Wie funktioniert eine Schwerkraftheizung?

In meinem heutigen Beitrag stelle ich euch die Schwerkraftheizung vor. Die Schwerkraftheizung ist ein Heizsystem, welches auf dem physikalischen Schwerkraftprinzip beruht und aufgrund der Dichteänderung von Wasser funktioniert. Die Schwerkraftheizung benötigt somit keine elektrische Energie für eine Heizungspumpe (wie in einer Pumpenheizung) und funktioniert allein auf Grundlage der physikalischen Eigenschaften von Wasser.

Das Prinzip der Schwerkraftheizung

Das Prinzip der Schwerkraftheizung erklärt sich folgendermaßen: Heizwasser wird in einem Wärmeerzeuger erhitzt und ändert dadurch seine Dichte. Das erwärmte Wasser dehnt sich aus und hat bei 90 °C eine relativ geringe Dichte ( ) und ist dadurch leichter. Dadurch erhält das Wasser eine sogenannte Auftriebsbewegung und kann aufgrund seiner Leichtigkeit in einem extra dafür vorgesehenen Steigestrang (Vorlauf) emporsteigen und über eine obere Verteilung das Wasser in die Heizkörper verteilen.

WICHTIG: Schwerkraftheizungen wurden fast immer mit oberen Verteilungen als Wärmeverteilsystem gebaut.

Im Verlauf des Heizungssystems gibt das Wasser seine Wärme an die Räume und das Gebäude ab.  Das Wasser kühlt also auf ca. 70 °C ab, wird wieder schwerer und hat eine höhere Dichte ( ). Dies hat eine sogenannte Abtriebsbewegung zur Folge. Das Heizungswasser treibt im Rücklauf (Fallstrang) wieder zurück zum Wärmeerzeuger und kann erneut erwärmt werden.

Die Schwerkraftheizung macht sich also die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und die damit zusammenhängende Dichteänderung des Wassers zunutze. Dadurch findet ein ständiger Kreislauf statt. Die geringere Dichte von Wasser im Vorlauf und die höhere Dichte von Wasser im Rücklauf sorgen im Heizungssystem für einen geringen Differenzdruck, welcher auch Umtriebsdruck genannt wird.

Die folgende Skizze soll das Prinzip der Schwerkraftheizung noch einmal verdeutlichen.

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Der Umtriebsdruck in einer Schwerkraftheizung ermöglicht dem Heizungswasser, ohne einen elektrischen Antrieb (z.B. Umwälzpumpe) im Heizungssystem zu strömen. In der nachfolgenden Abbildung findet ihr ein beispielhaftes Schema einer Schwerkraftheizung als geschlossenes System mit oberer Verteilung abgebildet.

Voraussetzungen für eine Schwerkraftheizung

Die Größe des Umtriebsdrucks und damit der auch der Strömungsgeschwindigkeit in einer Schwerkraftheizung hängt dabei von mehreren Faktoren ab. Ohne diese Voraussetzungen wird es schwierig eine Schwerkraftheizung zu betreiben.

• Anlagenhöhe: Je höher ein Gebäude ist, desto schneller kann das Wasser in einer Schwerkraftheizung fließen. Hier ist jedoch auch zu beachten, dass das Gebäude nicht zu hoch sein darf, da sich das Wasser ansonsten in den oberen Geschossen zu stark abkühlt und die Zirkulation wieder verlangsamen kann.
• Rohrdurchmesser: Je größer die Rohrdurchmesser sind, desto geringer ist der Reibungswiderstand der Rohre und desto schneller kann das Wasser fließen. Dies hat jedoch auch höhere Installationskosten zur Folge.
• Temperaturniveau und Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf spielt eine entscheidende Rolle, denn je größer diese sind, desto größer der Umtriebsdruck und die Strömungsgeschwindigkeit.

Merke: Es kann also Folgendes gesagt werden: Der Umtriebsdruck steigt, je höher die Temperaturdifferenz, je höher das Temperaturniveau, je größer der Rohrdurchmesser und je höher die Anlagenhöhe sind.

Das bedeutet aber auch gleichzeitig, dass eine Schwerkraftheizung für heutige Niedertemperatursysteme sehr ungünstige Werte hat und daher nur noch selten Anwendung findet.

Vor- und Nachteile einer Schwerkraftheizung

In der nachfolgenden Tabelle habe ich noch einmal die wichtigsten Vor- und Nachteile einer Schwerkraftheizung aufgelistet:

Woran erkenne ich eine Schwerkraftheizung?

In Sanierungsfällen werden vorhandene Schwerkraftheizungen oft zu Pumpenheizungen umgebaut. Daher kann nur bei einer genauen Systembetrachtung festgestellt werden, ob eine Schwerkraftheizung in Betrieb ist oder nicht. Weiterhin können Schwerkraftheizungen mit offenen Systemen und geschlossenen Systemen betrieben werden, da der Umtriebsdruck nicht vom Systemdruck abhängig ist

Da in einer Schwerkraftheizung der Umtriebsdruck die Rohrreibungsverluste überwinden muss, sind bei Schwerkraftheizungen große Rohrquerschnitte notwendig und ein Indiz für dieses Heizungssystem. Außerdem wurden möglichst gerade verlaufende Steige- und Fallstränge installiert, welche eine kurze und waagerechte Anbindung zu den Heizkörpern haben.

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Fazit

Heute werden Schwerkraftheizungen nur noch selten gebaut. Beispiele für Einbauorte sind Gegenden, in denen es keine oder nur wenige Stromquellen gibt oder das Stromnetz nicht zuverlässig genug betrieben werden kann.

Ich hoffe ich konnte euch mit diesem Beitrag einen kleinen Einblick in die Funktion einer Schwerkraftheizung geben. Wenn ihr Fragen, Anregung oder Kritik zur Schwerkraftheizung habt, freue ich mich auf eure Kommentare

Liebe Grüße! Euer Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Bosy Online – Schwerkraftheizung
Wikipedia – Schwerkraftheizung
Amev Heizbetrieb 2001
Gravity Hot Water Heating – A Q&A