Kreislauf bei Naturumlauf fördert, ist die Abnahme der Dichte bei Temperaturerhöhung.

Die Dichte von heißem Wasser ist geringer als die von kaltem Wasser, daher entsteht ein Unterschied im hydrostatischen Druck zwischen der warmen und der kalten Flüssigkeitssäule. Das kalte Wasser, das zum Wärmetauscher fließt, verdrängt das heiße Wasser im Rohr nach oben.

Die treibende Kraft des Wassers im Kreislauf bei Naturumlauf ist der Unterschied des hydrostatischen Drucks zwischen der kalten und der heißen Flüssigkeitssäule.

Der Heizkreislauf eines Hauses kann bedingt in mehrere Abschnitte unterteilt werden. In den “heißen” Abschnitten wird das Wasser nach oben geleitet, in den “kalten” nach unten. Die Grenzen der Abschnitte sind der obere und untere Punkt des Heizsystems.

Die Hauptaufgabe bei der Modellierung eines Systems mit natürlicher Zirkulation des Wassers ist es, den größtmöglichen Unterschied zwischen dem Druck der Flüssigkeitssäule in den “heißen” und “kalten” Abschnitten zu erreichen.

Das klassische Element des Wasserkreislaufs für die Naturumlaufheizung ist der Beschleunigungssammler (Hauptsteigrohr) – ein vertikales Rohr, das vom Wärmetauscher nach oben führt.

Der Beschleunigungssammler sollte die maximale Temperatur aufweisen, daher wird er auf seiner gesamten Länge isoliert. Wenn die Höhe des Sammlers jedoch nicht groß ist (wie bei einstöckigen Häusern), kann auf eine Isolierung verzichtet werden, da das Wasser darin nicht abkühlen kann.

Üblicherweise wird die Anlage so ausgelegt, dass der obere Punkt des Beschleunigungssammlers mit dem obersten Punkt des gesamten Kreislaufs zusammenfällt. Dort wird ein Anschluss für einen offenen Ausdehnungsbehälter oder ein Entlüftungsventil installiert, wenn ein Membranausdehnungsgefäß verwendet wird.

Dann ist die Länge des “heißen” Abschnitts des Kreislaufs minimal möglich, was zu einer Verringerung der Wärmeverluste in diesem Bereich führt.

Es ist auch wünschenswert, dass der “heiße” Abschnitt des Kreislaufs nicht mit einer langen Strecke kombiniert wird, die abgekühlten Wärmeträger transportiert. Idealerweise fällt der untere Punkt des Wasserkreislaufs mit dem unteren Punkt des Wärmetauschers zusammen, der im Heizgerät untergebracht ist.

Je niedriger der Heizkessel im Heizsystem angeordnet ist, desto geringer ist der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule im heißen Abschnitt des Kreislaufs.

Auch für das “kalte” Segment des Wasserkreislaufs gibt es eigene Regeln, die den Flüssigkeitsdruck erhöhen:

• Je größer die Wärmeverluste im “kalten” Abschnitt des Heizungsnetzes sind, desto niedriger ist die Wassertemperatur und desto größer ist seine Dichte, daher ist der Betrieb von Systemen mit natürlicher Zirkulation nur bei erheblicher Wärmeabgabe möglich;
• Je größer der Abstand vom unteren Punkt des Kreislaufs zum Anschluss der Heizkörper ist, desto größer ist der Abschnitt der Wassersäule mit minimaler Temperatur und maximaler Dichte.

Um die Einhaltung der letzten Regel zu gewährleisten, wird der Ofen oder Kessel oft am tiefsten Punkt des Hauses, z. B. im Keller, installiert. Durch diese Platzierung des Kessels wird der größtmögliche Abstand zwischen der unteren Ebene der Heizkörper und dem Eintrittspunkt des Wassers in den Wärmetauscher sichergestellt.

Allerdings sollte der Höhenunterschied zwischen dem unteren und oberen Punkt des Wasserkreislaufs bei natürlicher Zirkulation nicht zu groß sein (in der Praxis nicht mehr als 10 Meter). Der Ofen oder Kessel erwärmt nur den Wärmetauscher und den unteren Teil des Beschleunigungssammlers.

Wenn dieser Abschnitt im Verhältnis zur Gesamthöhe des Wasserkreislaufs unbedeutend ist, wird der Druckabfall im “heißen” Abschnitt des Kreislaufs gering sein und der Zirkulationsprozess wird nicht in Gang gesetzt.

Die Verwendung von Systemen mit natürlicher Zirkulation für zweistöckige Gebäude ist durchaus gerechtfertigt, für eine größere Anzahl von Stockwerken wird jedoch eine Umwälzpumpe erforderlich sein.

Minimierung des Widerstands gegen die Wasserbewegung

Bei der Planung eines Systems mit natürlicher Zirkulation muss die Geschwindigkeit des Wärmeträgers im Kreislauf berücksichtigt werden.

Erstens, je schneller die Geschwindigkeit, desto schneller erfolgt die Wärmeübertragung im System “Kessel – Wärmetauscher – Wasserkreislauf – Heizkörper – Raum”.

Zweitens, je schneller die Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch den Wärmetauscher ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit ihres Siedens, was besonders bei Ofenheizung wichtig ist.

Das Sieden des Wassers im System kann sehr teuer werden – die Kosten für Demontage, Reparatur und Wiedereinbau des Wärmetauschers erfordern viel Zeit und Geld.

In Heizungsanlagen mit Zwangsumlauf hängt die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers hauptsächlich von den Parametern der Umwälzpumpe ab.

Bei einer Wasserheizung mit natürlicher Zirkulation hängt die Geschwindigkeit von folgenden Faktoren ab:

• Druckunterschied zwischen den Abschnitten des Kreislaufs an seinem unteren Punkt
• des hydrodynamischen Widerstands der Heizungsanlage.

Die Methoden zur Sicherstellung der maximalen Druckdifferenz wurden oben erörtert. Der hydrodynamische Widerstand eines realen Systems lässt sich aufgrund des komplexen mathematischen Modells und der großen Anzahl von Eingabedaten, deren Genauigkeit schwer zu gewährleisten ist, nicht genau berechnen.

Dennoch gibt es allgemeine Regeln, deren Einhaltung den Widerstand des Heizkreislaufs verringern kann.

Die Hauptgründe für die Verringerung der Fließgeschwindigkeit des Wassers sind der Widerstand der Rohrwände und das Vorhandensein von Verengungen aufgrund von Fittings oder Absperrarmaturen. Bei geringer Strömungsgeschwindigkeit ist der Wandwiderstand praktisch nicht vorhanden.

Eine Ausnahme bilden lange und dünne Rohre, wie sie typisch für die Heizung mittels Fußbodenheizung sind. In der Regel werden dafür separate Kreisläufe mit Zwangsumlauf vorgesehen.

Bei der Auswahl der Rohrtypen für einen Kreislauf mit natürlicher Zirkulation müssen die beim Einbau der Anlage auftretenden technischen Querschnittsverengungen berücksichtigt werden. Daher ist die Verwendung von Mehrschichtverbundrohren bei natürlicher Wasserzirkulation unerwünscht, da sie mit Fittings verbunden werden, die einen deutlich geringeren Innendurchmesser haben.

Fittings von Metallverbundrohren verengen den Innendurchmesser etwas und stellen bei schwachem Druck ein ernsthaftes Hindernis für das Wasser dar (+)

Regeln für die Auswahl und Montage von Rohren

Die Wahl zwischen Stahl- oder Polypropylenrohren erfolgt bei jeder Zirkulation nach dem Kriterium der Eignung für Heißwasser sowie nach den Gesichtspunkten Preis, Montagefreundlichkeit und Lebensdauer.

Die Vorlaufsteigleitung wird aus einem Metallrohr montiert, da durch dieses das Wasser mit der höchsten Temperatur fließt und bei Ofenheizung oder einer Störung des Wärmetauschers die Möglichkeit des Dampfdurchtritts besteht.

Bei natürlicher Zirkulation muss der Rohrdurchmesser etwas größer gewählt werden als bei Verwendung einer Umwälzpumpe. In der Regel beträgt der Durchmesser des Beschleunigungssammlers und des Rohrs am Rücklaufeintritt in den Wärmetauscher bei Räumen bis 200 m² 2 Zoll.

Dies ist auf die im Vergleich zur Zwangsumwälzung geringere Wassergeschwindigkeit zurückzuführen, was zu folgenden Problemen führt:

• Verringerung der pro Zeiteinheit von der Quelle zum beheizten Raum transportierten Wärmemenge;
• Auftreten von Verstopfungen oder Luftblasen, mit denen ein geringer Druck nicht fertig werden kann.

Besondere Aufmerksamkeit muss bei Verwendung der natürlichen Zirkulation mit unterer Vorlaufzuführung dem Problem der Luftentfernung aus dem System gewidmet werden. Die Luft kann nicht vollständig über das Ausdehnungsgefäß aus dem Wärmeträger abgeführt werden, da das siedende Wasser zunächst über die Hauptleitung, die tiefer als die Heizkörper liegt, in die Geräte gelangt.

Bei Zwangsumlauf drückt der Wasserdruck die Luft zu einem am höchsten Punkt der Anlage installierten Entlüfter – einem Gerät mit automatischer, manueller oder halbautomatischer Steuerung. Mit Hilfe von Mayevsky-Hähnen wird hauptsächlich die Wärmeabgabe reguliert.

In Schwerkraftheizungsnetzen mit Vorlauf, der unterhalb der Heizkörper angeordnet ist, werden Mayevsky-Ventile direkt zum Entlüften verwendet.

An allen Heizkörpern moderner Bauart sind Vorrichtungen zum Entlüften vorhanden, daher kann zur Vermeidung von Luftblasen im Kreislauf ein Gefälle angelegt werden, indem die Luft zum Heizkörper getrieben wird.

Luft kann auch mit Hilfe von Entlüftern abgeführt werden, die an jedem Steigstrang oder an einer parallel zu den Systemhauptleitungen verlegten Luftleitung installiert sind. Aufgrund der beträchtlichen Anzahl von Vorrichtungen zur Luftableitung werden Schwerkraftsysteme mit unterer Verteilung äußerst selten eingesetzt.

Bei geringem Druck kann eine kleine Luftblase das gesamte Heizsystem zum Stillstand bringen. So ist gemäß SNiP 41-01-2003 die Verlegung von Rohrleitungen von Heizungsanlagen ohne Gefälle bei einer Wassergeschwindigkeit unter 0,25 m/s nicht zulässig.

Bei natürlicher Zirkulation sind derartige Geschwindigkeiten nicht erreichbar. Daher müssen neben der Vergrößerung des Rohrdurchmessers ständige Gefälle eingehalten werden, um die Luft aus der Heizungsanlage abzuführen. Das Gefälle wird mit 2-3 mm pro Meter bemessen, in Wohnungsnetzen erreicht die Neigung bis zu 5 mm pro laufenden Meter der horizontalen Leitung.

Das Gefälle der Vorlaufleitung wird in Strömungsrichtung des Wassers angelegt, damit die Luft zum Ausdehnungsgefäß oder einem Entlüftungssystem gelangt, das sich am obersten Punkt des Kreislaufs befindet. Es kann auch ein Gegengefälle angelegt werden, jedoch muss in diesem Fall zusätzlich ein Entlüftungsventil installiert werden.

Das Gefälle der Rücklaufleitung wird in der Regel in Fließrichtung des abgekühlten Wassers angelegt. Dann fällt der tiefste Punkt des Kreislaufs mit dem Eintritt der Rücklaufleitung in den Wärmeerzeuger zusammen.

Die gebräuchlichste Kombination der Gefällerichtungen von Vorlauf- und Rücklaufrohr zur Entfernung von Luftblasen aus dem Warmwasserkreislauf mit natürlicher Zirkulation

Bei der Installation einer Fußbodenheizung kleiner Fläche in einem Kreislauf mit natürlicher Zirkulation muss verhindert werden, dass Luft in die engen und horizontal verlegten Rohre dieses Heizsystems gelangt. Vor der Fußbodenheizung muss eine Entlüftungsvorrichtung installiert werden.

Einrohr- und Zweirohr-Heizungsschemata

Bei der Entwicklung einer Heizungsanlage für ein Haus mit natürlicher Wasserzirkulation können sowohl ein als auch mehrere separate Kreisläufe geplant werden. Diese können sich erheblich voneinander unterscheiden. Unabhängig von der Länge, der Anzahl der Heizkörper und anderen Parametern werden sie nach dem Einrohr- oder Zweirohrprinzip ausgeführt.

Kreislauf mit einer Hauptleitung

Ein Heizsystem, das dasselbe Rohr für die sequenzielle Wasserzufuhr zu den Heizkörpern verwendet, wird als Einrohrsystem bezeichnet. Die einfachste Einrohrvariante ist die Heizung mit Metallrohren ohne Verwendung von Heizkörpern.

Dies ist die günstigste und am wenigsten problematische Methode zur Beheizung des Hauses bei der Wahl der natürlichen Zirkulation des Wärmeträgers. Der einzige wesentliche Nachteil ist das Erscheinungsbild der sperrigen Rohre.

Bei der wirtschaftlichsten Ausführung einer Einrohrheizungsanlage mit Heizkörpern durchfließt das heiße Wasser nacheinander jedes Gerät. Hierbei wird die geringste Anzahl an Rohren und Absperrarmaturen benötigt.

Im Laufe des Durchflusses kühlt der Wärmeträger ab, daher erhalten die nachfolgenden Heizkörper kälteres Wasser, was bei der Berechnung der Anzahl der Heizrippen berücksichtigt werden muss.

Die einfache Einrohrschaltung (oben) erfordert einen minimalen Montageaufwand und geringe Investitionen. Die aufwändigere und kostspieligere Variante unten ermöglicht das Abschalten einzelner Heizkörper, ohne das gesamte System anhalten zu müssen.

Als effektivste Methode zum Anschluss von Heizkörpern an ein Einrohrnetz gilt die diagonale Variante.

Bei dieser Anordnung der Heizkreisläufe mit natürlicher Zirkulation gelangt das heiße Wasser von oben in den Heizkörper und wird nach dem Abkühlen durch den unten befindlichen Stutzen abgeführt. Auf diese Weise gibt das erhitzte Wasser die maximale Wärmemenge ab.

Bei einem unteren Anschluss sowohl des Eingangs- als auch des Ausgangsstutzens an den Heizkörper verringert sich die Wärmeabgabe erheblich, da der erwärmte Wärmeträger den maximal langen Weg zurücklegen muss. Aufgrund der starken Abkühlung werden in solchen Schaltungen keine Heizkörper mit vielen Gliedern verwendet.

Die „Leningradka“ zeichnet sich durch erhebliche Wärmeverluste aus, die bei der Systemberechnung berücksichtigt werden müssen. Ihr Vorteil ist, dass bei Verwendung von Absperrventilen am Ein- und Ausgangsstutzen die Geräte selektiv zur Reparatur abgeschaltet werden können, ohne den Heizzyklus zu unterbrechen (+)

Heizungskreisläufe mit einem derartigen Anschluss der Heizkörper werden als “Leningradka“ bezeichnet. Trotz der erwähnten Wärmeverluste werden sie bei der Einrichtung von Wohnungsheizsystemen bevorzugt, was auf das ästhetischere Erscheinungsbild der Rohrverlegung zurückzuführen ist.

Ein wesentlicher Nachteil von Einrohrnetzen ist die Unmöglichkeit, einen Heizungsabschnitt abzuschalten, ohne die Wasserzirkulation im gesamten Kreislauf zu unterbrechen.

Daher wird in der Regel eine Modernisierung des klassischen Schemas mit der Installation eines “Bypass” zur Umgehung des Heizkörpers mittels einer Abzweigung mit zwei Kugelhähnen oder einem Dreiwegehahn vorgenommen. Dies ermöglicht es, die Wasserzufuhr zum Heizkörper zu regeln, bis hin zur vollständigen Abschaltung.

Für zwei- und mehrgeschossige Gebäude werden Varianten des Einrohrsystems mit vertikalen Steigleitungen eingesetzt. In diesem Fall ist die Verteilung des Warmwassers gleichmäßiger als bei horizontalen Steigleitungen. Außerdem sind vertikale Steigleitungen kürzer und fügen sich besser in die Raumgestaltung ein.

Das Einrohrsystem mit vertikaler Verteilung wird erfolgreich bei der Beheizung von zweigeschossigen Räumen mit natürlicher Zirkulation eingesetzt. Dargestellt ist eine Variante mit der Möglichkeit, die oberen Heizkörper abzuschalten.

Variante mit Rücklaufrohr

Wenn ein Rohr zur Zuführung von heißem Wasser zu den Heizkörpern und ein zweites zur Rückführung des abgekühlten Wassers zum Kessel oder Ofen verwendet wird, nennt man diese Heizungsanlage Zweirohrsystem. Ein solches System wird bei vorhandenen Heizkörpern häufiger eingesetzt als ein Einrohrsystem.

Sie ist teurer, da sie die Installation eines zusätzlichen Rohres erfordert, hat aber eine Reihe bedeutender Vorteile:

• gleichmäßigere Temperaturverteilung des den Heizkörpern zugeführten Wärmeträgers;
• einfachere Berechnung der Abhängigkeit der Heizkörperparameter von der zu beheizenden Raumfläche und den erforderlichen Temperaturwerten;
• effizientere Regelung der Wärmezufuhr zu jedem Heizkörper.

In Abhängigkeit von der Richtung der Bewegung des gekühlten Wassers im Verhältnis zum heißen Wasser werden Zweirohrsysteme in Gleichtrom- und Gegenstromsysteme unterteilt. Bei Gleichstromsystemen erfolgt die Bewegung des gekühlten Wassers in derselben Richtung wie die des heißen Wassers, dawner stimmt die Zyklusläänge für den gesamten Kreislauf überein.

Bei Gegenstromsystemen bewegt sich das abgekühlte Wasser dem heißen Wasser entgegen, daher unterscheiden sich die Kreislauflängen des Wärmeträgers für verschiedene Heizkörper. Da die Geschwindigkeit im System gering ist, kann sich die Aufheizzeit erheblich unterscheiden. Die Heizkörper mit einer kürzeren Kreislauflänge werden schneller erwärmt.

Bei der Wahl zwischen Gegenstrom- und Gleichstromsystemen wird in erster Linie auf die praktische Verlegung des Rücklaufrohrs geachtet

Es gibt zwei Arten der Anordnung der Zuleitung in Bezug auf die Heizkörper: obere und untere. Bei der oberen Zuleitung befindet sich das Warmwasser führende Rohr oberhalb der Heizkörper, bei der unteren Zuleitung unterhalb.

Bei der unteren Anbindung ist das Entlüften über die Heizkörper möglich, und es besteht keine Notwendigkeit, Rohre oben zu verlegen, was aus Sicht der Raumgestaltung vorteilhaft ist.

Ohne einen Schnellverteiler ist der Druckunterschied jedoch wesentlich geringer als bei der oberen Anbindung. Daher wird die untere Anbindung bei der Raumheizung nach dem Prinzip der natürlichen Zirkulation praktisch nicht eingesetzt.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Organisation eines Einrohrsystems auf Basis eines Elektrokessels für ein kleines Haus:

Betrieb eines Zweirohrsystems für ein einstöckiges Holzhaus auf Basis eines Festbrennstoffkessels mit langer Brenndauer:

Die Nutzung der natürlichen Zirkulation beim Wasserfluss im Heizkreis erfordert präzise Berechnungen und technisch fachgerechte Montagearbeiten. Werden diese Bedingungen erfüllt, heizt die Heizungsanlage die Räume eines Privathauses qualitativ und befreit die Bewohner vom Pumpengeräusch und der Abhängigkeit von Elektrizität.

Falls Sie Fragen zum Thema haben oder persönliche Erfahrungen mit der Organisation und dem Betrieb einer Schwerkraftheizung teilen möchten, hinterlassen Sie bitte Kommentare zu diesem Artikel. Das Rückmeldefeld befindet sich unten.