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  Physik - Hydraulischer Abgleich



Für die Erklärung des Kapitel-Titels oben müssen wir ausnahmsweise um etwas Geduld bitten. Denn der kommt in diesem Fall aus einem der Kfz-Technik eng verwandten Fach, der Heizungstechnik. Sollte allerdings der Verbrennungsmotor aussterben, könnte sich vielleicht auch diese Verbindung erledigen.

Wir wollen endlich einmal Wärmeübergänge berechnen, und da wird Ihnen der Einstieg über die Heizungstechnik das Verständnis erleichtern. Wir bedienen uns dazu eines ganz normalen Heizkörpers (Bild oben). Wenn der bis zu 1000 W (als runde Zahl) Wärme abgeben soll, dann könnte er bei zwei Heizplatten und zwei Konventoren, das sind die zusätzlichen Bleche dazwischen, 1,6 m lang und 0,6 m hoch sein.

Für die Bestimmung der Leistung von Heizkörpern gibt es Tabellen.

Dabei setzt man voraus, dass eine Raumtemperatur von 20°C erreicht werden soll und wir nur 55°C am Einlass und 45°C am Ausgang haben. Lassen wir die Heizung höhere Temperaturen von z.B. 70°C erzeugen und auf 55°C abkühlen, braucht der Heizkörper nur 1 m Länge. Letztere Temperatur kommt nicht nur der Kühlung eines Verbrennungsmotors näher, sie ist auch bei der gleichzeitigen Erwärmung von Trinkwasser nötig, weil damit die schädlichen Bakterien namens Legionellen abgetötet werden.

Übrigens werden wir ab jetzt mit Kelvin statt °C rechnen, weil damit besser die jeweilige Temperaturdifferenz ausgedrückt wird.

Was haben wir rechnerisch vor mit diesem Heizkörper? Wir wollen wissen, wie viel Wasser pro Stunde hindurchgepumpt werden muss, damit bei 15 K Unterschied 1000 W übertragen werden. Und dabei ist es egal, ob ein Behältnis durchflossen wird oder es das Wasser enthält und dieses dort erwärmt wird. Ja, ihm können sogar 1000 W entzogen werden, es muss immer gleich viel sein.


Die Formel muss nach der Masse des Wassers hin umgestellt werden. Sie sehen, dass mit Δδ nur die Temperaturdifferenz in die Formel eingeht. Egal ob bei tiefen oder bei hohen Temperaturen, die zugeführte Wärmemenge ist immer nur von der sich ergebenden Temperaturdifferenz abhängig. Wir gehen hier von einer festen zugeführten Wärmemenge aus. Für Wärme- und Massefluss z.B. in kg/h müsste über dem Q und dem m ein Punkt sein.

Wir waren von 1000 W und einer Stunde ausgegangen. Schauen Sie es im Internet oder in einer Formelsammlung nach: 1000 Wh = 3600 kJ. Letztere brauchen wir, weil die spezifische Wärmekapazität für Wasser 4,2 J/kg·K beträgt. Ein Kilogramm Wasser braucht die relativ große Energiemenge von 4,2 J, um sich um ein Kelvin zu erwärmen.

Wird also das Wasser ohne Betrachtung von Verlusten irgendwohin transportiert, z.B. vom Verbrennungsmotor zum Kühler kann es dort diese Energiemenge abgeben und wird um das gleiche Grad wieder kälter. Nur zum Vergleich: Ein Kilogramm Mineralöl wird schon bei etwa 2 J um ein Kelvin wärmer, kann also bei gleicher Temperaturerhöhung nur halb so viel Wärme übertragen.

Wenn Sie die Werte einsetzen, kommen sie auf ca. 57 kg Wasser, was 57 Litern entspricht, die Sie pro Stunde durch den Heizkörper pumpen müssen. Mit der gezeigten Methode können Sie die pro Zeiteinheit benötigte Wassermenge berechnen. Natürlich muss vorher die Leistung der Heizkörper den jeweiligen Räumen angepasst werden, wobei z.B. die Wärmedämmung sehr wichtig ist.

Das Problem: Für jede neue Berechnung müsste zumindest ein Wert jeweils neu bestimmt werden, die Differenz der Temperaturen zwischen Zu- und Ablauf. Diese verändert sich nämlich, wenn man den Durchfluss ändert. Logisch, je langsamer das Wasser durch den Heizkörper fließt, desto mehr Zeit hat es, seine Wärme abzugeben. Und wir haben ja gerade die Wassermenge bestimmt, um sie an die Gegebenheiten anzupassen.

Thermodynamische Prozesse laufen oft recht langsam ab.

Damit wäre auch die Frage erledigt, warum Heizkörper bei optimaler Einstellung nie die gleiche Temperatur über die ganze Breite haben. Ist das der Fall, dann ist der hydraulische Abgleich mit Sicherheit falsch. Es ist ja gerade der Sinn des Wassers im Heizkörper, möglichst einen Gutteil der Wärme vor dem Verlassen desselben abzugeben.


Und wer gedacht hatte, Thermostatventile seien nur dazu da, irgendwelche andere Wärmequellen zu berücksichtigen und dazu den Zulauf abzuschalten, der hat die Einstellmöglichkeit (Bild oben) nach Abmontieren des Thermostatfühlers bzw. Einstellers (Bild unten) noch nicht entdeckt. Dort oder auch in einfachen Eckventilen befindet sich ein Sechskant, dessen Verdrehung die Durchflussmenge bei offenem Thermostat verändert. Er ist z.T sogar nachrüstbar.


Das alles und die günstigste Pumpenleistung gehören zum hydraulischen Abgleich. Er soll dafür sorgen, dass alle Heizkörper, besonders die in einem Raum zusammenwirkenden, gleichmäßig viel Wärme abgeben, zur Steigerung des Wärmekomforts in dem Zimmer bzw. der ganzen Wohnung. Wenn daraus durch eine kleinere Umwälzpumpe bzw. weniger erforderliche Pumpenleistung ein geringerer Stromverbrauch resultiert, um so besser.








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