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Experten-Ratgeber zur Technik und Hydraulik im Heizungskreislauf

Wie funktioniert die Zirkulation im Heizungskreislauf? Welche Bauteile gehören dazu und wie hängen sie funktional zusammen? Was ist ein Wärmeträgermedium? Wie funktionieren der Vor- und Rücklauf? Wozu braucht man eine Umwälzpumpe?

Eine moderne Heizung ist eine komplexe Anlage aus mehreren einzelnen Komponenten. Die Anlage erzeugt Wärme, verteilt sie und gibt sie an gewünschter Stelle ab. In heutigen Heizungsanlagen verlaufen häufig unzählige Rohrmeter zwischen dem Heizkessel und den Heizkörpern, die jeden Raum des Gebäudes mit Wärme versorgen. Wir erklären in diesem Artikel wie ein solcher Heizungskreislauf funktioniert und aus welchen maßgeblichen Komponenten er besteht.

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Die Aufgabe einer Heizungsanlage beziehungsweise eines Heizungssystems lässt sich in drei Teilaufgaben unterteilen

  • die Wärmeerzeugung
  • die Wärmeverteilung
  • die Wärmeabgabe

Verbindendes Element zwischen diesen Aufgaben ist das Wärmeträgermedium, das sich zwischen den Bauteilen der Heizungsanlage im Kreis bewegt (zirkuliert) – und so den Heizungskreislauf einer wasserführenden Zentralheizung darstellt.

Schematische Darstellung des Heizungskreislaufes mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern als auch Wärmeverbrauchern. (Foto: © arsdigital #83056882 - Fotolia.com)
Schematische Darstellung des Heizungskreislaufes mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern als auch Wärmeverbrauchern. (Foto: © arsdigital #83056882 - Fotolia.com)

Wärmeerzeugung und -übergabe an den Warmwasserkreislauf

Wärme erzeugt man zum einen auf traditionelle Weise, indem man Brennstoffe verfeuert. Das geschieht in Heizkesseln. Die stehen im Keller oder (bei Fernheizungen) in der Heizungszentrale des Wärmelieferanten. Als Brennstoffe nutzt man 

  • fossile Brennstoffe wie Öl, Gas und Kohle (Braun- und Steinkohle)
  • nachwachsende Brennstoffe wie Holz, in Form von Holzscheiten, Holzschnitzeln oder Holzpellets sowie Biomasse
  • Müll (kommt in Müllverbrennungsanlagen zur Erzeugung von Fernwärme zum Einsatz – thermische Müllverwertung)
  • Neben Brennstoffen kommen häufig auch Solarwärme, Erdwärme, Wärme aus der Umgebungsluft oder auch Abwärme zum Einsatz. Um diese Wärme für den Heizungskreislauf nutzbar zu machen, werden Solarkollektoren und Wärmepumpen eingesetzt.

In bi- und multivalenten Heizungsanlagen werden häufig auch verschiedene vorgenannte Heizungstechniken miteinander kombiniert. Eine die Hauptheizung unterstützende Funktion nimmt z. B. häufig eine Solarthermie-Anlage oder auch ein wasserführender Kamin ein. Diese zusätzliche Wärme wird dann zunächst in einem Speicher mit der Wärme der Hauptheizung gesammelt.

Dann wird die erzeugte Wärme an ein Wärmeträgermedium wie Wasser oder auch Luft abgegeben wird. Hierzu kommt ein sogenannter Wärmetauscher zum Einsatz, der die Wärme an den Brauchwarmwasser- und Heizungskreislauf überträgt.

Komponenten bei der Wärmeverteilung im Heizungskreislauf

Bei der Wärmeverteilung werden die aufgeheizten Wärmeträgermedien benutzt, um die Wärme vom Heizkessel, von der Solaranlage oder Wärmepumpe zu den Heizkörpern im Haus zu transportieren.

Wärmeträgermedien

Die Weiterleitung des Wärmeträgermediums geschieht über ein Rohrleitungssystem. Am häufigsten nutzt man zum Wärmetransport innerhalb dieser Rohre Wasser. Wesentlich seltener wird warme Luft über Luftkanäle im Haus in die einzelnen Räume geführt.

Denn Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität – etwa vier Mal so hoch wie die von Luft - und ist vergleichsweise günstig zu haben. Aus der vierfachen Wärmekapazität gegenüber Luft ergibt sich der Vorteil eines Heizungskreislaufs mit Wasser, dass für das gleiche Ergebnis nur ein Viertel an Wärmeträgermedium umgewälzt werden muss.

Heizungsrohre

Grundsätzlich gilt, dass der Weg zwischen dem Wärmeerzeuger und dem Wärmelieferanten, also zwischen Heizkessel und Heizkörper, möglichst kurz sein sollte. Des Weiteren kommt es auf das geeignete Material der Rohre im Heizungskreislauf an: Während man die traditionell verwendeten Stahl- und Kupferrohre früher üblicherweise zusammenschweißte oder lötete, montiert man sie heute mit Hilfe von Druck (Pressen). Daneben sind seit gut zwanzig Jahren Rohre aus Kunststoff im Einsatz, die verschraubt, chemisch verschweißt oder verklebt werden. Solche Kunststoffrohre werden oft für Flächenheizungssysteme wie eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung verwendet, wo sie nicht nur Wärmeverteiler sind, sondern auch Wärmespender.

Den Heizungsrohren kommt zudem eine besondere energetisch Rolle innerhalb des Heizungskreislaufes zu: Denn nur dann, wenn auch die Rohrleitungen auf dem neusten Stand der Technik sind, wird eine Heizungsanlage effizient heizen. Andernfalls geht viel Wärme unkontrollierbar auf dem Weg vom Heizkessel zu den Heizkörpern verloren – sie kommt dann nicht mehr dem gezielten Heizen zugute. Gegen unerwünschten Wärmeverlust dämmt (isoliert) man die Rohre entsprechend. Dies ist umso wichtiger, je länger die Heizungsrohre sind, da hier mehr Energie pro Wegstrecke verloren gehen kann.

Umwälzpumpen

Das Umwälzen übernimmt im Heizungskreislauf die Umwälzpumpe beziehungsweise Zirkulationspumpe. Mit ihrer Hilfe wird das heiße Heizwasser vom Heizkessel in die Rohre geschickt und bis zu den Heizkörpern geführt. Solche Pumpen sind in unterschiedlichen Ausführungen einsetzbar, immer häufiger werden sogenannte Hocheffizienzpumpen verwendet, die flexible Leistungen liefern und so helfen, Betriebskosten zu sparen – schließlich werden die Pumpen mit Strom betrieben, der sich als Posten auf der Betriebskostenabrechnung niederschlägt.

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Technisches Prinzip der Brauchwasser-Zirkulation

Um warmes Wasser aus dem Hahn zu erhalten, wird die Wärme des Heizkessels bzw. des Pufferspeichers genutzt, um das Brauchwasser zu erhitzen und über spezielle Brauchwasserleitungen zum Verbrauchsort zu befördern. Aus technischer Sicht ist dieser Brauchwasser-Kreislauf nahezu identisch mit dem Heizungskreislauf.

Eine Besonderheit im Brauchwasser-Kreislauf ist die Zirkulationsleitung, mit der in zentralen Wassersystemen permanent warmes Brauchwasser umgewälzt wird, sodass dieses, ohne warten zu müssen, jederzeit zur Verfügung steht. In älteren Zirkulationsleitungen kreist das warme Wasser nach dem Schwerkraftprinzip ohne elektrische Pumpe. Das funktioniert nur, weil das Warmwasser im Kreislauf ständig deutlich abkühlt. Bei neueren Systemen werden zwar gut gedämmte Leitungen eingesetzt, dafür müssen dann aber elektrische Pumpen den Kreislauf antreiben.

Weil der Aufwand für die sogenannte Zirkulation nicht gesondert erfasst wird, unterschätzen ihn viele Verbraucher. Bei der Brauchwasser-Zirkulation nach dem Schwerkraftprinzip werden im Einfamilienhaus dafür schnell zwei- bis dreihundert Euro im Jahr fällig. Ein permanenter Brauchwasserkreislauf per Umwälzpumpe schlägt mit rund 30 Euro Stromverbrauch jährlich zu Buche, spart aber einen höheren Gegenwert an Wärme ein.

Wärmeabgabe im Heizungskreislauf

Die Wärme wird dann am Bedarfsort über Heizkörper abgegeben Darunter versteht man sowohl die klassischen Rippen- oder Flachheizkörper als auch Fußboden- und Wandheizungen. Allen gemein ist, dass sie die Wärmeenergie des Heizwassers an die Umgebung abgeben.

Während die klassischen Heizkörper aufgrund ihrer Größe eine höhere Vorlauftemperatur benötigen, um einen Raum zu erwärmen, kommen Flächenheizungssysteme aufgrund ihrer größeren Abgabefläche, mit einer deutlich niedrigeren Vorlauftemperatur aus, um denselben Heizeffekt zu erzielen. Dies spart natürlich Heizenergie. Die Wärmeabgabe selbst kann dann noch durch eine Zuflussregulierung feiner abgestimmt und geregelt werden. Hierzu kommen Thermostatventile an Heizkörpern oder spezielle Regelungen an Fußboden- und Wandheizungen zum Einsatz.

Bautechnisch betrachtet stellt jedes dieser Ventile eine Öffnung in den Rohrleitungen des geschlossenen Heizungskreislaufs dar. Gesteuert über die vom Wärmeverbraucher gewünschte Temperatur, die er händisch per Drehung des Ventils einstellt oder händisch beziehungsweise via App programmiert, ist die Ventilöffnung mal größer, mal kleiner. In klassischen Raumthermostatventilen ist im Ventilkopf ein temperatursensibles Medium, dass sich erwärmt und ausdehnt, wobei eine Kraftübertragung auf einen kleinen Stift stattfindet, der wiederum den Querschnitt der Rohrleitung beeinflusst. Je kleiner der Querschnitt ist, desto weniger heißes Wasser gelangt in den damit regulierbaren Heizkörper – und desto weniger Wärme gibt er ab.

Hydraulische Sicherheitskomponenten im Überblick

Druckmesser und Überdruckventile sorgen neben einem Ausgleichsbehälter für die Kontrolle der richtigen Druckverhältnisse im Heizkreislauf. (Foto: energie-experten.org)
Druckmesser und Überdruckventile sorgen neben einem Ausgleichsbehälter für die Kontrolle der richtigen Druckverhältnisse im Heizkreislauf. (Foto: energie-experten.org)

Die „Anreise“ des heißen Wasser beziehungsweise die Strecke zwischen Wärmeerzeuger und Wärmespender nennt man Vorlauf, die zugehörige Temperatur entsprechend Vorlauftemperatur. Beim Abgeben der Wärme über den Heizkörper kühlt sich das Heizwasser ab. Anschließend wird es zurück zum Heizkessel geführt, wo sich der Heizungskreislauf schließt. Die „Rückreise“ des Heizwassers beziehungsweise der Rückweg wird analog zu Anreise / Hinweg Rücklauf genannt, die nun niedere Temperatur entsprechend Rücklauftemperatur.

Da Wasser ein nahezu inkompressibles Medium ist, führt jeder Temperaturwechsel zu Druckveränderungen im Heizungskreislauf. So vergrößert sich z. B. das Volumen des Heizungswassers beim Aufheizen von 10 auf 90 °C um nahezu 4 %. Um eine störungsfreie und sichere Zirkulation zu gewährleisten, müssen sicherheitstechnische Einrichtungen installiert werden, die diese Wasserzunahme kompensieren bzw. abführen. Aus diesem Grund sind zur Aufrechterhaltung des Heizungskreislaufs Ausdehnungsgefäße vorgeschrieben, die eine Volumenausdehnung des Wassers bei definierten Druckverhältnissen ermöglichen. Zudem verhindern Sicherheitsventile einen Druckanstieg über den zulässigen Anlagendruck hinaus.

In diesem geschlossenen Heizwasserkreislauf kommt es dennoch zu systembedingten Wasserverlusten. Diese Verluste werden z. B. durch Wasserdampfdiffusion, kleinere Leckagen, Entlüftungsvorgänge oder durch Reparaturen und Umbaumaßnahmen an der Heizungsanlage verursacht. Diese Wasserverluste können zum einen durch die Wasservorlage im Ausdehnungsgefäß ausgeglichen werden. Reicht diese Notreserve nicht aus, kommt es zu Luftproblemen, gluckernden bzw. rauschenden Heizkörpern, kavitierenden Pumpen und zu Wirkungsgradeinbußen und korrodierenden Bauteilen. Um den Heizungskreislauf störungsfrei aufrechtzuerhalten ist immer eine manuelle oder vollautomatische Heizungswassernachspeisung nötig.

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"Technik und Hydraulik im Heizungskreislauf" wurde am 31.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.