Wärmeverteilsysteme

Bei der Verteilung und dem Transport der Heizenergie im Gebäude werden grundsätzlich zwei Prinzipien unterschieden. bis in die 60er Jahre erfolgte die Wärmeverteilung im wesentlichen über Schwerkraftanlagen, insbesondere in Verbindung mit Wechselbrand-, Holz- oder Kohlekessel, also Heizungen die ohne Strom betrieben werden.

Der Umlauf des Heizungswassers kommt bei Schwerkraftanlagen allein dadurch in Gang, dass warmes spezifisch leichter ist als kaltes.
Das vom Heizkessel erwärmte Wasser steigt in den Vorlaufrohren auf, gibt seine Wärme über den Heizkörper in den Raum ab und fällt abgekühlt in den Rücklaufleitungen zum Heizkessel zurück. Derartige Anlagen funktionieren folglich nur, wenn der Heizkessel im Keller steht und die Rohrleitungen ausreichende Querschnitte (wegen des geringen Strömungswiderstandes) aufweisen.

Bei der Modernisierung wurden noch vorhandene Schwerkraftanlagen in der Regel auf Pumpenbetrieb umgestellt (Pumpenwarmwasserheizung) umgestellt. Die Vorteile sind eine schnellere Wärmeverteilung, eine bessere Regelung und eine effizientere Ausnutzung des Kessels. Ein weiterer Vorteil der Pumpenwarmwasserheizung ist die höhere Strömungsgeschwindigkeit in den Rohrleitungen, wodurch die Leitungsquerschnitte deutlich reduziert wurden, die Leitungen ohne Rücksicht auf Gefälle frei verlegt wurden und z.B. auch im Fußboden versteckt werden konnten. Diese Art der Verlegung erlaubt nicht nur eine Verringerung der Leitungslängen und –kosten, sondern auch eine freie Anordnung der Heizkörper im Raum.

Die Verteilung des vom Heizkessel erwärmten Wassers (und damit der Heizenergie) zu den Heizkörpern erfolgt über Rohrleitungen. Der wichtigste Werkstoff für Rohrleitungen, die im Heizungsbau verwendet werden, ist Stahl (Flussstahl). Der Anteil von Kupfer- und Kunststoffrohren nimmt aber seit den 60er Jahren – insbesondere bei kleineren Anlagen – stetig zu.

Die im Heizungsbau verwendeten Stahlrohre sind genormt (DIN EN 1333). Die wichtigsten Begriffe sind dabei Nennwert, Nenndruck und Betriebsdruck.

Leitungsrohre aus Stahl, die für den Heizungsbau eingesetzt werden, sind entsprechend ihrem Verwendungszweck bzw. ihrer Herstellung in verschiedene Gruppen eingeteilt.

Einteilung von Stahlrohren für Heizungsanlagen

DIN-Nummer  Kurztitel  Einsatzbereich 
DIN 2440  Mittelschwere Gewinderohre  für DN 10 bis DN 32 (3/8" bis 1 1/4") 
DIN 2441   Schwere Gewinderohre  für hohe Drücke, Kondensatableitung 
DIN 2448   Nahtlose Stahlrohre   meist für DN 40 bis DN 300 
DIN 2458   Geschweißte Stahlrohre  für größere Durchmesser 

Mittelschwere Gewinderohre nach DIN 2440

Anbindungs- und Geschoßleitungen

Stahlrohr DN  Massenstrom kg/h  Druckgefälle Pa/m  Geschwindigkeit m/s 
10  130  129  0,30 
15  250  125  0,35 
20  500  100  0,39 
25  1000  117  0,49 
32  2000  106  0,56 
40  2800  93  0,59 
50  5000  94  0,64 
65  9000  70  0,68 
80  14000  71  0,77 

Strang- und Hauptverteilleitungen

Stahlrohr DN  Massenstrom kg/h  Druckgefälle Pa/m  Geschwindigkeit m/s 
15  300  175  0,42 
20  700  189  0,54 
25  1200  168  0,58 
32  2500  161  0,70 
40  3800  166  0,78 
50  700  160  0,90 
65  12000  120  0,91 
80  18000  116  0,99 

Kupferrohre sind Stahlrohrleitungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und schnelle Verarbeitung überlegen, allerdings sind die Kosten und der Primärenergieaufwand bei der Herstellung je Meter Rohr bei gleicher Nennweite höher als bei Stahlrohren. Außerdem besitzt Kupfer einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Stahl. Die Rohre müssen bei diesem Material daher so verlegt bzw. befestigt werden, dass es nicht aufgrund der Längenausdehnungen des Kupfers zu Spannungen im Rohrnetz kommt. Während bei Stahlrohren hierfür die „üblichen“ Richtungsänderungen im Gebäude ausreichen, müssen bei längeren Kupferrohrleitungen zusätzlich z.B. Kompensatoren eingebaut werden.

Für Krümmungen werden Kupferrohre am besten kalt auf einer Biegemaschine gebogen. Rohre mit größeren Durchmessern sollten zuvor erwärmt werden. Die Rohrverbindungen erfolgen durch „Fittings“, die durch Löten verbunden werden. Bei Gasinstallationen und Heizölleitungen ist das „Hartlötverfahren“ vorgeschrieben, für Heizungsanlagen ist die Verbindung in „Weichlot-Technik“ ausreichend. Nach DIN 1786 werden Kupferrohre durch die Angabe von Außendurchmesser und Wandstärke gekennzeichnet. Ein Kupferrohr mit 35 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Wandstärke wird bezeichnet als Rohr Cu 35 x 1,5 DIN 1786.
In den letzten Jahren kommen zunehmend Kunststoffrohre zum Einsatz, insbesondere im Zusammenhang mit Fußbodenheizungen. Auch für Warmwasser- und Kaltwasserinstallationen gibt es geeignete Rohrmaterialien aus Kunststoff. Als Materialien werden unterschiedliche Kunststoffen - wie z.B. PVC, PE und Polybuten - verwendet. Der Vorteil von Kunststoffrohren liegt in ihrer einfachen Installation (Quetschverschraubungen) und ihrem relativ niedrigen Preis. Bei der Verlegung von Kunststoffrohren muss der vergleichsweise sehr hohe Wärmeausdehnungskoeffizient der Rohre berücksichtigt und durch geeignete Befestigungen etc. kompensiert werden.

Bei der direkter Anbindung von Kunststoffrohren an den Heizkessel gibt es häufiger Probleme wegen Korrosionserscheinungen am Kesselkörper oder an den Metallrohren und Armaturen, wenn die Kunststoffrohre nicht gasdicht sind. Der Grund hierfür ist, dass Sauerstoff (grundsätzlich) in der Lage ist, durch den Kunststoff in das Heiz- oder Warmwasser zu diffundieren. Um dies zu verhindern, wird dem Kunststoff entweder ein spezieller Inhibitor zugesetzt oder eine Systemtrennung durch einen Wärmetauscher aus einem korrosionsbeständigen Material, wie z.B. Kupfer, vorgenommen.

Über ungedämmte Rohrleitungen können hohe Wärmeverluste auftreten, wenn sie durch unbeheizte Räume oder Räume mit niedrigeren Temperaturen verlaufen. Entsprechend der Heizungsanlagen-Verordnung müssen Rohrleitungen daher in diesen Bereichen wärmegedämmt werden. Grundlage für die Berechnung der Dämmstoffstärke ist dabei eine Wassertemperatur von 45 °C und die Annahme, dass die Rohre in einem unbeheizten Raum mit einer Temperatur von ca. 15 °C verlegt sind.

Für die Wärmedämmung steht eine Vielzahl von Materialien zur Verfügung, beispielsweise Wolle, Baumwolle, Mineralwolle, Flachs, Kork und Kunststoffschäume. Welche Materialien zur Dämmung von Rohrleitungen im Einzelfall eingesetzt werden, hängt im wesentlich von den optischen, mechanischen und brandschutztechnischen Anforderungen ab. Handelsüblich sind Halbschalen aus Mineralwolle oder Polyvinylkautschuk, die als fertige Systeme für alle genormten Rohrdurchmesser angeboten werden. Bei der Verarbeitung ist auf einen ununterbrochenen Dämmzug um die Rohre zu achten, da sich bei hohen Temperaturdifferenzen Wärmebrückeneffekte besonders drastisch zeigen.

Die Mindestdicke der Dämmschicht ist von der Nennweite (DN) der Rohrleitungen abhängig. In Tabelle 21 sind die Anforderungen der Heizungsanlagen-Verordnung an die Wärmedämmung von Rohrleitungen dargestellt. In Aufenthaltsbereichen, Gängen sowie in der Heizzentrale ist es üblich, die Wärmedämmung bis zu einer Installationshöhe von mindestens 2 m mit einer schlagfesten Außenhaut (Stahlblech oder ähnlichem Material) zu verkleiden.

Wärmeverluste von Kupferrohrleitungen und notwendige Dämmstoffstärken nach Heizungsanlagen-Verordnung

  DN 10
d = 12 mm  
DN 15
d = 18 mm  
DN 20
d = 22mm  
DN 25
d = 28 mm  
DN 32
d = 35 mm  
Wärmeverluste für un-gedämmte Leitungen W/m Rohrleitung  12  18  22  27  35 
Dämmstoffstärke nach HeizAnlV (l. = 0,035 W/m2 K)  20 mm  20 mm  20 mm  30 mm  30 mm