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Keine Angst vor Rechenaufgaben



Keine Angst vor RechenaufgabenBild: Danfoss
Bild: Danfoss 
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Bild: Danfoss 

9. August 2022

Mit Softwareunterstützung gelingt selbst der hydraulische Abgleich kombinierter Fußboden- und Radiatorheizungssysteme

Der hydraulische Abgleich neuer und bestehender Heizsysteme und insbesondere die komplexere Berechnungsvariante B kommt 2022 früher oder später auf jeden Heizungstechniker zu. Eine strukturierte Herangehensweise und spezifische Softwaretools nehmen der Berechnung jedoch viel von ihrem Schrecken – sogar bei schlecht dokumentierten gemischten Heizsystemen in Bestandsgebäuden.

Nach wie vor ist der hydraulische Abgleich bei den BAFA-Einzelmaßnahmen nach BEG (Bundesförderung für effiziente Gebäude) Bedingung für eine Förderung. Auch wird (theoretisch) die auf Schätzungen beruhende Berechnungsart A nach VdZ-Bestätigungsformular gestattet. Sie setzt die Heizlast mit der Heizleis­tung gleich. Da die BAFA-Richtlinien
jedoch auch eine Anpassung der Heizkurve an das Gebäude fordern, wird in der Praxis Berechnungsvariante B nötig, zumal diese aufgrund ihrer größeren
Detailgenauigkeit auch die Effizienz des Abgleichs entschieden verbessert. Bei Variante B wird die Heizlast für jeden Raum individuell berechnet und die Heizleis­tung dann darauf abgestimmt.
Der Umfang der in Variante B erforderlichen Berechnungen kann zunächst abschreckend wirken, vor allem bei älteren Bestandsheizungen, die den Techniker mit zahlreichen Unbekannten konfrontieren. Das gilt umso mehr, wenn dort Fußboden- und Radiatorheizung kombiniert sind. Denn hier müssen zwei Beheizungsarten mit ihren ganz unterschiedlichen Anforderungen berücksichtigt werden. Aber auch für solche Sonderfälle lassen sich Lösungen finden – vorausgesetzt, dass ein grundlegendes Systemverständnis, eine logisch strukturierte Vorgehensweise und die Bereitschaft zur Nutzung moderner Hilfsmittel zusammenkommen.
Zur Verdeutlichung sei beispielhaft folgendes Szenario beschrieben: Im Erdgeschoss eines Einfamilienhauses liegt eine Fußbodenheizung vor, doch die Dokumentation fehlt – ein häufiges Problem in Bestandsgebäuden. Zusätzlich versorgt das System im Obergeschoss mehrere Heizkörper über denselben Heizkreislauf. Welche Schritte sind nun erforderlich, um den hydraulischen Abgleich korrekt durchzuführen?

Vereinfachte raumweise Heizlast berechnen
Erster Schritt sollte immer die Berechnung der vereinfachten raumweisen Heizlast sein. Hierzu müssen zunächst die Transmissionsverluste für alle Räume auf Basis von U-Werten nach Baualtersklasse und Lüftungswärmebedarf ermittelt werden. Neue Fenster und verbesserte Isolierungen sollte der Techniker hier unbedingt mit einbeziehen, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Dabei muss nicht von Hand eine Tabelle geführt, nachträglich gerechnet und zusätzlich dokumentiert werden: Es stehen leistungsfähige Software-Tools zur Verfügung, z. B. „DanBasic 7“ von Danfoss, die neben der Berechnung auch die Dokumentation für die Förderung übernehmen. Diese Software wurde speziell für die Berechnung bestehender Heizungsanlagen in kleineren Wohneinheiten entwickelt und enthält mehrere Module: Heizlastberechnung, Heizkörper- und Ventilauslegung, Armaturen- und Pumpenauslegung sowie Dokumentation.
Im nächsten Schritt lässt sich das Problem der verschiedenen Wärmeübergabeeinrichtungen (Fußbodenheizung/Heizkörper) über portionsweises Berechnen (Zonierung) lösen. Bei einer Zonierung wird eine Heizungsanlage in mehrere kleine Verbrauchereinheiten eingeteilt. In größeren Gebäuden erfolgt diese Trennung physisch, etwa über Strangventile, Differenzdruckregler oder elektronisch geregelte Pumpen. Im Beispiel des Einfamilienhauses bleibt die Zonierung theoretisch, als eine Rechenhilfe. So können das Erdgeschoss mit den Fußbodenheizungen und das Obergeschoss mit den Heizkörpern zunächst jedes für sich betrachtet werden.

Fußbodenheizung und Heizkörper separat behandeln
Die Art der Wärmeübergabeeinrichtung bestimmt das weitere Vorgehen. Während die benötigte Heizleistung bei Heizkörpern nach Maßen und Typen einfach zu bestimmen ist und in softwaregestützten Lösungen in der Regel der Datensatz über die VDI 3805-6 [1] ermittelt werden kann, erfordert die Fußbodenheizung mehr Aufwand. Bei fehlender Dokumentation der Fußbodenheizung empfiehlt es sich, ein Nasssystem nach EN 1264 [2] (Typ A) als Berechnungsgrundlage zu verwenden und einen Verlegeabstand von 15 cm anzunehmen. Wärmeverluste nach unten sowie der Einfluss des Bodenbelags schlagen sich in der Vorlauftemperatur und der unbedingt festzustellenden Spreizung nieder. Softwaretools unterstützen bei solch einer Berechnung.
Aus den Angaben zum verwendeten Fußbodenheizungssystem errechnet sich der notwendige Massenstrom je Heizregis­ter, der in Kombination mit einem angenommenen Druckverlust, z. B. 1,5 mbar/m, den Druckverlust je Heizregister ergibt. Dieses Ergebnis wiederum führt zum Gesamtmassenstrom je Verteiler/Anlage und zum notwendigen Differenzdruck (d. h. Heizregister mit dem höchsten Druckverlust). Daraus ergibt sich schließlich, unter Berücksichtigung der Rohrlänge vom entferntesten Verteiler zur Pumpe, auch die notwendige Förderhöhe der Heizungspumpe. Bei kleinen Gebäuden kann der Einfluss der Rohre auf den Druckverlust ansonsten ignoriert werden, da der Verlauf der Rohre meist unbekannt ist und eine genauere Erfassung ein nur wenig genaueres Berechnungsergebnis liefert.
Nach den Berechnungen für die Fußbodenheizungen sind die Heizkörper im Obergeschoss an der Reihe. Für diese erfolgt eine Gegenüberstellung der Heizlast (je Raum) und der Heizleistung (der/des Heizkörpers) mit dem Ziel der Ermittlung der Heizkörperüberdimensionierungsfaktoren. Danach werden die realen Massenströme und realen Rücklauftemperaturen ermittelt und anschließend das System durch die Absenkung der Vorlauftemperatur optimiert. Unterstützung hierbei bietet das Modul „Temperaturoptimierung“ der Danfoss-Software „DanBasic 7“.
Im Detail bedeutet das, dass der Techniker die mittlere Übertemperatur und damit die Heizleistung des Heizkörpers bis zur berechneten Heizlast herunterregelt. Der jeweilige Wärmeerzeuger im Haus gibt hier den Rahmen der möglichen Temperaturen vor; bei mangelhafter Datenlage wird zunächst eine Vorlauf-/Rücklauftemperatur von 70/55 °C angenommen und auf dieser Basis die anzustrebenden Systemtemperaturen berechnet.

Statischer oder dynamischer Abgleich?
In diesem folgenden Schritt spielt die Funktion der Armaturen (druckabhängig oder druckunabhängig) eine wichtige Rolle. In unserem Beispiel empfiehlt sich ein statischer (druckabhängiger) Abgleich für die Fußbodenheizung. Dabei wird berechnet, welche Wassermenge je Heizregister maximal benötigt wird. Dies reicht aus, da die Zahl der zu versorgenden Heizregister überschaubar ist. Auch macht eine Fußbodenheizung als ein träges System eine dynamische Steuerung nicht zwingend erforderlich.
In größeren Gebäuden lässt sich mithilfe druckunabhängiger Armaturen die Sollwassermenge je Verteiler auch im Teillastfall einhalten (dynamischer Abgleich).
Bei einem System mit Heizkörpern werden basierend auf den realen Volumenströmen und der geforderten Ventilautorität dann die Differenzdrücke über den (druckabhängigen) Thermostatventilen auf das real notwendige Maß gesenkt. Daraus ergeben sich neue Einstellungen für die Ventile, die Heizungsumwälzungspumpe und/oder den (optionalen) Differenzdruckregler, je nach Aufbau des Systems.

Betrachtung Mischsystem
Bei einem Mischsystem aus Fußbodenheizung und Heizkörpern wird das System als Ganzes betrachtet. Genügt etwa die für die Fußbodenheizung errechnete Vorlauftemperatur auch für die Heizkörper im Obergeschoss? Die Danfoss-Software „DanBasic 7“ berücksichtigt diesen Fall in ihrem Fußbodenheizungsmodul, das die notwendige Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung ermitteln kann. Damit lässt sich überprüfen, ob die Vorlauftemperatur auch für die Heizkörper ausreicht oder ein Austausch einzelner Heizkörper notwendig ist. Zusätzlich werden in diesem Schritt die Differenzdrücke über beide Zonen bestimmt. Falls nötig, kann der Techniker z. B. im Heizkörperkreis differenzdruckreduzierende Armaturen im Strang oder an den Heizkörpern einsetzen.
Zum Abschluss des Abgleichs im Beispielhaus sind noch einige Details zu beachten. Bei Bodenbelägen über der Fußbodenheizung, die einen erhöhten Wärmedurchlasswiderstand haben, muss die Vorlauftemperatur zunächst rechnerisch erhöht werden (z. B. für Parkett oder Teppichboden). Eine endgültige Anpassung kann im laufenden Betrieb vorgenommen oder automatisierten Systemen überantwortet werden. So sind etwa weitere Optimierungen durch temperaturbasierte adaptive Verfahren möglich, wenn smarte Fußbodenheizungssysteme mit automatischem hydraulischem Abgleich (z. B. „Danfoss Icon“) vorhanden sind oder nachgerüstet werden. Ansonsten ist der hydraulische Abgleich des Mischsystems hier beendet, und die Dokumentation für das VdZ-Formular kann erstellt werden, sofern das nicht bereits automatisch über die Software geschehen ist.

Fazit
Durch die BAFA-Förderungsrichtlinien kommt man kaum mehr um den hydraulischen Abgleich herum. Mit dem nötigen Systemverständnis, einer strukturierten Vorgehensweise und der Unterstützung durch eine geeignete Software stellt jedoch auch die komplexe Berechnungsvariante B keine große Hürde mehr da. Sogar Sonderfälle wie die Kombination zweier verschiedener Typen von Wärme­übergabegeräten im gleichen Haus können
hinreichend exakt berechnet und dokumentiert werden.

Literatur:
[1] VDI 3805 Blatt 6: Produktdatenaustausch in der technischen Gebäudeausrüstung – Heizkörper, Heiz- und Kühlkonvektoren mit und ohne Gebläse
[2] EN 1264: R
aumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung

Autor: Bernd Scheithauer, Produktingenieur für Wärmeautomatik, Danfoss GmbH

www.danfoss.de


Hydraulischer Abgleich im Einfamilienhaus mit Misch­system:
Die Schritte im Überblick

  1. Vereinfachte raumweise Heizlastberechnung durchführen
    Transmissionsverluste (U-Werte), Lüftungswärmebedarf und ggf. bauliche Veränderungen beachten.
  2. Haus nach Wärmeübergabeeinrichtungen in Bereiche aufteilen
    (Zonierung).
  3. Bereiche einzeln berechnen.
    a. Fußbodenheizung: Daten eintragen oder Standard annehmen
    (Nasssystem EN 1264, Verlegeabstand 15 cm). Daraus Massenstrom,
    Differenzdruck und nötige Förderhöhe der Pumpe errechnen.
    b. Heizkörper: Daten eintragen. Daraus Heizkörperüberdimensionierungs­faktoren, Massenströme und Rücklauftemperatur ermitteln. Darauf basierend Vorlauftemperatur und nötige Ventil-, Pumpen- und Druckeinstellungen ­errechnen.
  4. Funktion und Prozess festlegen.
    Druckabhängige Armaturen für statischen Abgleich verwenden; anzu­strebende Systemtemperaturen und zugehörige Ventileinstellungen festlegen.
  5. Abstimmungen für Gesamt­system und Nachbetreuung.
    Für Fußbodenheizung errechnete Vorlauftemperatur an Bodenbelag und Versorgungsbedarf der Heizkörper anpassen, Differenzdrücke bestimmen und ggf. Armaturen ersetzen. Ggf. weitere Anpassungen im Betrieb (manuell oder durch smarte Systeme).




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