Heizkreise optimal anschließen

Sie wollen in Ihrem Haus Heizkörper und Fußbodenheizung  gleichzeitig mit der gleichen Wärmepumpe betreiben?
Also die Heizkörper als direkter Heizkreis und die Fußbodenheizung als gemischter Heizkreis?

Dann ist dieser Beitrag bares Geld für Sie wert.

Der Beitrag gilt  sinngemäß - damit ein Brennwerteffekt stattfinden kann -  auch für Brennwertgeräte auf Öl- und Gasbasis, denn der für dieses Geräte gerne beworbene Brennwerteffekt tritt nur ein, wenn die Rücklauftemperaturen hinreichend niedrig sind. Und genau darum geht es hier.

Dem entgegen stehen viele Installationen, die ich in Heizungskellern bisher vorgefunden habe und auch die Hersteller bieten mit ihren vorprogrammierten Heizungssteuerungen meist nur regelungstechnische "Hausmannskost",  so wie nachfolgend unter Methode Nr. 1 beschrieben.  Sie erkennen diese Sorte Hydraulikschemata an den Mischern, die zum Heruntermischen von zuvor mühsam und teuer aufgeheiztem Heizwasser zum Einsatz kommen. Letztendlich sind die Mischer für den Heizungsbauer Korrekturwerkzeuge, um vorher zu hoch aufgeheiztes Heizungswasser wieder zurück auf ein sinnvolles Niveau zu mischen. Letztendlich aber wird beim Heruntermischen Geld vernichtet, weil Wärmepumpen und Brennwertgeräte genau dann effizient arbeiten, wenn die von ihnen erzeugten Heizwassertemperaturen möglichst niedrig sind. Und da hilft es auch nichts mehr, wenn das  Heruntermischen des Heizwasser erst nach dem Verlassen des Wärmeerzeugers  erfolgt.  Der Wärmeerzeuger kann daraus dann keinen Vorteil mehr ziehen.

Man kann sich das unnötige Überheizen von Heizwasser mit anschließendem Wieder-Heruntermischen wie das  Autofahren im falschen Gang vorstellen: Sie können eine bestimmte Strecke auf der Landstraße in einer bestimten Zeit  z. B. im 5. Gang fahren - oder aber schaltfaul im 4. Gang:  Die Fahrt im 4. Gang wird am Ende mehr Geld und Energie kosten, weil der Betrieb des Autos im niedrigeren 4. Gang energetisch nicht so effizient war wie bei Nutzung des 5. Ganges.

Schauen wir uns nun die am Markt etablierten Lösungen an:

 

Methode 1 - der Klassiker:

Die Wärmepumpe liefert ausschließlich die Vorlauftemperatur für den Heizkreis mit der höchsten Temperaturanforderung. In aller Regel ist das der Heizkreis mit den Heizkörpern.  Sofern hier keine Mischer benötigt werden, spricht man von einem "direkten" Heizkreis, weil das Heizwasser vom Wärmeerzeuger direkt in den Heizkreis fließt. Die Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung wird bei dieser Methode durch Beimischung von kaltem Rücklaufwasser herunter gemischt.

Das Problem: Beim Heruntermischen erzeugen Sie aus relativ hohen Temperaturen relativ niedrige Temperaturen - und dabei haben Sie doch gerade kurz zuvor extra viel Energie aufgewendetet, um mit Ihrer Wärmepumpe die besonders hohen Vorlauftemperaturen für den direkten Heizkörperkreis zu erzeugen. Heruntermischen ist deshalb gleichwertig mit "Geld verbrennen". Sie sollten das Heruntermischen deshalb nach Möglichkeit vermeiden. Vielmehr sollte das Heizwasser nach Möglichkeit nur so weit erwärmt werden, dass es gerade passt.

 

Methode 2 - die "Temperierung" des Fußbodens:

Ist das Baubudget knapp, so empfehlen Heizungsbauer mitunter auch, den Fußboden im betreffenden Zimmer mit ein paar zusätzlichen "Rohrschleifen" im Rücklauf des zugehörigen Heizkörpers zu erwärmen.

Das Problem: Je nach Ausführung kann es zu einer  ungleichmäßigen Erwärmung des Fußbodens kommen, was auf  Dauer zu Spannungsrissen führen kann. Außerdem besteht bei Naturholzböden wegen der mitunter sehr  hohen Rücklauftemperaturen die Gefahr, dass sich durch Übertrocknung hässliche Schwundrisse bilden.

 

Methode 3 - die Lösung mit dem Frischwasser-Hygienespeicher:

Wenn Sie einen Frischwasser-Hygienespeicher haben, dann können Sie dort Ihre Heizkörper im Hochtemperaturbereich direkt anschließen, während die Fußbodenheizung mit relativ niedrigen Temperaturen direkt ab Wärmepumpe mit der für sie optimalen Vorlauftemperatur versorgt wird. 

Das Problem: Meist sind die Temperaturen im Frischwasser-Hygienespeicher deutlich höher als benötigt, so dass auch hier wieder die Vorlauftemperatur zu den Heizkörpern höher ist, als sie tatsächlich benötigt wird. Und das kostet ebenfalls unnötig Geld.  Deswegen wird diese Lösung in der Regel fast ausschließlich bei Badheizkörpern, bzw. Handtuchtrocknern zur Unterstützung der regulären Fußbodenheizung eingesetzt.

 

 Methode 4  - große Pufferspeicher:

Diese Methode setzt voraus, dass Sie ein ausgefeiltes Puffer-Managementsystem haben, das  in großen Speichern mehrere Temperaturzonenen für das Heizen edrkennen kann. Diese Zonen kann die Wärmepumpe dann gezielt nacheinander mit genau der Vorlauftemperatur beladen, die im jeweils zugeordneten Heizkreis benötigt wird.  Im einfachsten Fall wird wird die Fußbodenheizung auf den unteren Anschlüssen des Heizungspufferpeichers aufgelegt und die Heizkörper auf die oberen Anschlüsse. Diese Methode kann tatsächlich unnötig hohen Vorlauftemperaturen entgegen wirken  und damit unnötige Kosten vermeiden helfen, ist aber in  der Praxis eher selten zu finden, weil dort die Methode 1 dominiert.

 

Die Alternative


Es gibt aber auch noch eine fünfte Methode zur gleichzeitigen Versorgung von direkten und gemischten Heizkreisen, die ich besonders elegant finde:

Man nehme im 1- bis 2-Familienhaus zunächst

- 1 Wärmepumpe (oder Brennwertgerät)

- 1 Frischwasser-Hygienespeicher mit ca. 800 Litern Inhalt (passt meist gerade noch so durch die Kellertüren)

- 1 Pufferspeicher mit ca. 500 Litern, je nach Größe der zu versorgenden Fußbodenheizung

Die Speichergrößen dienen einer ersten Orientierung und könnnen natürlich fallweise dem Bedarf angepasst werden.

Der Frischwasser-Hygienespeicher wird im oberen Bereich für die Warmwasserbereitung genutzt und im unteren Bereich für den direkten Heizkörper-Heizkreis.
Bis hierhin also nichts Spektakuläres.

Aber nun der Trick:

Der Rücklauf aus dem direkten Heizkörper-Heizkreis belädt - inzwischen abgekühlt - von oben den Pufferspeicher für die Fußbodenheizung.
Unten aus dem Pufferpeicher fließt das Heizwasser dann zurück in den unteren Bereich des Frischwasser-Hygienespeichers.
Die Fußbodenheizung ist am Pufferspeicher "normal" mit einem Mischer als gemischter Heizkreis angeschlossen.
Das Ergebnis dieser Hydraulik ist, dass die Fußbodenheizung im Wesentlichen aus dem abgekühlten Rücklauf der Heizkörper gefahren werden kann.
Der Vorlauf zur Fußbodenheizung muss also nicht so hoch beheizt werden, wie bei Methode 1 - und das spart bares Geld!
Oder anders formuliert: Der Mischer vor der Fußbodenheizung muss weniger stark "heruntermischen, oder besser: "kaputtmischen" und vernichtet dadurch weniger Geld.

Der Mischer vor der Fußbodenheizung muss aber trotzdem noch eingebaut werden, weil wir nicht ausschließen können, gerade bei kalten Wintertemperaturen Rücklauftemperaturen von den Heizkörpern zu erhalten, die für die Fußbodenheizung deutlich zu hoch sind.

Jetzt könnte es aber auch sein, dass die Heizkörper nicht genügend  genutzt werden.
Dann würde die Fußbodenheizung, bzw. der zugeordnete Pufferspeicher mangels ausreichenden Heizkörper-Rücklaufs nicht genug Wärme erhalten.

Also noch ein Trick!

Man installiere zusätzlich

- 1 Bypassleitung vom Vorlauf der Heizkörper direkt auf halbe Höhe zum Pufferspeicher (Leitung kann 1 Nummer dünner ausfallen als die Strangleitungen der Fußbodenheizung)

- 1 Zonenventil oder einen Motorkugelhahn, welches in die Bypassleitung eingebaut wird und standardmäßig geschlossen ist (NOC)

- 1 banale Standard-Kesselsteuerung, die den Pufferspeicher als Heizkessel  betrachtet  und die Fußbodenheizung als gemischten Heizkreis.

- eine elektrische Leitung zwischen Kesselsteuerung (Relaisabgang Brenner ON/OFF) und Zonenventil, bzw. Motorkugelhahn auf der Bypassleitung.

Wird es nun im Pufferspeicher zu kalt, weil die Heizkörper nicht genügend Durchlauf haben, dann veranlasst die Kesselsteuerung einen "Brennerstart".  Dazu öffnet die Kesselsteuerung über einen Relaiskontakt das Zonenventil, bzw. den Motorkugelhahn und veranlasst so ausnahmsweise die Beladung des Pufferspeichers über die Bypassleitung. Ist der Pufferspeicher wieder hinreichend warm, um die Fußbodenheizung ausreichend zu versorgen, dann schaltet die Kesselsteuerung den Kessel - pardon - das Zonenventil, bzw. den Motorkugelhahn wieder auf "geschlossen". Aber selbst bei Nutzung der Bypassleitung  ist der Energieverbrauch maximal so hoch wie bei bei Methode Nr.  1, wo IMMER die Fußbodenheizung aus dem Heizkörpervorlauf versorgt wird.

Ein paar kleine Nachteile sollte man allerdings bedenken: Die Kesselsteuerung benötigt - bei professioneller Regelung - einen eigenen Außenfühler mit eigener Heizkurve.  Außerdem haben gerade Standard-Kesselsteuerungen oft eine andere Bedienphilosophie als die bereits vorhandene Wärmepumpensteuerung, denn sie können meist mehr, als nur das hier beschriebene Problem zu lösen. Man muss also 2 Heizkurven über zwei unterschiedliche Bedienoberflächen eingeben (ansonsten 2 Heizkurven gemeinsam über die Bedienerschnittstelle des Wärmeerzeuger) und hat einmalig einen etwas höheren Installationsaufwand, sowie dauerhaft zusätzliche Stromkosten für den Betrieb der zusätzlichen Kesselsteuerung (typisch um die 50 €/Jahr). Aber dafür spart man auch dauerhaft Energiekosten für den Wärmebedarf der  Fußbodenheizung. Diese Energie-Einsparung kann dauerhaft 15 % und mehr ausmachen - je nach den örtlichen Gegebenheiten.

Und bitte beachten Sie  dabei auch, dass für die erforderlichen Arbeiten an der Elektrik einschlägige Fachkenntnisse erforderlich sind!

 

Rechenbeispiel

Bis hierher war es nur Theorie.  Schauen wir nun ein vereinfachtes, aber sehr konkretes Beispiel an.

Annahmen:

Es gehe um ein zweigeschoßiges Wohnhaus.  Das ältere EG werde mit Heizkörpern über einen direkten Heizkreis beheizt.
Das später durch Dachausbau hinzugekommene OG wird modern per Fußbodenheizung über einen gemischten Heizkreis beheizt.

Zum Zeitpunkt der Betrachtung liegt der Wärmebedarf im EG bei ca. 8,7  kW, während die Wohnung im DG dank besserer Isolierung nur 2/3 davon benötigt, also etwa 5,8 kW.

Wichtig für unsere Betrachtung ist nun, dass sich ein  Wärmebedarf von 3 zu 2 ergibt und dass folgende Temperaturen bei den beiden Heizkreisen  auftreten:

Direkter Heizkreis  VL:  55°,  RL: 40°

Gemischter Heikreis  VL:  35°,  RL 30°

 

Berechnung des Temperatur-Arbeitsbereichs für den Wärmeerzeuger bei Methode 1:

Abgegeben werden

  • 500 Liter/Stunde mit 55° für den direkten Heizkreis   (Wärmeentzug: 500 L. x 15° Temperaturauskopplung = 7500 Gradliter)
  • 200 Liter/Stunde mit 55° für den gemischten Heizkreis  (Wärmeentzug: 200 L. x 25° Temperaturauskopplung = 5000 Gradliter)

Die Rücklauftemperatur liegt bei (5 x 40  +  2 x 30 ) / 7 =  ca. 37,1°

Der Aufwand für den Wärmeerzeuger ist damit, pro Stunde 700 Liter Heizwasser von 37,1° auf 55° zu erwärmen.

 

Berechnung des Temperatur-Arbeitsbereichs für den Wärmeerzeuger bei der Methode mit der Standard-Kesselsteuerung:

Abgegeben werden nur die 500 Liter mit 55° für den direkten Heizkreis, so wie bei Methode 1.

Durch das "Recycling" des Heizkörper-Rücklaufs in der Fußbodenheizung können die benötigten 5000 Gradliter/Stunde dem Heizkörper-Rücklauf entnommen werden.

Da hierfür insgesamt ein Volumenstrom von 500 Liter/Stunde und 10° nutzbarer Temperatur  zur Verfügung steht - also ebenfalls 5000 Gradliter/Stunde, kann dieser gesamte Rücklauf von der Fußbodenheizung um 10 Grad von 40° auf 30° abgekühlt werden.

Und voilà: Punktlandung!

Der Rücklauf wird damit insgesamt auf 30° abgekühlt. 

Der Aufwand für den Wärmeerzeuger ist damit, pro Stunde 500 Liter Heizwasser von 30° auf 55° zu erwärmen.

Die insgesamt erzeugte Wärmemenge ist in beiden Fällen gleich. Nur eben sind die Betriebsbedingungen bei der alternativen Methode mit der Kesselsteuerung deutlich günstiger.

Und genau deswegen kann hier die Wärmemenge mit weniger Strom, Öl oder Gas bereit gestellt werden.

Das Beispiel zeigt aber auch noch einen anderen Effekt: Bei der alternativen Methode mit der Kesselsteuerung bewegen wir pro Zeiteinheit deutlich weniger Wasser.
Grund ist, dass wir hier das Heizwasser nicht parallel, sondern eher sequentiell in den beiden Heizkreisen nutzen.
Für die Dimensionierung der Puffer bedeutet dies, dass sich ein Teil des Bedarfs an Speichervolumen  vom Frischwasser-Hygienespeicher auf den Pufferspeicher für die Fußbodenheizung verlagert.

 

Auch wenn es sich um ein vereinfachtes Bestfall-Beispiel handelt: 

Man erkennt eindeutig, dass der Wärmeerzeuger bei Methode Nr. 1 im Mittel deutlich länger in einem energetisch ungünstigen, weil höheren Temperaturbereich arbeitet als bei der alternativen Methode mit der Kesselsteuerung. Und eben genau hier liegt das Sparpotenzial!

/* Grafik mit exemplarischem Hydraulikschema und Bilder zur Illustration werden nachgereicht */