Die Hydraulik der Warmwasserheizung

Ewiges Problemkind oder nur eine Frage der richtigen Technik?

Rembert Zortea

Abhandlungen und Bücher über die Hydraulik in Heizungsanlagen sind bereits genügend verfasst worden. Immer wieder wird auf dieselben Probleme hingewiesen, immer wieder werden insbesondere folgende Ziele für eine optimal funktionierende Hydraulik genannt: Die Durchflussmengen an allen Wärmeverbrauchern sollen bei Nennbedingungen zur Verfügung stehen, der Differenzdruck über alle Kreise soll möglichst konstant und die Durchflussmenge an den System-Schnittstellen ausreichend sein. Wie kann dieser Idealzustand erreicht werden?

Betrachten wir die Entstehung der Heizungsverteiler doch erst einmal geschichtlich: Der Bau von zentralen Heizungsanlagen mit Wasserführung beginnt im 18. Jahrhundert. Damals werden sogenannte Schwerkraftheizungen gebaut. Heizungsanlagen errichtet man nach dem physikalischen Gesetz des Auftriebs von warmem Wasser. Heizungspumpen gibt es dabei noch keine - diesen Zweck erfüllt der Stangenverteiler mit Vor- und Rücklauf. Um ungünstig gelegene Wärmeabnehmer versorgen zu können, werden im Laufe der Jahre Heizungswasserpumpen mit externem Antrieb entwickelt. Die damaligen Elektromotoren sind für hohe Temperaturen noch nicht geeignet. In späterer Folge kommen dann die ersten Mischventile für die Differenzierung der Temperaturen in den Heizkreisen auf den Markt.

Links: Mehrkesselanlage mit hydraulischer Weiche und herkömmlichem Stangenverteiler, rechts: Anlagenaufbau nach dem System Zörtström.

Die 70er: Eine Krise schafft Ideen

Bewegung in die heiztechnische Entwicklung kommt vor allem, als sich die Energieknappheit in den 70er-Jahren bemerkbar macht. Infolge dieser Krise werden Gebäudeteile entsprechend dem Wärmebedarf und den notwendigen Temperaturen immer häufiger mit eigenen Heizkreisen versehen. Unterschiedliche Wärmeverteilgeräte wie Heizkörper, Fußbodenheizungen, Lüftungsanlagen, Deckenheizungen usw. werden nun kombiniert. Für die hydraulische Einbindung dieser verschiedenen Kreise werden eine Vielzahl von Schaltungen entwickelt. Auf der Suche nach neuen Ressourcen erschließt man außerdem verschiedenste alternative Energiequellen. Völlig neuartige - heute inzwischen höchst bewährte - Möglichkeiten der Energiegewinnung kommen zum Einsatz: Solar, Holz, Windkraft, Wärmerückgewinnung oder Blockheizkraftwerke, um nur einige zu nennen.

Anwendungsbeispiele

Auf der Suche nach dem richtigen Weg

Die Erweiterung von Gebäudeanlagen und deren Beheizung gestaltet sich allerdings problematisch: Immer wieder machen Besitzern und Installateuren neue unbefriedigende Heizungswasserbewegungen zu schaffen. Wärme zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Wärme, die dann noch vor allem die richtige Temperatur aufweist - das Ziel wäre ein klar definiertes! Allein an der Umsetzung scheitert es immer wieder.

System Zortström - Ansicht Schnitt. Das für den Aufbau des Systems notwendige Sammel- und Verteilzentrum besteht aus einem Wärme- (bzw. Kälte-) Sammler und -Verteiler, einer hydraulischen Weiche sowie einem Mini-Entkoppelungsbehälter.

Die Lausbubenstreiche der Heizungsverteiler

Betrachtet man in diesem Zusammenhang den im Installationsbereich seit vielen Jahren verwendeten Stangenverteiler, so erfüllt dieser absolut seinen Zweck - solange es um eine einfache Installation mit wenigen Abgängen geht, in welche von der Berechnung her Pumpen mit ähnlicher Leistung eingebaut werden. Anders sieht es aus, wenn Wärmeerzeuger und -abnehmer mit verschiedenen Wassermengen und Temperaturen eingesetzt werden. Kesselanlagen teilt man heute zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit aber auch zur Sicherung der Versorgung in verschiedene Einheiten auf. Die Kessel müssen dabei auch heizwasserseitig zur Vermeidung von Stillstandverlusten hydraulisch vom Netz abgekoppelt werden können. Hier sieht man sich wiederum mit neuen Problemen konfrontiert: Die Wassermengen zum Verteiler ändern sich stetig. Dadurch ergeben sich in der Differenzdruckhaltung sowie in der Einhaltung der gewünschten Vorlauf- und Rücklauftemperaturen Schwierigkeiten. Die Folge: Die Wassermengen für die Heizkreise kommen durcheinander.

Das hat seinen Grund, denn Ventile können nur richtig regeln, wenn diesen die erforderliche Wassermenge konstant zugeführt wird. Früher waren nur ganz wenige Heizkreise für Verteiler vorgesehen. Aus Gründen der Energieeinsparung werden heute die Gebäudeteile je Wärmebedarf in viele einzelne Gruppen, noch dazu zeitbezogen aufgeteilt.

Aber bleiben wir noch etwas in der Zeit der Lausbubenstreiche: Durch den Einbau verschieden großer Pumpen ergeben sich also im Verteiler unterschiedliche Druckdifferenzen. Eine große Pumpe saugt der kleinen Pumpe das von ihr benötigte Wasser ab. Die Regelventile verändern sich und damit auch unkontrolliert die Wasserströme. Das Ventil bewegt sich in einer unterschiedlichen Wassermenge und kann seine Regelfunktion nicht mehr optimal erfüllen. Von einer sauberen Heizungsregelung kann hier nicht mehr gesprochen werden. Vor allem im Teillastbetrieb treten diese Störungen auf, da in die Heizlastberechnungen kaum Teillastverhältnisse mit einbezogen werden.

System Zortström, Ansicht Schnitt.

Um die Fehlentwicklungen in den Griff zu bekommen, werden vor und hinter dem Verteiler alle möglichen Geräte eingebaut, wie Hydraulische Weichen, Strangregulierventile oder Elektronikpumpen. Das Ergebnis ist dennoch nicht immer befriedigend. Häufig werden bei Schwierigkeiten in den Heizwasserströmen einfach größere Pumpen oder Pumpen hintereinander eingebaut, um dann wieder mit verschiedenen Ventilen die Heizwasserströme herunter zu bremsen. Auch drehzahlgeregelte Pumpen werden als Problemlöser herangezogen, dabei zeigen diese bei unterschiedlichen Heizlasten ihre - höchst unwirtschaftlichen - Tücken. Messungen brachten nämlich zu Tage, dass beispielsweise bei einer großen Pumpe im Verteiler eine starke Ansaugung entsteht und sich dabei ein Unterdruck in der daneben montierten kleinen Pumpe bilden kann. Diese ist bei kleinster notwendiger Wassermenge bemüht, den ihr vorgegebenen Förderdruck zu halten. Die dadurch notwendige Erhöhung der Drehzahl führt zu einem weit über dem beabsichtigten Wert liegenden Stromverbrauch der kleinen Pumpe.

Zu allem Übel der verschiedenen Wasserströme kommt noch, dass sich im Stangenverteiler nur zwei Temperaturen entwickeln, ein Vorlauf und ein Rücklauf. Die effektive Nutzung vorhandener Energie in verschiedenen Temperaturstufen ist bei einem Stangenverteiler praktisch nicht möglich. Das optimale Einbringen verschiedener Wärmequellen und das gewünschte Aufteilen auf die Wärmeabnehmer ist somit nicht gegeben.

Oft wird versucht, mit verschiedensten elektronischen Einrichtungen die entstandenen Mängel zu beheben bzw. schon bei der Planung möglichst viel an Elektronik mit einzubauen. Dabei darf eines nicht vergessen werden: Elektronik ist kein "Wunder-Wutze" zur Behebung von hydraulischen Mängeln!

Nicht mit der Umwälzpumpe heizen

Die Bauherrschaften und Hauseigentümer, als auch Verwaltungen und Mieter bezahlen die eklatante Überdimensionierung der Pumpen nicht nur mit der Unternehmerrechnung, sondern auch Jahr für Jahr mit der Stromrechnung. So wurde 1995 und 1996 vom Schweizerischen Bundesamt für Energiewirtschaft eine Feldstudie für Stromrechnungen durchgeführt. Mit dem niederschmetternden Ergebnis, dass rund 50 Mio. Schweizer Franken sinnlos in geringwertige Abwärme verpulvert werden. Ein betriebs- und volkswirtschaftlicher Unfug sondergleichen, stellt man die Kosten für die erforderliche Antriebsenergie aller Schweizer Umwälzpumpen mit rund 250 Mio. Franken in Relation dazu.

Und noch ein paar interessante Resultate: Ein deutscher Pressebericht besagt, dass sämtliche Umwälzpumpen in der BRD mehr Strom verbrauchen als der Personentransport der Deutschen Bundesbahnen. Felduntersuchungen an üblichen Heizungsanlagen zeigen: Bei optimaler Hydraulik kann die elektrische Leistung der Heizungsumwälzpumpen mit 1 Promille der maximalen, effektiv notwendigen Heizleistung angesetzt werden - das heißt mit 1 Watt pro kW Heizleistung oder anders ausgedrückt in der Regel mit nur 1 Watt pro Heizkörper.

Auf Grund der negativen Erfahrungen mit Stangenverteilern und deren vorgenannten Strömungsproblemen werden nach wie vor überdimensionale Pumpen ausgesucht um auch ja sicherzugehen, dass alle Gebäudeteile mit Wärme versorgt werden. Die Möglichkeit, die Pumpen in der Leistung nach oben zu schalten, wird offen gelassen. Die Heizkreise zeigen dann oft nur kleine Temperaturdifferenzen an, welche von den vorgesehenen und geplanten Temperaturunterschieden erheblich abweichen. Bei Einsatz von Brennwertkesseln wird so der Jahresnutzungsgrad erheblich verschlechtert.

ZORTSTRÖM, ein Multitalent

Alle diese vorgenannten, in vielen Jahren gesammelten Praxiserfahrungen führten zu einem Überdenken des schon seit über hundert Jahren verwendeten Stangenverteilers. Das Ergebnis ist das patentierte Sammel- und Verteilsystem ZORTSTRÖM aus dem Hause ZORTEA. Mit diesem können Heizwasserströme in Temperaturstufen gesammelt und dann wieder bedarfgerecht in den gewünschten Temperaturstufen an die Wärmeverbraucher aufgeteilt werden. Es treten keine Störungen mehr in den einzelnen Heizkreisen auf. Die Pumpenantriebsleistung kann in der Regel sogar bis unter 0,9 Watt pro kW Heizleistung gesenkt werden. Das Hotel "Zimba" in Brand (Vorarlberg) ist mit seinen unterschiedlichen Heizkreisen das beste Beispiel für effizienten Stromverbrauch: Nach der Erneuerung der Heizzentrale durch den Einbau einer ZORTSTRÖM-Anlage ging neben der Behebung der hydraulischen Schwierigkeiten auch der Stromverbrauch im Vergleich zu vorher um rund 85 % zurück.

Ergebnisse verschiedenster Untersuchungen zeigen außerdem, dass mit dem Einbau einer ZORTSTRÖM-Systemanlage keine Strömungsstörungen im Rohrnetz mehr vorkommen. Sämtlichen Wünschen im Bereich der Heizungswasserströme, Pumpengröße, Temperaturspreizung, Einbaumöglichkeit und vielem mehr wird Rechnung getragen.

Internetinformationen:
www.zortea.at

B i l d e r : ZORTEA, Hohenems/Österreich

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