Heizungs-Netz

Die gesamte Verrohrung und die Funktionalität der gesamten Heizungsanlage wird meistens mit "Heizungs-Netz" bezeichnet. Das soll andeuten dass es sich um ein mehr oder weniger verzweigtes Rohrsystem handelt, das verschieden Komponenten der Heizung verbindet. Im Prinzip ist es die Verbindung zwischen den Wärmequellen und den Verbrauchern. Innerhalb des Heizungsnetzes befinden sich die Steuerungenen und Regelungen die mit Hilfe der vorhandenen Wärme die Verbraucher mit der für diese notwendigen Wärme versorgen.
Die Verbraucher sind in der Regel die "Heizkreise", also die Bauteile, die Wärme in Form von Strahlung oder Konvektion in den Raum abgeben (Heizkörper, Fußbodenheizung, Flächenheizung usw.) Als weiterer Verbraucher ist natürlich auch die Trinkwassererwärmung zu sehen. Hier wird das vom öffentlichen Wassernetz bezogene Wasser (Trinkwasser) erwärmt, um den Nutzern auch warmes Wasser zur Verfügung zu stellen (für Bad, Dusche, Warmwasser bei Waschbecken, oder wo sonst noch Warmwasser benötigt wird).

Betrachten wir zunächt die einfache Heizung:Heizkreis
Das durch eine Wärmequelle zur Verfügung stehende warme Heizmedium (Wasser in einem geschlossenen System) wird zu den Verbrauchern (Heizkreis)gepumpt und fliest dan abgekühlt wirder zurück zur Wärmequelle. Hierbei ist es zunächst gleichgültig um welche Art von Wärmequelle es sich handelt. Es ist lediglich sicherzustellen, dass die Wärmequelle mindesten so viel Energie zur Verfügung stellt, wie bebraucht wird und dass die Temperatur mindstens so hoch ist wie dies der Heizkreis erfordert. Da die Verhältnisse nicht immer identisch sind, müssen wir die Möglichkeit schaffen hier einzugreifen (Regelung). Dies erreichen wir z.B. damit, dass wir einen Teil des Wassers, das vom Verbraucher zurückkommt, wieder dem Zulauf zum Heizkreis beimischen. Die Pumpe sorgt hierbei dafür, dass der Durchfluss des Wassers zum Heizkreis (Verbraucher) kontinuierlich gewährleistet ist. Wir benötigen für diese Beimischung aber ein Ventil. Hier ein Ventil mit 3 Anschlüßen (3-Wege-Ventil). Die Bauform des Ventiles ist so ausgeführt, dass hier die Abgangsseite (weisses Dreieck) immer die Gesamtmenge (100%) hat und das Wasser über die beiden anderen Anschlüße zum Ventil nach Bedarf zuströmt. Im voll geöffneten Zustand (100%) kommt alles Wasser von der Wärmequelle und im geschlossenen Zustand wird das Wasser aus dem "Rücklauf" des Heizkreises gänzlich wieder zum Heizkreis geleitet in diesem Fall wird keine Energie von der Wärmequelle zum Heizkreis geführt. Wenn jedoch Wärme zu den Verbrauchern gebracht werden soll, dann befindet sich das Ventil in einem Zustand zwischen ganz auf und ganz zu, also im Regel-Zustand. Hierbei ist es zunächst gleichgültig ob wir das Ventil von Hand nach Bedarf stellen, oder ob hier eine Automatik (Regelung) zum Eisatz kommt, die bei höherem Wärmebedarf am Verbraucher das Ventil weiter öffnet und bei nidrigerem Bedarf weiter schliest. Da ja der Wärmebedarf in Gebäuden von mehreren Umständen abhängt, ist eine automatische Regelung praktisch umumgänlich um konstante Raumverhältnisse zu erhalten. Die Leitung die das Heizungswasser zum Verbraucher führt wird daher auch als "Vorlauf" bezeichnet und diejenige, die das Heizungswasser wieder den zum Heizungsnetz zurückführt als "Rücklauf".

Trinkwasser-SpeicherBetrachten wir nun die Trinkwasser-Erwärmung:
Als Trinkwasser betrachten wir hier das Wasser, das wir für den täglichen Bedarf erhitzen und dann im Gebäude verbrauchen (auch als Brauchwasser bezeichnet). Da es sich hier um hygienisch sauberes Wasser handelt (trinkbares Wasser) darf es auf keinen Fall mit dem Wasser aus dem Heizungsnetz in Berührung kommen. Wir müssen hier die Wärme von einem Medium (Heizungswasser) zum anderen Medium (Trinkwasser) übertragen, ohne diese zu vermischen. Wir benötigen daher einen "Wärmetauscher". Wenn wir eine gewisse Menge an warmem Trinkwasser vorhalten wollen, um bei Bedarf genügend Warmwasser zu haben, so benötigen wir auch einen Vorratsbehälter (Trinkwasser-Spreicher). Wenn wir nun das warme Heizungs-Wasser von der Wärmequelle mit Hilfe einer Rohrschlange durch den Trikwasserbehälter leiten, wird das warme Wasser aus der Heizquelle, das Wasser im Trinkwasserbehälter kontinuierlich erhitzen, solange der Durchfluss es warmen Heizungs-Wassers gewährleistet ist. Natürlich maximal bis zu einer Temperatur, die der des Heizungswassers entspricht. Man kann daher durch Ein- und Ausschalten der Pumpe (Lade-Pumpe) die Temperatur des warmen Trinkwassers nach Bedarf regeln. Äquivalent dem Heizungsnetz wird auch hier die zuführene Heizwasserleitung als "Vorlauf" und die rückführende als "Rücklauf" bezeichnet.

 

Heizkreis mit 4-Wege-MischerHeizungs-Netz, bei 4-Wege Mischer:
Hier eine eher historische Einsatz-Art eines 4-Wege Mischers. Diese Bauform wurde dort eingesetzt, wo bewusst und gezielt die Rückström-Temperatur zur Heizquelle etwas angehoben wurde, um die Bildung von Kondenswasser im Brennraum des Wärmeerzeugers zu vermeiden. Heute findet diese Mischungs-Art keine Anwendung mehr, da moderne Wärmequellen auf eben diese geringere Temperatur in der Rückströmung ausgelegt sind. Ausserdem ist eine Vermischung von Temperaturen in Wärmespeichern schädlich und sollte vermieden werden.

 

Kombinierte Trinkwasser-Erwärmung

Hier soll veranschaulicht werden, wie unterschiedliche Wärmequellen zum Einsatz kommen, in diesem Fall bei der Trinkwasser-Erwärmung. Dieser erste Schritt stellt eine alternative dar, die Trinkwasser-Erwärmung sowohl mit einer traditionellen Wärmequelle (z.B. Öl-, Gas- oder Holz-Heizquelle) zusammen mit einer thermischen Solar-Anlage aufgebaut sein kann.
kombinierte TrinkwasseraufbereitungHier haben wir 2 Verbraucher und 2 Wärmequellen, in Funktion. Der 1. Verbraucher ist der Heizkreis (Gebäudebeheizung) und der 2. Verbraucher ist die Trinkwasser-Erwärmung. Die 1. Wärmequelle ist hier ein Öl- oder Gaskessel, die 2. Wärmequelle ist hier eine thermische Solaranlage. Wie wir hier erkennen können versorgt die thermiscjhe Solaranlage den Trinkwasserspeicher über einen Wärmetauscher in Form einer Rohrschlange im unteren Teil des Speichers mit Wärme, die bei Sonnenstrahlung im Kollektor entsteht. Da diese Wärmequelle nicht immer und nicht in gleicher Leistung zur Verfügung steht, erziehlen wir die größte Wirkung, wenn wir sie dort wirken lassen, wo der größte Temperaturunterschied existiert, nämlich möglichst weit unten im Trinkwasserspeicher. Im Solarkreislauf befindet sich Wasser mit Frostschutzmittel, daher muss die Pumpe auch dafür geeignet sein und es darf keine Berührung mit dem Trinkwasser erfolgen, was wir mit dem Wärmetauscher in Form einer Rohrschlange innerhalb des Trinkwasserspeichers bewirken.
Die andere Wärmequelle, in diesem Fall ein Öl- oder Gaskessel, versorgt zum einen das Heizungs-Netz und damit den Heizkreis, ebenfalls über eine Pumpe und über ein Mischventil wird hier dafür gesorgt, dass nur soviel Wärme in den Heizkreis gebracht wird, wie dort auch benötigt wird, genau wie im Beispiel "Heizungs-Netz". Parallel dazu versorgt aber der Öl- oder Gaskessel auch den Trinkwasserspeicher mit Wärme aus dem Heizungsnetz. Daher ist auch hier ein Wärmetauscher in Form einer Rohrschlange im oberen Teil des Speichers eingebaut. Da der Öl- oder Gaskessel aber gezielt dann angefordert werden kannn, wenn diese Wärme benötigt wird, genügt es wenn wir hier nur den Teil des Trinkwasserspeichrs bedienen, an dem der Austritt des Trinkwassers erfolgt, nämlich möglichst weit oben, in der Regel das obere Drittel des Speichers.
Wir haben hier eine oft vorkommende Kompromiss-Lösung einer Einfamilien-Haus Anlage. Diese Lösung eignet sich vor allen zur Nachrüstung, wenn vorher nur ein Kessel als Wärmequelle verfügbar war. Bei dieser Anlage kann man über die Sommermonate, wenn keine Raumheizung erforderlich ist, den Kessel meistens gänzlich ausser Betrieb nehmen, wenn die Solaranlage genügend Wärme für die Trinkwasser-Erwärmung zur Verfügung stellt. Dies kann man durch einen genügend großen Trinkwasserspeicher und eine ausreichend deimensionierte Solaranlage gut optimieren. In vielen Regionen in Deutschland wird durch lokale Vorschriften die Verwendung von "erneuerbarer-Energie", bei Umbauten oder bei Neubau verpflichtend gefordert. Diese Alternative kann daher ein erster Schritt in diese Richtung sein.

Wärme-Speicher

Wenn wir das Prinzip der kombinierten Trinkwasser-Erwärmung" auf das gesamte Heizungs-Netz erweitern, kommen wir zum allgemeinen Wärme-Speicher.
Schicht-SpeicherWie bei der solaren Trinkwasser-Erwärmung müssen wir hierbei die Wärme die witterungsbedingt unbeeinflussbar entsteht, speichern, um sie dann zu dem Zeitpunkt zur Verfügung zu haben, wenn wir diese benötigen. Das ist in der Regel natürlich genau gegensätzlich, denn wenn die meiste Wärme im Solarkreislauf verfügbar ist, ist auch der geringste Wärmebedarf im Gebäude erforderlich ist. Daher ist hier die "Wärme-Speicherung" der entscheidende Faktor für eine optimale Nutzung. Hier gilt die Devise; der Wärmespeicher kann im Prinzip nie zu groß sein. Natürlich hat auch hier alles seine physikalischen Grenzen und ein gesundes Kosten-Nutzen Verhältnis muss natürlich auch gewahrt bleiben. Wenn man bei einem 2-5 köpfigen Haushalt beim Brauchwasser von maximal 300-500 Litern ausgeht um auch einmal 1-3 Tage ohne Solarertrag über die Runden zu kommen, so sollte man bei einem Wärmespeicher für das Heizungswasser, bei einem Einfamilienhaus nicht unter 1000 l kalkulieren. Das ganze setzt auch voraus, dass das Gebäude eine vernünftige Wärmedämmung hat und das Heizsystem nicht unbedingt hochtemperiertes Heizwasser benötigt. Eine Niedertemperatur-Heizung, wie z.B. eine Fußboden-Heizung kommt auch mit Heizwasser-Medientemperaturen von 35°C aus. Ausserdem muss der Kollektor auch die erforderliche Größe haben, um genügend Wärme aufzunehmen. Die Dimension des Pufferspeichers ist meistens durch die Abmessungen begrentzt, die zur Verfügung stehen, um den Speicher überhaupt in den Aufstellungsort einzubringen (meistens den Heizungsraum). Auch darf das Gewicht dieses Speichers nicht unterschätzt werden, denn 1000 l Wasser sind alleine schon 1Tonne Gewicht, ohne den Behäter selbst.
Wie bei soleren Trinkwasserspeicher auch, wirkt der solare Ertrag auch hier am besten, wenn er möglichst weit unten im Pufferspeicher eingebracht wird, denn Aufgrund der Tasache, dass warmes Wasser nach oben steigt, kommt die solare Wärme dann letztendlich auch oben im Pufferspeicher an. Die zusätzlichen Wärmequellen, die man natürlich bei ausbleibender solarer Wärmedeckung noch benötigt, sollten dann nur die unbedingt notwendige Wärme erzeugen und müssen daher nur den wärmsten Teil abdecken. Daher wird diese Wärmequelle auch möglicht weit oben eingebracht. Diese Speicherform die eigentlich hauptsächlich den Solaren Wärmeertrag puffert, werden daher auch als "Pufferspeicher" bezeichnet.
Schicht-Speicher mit BrauchwasserKombi-Schicht-SpeicherWenn wir schon einen Pufferspeicher für das Heizwasser haben, müßen wir nicht zusätzlich einen weiteren Pufferspeicher für das Trinkwasser vorhalten, sondern können das ganze zusammen handhaben. Das Trinkwasser kann man mit einer Rohrschlange, die als Wärmetauscher fungiert, durch das warme Heizungswasser führen und dadurch temperaturmäßig auf das Nieveau des Heizungswassers bringen. Auf diese Weise ist nicht noch ein zusätzlicher Trinkwasser-Pufferspeicher erforderlich und auch keine Umwälzpumpe, die die beiden Medien in Kontakt bringt. Die Rohrschlange für das Trinkwasser, muss nur so dimensioniert sein, damit das Wasser während dem Durchfluß auch das Heizungswasser-Niveau annehmen kann. Eine elegante Lösung für die Trinkwasseraufbereitung ist auch, wenn man einen Trinkwasser-Spreicher innerhalb des Heizungswasser-Pufferspeichers anbringt. Damit können sich das Heizungswasser und das Trinkwasser im Temperaturneveu kontinuierlich angleichen und es steht soviel warmes Trinkwasser zur Verfügung, wie der interne Trinkwasserspeicher fasst. Solche kombinierten Heizungs- und Trinkwasserspeicher werden auch "Kombispeicher" genannt. In beiden Fällen ist es gleichgültig, ob das Heizungswasser von einer Solaranlage, oder einer anderen aktivierbaren Wärmequelle erwärmt wird. Die Masse, die hier die Temperatur puffert ist die Summe der Wasser-Masse im Heizwasser-Speicher zusammen mit der Masse des Trinkwassers in inneren Behälter. 

Gesamt-Anlage

Wenn wir aus den einzelnen Teilen eine Gesamt-Anlage zusammenstellen, so erhalten wir eine im Prinzip moderne Heizungs-Anlage mit allen erforderlichen Komponenten für einen privaten Haushalt, bzw. Wohngebäude.
Heizungsanlage mit Schicht-Puffer-Speicher gesamtAls jederzeit aktivierbare Wärmequelle, die den warmen Teil des Speichers versorgt, kann hier im Prinzip jede Wärmequelle Verwendung finden. In dargestellten Fall ist das eine Wärmepumpe. Bei einem Niedertemperatur Öl- oder Gas-Kessel würde man den den kalten Anschluss des Kessels möglichst weit unten ansetzen in etwa dort wo sich der des Solar-Kreislaufs auch befindet, um die Kondensatbildung denes Niedertemperatur-Kessels zu unterstützen. Mann muss die Einbindung in den Speicher natürlich immer den physikalischen Eigenschaftwen der Wärmequelle anpassen. Die solare Wärmeeinbringung kann hier einen erheblichen Teil ausmachen, je nachdem wie groß der Pufferspeicher ist und wieviel der Kollektor in den Speicher einbringen kann. Wenn man jetzt die Wärmepumpe noch mit Strom aus einer Photovoltaik-Anlage versorgt, kann man eine sehr hohe Versorgung aus eigenen Quellen erreichen.

Trinkwasser-Netz

Das erwärmte Trinkwasser (Brauchwasser) soll an mehreren Stellen im Gebäude zur Verfügung stehen. Gelegentlich sind aber die Leitungslängen zu den entfernten Zapfstellen schon etwas länger und wenn nicht ständig warmes Trinkwasser benötigt wird, kühlt trotz Leitungs-Isolation das stehende Trinkwasser in den Leitungen mit der Zeit ab. Dadurch kommt beim öffnen der Warm-Wasser Zapfstelle dann zunächst das abgekühlte Wasser, bis tatsächlich warmes Wasser aus dm Trinkwasser-Speicher an der Zapfstelle eintrifft. Um diesen Effekt zu vermeiden wird oft eine "Trinkwasser-Zirkulation" in Wohngebäuden eingebaut. Zirkulation und VerbrühschutzDiese sorgt dafür, dass ständig warmes Wasser an der Zapfstelle verfügbar ist. von entfernten Zapfstellen wird eine Zirkulations-Leitung zum Trinkwasser-Speicher zurückgeführt, die immer eine geringe Warm-Wasser-Menge umwälzt und somit die Auskühlung in der Zuleitung zur Zapfstelle verhindert. Diese relativ kleine Zirkulations-Pumpe wird normalerweise über eine Zeitsteuerung aktiviert, damit ausserhalb der Nutzungszeiten nicht unnötig Wasser zirkuliert. Die Trinkwasser-Zirkulation ist eine reine Komfort-Verbesserung und natürlich nicht zwingend erforderlich, ausserdem erzeugt sie einen gewissen Energieverlust in den Zu- und Zirkulations-Leitungen.
Anders verhält es sich mit dem "Verbrühschutz" Dieser ist eine Sicherheits-Einrichtung und dann erforderlich, wenn das Trinkwasser zu einer Verbrühungs Gefahr werden kann. Hauptsächlich kommt dies bei solarer Trinkwasser-Erwärung und bei Kombispeichern vor, denn hier kann schon mal eine Trinkwasser-Temperatur von über 70°C entstehen. Der Verbrühschutz sitzt unmittelbar am Austritt aus dem Trinkwasser-Speicher. Hier wird über ein Mischventil Kaltwasser beigemischt, bis die kritische Temperatur in der Warmwasser-Leitung unterschritten ist. Das Mischventil im Verbrühschutz arbeitet normalerweise ohne Hilfenergie, rein thermisch.