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SHK-Grundlagen und Wärmelehre – Anlagenleistung von Energieverbrauch unterscheiden

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SHK-Grundlagen und Wärmelehre – Anlagenleistung von Energieverbrauch unterscheiden

Einleitung

Zielgruppe: SHK-Ausbildung. Lernzeit: sechs kurze Lerneinheiten à 5–7 Minuten sowie Übungen. Lernziele: Du unterscheidest Leistung und Energie, liest zeitliche Lastgänge, vergleichst Wärme- und Stromzähler und beurteilst Hygiene-, Diagnose- und Sicherheitsfälle. Sicherheit: Alle Übungen verwenden Simulationen, vorgegebene Daten oder drucklose Modelle. Gespeicherte Druckenergie und Bewegungsenergie bleiben nach dem Abschalten unter Umständen vorhanden. Keine realen Druckarbeiten oder Prüfungen ohne fachliche Freigabe und Aufsicht durch Berechtigte; weder Leitungen öffnen noch Ventile betätigen.

Lerneinheit 1: Momentanwert und Zeitraum

Leistung ist Energie pro Zeit und wird zum Beispiel in Kilowatt (kW) angegeben. Energie ist die über eine Zeitspanne übertragene Menge, etwa in Kilowattstunde (kWh). Für konstante Leistung gilt: $E = P \cdot t$ .

Leistung	Dauer	Energie
2 kW	1 h	2 kWh
2 kW	3 h	6 kWh
5 kW	0,5 h	2,5 kWh

Ein Stromzähler erfasst elektrische Energie.

Ein Wärmezähler erfasst übertragene Wärmeenergie. Videoauftrag: Erkläre nach dem Video den Unterschied an einem SHK-Beispiel.

Lerneinheit 2: Anlagenschema und Gebäudemodell

Verfolge Wärmeerzeuger, Pumpe, Vorlauf, Heizfläche und Rücklauf.

Zeige Umweltwärme, elektrische Antriebsenergie und Wärmeabgabe im Gebäudemodell. Im Heizkreis transportiert Wasser Wärme zum Gebäude. Die momentane Wärmeübertragung hängt insbesondere von Volumenstrom und Temperaturdifferenz ab. Heizlast bedeutet benötigte Leistung unter Auslegungsbedingungen, Nennleistung eine Leistungsangabe des Geräts bei bestimmten Bedingungen. Diese Werte sind nicht identisch mit dem zeitlichen Energieverbrauch.

Lerneinheit 3: Lastgang und Ausbildungsfall

Ein beispielhafter Lastgang des Stromverbrauchs, nicht die Messung unseres Musterhauses. Merke: Die Fläche unter einem Leistung-Zeit-Diagramm ist die Energie. Bei wechselnder Leistung addierst Du die Zeitabschnitte. Ausbildungsfall: Du betreust mit Deiner Ausbilderin ein simuliertes Einfamilienhaus mit einer Wärmepumpe von 10 kW Nennwärmeleistung. Ein Kunde behauptet: „In vier Stunden verbraucht die Wärmepumpe also 40 kWh Strom.“

Zeit	Simulierte Wärmeleistung	Dauer
06–07 Uhr	2 kW	1 h
07–09 Uhr	6 kW	2 h
09–10 Uhr	4 kW	1 h

Auftrag: Ermittle die abgegebene Wärmeenergie. Die Leistung bleibt innerhalb der Abschnitte konstant.

Hilfe 1: Nennleistung ist nicht der gemessene Verlauf.

Hilfe 2: Multipliziere jede Abschnittsleistung mit ihrer Dauer.

Hilfe 3: 2 · 1 + 6 · 2 + 4 · 1.

Lösung und Feedback: 2 + 12 + 4 = 18 kWh Wärmeenergie. Die mittlere Wärmeleistung ist 18 kWh / 4 h = 4,5 kW, die höchste beobachtete 6 kW. Aus 10 kW Nennwärmeleistung lässt sich weder der Verlauf noch die elektrische Bezugsenergie berechnen. Die Kundenbehauptung ist falsch.

Lerneinheit 4: Strom und Heizwärme vergleichen

Eine Wärmepumpe nutzt elektrische Energie und Umweltwärme zur Bereitstellung von Heizwärme.

Video zur Funktion:

Der COP vergleicht Wärmeleistung und elektrische Leistung an einem Betriebspunkt. Die Jahresarbeitszahl vergleicht abgegebene Wärmeenergie und elektrische Bezugsenergie innerhalb einer festgelegten Jahresbilanz.

Zähler	06 Uhr	10 Uhr	Veränderung
Wärmezähler	3500 kWh	3518 kWh	18 kWh
Stromzähler der Wärmepumpe	1245 kWh	1251 kWh	6 kWh

Auftrag: Bestimme die rechnerische Arbeitszahl dieses Zeitraums, unter der Annahme passender und vollständiger Messgrenzen.

Feedback: 18 / 6 = 3. Dies ist eine Arbeitszahl des vierstündigen Beobachtungszeitraums, keine Jahresarbeitszahl. Für reale Vergleiche sind Messgrenzen, Hilfsantriebe, Abtauung, Zusatzheizung und Betriebsbedingungen zu prüfen.

Lerneinheit 5: Gespeicherte Druckenergie und Bewegungsenergie

Abgeschaltet bedeutet nicht automatisch sicher.

Ein Membranausdehnungsgefäß kann aufgrund komprimierten Gases Energie speichern.

Symbolische Darstellung eines Druckbehälters.

Strömendes Wasser und bewegte Pumpenbauteile besitzen Bewegungsenergie. Druckenergie: Komprimiertes Gas und eingeschlossene unter Druck stehende Medien können auch bei abgeschalteter Stromversorgung gefährlich sein. Bewegungsenergie: Rotoren können nachlaufen und Flüssigkeiten weiterströmen. Bei geradliniger Bewegung hängt die kinetische Energie von Masse und Geschwindigkeit ab; ein rotierendes Bauteil besitzt Rotationsenergie. Wärmeenergie: Heiße Flüssigkeiten und Oberflächen können Verbrennungen hervorrufen. Drucklose Modellübung: Ordne auf einem Papier-Anlagenschema die Karten „Wärme“, „Druck“ und „Bewegung“ zu. Bewege ein ungefährliches Papierdrehrad von Hand und beobachte das Nachlaufen. Baue keinen Druck auf; verwende keine echten Anlagenbauteile, Druckmedien oder Motoren.

Feedback: Nachlauf ist ein Beispiel gespeicherter Bewegungsenergie; Restdruck ist unabhängig von der Stromzufuhr möglich. Das Modell ersetzt keine Gefährdungsbeurteilung. Reale Druckarbeiten, Eingriffe und Prüfungen sind nur fachlich freigegeben und beaufsichtigt erlaubt.

Lerneinheit 6: Regelung, Hygiene und Diagnose

Finde Sollwert, Regler, Stellglied und Messgröße. Die Heizungsregelung verändert die Leistung über die Zeit. Ein geringerer Momentanwert bedeutet nicht zwangsläufig weniger Jahresenergie. Video: Hydraulischer Abgleich

Hygienefall: Ein Mehrfamilienhaus mit zentraler Trinkwassererwärmung als Großanlage soll dauerhaft auf 45 °C Speicheraustritt eingestellt werden. Ist das ohne fachliche Prüfung zulässig?

Hilfe 1: Unterscheide Heizwasser und Trinkwarmwasser.

Hilfe 2: Berücksichtige Legionellen, Zirkulation und die allgemein anerkannten Regeln der Technik.

Feedback: Nein. Für solche Großanlagen werden üblicherweise mindestens 60 °C am Austritt des Trinkwassererwärmers und mindestens 55 °C im Zirkulationssystem vorausgesetzt. Die konkrete Anlage muss fachkundig nach geltenden Regeln beurteilt werden. Keine eigenmächtige Temperaturverstellung; Hygiene geht vor pauschaler Einsparung.

Diagnosefall: Zeitraum A: 18 kWh Wärme und 6 kWh Strom. Zeitraum B: 12 kWh Wärme und 8 kWh Strom. Berechne die Arbeitszahlen und erkläre, ob ein konkreter Defekt bewiesen ist.

Feedback: A = 3; B = 1,5. B ist für den betrachteten Zeitraum ungünstiger. Ein Defekt ist nicht bewiesen: Wetter, Vorlauftemperatur, Abtauung, elektrische Zusatzheizung oder Messgrenzen können abweichen. Vor einer Diagnose zusätzliche Betriebsdaten einholen; keine unbefugten Eingriffe.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basis 1: Berechne die Energie für 2 kW während 3 Stunden.

Feedback: 6 kWh. Die Dauer wird mit der konstanten Leistung multipliziert.

Basis 2: Ordne 8 kW und 24 kWh den richtigen Größen zu.

Feedback: 8 kW = Leistung; 24 kWh = Energie. Die Einheit ist entscheidend.

Anwendung 1: Berechne die mittlere Wärmeleistung des Musterhauses.

Feedback: 18 kWh / 4 h = 4,5 kW. Das ist weder der Höchstwert noch die Nennleistung.

Anwendung 2: Ein Stromzähler steigt um 6 kWh, ein Wärmezähler um 18 kWh. Was zeigen die unterschiedlichen Ergebnisse?

Feedback: Elektrischer Bezug und abgegebene Wärme sind verschiedene Energiebilanzen. Die Wärmepumpe nutzt zusätzlich Umweltwärme.

Transfer 1: Zwei Häuser benötigen am Tag je 60 kWh; ihre Leistungsspitzen liegen bei 12 kW beziehungsweise 6 kW. Begründe unterschiedliche Anforderungen an die Wärmeerzeuger.

Feedback: Gleiche Tagesenergie schließt unterschiedliche Spitzenlasten nicht aus. Für die Auslegung braucht es Heizlast- und Betriebsinformationen.

Transfer 2: Ein Betreiber möchte eine Druckleitung selbst öffnen und Trinkwarmwasser stark absenken. Formuliere eine verantwortliche Reaktion.

Feedback: Ohne fachliche Freigabe keine Eingriffe. Gespeicherte Druckenergie kann gefährlich bleiben und Temperaturabsenkungen können hygienisch unzulässig sein. Fachkräfte hinzuziehen und Daten dokumentieren.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Einheit beschreibt Leistung? (kW) (!kWh) (!Liter) (!Grad Celsius)

Welche Einheit beschreibt Energie? (kWh) (!kW) (!bar) (!Kelvin)

Wie viel Energie entsprechen 2 kW über 3 Stunden? (6 kWh) (!2 kWh) (!3 kW) (!12 kW)

Was zeigt ein Lastgang? (Den zeitlichen Verlauf der Leistung) (!Nur den Jahresverbrauch) (!Nur den Leitungsdruck) (!Nur die Nennleistung)

Was beschreibt die Nennwärmeleistung? (Eine Leistungsangabe bei definierten Bedingungen) (!Den jährlichen Strombezug) (!Eine konstante tägliche Energiemenge) (!Den gesamten Wärmeverbrauch)

Welcher Zähler erfasst elektrische Energie? (Stromzähler) (!Manometer) (!Thermometer) (!Druckminderer)

Welcher Zähler erfasst übertragene Wärmeenergie? (Wärmezähler) (!Druckminderer) (!Sicherheitsventil) (!Ausdehnungsgefäß)

Wie ermittelst Du Energie bei wechselnder Leistung? (Die Energie aller Zeitabschnitte addieren) (!Nur die Spitze ablesen) (!Die Nennleistung ohne Zeit verwenden) (!Die Zahl der Heizkörper zählen)

Welche Gefahr kann nach dem Abschalten verbleiben? (Gespeicherte Druckenergie) (!Garantierte Druckfreiheit) (!Garantierte Abkühlung) (!Garantierter Rotorstillstand)

Was begrenzt pauschales Absenken der Trinkwarmwassertemperatur? (Die Anforderungen der Trinkwasserhygiene) (!Die gewünschte Farbe des Wassers) (!Die Zahl der Heizkörper) (!Die höchste Pumpendrehzahl)

Memory

Kilowatt	Leistungseinheit
Kilowattstunde	Energieeinheit
Lastgang	Zeitliche Leistungskurve
Wärmezähler	Wärmeenergieerfassung
Nennleistung	Definierter Gerätebetriebspunkt
Druckspeicher	Gespeicherte Druckenergie
Pumpenrotor	Rotierende Bewegungsenergie

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wärmeleistung	Momentanwert der Wärmeübertragung
Energieverbrauch	Aufsummierte Energiemenge
Heizlast	Auslegungsbezogener Leistungsbedarf
Ausdehnungsgefäß	Aufnahme von Volumenänderungen
Trinkwasserhygiene	Gesundheitsschutz der Wasserinstallation

Kreuzworträtsel

Leistung	Welche Größe beschreibt übertragene Energie pro Zeit?
Kilowattstunde	Wie heißt die Energieeinheit kWh?
Heizkreis	Wie heißt der Wasserkreislauf zur Wärmeverteilung?
Wärmezähler	Welches Gerät erfasst Wärmeenergie?
Druckspeicher	Welches Bauteil kann Druckenergie speichern?
Bewegungsenergie	Welche Energieform besitzt ein nachlaufender Rotor?

LearningApps

Interaktive Energiesimulation

PhET: Energieformen und Energieumwandlungen. Beobachte Übertragung und Umwandlung. Dies ist keine Simulation einer realen Druckprüfung.

Lückentext

Die Energie pro Zeit beschreibt die

.

Die zugehörige Einheit lautet

.

Die über einen Zeitraum übertragene Menge heißt

.

Eine gebräuchliche Energieeinheit ist die

.

Die Leistungskurve über der Zeit heißt

.

Die Leistung eines Geräts bei festgelegten Bedingungen heißt

.

Übertragene Wärmeenergie erfasst ein

.

Elektrische Energie erfasst ein

.

Der unter Auslegungsbedingungen benötigte Gebäudeleistungsbedarf heißt

.

Nach der Abschaltung kann

gespeichert bleiben.

Nachlaufende Pumpenteile können

besitzen.

Ein sicheres Papiermodell bleibt

.

Bei Trinkwarmwasser gilt die

.

Das Jahresverhältnis von abgegebener Wärme zu bezogener elektrischer Energie heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Plakat: Gestalte einen anschaulichen Vergleich von kW und kWh.
Anlagenschema: Zeichne den Heizkreis mit Vor- und Rücklauf.
Rechenkarte: Erfinde drei korrekte Leistung-Zeit-Rechenbeispiele.
Erklärvideo: Erkläre in einer Minute Leistung und Energie in SHK-Anlagen.

Standard

Diagramm: Zeichne den simulierten Verlauf und berechne die einzelnen Energieflächen.
Zählervergleich: Vergleiche elektrische Bezugsenergie und abgegebene Wärme.
Fachgespräch: Interviewe eine SHK-Fachkraft zum Unterschied von Nennwärmeleistung und Strombezug.
Hygienekarte: Gestalte eine Entscheidungshilfe zur Warmwassertemperatur.

Schwer

Gebäudemodelle: Entwirf zwei Häuser mit gleicher Tagesenergie und unterschiedlicher Leistungsspitze.
Energiediagnose: Vergleiche simulierte Arbeitszahlen und benenne fehlende Diagnoseinformationen.
Sicherheitsmodell: Visualisiere Druck-, Wärme- und Bewegungsenergie ohne reale Anlagenarbeiten.
Kundenberatung: Schreibe ein Kundengespräch über kW, kWh, Hygiene und Sicherheit.

Lernkontrolle

Gebäudeanalyse: Erkläre, warum kleiner Tagesverbrauch mit hoher Spitzenlast vereinbar ist.
Messdatenkritik: Entwickle faire Vergleichsregeln für zwei Wärmepumpen.
Speicherfall: Beschreibe, wie ein Speicher Leistung zeitlich verschiebt, ohne Energie zu erzeugen.
Sicherheitsentscheidung: Begründe Gefahren durch Restdruck und Nachlauf trotz Abschaltung.
Hygieneabwägung: Begründe Grenzen pauschaler Temperaturabsenkungen.
Systemdiagnose: Stelle drei plausible Hypothesen für sinkende Wärmeabgabe bei steigendem Strombezug auf.

Lernnachweis

Begriffe: kW und kWh mit eigenem SHK-Beispiel erklären.
Anlage: Beschriftetes Heizkreisschema abgeben.
Lastgang: Drei Abschnitte korrekt darstellen und Energie berechnen.
Bilanz: Stromzähler und Wärmezähler mit Messgrenzen vergleichen.
Diagnose: Eine Aussage begründen und Unsicherheiten angeben.
Sicherheit: Restdruck und Bewegungsenergie als Gefahren benennen; Simulation von realen Prüfungen unterscheiden.
Hygiene: Fachgerechten Umgang mit Temperaturabsenkungswünschen begründen.
Reflexion: Eine häufige Fehlinterpretation von Leistung und Energie korrigieren.

OERs zum Thema

Wikipedia:

Fachquellen

Hinweis: Herstelleranweisungen, geltende technische Regeln und betriebliche Sicherheitsfreigaben sind bei realen SHK-Anlagen verbindlich.

Medien und Lizenzen

Die Bilddateien sind über ihre Wikimedia-Commons-Dateiseiten mit Autorenschaft und Lizenz dokumentiert. Lizenzbedingungen bei Nachnutzung beachten.

Wikimedia-Commons-Datei	Angabe zur Lizenz
Electricity meter.JPG	CC0
Wärmezähler	CC BY-SA 4.0
Heizkreis Schema.svg	CC BY-SA 3.0
Heatpump hg.svg	CC BY-SA 4.0
Tagesverlauf des Stromverbrauchs.svg	CC0
Heat-pump-simple DE.svg	CC BY-SA 4.0
Expansiontank.jpg	Gemeinfrei
Druckbehältersymbol	Gemeinfrei
Centrifugal Pump.svg	CC BY-SA 3.0
Heizungsregelung	CC BY 4.0
Trinkwarmwasserschema	CC BY 2.5 als angebotene Lizenzoption

YouTube-Fremdmedien: Energie und Leistung, Wärmepumpe, Hydraulischer Abgleich. Die Einbettung ist keine freie Lizenz zur Bearbeitung oder Wiederveröffentlichung.