Homematic IP automatisiert den hydraulischen Abgleich am Heizkörper

Homematic IP automatisiert den hydraulischen Abgleich am Heizkörper

Heizungsanlagen, bei denen die Wärme mit Wasser verteilt wird, stellen in Deutschland sowohl im Wohnungs- als auch im Nichtwohnungsbereich den Standard dar. Heizkörper oder – im Neubau inzwischen vorherrschende – Fußbodenheizungen werden durch Wasser aus dem Wärmeerzeuger, z.B. einer Gastherme oder einer Wärmepumpe durchflossen. Entsprechend stellen Heizungen „hydraulische Systeme“ dar, deren Funktion und Effizienz von Durchflussmengen, den Drücken im System, und den Wassertemperaturen abhängt.
 

Effizienter Betrieb von Heizungen

Heizungsanlagen, bei denen die Wärme mit Wasser verteilt wird, stellen in Deutschland sowohl im Wohnungs- als auch im Nichtwohnungsbereich den Standard dar. Heizkörper oder – im Neubau inzwischen vorherrschende – Fußbodenheizungen werden durch Wasser aus dem Wärmeerzeuger, z.B. einer Gastherme oder einer Wärmepumpe, durchflossen. Entsprechend stellen Heizungen „hydraulische Systeme“ dar, deren Funktion und Effizienz von Durchflussmengen, den Drücken im System, und den Wassertemperaturen abhängt.

Die Komplexität der hydraulischen Systeme variiert hier über einen riesigen Bereich. Bei der Nachrüstung von Heizungen im Altbau oder auch als Standard in Wohnungen in den Niederlanden versorgt eine Gastherme eine Wohnung über einen Rohrstrang, an den alle Heizkörper angeschlossen sind. Bei Einfamilienhäusern gibt es häufig bereits separate „Stränge“ pro Etage. In Mehrfamilienhäusern gibt es typischerweise eine Heizung für das Gebäude. „Klassisch“ wurden alle Heizkörper senkrecht übereinander pro Etage jeweils mit einem Strang aus dem Keller versorgt. Konsequenz daraus ist, dass für eine Verteilung der Kosten die Wärmemenge – relativ aufwendig – an jedem einzelnen Heizkörper gemessen und abgelesen werden muss. Inzwischen hat es sich immer mehr durchgesetzt, dass die Verteilung und Messung pro Wohnung innerhalb der Etage erfolgt. Noch komplexer werden große Gebäude oder Gebäudegruppen, die mit einer einzigen Anlage versorgt werden.

Nicht überraschend: Bei verteilten hydraulischen Systemen kann bei Heizungen beobachtet werden, dass dem Wärmeerzeuger nahe gelegene Heizflächen mit einem höheren Volumenströmen durchflossen werden. Aufgrund der Druckverluste im hydraulischen Verteilsystem werden andererseits entfernt liegende Heizkörper eher mit niedrigeren Volumenströmen durchflossen. Dies führt in der Regel zu ungleichmäßig mit Wärme versorgten Räumen.

Um Heizungsanlagen effizient und sparsam betreiben zu können, muss für jeden einzelnen Raum genau die Wärme abgegeben werden, die aktuell benötigt wird. Weder soll ein Raum über das Ziel hinausschießen, noch dürfen Räume nur verzögert warm werden.

Bei wasser-basierten Heizungen spricht man von einem „hydraulischen Abgleich“, durch den für jeden einzelnen Raum die Übereinstimmung der gelieferten mit der im Raum benötigten Energiemenge erreicht werden soll.

Untersuchungen vom Fraunhofer IEE haben bestätigt, dass mit den Homematic IP Heizkörperthermostaten eTRV-2, eTRV-C, eTRV-C-2 und eTRV-Evo ein dynamischer und adaptiver Abgleich an den einzelnen Heizkörpern durchgeführt wird.

Verpflichtung für den hydraulischen Abgleich

Bestehende und neu zu errichtende Heizungssysteme müssen hydraulisch abgeglichen sein, damit es nicht zu den oben beschriebenen negativen Effekten kommt. Der hydraulische Abgleich sichert so den Komfort für die Bewohner bzw. die Nutzer von Gebäuden. Es wird wertvolle Energie gespart, womit die Kosten und – heute mindestens ebenso wichtig – der Ausstoß von CO2 reduziert wird. Deshalb ist der hydraulische Abgleich im Rahmen von Förderprogrammen der KfW bzw. BAFA und nach der VOB-C verpflichtend durchzuführen, wenn Heizungen neu gebaut oder ersetzt werden.

Aus den Gebäudedaten ließe sich die benötigte Wärmemenge für jeden einzelnen Raum ermitteln, die natürlich auch von der Solltemperatur, der Außentemperatur, dem Wetter und weiteren Faktoren – wie dem Lüften – abhängt. Bei wasserbasierten Heizungen hängt die Wärmemenge, die in einem Raum abgegeben wird, von der Art und Dimensionierung der einzelnen Heizkörper, der momentanen Durchflussmenge an jedem Heizkörper, sowie der Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ab.

Insgesamt ist für einen sachgerechten hydraulischen Abgleich eine detaillierte Planung notwendig, die im Neubau zwar aufwendig, aber fachlich kaum schwierig sein sollte. Beim Tausch der Heizung stellt der hydraulische Abgleich – wenn er denn korrekt erfolgen soll – aufgrund typisch fehlender Daten meistens eine Herausforderung, wenn nicht gar eine Unmöglichkeit dar.

Im Hinblick auf Einschränkungen, im Wesentlichen verursacht durch Limitierungen mechanischer Regelungen, gestatten Normung und Gesetzgeber heute die Nutzung grober Schätzungen und Annahmen für Berechnungen für den hydraulischen Abgleich.

Bestimmung der benötigten Wärmemenge

Die benötigte Wärmemenge ist natürlich keinesfalls konstant und variiert nicht nur mit der von den Bewohnern gewünschten Solltemperatur der Räume, sondern ebenso mit der Außentemperatur und dem Wetter. Ein Raum, auf dessen Hausseite kalter Wind oder Regen trifft, benötigt selbstredend mehr Wärme als ein Raum, dessen Fenster auf der Sonnenseite liegen.

Die Bestimmung der benötigten Wärmemenge pro Raum stellt dabei kein grundsätzliches Problem dar, wenn dafür nur die Soll- und die Außentemperatur herangezogen werden, nicht jedoch andere Einflüsse durch das Wetter. Bei Neubauten könnten hierzu die ohnehin bislang für die ENEV (Energieeinsparverordnung) bzw. seit November 2020 das GEG (Gebäudeenergiegesetz) ermittelten Daten des Gebäudeenergiebedarfs genutzt werden. Bei Bestandsgebäuden stehen die benötigten Daten aber für eine solide Ermittlung des Energiebedarfs selbst auf diesem vereinfachten Wege nur selten zur Verfügung.

Statt dem tatsächlichen Wärmebedarf pro Raum erlaubt die Norm daher die Nutzung einer groben Schätzung pro Quadratmeter, die anhand einer Tabelle aus Gebäudealter und Gesamtgröße ermittelt wird. Dabei bleiben die tatsächlichen Eigenschaften des Gebäudes außen vor. Auch bereits durchgeführte Maßnahmen zur energetischen Sanierung – wie Tausch der Fenster oder Dämmung – bleiben unberücksichtigt. Entsprechend ist es als fraglich einzustufen, auf diesem Weg gewonnene Daten tatsächlich zu verwenden.

Es verbleibt natürlich ein grundsätzliches, methodisches Problem: Wie gezeigt, hängt die benötigte Wärmemenge maßgeblich von der Außentemperatur und dem Wetter ab. Wie kann dies aber hydraulisch von einem mechanischen Regler und einer einzigen Ventilvoreinstellung berücksichtigt werden?

Dimensionierung und Abgleich der Wärmeverteilung

Die Regelung der insgesamt erzeugten Wärme stellt bei heutigen Wärmepumpen, Gas-Brennwertthermen bzw. anderen Erzeugern kaum noch ein Problem dar. Eine Außentemperaturführung der Vorlauftemperaturen auf Basis entsprechender Sensoren ist heute Stand der Technik und hat die früher übliche manuelle Steuerung der Vorlauftemperatur ersetzt. Ebenso wurde die Regelung des Erzeugers mit einem Thermostaten in einem führenden Raum – zumindest in Deutschland – weitestgehend durch moderne Brennersteuerungen ersetzt.

Bei verzweigten Systemen muss natürlich auch jeder einzelne Strang ausgeglichen und bedarfsgerecht versorgt werden, was heute mit modernen Hocheffizienzpumpen und Strangdifferenzdruckreglern erreicht wird.

Eine prinzipbedingte Herausforderung für den Abgleich der Wärmeverteilung besteht an den Heizkörpern.

Mechanische Heizkörperthermostate sind nur einfache Proportionalregler – mit den sich daraus ergebenden Herausforderungen. Systembedingt ist ein dynamisches, adaptives Verhalten bzw. ein automatischer, permanenter Abgleich mit mechanischen Thermostaten nicht möglich. In der Praxis ist die Begrenzung des maximalen Durchflusses am Ventil die einzige Möglichkeit, einen Abgleich einzelner Heizkörper näherungsweise vorzunehmen. Dementsprechend ist die Ventilvoreinstellung heute Stand der Technik für den hydraulischen Abgleich an den Heizkörpern.

Für die Ventilvoreinstellung bei mechanischen Thermostatventilen ist genaue Kenntnis des hydraulischen Systems notwendig. Dazu gehören auch detaillierte Daten zu den Heizkörpern und den verwendeten Ventilen.

Der Durchfluss an den Heizkörpern hängt maßgeblich vom Pumpendruck, von den Leitungsdimensionen und der Leitungsführung ab. Also beispielsweise von Querschnitten, Längen, der Anzahl und dem Radius der Bögen aller Leitungen des Heizungsnetzes. Ohne entsprechende Daten ist eine korrekte Ventileinstellung nicht möglich. Eine wesentliche Herausforderung beim hydraulischen Abgleich am Heizkörper stellt daher die korrekte Ermittlung aller dieser Daten dar.

Die zwingend notwendige sachgerechte Planung wäre im Neubau zwar aufwendig, es stehen aber prinzipiell alle Daten zur Verfügung. Fachlich wäre die Bestimmung der Voreinstellung für jedes einzelne Ventil hier daher als erreichbar anzusehen. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass die entsprechenden Daten aus der Planung in der Bauausführung nicht immer als sicher angenommen werden können.

Eine weitaus größere Problematik besteht im Gebäudebestand. Hier muss beim Tausch der Heizung ebenfalls ein hydraulischer Abgleich durchgeführt werden. In der Praxis stehen die dazu notwendigen Daten fast nie zur Verfügung. Wer hat noch die Daten für alte Heizkörper? Wer kann angeben, welche Rohre tatsächlich genau wie verlegt worden sind? Hier besteht für den hydraulische Abgleich am Heizkörper ein grundlegendes Problem.

Da die Ermittlung der eigentlich benötigten Daten mit sinnvoller Genauigkeit kaum möglich ist, gestatten die einschlägigen Normen und der Gesetzgeber grobe Schätzungen und Annahmen bezüglich der Wärmeverteilung. Neben einer raumweisen Berechnung der Heizlast nach dem Stand der Technik für den einen statischen Betriebspunkt erlauben die VdZ-Fachregel und der Gesetzgeber in vielen Fällen das sogenannte Verfahren „A“ als Vereinfachung:

Hydraulischer Abgleich im Vergleich: Basierend auf VdZ Fachregel Optimierung von Heizanlagen im Bestand

Praxis des hydraulischen Abgleichs

Ziel ist doch eine korrekte Auslegung der gesamten Anlage, die zu jeder Zeit die geforderte Balance von Bedarf und Bereitstellung sicherstellt. Mindestens ebenso wichtiges für Heizungsbauer ist es, zufriedene Kunden zu haben. Beide Ziele sind nicht notwendigerweise identisch: Eine korrekte Auslegung birgt angesichts der Ungenauigkeiten immer das Risiko, dass zu wenig Wärme geliefert wird. Insbesondere die Übergangszeit im Frühjahr und Herbst stellen in dieser Hinsicht eine Herausforderung dar. Während es im Sommer und Winter tendenziell einheitlich warm oder kalt ist, kann die Außentemperatur während der Übergangszeit drastisch variieren. Tagsüber strahlt die Sonne, doch morgens und abends ist es teils empfindlich kalt. Es ist zu befürchten, dass in der Praxis lieber zu viel Wärme zur Verfügung gestellt wird, damit sichergestellt ist, dass die Heizung das Haus auch in der Übergangszeit genug erwärmt. Damit sind die Kunden zwar zufrieden, der eigentliche Zweck des hydraulischen Abgleichs wird aber konterkariert.

Natürlich ist diese Situation für Heizungsbauer keinesfalls befriedigend. Für eine Förderung der Heizungsanlage muss heute in der Regel das so genannte „VdZ Formular“ ausgefüllt werden, das zusammen mit einer Fachregel für die „Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand“ vom VdZ entwickelt wurde. „VdZ“ ist die Abkürzung für die „Wirtschaftsvereinigung Gebäude und Energie e.V.“ eine Interessenvertretung von Hersteller und Handwerkern, die 1963 als „Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft“ gegründet wurde.

Dem Kunden muss die „Dokumentation einschließlich der Berechnungsergebnisse“ zum hydraulischen Abgleich ausgehändigt werden. Dabei müssen umfangreiche Daten zum hydraulischen Abgleich an den Kunden geliefert werden. Kunde und Fachbetrieb müssen das Formular und damit auch die Übergabe der Daten unterschreiben. Das VdZ-Formular muss für Fördermaßnahmen zwar gewöhnlich nicht eingereicht werden. Der Kunde ist aber verpflichtet, es für 10 Jahre aufzubewahren.

Kosten für den Tausch der Ventile

Ein Tausch einer Gastherme oder ein Wechsel zu einer Wärmepumpe erfolgen meist unabhängig von der Renovierung des gesamten Hauses.

Bei älteren Ventilen für die Heizkörperthermostate ist keine Voreinstellung der Durchflussbegrenzung möglich, die heute den Kern des statischen hydraulischen Abgleichs darstellt. Teilweise wurden früher einstellbare Rückflussventile am Ausgang des Heizkörpers verwendet. Diese eignen sich aber nicht für den hydraulischen Abgleich, weil weder eine präzise Einstellung auf einen bestimmten Wert möglich ist, noch die dafür notwendigen Daten in der Praxis ermittelbar sind.

In jedem Raum soll „nur“ das Ventil jedes Heizkörpers „einfach“ ausgetauscht werden? Heizkörper, Ventile und Rohrnetz sind aber zumeist bereits über 20, 30 oder sogar 50 Jahre alt. Dabei findet sich faktisch die gesamte Geschichte des Heizungsbaus aus diesem Zeitraum mit unterschiedlichen Arten von Rohrleitungen, mit Löten, Schrauben oder Verpressen von Verbindungen, mit unterschiedlichen Ventilkörpern und Anschlüssen an Heizkörpern. Risiken aus dem Alter der Leitungen und Heizkörper kommen hier noch hinzu.

Für den hydraulischen Abgleich bei Bestandsbauten müssen daher häufig Ventile an den Heizkörpern ausgetauscht werden. Für den Kunden bedeutet dies erhebliche Kosten von typisch 60 bis 120 Euro pro Heizkörper. Dem Kunden ist ein direkter Nutzen aus dem Ventiltausch nur schwer zu vermitteln, weshalb häufig „ist so vorgegeben“ oder „ist ohne Ventiltausch unmöglich“ dem Fachhandwerk als einzige Argumente bleiben.

Homematic IP automatisiert den hydraulischen Abgleich

Mit den Homematic IP Heizkörperthermostaten bietet sich jetzt für Fachhandwerk und Endkunden gleichermaßen eine Alternative. Durch die integrierten Regelalgorithmen erfolgt der Abgleich am Heizkörper automatisiert, ohne dass dazu eine Konfiguration notwendig ist. Untersuchungen vom Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) haben bestätigt, dass mit den Homematic IP Heizkörper-Thermostaten ein dynamischer und adaptiver Abgleich an einzelnen Heizkörpern automatisch durchgeführt wird.


Die Untersuchungen vom Fraunhofer IEE haben gezeigt, dass der Durchfluss überversorgter Heizkörper von Homematic IP nach einer kurzen automatischen Lernphase selbsttätig abgeregelt wird. Ein Überschwingen der Raumtemperatur über die Solltemperatur wird zuverlässig vermieden. Der Durchfluss einzelner Heizkörper wird laufend gemäß dem aktuellen Raumwärmebedarf und der variierenden hydraulischen Verhältnisse durch die selbstlernende Funktion an die momentanen Erfordernisse angepasst. Die Aufheizgeschwindigkeit in überversorgten Räumen gleicht sich selbsttätig an normal versorgte Räume an und entspricht somit einem adaptiven hydraulischen Abgleich am Heizkörper.

Homematic IP macht somit den manuellen hydraulischen Abgleich am Heizkörper mit voreinstellbaren Ventilen überflüssig und senkt den Gesamtaufwand für den hydraulischen Abgleich ganz erheblich, wie die folgende Tabelle zeigt.

BAFA Förderung

Der Präsident des BAFA hat mitgeteilt, dass die Homematic IP Heizkörperthermostate in der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) grundsätzlich förderfähig sind.

Der Fachbetrieb muss auch beim dynamisch adaptiven Abgleich unter Verwendung von Homematic IP Heizkörperthermostaten das VdZ-Formular ausfüllen und unterzeichnen. Der Präsident des BAFA gab hierzu an, dass der benannte Abgleich den herkömmlichen hydraulischen Abgleich ersetzen könne.

Wie die gutachterliche Stellungnahme des Fraunhofer IEE zeigt, wird mit Homematic IP ein dynamischer und adaptiver Abgleich ohne weitere Konfiguration am Heizkörper automatisch über die gesamte Heizperiode ausgeführt. Damit erübrigt sich der „klassische“ statische hydraulische Abgleich am Heizkörper. Die dafür zu ermittelnden Daten sind nicht weiter notwendig, wodurch sich der Aufwand für den hydraulischer Abgleich ganz erheblich reduziert.

Seit einigen Jahren ist eine Modernisierung des hydraulischen Abgleichs auch Thema in Normungsgremien. So wird von der Industrie an einer Norm gearbeitet, in der neben dem statischen hydraulischen Abgleich auch erstmalig ein dynamischer und ein adaptiver hydraulischer Abgleich genannt werden. Wie auch in vielen anderen Bereichen des Lebens neigt sich auch hier die Welt rein mechanischer Regelungen zweifellos ihrem Ende zu.