Hydraulische Berechnung der Heizungsanlage an einem konkreten Beispiel

Die Heizung auf Basis der Warmwasserzirkulation ist die am weitesten verbreitete Variante für die Ausstattung eines Privathauses. Für eine fachgerechte Entwicklung des Systems sind vorläufige Analyseergebnisse erforderlich, nämlich die sogenannte hydraulische Berechnung der Heizungsanlage, die den Druck in allen Netzabschnitten mit den Rohrdurchmessern verknüpft.

In dem vorliegenden Artikel wird die Berechnungsmethode detailliert beschrieben. Um den Handlungsablauf besser zu verstehen, haben wir den Berechnungsablauf anhand eines konkreten Beispiels betrachtet.

Wenn Sie der beschriebenen Reihenfolge folgen, können Sie den optimalen Durchmesser der Hauptleitung, die Anzahl der Heizkörper, die Kesselleistung und andere Systemparameter bestimmen, die für die Einrichtung einer effizienten individuellen Wärmeversorgung erforderlich sind.

Begriff der hydraulischen Berechnung

Der bestimmende Faktor für die technologische Entwicklung von Heizsystemen ist die gewöhnliche Einsparung von Energie geworden. Das Streben nach Einsparungen zwingt zu einer sorgfältigeren Herangehensweise an die Planung, die Auswahl der Materialien, die Installationsmethoden und den Betrieb der Heizung für die Wohnung.

Wenn Sie also ein einzigartiges und vor allem sparsames Heizsystem für Ihre Wohnung oder Ihr Haus schaffen möchten, empfehlen wir Ihnen, sich mit den Regeln der Berechnung und Planung vertraut zu machen.

Bevor man eine Definition der hydraulischen Berechnung des Systems gibt, muss man klar und deutlich verstehen, dass das individuelle Heizsystem einer Wohnung oder eines Hauses bedingt eine Größenordnung über dem zentralen Heizsystem eines großen Gebäudes liegt.

Das persönliche Heizsystem basiert auf einem grundlegend anderen Ansatz hinsichtlich der Begriffe Wärme und Energieressource.

Das Wesen der hydraulischen Berechnung besteht darin, dass der Kühlmitteldurchfluss nicht vorab mit einer wesentlichen Annäherung an die realen Parameter festgelegt wird, sondern durch die Abstimmung der Rohrdurchmesser mit den Druckparametern in allen Ringen des Systems bestimmt wird.

Es genügt, einen trivialen Vergleich dieser Systeme anhand der folgenden Parameter durchzuführen.

1. Das zentrale Heizsystem (Kesselhaus-Haus-Wohnung) basiert auf standardmäßigen Energieträgern – Kohle, Gas. In einem autonomen System kann praktisch jeder Stoff verwendet werden, der einen hohen spezifischen Heizwert hat, oder eine Kombination mehrerer flüssiger, fester, granulierter Materialien.
2. Das Zentralheizungssystem besteht aus gewöhnlichen Elementen: Metallrohren, “einfachen” Heizkörpern, Absperrarmaturen. Das individuelle Heizsystem hingegen ermöglicht es, verschiedenste Elemente zu kombinieren: mehrteilige Heizkörper mit guter Wärmeabgabe, hochmoderne Thermostate, verschiedene Rohrtypen (PVC und Kupfer), Hähne, Verschlusskappen, Fittings und natürlich eigene wirtschaftlichere Heizkessel, Umwälzpumpen.
3. Wenn man eine Wohnung in einem typischen Plattenbau betritt, der vor 20–40 Jahren gebaut wurde, sieht man, dass die Heizungsanlage auf einen 7-teiligen Heizkörper unter dem Fenster in jedem Raum der Wohnung reduziert ist, plus ein vertikales Rohr durch das ganze Haus (Steigleitung), mit dem man mit den Nachbarn oben/unten “kommunizieren” kann. Ganz anders ist es bei der autonomen Heizungsanlage (AHA) – sie ermöglicht den Aufbau eines Systems beliebiger Komplexität unter Berücksichtigung der individuellen Wünsche der Wohnungsbewohner.
4. Im Gegensatz zur Zentralheizung (ZH) berücksichtigt ein separates Heizsystem eine recht umfangreiche Liste von Parametern, die die Übertragung, den Energieverbrauch und die Wärmeverluste beeinflussen. Umgebungstemperatur, erforderlicher Temperaturbereich in den Räumen, Raumfläche und -volumen, Anzahl der Fenster und Türen, Zweck der Räume usw.

Somit ist die hydraulische Berechnung des Heizsystems (HBR) – eine bedingte Menge berechneter Eigenschaften des Heizsystems, die umfassende Informationen über Parameter wie Rohrdurchmesser, Anzahl der Heizkörper und Ventile liefert.

Diese Art von Heizkörpern wurde in den meisten Plattenbauten im postsowjetischen Raum installiert. Die Materialeinsparung und das Fehlen einer konstruktiven Idee sind “auf den ersten Blick” sichtbar.

Die GRSO ermöglicht die korrekte Auswahl einer Wasserringpumpe (des Heizkessels) zum Transport von heißem Wasser zu den Endelementen der Heizungsanlage (den Heizkörpern) und letztendlich ein möglichst ausgewogenes System zu erhalten, was sich direkt auf die finanziellen Investitionen in die Beheizung der Wohnung auswirkt.

Ein weiterer Typ von Heizkörpern für zentrale Heizsysteme. Es handelt sich um ein universelleres Produkt, das eine beliebige Anzahl von Rippen haben kann. So kann die Wärmeaustauschfläche vergrößert oder verkleinert werden.

Ablauf der Berechnungsschritte

Bei der Berechnung der Heizungsanlage ist anzumerken, dass dieses Verfahren im Hinblick auf die Planung am uneindeutigsten und wichtigsten ist.

Vor der Durchführung der Berechnung ist eine vorläufige Analyse des zukünftigen Systems erforderlich, zum Beispiel:

• das thermische Gleichgewicht in allen und insbesondere in jedem Raum der Wohnung festzustellen;
• Thermostate, Ventile und Druckregler auszuwählen;
• die Abschnitte des Systems mit maximalem und minimalem Durchfluss des Wärmeträgers zu bestimmen.

Außerdem muss die allgemeine Transportstrategie des Wärmeträgers festgelegt werden: großer und kleiner Kreislauf, Einrohrsystem oder Zweirohrleitung.

Als Ergebnis der hydraulischen Berechnung erhalten wir mehrere wichtige Eigenschaften des Hydrauliksystems, die Antworten auf die folgenden Fragen geben:

• Wie hoch sollte die Leistung der Heizungsquelle sein;
• Welcher Durchfluss und welche Geschwindigkeit des Wärmeträgers;
• Welcher Durchmesser der Hauptleitung der Wärmerohrleitung erforderlich ist;
• Welche möglichen Verluste an Wärme und Masse des Wärmeträgers.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der hydraulischen Berechnung ist das Verfahren des Abgleichs (der Verknüpfung) aller Teile (Zweige) des Systems während extremer thermischer Betriebsweisen mithilfe von Regelgeräten.

Es werden mehrere Haupttypen von Heizgeräten unterschieden: mehrgliedrige Gusseisen- und Aluminiumheizkörper, Stahlplattenheizkörper, Bimetallheizkörper und Konvektoren. Am weitesten verbreitet sind jedoch mehrgliedrige Aluminiumheizkörper.

Die Berechnungszone einer Rohrleitungsstrecke ist ein Abschnitt mit konstantem Durchmesser der Leitung sowie konstantem Durchfluss des heißen Wassers, der durch die Wärmebilanzformel der Räume bestimmt wird. Die Aufzählung der Berechnungszonen beginnt an der Pumpe oder der Wärmequelle.

Anfangsbedingungen des Beispiels

Zur genaueren Erläuterung aller Details der hydraulischen Berechnung nehmen wir ein konkretes Beispiel einer gewöhnlichen Wohnung. Wir haben eine klassische 2-Zimmer-Wohnung in einem Plattenbau mit einer Gesamtfläche von 65,54 m², die zwei Zimmer, eine Küche, separates WC und Bad, einen doppelten Flur und einen Doppelbalkon umfasst.

Nach der Inbetriebnahme erhielten wir folgende Informationen zur Fertigstellung der Wohnung. Die beschriebene Wohnung umfasst mit Spachtelmasse und Grundierung behandelte Wände aus monolithischen Stahlbetonkonstruktionen, Fenster aus Profilen mit Doppelverglasung, gepresste Innentüren aus Holzspänen, Keramikfliesen auf dem Boden des Sanitärraums.

Ein typisches 9-stöckiges Plattenhaus mit vier Eingängen. Auf jeder Etage gibt es 3 Wohnungen: eine 2-Zimmer- und zwei 3-Zimmer-Wohnungen. Die Wohnung befindet sich im fünften Stock.

Darüber hinaus ist die vorgestellte Wohnung bereits mit Kupferleitungen, Verteilern und einem separaten Schaltschrank, einem Gasherd, einer Badewanne, einem Waschbecken, einer Toilette, einem Handtuchtrockner und einer Spüle ausgestattet.

Und vor allem sind in den Wohnräumen, im Bad und in der Küche bereits Aluminium-Heizkörper vorhanden. Die Frage bezüglich der Rohre und des Kessels bleibt offen.

Wie die Datenerfassung erfolgt

Die hydraulische Berechnung des Systems basiert größtenteils auf Berechnungen, die mit der Heizlastberechnung nach Raumfläche zusammenhängen.

Daher sind folgende Informationen erforderlich:

• Fläche jedes einzelnen Raumes;
• Abmessungen der Fenster- und Türöffnungen (Innentüren haben praktisch keinen Einfluss auf den Wärmeverlust);
• Klimabedingungen, regionale Besonderheiten.

Gehen wir von folgenden Daten aus. Wohnzimmer – 18,83 m², Schlafzimmer – 14,86 m², Küche – 10,46 m², Balkon – 7,83 m² (Summe), Flur – 9,72 m² (Summe), Bad – 3,60 m², WC – 1,5 m². Eingangstür – 2,20 m², Fenster des Wohnzimmers – 8,1 m², Fenster des Schlafzimmers – 1,96 m², Fenster der Küche – 1,96 m².

Die Raumhöhe beträgt – 2 Meter 70 cm. Die Außenwände bestehen aus Beton der Klasse B7 plus Innenputz, Dicke 300 mm. Innenwände und Trennwände – tragend 120 mm, normal 80 mm. Boden und entsprechend Decke aus Betondeckenplatten der Klasse B15, Dicke 200 mm.

Der Grundriss dieser Wohnung bietet die Möglichkeit, einen einzigen Heizungsstrang zu schaffen, der durch Küche, Schlafzimmer und Wohnzimmer führt, was eine Durchschnittstemperatur von 20-22⁰C in den Räumen gewährleistet.

Was die Umwelt betrifft? Die Wohnung befindet sich in einem Haus, das sich in der Mitte eines Mikrorajons einer kleinen Stadt befindet. Die Stadt liegt in einer Art Senke, die Höhe über dem Meeresspiegel beträgt 130-150 m. Das Klima ist gemäßigt kontinental mit kühlen Wintern und ziemlich warmen Sommern.

Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt +7,6 °C. Die Durchschnittstemperatur im Januar beträgt -6,6 °C, im Juli +18,7 °C. Wind: 3,5 m/s, durchschnittliche Luftfeuchtigkeit: 74 %, Niederschlagsmenge: 569 mm.

Bei der Analyse der klimatischen Bedingungen der Region ist zu beachten, dass wir es mit einer großen Temperaturspanne zu tun haben, was wiederum besondere Anforderungen an die Regelung der Heizungsanlage der Wohnung stellt.

Leistung des Wärmeerzeugers

Einer der Hauptbestandteile des Heizsystems ist der Kessel: elektrisch, gasbetrieben, kombiniert – dies spielt in dieser Phase keine Rolle. Denn uns interessiert seine wichtigste Eigenschaft – die Leistung, also die Energiemenge pro Zeiteinheit, die für die Heizung aufgewendet wird.

Die Leistung des Kessels selbst wird nach folgender Formel bestimmt:

Wkessel = (Sraum * Wspez) / 10,

wobei:

• Sraum – die Summe der Flächen aller Räume, die beheizt werden müssen;
• Wspez – die spezifische Leistung unter Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen des Standorts (deshalb war es notwendig, das Klima der Region zu kennen).

Charakteristischerweise haben wir für verschiedene Klimazonen die folgenden Daten:

• nördliche Gebiete – 1,5 – 2 kW/m²;
• zentrale Zone – 1 – 1,5 kW/m²;
• südliche Regionen – 0,6 – 1 kW/m².

Diese Zahlen sind recht bedingt, geben aber dennoch eine eindeutige numerische Antwort auf den Einfluss der Umgebung auf das Heizsystem der Wohnung.

Auf dieser Karte sind Klimazonen mit unterschiedlichen Temperaturregimen dargestellt. Von der Lage der Wohnung relativ zur Zone hängt ab, wie viel kW Energie pro Quadratmeter für die Heizung aufgewendet werden muss (+)

Die Summe der zu beheizenden Wohnfläche – entspricht der Gesamtwohnfläche und ist gleich, das heißt – 65,54-1,80-6,03=57,71 m² (abzüglich Balkon). Die spezifische Kesselleistung für die zentrale Region mit kaltem Winter – 1,4 kW/m². Somit beträgt die berechnete Heizkesselleistung in unserem Beispiel 8,08 kW.

Dynamische Parameter des Wärmeträgers

Wir gehen zum nächsten Berechnungsschritt über – die Analyse des Wärmeträgerverbrauchs. In den meisten Fällen unterscheidet sich das Heizsystem einer Wohnung von anderen Systemen – dies ist auf die Anzahl der Heizpaneele und die Länge der Rohrleitungen zurückzuführen. Der Druck wird als zusätzliche “treibende Kraft” des vertikalen Flusses im System verwendet.

In privaten ein- und mehrstöckigen Häusern sowie alten Plattenbauten werden Heizsysteme mit hohem Druck eingesetzt, die es ermöglichen, das Wärmeträgermedium in alle Bereiche des verzweigten, mehrkreisigen Heizsystems zu transportieren und das Wasser auf die gesamte Höhe (bis zur 14. Etage) des Gebäudes zu heben.

Im Gegensatz dazu verfügt eine normale 2- oder 3-Zimmer-Wohnung mit eigener Heizung nicht über eine solche Vielfalt an Kreisen und Zweigen des Systems; sie umfasst nicht mehr als drei Kreisläufe.

Und somit erfolgt der Transport des Wärmeträgers durch den natürlichen Wasserfluss. Es können aber auch Umwälzpumpen eingesetzt werden, die Beheizung erfolgt durch einen Gas-/Elektroheizkessel.

Wir empfehlen den Einsatz einer Umwälzpumpe für die Beheizung von Räumen über 100 m². Die Pumpe kann sowohl vor als auch nach dem Kessel montiert werden, aber üblicherweise wird sie im Rücklauf installiert – niedrigere Temperatur des Mediums, geringere Luftansammlung, längere Lebensdauer der Pumpe.

Fachleute im Bereich der Planung und Installation von Heizsystemen unterscheiden zwei grundlegende Ansätze zur Berechnung des Wärmeträgervolumens:

1. Nach der tatsächlichen Kapazität des Systems. Es werden ausnahmslos alle Volumina der Hohlräume summiert, in denen der Heißwasserstrom fließen wird: die Summe der einzelnen Rohrabschnitte, Heizkörpersektionen usw. Dies ist jedoch eine recht aufwändige Variante.
2. Nach der Kesselleistung. Hier gehen die Meinungen der Fachleute stark auseinander: Die einen sagen 10, die anderen 15 Liter pro Leistungseinheit des Kessels.

Aus pragmatischer Sicht ist zu berücksichtigen, dass das Heizsystem wahrscheinlich nicht nur heißes Wasser für den Raum liefern wird, sondern auch Wasser für Bad/Dusche, Waschbecken, Spüle und Trockner, vielleicht sogar für Hydromassage oder Whirlpool erwärmt. Diese Variante ist einfacher.

Daher empfehlen wir in diesem Fall 13,5 Liter pro Leistungseinheit. Multipliziert man diese Zahl mit der Kesselleistung (8,08 kW), erhält man das berechnete Wasservolumen – 109,08 l.

Die berechnete Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers im System ist genau der Parameter, der die Auswahl eines bestimmten Rohrdurchmessers für das Heizsystem ermöglicht.

Sie wird nach folgender Formel berechnet:

V = (0,86*W*k)/t-to,

wobei:

• W – die Kesselleistung;
• t – die Vorlauftemperatur;
• to – die Rücklauftemperatur;
• k – der Wirkungsgrad des Kessels (0,95 für Gaskessel).

Setzt man die berechneten Daten in die Formel ein, ergibt sich: (0.86 * 8080* 0.95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h. Somit werden in einer Stunde 330 l Wärmeträger (Wasser) im System bewegt, und die Systemkapazität beträgt etwa 110 l.

Bestimmung des Rohrdurchmessers

Zur endgültigen Bestimmung des Durchmessers und der Wandstärke der Heizungsrohre bleibt die Frage der Wärmeverluste zu erörtern.

Die meiste Wärme entweicht aus dem Raum durch die Wände – bis zu 40 %, durch Fenster – 15 %, den Boden – 10 %, der Rest durch die Decke/das Dach. Bei einer Wohnung treten Verluste hauptsächlich durch Fenster und Balkonmodule auf.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmeverlusten in beheizten Räumen:

1. Druckverluste des Strömungsdrucks im Rohr. Dieser Parameter ist direkt proportional zum Produkt aus dem spezifischen Druckverlust durch Reibung im Rohr (wird vom Hersteller angegeben) und der Gesamtlänge des Rohrs. Angesichts der aktuellen Aufgabe können diese Verluste jedoch vernachlässigt werden.
2. Druckverluste an lokalen Rohrwiderständen – Wärmeverluste an Formstücken und im Inneren der Geräte. Angesichts der Aufgabenstellung, der geringen Anzahl von Rohrbögen und der Anzahl der Heizkörper können solche Verluste jedoch vernachlässigt werden.
3. Wärmeverluste basierend auf der Lage der Wohnung. Es gibt eine weitere Art von Wärmeverlusten, die jedoch eher mit der Lage des Raums im Verhältnis zum Rest des Gebäudes zusammenhängen. Bei einer normalen Wohnung, die sich in der Mitte des Hauses befindet und links/rechts/oben/unten von anderen Wohnungen angrenzt, sind die Wärmeverluste durch die Seitenwände, die Decke und den Boden praktisch gleich “0”.

In die Berechnung können nur die Verluste durch den Fassadenteil der Wohnung einbezogen werden – den Balkon und das zentrale Fenster des Wohnzimmers. Dieses Problem wird jedoch durch das Hinzufügen von 2-3 Gliedern zu jedem Heizkörper gelöst.

Der Wert des Rohrdurchmessers wird anhand des Kühlmitteldurchflusses und seiner Zirkulationsgeschwindigkeit in der Heizungsleitung ausgewählt.

Bei der Analyse der oben genannten Informationen ist anzumerken, dass für die berechnete Geschwindigkeit des heißen Wassers im Heizsystem eine tabellarische Geschwindigkeit der Wasserpartikelbewegung relativ zur Rohrwand in horizontaler Position von 0,3-0,7 m/s bekannt ist.

Zur Unterstützung des Handwerkers präsentieren wir eine sogenannte Checkliste für die Durchführung der Berechnungen für eine typische hydraulische Berechnung der Heizungsanlage:

• Datenerfassung und Berechnung der Kesselleistung;
• Volumen und Geschwindigkeit des Kühlmittels;
• Wärmeverluste und Rohrdurchmesser.

Manchmal kann man bei der Berechnung einen ausreichend großen Rohrdurchmesser erhalten, um das berechnete Kühlmittelvolumen abzudecken. Dieses Problem kann durch eine Erhöhung des Kesselvolumens oder durch Hinzufügen eines zusätzlichen Ausdehnungsgefäßes gelöst werden.

Auf unserer Website gibt es einen Artikelblock, der sich mit der Berechnung der Heizungsanlage befasst. Wir empfehlen, sich damit vertraut zu machen:

1. Wärmeberechnung der Heizungsanlage: So berechnen Sie die Heizlast fachgerecht
2. Berechnung der Warmwasserheizung: Formeln, Regeln, Ausführungsbeispiele
3. Wärmetechnische Berechnung eines Gebäudes: Besonderheiten und Formeln zur Durchführung der Berechnungen + praktische Beispiele

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Besonderheiten, Vorteile und Nachteile von natürlichen und erzwungenen Zirkulationssystemen des Kühlmittels für Heizungssysteme:

Zusammenfassend ergeben die Berechnungen der hydraulischen Berechnung konkrete physikalische Eigenschaften des zukünftigen Heizsystems.

Selbstverständlich handelt es sich um ein vereinfachtes Berechnungsschema, das Näherungswerte für die hydraulische Berechnung des Heizsystems einer typischen Zweizimmerwohnung liefert.

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