Strangschema, 2D- oder 3D-CAD?

Kompakt informieren

• Berechnungssoftware für Heizungsrohrnetze unterstützt die Neuplanung von Heizungsnetzen, die Überprüfung vorhandener Teilnetze oder Stränge und den Hydraulischen Abgleich.
• Ihre Verwendung beschleunigt Arbeitsabläufe und gibt mehr Planungssicherheit. Änderungen im Grundriss, an der Rohrführung oder Dämmung, an Heizkörpern oder Ventilen und Reglern etc. lassen sich mit weniger Aufwand realisieren.
• Gegenüber der rein tabellarischen Eingabe bieten CAD- und BIM-Lösungen insbesondere bei komplexen Heizungsrohrnetzen Vorteile: Die geometrische 2D-/3D-Planung hilft, den Überblick zu behalten, Kollisionskontrollen und Visualisierungen helfen, Montage- und Wartungsprobleme zu vermeiden.
• Unterschiede zwischen den Programmen bestehen insbesondere in Bezug auf die Eingabe und Berechnung komplexer, gekoppelter Systeme oder Mehrkesselanlagen sowie die Auswertung und Ausgabe.

Einfache Heizungsrohrnetze in Einfamilienhäusern lassen sich prinzipiell auch nach Erfahrungswerten dimensionieren. Sobald es komplexer wird, kann es durch eine Unter- oder Überdimensionierung des Rohrquerschnitts zur Unterversorgung von Heizkörpern kommen – deren Kompensation fast unweigerlich Strömungsgeräusche provoziert. Und es entstehen unnötig hohe Kosten für Rohre, Dämmung und Zubehör.

Eine präzise Berechnung ist deshalb eine Grundvoraussetzung für einen optimalen, wirtschaftlichen Betrieb, nicht nur bei Großanlagen. Dadurch werden Druckverluste und somit der Energiebedarf von Heizungspumpen minimiert, Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt, Kosten und Materialeinsatz optimiert.

Heizkörper auslegen

Grundlage der Heizflächen- und Rohrnetzplanung sind in der Regel per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle importierte CAD-Architektenpläne mit entsprechenden Raumdaten. Teilweise ist auch ein Import von Pixel- oder PDF-Daten möglich. Damit können gescannte Papier-Bestandspläne importiert und kalibriert werden, sodass auf einer separaten Zeichnungsfolie die Heizkörper und das Rohrnetz darüber geplant werden können.

Liegen weder digitale Daten noch Papierpläne vor, müssen der Grundriss, respektive das Gebäude per 2D-Zeichnungs- oder 3D-Gebäudeeditor eingegeben werden. Die für die Heizkörperauslegung erforderlichen Heizlast- bzw. Heizleistungsdaten werden entweder zuvor separat berechnet und manuell eingegeben oder vom entsprechenden Heizlast-Modul übernommen (Heizlast-Software im Vergleich, TGA 5-2016, 710146).

Danach werden entsprechend der Raumheizlast [1, 2] und nach VDI 6030 [3] die Heizkörper nach den technischen und geometrischen Randbedingungen gebäude-, geschoss- oder raumweise manuell oder automatisch mithilfe eines Auslegungs-Assistenten im Raum verteilt. Dabei kann per Voreinstellung beispielsweise definiert werden, dass die Heizkörperabmessungen durch vorhandene Fenster (Anzahl, Fensterbreite, Brüstungshöhe) bestimmt werden, dass nur Heizkörper einer bestimmten Höhe/Breite/Tiefe oder nur eines bestimmten Herstellers oder Typs verwendet werden.

Letztere werden aus den Bauteil-Katalogen mit Herstellerdatensätzen nach VDI 3805 [5] ausgewählt und manuell oder gemäß den Voreinstellungen in den Räumen automatisch positioniert. Diese Vor-Auswahl kann später geändert werden. Im Anschluss werden die Heizkörper an das Rohrnetz angeschlossen (siehe unten).

Analog ermöglichen die Programme die Auslegung von Flächenheizungen gemäß DIN EN 1264-3 [6] und unterstützen Planer bei der Ermittlung der günstigsten Vorlauftemperatur und sinnvollen Verlegeabständen, bei der Dimensionierung von Heizkreisen und Verteilern, wahlweise für das gesamte Projekt, Gebäude, Geschoss oder für den einzelnen Raum oder der Planung von Aufenthalts-, Rand- und Kombizonen etc.

Rohrnetz berechnen

Das Rohrnetz wird auf der Grundlage eines Strangschemas, 2D-Grundrisses oder 3D-Modells ver- bzw. ausgelegt. Wurden die Anzahl und die Position der Heizkörper definiert, kann die Trassenführung im Grundriss, in der Ansicht oder in der 3D-Projektion erfolgen. In dieser Entwurfsphase werden Heizungsleitungen häufig als einfache Systemlinie dargestellt, die der Achse der späteren 3D-Rohrleitungen samt Dämmung entspricht.

Um die Trassenführung zu erleichtern, enthalten einige Programme einen „Verlege-Assistenten“, der Leitungen automatisch innerhalb der Wand oder mit einem definierten Wandabstand im Estrich bis zum jeweiligen Steigstrang führt: Werden zwei Leitungssegmente ausgewählt, schlägt er mehrere Verbindungsvarianten zur Auswahl vor. Funktionen, wie das Kopieren, Drehen, Spiegeln oder Strecken bereits erstellter Teilstrecken, verkürzen ebenfalls die Bearbeitungszeit. Heizkörper werden automatisch an das Rohrnetz angebunden, wobei man zwischen mehreren Anschlussvarianten wählen kann: gleich- oder wechselseitig, reitend, hängend, mittig etc.

Werden Heizkörper hinzugefügt oder entfernt, öffnet bzw. schließt das Programm die Leitungsstränge selbstständig. Nachdem die Leitungsführung im Gebäude vorgegeben und die Heizkörper automatisch angebunden wurden, legt die Software das Rohrnetz entsprechend der Massenströme aus. Randbedingungen sind dabei die maximale Strömungsgeschwindigkeit und der materialabhängige Rohrreibungswiderstand (R-Wert).

Berücksichtigt werden die Leitungsführungssysteme Zweirohr und Einrohr, teilweise auch Tichelmann. Prinzipiell können die Heizungsrohre nach unterschiedlichen (maximalen oder minimalen) Vorgabewerten für den ungünstigsten (längsten) Fließweg dimensioniert werden. Dazu gehören der Durchmesser, die Dämmdicke, die Gesamtdruckdifferenz, das Druckgefälle oder die Fließgeschwindigkeit. Andere Heizkörper und Verteiler können auch mit einem größeren Druckgefälle angeschlossen werden, die Minimierung der Rohrnennweite wird dann spätestens von der Strömungsgeschwindigkeit begrenzt. Aus konstruktiven Überlegungen kann auch ein minimaler Durchmesser, beispielsweise DN 10, vorgegeben werden.

Mit den Dimensionierungsvorgaben, dem aus der Trassenführung und der Heizflächenauslegung jeder Teilstrecke zugeordneten Massenstrom, berechnet die Software unter Berücksichtigung von Ventildaten (kv-Werte) und formstückabhängigen Widerstandsbeiwerten (Zeta-Werte) die passenden Nennweiten und die Förderhöhe der Umwälzpumpe(n) sowie die Voreinstellwerte für Heizkörperventile und Strangarmaturen für den Hydraulischen Abgleich.

Kontrollieren und optimieren

Eine 3D-modellbasierte Heizungsrohrnetz-Planung bietet mehr Planungssicherheit: So kann man beispielsweise über eine visuelle oder automatische Kollisionskontrolle prüfen, ob sich Rohrleitungen mit anderen Objekten der Heizungsanlage oder mit Gebäudebauteilen unzulässig überschneiden. Wird parallel auch das Trink-, Abwasser- oder Lüftungsnetz geplant, ist eine TGA-übergreifende Kollisionskontrolle möglich.

Visualisierungen können ferner für Angebote, die Projektdokumentation oder als Installations- und Montagehilfe eingesetzt werden. Alle aus dem Bauteil-Katalog ausgewählten Bauelemente der Heizungsanlage werden mit ihren tatsächlichen Abmessungen und Einbaupositionen so dargestellt, wie sie später vor Ort montiert werden.

Diese exakte Vorwegnahme der späteren räumlichen Verhältnisse, insbesondere von beengten Technikzentralen oder Installationsschächten bietet Vorteile: Eine zentimetergenaue 3D-Planung und -Visualisierung von Heizkesseln, Pufferspeichern, Armaturen und Rohren inklusive Dämmung klärt die realen Platzverhältnisse und verfügbaren Arbeitsräume frühzeitig und beugt so späteren Montage- und Wartungsproblemen vor.

Einige Programme unterstützen auch die Schlitz- und Durchbruchsplanung (HOAI-Leistungsphase 5): So werden für Rohrleitungen, die Wände oder Decken durchdringen, automatisch die notwendigen Wand- und Deckendurchbrüche generiert. Eine visuelle Kontrolle ist meist dennoch erforderlich, um in Kombination mit anderen Öffnungen eine zulassungskonforme Abschottung der Brandabschnitte zu gewährleisten.

Alle Berechnungsergebnisse lassen sich vielfältig auswerten und ausgeben: Visualisierungen und Diagramme zeigen Temperaturen, Druckverluste, Nennweiten oder Wärmeströme an und vereinfachen damit die Analyse und Optimierung des Rohrnetzes. Stücklisten, Massenzusammenstellungen und Bestelllisten mit Artikelnummern des gewählten Herstellers nach beliebigen Merkmalen sortiert, vereinfachen die Materialbestellung, Installation und Montage.

(PDF)-Druckoptionen ermöglichen die Ausgabe als Strang-Grafik oder als Tabelle, sortiert nach Bauteilen, Herstellern oder technischen Werten – wahlweise separat für Rohre, Formstücke, Ventile, Regler, Wärmedämmung und Zubehör.

Wer bietet was (und was nicht)?

Rund 20 Programme für die Heizungsrohrnetz Planung und -Berechnung werden von Software-, teilweise auch von SHK-Produktanbietern, offeriert. In der Konzeption, im Funktionsumfang und den Möglichkeiten unterscheiden sie sich teilweise deutlich. Alle Programme unterstützen sowohl die Neuplanung von Heizungsrohrnetzen als auch die Überprüfung bestehender Netze sowie den Hydraulischen Abgleich.

Offeriert werden Rechenprogramme mit tabellen- oder schemaorientierter Eingabe (z. B. Vitodesk 200 Smartplan oder Zvplan), 2D-Programme mit integrierter Berechnung (z. B. HT 2000-CAE oder Studio 2.0), bis hin zu 3D-CAD- oder BIM-Lösungen, mit denen auch komplexe Systeme dreidimensional geplant, visualisiert und auf mögliche Kollisionen überprüft werden können (z. B. DDS-CAD, liNear Analyse Heating, Plancal nova und Rukon-HSR).

Welche Lösung zu einem Planungsbüro oder zu einem SHK-Installationsbetrieb inklusive Planungsabteilung am besten passt, hängt von der Verwendung, den Projekten und der Nutzungshäufigkeit ab. So eignen sich beispielsweise Rechenprogramme mit tabellarischer, respektive Strangschema-orientierter Eingabe vor allem für Installateure ohne CAD-Kenntnisse, die überschaubare Projekte planen oder bestehende Teilstränge überprüfen.

Auch 2D-CAD führt häufig schneller zum Ziel, als die aufwendigere Planung am 3D-Modell – etwa bei einfachen Anlagen für kleine und mittelgroße Wohngebäude. Ist das Heizungsrohrnetz allerdings weit verzweigt und verwinkelt, geht es über mehrere Etagen und Bauabschnitte, wiegt der Nutzen einer 3D-Eingabe stärker als der Mehraufwand – weil man besser die Übersicht behält.

Die Unterschiede zwischen den Programmen liegen im Detail und zeigen sich beispielsweise in der Art und Weise, wie komfortabel Bauteile aus Bauteilkatalogen ausgewählt, Heizkörper oder Leitungstrassen automatisch ausgelegt werden oder wie schnell Änderungen im Grundriss oder im Leitungssystem in allen Ebenen umsetzbar sind.

Unterschiede zeigen sich auch, wenn es komplexer wird: Sollen etwa gekoppelte Anlagen oder Mehrkesselanlagen, inklusive Pufferspeichern, hydraulischen Weichen, Wärmeüberträgern, Volumenstrom- und Differenzdruckreglern etc. als Gesamtsystem berechnet werden, ohne dass eine umständliche Unterteilung in berechenbare Teilnetze notwendig ist, müssen einige Programme passen. Auch bei Einspritz-, Verteiler- und Beimischschaltungen sind manche Programme überfordert.

Neben den Kosten für die Software, Wartungsverträge und gegebenenfalls eine zusätzliche Basis-Software, sollte man auch diese Einschränkungen, sofern sie in der Planungspraxis relevant sind, bei der Programmauswahl berücksichtigen.Marian Behaneck

Literatur

[1] DIN EN 12 831-1 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, Teil 1: Raumheizlast, Modul M3-3. Berlin: Beuth Verlag, September 2017; Anmerkung: Vollständig anwendbar erst zusammen mit dem Gründruck DIN SPEC 12 831-1

[2] DIN SPEC 12 831-1 (Entwurf) Verfahren zur Berechnung der Raumheizlast – Teil 1: Nationale Ergänzungen zur DIN EN 12 831-1. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2018

[3] DIN V 4108-6 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. Berlin: Beuth Verlag, Juni 2003, Berichtigung März 2004

[3] VDI 6030 Blatt 1 Auslegung von freien Raumheizflächen – Grundlagen – Auslegung von Raumheizkörpern. Berlin: Beuth Verlag Juli 2002

[4] DIN EN 1264-3 Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 3: Auslegung. Berlin: Beuth Verlag, November 2009

[5] VDI 3805 Blatt 2 Produktdatenaustausch in der Technischen Gebäudeausrüstung – Armaturen für Heizungen. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2016

[6] DIN EN ISO 11 855-1 bis -4 Umweltgerechte Gebäudeplanung – Planung, Auslegung, Installation und Steuerung flächenintegrierter Strahlheizungs- und -kühlsysteme – Teil 1: Begriffe, Symbole und Komfortkriterien; Teil 2: Bestimmung der Auslegungs-Heiz- bzw. Kühlleistung; Teil 3: Planung und Auslegung; Teil 4: Auslegung und Berechnung der dynamischen Wärme- und Kühlleistung für thermoaktive Bauteilsysteme (TABS). Berlin: Beuth Verlag, November 2011, Teil 1, 2 und 4 berichtigt im November 2016