letzte Aktualisierung:
01.02.2017
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Schwerkraftheizung? was'sn das?!

Gerade im Internet kann man mitunter sehr abenteuerliche Beschreibungen oder Anleitungen zum "Aufhübschen" alter Heizungen oder zum Aufbau einer "low budget"-Heizung aus gebrauchten Teilen - oft fragwürdiger Herkunft - finden. Meistens sind die Ideen fundiert oder zumindest originell, oft aber schreibt immer wieder jemand woanders gefundenen Unfug ab, obwohl mit logischer Überlegung und etwas Physikkenntnis der dargebotene Unfug offen zu Tage tritt.
Wohlan, gebe ich eben auch noch "meinen Senf" dazu. Dabei will ich nicht "das Rad neu erfinden", sondern einen Rückblick geben, wie man einstmals mit einfachen Mitteln zum Ergebnis kam und vielleicht den einen oder anderen Denkanstoß vermitteln. Zum Beispiel, wie man auf dem Boden des Gesetzes und der Physik auch heute noch eine autarke Feststoffheizung bauen könnte... Und veröffentliche ein Rechenbeispiel aus der früheren Praxis. Der Betrieb und mit dessen Fortdauer seit 1938 einhergehende Erweiterungen und Modernisierungen waren bei unserer Anlage - nicht ausschließlich, aber vorwiegend - geprägt durch die Notwendigkeit, aber auch den Vorteil (als Waldbesitzer) der Verfügung über genügend selbst erzeugtes, trockenes Scheitholz.
Diese Ausführungen können und wollen keine erschöpfende, fachliche Anleitung sein (schließlich bin ich kein Klempnermeister!), aber sollen Denkanstöße und ein paar Praxistips geben, die Machbarkeit muß jeder für seinen speziellen Fall eigenverantwortlich prüfen. 
(Die Ausführungen stützen sich auf die eigenen Erfahrungen des Verfassers mit der Berechnung und dem Bau seiner selbstgenutzten Heizung 1988-89 und deren Weiterentwicklung bis heute. Dabei wird bei den angefügten Berechnungsbeispielen vom damals aktuellen technischen Stand ausgegangen. - Die Gesetze der Physik haben sich ja lt. Einigungsvertrag nicht geändert seitdem ;-) Nur die physikalischen Einheiten müßte man sich umrechnen. Da aber die eingefügten, alten Tabellen auf diesen Einheiten basieren, behalte ich die damals verwendeten Einheiten (Kcal; mmWS usw.) bei. Eine Umrechnung online gibt es hier.

Update vom 01.02.2017: Schwerkraftkessel Viadrus Hercules U 32

In der Tschechischen Republik hat das Unternehmen VIADRUS a.s. aus Bohumin (b. Ostrava) 2015 einen schwerkrafttauglichen (G2'' VL/RL-Anschlüsse) Naturzug-Grauguß-Gliederkessel HERCULES U 32, Leistung 21 kW (mit 7 Gußgliedern*) für Festbrennstoffe herausgebracht (der folglich ohne Hilfsenergie / Gebläse auskommt), welcher laut eigenem Bekunden die strengen Werte der BimSchV 2 einhält. Inspiriert durch einen Leser meiner "Schwerkraft"-Seite habe ich mir dieses Angebot einmal näher angeschaut (für meine eigenen Zwecke war das nicht mehr relevant, da ich 2014 kurz vor Ultimo noch nach BImSchV 1 umgerüstet hatte). Gußkessel sind ja bekanntlich Stahlkesseln bei sachgemäßem Umgang hinsichtlich Lebensdauererwartung weit überlegen, bei guter Behandlung sind 30 Betriebsjahre und mehr denkbar, was den konservativen Schwerkraftheizer natürlich freut!
 *) Bei meiner Recherche habe ich auf einer tschechischen Händlerseite auch eine Variante mit 5 Gliedern und 14-15kW gefunden.

Hercules U32

 Der Kessel ist für Braunkohlebriketts (aber auch Scheitholz und Steinkohle) ausgelegt und sein Rost ist wasserführend, was den Wirkungsgrad deutlich gegenüber älteren Kesselkonstruktionen verbessert. (Herstellerangabe: ca. 88% Wirkungsgrad) Im hinteren Bereich des Brennraumes ist eine sogenannte Keramikdüse angebracht, welche für die restlose Verbrennung aller mit dem Rauchgas mitgerissenen unverbrannten Gase und Partikel durch Sekundärluftzufuhr und somit für die Schadstoffarmut sorgt.
"Durch die Neugestaltung der Brennkammer und der Abgasabführung ermöglicht der Kessel eine Kraftstoffverbrennung mit einer natürlichen Rauchabführung bei optimalen Emmissionseigenschaften, welche durch das Energieforschungszentrum der Teschnischen Universität Ostrava bescheinigt wurden. Die Ergebnisse werden durch das Prüfinstitut der Maschinenbauindustrie in Brünn durch die Zertifizierung gemäss EN 303-5 bestätigt." (Zitat Viadrus-Homepage, Kopien des Zertifikates habe ich zur Hand)
 
Das Bauteil liegt bei der Lieferung in mehreren Einzelteilen verpackt bei und muß bei der Aufstellung des Kessels erst noch eingebaut werden. Über die Lebensdauer dieses Einsatzes habe ich noch nichts herausfinden können. 
Die Abgastemperatur wird mit 120 - 160° angegeben, der Zugbedarf mit mindestens 20 Pa. Man sollte bei dieser Temperaturangabe überdenken, ob man seinen Schornstein vor der Installation des Kessels ertüchtigen möchte, weil hier mehr Kondensat ausfällt, als bei älteren Kesseln mit höherer (fast doppelter) Abgas- temperatur. Nach Herstellerangabe ist der Kessel mit einer thermischen Ablaufsicherung ausgestattet. Im Herstellerland findet man online (Stand 02/2017) Preisangaben von ca. 1.300,-€ incl. MWSt. (anderswo: 30.900 Kc) aufwärts. In der BRD wird der Kessel von mehreren Händlern (online) mit erheblichem Preisaufschlag angeboten. 
(Ich muß hier - Stand heute - ausdrücklich betonen, daß mir noch keine Berichte vorliegen, ob jemand in Deutschland diesen Kessel schon erfolgreich betreibt! Für diesbezügliche Infos wäre ich jederzeit empfänglich...)
Auf jeden Fall muß vor einer Anschaffung mit dem zuständigen Bezirksschornstenfegermeister Rücksprache gehalten werden, ob der Kessel an der betreffenden Abgasanlage überhaupt angeschlossen werden darf! Erfahrungsgemäß sind diese Meister Individualisten mit viel Ermessensspiel- raum - einige umgänglich, anderen muß man die Füße küssen... Das kommt darauf an, in welchem Kehrbezirk der Schwerkraftheizer wohnt. 

Homepage zum Produkt (Deutsch):  http://www.viadrus.cz/kessel-mit-handbeschickung/pyrolytische-kessel-hercules-u32-28-de30.html?lang=de
Produktprospekt (Deutsch): http://www.viadrus.cz/doc/cms_library/herculesu32-bkb_de_161110_web-1064.pdf
Installations- und Bedienungsanleitung Deutsch, alle Maßangaben und technischen Werte: http://www.viadrus.cz/doc/cms_library/de_hercules_u32_navod_k_obsluze_a_instalaci_48_2016-1163.pdf
Hersteller-Video (erklärt Einbau der Keramikdüse): Keramikdüse
Händlerseite (Tschechisch): https://kotle.heureka.cz/viadrus-hercules-u-32_7-cl/#
Erklär-Videos (Werbung) von kotle.heureka.cz: Video 1 Video 2 Video 3 

Update vom 04.09.2014: 
Die gesetzliche Frist zur Umrüstung nach Stufe 1 BImSchV läuft 31.12.2014 ab!
 
Betreiber, die nach diesem Datum eine Anlage errichten oder Heizkessel tauschen wollen, müssen ab dann die wesentlich strengeren Auflagen der 2. Stufe erfüllen (beachte §25(3) der BImSchV). Für konventionelle Feststoff-Naturzugkessel, vor allem solchen auß Grauguß und mit oberem Abbrand, selbst mit KAT "war es das dann"! (Anm. 01.02.2017: Es besteht Hoffnung, siehe oben!) Zwar laufen für heute bereits bestehende Anlagen die gesetzlichen Schonfristen weiter, aber nach deren Ablauf muß der Betreiber dann teuerer umrüsten, als es jetzt gerade noch nötig wäre. Zumal für vor dem 31.12.14  errichtete Anlagen eine äußerst komfortable, neue Schonfrist ("Bestandsschutz") gilt, die der "Lebenserwartung" dieser Anlagen nahezu gleichkommt. Maßgeblich ist das Abnahmedatum des "Schwarzen". Für Kurzentschlossene hier der Wortlaut der Verordnung als pdf

Die Warmwasser-Schwerkraftheizung für Wohngebäude

Diese Texte stellen die Sichtweise aus der Perspektive eines konservativ eingestellten Bauherren aus der eh. Ostzone dar, der sich in den 80ern die erforderliche Sachkunde in seiner praktischen Berufsausbildung / Berufspraxis und im Studium weiterführender Sachliteratur erworben hat, sich auch im heutigen CE/EU-Vorschriftenwirrwar soweit zurechtzufinden weiß und zudem als Selbsterzeuger aus dem ländlichen Raum ein Verfechter absolut autarker Systeme ist, wie es eine Schwerkraftheizung nun mal darstellt. Die Einwände, klassische Naturzugheizkessel mit wassergekühltem Brennraum und oberem Abbrand seien automatisch "Dreckschleudern", widerlege ich im täglichen Betrieb seit über 20 Jahren (das kann man nämlich sehr einfach durch die Art und Weise der Brennstoffzugabe steuern). Künftige Energiepreissteigerungen / Verfügbarkeitsprobleme (erneuerbare Energie - Solar-/Windstrom statt Kernenergie) werden in künftigen Winterhalbjahren die Richtigkeit dieser Auffassung bezüglich Autarkie bestätigen. Man denke nur an den Tornado Pfingsten 2010 in Sachsen. Oder den vielen Schneebruch Winter 2012/13. Da steht man im ländlichen Gebiet mit Versorgung über Freileitungen schneller einmal ohne Elektroenergie aus dem Netz da, als man es sich bisher je denken konnte.
Diese Sichtweise kann man teilen, muß man aber nicht. Siehe unten.

Zunächst erst einmal etwas Recht: Die Errichtung und der Betrieb einer Heizung kann nicht nach dem Gutdünken des Eigentümers/Nutzers eines Hauses erfolgen, sondern entsprechend klar definierten Rechtsvorschriften. Beispielhaft soll hier genannt sein:
-Anordnung über Feuerungsanlagen, Anlagen zur Verteilung von Wärme und zur Warmwasserversorgung sowie Brennstofflagerung Link (FeuAO)
Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge Link (BImschG)
und natürlich die "geliebte" 1.BImschV....
Vor jeder geplanten Neu- oder Umbaumaßnahme ist es also zuerst ratsam, sich mit dem "schwarzen Mann" abzustimmen, also dem zuständigen Bezirksschornsteinfegermeister.
Außerdem noch: Immer noch liest man in diversen Haustechnikforen, daß sich unerfahrene User - noch heute - Jahre nach Neufassung der BImSchV - wundern, daß sie vom Schorni keine Abnahme für ihren neu ersteigerten "Feld- Wald- und Wiesenkessel" kriegen. Also, wenn man an einer Heizung mit Uraltkessel bastelt, muß der schon vorher in der Anlage integriert gewesen sein. Gebrauchte Altkessel kann man nur noch als Ersatzteilspender handeln, damit jemand seinen typgleichen Bestandskessel noch für paar weitere Jahre "aufhübschen" kann. Das wird aber nach 01.01.2015 schwierig....

Vorweg: (nächster Absatz)

Eine Schwerkraftheizung hat betriebstechnisch erhebliche Nachteile! Wiederum besticht sie auch durch einige bedeutende Vorteile gegenüber anderen Anlagentypen. Ob sie das Mittel der Wahl ist, muß objektbezogen anhand der Gegebenheiten und der gestellten eigenen Erwartungen abgewogen werden. Unbestreitbarer Vorteil dieser alten Technik war der mögliche, völlige Verzicht auf Hilfsenergie (elektrische Pumpen usw.), der heute allerdings durch strenge Umweltvorschriften und die damit nötige technische Aufrüstung moderner Feuerstätten schrittweise ausgehebelt wird. Autarkie ist heute politisch nicht mehr erwünscht und wird bekämpft. Zu Zeiten, wo herkömmliche Glühlampen in Haushalten als "Dreckschleudern" verpönt, Rasenheizungen für Fußballstadien oder Schneekanonen als Energiefresser allerdings toleriert werden, fordert das zum Ungehorsam geradezu heraus....  

 Prinzip Abbildung: "Heizungsinstallation", Verlag für Bauwesen, Berlin, 1983, S. 182

Das physikalische Wirkprinzip der Schwerkraftheizung beruht auf der Dichteänderung des Wassers beim Erwärmen. Wasser mit 10°C hat eine Dichte von 0,9997 kg/dm3, mit 90° eine von 0,9653 kg/dm3. Also bei 80° Temperaturunterschied (90°-10°) ist der "Liter" heißes Wasser 34,4g leichter. Bei 20° Differenz (90°-70°) sind es jedoch nur noch 12g. Diese 20° setzte man (in unserer Beispielrechnung weiter unten) rechnerisch als Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur, gemessen am Kessel, an. Also müssen die 12g - als Kraft veranschaulicht - reichen, einen Liter Wasser vom Kessel bis zum Heizkörper und wieder zurück zu "drücken". Sinnigerweise nennt man das auch so: "Umtriebsdruck". In einem Rohrsystem, wie es eine Heizung darstellt, steigt also das warme Wasser - von allein - nach oben. Bzw., wenn es seine Wärme abgegeben hat, sinkt es wieder runter. Logischerweise geschieht das um so intensiver, a) je mehr Höhenunterschied das System (unten: Kessel, oben: Heizkörper) hat und b) je geringer der Reibungswiderstand im Rohrsystem ist. Wesentlich beeinflußt wird dieser von den verwendeten Rohrlängen, der Nennweite der Rohre und den hydraulischen Widerständen von Bögen, T-Stücken, Ventilen und dem Heizkörper und dem Kessel selber, diese fließen als "Druckverlustbeiwerte" in die Berechnung ein. Man braucht also das Rohrsystem "nur noch" so auszulegen, daß die Durchflußmenge für eine ausreichende Erwärmung der angeschlossenen Räume ausreicht. Dieses Wirkprinzip wurde ab ca. 1880 genutzt, um Warmwasserheizungen allgemein in Wohnhäusern zu etablieren. Brauchbare Umwälzpumpen waren, genau wie die Versorgung mit Elektroenergie, noch nicht Stand der Technik. Also blieb als Triebkraft für die Umwälzung nur das Schwerkraftprinzip. Das Problem der rechnerischen Umsetzung der physikalischen Zusammenhänge hat man dabei schon vor mehr als 100 Jahren angegangen. Zwei Professoren, Prof. Rietschel und Prof. Brabbèe hatten dafür schon um 1900 einen Leitfaden erarbeitet. Die Formeln waren sehr wissenschaftlich und sehr komplex. In der praktischen Handhabung hat man inzwischen mit der Zeit viele Näherungen und Vereinfachungen gefunden. Zudem bieten heute auch einfache Tabellenkalkulationsprogramme (Open Office) dem etwas versierten Anwender die Möglichkeit, in zwei Stunden zu rechnen, was früher mehr als einen Tag Rechenarbeit gekostet hätte.
Zum Höhenunterschied: Es gehört ins Reich der Legende, daß man eine Schwerkraftheizung nicht als Etagenheizung bauen oder betreiben kann (in unserem Hause hat das von Prinzip von 1938-88 funktioniert!), - das ginge sogar als offene Anlage mit tief liegendem (unterhalb Zimmerdecke) Ausdehnungsgefäß! - obwohl sich das heute niemand mehr wirklich wünscht und sofern man Kompromisse eingehen kann im Bezug auf die Dicke der Rohre und die Gestalt und Anbringung der Heizkörper. Mancher hat sich schon gewundert, warum - nach eigener Anschauung oder z.B. im Film - in alten Häusern recht hohe Heizkörper zu sehen sind. Die Höhe des Heizkörpers schafft eine Verbesserung des Umtriebsdruckes! In die Berechnung fließt die Höhendifferenz Kesselmitte - Heizkörpermitte ein, und da schaffen 20cm mehr mitunter ganz andere Strömungsverhältnisse! Der Normalzustand ist aber trotzdem der, daß der Heizkessel in einem tiefer gelegenen Raum (Heizungskeller) steht, so daß auf die hohen Heizkörper (die für zahlungskräftige Nostalgiker heute auch wieder, incl. Armaturen, angeboten werden) verzichten und auch mit handlicheren Rohrweiten hantieren kann. Also kann man eine Schwerkraftheizung, auch mit Puffer, völlig ohne Hilfsenergie betreiben (was den Idealfall betrifft). Zu den Einschränkungen siehe unten! 

Buderus Prospektabb 1938 Buderus 1938

Technisch bedingte Einschränkungen: (nächster Absatz)
Der wesentlichster Nachteil einer Schwerkraftheizung ist, daß man nicht ohne weiteres Thermostatventile an die Heizkörper schrauben kann, denn der geringe Umtriebsdruck reicht oft nicht aus, daß diese nach dem Umbau überhaupt auch  ausreichend durchströmt werden. Zum Zeitpunkt der Errichtung solcher Anlagen - um die 1930er bis 1970er - waren Thermostatventile noch unbekannt oder man verzichtete später bewußt darauf (Kostenfrage, Verfügbarkeit, Notwendigkeit einer Umwälzpumpe zur Druckerhöhung).
Zu beachten ist, daß in der "klassischen Variante" - ohne Thermostatkopf - sich die Heizkörper in einem Schwerkraftsystem gegenseitig beeinflussen. Sofern man einen Heizkörper im System auf- oder zudreht, ändert sich die Energieabgabe der übrigen verhältnismäßig. Normalerweise stellt man - von alters her - die Heizkörperventile der gesamten Wohnung - mit den alten Ventilen - einmalig schrittweise entsprechend der Behaglichkeit ein und beläßt diese Einstellung dann für immer. (Ich habe mir diese für meine Anlage in einer Liste notiert, falls mal jemand das Ventil verstellt.) Sinvoll ist, über ein Drossel- und Absperrorgan im Rücklauf des Heizkörpers (sog. Rücklaufverschraubung) diesen Abgleich vorab grob vorzunehmen.
Den Regelfall dürfte die zentrale Regelung der Heizung über die - in Abhängigkeit von der Außentemperatur gewählte - Vorlauftemperatur am Kessel (Feuerzugregler) und die aufgegebene Brennstoffmenge bleiben. Das erfordert etwas Erfahrung, stellt aber einen gangbaren Weg dar. Wir nutzen dieses Prinzip in unserem Hause - nunmehr in dritter Generation und mit dem zweiten Heizungssystem - seit 1938, mit hoher gefühlter Behaglichkeit. Man kann unschwer schlußfolgern, daß eine solche Verfahrensweise ausschließlich für eine Heizung von Wohnraum in Eigennutzung in Frage kommt (und genau für diese "Klientel" sind meine Ausführungen gedacht). 
Prinzipiell ist eine Nachrüstung vorhandener Anlagen mit speziellen Thermostatventilen auch für Schwerkraftanlagen denkbar (z.B. Heimeier bietet solche Ventile - die mit der "blauen Kappe" - mit extrem niedrigem Durchflußwiderstand in NW 3/8'' - 5/4'' an). Solcher Umbau bedingt aber einige Rechenarbeit, man benötigt Angaben über den vorhandenen Umtriebsdruck und dem erforderlichen Volumenstrom (Rechenbeispiel)  im betreffenden Heizkreis / am Heizkörper, um das passende Ventil entsprechend seines Kvs-Wertes zu finden. Eine beispielhafte Ventilberechnung mit Erklärung gibt es hier. Ein "Mix" herkömmlicher und Ventile mit Thermostat führt nach Auffassung von Fachleuten nicht zu befriedigenden Ergebnissen, eine Garantie, ob der Umbau die erwarteten Ergebnisse bringen wird, kann nur eine akribisch genaue Berechnung bringen, die zudem meist von Hand erfolgen muß, da die üblichen Programme aktuell die geringen Schwerkraftdrücke nicht berücksichtigen (weil ja heute fast alles mit Pumpen funktioniert). Zudem kennt man bei Altanlagen heute kaum mehr die tatsächliche Wärmeabgabe der alten Gußradiatoren und muß sich mit Schätzungen behelfen bzw. entsprechend der geltenden technischen Regeln (VDI) völlig neu rechnen.

Ein Beispiel: Ein Ventiltausch an meinem Heizkörper #11 (siehe Abschnitt: Planung und Berechnung) würde ergeben: Heizkörper 1800 kcal/h = 2088W, Q (bei 20° Spreizung)= 0,1m³/h, Thermostatventil 1'', Kv=5,7 m³/h -> dp= 3mmWS! Der Druckverlust wäre also ca. 20% des vorhandenen Umtriebsdruckes von 16,6mmWS. Insbesondere in ungünstig ausgelegten Heizkreisen könnte das kritisch werden.

Berechnungsformel: dp= (Q/Kv)² x p/1000 (bar; m³/h; kg/m³)

Eine Übersicht zeitgemäßer Heizkörperarmaturen zum Ersatz / Neubau gibt es hier
Speziell: Thermostatventile mit niedrigem Durchlaßwiderstand für Schwerkraft hier. (Stand 12/2014)

Ausdehnungsgefäß: (nächster Absatz)
Die übliche Ausführung einer Schwerkraftanlage ist die "offene". Moderne Heizungsanlagen werden fast ausschließlich als geschlossene Anlagen mit Membranausdehnungsgefäß ausgeführt. Prinzipiell kann man das auch mit einer Schwerkraftanlage machen, die Umtriebsdruckdifferenz bleibt ja, unabhängig vom statischen Druck, die gleiche. Die offene Anlage mit Ausdehnungsgefäß ist aber die überlieferte, "klassische" Ausführung. Das Ausdehnungsgefäß ist eine Sicherheitseinrichtung. Es dient dazu, die Volumenausdehnung des Heizmediums beim Anheizen/Abkühlen abzufangen und bei unvorhergesehenem "Überheizen" - also Erwärmung des Kesselwassers über den Siedepunkt das Dampfvolumen abzuleiten und Überdruck in der Anlage zu verhindern. Daher muß es auch über - nicht absperrbare - Leitungen (Sicherheitsvorlauf, Sicherheitsrücklauf) mit dem Heizkessel verbunden sein und eine Überlauf- und Belüftungsleitung verfügen (dafür spart man sich die sonst bei geschlossenen Systemen nötige thermische Ablaufsicherung). Das erforderliche Volumen richtet sich nach dem Nenninhalt der Heizungsanlage (Liter) und der möglichen Vorlauftemperatur (z.B. max 100°C). 

Der Ausdehnungsfaktor für Wasser beträgt 0,044 (oder 4,4%, max. Differenz von 0°C bis 100°C betrachtet). Bei einem Anlagevolumen (incl. Puffer) von z.B. 1350l würde sich somit eine rechnerische Volumenänderung von 59,4l ergeben. Zudem muß es Verdunstungsverluste zumindest über die Dauer einer Heizperiode ausgleichen können, also würde man mindestens das Gefäß mit dem nächstgrößeren Nutz- (nicht Nenn-!)inhalt auswählen, nach dem "Bauch" würde ich mindestens eins - auf der sicheren Seite - mit 100l verwenden. 

Eine Auswahl marktüblicher, normgerechter Gefäße hier. Ein Nachteil der offenen Anlage ist der kontinuierliche Eintrag von Luft in das System über die Wasseroberfläche im Ausdehnungsgefäß. Zudem ist das Ausdehnungsgefäß durch den Zutritt des Luftsauerstoffes natürlich extrem korrosionsbelastet. Damit sich der Dreck nicht in der gesamten Anlage festsetzen kann, baut man an geeigneter Stelle einen Schlammfang ein. Dann kann man sich auch solche "Verlegenheitslösungen" sparen, wie sie in einschlägigen Foren angepriesen werden: Bioöl auf die Wasseroberfläche des Ausdehnungsgefäßes geben, um Luftabschluß zu erreichen. Ich würde davon Abstand nehmen, weil keiner weiß, was das Zeug absondert, wie die Langzeitstabilität ist und ob man damit nicht gerade einen gegenteiligen korrosiven Effekt im Gesamtsystem erreicht - die Wandung im Ausdehnungsgefäß gammelt trotzdem, sobald die Heizung kalt und der Wasserspiegel dort abgesunken ist.

Noch ein, heute nahezu unbekannter Fakt: Bevor sich Manometer als Wasserstandsanzeiger an offenen Anlagen durchgesetzt hatten, war es um 1910-1920 noch üblich, sogenannte "Signalleitungen" zu verlegen, wo man mit einem Probierhahn testen konnte, ob der Wasserspiegel im Ausdehnungsgefäß noch hoch genug ist. Manometer waren damals ja noch keine billige "Baumarktware", wie heute. Da hat man lieber paar Meter Rohr zusätzlich verlegt.

Übrigens sind offene Anlagen besser, als es ihnen die Unkenrufe bescheinigen: Die erste Warmwasserheizung in unserem Hause wurde 1938 installiert. Der Heizkessel war damals - wie in Einfamilienhäusern weit verbreitet - ein kombinierter Küchenherd mit Ringkessel und Verstellrost (Sommer/Winter, im Foto der vernickelte Hebel als Betätigung rechts unten am Kessel - wir schweifen etwas ab...)

Kessel 1938
Dieser Küchenofen von 1938 birgt einen Heizkessel! Dieser hat die Form eines Hohlzylinders, darunter ist der Aschfang, darüber die Herdplatte  und dazwischen ein Luftraum (wo Flammen und heiße Verbrennungsgase die Herdplatte von unten bestreichen konnten). Im Zentrum befindet sich der Rost, der im Sommer (mit dem Hebel und einem innenliegenden Gestänge) hoch, und im Winter runter bewegt wurde. Somit konnte im Sommer der glühende Brennstoff ausschließlich die Herdplatte erwärmen. Die heutigen, wasserführenden Kamine funktionieren ähnlich, nur ohne Verstellung.

Nach mehreren Reparaturen gab der dann 1988 (feuerseitig, Leckage) endgültig den Geist auf und den Startschuß zur Heizungsrekonstruktion (davon stammen die unten eingefügten Berechnungsbeispiele). Bei der Demontage der 50 Jahre alten Gewinderohre und Armaturen stellte ich zwar eine ziemlich kritische Menge von Niederschlag (Schlamm, vor allem in 1/2'' Heizkörperzuleitungen) fest, aber die Korrosion hielt sich echt in Grenzen. 20 Jahre hätte das sicher noch gehalten! 
So wurde der Küchenherd 1938 angeboten:

Prospektabbildung 1938 Fa. König, Guben

Ersetzt wurde dieser durch einen GK21 (Harzer Werke, nach 1990 platt gemacht), wobei die Anlage um weitere Heizkörper - daher die Leistungssteigerung - und einen 200l-Registerboiler (Neuruppin) wesentlich erweitert wurde. Der GK21 (7 Glieder, 24 kW) kostete 19.05.1988 757,50 Ostmark (Kombinat Baustoffversorgung Dresden), die Bilanzierung über den Rat der Gemeinde dauerte von der Anmeldung (10.04.1986)/ Prüfung bis zur Bereitstellung über zwei Jahre!
Schaut man im Netz danach, so scheint sich dieser Kessel heute äußerster Beliebtheit zu erfreuen und von zahlreichen Bastlern "frisiert" zu werden, um ihn für für die Verbrennung von Scheitholz zu konditionieren. Auch ich habe ihn bis zu seiner Verschrottung 2014 so betrieben, obwohl er ursprünglich ein reiner Brikettkessel war. Die Leistung war trotzdem zufriedenstellend. Sofern man eigenen Wald besitzt, sind einige wenige Prozent Wirkungsgrad eh' nicht das Problem. Zumal er dann nicht so stänkert, wie mit Brikett. - Zurück zum Thema...

Einrohr-/ Mehrrohrsystem? Verteilung, Strangschema? (nächster Absatz)

Aus Sparsamkeitsgründen baute man früher häufig Heizungen als Einrohrsystem. Dabei wurden die Heizkörper quasi in direkter "Reihenschaltung" betrieben (der Rücklauf des ersten speiste den Vorlauf des zweiten, usw.), oder aber, je Heizkörper ein Zweiwegeventil mit Kurzschlußstrecke vorgesehen (letzteres war bei Pumpen-Warmwasserheizungen im industriellen Wohnungsbau weit verbreitet). Bei der reinen Reihenschaltung war der erste Heizkörper am wärmsten, der letzte am kältesten, daher mußte die abfallende Wärmeausbeute in Durchflußrichtung mit einer zunehmenden Heizkörpergröße ausgeglichen werden, eine Regulierungsmög- lichkeit gab es dabei nicht, daher ist dieser Typ als Schwerkraftheizung "längst ausgestorben".

Verteilungsschema

Von praktischer Bedeutung waren in der fraglichen Zeit (1988) für individuelle Planung nur noch Mehrrohrheizungen. Anlagen mit unterer Verteilung baute man vorwiegend dort, wo man ein Kellergeschoß zur Verfügung hatte, welches es erlaubte, die Verteilungsleitungen, im Hausgrundriß gesehen, so zu führen, daß man anschließend jeweils in den Zimmerecken Deckendurchbrüche mit Steigleitungen und in den einzelnen Räumen nur die entsprechenden Abzweige zu den Heizkörpern bauen brauchte, man hatte also weniger Rohre in den Wohnräumen oder Fluren. Nachteilig war hier das Problem der Entlüftung zu lösen (je Steigleitung mußte ein lokaler, meist selbsttätiger Entlüfter, oder eine Luftleitung zum Ausdehnungsgefäß vorgesehen werden, siehe Skizze r.u.). War die Verteilung im Keller nicht möglich (z.B. schwieriger Grundriß, Teilunterkellerung, Etagenheizung), führte man die Vorlaufleitung vom Kessel bis zur Decke des obersten Geschosses und verteilte hier, die Rücklaufleitung des untersten Geschosses war dann sozusagen Sammelleitung. Diese Anlagenform ist entlüftungstechnisch am einfachsten zu handhaben (Luft wird - bei gewissenhafter Ausführung - direkt ins Ausdehnungsgefäß transportiert und an die Außenluft abgegeben) und ist für Schwerkraftanlagen am besten geeignet, da das erwärmte Wasser vom Kessel weg auf direktem Wege erst mal ungehindert, direkt bis zum höchsten Punkt steigen kann. Das unmittelbar nach dem Kessel anschließende, senkrechte Stück Vorlaufleitung soll so lang (bzw. "hoch"), wie es die baulichen Gegebenheiten zulassen, ausgeführt werden, da dies das "Anlaufen" der Heizung begünstigt, weil damit (beim Anheizen sind die Rohre ja kalt!) das anfangs erwärmte Wasser ohne Widerstand schneller "Höhe gewinnt"; daher auch die Bezeichnung "Anlaufstrecke".  Die grafische Darstellung des Rohrverlaufes in einem Höhenriß nennt man "Strangschema", es bildet praktisch das Grundgerüst für die weiteren Betrachtungen (Anordnung der Heizkörper) und Berechnungen.

Schrauben oder Schweißen? (nächster Absatz)
Erbsenzähler werden einwenden, daß eine geschraubte, eingehanfte Rohrverbindung nicht luftdicht ist. Das mag sein, hat aber bei offenen Schwerkraftanlagen aus Stahlrohren technisch keinerlei Bedeutung, da ja - bei richtiger Rohrverlegung mit minimaler, kontinuierlicher Steigung vom Kessel weg Richtung Ausdehnungsgefäß - jede Luftblase den Weg nach oben findet. Außerdem bewirkt gerade die Verwendung von Gewinderohren aus Stahl, daß die Rohrwandung im Gewinde bei Luftzutritt rostet und - sozusagen - zugammelt. Das klingt nachteilig, ist aber ganz normal, sogar gewollt. Die Volumenzunahme durch den Rost in der Verbindungsfuge (wir reden hier von wenigen 1/100stel mm!) setzt sich solange fort, bis der Luftzutritt gestoppt ist. Folglich rostet es dann auch nicht weiter! Da bei Schraubverbindungen von Gewinderohr das Außengewinde in der Regel (bei Fittings sowieso, bei Fertigung von Rohrgewinden mit einer Gewindeschneidkluppe ebenso) konisch ist (1:16), dichtet es beim Zusammenbau von allein. Die "Materialreserve" bis zur Durchrostung ist bei Gewinderohr in einem Heizungssystem bei vernünftigen Betriebsbedingungen für Jahrzehnte ausreichend. Wichtig ist die richtige Arbeitsweise beim Einhanfen, sonst schraubt man alles zwei mal... . 

Schweißen wird wohl, es sei denn, man hat die nötige Ausrüstung und die Fähigkeiten selbst, oder einen Bekannten, der das erledigt (sofern man nicht teuer einen Handwerker bemühen will) nur wenigen vorbehalten sein. Spätesten bei schwer zugänglichen Spiegelnähten trifft man dann auf seine Grenzen. Oder, wie in meinem Falle, falls man die Anlage in einem Holzhaus zu verlegen gedenkt. In dem Falle habe ich die Leitungsabschnitte so groß, daß ich sie gerade noch durch Tür oder Fenster zum Einbauort transportieren konnte, im Freien zusammengeschweißt und den Rest verschraubt. Dabei heutzutage fast in Vergessenheit geraten: Die platzsparende Verschraubung mit Langgewinde, Muffe und Kontermutter!

Die gesamte nachträgliche Installation (Pufferspeicheranschluß, Solarthermie) habe ich 2006 bzw. 2011 ausschließlich mit blankem Gewinderohr (Stahl), Schraubfittings (Temperguß) und Hanf hergestellt, völlig problemlos und dicht!

Materialmix: (nächster Absatz)
Die Verwendung unterschiedlicher metallischer Materialien in einem mit Wasser beaufschlagten Rohrsystem ist immer problematisch. Zumindest in der Theorie (die Kenntnis der Zusammenhänge galvanische Spannungsreihe und Korrosion setze ich beim Leser mal voraus!) Was für Trinkwasserleitungen gilt, wo der Anteil an transportierter Luft ziemlich hoch ist, kann für Warmwasserheizungen, wo das nicht zutrifft, erfahrungsgemäß relativiert (aber nicht verharmlost!) werden. Die Fließregel (Trinkwasser) gilt in einem Heizkreislauf naturgemäß nicht. Als Schraubfittings verwenden wir solche aus Temperguß oder Rotguß. Heizkessel und Heizkörper bestehen (in meinem Falle) aus Grauguß, die Armaturen aus Messing. Ein Materialmix ist also in diesem Rahmen vorgegeben. Vor allem gilt dem Wärmeträgermedium Wasser hohe Aufmerksamkeit: Abhängig von dem Gehalt an gelösten Salzen und der Geometrie der Verbindungsstellen kann es an bestimmten Stellen zu unvorhergesehen starker Korrosion kommen. Absolut vermieden werden muß eine Kombination von Stahlrohr mit Kupfer oder Aluminium. Bei problematischen Anlagen kann eine Befüllung mit reaktionsträgen Frostschutzmitteln, welche Korrosionsschutzstoffe enthalten, helfen! Meine Anlage enthält (notgedrungen) seit der Modernisierung 1999/2000 genau den beschriebenen Materialmix. Es befanden sich bisher keine bzw. nur kaum nennenswerte Verunreinigungen im Wasser, die auf Korrosion schließen lassen könnten. Und das Anlageinnere zeigt ebenso keine derartigen Spuren. Das weiß ich, weil ich meinen 1988 montierten Registerboiler aus der Anlage entfernen mußte, da trinkwasserseitig 2010 (also nach über 20j. Nutzung) eine (damals aus Mangel nur galv. verzinkte)  Tauchhülse durchgegammelt war, die sich (auch mit Gewalt) nicht mehr demontieren ließ. An der Boilerinnefläche hatten sich auch schon 2cm Kalk und Kesselstein angesetzt. Heizungsseitig allerdings alles vom Feinsten, natürlich habe ich mir die Heizungszuleitung (Stahl) zum Register genau angeschaut. Die hätte noch 50 Jahre gehalten, korrosionsmäßig!

Schrott!

Pufferspeicher und Warmwasserbereitung: (nächster Absatz)
Ein Pufferspeicher ist nicht nur eine nützliche Ergänzung zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und der Behaglichkeit einer Feststoffheizung, sondern heute auch gesetzlich konsequent vorgeschrieben, um die Leistungsspitze des Heizkessels auszugleichen und überschüssige Wärme zwischenzuspeichern. Eine Faustformel für die Auslegung des Puffers lautet: 55 Liter Puffervolumen je kW Kesselleistung. Also für einen 14,5kW-Kessel 800l Puffervolumen.
Bisher, ohne Puffer, haben Feststoffheizungen nach Erreichen des erforderlichen Temperaturniveaus einfach "die Klappe zugemacht" und still vor sich "hingemüffelt". Abgesehen davon, daß mit dieser "Ruhephase" erhebliche, schädliche Verschmutzungen im Kessel und im Schornstein (Taupunktunterschreitung) einhergingen, da die Abgastemperaturen während und nach dieser (vermeidbaren) Phase "jenseits von Gut und Böse" sind, geht mit dieser Phase eine erhebliche Geruchsbelästigung und Schadstoffaustragung einher. Sobald die Heizkörper einer Feststoffheizung das gewünschte Raumklima hergestellt haben, kann die restliche vorhandene Kesselleistung zum Beschicken eines Puffers ausgenutzt werden. Diese Energie ist dann z.B. abrufbar, um auch in Zeiten, wo nicht geheizt werden, aber Wärme verfügbar sein soll (in den folgenden, frühen Morgenstunden vor, bzw. während des Aufstehens und danach). Ebenso ist wünschenswert, die vorhandene Reserve zur Erwärmung des Brauchwassers zu nutzen. Es gibt auf dem Markt zahlreiche Warmwasserspeicher, welche ein Heizregister besitzen. Diese, vorwiegend für solare Anwendung gedacht, lassen sich ebenso vorteilhaft in eine Feststoffheizung integrieren und funktionieren, ebenso wie der Pufferspeicher, AUCH MIT SCHWERKRAFT, SOFERN die baulichen Gegebenheiten im Haus das zulassen und man bestimmte Besonderheiten beachtet: Der Puffer / Boiler sollte nicht in all zu großer Entfernung zum Heizkessel stehen. Die Höhenverhältnisse müssen stimmen: Puffermitte zu Kesselmitte in einem günstigen Verhältnis. UK Puffer >= OK Kessel. OK Puffer <= UK niedrigster Heizkörper. Im reinen Schwerkraftbetrieb bekommt man das ohne Heizungskeller i.d. R. nicht hin. Die Berechnungen hierzu kann man auf den gleichen Grundlagen, wie unten für Heizkörper näher beschrieben, ausführen. Als Steuer- und Absperrelemente der Speicher kommen in dem Falle auch nur ausschließlich Kugelhähne in Betracht, da diese fast keinen Strömungswiderstand darstellen. Optional, sofern die Bequemlichkeit einer Automatisierung der Heizabläufe (das wird bei "Opportunisten" der Regelfall sein!) gewünscht ist, motorisch betrieben! Dann kann man die Puffersteuerung über eine Zeitschaltuhr so einstellen, das ab früh 03:00 die Hütte warm wird. Und, falls der Strom mal aussetzt, ist zwar (sofern man den A...llerwertesten nicht hoch bekommt, die Bude früh kalt, aber diese gehen (mittels einer mechanischen Entriegelung) auch, wie ein normaler Kugelhahn, von Hand zu bedienen. Eine entsprechende, temperatur- und zeitabhängige Steuerung kann für eine so individualistische Anlage, wie sie eine Schwerkraftheizung darstellt, naturgemäß auch immer nur eine Individuallösung darstellen und setzt zu ihrer Realisierung eine Menge technisches Verständnis voraus. Wobei man sich natürlich dabei vor Augen halten muß, daß man "seine schöne Schwerkraftheizung" damit zum Bastard macht, da man Hilfsenergie einbindet. Aber die vorgestellten Steuerelemente funktionieren ja auch manuell, ohne Elektroenergie, dadurch begibt man sich trotzdem nicht in eine Abhängigkeit, kann aber die Vorzüge der Verfügbarkeit der Elektroenergie, falls gewünscht, für die eigene Bequemlichkeit nutzen. Opportunistisch eben... Den Vorteil gegenüber einer Öl-, Gas- oder selbst pumpenbetriebenen Feststoffheizung des Nachbarn merkt man spätestens nach dem Ausstieg aus Atomstrom und Kohleverstromung, wenn im Winter das Netz zusammenbricht und der Nachbar nach paar Stunden Stromausfall an Deine Tür klopft, weil Dein Schornstein noch raucht und er sich mal aufwärmen möchte.
Für Selbstbaufreaks gibt es hier noch Hinweise für die Dimensionierung von Wandstärken für zylinderförmige Druckbehälter, wie sie ein Puffer darstellt (sowie dessen Klöpperböden): http://de.wikipedia.org/wiki/Kesselformel; ein pdf mit der Herleitung der Formeln und schließlich, für MS Excel: Tabellenkalkulation von bs-wiki.deBerechnung der Festigkeit von Rohren und Zylindern (online, php)

Frostschutz: (nächster Absatz)
Ein ganz simples Problem: Ein Einfamilienhaus mit Warmwasserheizung, und man ist (auch im Winter) wegen Berufstätigkeit fern der Heimat die ganze Woche nicht zu Hause. Angehörige, welche mit der Anlage vertraut sind und bei Extremfrost beim Heizen einspringen könnten, Fehlanzeige! Oder: Ein Wochenendhaus mit Warmwasserheizung! Wenn man bei einer Stahlrohrheizung jeden Winter das Wasser rausläßt, ist sie in zwanzig Jahren durchgegammelt. Will man das vermeiden, geht an Frostschutzmittel kein Weg vorbei. Frostschutzmittel für Rohrleitungssysteme gibt es für die vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten. Für Kühlanlagen, für Solaranlagen. Und für Warmwasserheizungen. Keinesfalls darf man simples Frostschutzmittel für PKW o.ä. verwenden! Speziell auf Warmwasserheizungen abgestimmte Frostschutzmittel sind ein Cocktail aus einer Menge chemischer Substanzen, vorwiegend basieren sie auf Äthylen- oder Propylenglykol und enthalten Beimischungen, welche sehr wirksam Korrosion verhindern. Ein reines Glykol-Wasser-Gemisch ohne diese Beimischungen würde das Gegenteil bewirken und sogar u.U. die Korrosion fördern! Beachtlich ist dabei, daß eine bestimmte Mindestkonzentration eingehalten werden muß, um überhaupt den Frostschutz auch sicherzu- stellen und - das ist wichtig - Korrosion zu vermeiden, welche sich bei Unterschreitung der Mindestkonzen- tration unweigerlich einstellt, weil das System dann "umkippt".
Ich benutze eine professionelle Äthylenglykollösung für Heizungsysteme mit einer Konzentration um 39% (bis -25°C) seit 1999/2000 erfolgreich in meiner Anlage und kann dazu nichts nachteiliges berichten. Trotzdem die Hersteller sich keine Stellungnahme zur Verwendung in offenen Anlagen entlocken lassen, funktioniert das hier schon jahrelang ohne Einschränkungen. Im Gegenteil! Im Vergleich zu der Zeit davor, ohne Frostschutzmittel, ist bei der jährlichen Probeentnahme des Wärmeträgermediums eine geringere Trübung, also geringere Belastung mit Schlamm und Verunreinigungen zu beobachten! Allerdings sollte man eine Befüllung mit Frostschutzmittel erst vornehmen, wenn man alle eventuell geplanten Erweiterungen oder Umbauten erledigt hat, da nach einer eventuell erforderlichen Entleerung das Frostschutzmittel bei Luftzutritt an den Rohrwänden in kurzer Zeit starke Korrosion hervorruft. Das bekommt man auch mit mehrmaligem Spülen nicht in den Griff. Ebenso wichtig ist, daß man vorab die Verträglichkeit aller im System verwendeten Dichtungsmaterialien mit Glykol prüft. Also, Ventilstopfbüchsen, Ventilmembranen (sofern vorhanden), Dichtungen in den Kugelhähnen usw.; zur Beruhigung: eigentlich sind heute (fast?) alle in der Heizungstechnik verwendeten Dichtungen glykolverträglich. Nicht mal die Stopfbuchsen der originalen Buderus-Heizkörperarmaturen von 1938 nehmen hier das Zeug übel!
Vor allem sollte man bei Gebrauch von Frostschutzmittel einen ausreichenden Vorrat an Auffanggefäßen vorhalten. Im Havarie-/ Reparaturfall, oder aus sonstigen Gründen, sofern man - warum auch immer - das Wärmeträgermedium einmal ablassen muß, sollte man es auch auffangen können, sonst laufen hunderte Euro einfach so in den Sand (obwohl bei den zeitgemäßen Frostschutzmitteln die Sauerei für die Umwelt und das Grundwasser nach Herstellerangabe! wohl eher überschaubar ist), das muß man unbedingt vermeiden! Gut geeignet sind hierfür handelsübliche 30l-PE-Behälter mit Schraubverschluß (z.B. Geschirrspülmittel für Großküchen werden darin geliefert), natürlich gründlich ausgewaschen!
Beachtlich ist noch,daß die Wärmeleitfähigkeit und die Viskosität von Wasser gegenüber Glykol- Wassergemischen differiert und man das evtl. vorher in seine Berechnungen einbeziehen sollte!

Planung und Berechnung: (nächster Absatz)
Bevor man einfach losschraubt, sollte man sich doch erst ernsthaft mit dem Vorhaben auseinandersetzen. Dazu gehört zuerst eine Betrachtung über den Aufstellungsort des Kessels, die Höhe der Kesselmitte zu den tiefsten Heizkörpern und den Pufferspeichern, den Energiebedarf zur Beheizung des jeweiligen Raumes, der von dessen Fläche, Rauminhalt, Anzahl der Fenster und Türen, deren, und der Wärmedämmung der Wände, Decken und Böden abhängt. Die Fachliteratur liefert heute hierzu genügend Beispiele; früher (1988) hat man dazu noch vorwiegend Faustregeln (und die alten Einheiten...) rein schätzungsweise benutzt:
Eckräume (hoher Außenwandanteil): 40-60 kcal/hm3
Wohnräume, eine Außenwand: 30-40 kcal/hm3
Räume ohne Außenwände: 20-30 kcal/hm3

(1000 Kcal/h=1,163kW; 1kW= 860kcal/h) und: (1000Kcal= 4186,8kJ; 1000kJ= 238,85Kcal)

Heute kann man das im "Schneider" nachschlagen und von Hand oder mit geeigneten Programmen rechnen. Ferner ist die Darstellung in einem Grundriß und einem Höhenschnitt sinnvoll, damit man entsprechend des gewählten Verteilungssystems und skizzierten Strangschemas (siehe oben) den geplanten Rohrverlauf (wichtig! zur Längenermittlung), die Position und Größe der Heizkörper usw. eintragen kann.
Die hier eingefügten Beispielrechnungen haben in sofern eine Besonderheit, daß sie unter besonders ungünstigen Bedingungen entstanden sind: Ich absolvierte gerade mit Anfang 20 meinen Grundwehrdienst in der NVA. Zur Verfügung standen nur eine maßstäbliche Zeichnung (von zu Hause, wie oben angedeutet), ein Heizungsfachbuch, einen Schreibblock, Stifte, und sonst nichts. Dennoch ist eine hinlänglich exakte Berechnung gelungen, die sich auch in der Praxis als richtig herausgestellt hat, schließlich funktioniert die Anlage bis heute. Man mag jetzt über die Umständlichkeit damals lächeln, ist man doch in der Lage, so etwas heute mit einer Exceltabelle in paar Stunden zu berechnen oder mit AutoCAD an einem Tage zu zeichnen. Halte man sich vor Augen: Wer würde es denn heute umgekehrt, ohne PC, überhaupt auf Anhieb noch hinbekommen...

Am Anfang der Betrachtungen stand, wie eingangs erwähnt, das Strangschema. Hierbei waren bestimmte, altbautypische Zwänge zu bewältigen: Der Rohrverlauf der alten Anlage sollte weitestgehend beibehalten werden, der Kessel aber in einen separaten, eingeschossigen Anbau verlagert werden, damit man mit Brennstoff und Asche, nicht mehr, wie früher, durch die Wohnung (Küche) muß. Diese "Zugeständnisse" kann man am Schema unten ablesen (deswegen sieht es auch etwas "umständlich" aus, aber mit Grund). Der Anbau hatte zudem den Vorteil, daß der Fußboden dort wesentlich tiefer, als im Wohngebäude lag, also mehr Umtriebsdruck durch Höhenunterschied, obwohl kein eigentlicher, nutzbarer Keller vorhanden ist! Ansonsten ist es eine "klassische" obere Verteilung. Die Ziffern bezeichnen die Teilstrecken in der nachfolgenden Berechnung. Zudem ist die Heizlast des betreffenden Raumes (nach oben gezeigter Schätzung) angegeben und in Anzahl Radiatorrippen umgerechnet (Heute würde man das entsprechend der Produkttübersichten und Tabellen des Heizkörperherstellers analog umsetzen).

Strangschema

Für die Heizlast (oder den Wärmebedarf) bin ich damals, aufgrund der früher schlechten Dämmung von relativ hohen Werten von 50, bei hohem Außenwandanteil sogar von 70 kcal/hm3 (also 10 kcal/hmAufschlag zu denFaustregel-Werten) ausgegangen. Das sorgt heute, bei besserer Dämmung dafür, daß die Hütte schnell warm ist und der folgende Wärmeüberschuß automatisch in den Puffer wandert. "Überdimensionierung" der Leitungen einer Schwerkraftheizung ist relativ unschädlich, drosseln kann man den Durchfluß immer.
Bei heutigen Maßstäben der Gebäudedämmung wird man (sofern man nicht eine exakte Berechnung vorzieht) eventuell den niedrigsten der Faustregel-Werte wählen. Weiter will ich mich damit hier jetzt nicht verzetteln, dafür gibt es genügend Vorlagen.

Als Arbeitstemperaturbereich und Spreizung nimmt man für Feststoffheizungen - nach praktischen Erfahrungen (unter diesen Bedingungen arbeitet ein Feststoffkessel optimal) - rechnerisch eine Vorlauftemperatur von 90° und eine solche für den Rücklauf von 70° an, damit "erschlägt" man den Außentemperaturbereich bis -20°C und hat noch 10° bis zum Siedepunkt "im Ärmel". 
Also 20° Spreizung: Somit sind wir wieder bei den 20° Unterschied, die ich schon oben (physikalisches Wirkprinzip) angeführt habe, was den erwähnten 12 Gramm Masseunterschied je Liter entspricht, genau übrigens 12,45g (oder 12,45kg/m3; was für unsere Rechnung die handlichere Einheit ist). 

Hält man sich das Strangschema vor Augen, so wird man erkennen: Die beim Wasserumlauf in der Anlage auftretenden Widerstände sind, aufgrund der Verzweigungen, je nach Teilstrecke total unterschiedlich: Die zu transportierende Wärmemenge je Teilstrecke ist verschieden; daraus ergibt sich, daß die jeweilige Rohrweite und damit die Fließgeschwindigkeit des Heizmediums, resultierend daraus der Reibungswiderstand je Teilstück in Einzelschritten "passend gemacht" werden muß. Hinzu kommen, ebenfalls von Nennweite und Strömungsgeschwindigkeit abhängend, die hydraulischen Einzelwiderstände von Bögen, Abzweigen, Ventilen usw.; dazu betrachtet man die "Stromkreise", also die Wege vom Kessel zum jeweiligen Heizkörper einzeln. 

Im nächsten Bearbeitungsschritt sucht man sich den Raum aus, welcher am ungünstigsten liegt: Also am weitesten (von der Rohrlänge her) vom Heizkessel weg und mit dem ungünstigsten Höhenverhältnis (Kesselmitte bis Heizkörpermitte).

ungünstigster Kreis

In meinem Falle war das Heizkörper Nr. 11. Der hat eine Höhe (Heizkörpermitte bis Kesselmitte) von 1,33m. Höhe x Dichteunterschied ergibt: 1,33m x 12,45kg/m3= 16,56kg/m2= 16,56mmWS. Das ist der resultierende Umtriebsdruck für diesen Kreis. Klingt wenig? Ja, aber es reicht. (Auch in der Praxis, selbst für die 34m Rohr, die das Wasser durchläuft). Entsprechend dieses errechneten Umtriebsdrucks und der zu transportierenden Wärmemänge, die erforderlich ist, den Raum, wie berechnet, zu erwärmen, ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Rohrweite und mittlerer Fließgeschwindigkeit. Da die Höhen- (somit Druck-) unterschiede gering sind, wird man davon ausgehen können, daß sich das Wasser in relativ dicken Rohren relativ langsam bewegt (in meiner Heizung ca. 4-8cm/s). Aber es bewegt sich! Für die einzelnen Teilstrecken muß man dabei die dort jeweils transportierte Wärmemenge je Zeiteinheit betrachten, die sich ja infolge der Verzweigungen nach und nach vermindert. 
Aus der Wärmemenge je Zeiteinheit und der vorhandenen Rohrweite des betrachteten Teilstückes ergibt sich  die Fließgeschwindigkeit in diesem Teilstück, und daraus wiederum der Reibungswiderstand im geraden Rohr.
Bei Bögen, T-Stücken usw. ist, teilweise durchflußrichtungsabhängig, ebenfalls ein typischer Widerstand vorhanden (als Druckverlustbeiwert angegeben), den man ebenso in Bezug zur Fließgeschwindigkeit setzt und anhand dessen den tatsächlichen Reibungswiderstand ermittelt.
Das klingt unheimlich kompliziert, man muß das aber nicht alles rechnen, sondern kann die Werte in Tabellen (die in Jahrzehnten praktischer Anwendung zur Vereinfachung aufgestellt wurden) nachschlagen und zusammenstellen, das dauert nur Minuten. Die Tabellen gibt es im Anhang. 
- Nun listet man für den Stromkreis, den man betrachten will, erst mal die betreffenden Teilstrecken tabellarisch auf. Für den Heizkörper Nr. 11 aus meinem alten Strangschema wären das die Strecken:
Vorlauf: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 19; Rücklauf: 61; 62; 54; 55; 56; 57 .
- Zur jeweiligen Teilstrecke ermittelt man nun die dort transportierte Wärmemenge (einfach zusammenzählen, was alles "dran hängt"). Das ergibt z.B. für Teilstrecke VL: 20860Kcal/h, 1: 15900Kcal/h, 2: 11000Kcal/h, 3:10250 Kcal/h, usw., und schließlich 19: 1800 Kcal/h (gerundet, da man "krumme Werte" in der verwendeten Tabelle erst umständlich interpolieren müßte). 
Für Pufferleitungen würde ich vom hydraulisch ungünstigsten Falle ausgehen: Volle Kesselleistung in den Puffer gerechnet!
- Jetzt wählt man (gefühlsmäßig) eine zur Wärmemenge passende Rohrweite, Anhalt dafür gibt die Fließgeschwindigkeit, die wohl bei 0,1m/s, bei ungünstigen Anlagen auch weniger, betragen wird. Für Teilstrecke VL (=Anlaufstrecke) mit 20860Kcal/h passen unter den vorgegebenen Bedingungen 64mm NW. Laut Tabelle ergibt das 0,09m/s Fließgeschwindigkeit und und einen Reibungswiderstand von 0,20mmWS/lfdm. Das Teilstück ist 1,80m lang, also hat es 0,36mmWS Widerstand.

Wenn auf einem Teilstück der Wert zu groß erscheint, muß man das mit der nächsthöheren Nennweite nochmal durchprobieren.

Die Liste könnte jetzt folgendermaßen aussehen:

Rechenweg usw.

(Eine vollständige Berechnung liegt einschließlich Erläuterung und Tabellen als PDF -ca. 4MB- auf dieser Homepage)

- Als nächstes erstellt man eine ähnliche Liste für die Einzelwiderstände. Also den Heizkörper an sich, die vorkommenden Ventile, Formstücken und natürlich den Kessel. Auch hier helfen uns Tabellen, die zugehörigen Fließgeschwindigkeiten kennen wir ja nun schon und können diese weiterverwenden.

Jetzt ergibt sich folgendes (bei Formstücken gibt der dicke Pfeil die betrachtete Durchflußrichtung an):

Rechenweg usw.

- Zum Schluß zieht man die Summen aller, für den betrachteten Stromkreis ermittelten Teilwiderstände aus beiden Listen zusammen. Ist die Gesamtsumme kleiner, als der (oben ermittelte) vorhandene Umtriebsdruck, reicht die ermittelte Rohrweite zur Wärmeversorgung des betreffenden Raumes. Wenn nicht, sucht man sich die ungünstigsten Teilstrecken(n) und rechnet mit der nächsthöheren Nennweite noch mal. Umgekehrt darf und soll man natürlich auch Nennweiten evtl. verkleinern! Die sauberste Lösung ergibt sich, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten in allen Teilstrecken des Systems annähernd gleich sind. Dabei sind 30-50% Abweichung hinnehmbar, 200% hingegen eher nicht. Diese Prozedur kann man nun für seine kritischsten, oder, wenn man es gewissenhaft betreibt, alle Stromkreise wiederholen (sonst kann es passieren, daß man in einem unbeabsichtigt günstigen Stromkreis der Heizkörper maximal nur 1/2 aufgedreht werden darf) Fertig! Müßte ich mir das heute wieder antun, würde ich es in eine Exceltabelle eingeben. So könnte man die Tabellen mit den alten Einheiten erfassen, und auf einem anderen Sheet einfach automatisch in SI-Einheiten umwandeln. Aber ich baue in diesemLeben keine neue Heizung mehr (hoffentlich!), und so mag es jemand anderes tun. Zudem findet man über die Suchfunktion seiner Suchmaschine im Internet heute eine Menge an Ratschlägen und Rechenbeispielen. 

Eine beispielhafte, gründliche und erschöpfende Anleitung zur Rornetzberechnung gibt es bei bosy-online.de, ebenfalls u.a. ein Excelsheet zum Erfassen und Berechnen.

Feststoffheizung heute:
Die Schonfrist und der Bestandsschutz für den guten alten GK21 sind endlich. Ab 01.01.2015 müssen, allgemein gesagt, solche Heizungsanlagen (vor 31.12.1994 errichtet) nach §25 1.BImschV gemessen und auf Einhaltung der Grenzwerte überwacht werden. Für z.B. erst zwischen 01.01.2005 und 21.03.2010 errichtete Anlagen beginnt diese Pflicht 01.01.2025. Ob die in der Vorschrift enthaltenen Grenzwerte mit der alten Anlage eingehalten werden oder durch ergänzende Maßnahmen erreicht werden können, hängt von den Bedingungen des Einzelfalles ab. Zudem wird hier auch ein gewisser "Ermessensspielraum" des Schornsteinfegers zu berücksichtigen sein, der wohl keinem Kunden wegen einer Nachkommastelle die betreffende Anlage "totmessen" wird. Die Einhaltung der genannten Grenzwerte durch einen GK21 ohne Abgasfilter steht, nehme ich an, allerdings nicht zur Debatte. Folglich wurde die Diskussion um eine Nachfolge notwendig und 2014 ein zeitgemäßer Neubaukessel installiert, geplante Nutzungsdauer >20 Jahre (Ich faß' den nicht mehr an!)

Das Dilemma heutiger Feststoffheizungen (die jetzt, ab 01.01.2015, noch die strengen Werte der 1.BImschV erfüllen) besteht darin, daß sie sehr ambitionierte (will hier nicht schreiben: überzogene) Anforderungen an den Immisionsschutz erfüllen müssen. Die daraus resultierenden, unterschiedliche und teilweise komplizierten Bauarten legen den Nutzer eigentlich schon von vornherein auf eine Brennstoffart fest: Entweder Brikett oder Holz. Das liegt am unterschiedlichen Verbrennungsverhalten dieser Stoffe, mit welcher Flamme (Holz, langflammig; Brikett, kurzflammig) sie abbrennen. Niemand wird z.B. seinen Holzgaser mit Brikett befüllen. Umgekehrt wird man in einem reinen Brikettkessel (Viadrus o.ä.) mit Holz keine richtige Freude haben. Das würde der Lebensdauer nicht zuträglich sein und außerdem heizt man dann nur "den Schornstein". Findige Leute werden von Fall zu Fall Umbauten ersinnen (Prallbleche, geänderte Zuluftführung), um den Wirkungsgrad zu verbessern. Ob das technisch oder ökonomisch sinnvoll ist, mag jeder Bastler für sich entscheiden. Ich möchte nicht jedesmal, wenn der Schorni auf der Matte steht, meine Feuerung zurückbauen müssen, auch will ich, wenn draußen an 2-3 Tagen mal -25°C herrschen, ohne Umbauten einfach noch " 'ne Schippe Koks drauflegen" können. Andererseits "juckt" mich als Selbsterzeuger ein Mehrverbrauch von wenigen Festmetern Holz je Heizperiode nicht wirklich.

Daß die 1. BImschV vor allem für Hersteller und Vertreiber von Heizkesseln und das Schornsteinfegergewerbe einträglich wäre, weise ich natürlich entrüstet von mir!!! 

Fast alle angebotenen Kessel sind heute aus Stahlblech (mit Schamotteauskleidung) und haben nur einen "mickrigen" Anschluß von 1'' für Pumpheizungen. 
Für meine Belange habe ich als Nachfolger für den mittlerweile betagten und etwas verschlissenen (Bj. '87) GK21 nach Ablauf dessen "Schonfrist" 2015  einen konventionellen Naturzugkessel aus Grauguß (wegen der langen Lebensdauer, bis 50 J.) und mit großen  Anschlüssen gesucht, der zudem auch sicher die strengen Abgasvorschriften heute und künftig erfüllt und nicht (wie die zahlreichen taupunktanfälligen Stahlkandidaten, die einen Rücklaufmischer mit Pumpe erfordern, weil sie sonst vor der Zeit durch Korrosion - "Lochfraß" - ausfallen) ein ausschließlicher Holzkessel ist. Die Realisierung erfolgte 2014. Der betreffende "Kandidat" hat (selbst gefertigte) Anschlüsse mit G2'', ist also (als Gußkessel klassischer Bauart auch hinsichtlich der Toleranz gegenüber niedrigen Rücklauftemperaturen) gut schwerkrafttauglich, für Holz und Koks ausgelegt, die Rußpartikel filtert ein Katalysator im Rauchrohr so sicher heraus, daß er auch laut  d e u t s c h e m Prüfzeugnis die erhöhten Anforderungen der neuen BImschV erfüllt. Als Malus schlägt zu Buche, daß er (mit KAT) reichlich Schornsteinzug benötigt, was bei geringer Schornsteinhöhe (6m oder weniger) eng werden kann; und, daß er trotz seiner Herkunft nicht ganz billig ist. Ich glaube, daß dieser "Nachteil" über die Lebensdauer durch die Fehlertoleranz und Dauerhaftigkeit dieser Konstruktion mehr als wettgemacht wird. Zu gegebener Zeit werde ich über meine Erfahrungen hier berichten. Hier gibt es eine äußerst konträr geführte Diskussion dazu. Da gab es aber die 1.BImSchV von 2010 und die Nachrüstungen durch KAT noch nicht. Außerdem sind die Argumente der Holzvergaser-, Stahl- und Schamottefraktion (Hilfsenergiebedarf) mit dem Primat der Autarkie unvereinbar. Und die Umweltverträglichkeit/Wirkungsgrad: Solange gegenwärtig Fußballstadien umweltfreundlich Rasenheizung und manche PKW ebenso umweltfreundlich 300 PS haben müssen, gehen mir (bei sonstiger Einhaltung aller rechtlichen Rahmenbedingungen) 40% Kesselwirkungsgrad bei 14,5kW und null Beschaffungskosten für Holz glatt am ... vorbei!!! Das Qualmen kann man bei dosierter Brennstoffaufgabe (Durchbrand) in solchen Grenzen halten, daß jeder Kaminofen dagegen die reinste Dreckschleuder ist.
*) Man kann seine bestehende Abgasanlage dahingehend nach EN 13384 mit einer Testversion von KESA durchrechnen. Diese Version ermöglicht (Stand 2012) 2- max. 3 (Test-) Rechnungen.

Ein paar Bemerkungen zum Schornstein
Die wichtigsten Kriterien, die ein Schornstein aufweisen muß, sind: Standsicherheit (Wind), Brandwiderstand, Temperaturbeständigkeit, Gasdichtheit, Unempfindlichkeit gegen Kondensat (schweflige Säure usw.).
Das Wirkprinzip eines Schornsteins mit Naturzug ist wiederum die Schwerkraft. Die heißen Verbrennungsgase haben ein geringeres spezifisches Gewicht, als die Umgebungsluft, daher sind sie bestrebt, nach oben zu steigen. Je kälter es draußen ist um so besser, je wärmer, um so schlechter. Wer einmal versucht hat, im Sommer, wenn die Sonne den Schornstein und die Außenluft erwärmt hat, ein Feuer im Kessel zu machen, wird gemerkt haben, daß es (aufgrund der geringeren Temperaturunterschiede) schlecht gelingt, da sich der Zug schwerer aufbaut. Die nach oben strömenden Gase erzeugen in Strömungsrichtung an der Kesseltüre den zum Betrieb nötigen Unterdruck, wodurch frische Luft angesaugt wird. Andernfalls "raucht es rein". Man kann sich unschwer zusammenreimen, daß Schornstein und Kessel aufeinander abgestimmt sein müssen, wie z.B. eine Auspuffanlage auf einen Verbrennungsmotor. Sonst stimmt die Leistungsabgabe nicht oder man bläst das Geld "zur Esse raus". Zudem ist vor allem bei Feststoffheizungen beachtlich, daß auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen die Abgastemperatur ausreichen muß, den Schornstein genügend anzuwärmen, damit Kondensat in Form von Wasserdampf und schwefliger Säure oder Teer und sonstigen, flüchtigen Bestandteilen sich nicht an der Innenwand niederschlagen kann und der Schornstein "versottet", sondern daß diese Stoffe durch genügend Teperaturüberschuß der Gase sicher in die Außenluft ausgetragen werden.
Als Begriff im baurechtlichen Sinne ist "Schornstein" gar nicht mehr so beliebt, man spricht allgemein von "Abgasanlage". Darin inbegriffen werden auch alle Verbindungsstücken ("Ofenrohre") usw. Wie sich unschwer ableiten läßt, vergrößert sich der Zug eines Schornsteines mit zunehmender Höhe desselben und endsprechend der größeren Länge der heißen Abgassäule. Dabei wird die "wirksame" Schornsteinhöhe betrachtet, allgemein gesagt, die Höhe zwischen Mitte Rauchrohrmündung und Oberkante Schornstein, welche mindestens 4m betragen soll.

Halsbrücke (hier sind es paar m mehr)

Zusätzlich wird die Zugwirkung durch äußere Einflüsse beeinflußt. Ob der Schornstein freistehend errichtet ist, oder bis zur Mündung z.B. durch Obergeschoß und Dachboden verläuft, seinen Mündungsabstand zu benachbarten Dachfirsten, der Dachneigung usw.; der konstruktiven Beschaffenheit (Querschnittsform, Bauart), der Wangendicke und der Wärmeleitfähigkeit der Wange - was wiederum für die Kondensatablagerung maßgeblich ist. Unebene und rauhe Schornsteininnenseiten (z.B. bei Mauerwerk) beeinträchtigen ebenfalls das Strömungsverhalten. Undichtigkeiten (insbesondere an Abgasrohranschlüssen) führen zu Falschluft und somit zu Zugbeeinträchtigung. Außerdem stellen sie eine Gefahr da, da dadurch Rauchgase in die Raumluft im Haus austreten können. Schornsteinmündungen müssen im Bezug auf die benachbarten Dachflächen so hoch*) liegen, daß sie frei vom Wind umströmt werden. Liegen sie zu niedrig, kommt es zu Verwirbelungen im Ablenkungsbereich der Dachfläche, und die Rauchgase werden in den Schornstein zurückgedrückt.
*) Faustregel: Flachdach oder schwach geneigtes Dach <20° 1m, Steildach >20° 40cm über First
Die Feuchtigkeitsempfindlichkeit eines Schornsteines ist zu heutiger Zeit ein maßgebliches Kriterium zur Einschätzung seiner Tauglichkeit für den gewählten Energieerzeuger. Neuzeitliche Öl- oder Gaskessel mit niedrigen Abgastemperaturen und geringem Luftüberschuß (somit hohem CO2-Gehalt und somit niedrigem Abgastaupunkt) wird man nicht an einen herkömmlichen, einschaligen gemauerten Schornstein anschließen können, eher ausschließlich Feststoffkessel mit hinreichend hohen Abgastemperaturen. Zeitgemäß sind heute mehrschalige Konstruktionen mit guter Wärmedämmung und geringer Anfälligkeit gegen Kondensat, also solche aus Keramik oder Edelstahl. Ebenso gibt es für bestehende Schornsteine Nachrüstsätze, welche allerdings logischerweise den Querschnitt verengen. In meinem speziellen Falle habe ich ausgerechnet, daß ich in meinen Zug in der Klinkeresse mit 19x19cm Innenmaß ein Ø16cm  Edelstahlsystem einsetzen kann und damit die Zugbedingungen (glatter, runder Querschnitt gegenüber rauhem quadratischen) sogar soweit verbessere, daß der Zugewinn an Zug den erhöhten Zugbedarf durch Einsatz des Abgaskatalysators wettmacht. In einem solchen System ist der Anfall von Kondensat natürlich weniger problematisch, als in einem herkömmlichen, nur gemauerten System. Ich kann jedem Interessierten nur ans Herz legen, sich im Vorfeld einer baulichen Veränderung mit seinem Schorni abzustimmen, sich (bei Eigenleistung) über die aktuellen baurechtlichen Bestimmungen (je nach Bundesland) zu belesen und bei Erfordernis eine Berechnung durchzuführen. Auf die Kesa-Software habe ich schon oben hingewiesen. Nach eigener Erfahrung ist diese selbsterklärend und läßt keine Frage offen. Als weiterführende Quelle verweise ich beispielhaft auf Bruno Bosys private Veröffentlichungen.

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Links:
http://energieberatung.ibs-hlk.de/grundl_heizsys_plan.htm empfehlenswerte Formelsammlung
http://www.schweizer-fn.de/index.php empfehlenswerte Formelsammlung
http://www.bosy-online.de/
http://www.ikz.de/1996-2005/1998/06/9806048.php "Unterschiedlicher Anschluß bei Raumheizkörpern"