• Heizkesselauslegung DIN EN 12831 Beiblatt 2 • Hydraulische Systeme der Heizungsanlage • Hydraulischer Abgleich

18.11.2016 Harald Liebel

Leiter Energielösungen und Marktpartnermanagement

Harald Liebel Telefon: 0911 802-58250 Telefax: 0911 802-58113 E-Mail: [email protected]

 Bestimmung der Wärmeerzeugerleistung  Hüllflächenverfahren

 Verbrauchsverfahren  Grafisches Verfahren  Verfahren nach dem Jahresendenergieverbrauch

 Hydraulische Systeme der Heizungsanlage o 2 Strang-System o 1 Strang-System

 Hydraulischer Abgleich 3

DIN EN 12831

EnEV

 Ermittlung der Norm- Heizlast ΦN in Abhängigkeit von der Normaußentemperatur für den jeweiligen Ort



Bewertung des Energiebedarfes über den Zeitraum eines Jahres für ein gesamtes Gebäude



Bestimmung des JahresHeizenergiebedarfes und des zugehörigen Primärenergiebedarfes

 Bestimmung der max. erforderlichen Leistung [kW]

 Bestimmung der Jahresarbeit [kWh/a]

 Kesseldimensionierung für Gebäude

 Ziel: Begrenzung des Jahres-

 Heizflächenauslegung für Räume

Primärenergiebedarfes  Daraus ist kein Rückschluss auf die Leistung des Heizkessels möglich

Die Bestimmung der Norm-Heizlast eines Gebäudes bildet die Grundlage um die erforderliche NormInnentemperatur in den Wohnräumen der Gebäude zu erreichen, sowie um die Leistung des Wärmeerzeuger zu ermitteln. Der Norm-Heizlast H eines Raumes ergibt sich aus der Summe der Transmissionsheizlast HT, der Lüftungsheizlast ΦV und der Zusatzaufheizleistung ΦRH

 N   T  V   RH



5

17. November 2016

ΦN ΦT ΦV ΦRH

= = = =

Normheizlast Transmissionsheizlast Lüftungsheizlast Zusatzaufheizleistung

Die Norm-Heizlast des Gebäudes wird für die Auslegung des Wärmeerzeugers benötigt.

Formel :

ΦGeb. = ∑ΦT,ie + (ΦV• 0,5) + ∑ ΦRH

Hierbei werden nur die Transmissionswärmeverluste an die äußere Umgebung berücksichtigt

Bei der Berücksichtigung der Lüftungswärmeverluste werden die einzelnen Heizlasten zusammengezählt und ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,5 berücksichtigt. 6

17. November 2016

Hüllflächenverfahren Das Hüllflächenverfahren entspricht physikalisch dem Rechengang der „normalen“ Heizlastberechnung und ermittelt die Gebäudeheizlast aus der Summe der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste, jedoch mit Vereinfachungen, wie auszugsweise aufgeführt: die Raumtemperatur wird für das Gebäude einheitlich mit 20 °C angenommen (andere Temperaturen sind zu vereinbaren), bei unbekannten U-Werten können diese anhand von Typologiewerten nach Bauteilaltersklassen entsprechenden Tabellen aus Anhang A entnommen werden, Verwendung eines pauschalen Warmebrückenzuschlages (ΔUWB von 0,10 W/m2*K), vereinfachte Temperaturkorrekturfaktoren in Abhängigkeit der Einbausituation, für z. B. Bauteile, die an unbeheizte Nachbarraume oder an Erdreich grenzen,

geometrische Vereinfachungen, z. B. Übermessen von Gauben, Zusammenfassung von Flächen mit ähnlichen U-Werten und Temperaturkorrekturfaktoren.

Beispielberechnung eines Reihenendhauses Die U-Werte sind der Tabelle A.2 „Pauschalwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten“ des Beiblatts 2 entnommen. In dieser Tabelle sind die U-Werte in acht Baualtersklassen von 1918 bis 1995 gelistet. Das Beispielhaus entspricht der Bauteilaltersklasse 1884 bis 1994. Die Temperaturkorrekturfaktoren fx wurden der Tabelle C.1 der Norm entnommen.

Die Berechnung nach dem Hüllflächenverfahren ergibt eine Heizlast von 18.821 W. Wie stark sich Sanierungsmaßnahmen auf die Heizlast auswirken können, zeigt sich z. B. bereits bei einer Modernisierung der Fenster zu diesem Beispiel Beispielrechnung: Bei einem Austausch der Fenster (U-Wert alt: 3,0 W/m2 xK, neu = 1,4 W/m2 x K und Dichtigkeit von „weniger dicht“ auf „dicht“) würde sich die Heizlast um mehr als 20 % senken.

Neben dem Hüllflächenverfahren beschreibt Beiblatt 2 zwei Verbrauchsverfahren:

1. grafische Verfahren (Messung des Energieverbrauchs über eine längere Zeitspanne und grafische Auswertung) sowie die 2. Berechnung über den Jahresendenergieverbrauchs (Erfassung Jahresbrennstoffverbrauchs).

Grafisches Verfahren Das grafische Verfahren basiert auf der Auswertung der Messung des Energieverbrauchs und der Außentemperatur über einen längeren Zeitraum. Vorgehensweise 1. Messung des Energieverbrauchs und der Außentemperatur über einen längeren Zeitraum. 2. Auswertung der Messung und Berechnung der mittleren Feuerungsleistungen bei der jeweiligen Temperatur nach folgender Formel

3. Grafische Auswertung der errechneten Werte

Beispiel: Für ein Einfamilienhaus wurden der Gasverbrauch und die dazugehörige Außentemperatur entsprechend der Tabelle gemessen und abgelesen. Aus dem gemessenen Brennstoffverbrauch Bg,in,i muss nun die mittlere Feuerungsleistung „Φg,in,i“ ermittelt werden. Diese ergibt sich bei einem unteren Heizwert für Erdgas von HI = 10 kWh/m3 nach folgender Berechnung

Der Schnittpunkt der beiden Geraden (1) und (2) stellt die Heizgrenztemperatur dar, welcher meist in der Größenordnung von ca. 15 bis 16 °C liegt. Der Schnittpunkt der witterungsabhängigen Geraden bei der Norm-Aussentemperatur (im Beispiel -14 °C) ergibt die Feuerungsleistung, welche aber noch die solaren und internen Wärmegewinne enthält. Die nach DIN 12831 definierte Gebäudeheizlast (ohne Fremdwärmeeinfluss) ergibt sich durch eine Parallelverschiebung der Geraden (1) auf den Schnittpunkt mit der Rauminnentemperatur (20 °C). Bei -14 °C kann dann die Feuerungsleistung mit ca. 7,0 kW abgelesen werden.

Die Kesselnennleistung ergibt sich dann aus der Multiplikation der Feuerungsleistung mit dem Kesselwirkungsgrad.



Das grafische Verfahren ist umso genauer, je mehr Messdaten vorliegen.

Verfahren nach dem Jahresendenergieverbrauch Das Verfahren nach dem Jahresendenergieverbrauch erfordert die Erfassung des Jahresbrennstoffverbrauchs, der aber um die witterungsunabhängigen Anteile (Warmwasser) bereinigt werden muss. Erfassung des Warmwasserverbrauches: • Abhängigkeit von der Wohnfläche o Endenergieverbrauch für Warmwasser nach EnEV in Höhe von 16 kWh/m2 *a • Abhängigkeit der Personenanzahl o Annahme von 30 l/Person und Tag. Weitere Warmwasserbedarfswerte für verschiedene Nutzungen sind im Anhang D in Tabelle D.1 der Norm aufgelistet.

Beispiel: Ein Einfamilienhaus (135 m2 Wohnfläche) hat einen Jahresverbrauch von 2700 l Heizöl ermittelt. Bei einem Heizwert von 10 kWh/l errechnet sich ein Jahresendenergieverbrauch von 27.000 kWh. Achtung: In diesem Verbrauch ist die Trinkwassererwärmung enthalten. Der Jahresnutzenergieverbrauch hierfür beträgt bei 16 kWh/m2 Wohnfläche:

1.

Umrechnung des Jahresnutzenergieverbrauch zu Jahresendenergiebedarf für Trinkwasser:

ηw,a = 0,4

2.

Damit berechnet sich der Jahresendenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung Ew,g,in nach folgender Gleichung:

3.

Der Jahresendenergiebedarf für die Heizung ergibt sich dann nach Abzug des Jahresendenergiebedarfs für die Trinkwassererwärmung:

4. Ermittlung der Jahresvollbenutzungsstunden

(Bei einem mittleren Belastungsgrad von üblicherweise 0,3)

5. Herausrechnen der Vollbenutzungsstundenanzahl für die Trinkwassererwärmung (aus Tabelle 6)

6. Errechnung der Feuerungsleistung der folgenden Gleichung

des Wärmerzeugers nach

7. Ermittlung der Wärmeerzeugerleistung entsprechend des Nutzungsgrads (Tabelle 5)des Wärmeerzeugers zu ermitteln. = 9,39 x 0,92 = 8,6 kW

 Bestimmung der Wärmeerzeugerleistung  Hüllflächenverfahren

 Verbrauchsverfahren  Grafisches Verfahren  Verfahren nach dem Jahresendenergieverbrauch

 Hydraulische Systeme der Heizungsanlage o 2 Strang-System o 1 Strang-System

 Hydraulischer Abgleich 17

Die häufigste Ausprägung der Wärme Verteilung von Heizungssystemen ist die Zweirohrheizung, deren charakteristisches Merkmal die eindeutige Zuordnung eines VorlaufStrömungsweges und eines Rücklauf-Strömungsweges zwischen Wärme Erzeuger und jeder Wärmeübergabeeinrichtung (z. B. Heizkörper) beinhaltet.

Dabei können die Strömungswege mehrerer Wärmeübergabeeinrichtungen in gemeinsamen Rohrleitungsabschnitten verlaufen

Zweirohrheizung Bei der Zweirohrheizung strömt das Heizungswasser in zwei getrennten Rohrleitungen, die meist parallel montiert und als Vorlauf- bzw. Rücklaufleitungen bezeichnet werden, vom Wärmeerzeuger zu den Heizkörpern und zurück. Alle Heizkörper erhalten im allgemeinen die gleiche Vorlaufwassertemperatur.

ϑR=40°C

ϑR=40°C

Vorteile: • Durch die hydraulische Parallelschaltung beeinflussen sich die HK gegenseitig kaum. • Geringe Durchflusswiderstände und somit kleinere Pumpenleistungen und ermöglicht einen kostengünstigen Betrieb

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Nachteil • Höherer Rohrmontageaufwand gegenüber Einrohrsystem

Einrohrheizung Die Einrohrheizung hat wegen erheblicher Nachteile drastisch an Bedeutung verloren und soll hier nur kurz genannt sein.

Bei der Einrohrheizung fliest das Heizungswasser in einem Rohr von einem Heizkörper zum nächsten. Am Vorlaufanschluss wird ein Teilwasserstrom in den Heizkörper geleitet. Dieser wird im Heizkörper abgekühlt und beim Rücklaufanschluss dem Hauptwasserstrom wieder zugemischt. Dadurch sinkt die Vorlauftemperatur von Heizkörper zu Heizkörper ab, was eine Vergrößerung der Heizflächen, trotz gleicher Leistung, erfordert.

Die Anzahl der hintereinander geschalteten Heizkörper ist wegen der gegenseitigen Beeinflussung begrenzt.

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Das typische Merkmal von Einrohr-Heizungssystemen ist die sich wiederholende Aufteilung der Strangwassermenge in den Kurzschlussmassenstrom und den Bypassmassenstrom, der über den betreffenden Heizkörper zu leiten ist. Die Mischtemperatur der vorangegangenen Aufteilung entspricht der Vorlauftemperatur des folgenden Heizkörpers

ϑR=60°C

ϑR=55°C

Einrohrheizungen sind mit horizontaler Verteilung, vorwiegend in kleinen Anlagen, sowie mit vertikaler Verteilung anzutreffen.

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Heizkörperanbindung bei Einrohrsystemen mit Spezialventilen

17. November 2016

Zusammenfassung: Die Einrohrheizung wurde früher oft bei Etagenheizungen und Altbaurenovierungen eingesetzt. Sie brachte eine Ersparnis an Rohrmaterial und geringere Montagekosten, hat aber durch stärkere Pumpenleistungen höhere Betriebskosten zur Folge. Die Einrohrheizung Bedarf immer einer sorgfältigen Planung, Berechnung und Ausführung

Merkmale:  Vorlauftemperatur sinkt im Strang (HK müßen oft größer ausgelegt werden)  Vorlauftemperaturen sind bei allen HK verschieden  Regulierung einzelner HK beeinträchtigt die anderen HK  Große Strömungsgeschwindigkeiten  relativ große Pumpen erforderlich

 Meist keine Dichtstellen im Fußboden

 Bestimmung der Wärmeerzeugerleistung  Hüllflächenverfahren

 Verbrauchsverfahren  Grafisches Verfahren  Verfahren nach dem Jahresendenergieverbrauch

 Hydraulische Systeme der Heizungsanlage o 2 Strang-System o 1 Strang-System

 Hydraulischer Abgleich 23

Warmwasserheizungsanlagen Bei der veralteten Schwerkraftwarmwasserheizung zirkulierte das Heizungswasser nur durch den Dichteunterschied zwischen dem wärmeren Vorlaufwasser und dem kälteren Rücklaufwasser in der Anlage.

Im Gegensatz dazu wird bei der Pumpenwarmwasserheizung die Umtriebskraft durch eine Heizungsumwälzpumpe erzeugt. 24

17. November 2016

Ohne hydraulischen Abgleich

ungleiches Wärmeangebot für die Heizkörper

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Optimierung von Heizungsanlagen

 eine Idee zur Abhilfe:

Pumpe auf höher Stufe schalten!  Pumpe soll mehr Wasser zum „unterversorgten“

Heizkörper fördern  Heizkörper soll mehr Wärme abgeben

aber.........

Hydraulik: Heizkörper-Betriebsdiagramm 90/70 °C

System 90°/70° - Raumtemperatur 20°C - DIN-Radiator 112

Heizleistung %

100  2%

83

 10%

50

0 50

 27

100 Volumenstrom %

Wärmeüberträgerkennlinie beachten!

Optimierung von Heizungsanlagen

200

 noch eine Idee zur Abhilfe:

Kesseltemperatur/ Vorlauftemperatur erhöhen!  „Ungleichgewicht“ zwischen den Heizkörpern bleibt  (warme) Räume werden noch wärmer  höheres Temperaturniveau kostet viel Geld!

Wirkliche Abhilfe:

Hydraulischer Abgleich

Volumenströme drosseln an einzelnen Heizkörpern durch Voreinstellung am Thermostatventil 29

Optimierung von Heizungsanlagen

Wann ist ein hydraulischer Abgleich erforderlich? Der hydraulischer Abgleich ist im Regelfall durchzuführen bei: nicht abgeglichenen Bestandsanlagen 2. Heizlaständerung des Gebäudes (z.B. neue Fenster) 3. Änderung des Warmeerzeugers/der Anlagentechnik 1.

Nach Schätzung von Experten und Fachverbänden sind mehr als 80 % der Heizungsanlagen im Bestand nicht oder nur mangelhaft hydraulisch abgeglichen. Indizien für nicht abgeglichene Anlagen:  ungleichmäßige Wärmeverteilung im Heizungsnetz  starke Strömungsgeräusche in den Rohrleitungen und an den Thermostatregelventilen  auf Maximalleistung eingestellte Heizkreispumpen  von der Anlagenauslegung abweichende Systemtemperaturen

Probleme in der Anlagentechnik:  keine einstellbaren Thermostatventileinsätze vorhanden  alle Thermostatventileinsätze befinden sich in der gleichen Einstellung  bei größeren Anlagen sind keine Strangregulierventile und/oder Differenzdruckregler eingebaut Vorteile: • Mit einem nachträglichen Abgleich der Anlagen wird das vorhandene Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz nutzbar. • In der Regel können Pumpenleistungen und/oder Auslegungstemperaturen reduziert werden. • Gleichzeitig verbessern sich Regelverhalten und Komfort, • Anlagengeräusche werden vermieden.

Raumgrößen Diele

4,5 m² (315W)

Küche

16 m² (1120W)

Essen/Wohnen

28 m² (1960W)

Schlafen

12 m² (840W)

Bad

8,0 m² (800W)

Kind

11 m² (770W)

Grundriss 8,5m x 10m Baujahr 1985

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Beispiel: Hydraulischer Abgleich

Diele 315 W

Küche 1120 W

Wohnz. 1960 W

Schlafz. 840 W

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Geringe Volumenströme in einer 3-Zimmer Wohnung

Optimierung von Heizungsanlagen

Bad 800 W

Kinderz. 770 W

Volumenströme Diele

315W=

18 l/h

Küche

1120W =

64 l/h

Essen/Wohnen

1960W = 112 l/h

Schlafen

840W =

48 l/h

Bad

800W =

46 l/h

Kind

770W =

44 l/h

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Optimierung von Heizungsanlagen

Hydraulischer Abgleich Ermittlung der Voreinstellwerte

Diele 18 l/h

Der Gesamtvolumenstrom beträgt V = 340 l/h

36

Optimierung von Heizungsanlagen

Küche 64 l/h

Wohnz. 112 l/h

Schlafz. 48 l/h

Bad 48 l/h

Kinderz. 44 l/h

Der Gesamtvolumenstrom beträgt V = 340 l/h Druckverlust: 89mbar

Hydraulischer Abgleich Ermittlung der Voreinstellwerte

Diele VE 2

Küche VE 4,5

Wohnz. VE 7,5

Bad VE 4,5

Voreinstellung der Thermostatventile Typ :

Schlafz. VE 5,5

Heimeier V-exact2 37

Optimierung von Heizungsanlagen

Kinderz. VE 8

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