In dem folgenden Berechnungsbeispiel sind die wichtigsten Schritte auf dem Weg zu einer genau dimensionierten und hydraulisch abgeglichenen Heizungsanlage skizziert. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt welche Daten und Einstellwerte zur Auslegung der einzelnen Komponenten erforderlich sind und wo diese Daten beschafft werden können.
Rohrnetzberechnung
In der Heizungsanlage haben das Rohrnetz und die unterscheidlichen hydraulischen Komponenten die Aufgabe, die Heizwasserströme an die verschiedenen Wärmeabnehmer zu verteilen. Bei der Berechnung dürfen keine zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten gewählt werden, damit im Betrieb keine Strömungsgeräusche entstehen und sich die Druckverluste in Grenzen halten, um den Energiebedarf der Heizungspumpen auf geringem Niveau zu halten.
Als Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten gelten 0,3 m/s bis 1,0 m/s in den Hauptverteilleitungen und 0,5 m/s bis 0,8 m/s in den Heizkörperanschlussleitungen. Mittlere Druckgefälle betragen 50 Pa/m bis 100 Pa/m, bei großen Anlagen bis hin zu 200 Pa/m (Druckgefälle pro Meter Rohr). Zur Bererchnung wird das geplante Rohrnetz gedanklich in Teilstrecken geteilt. Für alle Teilstrecken werden aus dem Heizwasserstromstrom, der gewählten Rohrdimension und den sonstigen Widerständen die Druckverluste ermittelt. Es ergibt sich ein hydraulisch ungünstigster Teilstrang, in dem der berechnete Druckverlust aller angeschlossenen Teilstrecken am größten ist. Aus diesem Druckverlust ergibt die erforderliche Förderhöhe der Pumpe.
Der ermittelte Pumpendruck wird über die Pumpe in allen Teilsträngen aufgebaut. In den Teilsträngen mit einem geringen Druckverlust führt dies zu größeren Massenströmen. Um annähernd die gewollten gleichen Massenströme in den Teilsträngen zu erreichen, muss der hohe Druck abgebaut werden. Dazu ist es erforderlich, die auftretenden „Druck-Gewinne“ zu berechnen. Die Druckverlustberechnung wird für jeden Teilstrang durchgeführt. Danach muss überlegt werden, an welchen Stellen, mit welchen Mitteln zu hohe "Druck-Gewinne" verringert werden können, d.h. wie der hydraulische Abgleich erfolgen kann.
Beispiel einer Rohrnetzberechnung
Ausgehend von der obenstehenden Abbildung wird die Rohrnetzberechnung für eine Heizungsanlage mit Zweirohrsystem betrachtet. Dazu müssen folgende Informationen vorliegen:
- Nach DIN EN 12831 berechnete Heizlast mit daraus resultierender Leistung je Heizkörper/Heizfläche ohne Auslegungszuschlag (Gesamtwärmebedarf im Beispiel 65 kW, der betrachtete Heizkreis 16 kW, Heizkörper HK 10 = 1.500 W)
- Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur (im Beispiel Δt = 20 K)
- Ein Strangschema der erforderlichen Verrohrung mit entsprechenden Längenangaben (verkürzt für einen Heizkreis in der Abbildung dargestellt)
- Art und Leistung der Wärmeübertragung (im Beispiel Radiatoren mit Thermostatventil und einstellbarer Rücklaufverschraubung)
Allgemeine Vorgehensweise bei der Berechnung:
1. Festlegung des ungünstigsten Teilstrangs
Dies ist in der Regel der am weitesten entfernte Heizkörper. Der ungünstigste Teilstrang hat den größten Druckverlust. Aus diesem Druckverlust ergibt sich der erforderliche Pumpendruck. Dieser Druck wird über die Pumpe in allen Teilsträngen aufgebaut.
Beispiel:
Heizkörper HK 10
2. Berechnung der Heizwasserströme in den einzelnen Heizkörpern (Normalwärmebedarf ohne 15 % Zuschlag)
Unter Verwendung der folgenden Formel lassen sich die Heizwasserströme in den Teilstrecken berechnen.
m = Q / c * Δt
Beispiel:
Heizkörper (HK10):
m= 1500 W / (1,163 Wh/kg K * 20 K)
= 64,488 kg/h
3. Eintragen der Teilstrecken mit Abschnittsnummer, Länge der Teilstrecke und der Wärme- und Heizwasserströme, die durch die einzelnen Teilstrecken fließen.
Beispiel: Gesamtrohrlänge 65 m
4. Wahl der vorläufigen Rohrabmessungen
Mit den in Schritt 2 ermittelten Werten wird aus dem Druckverlustdiagramm, unter Beachtung des maximalen Druckverlustes (im Beispiel Rmax = 100 Pa/m) der Rohrquerschnitt für die letzte Teilstrecke der Rohrleitung bis
zum Heizkörper bestimmt. In dem Beispiel ergibt sich aus dem Druckverlustdiagramm für die Teilstrecke der Rohrleitung bis zum Heizkörper HK 10 die Rohrdimension CU 12 x 1
5. Ermittlung der Druckverluste im Heizstrang
Zur Berechnung der Heizwasserströme jeder Teilstrecke werden folgende Annahmen getroffen:
- deltap = konstant
- Rohrreibungswiderstand R = max. 100 Pa/m
Für Formstücke (Bögen, T-Stücke etc.) wird ein Zuschlag von 45 % eingerechnet.
Aus dem R-Wert und der Länge der Rohrleitung ergibt sich aus der Formel R * l der Druckverlust im Rohrteilstück. Bei einer detaillierten Berechnung würde an dieser Stelle die Summe der ζ-Werte (Zeta) addiert. Da an dieser Stelle jedoch überschlägig gerechnet und ein pauschaler Zuschlag von 45 % für Formstücke angesetzt wurde, berechnet sich der Druckverlust in den Rohrleitungen mit
R * l * 1,45
Auf diese Weise werden auch die weiteren Teilstrecken im Heizungsstrang berechnet.Die ermittelten Heizwasserströme, Druckverluste und Rohrquerschnitte werden in das Strangschema eingetragen. Die noch fehlenden Druckverluste
von Armaturen, Heizkörpern, Verteiler usw. werden anschließend aus Diagrammen der Hersteller entnommen.
6. Die Mischerauswahl erfolgt mit Dimensionierungsprogrammen der Mischerhersteller.
7. Der höchste Druckverlust - der des ungünstigsten Stranges - ist gleichzeitig der Mindestpumpendruck.
Pumpenauswahl:
Der Pumpenförderstrom ergibt sich aus:
Vp=m /ρ
Die Pumpenförderhöhe ergibt sich entsprechend der Umrechnung 1 Pa = 1,02 * 10-4 mWS
Mit diesen beiden Werten erfolgt die Pumpenauswahl aus den Herstellerkatalogen.
8. Berücksichtigung der Druckverluste der anderen Teilstränge.
Den zweiten Teil gibt es nächste Woche auf www.sbz-monteur.de. Hier geht es zum zweiten Teil!
