Dimensionierung der Heizung: Formeln & Heizkörperberechnung

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Die richtige Dimensionierung einer Heizungsanlage gehört zu den komplexesten Herausforderungen bei der Heizungsplanung. So müssen bei der Berechnung der Heizung verschiedene Faktoren berücksichtigt werden: Die Wohnfläche des Gebäudes, die Personenzahl sowie die durchschnittliche Außentemperatur in der Region – um nur einige Einflussfaktoren zu nennen.
Wurden die entscheidenden Faktoren ermittelt gilt es, die entsprechenden Bauteile der Heizung daraufhin anzupassen – dazu gehört insbesondere die Heizkörperberechnung sowie die Auslegeung des Pufferspeichers. Welche Variablen die Dimensionierung der Heizungsanlage beeinflussen, was Eigentümer berücksichtigen sollten und welche Bestandteile im Einzelnen berechnet werden müssen.

Dimensionierung der Heizkörper

Damit die Räume ausreichend mit Wärme versorgt werden, gehört die Heizkörperberechnung zur Planungsarbeit. Basis der Auslegung eines Heizsystems ist die Heizlastberechnung. Zu erwartende Schwankungen müssen sich in Mengen- beziehungsweise Leistungswerten widerspiegeln. Erster Orientierungspunkt sind die Spitzenlastzeiten. Als Spitzenlast bezeichnet man Zeiten des höchsten Wärmebedarfs, die normalerweise im Winter liegen.

Bei frostigen winterlichen Außentemperaturen müssen die Wohnräume alle angenehm beheizt werden können. Wenn bei der Berechnung der Heizung auch die Warmwasserbereitung eingeschlossen ist, muss auch in extremen Kälteperioden im Badezimmer warmes Bade-, Dusch- und Waschwasser fließen.

Die Orientierung an der Spitzenlast bei der Dimensionierung des Heizungssystems hat zur Folge, dass die Heizungsanlage an den meisten Tagen weit unter Maximalleistung beansprucht wird. So wird eine Vollauslastung der Anlage lediglich an den kältesten Tagen erreicht. Im Sommer liegt die Auslastung weit unter der möglichen Maximalauslatung der Anlage.

Die Faustformel für die Berechnung der Heizlast lautet dabei wie folgt: Benötigter Heizenergiebedarf pro Jahr (kWh) / Vollbenutzungsstunden pro Jahr (h) = Benötigte Heizlast in kW

Beispiel: Für Heizung und Warmwasser benötigt ein Einfamilienhaus in Köln 40.000 kWh im Jahr. Die Jahresheizzeit in der Region beläuft sich auf 2.100 Vollnutzungsstunden. Die Rechnung lautet also:

Rechnung: 40.000 kWh / 2.100 h = 19 kW Heizlast

Klimatische Bedingungen bei der Dimensionierung berechnen

Grundsätzlich wird die benötigte Leistung einer Heizung in Kilowatt (kW) berechnet. Das Ermitteln der Ausgangsnennleistung in Kilowatt orientiert sich am kältesten Tag, der statistisch für den Montageort ermittelt wurde. Als Datengrundlage reicht die Berücksichtigung der Aufzeichnungen der vergangenen 5 Jahre aus. Dieser Wert wird als Auslegungstemperatur bezeichnet.

Um den in der überwiegenden Restzeit laufenden Teillastbetrieb und den entstehenden Heizwärmebedarf zu ermitteln, hilft die Erfassung der Heizgradtage.

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Als Heizungsbetreiber legen Sie eine Außentemperaturgrenze fest, die den Einschaltpunkt der Heizung festlegt. Gängig sind Wärmegrade zwischen 12 und 15 Grad Celsius. Der Referenzwert ist die erwünschte Raumtemperatur.

An jedem Tag mit einer mittleren Temperatur unter der festgelegten Grenze entsteht eine Differenz zum Referenzwert. Die Differenzen der werden aufaddiert und durch ihre Anzahl oder als zur Jahreswertermittlung durch 365 Tage geteilt. Dieser Wert der Heizgradtage oder auch Gradtagszahl ergänzt die unveränderlichen beziehungsweise verhaltensabhängigen Parameter wie Fläche und Größe der zu beheizenden Räumlichkeiten, den Nutzungsfaktor, den Grad der Jahresnutzung und die technische Heizlast.

Wärmeausgabegeräte

Im Rahmen der Planung zur Dimensionierung ist die Berechnung der Heizkörper oder Wärmeausgabegeräte unverzichtbar.

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Je effektiver und verlustfreier die Heizkörperauslegung die Wärme in den Räumen und im Gebäude verteilt, desto geringer kann die Ausgangsleistung der Wärmequelle gewählt werden.
Bei einer umfassenden Heizkörperberechnung werden folgende Faktoren einbezogen:

  • Art der Wärmeabgabe (Konvektion, Strahlung oder Kombination aus beiden)
  • Raumgröße in Fläche und Höhe
  • Dämmungssituation bezüglich Heizunginstallation, Mauerwerk, Fenster und Türen
  • Wärmeabgabeflächen der Heizkörper
  • Transportwege des warmen Heiz- und/oder Brauchwassers
  • Steigungen und Gefälle in mehrgeschossigen Gebäuden
  • Bautechnische Installationsmöglichkeiten und Platzierungsorte

Als indirekter Faktor beeinflusst auch die Auslegung der Heizungspumpe die Wahl der Wärmeausgabegeräte. Je leistungsstärker sie ist, desto weniger „Lastanteil“ muss von den Heizkörpern übernommen und ausgeglichen werden.

Wärme speichern und vorhalten

Keine wirtschaftlich arbeitende Heizungsanlage kommt ohne die Speicherung der erzeugten Wärme aus. Vorgehaltene Wärme ist ständig abrufbar und wird beim Absinken der Raum- oder Warmwassertemperatur nachgespeist. So erhält sich das Heizwärmeniveau.

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Je präziser die Auslegung vom Pufferspeicher erfolgt, desto effektiver lässt sich die Wärme, die aus der Heizung kommt, nutzen. Ohne Wärmespeicher kommt eine Heizung kaum über die Funktion eines Lagerfeuers hinaus, das nur im Moment des Brennens Wärme produziert.

Bei der Auslegung vom Pufferspeicher sind neben den technischen Werten einige weiche Faktoren zu beachten:

  • Anzahl der Personen im Haushalt
  • Bade-, Koch- und Waschgewohnheiten
  • Individuelles Kälte- und Wärmeempfinden

Ausgangs- und Nennleistung

Als normierter Ausgangswert sind 20 Grad Celsius als optimale Raumtemperatur festgelegt. Um die Gesamtheizlast und die dafür benötigte Heizenergie zu berechnen, müssen die komplexen Zusammenhänge und Interaktionen von technischen und äußeren Variablen zusammengeführt werden. Die Gestaltung und Dimensionierung erlaubt Toleranzen in der Bestimmung und Wahl der einzelnen Bauteile. Typische Beispiele für die Freiräume beim Ausbalancieren sind:

  • Effektive Wärmeausgabegeräte mindern Grundleistungsbedarf
  • Hohe Speicherkapazität verringert Betriebszeit und Grundkosten
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Als Faustregel kann der Zielwert einer Wärmeleistung von 100 Watt pro Quadratmeter Wohnraum angewendet werden. Das führt bei einer „Rückwärtsrechnung“ bei der Heizungsberechnung  zu einem Gesamtbedarfswert.

Anpassen und Ausbalancieren

Beim Auslegen einer Heizung muss innerhalb des Systems die Gewichtung zwischen Gegebenheiten und Bedarfsprofil austariert werden. Nach dem Motto „Wenn eine Bedingung gegeben wird, kann eine andere Bedingung verändert werden“ besteht die Planungsphase in einem virtuellen „Zusammenwürfeln“ der Bauteile und Anlagenteile. Die Auslegung vom Pufferspeicher beeinflusst beispielsweise sowohl die benötigte Nennleistung und den Bedarf durch äußere Bedingungen als auch die Auswahl der Wärmeausgabegeräte.