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Hydraulischer Abgleich von Zentralheizungsanlagen

Definition: ein Verfahren zur optimalen Einstellung der Druckdifferenzen und Massenströme in einer Zentralheizungsanlage

Englisch: hydraulic balancing of a central heating system

Kategorien: Energieeffizienz, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 14.09.2011; letzte Änderung: 17.01.2020

Zentralheizung
Abbildung 1: In einem Zentral­heizungssystem wird erwärmtes Heiz­wasser in die Heiz­körper gepumpt. Für eine optimale Funktion sollte das System hydraulisch abgeglichen sein.

In einer Zentralheizungsanlage wird Wärme meistens mit Hilfe von warmem Wasser in einem Rohrsystem zu Heizkörpern in den beheizten Räumen transportiert. (Für Fußbodenheizungen und andere Flächenheizung gilt praktisch alles hier Gesagte genauso, abgesehen von quantitativ anderen Verhältnissen.) Idealerweise ist das System so ausgelegt und eingestellt (hydraulisch abgeglichen), dass die folgenden Ziele alle erreicht werden:

Leider sind aber sehr viele Heizungssysteme nicht richtig eingestellt und brauchen deswegen unnötig viel Heizenergie und/oder elektrische Energie für die Wärmeverteilung. Das Optimus-Projekt [1] hat mit einer umfangreichen Untersuchung gezeigt, dass die Energieeinsparpotenziale durch den hydraulischen Abgleich (im Verbindung mit der Heizungsregelung) erheblich sind – überraschenderweise sogar gerade auch bei Gebäuden mit eher niedrigem Heizenergieverbrauch. Deswegen wurde der hydraulische Abgleich auch in manchen Situationen zur Pflicht gemacht – etwa als Voraussetzung für bestimmte finanzielle Förderungen bei energetischen Sanierungen.

Probleme bei mangelndem hydraulischen Abgleich

Bei oberflächlicher Betrachtung könnte man meinen, dass eine angemessene Verteilung der Volumenströme auf die Heizkörper allein schon dadurch erreicht wird, dass man alle Heizkörper mit Thermostatventilen ausstattet. Schließlich sollte der Thermostat jedes Heizkörpers dann den Durchfluss auf das für die gewünschte Raumtemperatur nötige Maß begrenzen. In der Praxis können jedoch die folgenden Probleme auftauchen:

  • Bei manchen Anlagen ist die Heizleistung der Heizkörper, die am weitesten vom Heizkeller entfernt sind, zeitweise zu gering. Diese Heizkörper erhalten dann einen zu geringen Wasserdurchfluss, um die benötigte Heizlast abzudecken.
  • Häufig fällt bei Erhöhung der Heizleistung in einem Raum die Heizleistung in anderen Räumen ab: nicht unbedingt, weil die Heizungsanlage keine ausreichende Leistung bereitstellen kann, sondern weil die Druckdifferenz im System zu stark abfällt, wenn manche Heizkörper einen zu starken Durchfluss bekommen. (Andere Heizkörper sind dann quasi kurzgeschlossen: Das Wasser nimmt vorwiegend den Weg des geringsten Widerstands.)
  • Ein unnötig hoher Volumenstrom an einem Heizkörper mit stark geöffnetem Thermostaten (oder beim Aufheizen eines ausgekühlten Raums) führt außerdem zu einer unnötig hohen Rücklauftemperatur. Dies wiederum erhöht nicht nur die Wärmeverluste in der Rücklaufleitung, sondern kann vor allem auch die Energieeffizienz der Wärmeerzeugung deutlich reduzieren, insbesondere im Falle eines Brennwertkessels oder einer Wärmepumpenheizung.
  • Unter Umständen kann es sogar zu Schwingungen im System kommen, bei denen Heizkörperventile ständig abwechselnd voll öffnen und wieder ganz schließen. Dies kann zu Schwankungen der Raumtemperatur führen.
  • Die Raumtemperatur, die für eine bestimmte Einstellung eines Thermostaten erreicht wird, hängt ein Stück weit von der anstehenden Druckdifferenz ab; die Temperaturregelung kann also nicht präzise funktionieren, wenn diese Druckdifferenz schwankt, etwa infolge der Aktionen von Thermostaten in anderen Räumen.
  • Manchmal treten lästige Fließgeräusche (Rauschen oder auch Sirren) im System auf – häufig nur unter bestimmen Bedingungen (beispielsweise teilweise geöffnete Ventile, wie es im Thermostatbetrieb häufig der Fall ist).
  • Manche alten und völlig überdimensionierten Heizungs-Umwälzpumpen verschwenden erhebliche Mengen von elektrischer Energie – vor allem wenn sie unnötige hohe Druckdifferenzen erzeugen und damit gegen den Widerstand weitgehend geschlossener Ventile ankämpfen.

Verschärft werden manche Probleme durch falsche Bedienung. Ein häufiger Fehler ist beispielsweise, bei zu niedriger Raumtemperatur Heizkörperthermostate voll aufzudrehen. Das hilft zunächst einmal nicht, wenn der Thermostat den Durchfluss ohnehin schon voll freigegeben hat – führt aber zu anderen Zeiten zur Überheizung des Raums.

Problematische Aspekte und Einflüsse

Eine Zentralheizungsanlage hat häufig mehrere Heizstränge, die in wichtigen Aspekten voneinander abweichen können – etwa betreffend die Länge von Rohrleitungen, damit auch den hydraulischen Widerstand, die Größe von Heizkörpern und den Heizwärmebedarf in den jeweiligen Räumen. Dadurch kann ohne weitere Maßnahmen eine ungünstige Verteilung der Volumenströme auftreten. Besonders starke Asymmetrien entstehen bei der Kombination von Heizkörpern mit Strängen für eine Fußbodenheizung, weil diese häufig deutlich andere Betriebsparameter braucht: Wegen der großen Länge der verlegten Rohrschlangen und der relativ großen Volumenströme (bei niedriger Temperaturspreizung) braucht man in der Regel einen deutlich höheren Differenzdruck als für den Betrieb von Heizkörpern. Wenn also Heizkörper am gleichen Heizstrang mit hohem Differenzdruck ohne geeignete zusätzliche Maßnahmen betrieben werden, führt dies leicht zu Problemen – etwa zu starken Fließgeräuschen oder dem “Kurzschließen” des Heizkreises durch einen weit geöffneten Thermostaten am Heizkörper.

Man bedenke auch, dass ein Heizungssystem in seinem Betrieb häufig gestört wird – nicht nur durch eine variable Außentemperatur und Sonneneinstrahlung, sondern auch durch die zeitweise Fensterlüftung, durch die Aktivierung oder Deaktivierung von Heizkörpern durch die Bewohner sowie durch das Einsetzen oder die Beendigung einer Nachtabsenkung. Man darf also nicht davon ausgehen, dass die Thermostate zwangsläufig immer im “eingeschwungenen” (stationären) Zustand arbeiten können. Deshalb muss häufig der Durchfluss zusätzlich zur thermostatischen Regelung angemessen begrenzt werden.

Elemente des hydraulischen Abgleichs

Etliche der oben genannten Probleme können bereits durch punktuelle Maßnahmen (also ohne umfassenden Abgleich) auf einfache Weise gelöst werden. Beispielsweise kann an einem Heizkörper, dessen maximale Leistung als deutlich zu hoch erkannt ist, ein zusätzliches Drosselventil benutzt werden, um diese Leistung zu begrenzen. Allerdings wird eine optimale Funktion des Systems oft nur mit einem umfassenden hydraulischen Abgleich erzielt. Die genaue Vorgehensweise kann stark von der jeweiligen Situation abhängen. Einige wichtige typische Elemente des Vorgehens sind aber die folgenden:

  • An der Heizungssteuerung wird zunächst eine sinnvolle Heizkurve ausgewählt. Diese bestimmt die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Welche Heizkurve sinnvoll ist, hängt insbesondere von dem Heizleistungsbedarf ab (also von den beheizten Flächen und der Qualität der Wärmedämmung) sowie von Art, Anzahl und Fläche der Heizkörper. Leider ist der Bestimmung der korrekten Heizkurve durch einen Handwerker auf der Basis etlicher nur sehr ungenau bekannter Parameter schwierig; am besten erfolgt eine spätere Korrektur durch einen kundigen Bewohner, der die Verhältnisse im Betrieb über längere Zeit überwachen kann.
  • Die Leistung der Heizungs-Umwälzpumpe wird sinnvoll gewählt. Die Pumpe sollte elektronisch geregelt sein, etwa für eine konstante Druckdifferenz oder auch für eine definiert durchflussabhängige Druckdifferenz (mit dem Durchfluss zunehmend, um Reibung in langen Leitungen zu kompensieren). (Einfache Pumpen ohne Regelung arbeiten z. B. bei weitgehend geschlossenen Heizkörperventilen unnötig heftig gegen den hohen Strömungswiderstand an und verursachen damit einen unnötigen Energieverbrauch und häufig auch lästige Geräusche.) Der angemessene Wert der Druckdifferenz hängt von verschiedenen Aspekten ab; er wird z. B. eher niedrig gewählt, wenn die Rohrleitungen eher kurz sind und die Ventile hohe Durchflusskoeffizienten (Kv-Werte) haben.
  • Das System wird regelmäßig gründlich entlüftet, da Luftblasen im Heizungswasser die Funktion erheblich stören können.
  • Alle Heizkörper sollten nicht nur einen Thermostaten enthalten, sondern zusätzlich ein Drosselventil, mit dem der maximale Wasserdurchfluss begrenzt werden kann. Dieses Drosselventil kann sich unterhalb des Thermostats befinden, also nur bei Abnehmen desselben sichtbar werden, oder eventuell Teil einer Rücklaufverschraubung sein. Idealerweise werden Drosselventile von einer Art eingesetzt, bei der der Volumenstrom möglichst wenn von der Druckdifferenz abhängt. Die Drosselventile sind so einzustellen, dass bei voll aufgedrehten Thermostatventilen (bzw. bei stark abgekühlten Räumen) alle Heizkörper eine hohe, aber nicht zu hohe Leistung abgeben. An jedem Heizkörper sollte noch eine ausreichend hohe Temperaturspreizung auftreten: Der Rücklauf (in der Regel unten angebracht) soll mindestens um ca. 10 Grad kühler bleiben als der Vorlauf; sonst ist die Durchflussmenge zu hoch, und der Heizkörper könnte andere Heizkörper hydraulisch kurzschließen.

Wenn alle Heizkörper deutlich gedrosselt werden müssen, deutet dies auf eine unnötig hohe Pumpenleistung hin. Dann sollte die Pumpleistung (bzw. der erzeugte Differenzdruck) reduziert werden, entsprechend auch die Drosselung. Je nach den Umständen kann es notwendig sein, die Einstellungen der Drosselventile in mehreren Durchgängen zu optimieren.

Am Ende des Abgleichs werden die Thermostatventile natürlich wieder entsprechend den gewünschten Raumtemperaturen eingestellt. Die Bewohner sollten über die korrekte Verwendung von Thermostatventilen informiert werden; sie sollten wissen, welche Stellung des Einstellrads einer üblichen Raumtemperatur entspricht.

Eine Basis für den Abgleich kann auch ein Satz von Berechnungen sein, die Aspekte wie den Heizleistungsbedarf (die Heizlasten), die Rohrlängen und Details der einzelnen Systemkomponenten berücksichtigen. Auf diese Weise können wiederholte Neueinstellungen zum Finden des Optimums vermieden oder vermindert werden. Allerdings sind in der Praxis meistens etliche Parameter ohnehin unbekannt (vor allem im Altbau), so dass eine zuverlässige Berechnung schwierig ist. Am ehesten kommt die rechnerische Behandlung beim Neubau in Frage. Beim Altbau wird man zu einer guten Einstellung eher gelangen durch sorgfältiges Beobachten des Verhaltens der Anlage in geeigneten Zuständen – beispielsweise mit gleichmäßiger Beheizung an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung. Hilfreich sind außerdem Tests mit voll aufgetreten Thermostaten; wenn hierbei die Rücklauftemperatur (oder die Temperatur ganz unten am Heizkörper) zu hoch wird, sollte der Durchfluss stärker begrenzt werden.

Verwendung dezentraler Umwälzpumpen

Etliche der oben beschriebenen Probleme entstehen letztendlich dadurch, dass man eine Vielzahl unterschiedlicher Heizkörper über eine zentrale Umwälzpumpe versorgt. Dies hat auch zur Folge, dass man an verschiedenen Stellen zusätzliche Strömungswiderstände einfügen muss, die energetisch tendenziell ungünstig sind: Es ist eigentlich nicht sinnvoll, eine Pumpe einer Differenzdruck aufbauen zu lassen und diesen dann wieder über Drosseln zu “vernichten”.

Von daher erscheint es sinnvoll, mit dezentralen Umwälzpumpen zu arbeiten, beispielsweise mit einer Pumpe pro Heizstrang oder sogar einer pro Heizkörper, wobei jede Pumpe separat angemessen geregelt wird und entsprechend weniger Drosseln nötig sind. Auch die thermostatische Raumtemperaturregelung kann dann unter Umständen durch Regelung einer Pumpenleistung erfolgen anstatt durch eine konstante Pumpenleistung in Kombination mit einer geregelten Drosselung des Durchflusses.

Ein guter hydraulischer Abgleich des Systems ist mit diesem Ansatz tendenziell leichter zu erreichen. Andererseits wird der Installationsaufwand mit einer größeren Zahl kleiner Pumpen inklusive deren Verkabelung und Regelung aufwendiger. Energetisch kommt hinzu, dass kleine Pumpen tendenziell weniger effizient arbeiten; nur mit besonders optimierten Modellen erreicht man einen insgesamt geringeren Stromverbrauch als mit einer zentralen Heizkreispumpe. Es sollte also im Einzelfall abgewogen werden, welcher Grad der (De)Zentralisierung jeweils am sinnvollsten ist.

Anlässe für einen hydraulischen Abgleich

Eine neue Zentralheizungsanlage sollte unbedingt gleich nach der Inbetriebnahme gründlich hydraulisch abgeglichen werden. Später kann ein erneuter Abgleich nötig werden, wenn erhebliche Änderungen vorgenommen werden, z. B. zusätzliche Heizkörper oder eine starke Reduktion des Heizleistungsbedarfs durch Wärmedämmung. Außerdem kann natürlich das Auftreten der oben genannten Probleme Anlass sein, den Abgleich erneut zu optimieren.

Bei Durchführung von KfW-Förderprogrammen wird im Falle der Modernisierung von Öl- und Gasheizungen verlangt, dass ein hydraulischer Abgleich durchgeführt wird.

Wichtige Begriffe

Die folgenden Begriffe kommen im Zusammenhang mit dem hydraulischen Abgleich häufig vor:

Volumenstrom oder Massenstrom

Mit Volumenstrom ist die Wassermenge pro Zeiteinheit (z. B. in Einheiten von m3/h = Kubikmeter pro Stunde) gemeint, die z. B. einen einzelnen Heizkörper durchfließt oder auch die zentrale Umwälzpumpe. Dies ist also eine quantitative Angabe für den Durchfluss von Heizwasser. Die Volumenströme werden durch Druckdifferenzen angetrieben und durch diverse Strömungswiderstände (eine Art von Reibung) gebremst.

Alternativ kann der Massenstrom in Einheiten von kg/h angegeben werden. Mit der Dichte von Wasser (1000 kg/m3) ergibt sich, dass ein Volumenstrom von 1 m3/h einem Massenstrom von 1000 kg/h entspricht.

Druckdifferenzen, Differenzdruckregler

Verschiedene Druckdifferenzen können relevant sein, z. B. die an einer Wasserpumpe (gemessen zwischen deren beiden Anschlüssen) oder die für einen Heizstrang, an den mehrere Heizkörper angeschlossen sind, oder die Druckdifferenz an einem Regelventil. Druckdifferenzen und nicht etwa absolute Drucke sind im Heizungsbereich besonders relevant, da sie die Volumenströme beeinflussen. Häufig ist ein Differenzdruck gemeint, wenn z. B. von einem Pumpendruck die Rede ist.

Ein Differenzdruckregler ist eine Einrichtung, die einen Differenzdruck (z. B. für den Betrieb eines Heizstrangs) auf einen oft einstellbaren Wert begrenzt, der möglichst wenig abhängig ist von Differenzdruck vor dem Regler. Für die Messung des zu regelnden Differenzdrucks zwischen zwei Rohrleitungen muss der in einer der Leitungen eingebaute Regler einen Drucksensoranschluss an der anderen Leitung haben.

Wenn beispielsweise verschiedene Heizstränge jeweils mit einem eigenen ordnungsgemäß arbeitenden Differenzdruckregler ausgestattet sind, wird dadurch eine gegenseitige Beeinflussung dieser Heizstränge vermieden.

Der absolute Druck im Heizsystem, der z. B. durch Nachfüllen von Heizwasser erhöht werden kann und auch mit der durchschnittlichen Temperatur der Rohrleitungen schwankt, ist in diesem Zusammenhang nicht relevant.

Strömungswiderstand

Strömungswiderstand (hydraulischer Widerstand) entsteht teil ungewollt in langen Rohrleitungen (vor allem solchen mit niedrigem Leitungsquerschnitt und/oder Verschmutzungen), bei starken Knicken von Leitungen etc., und teils gewollt an Regelventilen. Teils werden auch nicht einstellbare Drosselventile verwendet, um einen definierten Strömungswiderstand zu erzeugen.

Kv-Werte

Der Kv-Wert eines Ventils ist der Volumenstrom (meist in m3/h), der bei einer Druckdifferenz von ca. einem bar auftreten würde. Der tatsächlich auftretende Volumenstrom ist das Produkt von Kv-Wert und Quadratwurzel des Differenzdrucks in bar. Je größer die z. B. manuell beeinflussbare Ventilöffnung, desto höher der Kv-Wert.

Thermostatventile haben einen temperaturabhängig automatisch variierten Kv-Wert, der allerdings bei voll geöffnetem Ventil einen gewissen Maximalwert nicht überschreitet.

Voreinstellbare Thermostatventile

Voreinstellbare Thermostatventile sind solche, bei denen der bei voll geöffnetem Thermostat auftretende Durchfluss durch ein Drosselventil im Ventilgehäuse auf einen einstellbaren Maximalwert begrenzt wird.

Idealerweise sollte ein Ventil so konstruiert sein, dass dieser Maximalwert nur wenig vom Differenzdruck abhängt (druckunabhängiges, voreinstellbares Ventilgehäuse).

Förderhöhe einer Pumpe

Der Begriff Förderhöhe einer Umwälzpumpe kann irreführend sein. Eine Förderhöhe von z. B. einem Meter bedeutet, dass die Pumpe Wasser maximal auf einen Meter Höhe oberhalb der Wasseroberfläche bringen könnte, von der sie das Wasser entnimmt. Genau diese Situation ist aber aber einem (entlüfteten) Heizungssystem nicht relevant, wo Wasser nur in einem geschlossenen System umgewälzt wird. Die genannte Förderhöhe von einem Meter bedeutet hier lediglich, dass eine Druckdifferenz von 100 mbar (= 0,1 bar = 10 kPa) aufgebaut wird.

Selbst wenn ein Haus 20 Meter hoch ist, kann eine “Förderhöhe” von weniger als einem Meter ausreichend sein. Dies liegt daran, dass zwar ständig Heizwasser nach oben befördert werden muss, gleichzeitig aber dieselbe Menge Wasser anderswo abwärts fließt; die Gesamtmenge an potenzieller Energie wird durch das Pumpen nicht vergrößert.

Pumpenkennlinie; richtige Auswahl einer Pumpe

Für jede Heizungs-Umwälzpumpe sollte eine Pumpenkennlinie bekannt sein, die den Differenzdruck (oder alternativ die Förderhöhe, siehe oben) als Funktion des Volumenstroms angibt. Bei elektronisch geregelten Pumpen kann es mehrere solcher Kennlinien geben, je nach Einstellmöglichkeiten; außerdem kann die elektrische Aufnahmeleistung dann stark vom Arbeitspunkt innerhalb der Kennlinie abhängen.

Die Auswahl einer Pumpe mit geeigneter Kennlinie – und nicht nur mit hoher Qualität der Konstruktion – ist wesentlich, um einen hohen Wirkungsgrad im Betrieb zu erzielen. Als Faustregel sollte der maximale Volumenstrom (bei verschwindenden Differenzdruck – rechtes Ende der Kennlinie) ca. beim Doppelten bis Dreifachen des typischerweise benötigten Volumenstroms liegen, und Ähnliches gilt für den maximalen Differenzdruck (bei verschwindenden Volumenstrom – oberes linkes Ende der Kennlinie). Es ist unsinnig, beispielsweise eine Pumpe auszuwählen, die für viel höhere Volumenströme oder Differenzdruck rekonstruiert ist; auch eine elektronische Regelung wird so in der Praxis keinen hohen Wirkungsgrad erzielen können.

Weitere Details zur hydraulischen Effizienz finden Sie im Lexikonartikel über Pumpen.

Literatur

[1]Das Optimus Projekt: Untersuchung der Potenziale des hydraulischen Abgleichs, https://www.hydraulischer-abgleich.de/ (detailreich, aber leider schwer verständlich)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Zentralheizung, Heizkörper, Vorlauftemperatur, Temperaturspreizung
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieeffizienz, Haustechnik, Wärme und Kälte

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