Auslegung einer Heizungspumpe mit Beispielrechnung

von | Aktualisiert am 28.03.2024 | 66 Kommentare

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In diesem Beitrag zeige ich euch, wie man eine Heizungspumpe mit nur wenigen Daten berechnen und auslegen kann. Anwendung findet diese Berechnungsmethode meist in Bestandsgebäuden, da technische Daten nur noch schwer aufzufinden oder gar nicht mehr vorhanden sind. In einer kleinen Beispielrechnung zeige ich euch, dass die Berechnung einer Heizungspumpe einfacher ist als man denkt. Anschließend legen wir anhand des Beispiels eine Heizungspumpe aus und wählen das richtige Modell für unseren Anwendungsfall.

Warum man eine elektronisch geregelte Heizungspumpen auslegen sollte, könnt ihr in dem Artikel von Dipl.-Ing. Wolfram Meyer aus dem IHKS Journal mit dem Titel „Sinn und Unsinn geregelter Pumpen“ nachlesen.

Für die Auslegung einer Umwälzpumpe benötigt man eigentlich nur zwei Werte: die Förderhöhe der Pumpe H und den Pumpenförderstrom QPU. Steigen wir also direkt ein.

Berechnung der Förderhöhe

Um die Fakten noch einmal auf den Punkt zu bringen, zitiere ich einen wichtigen Abschnitt aus meinem Beitrag „Was ist die Förderhöhe einer Pumpe?“.

„Eine Pumpe soll Flüssigkeiten von A nach B transportieren. Für diesen Transport ist kinetische Energie oder auch Bewegungsenergie notwendig. Produziert wird die kinetische Energie durch die Rotation des Pumpenlaufrades in der Pumpe. Dadurch wird von der Pumpe ein sogenannter Förderdruck aufgebaut, welcher notwendig ist, um die Strömungswiderstände der Heizungsanlage bei einer bestimmten Durchflussmenge zu überwinden.“

Die Pumpe muss also einen bestimmten Förderdruck aufbauen, um alle Widerstände im Heizungssystem zu überwinden und die Heizkörper mit warmem Wasser zu versorgen. Der Förderdruck wird auch Förderhöhe genannt und diese gilt es zu berechnen.

Normalerweise setzt sich die Förderhöhe H einer Anlage aus dem geodätischen Höhenunterschied Hgeo, dem statischen Druck Hstat, dem dynamischen Druck Hdyn und den Verlusten in der Anlage H_V zusammen.

In einem Umwälzsystem (also einer Heizungsanlage) sind für die Berechnung der Förderhöhe laut VDMA 24199 jedoch nur die Verluste der Anlage HV ausschlaggebend. Von daher kann für die Berechnung der Pumpenförderhöhe einer Heizungsanlage die folgende vereinfachte Formel verwendet werden:

    \[H=\frac{R \cdot L \cdot ZF} {10.000}\quad [mWS]\]

Der Faktor 10.000 in der Formel ist übrigens der Faktor zur Umrechnung der Förderhöheneinheit von Pascal in Meter Wassersäule, da diese überwiegend verwendet wird. Dabei gilt:

1 m WS = 0,0980665 bar = 98,0665 mbar = 9.806,65 Pa

Zur Vereinfachung kann man sich Folgendes merken:
1 m WS ≈ 0,1 bar ≈ 100 mbar ≈ 10.000 Pa
10 m WS ≈ 1 bar ≈ 1000 mbar ≈ 100.000 Pa

Im Folgenden erkläre ich euch, wie ihr die Formel anwenden könnt. Diese Informationen habe ich aus der WILO Pumpenfibel, welche ich jedem empfehlen kann. Hier werden alle wichtigen Informationen zur Pumpentechnik einfach und verständlich erklärt. Die Inhalte der folgenden Tabelle findet ihr in der WILO Pumpenfibel auf Seite 41.

FormelzeichenBeschreibung
RR gibt den Rohrreibungsverlust in einem geraden Rohr an.
Laut Wilo können hier 50 Pa/m bis 150 Pa/m für Standardanlagen angenommen werden. Das Alter des Gebäudes spielt hier die entscheidende Rolle. Aufgrund der größeren Nennweiten haben ältere Gebäude einen kleineren Rohrreibungsverlust (50 Pa/m) und neuere einen höheren (150 Pa/m).
LL steht für die Länge des ungünstigsten Stranges von Vor- und Rücklauf in Meter m. Vereinfacht kann man die Maße des Hauses nehmen. Dies berechnet sich wie folgt: (Lange+Breite+Höhe) x 2
ZFZF steht für den Zuschlagsfaktor für Armaturen und Formstücke, welche einen Widerstand im Heizungssystem darstellen. Dabei gelten nach Wilo folgende Faktoren:

 

  • Formstücke und Armaturen \approx 1,3
  • Thermostatventil \approx 1,7
  • Mischer/ Schwerkraftbremse \approx 1,2
  • Formstücke und Armaturen + Thermostatventil \approx 2,2
  • Formstücke und Armaturen + Thermostatventil + Mischer/ Schwerkraftbremse \approx 2,6
10.000Faktor zur Umrechnung von Pascal Pa in Meter Wassersäule mWS
(1 mWs = 9.806,65 Pa)

Berechnung des Förderstroms

Der Förderstrom, oder auch die Fördermenge, ist der Volumenstrom am Austritt der Druckseite einer Pumpe, also der Seite, in welcher Richtung das Wasser gefördert werden soll. Falls ihr mit dem Begriff Volumenstrom noch nichts anfangen könnt, empfehle ich euch meinen Beitrag zum Volumenstrom und der Strömungsgeschwindigkeit.

Um den Förderstrom QPU einer Umwälzpumpe berechnen zu können, benötigt man den Wärmestrom \dot Q, die spezifische Wärmekapazität des Wassers cW, die Dichte des Wassers \rho (rho) und die Auslegungstemperaturdifferenz \Delta\vartheta.

Der Förderstrom einer Pumpe berechnet sich mit folgender Formel:

    \[Q_{PU}=\frac{\dot Q} {\rho \cdot c_W \cdot \Delta\vartheta} \quad [\frac{m^3}{h}]\]

FormelzeichenBeschreibung
\dot Q\dot Q gibt den Wärmestrom oder auch die Wärmeleistung an. In diesem Fall handelt es sich um den Wärmebedarf des Gebäudes, welcher mittels einer Heizlastberechnung ermittelt wurde oder der vorhandenen Kesselleistung im Gebäude entspricht.
Hinweis: Sollte die installierte Kesselleistung größer als der berechnete Wärmebedarf mittels Heizlastberechnung sein, empfiehlt es sich mit dem Wert der Heizlastberechnung zu rechnen. Der Wärmebedarf wird in Watt W angegeben.
\rho\rho gibt die Dichte für Wasser an. In diesem Fall kann mit \approx 1 kg/l gerechnet werden.
c_WcW ist die spezifische Wärmekapazität für Wasser. Es kann dabei mit 1,16 Wh/kgK gerechnet werden.
\Delta\vartheta\Delta\vartheta steht für die Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauf. Die Temperaturdifferenz wird in Kelvin K angegeben.

Beispielrechnung

In dieser Beispielrechnung möchte ich euch zeigen, wie ihr eine Heizungspumpe auslegen könnt. Dazu habe ich eine kleine Skizze angefertigt, in welcher Ihr die notwendigen Daten findet, die man zur Berechnung der Förderhöhe und des Förderstroms benötigt.

heizungspumpe berechnen
Abbildung 1: Skizze für Beispielrechnung

Bei der Betrachtung der Skizze können wir folgende Werte ermitteln:

  • Breite: 15 m
  • Länge: 20 m
  • Höhe: 12m
  • Baujahr: 1990
  • ZF = 2,2 (Formstücke, Armaturen und Thermostatventile vorhanden)
  • Annahme von 120 Pa/m Druckverlust
    Wärmebedarf: 80 kW
    Heizzsystemtemperatur: 75/55

Berechnung der Förderhöhe H

R= 120 Pa/m
L=(15m+20m+12m) x 2 = 94m
ZF = 2,2

    \[H=\frac{120Pa/m \cdot 94m \cdot 2,2} {10.000} = \underline{\underline{2,48 mWS}}\]

Berechnung des Förderstroms QPU

\dot Q=80kW
\rho=1kg/l
c_W=1,16Wh/kg \cdot K
\Delta\vartheta=\vartheta_{Vorlauf}-\vartheta_{R\"ucklauf}=75^{\circ}C-55^{\circ}C=20K

    \[Q_{PU}=\frac{80kW \cdot l \cdot kg \cdot K} {1kg \cdot 1,16Wh \cdot 20K} = \underline{\underline{3,45\frac{m^3}{h}}}\]

Die wichtigsten Daten zur Bestimmung der Umwälzpumpe haben wir nun erfolgreich berechnet. Im nächsten Schritt werden wir die Dimension der Umwälzpumpe ermitteln.

In Deutschland sind derzeit die beiden Firmen Grundfos und Wilo Marktführer. Von daher werden wir uns die beiden Onlineprogramme zur Auslegung von Pumpen sowie die Smartphone Apps dieser beiden Firmen genauer anschauen (diese sind kostenlos). Weitere Auslegungsprogramme findet ihr beispielsweise bei Biral und KSB.

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Pumpendiagramm und Arbeitsbereich einer Pumpe

Um eine geeignete Pumpe zu wählen, ist es notwendig sich das Pumpendiagramm genauer anzuschauen. Jede Pumpe hat ein eigenes Pumpendiagramm, welches in Förderstrom (Q) auf der x-Achse und Förderhöhe (H) auf der y-Achse unterteilt ist.

Weiterhin wird der Arbeitsbereich der Pumpe angegeben und gezeigt, welche Förderhöhe bei welchem Förderstrom möglich ist. Der Auslegungs-Betriebspunkt einer Pumpe zeigt uns den Punkt bei maximal berechneter Förderhöhe und Förderstrom.

Dieser errechnete Betriebspunkt sollte sich dabei innerhalb des angegebenen Arbeitsbereichs (roter Bereich) der jeweiligen Pumpe befinden. Anhand von Abbildung 2 kann, wie in der WILO Pumpenfibel beschrieben, folgendes gesagt werden:

  • Erster Bereich: Befindet sich der Betriebspunkt in diesem Bereich, sollte eine kleinere Pumpe gewählt werden.
  • Zweiter Bereich: Befindet sich der Betriebspunkt in diesem Bereich, arbeitet die Pumpe überwiegend in ihrem optimalen Arbeitsbereich (nach Wilo ca. 98 %).
  • Dritter Bereich: Befindet sich der Betriebspunkt in diesem Bereich, arbeitet die Pumpe nur im Auslegungsfall, also an den jeweils wärmsten und kältesten Tagen des Jahres (nach Wilo ca. 2 %) in ihrem optimalen Arbeitsbereich.
Betriebspunkt der Pumpenkennlinie sollte sich im roten Feld der Kennlinie befinden
Abbildung 2: Betriebspunkt der Pumpenkennlinie sollte sich im roten Feld der Kennlinie befinden

Auslegung für Grundfos

Um eine Pumpe auslegen zu können, hatte Grundfos ursprünglich die Onlinesoftware WebCAPS ins Leben gerufen, welche inzwischen einfach nur noch „Grundfos Produkt Center“ heißt. Dieser ist auch für Smartphones optimiert, sodass eine zusätzliche App nicht mehr notwendig ist. Zur Auslegung einer Pumpe geht ihr auf die Webseite vom Grundfos Produkt Center

Hier habt ihr nun die Auswahl zwischen „Schnellauslegung“, „Erweiterte Auslegung“ und „Geführte Auslegung“. Wir entscheiden uns für die „Schnellauslegung„. Wer es etwas genauer haben möchte, kann noch weitere Details in der erweiterten Auslegung eingeben. Als Daten hinterlegen wir unsere berechneten Werte für den Förderstrom (Q) und die Förderhöhe (H), und wählen anschließend: Auslegungsart wählen -> nach Anwendung -> Heizung.

Als Installation haben wir hier nur „Primärkreispumpe“, „Trinkwasserinstallation“ oder „Solar“ zur Auswahl. Wir wählen daher „Primärkreispumpe“, auch wenn diese in einem Sekundärkreis installiert werden soll. Anschließend kann die Pumpe ausgelegt werden.

Auslegung einer Grundfos Pumpe (bearbeiteter Screenshot der Webseite)
Abbildung 3: Auslegung einer Grundfos Pumpe (bearbeiteter Screenshot der Webseite)

Nachdem Ihr auf „Auslegung starten“ geklickt habt, wird euch eine Liste potenzieller Pumpen vorgeschlagen. Wir wählen die Magna 3 25-40 aus und schauen uns die Daten etwas genauer an, denn es ist wichtig, dass sich der berechnete Betriebspunkt im Arbeitsbereich der Pumpe befindet.

Ergebnis der Pumpenauslegung im Grundfos Produkt Center
Abbildung 4: Ergebnis der Pumpenauslegung im Grundfos Produkt Center

Wie wir im nachfolgenden Pumpendiagramm sehen können, befindet sich der Betriebspunkt im Arbeitsbereich der Magna 3 25-40 Pumpe.

Pumpenkennlinie der Grundfos Magna3 25-40
Abbildung 5: Pumpenkennlinie der Grundfos Magna3 25-40

Geschafft: Grundfos schlägt euch auf Grundlage unserer Daten eine Magna 3 25-40 vor. Hier kommt es natürlich auch noch auf die vorhandene Rohranschlussgröße im Heizungskeller an, da die vorgeschlagene Magna 3 für ein Rohr mit der Nennweite DN 25 passt.

Diese und weitere Spezifikationen kann man bei der erweiterten Auslegung eingeben. Für weitere Produktinformationen kann man auf Produktdetails klicken und erhält eine ausführliche Beschreibung aller Pumpenfunktionen.

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Auslegung für Wilo

Auslegung der Pumpe mit Wilo-Select Online

Wilo hat ebenfalls eine Onlinesoftware für seine Pumpen auf den Markt gebracht. Es handelt sich dabei um das Programm Wilo-Select Online. Auch hier geht ihr zuerst auf die Webseite von Wilo-Select Online und wählt im ersten Schritt eure Sprache und den Heimatmarkt aus.

Startseite Wilo Select
Abbildung 6: Startseite Wilo Select

Im zweiten Schritt wählt ihr „Hydraulische Auswahl“ -> Jetzt Starten und kommt anschließend in die Eingabemaske für Wilo Select.

Wilo Select - hydraulische Auswahl
Abbildung 7: Wilo Select – Hydraulische Auswahl

In der Eingabemaske für Wilo Select wählt ihr zunächst das Einsatzgebiet für die Pumpe aus. In unserem Beispiel ist das Einsatzgebiet „Heizung, Klima, Kälte“. Anschließend wählen wir eine Pumpe für den jeweiligen Bedarf aus. Ich entscheide mich für eine Nassläuferpumpe -> Hocheffizienzpumpe. Wilo Select wählt nun automatisch eine Pumpengruppe aus, die passen könnte. In unserem Fall handelt es sich um die Baugruppe Wilo Stratos.  Im nächsten Schritt gebt ihr den berechneten Förderstrom sowie die berechnete Förderhöhe in das entsprechende Feld ein und klickt auf „Weiter“.

Pumpenauslegung mit Wilo-Select
Abbildung 8: Pumpenauslegung mit Wilo-Select

Im folgenden Bild erscheint eine Liste mit möglichen Pumpen sowie die zugehörige Pumpenkennlinie. Ich wähle die erste Pumpe in der Liste, eine Stratos MAXO 25/0,5-4 PN10. Hier befindet sich der Betriebspunkt in dem zweiten Drittel der Pumpenkennlinie. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die Pumpe überwiegend in ihrem optimalen Arbeitsbereich arbeitet.

Pumpenkennlinie Wilo Stratos MAXO 25/0,5-4 PN10.
Abbildung 9: Pumpenkennlinie Wilo Stratos MAXO 25/0,5-4 PN10.

Geschafft! Mit diesen wenigen Schritten ist es möglich eine Pumpe auszulegen. Auch hier kommt es wieder auf die vorhandenen Rohrdimensionen im Heizungskeller an, da die Wilo Stratos für ein Rohr mit der Nennweite DN 25 passt. Wilo bietet ebenfalls wie Grundfoss in Wilo-Select Online eine große Auswahl an Produktdetails an. Hier kann man unter anderem Ausschreibungstexte, eine Betriebsanleitung, einen Klemmplan oder CAD Daten finden.

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Auslegung der Pumpe mit dem Wilo Assistenten für Smartphones

Wilo bietet für das Auslegen mit dem Smartphone die App „Wilo Assistent“ an. Ihr könnt die App „Wilo Assistent“ kostenlos für Android im Google Playstore oder für Apple Produkte im App Store herunterladen.

In Abbildung 10 könnt ihr die Pumpenauslegung mit dem Wilo Assistenten nachverfolgen. Um die Pumpenauslegung zu starten, öffnet ihr die installierte App auf eurem Smartphone. Im ersten Schritt könnt ihr direkt die berechneten Werte von Förderstrom und Förderhöhe in den Wilo Assistenten eingeben und drückt anschließend auf „Heizung“.

Im Gegensatz zum Onlineprogramm Wilo Select entfallen die Schritte der Recherchearbeit. Es wird euch auf Grundlage der berechneten Daten direkt eine Heizungspumpe vorgeschlagen. Der Wilo Assistent schlägt uns, wie wir schon in Wilo Select ermittelt haben, eine Stratos MAXO 25/0,5-4 PN10 vor. Alternativ wird noch eine kleinere Pumpe mit der Yonos PICO plus 25 1-8-130 PN10 vorgeschlagen.

Pumpenauslegung mit der Wilo Assistent App
Abbildung 10: Pumpenauslegung mit der Wilo Assistent App

Fazit

Wenn man kein Programm zur Pumpenauslegung zur Verfügung hat, ist es oft mit wenigen Daten möglich, die Förderhöhe sowie den Förderstrom zu ermitteln und anschließend über die Webseiten oder Smartphone Apps der Pumpenhersteller eine Pumpe auszulegen.

Vor dem Einbau oder dem Kauf einer Pumpe sollten die berechneten Werte jedoch immer von einer Fachfirma oder einem Ingenieurbüro überprüft werden.

WICHTIG: Die hier geschilderten Arbeitsweisen basieren auf meinen persönlichen Erfahrungen und Gedankengängen. Das Ausprobieren und das Implementieren der beschriebenen Vorgehensweisen erfolgt ausschließlich auf eigene Verantwortung und Gefahr. Ich übernehme keine Verantwortung. Weiterhin empfehle ich euch die berechneten Werte immer von einer Fachfirma oder einem Ingenieurbüro prüfen zu lassen. Denn auch wenn der hier beschriebene Weg einfach erscheint, können sich immer wieder Rechenfehler einschleichen.

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Ich hoffe, ich konnte euch mit diesem Beitrag einen kleinen Einblick in die Auslegung und Berechnung von Heizungspumpen geben. Wenn Ihr Fragen, Anregungen oder Kritik habt, freue ich mich auf eure Kommentare.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Wilo Pumpenfibel
Wilo Deutschland
Wilo-Select Online
Wilo Assistent – Google Playstore

Wilo Assistent – Apple
Grundfos Deutschland
Grundfos Product Center
KSB Pumpen
Biral Pumpen
GEA Mechanical Equipment – Auslegung von Pumpen und Rohrleitungssystemen

Begriffe der Pumpentechnik von Fristam
VDMA 24199
Wikipedia – Wärmezähler
IHKS – Fachbeitrag: Sinn und Unsinn geregelter Pumpen

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