IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 22/1998, Seite 42 ff.

HEIZUNG

Bedarfsgerechte Druckhaltung in Heizungsanlagen

Ehrhardt Buscher; Klaus Walter* Teil 2

Druckhaltung und Entlüftung von Heizungsanlagen bilden eine unauflösliche Einheit für deren Betriebszuverlässigkeit [7]. Im ersten Teil dieser Ausarbeitung, erschienen in der IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 21, wurden Vorschriften, Installationen und Wartungshinweise für Membran-Druckausdehnungsgefäße (MAG) behandelt. Dieser 2. Teil beschäftigt sich mit der MAG-Auswahl und mit den Folgen mangelhafter Druckhaltung.

3. MAG-Berechnung

Die wichtigste Forderung besteht darin, daß das Membran-Druckausdehnungsgefäß (MAG) ausreichend groß für die Heizungsanlage dimensioniert wird. Dazu werden später Tabellen vorgestellt, die abhängig von

- der Heizleistung,

- der Art der Heizfläche,

- der Gebäudehöhe und

- dem Abblasedruck des Sicherheitsventils

eine schnelle und richtige Auswahl ermöglichen.

3.1 Der Rechenweg

Im DIN-Blatt 4807 Teil 2 [4] ist ein ausführlicher Weg beschrieben, wie ein MAG zu berechnen ist. Die Hersteller bieten dazu ausführliche Software-Programme an. Die Einflußgrößen für die richtige Größenbestimmung sind im Bild 12 tabellarisch aufgelistet.

Ausgehend vom Gebäude-Wärmebedarf und von der Art der Heizflächen muß der Wasserinhalt der gesamten Anlage V_A mittels einer Rohrnetzberechnung ermittelt werden. Erfahrungswerte für den durchschnittlichen Wasserinhalt von Zentralheizungsanlagen in Abhängigkeit von der installierten Leistung der Anlage sind in einer ZVH-Richtlinie [5] graphisch dargestellt sowie in verschiedenen Herstellerkatalogen aufgeführt. Die Auswertung zeigt die Tabelle im Bild 13.

Das Ausdehnungsvolumen V_e ist abhängig von der maximalen Vorlauftemperatur des Heizungskreislaufes. Eine zusätzliche Wasservorlage V_v berücksichtigt den Wasserverlust in der Heizung in der Zeit zwischen zwei Wartungen. Das Aufnahmevolumen V₀ des MAG muß mindestens der Summe von V_e und V_v entsprechen.

In den nächsten Rechenschritten werden die verschiedenen Druckzustände

- statischer Druck p_stat, abhängig von der Gebäudehöhe,

- Vordruck p₀,

- Dampfdruck des Heizungswassers p_D,

- Abblasedruck des Sicherheitsventils p_SV,

- Anlagenfülldruck p_a

- Enddruck p_e

zur Ermittlung des Nennvolumens V_n,min berücksichtigt. Insgesamt umfaßt diese Berechnung 16 Eingabe- und Ausgabeoperationen.

3.2 Zusätzliche Einflußgrößen

Bei geringeren Vorlauftemperaturen und insbesondere bei kleineren Vorlauf-Rücklauf-Spreizungen in den Heizflächen müssen diese vergrößert werden, was einen größeren Wasserinhalt nach sich zieht.

Achtung: wird dem Heizungswasser Glykol als Frostschutz beigefügt, so verändern sich die temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten.

Letztlich ist zu berücksichtigen, daß am Saugstutzen der Heizungsumwälzpumpe ein Mindest-Zulaufdruck gegen Kavitationseinflüsse einzuhalten ist. Symbolisch kann dessen Abweichung vom statischen Druck in den Bildern 6 und 7 erkannt werden. Die Position der Pumpe zum Ausdehnungsgefäß spielt hierfür eine große Rolle.

3.3 Die Praxistabellen

Um dem Praktiker vor Ort diesen Rechenaufwand zu ersparen, wurden aus den Formeln der Norm und aus den Unterlagen eines Herstellers [6] zwei Auswahltabellen erarbeitet (Bilder 14 und 15). Sie unterscheiden sich nur in dem Abblasedruck des installierten Sicherheitsventils. Die Auswahl des geeigneten MAG ist äußerst einfach:

1. Gebäude-Wärmebedarf	_{N, Geb}
2. Art der Heizflächen	2.1	Konvektoren
	2.2	Platten-Heizkörper
	2.3	Guß-Radiatoren
	2.4	Stahl-Radiatoren
	2.5	Fußbodenheizung
3. Vorlauftemperatur, max.
4. Dampfdruck	4.1	J_V < 100°C
	4.2	J_V > 100°C
5. Ansprechdruck des Sicherheitsventils	5.1	p_SV = 2,5 bar
	5.2	p_SV = 3,0 bar
6. Glykol-Zusatz im Heizungswasser	6.1	nein
	6.2	ja:
	6.2.1	Art des Mediums
	6.2.2	Prozent-Anteile
7. Gebäudehöhe		H < 15 m / D_p< 1,5 bar
8. Mindestzulaufdruck der Umwälzpumpe		lt. Herstellerkatalog

Bild 12: Einflußgrößen für die Berechnung eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes.

Im Kopf der Tabelle sind unter den verschiedenen Heizflächen die statischen Drücke, das sind die MAG-Vordrücke, in Abhängigkeit von der statischen Höhe der Heizungsanlage aufgelistet. In jeder so definierten Spalte kann sofort die maximale Wärmeleistung der Anlage gefunden werden, für die das links stehende MAG auszuwählen ist.

Art der Heizfläche
Konvektoren	5,2 l/kW
Plattenheizkörper	8,7 l/kW
Guß-Radiatoren	12,0 l/kW
Stahl-Radiatoren	15,0 l/kW
Fußbodenheizung	18,5 l/kW

Bild 13: Spezifisches Anlagenvolumen beim Einsatz verschiedener Heizflächen.

3.3.1 Rechenbeispiel 1

Ein Mehrfamilienhaus hat bei 50 Wohnungen zu je 80 m² eine Gesamt-Wohnfläche von 4000 m² bei einer Höhe der Heizungsanlage von 9,4 m von der MAG-Mitte zum Anlagenhöchstpunkt. Es handelt sich um die Sanierung eines Altbaugebäudes. Die Anlage ist mit p_SV = 2,5 bar abgesichert. Analog der HeizAnlV wird ein spezifischer Wärmebedarf _spez = 70 W/m² angesetzt. Der Gebäudewärmebedarf ist also

_{N, Geb} = A_N · _spez = 4000 m² · 70 W/m² : 1000 = 280 kW.

Die MAG-Auswahl erfolgt in der Tabelle Bild 14.

Bild 14: MAG-Auslegung nach der Wärmeleistung der Heizung, nach der Art der Heizflächen und nach der Gebäudehöhe. Abblasedruck des Sicherheitsventils p_SV = 2,5 bar.

Weil die vorhandenen Guß-Radiatoren in den Wohnräumen bleiben sollen, ist ein MAG vom Typ 425/1,0 auszuwählen. Das kleinere Gefäß mit 300 l Inhalt wäre zu klein, weil es nur das Ausdehnungswasser für 203 kW aufnehmen kann. Würde das Gebäude im Zuge der Renovierung mit Plattenheizkörpern ausgestattet, würde das 300 l-Gefäß allerdings ausreichen, weil diese Heizflächen ein geringeres Wasservolumen haben.

3.3.2 Geringere Vorlauftemperaturen

Die DIN-Berechnung beruht auf einer Vorlauftemperatur von 90°C. Moderne Heizungsanlagen werden häufig mit geringeren Heizwassertemperaturen betrieben. Die Anwendung der beiden Tabellen auf andere Vorlauftemperaturen ist dennoch zulässig.

Denn eine niedrigere Vorlauftemperatur erfordert vergrößerte Heizflächen, sie bewirkt aber eine geringere Wasserausdehnung. Diese beiden Einflüsse heben sich gegenseitig annähernd auf.

3.3.3 Geringe statische Höhe

In ebenerdigen Einfamilienhäusern und mehr noch in Dachzentralen mangelt es oft an der gewünschten statischen Höhe zwischen dem MAG und dem Anlagenhöchstpunkt. Sie kann schlimmstenfalls bis auf den Wert Null absinken. Dann sollte in jedem Fall ein MAG-Vordruck von 0,5 bar entspr. einer angenommenen statischen Höhe von 5 m nicht unterschritten werden. Mit dem (analog zu den Bildern 2 und 3) um weitere 0,5 bar erhöhten Systemdruck ist dadurch mit 1,0 bar eine gute Sicherheit gegen Unterdrucksituationen gegeben.

3.3.4 Rechenbeispiel 2

Ein freistehender Einfamilienbungalow hat eine beheizbare Nutzfläche von 180 m². Nach den Vorgaben der HeizAnlV beträgt der spezifische Wärmebedarf _spez = 100 W/m², der Gebäudewärmebedarf also

_Geb = 180 m² · 100 W/m² : 1000 = 18 kW.

Die Plattenheizkörper sind unter dem neuen Gesichtspunkt der thermischen Behaglichkeit für eine Vorlauf-/Rücklauf-Temperatur von 55/45°C ausgelegt. Die Anlage ist mit p_SV = 2,5 bar abgesichert. Das MAG im Heizungskeller befindet sich ca. 2 m unter den Heizkörpern des Erdgeschosses.

Bild 15: MAG-Auslegung nach der Wärmeleistung der Heizung, nach der Art der Heizflächen und nach der Gebäudehöhe. Abblasedruck des Sicherheitsventils p_SV = 3,0 bar.

Aus der Tabelle des Bildes 14 kann man unter der Mindest-Annahme einer statischen Höhe von 5 m ein MAG mit 18 l Nenninhalt auswählen, welches für eine Heizleistung von _Geb = 19 kW ausreichen würde.

Weil Ausdehnungsgefäße nie zu groß aber häufig zu klein sind, kann die Auswahl auch auf die nächste Größe, ein Gefäß mit 25 l Inhalt fallen. Dieses MAG kann mit 1,0 bar Vordruck für eine theoretische Anlagenhöhe von 10 m eingesetzt und mit einem Systemdruck von 1,5 bar betrieben werden. So verfügt man über eine zusätzliche Sicherheit gegen die unkontrollierte Reduktion des Systemdrucks durch Leckverluste und manuelle oder automatische Entlüftung.

4. Folgen mangelhafter Druckhaltung

Es ist dringend darauf hinzuweisen, daß Druckhaltung und Entlüftung [7] im Heizungssystem generell als eine Funktionseinheit zu betrachten und zu realisieren sind.

Die Abhängigkeit dieser beiden Einflußgrößen wird bedauerlicherweise nicht ausreichend erkannt und vermittelt. Die von der Industrie dafür angebotenen Funktionseinheiten für Druckhaltung und Entlüftung setzen sich am Markt nur sehr zögernd durch.

4.1 Systemdruck überwachen

Der Systemdruck sollte vorwiegend bei kalter Anlage und abgeschalteter Umwälzpumpe eingestellt werden. Unterdruck und Lufteintrag führen zunächst zu nicht wahrnehmbaren, recht bald aber zu wahrnehmbaren Störungen und Schäden.

Es ist aber bekannt, daß in weniger als 5% der Fälle die vorgeschriebene MAG-Wartung im Zuge der Kesselwartung durchgeführt wird. Danach auftretende Störungen werden schnell der Heizungsumwälzpumpe angelastet.

4.2 Pumpentausch

Die Heizungsumwälzpumpe ist das einzige hochtourig bewegte Bauelement einer Heizungsanlage. Wenn irgendwo eine anlagenverursachte Betriebsstörung auftritt, wird man es zunächst am Pumpenverhalten merken. Weil der Pumpe dann aber auch das Verschulden zugeschrieben wird, entschließt man sich zu einem Pumpentausch.

Die chronologischen Abläufe sind dann diese:

1. Aus der Heizungsanlage wird das Wasser abgelassen, d.h. die Anlage wird drucklos gemacht.

2. Die Pumpe wird ausgetauscht.

3. Die Anlage wird wieder mit Wasser gefüllt und auf den Betriebsdruck gebracht.

4. Die neue Pumpe wird eingeschaltet, sie funktioniert einwandfrei.

Dabei fällt nicht auf, daß auch die demontierte Pumpe keinen Schaden aufwies. Hätte man sie statt einer neuen wieder eingebaut, wäre kein anderes Anlagenverhalten feststellbar gewesen. Allerdings werden die unbehobenen anlagenverursachten Betriebsstörungen bald wieder zu neuen Pumpenstörungen führen.

Noch schlimmer wäre folgende Vorgehensweise:

1. Die (angeblich defekte) Pumpe wird abgeschiebert und ausgebaut.

2. Eine neue Pumpe wird eingebaut.

3. Die Absperrschieber werden wieder geöffnet.

4. Die Luft enthaltende Pumpe füllt sich mit dem Anlagenwasser.

5. Der Anlagendruck wird weder kontrolliert noch korrigiert.

Der schon vorher zu geringe Anlagendruck wird weiter (wenn auch geringfügig) reduziert. Auf den Ausfall dieser Pumpe kann man warten.

4.2.1 Erkenntnis

Wenn Störungen in der Anlage durch einen Pumpentausch "erledigt" werden, müssen gleichzeitig MAG-Vordruck und Anlagen-Systemdruck angepaßt werden. Andernfalls wird der Pumpentausch mehrfach wiederholt, bis man sich verärgert zu einem Fabrikatswechsel entschließt.

4.3 Allgemeine Situationsanalyse

Es sind in erster Linie die Pumpenhersteller, die die nicht unerheblichen Kosten für die nicht von ihnen zu vertretenden Systemfehler aus verschiedenen Gründen bisher übernehmen.

Ein Pumpentausch ist nahezu problemlos und - wegen der Herstellerkulanz - auch kostenlos. Durch den schnellen Pumpentausch innerhalb der Gewährleistungszeit - und zwar unabhängig vom Schadensbild und einer Untersuchung der Schadensursachen - findet der Fachhandwerker seine an der Pumpe vermutete Schadensursache bestätigt.

Die tatsächliche Schadensursache in der Heizungsanlage ist aus einer Schadensuntersuchung der Pumpe nicht festzustellen. Denn mehr als die Hälfte der bei den Herstellern (bei allen!) untersuchten Pumpen aus Reklamationsrückläufen weisen keine Fehler auf. Es ist ein noch unerreichtes Ziel, daß eine genaue Schadensanalyse vor Ort durchgeführt werden muß. Die aus der Fehlerbehebung erwachsenden Kosten müssen dann durch den Verursacher getragen werden.

Moderne Elektronik ist aber heute schon in der Lage, die Abfolge und die Auswirkungen von bis zu 50 nacheinander aufgetretenen Störungen festzuhalten. Ein Sachverständiger kann sich daraus durchaus ein zutreffendes Gesamt-Schadensbild machen.

4.3.1 Fazit aus der Situationsanalyse

Die Betreiber von Heizungsanlagen und die Hersteller von Heizungsumwälzpumpen müssen akzeptieren, daß der angebotene hohe Technologiestand nicht oder nur begrenzt genutzt und wahrgenommen wird. Gründe dafür sind, daß das Zusammenspiel der Anlagenkomponenten nicht beherrscht und kontrolliert wird. Ganzheitlich funktionierende, marktgerechte Systemlösungen werden nicht beachtet oder nicht verstanden. Sie setzen sich nur langsam und vorwiegend in Leistungsbereichen ab 100 kW durch.

4.3.2 Wege aus der Situation

Die dargelegte Situation berechtigt die Pumpenhersteller nicht nur, nein, sie verpflichtet sie zur angemessenen Aufklärung und konsequenten Verbesserung durch Wissensvermittlung.

In Tagesseminaren zeigen die Hersteller von Systemkomponenten den Heizungsfachfirmen die Bedeutung der Druckhaltung für die Systemfunktionen von der Planung über die Installation bis zur Wartung auf. Wer nach einer solchen Informationsveranstaltung in einer Pumpenstörung nur das Indiz für einen Systemfehler erkennt, wird die Ursache abstellen und damit die Auswirkungen des Fehlers beheben.

Wenn sich alle Beteiligten um ein ganzheitliches Vorgehen bemühen, werden sich Störungen, Schäden und die Kulanzleistungen der Pumpenhersteller und der Heizungsfachbetriebe drastisch reduzieren.

Gleichzeitig nimmt die Zahl der unzufriedenen Kunden ab!

4.4 Schlußbetrachtungen

Nicht die Kontrolle durch den Gesetzgeber und seine Beauftragten oder das Ablehnen von bisher großzügig gewährten Kulanzleistungen sollten die Situation verändern sondern ein von allen Beteiligten unterstütztes und praxisorientiertes Denken und Handeln in der Anlagentechnik. Dazu gehört als wichtigstes Glied in der Kette der Anlagenerhaltung der Wartungsvertrag ab Inbetriebnahme.

Die bedarfsgerechte Druckhaltung in Heizungsanlagen durch die ganzheitliche Betreuung der Anlage ist also ein wichtiger, fachkompetenter Beitrag zur Erfüllung bestehender Vorschriften.

Denn:

Heizungsanlagen sollen sparsam, sicher und geräuscharm, d.h. einfach besser funktionieren.

*) Ehrhardt Buscher, Leiter Marketing-Engenering, Wilo GmbH, Dortmund.
Klaus Walter, langjähriger Schulungsingenieur bei heizungstechnischen Industrieunternehmen.

Li t e r a t u r

[1] DIN 4751 Teil 2 (Oktober 1994); Wasserheizungsanlagen; geschlossene, thermostatisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C; Sicherheitstechnische Ausrüstung.

[2] DIN 4807 Teil 2 (Mai 1991); Ausdehnungsgefäße; offene und geschlossene Ausdehnungsgefäße für wärmetechnische Anlagen; Auslegung, Anforderungen und Prüfung.

[3] VOB = Verdingungs-Ordnung für Bauleistungen, Teil C, DIN 18380, Ausgabe 1996.

[4] Verordnung über energiesparende Anforderungen an heizungstechnische Anlagen und Brauchwarmwasseranlagen vom 22. März 1994 (Heizungsanlagenverordnung).

[5] ZVH-Richtlinie 12.02 zur Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen, Ausgabe Juli 1986; Herausgeber: Zentralverband Heizungskomponenten.

[6] Flamco Flexcon GmbH, Gesamtkatalog 1998.

[7] Der Fachaufsatz "Bedarfsgerechte Entlüftung von Heizungsanlagen" wird in einer der nächsten Ausgaben der Fachzeitschrift IKZ-HAUSTECHNIK erscheinen.

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