Wärmeberechnung der Heizungsanlage: So berechnen Sie die Heizlast fachgerecht

Planung und Wärmeberechnung der Heizungsanlage – ein obligatorischer Schritt bei der Einrichtung der Hausheizung. Die Hauptaufgabe der Berechnungsmaßnahmen – die Bestimmung der optimalen Parameter des Kessels und des Radiatorensystems.

Geben Sie zu, auf den ersten Blick mag es scheinen, dass eine wärmetechnische Berechnung nur einem Ingenieur möglich ist. Doch so kompliziert ist es nicht. Wenn man den Handlungsablauf kennt, kann man die notwendigen Berechnungen selbst durchführen.

Im Artikel wird der Berechnungsablauf detailliert dargelegt und alle erforderlichen Formeln werden angegeben. Zum besseren Verständnis haben wir ein Beispiel einer Wärmeberechnung für ein Einfamilienhaus vorbereitet.

Wärmeberechnung der Heizung: allgemeiner Ablauf

Die klassische Wärmeberechnung einer Heizungsanlage stellt ein zusammenfassendes technisches Dokument dar, das die obligatorischen schrittweisen Standardberechnungsmethoden umfasst.

Aber bevor man sich mit diesen Berechnungen der Grundparameter befasst, muss man sich über den Begriff des Heizsystems selbst im Klaren sein.

Das Heizsystem zeichnet sich durch eine erzwungene Zufuhr und eine unfreiwillige Ableitung der Wärme im Raum aus.

Die Hauptaufgaben der Berechnung und Planung des Heizsystems:

• die Wärmeverluste möglichst zuverlässig zu ermitteln;
• die Menge und die Nutzungsbedingungen des Wärmeträgers zu bestimmen;
• die Elemente der Wärmeerzeugung, -übertragung und -abgabe möglichst genau auszuwählen.

Beim Bau einer Heizungsanlage ist es zunächst erforderlich, verschiedene Daten über den Raum/das Gebäude zu sammeln, in dem die Heizungsanlage verwendet wird. Anschließend sind die Wärmeparameter der Anlage zu berechnen und die Ergebnisse der arithmetischen Operationen zu analysieren.

Auf Grundlage der gewonnenen Daten werden die Komponenten des Heizsystems ausgewählt, gefolgt von der Beschaffung, Installation und Inbetriebnahme.

Die Heizung – ist ein mehrkomponentiges System zur Gewährleistung des festgelegten Temperaturniveaus in einem Raum/Gebäude. Sie stellt einen eigenständigen Teil des Kommunikationskomplexes einer modernen Wohnung dar.

Bemerkenswert ist, dass die genannte Methode der thermischen Berechnung es ermöglicht, eine große Anzahl von Größen recht genau zu berechnen, die das zukünftige Heizsystem konkret beschreiben.

Als Ergebnis der thermischen Berechnung stehen folgende Informationen zur Verfügung:

• Wärmeverlustmenge, Kesselleistung;
• Anzahl und Art der Heizkörper für jeden Raum einzeln;
• hydraulische Eigenschaften der Rohrleitung;
• Volumen, Geschwindigkeit des Wärmeträgers, Leistung der Wärmepumpe.

Die thermische Berechnung – ist keine theoretische Skizze, sondern ein durchaus präzises und fundiertes Ergebnis, dessen Anwendung in der Praxis bei der Auswahl der Komponenten des Heizsystems empfohlen wird.

Normen für Raumtemperaturbedingungen

Vor der Durchführung von Berechnungen der Systemparameter ist es zumindest erforderlich, die Größenordnung der erwarteten Ergebnisse zu kennen sowie standardisierte Kennwerte einiger tabellarischer Größen zur Verfügung zu haben, die in Formeln eingesetzt werden müssen oder an denen man sich orientieren kann.

Nach der Berechnung der Parameter mit solchen Konstanten kann man sich auf die Zuverlässigkeit des gesuchten dynamischen oder konstanten Parameters des Systems verlassen.

Für Räume unterschiedlicher Nutzung gibt es Referenzstandards für Temperaturbereiche von Wohn- und Nichtwohnräumen. Diese Normen sind in den sogenannten GOSTs verankert.

Für das Heizsystem ist einer dieser globalen Parameter die Raumtemperatur, die unabhängig von der Jahreszeit und den Umgebungsbedingungen konstant sein muss.

Gemäß den Vorschriften der Hygienenormen und -regeln gibt es Unterschiede in der Temperatur hinsichtlich des Sommer- und Winterzeitraums. Für das Temperaturregime des Raums in der Sommersaison ist die Klimaanlage zuständig, deren Berechnungsprinzip in diesem Artikel ausführlich dargelegt ist.

Die Raumtemperatur im Winter wird durch die Heizungsanlage sichergestellt. Daher sind für uns die Temperaturbereiche und ihre Abweichungstoleranzen für die Wintersaison interessant.

In den meisten normativen Dokumenten werden die folgenden Temperaturbereiche festgelegt, die es einem Menschen ermöglichen, sich im Raum wohlzufühlen.

Für Nichtwohnräume vom Bürotyp mit einer Fläche bis zu 100 m²:

• 22-24°C – optimale Lufttemperatur;
• 1°C – zulässige Schwankung.

Für Räume vom Bürotyp mit einer Fläche von mehr als 100 m² beträgt die Temperatur 21-23°C. Für Nichtwohnräume vom industriellen Typ unterscheiden sich die Temperaturbereiche stark je nach Zweckbestimmung des Raumes und den geltenden Arbeitsschutznormen.

Die Komforttemperatur eines Raumes ist für jeden Menschen “anders”. Manche mögen es sehr warm im Raum, andere fühlen sich wohl, wenn es kühl ist – das ist alles sehr individuell.

Was Wohnräume betrifft: Wohnungen, Privathäuser, Landhäuser usw., gibt es bestimmte Temperaturbereiche, die je nach den Wünschen der Bewohner angepasst werden können.

Und dennoch haben wir für bestimmte Räume einer Wohnung oder eines Hauses:

• 20-22°C – Wohnraum, einschließlich Kinderzimmer, Toleranz ±2°C –
• 19-21°C – Küche, Toilette, Toleranz ±2°C;
• 24-26°C – Bad, Dusche, Schwimmbad, Toleranz ±1°C;
• 16-18°C – Flure, Diele, Treppenhäuser, Abstellräume, Toleranz +3°C

Es ist wichtig zu beachten, dass es noch einige weitere grundlegende Parameter gibt, die die Raumtemperatur beeinflussen und die bei der Berechnung der Heizungsanlage zu berücksichtigen sind: Luftfeuchtigkeit (40-60%), Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration in der Luft (250:1), Geschwindigkeit der Luftbewegung (0,13-0,25 m/s) usw.

Berechnung der Wärmeverluste im Haus

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (Schulphysik) gibt es keine spontane Energieübertragung von weniger erwärmten zu stärker erwärmten Mini- oder Makroobjekten. Ein Sonderfall dieses Gesetzes ist das “Streben” nach einem Temperaturgleichgewicht zwischen zwei thermodynamischen Systemen.

Zum Beispiel: das erste System – die Umgebung mit einer Temperatur von -20°C, das zweite System – ein Gebäude mit einer Innentemperatur von +20°C. Nach dem genannten Gesetz werden diese beiden Systeme versuchen, sich durch Energieaustausch auszugleichen. Dies geschieht durch Wärmeverluste des zweiten Systems und Abkühlung im ersten.

Man kann eindeutig sagen, dass die Umgebungstemperatur von der Breite abhängt, auf der sich das Privathaus befindet. Und der Temperaturunterschied beeinflusst die Menge der Wärmeverluste vom Gebäude (+).

Unter Wärmeverlusten versteht man den unfreiwilligen Wärmeaustritt (Energie) von einem Objekt (Haus, Wohnung). Für eine normale Wohnung ist dieser Prozess nicht so “bemerkbar” im Vergleich zu einem Einfamilienhaus, da die Wohnung sich im Gebäudeinneren befindet und mit anderen Wohnungen “benachbart” ist.

In einem Einfamilienhaus entweicht Wärme in gewissem Maße durch die Außenwände, den Boden, das Dach, die Fenster und Türen.

Wenn man die Höhe der Wärmeverluste für die ungünstigsten Wetterbedingungen und die Eigenschaften dieser Bedingungen kennt, kann man die Leistung der Heizungsanlage mit hoher Genauigkeit berechnen.

Das Volumen der Wärmelecks des Gebäudes wird also nach folgender Formel berechnet:

Q=Q_Boden+Q_Wand+Q_Fenster+Q_Dach+Q_Tür+…+Q_i, wobei

Qi – das Volumen der Wärmeverluste von einer homogenen Art der Gebäudehülle.

Jede Komponente der Formel wird nach folgender Formel berechnet:

Q=S*∆T/R, wobei

• Q – Wärmelecks, W;
• S – Fläche des spezifischen Konstruktionstyps, m²;
• ∆T – Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Innenraum, °C;
• R – Wärmewiderstand eines bestimmten Konstruktionstyps, m²*°C/W.

Den Wert des Wärmewiderstands für real existierende Materialien empfiehlt es sich, aus Hilfstabellen zu entnehmen.

Außerdem kann der Wärmewiderstand mit folgendem Verhältnis ermittelt werden:

R=d/k, wobei

• R – Wärmewiderstand, (m²*K)/W;
• k – Wärmeleitfähigkeit des Materials, W/(m²*K);
• d – Dicke dieses Materials, m.

In alten Häusern mit durchfeuchteter Dachkonstruktion treten Wärmeverluste durch den oberen Teil des Gebäudes auf, nämlich durch das Dach und den Dachboden. Die Durchführung von Maßnahmen zur Deckendämmung oder Wärmedämmung des Mansarddachs löst dieses Problem.

Wenn man den Dachboden und das Dach dämmt, können die gesamten Wärmeverluste des Hauses erheblich reduziert werden.

Im Haus gibt es noch mehrere Arten von Wärmeverlusten durch Spalten in den Konstruktionen, die Lüftungsanlage, die Küchenabzugshaube, das Öffnen von Fenstern und Türen. Es ist jedoch nicht sinnvoll, deren Umfang zu berücksichtigen, da sie nicht mehr als 5% der gesamten Hauptwärmeverluste ausmachen.

Bestimmung der Kesselleistung

Um den Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und der Innentemperatur des Hauses aufrechtzuerhalten, ist eine autonome Heizungsanlage erforderlich, die in jedem Raum eines Einfamilienhauses die gewünschte Temperatur aufrechterhält.

Als Basis der Heizungsanlage dienen verschiedene Arten von Heizkesseln: öl- oder festbrennstoffbetriebene, elektrische oder gasbetriebene.

Der Kessel – ist die zentrale Einheit der Heizungsanlage, die Wärme erzeugt. Die Hauptkenngröße des Kessels ist seine Leistung, genauer gesagt die Geschwindigkeit der Umwandlung von Wärmemenge pro Zeiteinheit.

Nach Berechnung der Heizlast ergibt sich die erforderliche Nennleistung des Kessels.

Für eine gewöhnliche Mehrzimmerwohnung wird die Kesselleistung anhand der Fläche und der spezifischen Leistung berechnet:

P_Kessel=(S_Raum*P_spezifisch)/10, wobei

• S_Raum – die gesamte Fläche des beheizten Raumes;
• P_spezifisch – die spezifische Leistung in Bezug auf die klimatischen Bedingungen.

Diese Formel berücksichtigt jedoch nicht die Wärmeverluste, die in einem Einfamilienhaus erheblich sind.

Es gibt ein anderes Verhältnis, das diesen Parameter berücksichtigt:

P_Kessel=(Q_Verluste*S)/100, wobei

• P_Kessel – die Kesselleistung;
• Q_Verluste – die Wärmeverluste;
• S – die beheizte Fläche.

Die berechnete Kesselleistung muss erhöht werden. Eine Reserve ist erforderlich, wenn der Kessel zur Warmwasserbereitung für das Badezimmer und die Küche verwendet werden soll.

In den meisten Heizsystemen von Einfamilienhäusern wird empfohlen, unbedingt ein Ausdehnungsgefäß zu verwenden, in dem der Vorrat an Heizmedium gespeichert wird. Jedes Einfamilienhaus benötigt eine Warmwasserversorgung.

Um eine Leistungsreserve des Kessels vorzusehen, muss in die letzte Formel ein Reservefaktor K eingefügt werden:

P_Kessel=(Q_Verluste*S*K)/100, wobei

K – wird gleich 1,25 sein, das heißt, die berechnete Kesselleistung wird um 25% erhöht.

Somit ermöglicht die Kesselleistung die Einhaltung der normativen Raumtemperatur in den Gebäuderäumen sowie die Bereitstellung eines Anfangs- und Zusatzvolumens an Warmwasser im Haus.

Besonderheiten bei der Auswahl von Heizkörpern

Zu den Standardkomponenten der Wärmeversorgung in einem Raum gehören Heizkörper, Paneele, Systeme der “Fußbodenheizung”, Konvektoren usw. Die am weitesten verbreiteten Elemente einer Heizungsanlage sind Heizkörper.

Ein Heizkörper ist eine spezielle hohle Konstruktion modularen Typs aus einer Legierung mit hoher Wärmeabgabe. Er wird aus Stahl, Aluminium, Gusseisen, Keramik und anderen Legierungen hergestellt. Das Funktionsprinzip eines Heizkörpers besteht darin, Energie vom Heizmedium über die “Lamellen” in den Raum abzustrahlen.

Aluminium- und Bimetall-Heizkörper haben die massiven gusseisernen Radiatoren abgelöst. Einfache Herstellung, hohe Wärmeabgabe, gelungene Konstruktion und Design haben dieses Produkt zu einem beliebten und verbreiteten Werkzeug zur Wärmeabgabe in Räumen gemacht.

Es gibt mehrere Methoden zur Berechnung von Heizkörpern in einem Raum. Die folgende Liste der Verfahren ist in der Reihenfolge zunehmender Berechnungsgenauigkeit sortiert.

Berechnungsvarianten:

1. Nach Fläche. N=(S*100)/C, wobei N – die Anzahl der Glieder, S – die Raumfläche (m²), C – die Wärmeabgabe eines Heizkörperglieds (W, aus dem technischen Datenblatt oder Produktzertifikat), 100 W – die erforderliche Wärmemenge zum Heizen von 1 m² (empirischer Wert). Es stellt sich die Frage: Wie berücksichtigt man die Raumhöhe?
2. Nach Volumen. N=(S*H*41)/C, wobei N, S, C analog. H – die Raumhöhe, 41 W – die erforderliche Wärmemenge zum Heizen von 1 m³ (empirischer Wert).
3. Nach Koeffizienten. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, wobei N, S, C und 100 analog. k1 – Berücksichtigung der Anzahl der Kammern in der Verglasung des Fensters des Raums, k2 – Wärmedämmung der Wände, k3 – Verhältnis der Fensterfläche zur Raumfläche, k4 – durchschnittliche Minustemperatur in der kältesten Winterwoche, k5 – Anzahl der Außenwände des Raums (die zur Straße hin liegen), k6 – Art des Raumes darüber, k7 – Raumhöhe.

Dies ist die genaueste Methode zur Berechnung der Anzahl der Glieder. Selbstverständlich werden Nachkommastellen immer auf die nächste ganze Zahl aufgerundet.

Hydraulische Berechnung der Wasserversorgung

Selbstverständlich kann das Bild der Wärmeberechnung für die Heizung ohne die Ermittlung von Merkmalen wie Volumen und Geschwindigkeit des Wärmeträgers nicht vollständig sein. In den meisten Fällen handelt es sich bei dem Wärmeträger um normales Wasser in flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand.

Das tatsächliche Volumen des Wärmeträgers sollte durch Summieren aller Volumina im Heizsystem berechnet werden. Bei Verwendung eines Einkreiskessels ist dies die optimale Variante. Bei Verwendung von Zweikreiskesseln im Heizsystem müssen die Warmwasserverbräuche für hygienische und andere häusliche Zwecke berücksichtigt werden.

Die Berechnung des Wasservolumens, das von einem Zweikreiskessel zur Warmwasserversorgung der Bewohner und zur Erwärmung des Wärmeträgers erwärmt wird, erfolgt durch Summierung des Innenvolumens des Heizkreislaufs und des tatsächlichen Warmwasserbedarfs der Nutzer.

Das Warmwasservolumen im Heizsystem wird nach folgender Formel berechnet:

W=k*P, wobei

• W – das Volumen des Wärmeträgers;
• P – die Leistung des Heizkessels;
• k – der Leistungskoeffizient (Liter pro Leistungseinheit, beträgt 13.5, Bereich – 10-15 l).

Die endgültige Formel lautet also:

W = 13.5*P

Die Geschwindigkeit des Wärmeträgers ist die abschließende dynamische Bewertung des Heizsystems, die die Zirkulationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im System charakterisiert.

Dieser Wert hilft bei der Bestimmung der Art und des Durchmessers der Rohrleitung:

V=(0.86*P*μ)/∆T, wobei

• P – die Leistung des Kessels;
• μ – der Wirkungsgrad des Kessels;
• ∆T – der Temperaturunterschied zwischen Vorlauf- und Rücklaufwasser.

Mit den oben genannten Methoden der hydraulischen Berechnung erhält man reale Parameter, die das “Fundament” der zukünftigen Heizungsanlage darstellen.

Beispiel einer Wärmeberechnung

Als Beispiel für eine Wärmeberechnung steht ein gewöhnliches eingeschossiges Haus mit vier Wohnzimmern, einer Küche, einem Badezimmer, einem “Wintergarten” und Nebenräumen zur Verfügung.

Fundament aus einer monolithischen Stahlbetonplatte (20 cm), Außenwände – Beton (25 cm) mit Putz, Dach – Decken aus Holzbalken, Bedachung – Metallziegel und Mineralwolle (10 cm)

Wir bezeichnen die Ausgangsparameter des Hauses, die für die Berechnungen erforderlich sind.

Abmessungen des Gebäudes:

• Raumhöhe – 3 m;
• kleines Fenster der Vorder- und Rückseite des Gebäudes 1470*1420 mm;
• großes Fenster der Fassade 2080*1420 mm;
• Eingangstüren 2000*900 mm;
• Türen der Rückseite (Ausgang zur Terrasse) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Die Gesamtbreite des Gebäudes beträgt 9,5 m², die Länge 16 m². Beheizt werden nur die Wohnräume (4 Stück), das Badezimmer und die Küche.

Für eine genaue Berechnung der Wärmeverluste an den Wänden muss von der Fläche der Außenwände die Fläche aller Fenster und Türen abgezogen werden – dies ist ein völlig anderer Materialtyp mit eigenem Wärmewiderstand.

Wir beginnen mit der Berechnung der Flächen homogener Materialien:

• Grundfläche – 152 m²;
• Dachfläche – 180 m², unter Berücksichtigung der Dachbodenhöhe von 1,3 m und der Pfettenbreite von 4 m;
• Fensterfläche – 3*1,47*1,42+2,08*1,42=9,22 m²;
• Türfläche – 2*0,9+2*2*1,4=7,4 m².

Die Fläche der Außenwände beträgt 51*3-9,22-7,4=136,38 m².

Wir gehen zur Berechnung der Wärmeverluste an jedem Material über:

• Q_Boden=S*∆T*k/d=152*20*0,2/1,7=357,65 W;
• Q_Dach=180*40*0,1/0,05=14400 W;
• Q_Fenster=9,22*40*0,36/0,5=265,54 W;
• Q_Tür=7,4*40*0,15/0,75=59,2 W;

Außerdem entspricht Q_Wand 136,38*40*0,25/0,3=4546. Die Summe aller Wärmeverluste beträgt 19628,4 W.

Abschließend berechnen wir die Kesselleistung: P_Kessel=Q_Verluste*S_{beheizte_Räume}*K/100=19628,4*(10,4+10,4+13,5+27,9+14,1+7,4)*1,25/100=19628,4*83,7*1,25/100=20536,2=21 kW.

Die Berechnung der Anzahl der Heizkörperabschnitte führen wir für einen der Räume durch. Für alle anderen sind die Berechnungen analog. Zum Beispiel ein Eckzimmer (links, untere Ecke des Grundrisses) mit einer Fläche von 10,4 m².

Also N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10,4*1,0*1,0*0,9*1,3*1,2*1,0*1,05)/180=8,5176=9.

Für diesen Raum sind 9 Heizkörperabschnitte mit einer Wärmeabgabe von 180 W erforderlich.

Wir gehen zur Berechnung der Menge des Wärmeträgers im System über – W=13,5*P=13,5*21=283,5 l. Daher beträgt die Geschwindigkeit des Wärmeträgers: V=(0,86*P*μ)/∆T=(0,86*21000*0,9)/20=812,7 l.

Der vollständige Umlauf des gesamten Kühlmittelvolumens im System entspricht somit 2,87 Mal pro Stunde.

Eine Auswahl von Artikeln zur Wärmeberechnung hilft Ihnen, die genauen Parameter der Heizsystemkomponenten zu bestimmen:

1. Berechnung der Heizungsanlage eines Einfamilienhauses: Regeln und Rechenbeispiele
2. Wärmetechnische Berechnung eines Gebäudes: Besonderheiten und Formeln zur Durchführung der Berechnungen + praktische Beispiele

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Eine einfache Berechnung des Heizsystems für ein Einfamilienhaus wird in der folgenden Übersicht vorgestellt:

Alle Feinheiten und allgemein anerkannten Methoden zur Berechnung des Wärmeverlusts eines Gebäudes werden unten gezeigt:

Eine weitere Variante zur Berechnung von Wärmeverlusten in einem typischen Einfamilienhaus:

In diesem Video werden die Besonderheiten der Zirkulation des Wärmeträgers für die Wohnungsbeheizung erläutert:

Die Wärmeberechnung des Heizsystems ist individuell und muss fachkundig und sorgfältig durchgeführt werden. Je genauer die Berechnungen sind, desto weniger müssen die Besitzer eines Landhauses während des Betriebs nachzahlen.

Haben Sie Erfahrung mit der Wärmeberechnung eines Heizsystems? Oder haben Sie noch Fragen zum Thema? Bitte teilen Sie Ihre Meinung mit und hinterlassen Sie Kommentare. Das Feedback-Formular befindet sich unten.