Das Heizungssystem

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Heizungsanlagen – Funktionsweise, Heizkreislauf und Heizungssystem

Heizungsanlage
Heizungssystem © Gina Sanders, fotolia.com

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:

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

Heizkessel
Heizkessel © JH Fotografie, fotolia.com

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. Seit 2 Jahrzehnten gibt es verstärkt Wärmeerzeuger, die nicht unmittelbar Feuer bzw. den Brennstoff nutzen. Hierzu zählen die Wärmepumpe und der thermische Solarkollektor.

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. Dies gewährleistet, dass die Verbrennungsluft der Flamme sehr stark gekühlt wird. Niedrige Abgastemperaturen gewährleisten, dass die Wasseranteile im Abgas kondensieren. Den gewünschten Effekt nennt man Brennwerttechnik.

Andere Wärmeerzeuger wie Kachelöfen, offene Kamine oder Kaminöfen werden zur Zeit immer beliebter. Sie erwärmen direkt die unmittelbare Umgebung. Die Wärmeverteilung kann bei diesen Erzeugern in der Systembetrachtung vernachlässigt werden.

Solar Wärme Erzeugung
Wärmeerzeugung durch die Kraft der Sonne, © Fotosasch, fotolia.com

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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 Wärmekapazität ist dabei ungefähr um den Faktor 4 im Vergleich zur Luft höher. Das bedeutet, dass man gegenüber dem Medium Luft nur ein Viertel der Menge umwälzen muss. 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

Heizkörperthermostat
Ventile & Thermostat © Sasel77, fotolia.com

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

Heizungsanlage
Heizungssystem © Gina Sanders, fotolia.com

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. Diese Verbindungstechnik muss nicht so lange geübt 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. Anfängliche Nachteile wie die Diffussionsoffenheit sind heute nicht mehr schwerwiegend. Die Materialen ließen früher zu viel Sauerstoff durch die Wandung. 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.

Heizkörper
Heizkörper © Electriceye, fotolia.com

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 Energieeinsparverordnung mittlerweile 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. Sie übertragen die Wärme in der Regel zu ca. 75% über Konvektion und zu ca. 25% über Strahlung an den Raum oder die Person. Die optische Variationen sind riesig. Interessant zu wissen ist, dass Heizkörper mit gleichen Oberflächen dann leistungsfähiger sind, wenn sie hochkant statt längs montiert werden. Das hängt damit zusammen, dass die zu erwärmende Raumluft entlang des Heizkörpers „an Fahrt“ gewinnt und sich damit der Wärmeübergang zwischen Heizkörper und Luft verbessert.

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 Heizkörper 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. Allen Flächenheizungen gemein ist, dass sämtliche Fixierungsarbeiten in Abhängigkeit der Bohrtiefe wohl überlegt sein müssen. Die Zerstörung des Systems durch eine Fehlbohrung ist schmerzhaft und in der Wiederherstellung teuer. Trotzdem ist diese Art der Beheizung eine Grundvoraussetzung, um hervorragende Wirkungsgrade in der Anlagentechnik zu erzielen. Dies hat mit der gossen Übertragungsfläche zu tun, die bei gleicher Leistung eine wesentlich geringere Systemtemperatur erlauben.

Heizungssysteme für Wohngebäude werden durch den Heizungsfachmann installiert. Laien sollten sich lediglich durch das Design oder Preis-Leistungs-Verhältnis beeinflussen lassen, wobei die Betriebskosten im Laufe der Jahre das x-fache der Investition bedeuten. Insofern rechnet sich fast jegliche Investition in die Anlagentechnik mehr, als eine noch so gut gedämmte Wand. Wobei im Rahmen des Ziels des Erhalts einer lebenswerten Umwelt immer noch die Wärmebedarfsvermeidung der Optimierung einer Anlage vorzuziehen ist.

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.

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