Zusammenhänge zwischen Heizlast, Wärmebedarf und Heizleistenmenge

Erläuterungen zur Berechnung einer radia-therm Heizleistenanlage

Wenn mancher meint, die Berechnung einer Anlage erschiene ihm zu kompliziert, so möchte ich dagegenhalten mit der Behauptung, sie ist in Wirklichkeit viel einfacher und sollte mit Grundschulwissen und ein paar Überlegungen nachvollziehbar sein.

Stellen wir uns ein Haus als einen Behälter vor, aus dem Wärme - quasi wie eine körperlose Flüssigkeit - durch einen Hahn "ausrinnt", der sich mit sinkender Außentemperatur zunehmend öffnet. Dabei entspricht der Füllstand der Innentemperatur, der natürlich sinkt, wenn wir nichts nachfüllen. Mit dem Füllstand sinkt auch die in der Zeiteinheit auslaufende Flüssigkeits-(Wärme-)menge (der "Druck" der Flüssigkeitssäule lässt nach).
Ohne Nachfüllen wäre der Behälter nach einer gewissen Zeit leer (d.h. es wäre im Haus so kalt wie draußen)

"Heizen" heißt, diese körperlose Flüssigkeit ausreichend nachzufüllen!

Dabei stellt sich bei einem gewissen Füllstand (Temperatur) ein Gleichgewicht ein, bei dem die in der Zeiteinheit zu- und abfließenden Mengen gleich sind. Wir regeln dann die zufließende Menge so, dass ein für uns angenehmes Temperaturniveau aufrecht erhalten bleibt.

Das entspricht dann der aktuellen Heizlast.

Sie steigt mit sinkender Außentemperatur. Für eine von uns zu wählende niedrigste Außentemperatur hat sie einen maximalen Wert, den die Wärmequelle in der Lage sein muss zu bewältigen.

Nachdem unser Körper immer Überschusswärme erzeugt, die er loswerden muss, ist das, was wir "heizen" nennen, genau genommen ein kontrolliertes Kühlen (weil wir nur einen zu hohen Wärmeverlust unsere Körpers vermeiden wollen; zögen wir uns warm an, kämen wir mit weniger heizen aus). Im Übrigen reagiert unser Körper auf unterschiedliche Wärmeübertragungsarten anders, weshalb wir mit gleichen Wärmemengen unterschiedliche Wärmewirkungen erreichen. Wenn wir Wärme durch Berührung mit erwärmtem Stoff (Luft) zuführen, sog. Konvektion, benötigen wir z.B. mehr Energie, als wenn dies stofflos über Strahlung geschieht. Hinzu kommt noch, dass sich je nach eingesetzter Wärmeübertragungsart ein anderer Zustand der Bausubstanz unseres Hauses einstellt (z.B. Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt), was sich deutlich auf unser Wohlbefinden auswirkt.

Mit einem Feuer an einer Stelle im Haus erreichen wir normalerweise keine wunschgemäße Wärmeverteilung. Mit Hilfe von Wasser, dem wir diese Wärme zuführen (im Kessel), transportieren wir sie zu den gewünschten Stellen,
wo wir sie wieder über Kühlflächen (Heizkörper etc.) entnehmen. Mit Heizleisten bringen wir z.B. die im Heizkessel erzeugte Wärme letztlich gleichmäßig verteilt an die innere Oberfläche der Außenwände. Die abgegebene Wärmemenge, die ja der benötigten gleich sein soll, errechnet sich aus umlaufender Wassermenge und Temperaturabfall (Spreizung). Dieser Temperaturabfall hängt wiederum von der Größe der Abgabeoberfläche und deren Übertemperatur zur Umgebungstemperatur ab. Das sind einfache sog. lineare Zusammenhänge, d.h. dass die einzelnen Kennwerte nicht irgendwie mit sich selbst multipliziert werden müssen. Beim Druckverlust ist das anders, denn er steigt deutlich stärker als die Strömungsgeschwindigkeit (etwa mit ihrem Quadrat).

Sind mehrere Abgabeoberflächen hintereinander angeordnet (bei Heizleisten die Regel, um möglichst einfache Anlagen zu erhalten), so findet entlang so eines "Heizkreises" eine Abkühlung des Heizwassers statt. Für dieselbe Leistungsabgabe benötigen wir daher "später" etwas mehr Abgabeoberfläche als "früher". Genau genommen folgt der Temperaturabfall einer "Abzinsungskurve", die allerdings kaum gekrümmt ist, so dass man sie ohne großen Fehler durch eine Gerade ersetzen könnte (im Auslegungsprogramm rechnen wir wegen der heutigen Rechnerleistungen exponentiell, auch wenn es im praktischen Ergebnis keinen nennenswerten Unterschied ausmacht).

In jedem Betriebszustand einer Anlage liegen die Werte für abgegebene Kesselleistung, Volumenstrom, (mittlere) Gleichgewichtstemperatur, Temperaturabfall, Abgabeleistung, Abgabeoberfläche, Druckverhältnisse etc. in einem bestimmten Gleichgewicht. Einige dieser Werte können wir selbst festlegen (etwa die Kesselleistung, den Volumenstrom durch die installierte Pumpenleistung, die Größe der Abgabeoberfläche durch die Anzahl Heizregister), wo gegen die anderen sich dann von selbst entsprechend einstellen. So ein System ist ziemlich elastisch, so dass wir einigen Spielraum in der Wahl unserer Ausgangswerte haben und uns unser Optimum innerhalb gewisser Grenzen aussuchen können.

 

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