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Schwerkraftheizung modernisieren oder umrüsten?

Was ist eine Schwerkraftheizung? Wie ist sie aufgebaut und nach welchem technischen Prinzip funktioniert sie? Wann ist der Einsatz einer Schwerkraftheizung sinnvoll, wann nicht? Was muss beim Betrieb einer Schwerkraftheizung beachtet werden und was kostet

Wenn innerhalb einer Heizungsanlage das Heizwasser allein wegen der unterschiedlichen Dichte des unterschiedlich temperierten Wassers in den sogenannten Steigesträngen zirkuliert und man demzufolge keine Umwälzpumpe benötigt, dann spricht man von einer Schwerkraftheizung. Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, wie eine typische Schwerkraftheizung aufgebaut ist, aus welchen Komponenten sie besteht und wie sie funktioniert. Sie erfahren zudem die Vor- und Nachteile einer auf Schwerkraft basierenden Heizung, die gängigsten Anwendungen und auch, warum diese Heizungsart heutzutage nicht mehr eingebaut, sondern umgerüstet wird.

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Aufbau und Funktionsprinzip einer Schwerkraftheizung

Wie eingangs geschrieben zirkuliert das Heizwasser in einer Schwerkraftheizung allein wegen der unterschiedlichen Dichte, die das unterschiedlich temperierte Heizwasser besitzt. Die Schwerkraftheizung benötigt keine Umwälzpumpe, die das Heizwasser umwälzt. Zur Anlage gehören Rohre (Steigrohre) und Heizkörper. An oberster Stelle des Heizkreislaufs wird ein Ausdehnungsbehälter betrieben.

Das Zirkulieren des Heizwassers funktioniert deshalb, weil das erwärmte Wasser im sogenannten Vorlaufstrang die (höhere) Vorlauftemperatur innehat und demzufolge eine leichtere Dichte besitzt und aufsteigt. Kühlt sich das Wasser ab, vergrößert sich seine Dichte, so dass es schwerer wird und nach unten sinkt – und das geschieht auf der kalten Rücklaufseite der Schwerkraftheizung. Infolgedessen entsteht eine Zirkulation, die Voraussetzung für den Heizkreislauf ist. Man nennt sie auch Schwerkraftzirkulation.

Typisch für eine Schwerkraftheizung ist, dass die Heizkörper möglichst hoch montiert sind. Dabei gilt, dass der Druckunterschied, der den Heizkreislauf antreibt, Pi mal Daumen sowohl proportional zur Höhe des Heiznetzes (Gebäudehöhe) als auch zur Dichtedifferenz ist, die zwischen dem Wasser im Vor- und dem im Rücklauf herrscht. Aber: Da es sich hier um einen - infolge des für die Schwerkraftheizung typischen Temperaturunterschieds von 20 Kelvin (K) – nur geringen Dichteunterschied handelt, ist die Heizung eine, die sehr träge reagiert. Das hat wiederum Auswirkungen auf die Vorheizzeit und die Nachheizzeit.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Schwerkraftheizung (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Schwerkraftheizung (Grafik: energie-experten.org)

Experten-Tipp: Schwerkraftanlagen werden typischwerweise "offen" ausgeführt, wohingegen moderne Heizungsanlagen fast ausschließlich als geschlossene Anlagen mit Membranausdehnungsgefäß konzipiert werden. Prinzipiell kann man auch eine Schwerkraftanlage als geschlossenes System ausführen, da die Umtriebsdruckdifferenz unabhängig vom statischen Druck gleich bleibt.

Funktionsprinzip in Beispielrechnung veranschaulicht

Das Funktionsprinzip einer Schwerkraftheizung lässt sich an folgendem Rechenbeispiel anschaulich erklären. Die unterschiedlichen statischen Druckverhältnisse auf Höhe des Heizkessels berechnet man mit: ∆p = h mal g mal (ρR minus ρV) 

  • wobei ∆p der Differenzdruck,
  • g die Erdbeschleunigung (g = 9,81 Meter (m) pro Quadratsekunde)
  • ρR die von der Temperatur abhängige Dichte des Heizwassers im Rücklauf
  • und ρV die von der Temperatur abhängige Dichte des Heizwassers im Vorlauf ist.

Angenommen, eine Schwerkraftheizung arbeitet mit einer Vorlauftemperatur von 90 Grad Celsius und hat eine Rücklauftemperatur von 70 Grad Celsius. Dann heißt das für die entsprechenden Dichten des unterschiedlich heißen Wassers:

ρV = 965 Kilogramm / Kubikmeter und

ρR = 978 Kilogramm / Kubikmeter

Setzt man in die Ausgangsgleichung als Höhe h = 5 m ein, ergibt sich:

∆p = 5 m mal 9,81 m / s2 mal (978 minus 965) kg / m3

also:

∆p = 637 Pa = 6,37 mbar

Das Ergebnis muss so interpretiert werden: Eine Schwerkraftheizung mit einer Anlagenhöhe von 5 Metern (gerechnet von der Mitte des Heizkessels bis zur Mitte des am höchsten installierten Heizkörpers) hat einen Druck von 6,37 mbar zur Verfügung.

Pro Meter der Anlagenhöhe wirkt demnach als treibende Druckdifferenz ein Druck von:

∆p = 6,37 mbar / 5 m = 1,275 mbar / m

Noch ein Wort zum Strömungswiderstand im Heizkreislauf: Damit der Heizkreislauf in der Schwerkraftheizungsanlage auch stets rund läuft, darf der Strömungswiderstand nicht größer als die treibende Druckdifferenz – im Beispiel 1,275 mbar / m – sein. Das ist der Grund, warum Schwerkraftheizungen als Komponenten Rohre mit großem Rohrdurchmesser und recht dickbauchige Rippenheizkörper haben.

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Vor- und Nachteile einer Schwerkraftheizung

Der wohl größte Vorteil einer Schwerkraftheizung resultiert aus ihrem Funktionsprinzip, das ohne Umwälzpumpe auskommt. Den Strom, den herkömmliche Pumpheizungen zum Betrieb der Pumpen benötigen, verbraucht man mit einer Schwerkraftheizung nicht. Sie funktioniert demnach auch dann, wenn es einmal zu einem Stromausfall kommt. Das heißt auch, dass eine einmal installierte Schwerkraftheizung keine laufenden Folgekosten verursacht und somit die laufenden Betriebskosten nicht erhöht. Von Vorteil ist auch, dass eine Schwerkraftheizung beim Heizen geräuscharm bis nahezu geräuschlos arbeitet.

Den beiden wesentlichen hier geschilderten Vorteilen steht eine ganze Reihe von Nachteilen gegenüber. Dazu gehören:

  • Die Schwerkraftheizung braucht eine vergleichsweise große Menge an Wasser (Wasservolumen), weil die geringe Strömungsgeschwindigkeit große Nennweiten erfordert. Daraus und aus ihrer Bauweise (Rohre mit großem Durchmesser und dickbauchige Rippenheizkörper) resultiert ein sehr hoher Materialverbrauch für die Schwerkraftheizung, der den Wert des Stroms, den die prinzipbedingt nicht benötigte Umwälzpumpe „einspart“, bei Weitem übertrifft.
  • Ist das Wasser im Heizungskreislauf der Schwerkraftheizung nicht sehr warm, zirkuliert es nicht mehr (temperaturbedingter Stillstand der Zirkulation).
  • Wegen des niedrigen Förder-Differenzdrucks muss das gesamte Heizungssystem so ausgelegt sein, dass es nur einen geringen Strömungswiderstand bietet.
  • Besonders nachteilig ist wohl die Tatsache, dass eine Schwerkraftheizung nicht in der Lage ist, Heizwasser in einer bestimmten, zuvor definierten Temperatur zu liefern, weil es aufgrund der Bauweise keine nachgeschaltete Möglichkeit gibt, die Temperatur im Heizkreislauf mit Hilfe eines Mischventils zu regeln.
  • Prinzipbedingt ist auch, dass der Heizkessel innerhalb eines Schwerkraftheizsystems an der tiefsten Stelle platziert werden muss. Heizungszentralen unter dem Dach (sogenannte Dachzentralen) oder auch Etagenheizungen sind demzufolge nicht möglich.
  • Aufgrund der höheren Temperaturen sind Schwerkraftheizungen bei Niedertemperatursystemen wie einer Fußbodenheizung ausgeschlossen.

Experten-Tipp: Teilweise wird suggeriert, dass eine Schwerkraftheizung verboten wäre. Dies ist jedoch so nicht der Fall. Denn das Verbot der Inbetriebnahme richtet sich nach den Auflagen der BImSchV. Daher ist eine klassische Befeuerung mit Holz und insbesondere Kohle ohne Einhaltung der BImSchV verboten.

Typische Anwendungen von Schwerkraftheizungen

Im Westen Deutschlands wurden Schwerkraftheizungen bis Ende der 1960er-Jahre installiert. Im ostdeutschen Teil des Landes hat man sie sogar noch bis zur Mitte der 1980er-Jahre verbaut. Auch noch heute gibt es viele alteingesessene Heizungsbauer vornehmlich in Ostdeutschland, die auf die robuste Technik der Schwerkraftheizung setzen und eine Vielzahl von Tricks kennen, wie man diese modernisiert und aufrüstet, um weiter betrieben werden zu können.

Heutigen Ansprüchen an Heizkomfort und Energieeffizienz wird die Schwerkraftheizung allerdings nicht mehr gerecht. Man tauscht sie deshalb aus beziehungsweise rüstet das Heizsystem um, zumeist in eine Pumpenwarmwasserheizungsanlage. Dazu installiert man eine Umwälzpumpe mit Schwerkraftbremse (Sonderform des Tellerrückschlagventils) und ein Sicherheitsventil. Außerdem wird der an oberster Stelle der Anlage befindliche Ausdehnungsbehälter außer Betrieb genommen und mit einem Membranausdehnungsgefäß ersetzt.

Reparaturfälle und Umbauten an der Schwerkraftheizung

Für Schwerkraftheizungen wird heute ein hydraulischer Abgleich gefordert. Das bedeutet, dass auch Schwerkraftheizungsanlagen voreinstellbare Thermostatventile benötigen und entsprechend aufgelegt werden müssen. Viele Hersteller kommen der Forderung nach und bieten spezielle, druckverlustarme Ventilkörper an, um so dem üblicherweise hohen Druckverlust entgegenzuwirken, der über ein herkömmliches Thermostatventil stattfände und sich negativ auf den Betrieb der Schwerkraftheizung auswirken würde.

Es ist laut einschlägigen Foren wohl gang und gäbe, sich bei kleineren, zeitlich überschaubaren Reparaturen an der Schwerkraftheizungsanlage eines Tricks zu bedienen: Man friert die Rohre ein, um sich das Entleeren der kompletten Anlage zu ersparen. Aber: Die Schwerkraftheizung überträgt ihre Wärme Großteils durch Konvektion (Wärmeströmung). Das heißt, die Restwärme behindert das Zufrieren der Rohre sehr. Die Geräte zum Einfrieren müssen deshalb über Stunden arbeiten und können nur dort erfolgreich werden, wo das Heizwasser stillsteht, also nicht zirkuliert.

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"Schwerkraftheizung modernisieren oder umrüsten?" wurde am 10.06.2016 das letzte Mal aktualisiert.