Heizungsanlagen – Funktionsweise, Heizkreislauf und Heizungssystem
Was ist eine Heizungsanlage? Ist es bereits das ursteinzeitliche Feuer, das uns gewärmt und geschützt hat oder ist es die heutige klassische Anlage, die uns in Baumärkten, bei den Herstellern von Kesseln im Internet oder auf Broschüren angepriesen wird? Wahrscheinlich beides, zumindest zum Teil. Zum besseren Verständnis und zur Erläuterung gibt es eine dreistufige Aufteilung des Heizungssystems:
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Heizungssystem besteht aus drei Stufen: Wärme erzeugen, verteilen und an den Raum abgeben.
- Wasser ist das gängigste Verteilmedium – pro Kilogramm speichert es rund viermal so viel Wärme wie Luft.
- Je niedriger die Vorlauftemperatur und je größer die Heizfläche, desto effizienter arbeitet die Anlage.
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1. Die Wärmeerzeugung2. Die Wärmeverteilung3. Der Wärmeverbraucher
Das ursteinzeitliche Feuer hat womöglich alle drei Stufen in sich auf engsten Raum vereint. Es hat die Umgebungsluft unmittelbar erwärmt. Die Erzeugung erfolgte wie heute durch eine klassische Verbrennung. Die freiwerdende Wärme verteilt sich hierbei schnell. Wesentlich langsamer im Wärmetransport sind die heutigen klassischen Heizungen. Aber zunächst einmal zur…
1. Wärmeerzeugung
Wärmeerzeuger gibt es klassisch als Kessel, die mit unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten. Öl und Gas sind die am weitest verbreiteten Brennstoffe. Holz, Holzschnitzel, Holzpellets oder im großindustriellen Stil Kohle und Müll sind ebenfalls mit bemerkenswerten Anteilen als Brennstoff vertreten. In den vergangenen Jahren haben sich verstärkt Wärmeerzeuger durchgesetzt, die nicht unmittelbar Feuer bzw. den Brennstoff nutzen. Hierzu zählen die Wärmepumpe und der thermische Solarkollektor. Die Wärmepumpe ist im Neubau inzwischen das mit Abstand häufigste Heizsystem – für rund vier von fünf der 2025 neu genehmigten Wohngebäude war sie als primäre Heizung vorgesehen.
Allen klassischen Wärmeerzeugern gemeinsam ist die Tatsache, dass sie geschickt die Wärme einer offenen Flamme zur Erwärmung eines Mediums (Wasser oder Luft) nutzen. In den meisten Fällen ist dies Wasser gefolgt von Luft. Die Flamme wird dabei von einem Wärmetauscher umgeben, der vom Medium durchströmt wird. Die Wärmetauscher im Kessel sollten dabei im Verhältnis zur Brennerleistung (das ist näherungsweise die Wärmeleistung der Flamme) möglichst groß sein. Dadurch werden die Verbrennungsgase stark abgekühlt. Niedrige Abgastemperaturen ermöglichen, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert. Den gewünschten Effekt nennt man Brennwerttechnik.
Andere Wärmeerzeuger wie Kachelöfen, Kaminöfen oder offene Kamine werden zur Zeit immer beliebter. Sie erwärmen direkt die unmittelbare Umgebung. Die Wärmeverteilung kann bei diesen Erzeugern in der Systembetrachtung vernachlässigt werden.
2. Wärmeverteilung
Verteilt wird die Energie des Wärmeerzeugers mit Hilfe von Medien wie Luft und Wasser. Das klassische offene Feuer transportiert die Wärme auch intensiv durch Wärmestrahlung.
Luft als Wärmeträgermedium war vor Jahrzehnten insbesondere bei Einzelöfen innerhalb der Wohnräume üblich. Mit Hilfe eines kleinen Luftschachtes werden so bei eher älteren Gebäuden erwärmte Luft verschiedenen Zimmern zugeführt. Meist im Wohnzimmer an einer Innenwand befindet sich bei solchen Systemen ein offenes Feuer (mit einer Verkleidung aus Kacheln), das unmittelbar die Luft erwärmt.
Das Verteilen der Energie mit Wasser ist die gängigste Form. Wasser ist ein Medium, das eine hohe Wärmekapazität aufweist und zudem verhältnismäßig günstig zur Verfügung steht. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist pro Kilogramm ungefähr viermal höher als die von Luft. Deshalb kann Wasser bei gleicher Masse deutlich mehr Wärme transportieren; in Heizungsanlagen ist zusätzlich die hohe Dichte des Wassers entscheidend. Wasser ist näherungsweise inkompressibel und kann somit mittels Pumpe und Rohrleitung geschickt in jeden Winkel eines Hauses geführt werden. Diese ganzen Faktoren stellen bedeutsame wirtschaftliche Vorteile dar.
Ventile
Geregelt wird diese Verteilung mittels Ventile. In der Masse sind das hauptsächlich die Thermostatventile an jedem Heizkörper bzw. die Thermostate, die sich hauptsächlich bei Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen etc. im Gebäudebestand wiederfinden.
Ventile sind kleine Öffnungen in den Rohrleitungen, die – meist von einer Temperatur gesteuert – diese Öffnungen größer oder kleiner werden lassen. Bei den klassischen Raumthermostatventilen wird ein Medium im Kopf des Ventils durch die Raumtemperatur beeinflusst. Man nutzt dabei die Eigenschaft aus, dass sich Stoffe temperaturabhängig dehnen. Die Kraft dieser Dehnung wird auf einen kleinen Stift übertragen, der den Rohrleitungsquerschnitt beeinflusst. Weil man die Kraft für die Dehnung aus der Energie der Raumluft gewinnt, spricht man beim Thermostatventil auch von einem Ventil ohne Hilfsenergie. Man meint damit, dass kein zusätzlicher Stromanschluss notwendig wird. Ein nahezu genialer Vorteil.
Ebenfalls gängige Ventile findet man unmittelbar an der Verteilung bzw. in kompakten Anlagen noch innerhalb des Kesselgehäuses. Diese Ventile regeln für gewöhnlich weniger die Verteilung als das Temperaturniveau, mit dem das Wasser durch die Rohrleitungen fließt. Für die Effizienz einer Heizungsanlage insgesamt sind diese Regelorgane sehr wichtig, da mit sehr niedrigen Temperaturen hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Die hauptsächliche Einflussgröße ist hierbei die Außentemperatur. Manchmal liest man auch von witterungsgeführter Vorlauftemperatur. Dabei wird die Witterung meist auf die Außentemperatur reduziert.
Rohrleitungen
Bei der Verteilung von erwärmten Wasser mittels Rohrleitungen haben sich auf dem Markt mehrere Materialien durchgesetzt. Während früher gerne Stahl- oder Kupferrohre eingesetzt wurden, die an ihren Verbindungen geschweißt oder gelötet wurden, ist heute die Palette deutlich größer. Durchgesetzt hat sich aufgrund einer schnelleren Montagetechnik die Verbindung mittels Pressen. Dabei werden die Metalle an den Verbindungselementen so geformt, dass die Dichtigkeit mittels Einlage und Verformung gegeben ist. Pressverbindungen reduzieren den Montageaufwand gegenüber Löten oder Schweißen, müssen aber mit passenden Systemwerkzeugen und nach Herstellerangaben fachgerecht ausgeführt und geprüft werden. Gängige Metalle sind heute Kupfer und Edelstahl.
Seit ca. 2 Jahrzehnten sind Kunststoffe im Massenmarkt vorzufinden. Kunststoffe haben dabei den Vorteil, dass sie biegsamer sind. Als Verbindungstechnik sind Verschraubung, chemisches Schweißen bzw. Kleben üblich. Der frühere Nachteil der Diffusionsoffenheit ist bei sauerstoffdichten Kunststoff- und Verbundrohren nach DIN 4726 deutlich reduziert. Ältere oder nicht entsprechend gekennzeichnete Rohre können weiterhin Sauerstoff in das Heizungswasser lassen. Rostbildung an den Metallen war die Folge. So konnten sich Ablagerungen bilden, die den Querschnitt in den Rohrleitungen unnötig verengten. Kunststoffleitungen werden gerne bei Flächenheizungen eingesetzt. Hier erhält die Rohrleitung neben der Funktion der Wärmeverteilung auch noch zusätzlich die Funktion des klassischen Wärmespenders oder Wärmeverbrauchers.
3. Wärmeverbraucher – Heizkörper & Co.
Unter den Wärmeverbrauchern findet man Klassiker wie den Heizkörper, die Fußbodenheizung oder die Wandheizung. Immer häufiger kommen kerntemperierte Betondecken oder Wärmetauscher an Lüftungsanlagen hinzu, die aufgrund der energetischen Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) vermehrt in Wohnungsneubauten eingesetzt werden. Wärmeverbraucher übertragen Wärme auf einen Raum auf ein weiteres Medium. Die Übertragung findet dabei auf zwei Wegen statt. Erstens unter Konvektion: Hier versteht man laienhaft die direkte Aufwärmung der Luft – also den Anteil, der von jeder häuslicher Wetterstation erfasst wird. Zweitens mittels Strahlung: diese findet nur von Körper zu Körper statt. Dabei ist mit einem Körper auch eine Wand, die Decke oder der Boden gemeint. Strahlung nimmt in Abhängigkeit des Temperaturunterschiedes stärker zu bzw. ab als die Wärmeübertragung mittels Konvektion.
Heizkörper, weil sichtbar und gestaltbar, sind dem Laien in vielen Variationen bekannt. Das beste Preis-Leistung-Verhältnis haben klassische Heizplatten mit integrierten Konvektoren. Je nach Bauart übertragen Heizkörper ihre Wärme überwiegend über Konvektion und zusätzlich über Strahlung; genaue Anteile hängen von Plattenzahl, Konvektorblechen und Temperatur ab. Die optischen Variationen sind riesig. Für die Heizleistung sind vor allem Bauart, Abmessungen, Einbausituation und Systemtemperaturen maßgeblich; deshalb sollten Vergleichswerte aus Herstellerdaten oder einer Heizlastberechnung stammen.
Heizkörper oder Flächenheizung? Die Wärmeabgabe im Vergleich
| Kriterium | Heizkörper | Flächenheizung (z. B. Fußboden) |
|---|---|---|
| Nötige Vorlauftemperatur | eher hoch (klassisch rund 55–70 °C) | niedrig (rund 30–40 °C) |
| Wärmeübertragung | überwiegend Konvektion (Luftumwälzung) | überwiegend Strahlung, als angenehm empfunden |
| Eignung für die Wärmepumpe | gut nur bei großzügiger Auslegung | sehr gut, weil niedrige Temperaturen genügen |
| Reaktion auf die Regelung | schnell – der Raum wird zügig warm | träge – große Speichermasse |
| Nachrüstung im Bestand | einfach austauschbar | aufwendiger (Eingriff in den Bodenaufbau) |
Andere Heizkörper sind extra flach, damit man sie im Boden einlassen kann. Man nennt sie Bodenkonvektoren, da ihr Strahlungsanteil sehr gering ist. Wieder andere sind multifunktioniell, wie zum Beispiel ein Handtuchheizkörper oder eine beheizte Gardarobe, die es als Designelement ebenfalls auf dem Markt gibt. Die Welt der Heizkörper reicht bei den Designheizkörpern bis zum wärmespendenden Bild. Formen wie flach, rund, symmetrisch, asymmetrisch sind in Masse vorhanden.
„Designneutral“ sind Flächenheizungen. Meist in Form von Bodenheizungen liefern sie bei relativen niedrigen Temperaturen eine angenehme Wärme. Gerade Fussbodenheizungen sorgen bei angenehmer Fußwärme in Wohnflächen für eine freie Gestaltung der Räume ohne dass auf den Platz und die Optik von Heizkörpern Rücksicht genommen werden muss. Flächenheizungen funktionieren dann am besten, wenn der Oberbelag möglichst wenig dämmt. Daher sind wärmeisolierende Korkböden oder Holzböden nicht so sehr geeignet wie der sonst eher als kalt empfundene Stein- oder Fliesenbelag. Das bedeutet aber nicht, dass Kork und Holz gänzlich ungeeignet wären.
Bei Flächenheizungen müssen Bohrungen in Boden, Wand oder Decke besonders sorgfältig geplant werden: Eine Fehlbohrung kann Rohrleitungen beschädigen und teuer werden. Für effiziente Niedertemperatur-Heizungen sind Flächenheizungen sehr hilfreich, aber nicht die einzige Möglichkeit. Auch ausreichend große oder angepasste Heizkörper können niedrige Vorlauftemperaturen ermöglichen. Entscheidend ist die große Übertragungsfläche, die bei gleicher Heizleistung eine niedrigere Systemtemperatur erlaubt.
Heizungssysteme für Wohngebäude sollten durch den Heizungsfachmann geplant und installiert werden. Für die Auswahl zählen nicht nur Design und Anschaffungspreis, sondern vor allem Heizlast, Vorlauftemperatur, Betriebskosten, Förderfähigkeit und Zustand der Gebäudehülle. Häufig ist die beste Lösung eine abgestimmte Kombination aus passender Anlagentechnik, hydraulischem Abgleich und sinnvollen Dämmmaßnahmen.
Experten in diesem Gebiet sind Ingenieure der Fachrichtung Versorgungstechnik. Sie können dem Bauherrn auch den vergleichenden Wettbewerb durch Ausschreibung der Technik unter den Handwerkern garantieren.
Der Trend: Heizsysteme arbeiten mit immer niedrigeren Temperaturen
Ob Wärmeerzeugung, Verteilung oder Wärmeabgabe – die größte Effizienzreserve eines Heizungssystems liegt heute in einer niedrigen Vorlauftemperatur. Je niedriger die benötigten Systemtemperaturen sind – bei Brennwertkesseln besonders die Rücklauftemperatur –, desto sparsamer arbeiten Brennwertkessel, Solarthermie und vor allem die Wärmepumpe. Deshalb gehören große Heizflächen wie eine Fußbodenheizung, ein sauber eingestellter hydraulischer Abgleich und eine witterungsgeführte Regelung heute zusammen. Welche energetischen Mindestanforderungen beim Heizungstausch oder Neubau gelten, regelt das Gebäudeenergiegesetz; die staatliche Förderung dieser Maßnahmen fasst der zentrale Fördermittel-Ratgeber zusammen.
So arbeitet ein Heizungssystem – von der Erzeugung bis zur Abgabe
1. Wärme erzeugen
Ein Kessel (Gas, Öl, Holz oder Pellets) oder zunehmend eine Wärmepumpe bzw. Solarthermie wandelt Energie in Wärme um. Moderne Brennwertkessel nutzen zusätzlich die Wärme im Abgas.
2. Wärme verteilen
Meist transportiert Wasser die Wärme über Pumpe und Rohrleitungen in die Räume – pro Kilogramm speichert es rund viermal so viel Wärme wie Luft. Ventile und eine witterungsgeführte Regelung steuern Menge und Temperatur.
3. Wärme abgeben
Heizkörper oder Flächenheizungen übertragen die Wärme an den Raum. Je größer die Heizfläche, desto niedriger die nötige Vorlauftemperatur – und desto höher der Wirkungsgrad der gesamten Anlage.
In den folgenden Ratgebern haben wir Informationen zu gängigen Heiztechniken zusammengestellt. Was verbirgt sich hinter Begriffen wie Kraft-Wärme-Koppelung oder Brennwerttechnik?… weiterlesen
