8 Heizungstechnik

Lehrveranstaltung
Energieberatung und
Energieausweise für Gebäude
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Fachhochschule Düsseldorf
Thema: Heizungstechnik
Ergänzung zur E²-Vorlesung
adam
Heizungstechnik 1
EnEV-Bewertung mit Anlagenaufwandszahl eP
Jahres-Primärenergiebedarf QP = (QH + QW) ep
.
d.h. eP =
Primärenergiebedarf gesamt
Nutzwärmebedarf des Gebäudes
eP umfasst alle Energieverluste in Heizungs-/Warmwasser-/Lüftungsanlage, plus Strombedarf
- bei Erzeugung (g), Speicherung (s), Verteilung (d) und Regelung/Übergabe (ce) der
Nutzwärme im Gebäude
- bei der Bereitstellung der Endenergieträger (Primärenergiefaktor fP)
eP ist in unterschiedlicher Detaillierung beschreibbar:
• Standardwerte (= unterer Durchschnitt der am Markt gängigen Technik)
a) für Gesamtanlage: rund 100 Standardanlagen in DIN 4701-10 Beiblatt B1
b) für Einzelkomponenten: Komponententabellen in DIN 4701-10
• Werte konkreter Produkte = Einzelkomponenten (Herstellerangaben in Produktunterlagen)
meist geringere eP-Werte als mit Standardwerten
Anmerkung
• DIN V 4701-10 gilt für Anlagen ab 1995 und spezifischen Jahres-Heizwärmebedarf = 40 … 90
kWh/m² (bei größeren/kleineren QH gelten die letzten angegebenen Werte)
• für Anlagen vor 1995 gelten DIN V 4701-12 und PAS 1027
adam
Heizungstechnik 2
Aufbau einer Heiz-/Warmwasseranlage
Heizgerät mit Heizkreis, witterungsgeführter Regelung, Warmwasserspeicher und Warmwasserzirkulation
1
2
5
10
13
15
16
20
21
24
27
99
THeiznetz
Heizkurve
TAußenluft
T
Heizgerät
Umwälzpumpe Heizung
Warmwasserspeicher
Thermostatventil
Anlagen-Regler
Heizkreis-Mischer (ggf.)
Außenfühler
Kesselfühler
Fernbedienung
Speicherfühler
Speicherladepumpe
alternativ: Pumpe „2“ am
Heizgerät plus Ventil zur
Umschaltung zwischen
Heizkreis und
Warmwasserspeicher
15
M
43
30 Schwerkraftbremse
43 Kaltwasseranschluss
46 Zirkulationspumpe WW
mit Zeitschaltuhr
99 Zirkulationsleitung WW
alternativ: elektrische
Begleitheizung
Quelle: Vaillant Planungsunterlagen
adam
Heizungstechnik 3
Mehrere Heizkreise unterschiedlicher Temperatur
45
90
Bezeichnungen wie vorher, plus
15 Mischer ( T-Reduzierung)
17 Vorlauffühler
18 Rücklauffühler
19 Maximalthermostat
( Sicherheitsabschaltung)
31 Hand-Regulierventil
52 Raumtemperaturgesteuertes Ventil
90 Vorlaufverteiler
91 Rücklaufsammler
91
2a
• Bild: Entkopplung der Massenströme in Kesselkreis (97) und
Heizkreisen über „hydraulische
Weiche“ (45)
zusätzliche Pumpe (2a)
• alternativ: Entkopplung über
Pufferspeicher für Heizenergie
• häufig: ohne Entkopplung
97
Quelle: Vaillant Planungsunterlagen
adam
Heizungstechnik 4
Konventionelle Heiz- und Warmwassergeräte
Heizgeräte
Gas-Therme
wandhängend
Gas-Kessel
bodenstehend
Öl-Kessel
bodenstehend
Elektro-Heizung
(Nachtspeicher)
• Brennwert-Geräte, gleitende Wassertemperatur (*)
• Niedertemperatur-Geräte, gleitende Wassertemp.(*)
• Alte Standard-Geräte, mit intern konstanter
Wassertemperatur + Mischer
Warmwassergeräte
Platzierung in
der Grafik verdeutlicht übliche
Kombinationen
mit den Heizgeräten
*: heute am häufigsten verwendet
Integrierter
Durchlauferhitzer (*)
vom Heizgerät erwärmter Wasserspeicher (*)
Elektro-Durchlauferhitzer (*)
Elektrisch beheizter Wasserspeicher
Gasbeheizter Wasserspeicher
Gas-Durchlauferhitzer
adam
Heizungstechnik 5
Öl-/Gas-Gebläsekessel
Brennwert-, Niedertemperatur- oder Standardkessel
Wärmeübertrager
• wasserdurchströmte Gusssegmente (siehe Bild) oder aus
Stahl
• zylindrischer Hohlraum zum
Ausbrand der Flamme
plus 1 oder 2 Rauchgaszüge
Gebläse-Brenner
• Förderung der Verbrennungsluft
durch ein Gebläse
• Öl: Zerstäubung an einer Düse im Brennermund
• Gas: Eindüsung in den Brennraum oder den
Verbrennungsluftstrom
Bildquelle: /www.viessmann.de/mediadaten
adam
Heizungstechnik 6
Gas-Spezialheizkessel
Niedertemperatur- oder Standardkessel
Wärmeübertrager
• wasserdurchströmte,
berippte Gusssegmente
• Zusammenfügung
mehrerer Segmente zu
einem WärmeübertragerBlock
„Atmosphärischer“ Gas-Brenner
• Gasdüsen injizieren Gas in
vorne offene Brennerstäbe
Primärluftansaugung
• Sekundärluftbeimischung
durch natürlichen Auftrieb
nach Austritt des Gas/Primärluftgemisches an den
Schlitzen der Brennerstäbe
Bildquelle: /www.viessmann.de/mediadaten
adam
Heizungstechnik 7
Warmwasserbereitung - weitere Speichersysteme
Gasbeheizte Wasserspeicher
Gasbeheizter
Wasserspeicher
• meist nur im Altbau
• „Vorratswasserheizer“
• Gasbrenner am Boden und senkrechtes
Abgasrohr in der Mitte des Speichers
Elektrisch beheizte Wasserspeicher
• Untertischgeräte: < ca. 10 l
• „Boiler“: > ca. 50 l, meist nur im Altbau
ElektroUntertischspeicher
Pufferspeicher mit Wärmeübertrager
• heißes Pufferwasser erwärmt Trinkwasser im
Durchlauf
• mit externem Platten-WÜ („Frischwasserstation“)
oder innenliegendem WÜ-Wellrohr
• vor allem in Verbindung mit thermischen
Solaranlagen ( Solarpuffer ohnehin nötig),
Holzkesseln und Wärmepumpen ( Heizenergiepuffer zur Vermeidung von Taktbetrieb sinnvoll)
Pufferspeicher
externer
Platten-Wärmeübertrager
Warmwasser
Kaltwasser
Bildquellen: ASUE, Stiftung Warentest
adam
Heizungstechnik 8
Warmwasserbereitung im Durchlaufprinzip
Benötigte Leistung
& =m
& ⋅ c p ⋅ (Twarm − Tkalt )
Q
Kaltwasser
& = 10 kg min ⋅ 4,18 kJ ⋅ (40 − 10 ) °C = 20,9 kW
Q
min 60s
kg ⋅ K
Warmwasser
HeizungsVorlauf
Wandheizgerät + integrierter Durchlauferhitzer
• „Kombi-Gerät“, „Kombi-Umlaufwasserheizer“
• Heizungswasser erwärmt Trinkwasser über
internen Platten-Wärmeübertrager
• ggf. mit kleinem Wasserspeicher (wenige Liter)
zur schnelleren Verfügbarkeit von Warmwasser
Heizungsrücklauf
Kombi-Gerät mit Trinkwassererwärmung über
integrierten Platten-Wärmeübertrager
Gas-Durchlauferhitzer
• mit ständig brennender Zündflamme oder
elektrischer Zündung
• in Deutschland selten
Elektro-Durchlauferhitzer
• T-Regelung „hydraulisch“ oder „elektronisch“
(genauer, unabhängig vom Durchfluss)
adam
ElektroDurchlauferhitzer
Bildquellen: ASUE, Vaillant
Heizungstechnik 9
Wärmeverteilung in Heizungsanlagen
Einrohr-Heizung
Zweirohr-Heizung
hier: mit horizontaler Verteilung in
den Etagen
hier: mit horizontaler Verteilung im Keller
und Steigesträngen zu den Etagen
Anbindeleitung
Anbindeleitung
Steigleitung
Steigleitung
Verteilleitung
Verteilleitung
Anbindeleitung: einzeln absperrbar
Steig-/Verteilleitung: ständig durchströmt
Bildquelle: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 05/06
adam
Heizungstechnik 10
Wärmeverluste an
Rohrleitungen
• 220 Tage Heizzeit
• mittlere Heizungswassertemperatur
während der Heizperiode = 46°C
(bei 75/60°C Auslegung)
• Kellertemperatur = 12°C
Empfehlungen:
• Dämmdicke ≥
Rohrdurchmesser
• Verlegung in der beheizten
Hülle
Wärmeverlust der Rohrleitung [W/mK]
Berechnung der jährlichen
Wärmeverluste in der Grafik mit …
Dämmung
= Rohrdurchmesser
Dämmung
= 2 x Rohrdurchmesser
Jährlicher Wärmeverlust pro Meter Rohr [kWh/(m.a)]
Dämmung
= ½ x Rohrdurchmesser
• Rohrlänge minimieren
äußerer Rohrdurchmesser [mm]
Quelle: W. Feist, Das Niedrigenergiehaus
adam
Heizungstechnik 11
Übung: Wärmeverluste an Rohrleitungen
Der Wärmedurchgang an einem wärmegedämmten Rohr hängt ab vom konvektiven Wärmeübergang aus dem Fluid an die Rohrwand, von der Wärmeleitung in der Rohrwand und in der
Wärmedämmung und vom konvektiven Wärmeübergang von der Außenfläche an die Raumluft.
Er berechnet sich mit folgenden Formeln (siehe auch Lehrveranstaltung Wärmeübertragung):
& = k ⋅ L ⋅ (T − T )
Q
R
i
a
&
Q
= kR
L ⋅ ∆T
kR =
π
n
 1
1
d 
1
+ 
ln k +1  +
α i ⋅ di k =1  2 ⋅ λ k
dk  α a ⋅ da
∑
k R:
L:
Ti:
Ta:
αi/a:
di:
dK:
dk+1:
da:
λ k:
Wärmedurchgangskoeffizient am Rohr [W/mK]
Länge des Rohres [m]
Temperatur im Rohr [°C]
Temperatur in der Umgebung des Rohres [°C]
Wärmeübergangskoeffizient innen/außen [W/m²K]
Rohrdurchmesser innen [m]
Durchmesser der Schicht k, innen [m]
Durchmesser der Schicht k, außen [m]
Durchmesser außen an der Wärmedämmung [m]
Wärmeleitfähigkeit der Schicht k
Berechnen Sie die Wärmeverluste an einem Kupferrohr (22 x 1 mm, λ = 372 W/mK) mit einer
Wärmedämmung, deren Dicke dem äußeren Rohrdurchmesser entspricht (λ = 0,035 W/mK). Aus
Nusselt-Gesetzen berechnet sich αi = 1.000 … 10.000 W/m²K und αa = 4 … 8 W/m²K.
Welche der 4 Wärmedurchgangswiderstände sind vernachlässigbar?
Welche Wärmeverluste ergeben sich für das Rohr, wenn keine Wärmedämmung angebracht ist?
Lösung: 0,16…0,18 W/mK, Innen + Rohrwand, 0,275…0,55 W/mK
adam
Heizungstechnik 12
Auslegung der Heizanlagen-Komponenten
• Heizlast = maximal notwendige
Heizleistung unter
ungünstigsten Bedingungen
= Transmissionswärmeverlust +
Lüftungswärmeverlust
+ Anheizzuschlag
• z.B. für Norm-Außentemperatur
von -10°C (z.B. Köln)
bis -18°C (z.B. Oberstdorf)
• z.B. für Norm-Innentemperatur
von +10°C (unbeheiztes
Treppenhaus) bis +24°C (Bad)
• siehe EN 12831 (Rechenverfahren ähnlich, aber nicht
identisch mit dem der EnEV)
Gebäude-Heizlast in W/m² .
Heizlast
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
freistehendes Einfamilienhaus
großes Mehrfamilienhaus
bis 1970 19771984
• Gebäude-Heizlast = Mittelwert für das Gebäude
19851995
1995- ab 2002 Passiv2002
haus
Auslegung des Heizgerätes
• Raum-Heizlasten weichen teils deutlich davon ab wegen unterschiedlicher Außen- und
Fensterflächen (innen liegender Raum ↔ einstöckiger Anbau)
Auslegung der Heizkörper
adam
Heizungstechnik 13
Heizkörper - Dimensionierung + Heizleistung
Normheizleistung
140
Heizleistung bei anderen
Vor/Rücklauftemperaturen
Q&  (THeizkörper − TRaumluft ) 
=
&
Q0  (THeizkörper − TRaumluft )0 
n
120
relative Heizleistung in %
• wird für jeden Heizkörper angegeben
• Beispiel: Heizkörper, 50 cm hoch,
bei 75/60°C
• 1 Platte: 480 W/m
• 2 Platten: 800 W/m
• 2 Platten mit Konvektionsblechen
dazwischen: 1510 W/m
für n = 1,3
TRaumluft = 20°C
90/70°C
100
75/60°C
80
60/50°C
60
40
45/35°C
20
0
mit n = 1,1 für Fußbodenheizung
1,2 … 1,3 für Heizkörper
1,25 … 1,45 für Konvektoren
20
30
40
50
60
70
80
90
mittlere Heizkörpertemperatur in °C
Prämisse „geringe Investitionskosten“
„kleine“ Heizkörper + hohe Heiznetztemperatur
Prämisse „geringer Energieverbrauch“ bei Erzeugung, Verteilung
adam
„große“ Heizkörper
Heizungstechnik 14
Hilfsenergiebedarf der Umwälzpumpe(n)
Druckverluste in der Anlage klein halten
(= flache Anlagen- bzw. Netzkennlinie)
∆pAnlage
 l
 ρ
∆p =  λ ⋅ + ζ  ⋅ c ²
 2
 d
 Rohrlänge l minimieren
 ausreichend großer Durchmesser d
(Kompromiss mit Kosten)
 geringer Rohrreibungsbeiwert λ,
Achtung vor Schläuchen, Wellrohren
∑
∆p
∆pPumpe
Pel
Pel
η
η
Elektrische Leistungsaufnahme der
Umwälzpumpe minimieren
Pel =
Phydraulisch
η
V& ⋅ ∆p
=
η
∆pPumpe: Förderhöhe der Pumpe
∆pAnlage: Druckverlust der Anlage
Pel: elektr. Leistungsbedarf der Pumpe
η: Wirkungsgrad der Pumpe
 energieeffizienter Antriebsmotor
 keine Überdimensionierung
 automatische Drehzahlregelung,
z.B. konstante Förderhöhe
normiert auf Betriebspunkt A
(konstante Pumpendrehzahl)
Quelle: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 05/06
adam
10
Druckverlust in Rohren
m kg m²
N
⋅
⋅
=
= Pa
m m³ s ²
m²
∆p = Druckverlust
λ = Rohrreibungszahl
= f (Reynoldszahl Re=(c.d)/ν, ε/d)
z.B. aus Moody-Diagramm
ν = kinematische Zähigkeit in m²/s
ε = absolute Rauhigkeit der inneren
Rohrwand
l = Rohrlänge
d = Rohrdurchmesser, innen
ρ = Dichte des strömenden Fluids
c = Geschwindigkeit des Fluids
oder einfacher: ∆p = R ⋅ l
λ ρ
mit R = ⋅ c ² in Pa/m
d 2
R = Druckgefälle/-verlust je m Rohr
(siehe Rohrreibungsdiagramme
für gebräuchliche Bedingungen
wie Wasser und Kupferrohr)
100
Wasserstrom in kg/h
l ρ
∆p = λ ⋅ ⋅ c ²
d 2
für Kupferrohr mit ε = 0,0015 mm
Wassertemperatur = 80°C
Korrektur für 60°C: R80/0,988
1000
10000
100000
empfohlener
Bereich
10
Quelle: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 2005/06
adam
50 100 200
1000
Druckgefälle R in Pa/m
6000
Heizungstechnik 16
Druckverlust
durch Einzelwiderstände
∆p = ζ ⋅
ρ
2
ζ=1,5
ζ=0
ζ=1,0
ζ=0,5
c²
ζ=0,5
mit
ζ = dimensionsloser
Widerstandsbeiwert
Tabellenwerte
bei (Heizkörper-)Ventilen etc. häufig Angabe des Ventilkoeffizienten kvs
• kvs = Durchfluss in m³/h bei voll geöffnetem Ventil, ∆p = 1 bar, Wasser ρ =1000 kg/m³
(kv = Werte für andere Ventilstellungen)
2
&


1 bar
ρ
V 
ρ
• Umrechnung mit: k v ( s) = V& ⋅
⋅
∆p = 
⋅
⋅ 1 bar
 k v ( s)  1000 kg/m³
∆p 1000 kg/m³


Tabellenquelle: Ihle et al., Tabellenbuch
adam
Heizungstechnik 17
Druckverluste in Rohrnetzen, hydraulischer Abgleich
Reihenschaltung
V& ges = V& 1 = ... = V& n
Parallelschaltung
V& ges =
n
∑ V&
i
i=1
n
∆p1
∆p2
∆pges
∆pn
∆p ges =
∑ ∆p
∆p ges = ∆p1 = ... = ∆pn
i
i=1
∆p1
n
ζ ges =
∑ζ
∆p2
∆pn
∆pges
1
i
ζ ges
i=1
n
=
1
∑ζ
i=1
i
Hydraulischer Abgleich
Sicherstellung der berechneten Volumenströme in unterschiedlichen parallelen Teilsträngen
Beispiel: ζ1 = 4 . ζ2 (d.h. Strang 1 ist viermal so lang wie Strang 2)
Real: ∆p1 = ∆p2 → ζ1 ⋅ c1 ² = ζ 2 ⋅ c2 ² ( ρ = konst) → c1 = c2
ζ2
1
1
→ c1 = c2
→ c1 = c2
ζ1
4
2
der lange Strang 1 würde unterversorgt, der kurze Strang 2 überversorgt
größere Pumpenleistung zur ausreichenden Versorgung von Strang 1 wäre nötig; im
kurzen Strang 2 würde die Mehrleistung durch die Thermostatventile weggedrosselt
Absichtliche Erhöhung der Druckverluste in den „günstigen“ Strängen auf den Wert im
„ungünstigsten“ Strang durch voreinstellbare Heizkörperventile, Differenzdruckregler
oder Strangregulierventile (Heizkörper-Rücklaufverschraubungen)
adam
Heizungstechnik 18
Übung: Rohrnetzberechnung, hydraulischer Abgleich
Ermitteln Sie für das abgebildete Rohrnetz die Druckverluste inkl. denen für den hydraulischen
Abgleich (thermische Auslegung des Heiznetzes auf 55/45°C, Rohrlängen und Einzelwiderstände
siehe Tabelle)
22x1
18x1
18x1
28x1
35x1,5
42x1,5
Heizkörperleistung
35x1,5
Strangabschnitt
Rohrdurchmesser
Bildquelle: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 05/06 a d a m
Heizungstechnik 19
Übung: Rohrnetzberechnung nach VDI 2073
Teilstrang Vorlauf + Rücklauf (zusammen berechenbar)
Rohrlänge l (gemäß Rohrführung), gegeben
Heizkörperleistung am Teilstrang (aus Heizlastrechnung), Q
Wassermassenstrom bei z.B. 55/45°C = Q / (4,18 kJ/kgK x 10 K)
Rohrdurchmesser für R = 50…250 Pa/m (bzw. 0,2…1,0 m/s)
Druckgefälle R für gewählten Rohrdurchmesser
Druckverlust in den Rohrleitungen = R x l
Summe Einzelwiderstände zeta (ohne Heizkörper-Ventil), gegeben
Rohrinnendurchmesser
Strömungsgeschwindigkeit bei gewähltem Rohrdurchmesser
Druckverlust durch Einzelwiderstände = zeta x rho/2 x c²
Gesamtdruckverlust (ohne Heizkörper-Ventil)
Gesamtdruckverlust ohne Heizkörper-Ventil
Auslegung Heizkörper-Ventil auf Ventilautorität P = 0,3…0,7
m
kW
kg/s
mm
Pa/m
Pa
mm
m/s
Pa
Pa
Pa
Pa
1 + 10,11
20
42
1,000
42x1,5
170
3400
10,0
39
0,84
3504
6904
2+9
10
28
0,667
35x1,5
210
2100
2,0
32
0,83
687
2787
3+8
20
14
0,333
28x1
180
3600
4,0
26
0,63
788
4388
4+7
8
7
0,167
22x1
180
1440
2,0
20
0,53
281
1721
5+6
2
3,5
0,083
18x1
150
300
15,0
16
0,41
1288
1588
17389 im Strang mit den größten Druckverlusten
8694 mit P = dp(Ventil) / dp(ges), hier P = 0,333
oder 40…150 mbar (Geräuschvermeidung)
26083 --> Auswahl der Pumpe mit V = 3,6 m³/h
26,1 = dp(ges,max) x Volumenstrom
Gesamtdruckverlust mit Heizkörper-Ventil dp(ges,max)
Pa
Hydraulische Pumpenleistung P(hydraulisch)
W
zusätzlich zu produzierende Druckverluste für den hydraulischen Abgleich
im Strang 12-13 (und analogen Strängen in Strang II, III)
Pa
1721 = dp (Strang 4+7) --> kvs-Wert
im Strang II
Pa
4388 = dp (Strang 3+8) --> kvs-Wert
im Strang III
Pa
7175 = dp (Strang 3+8 und 2+9) --> kvs-Wert
Realisierung des hydraulischen Abgleichs durch Einbau einstellbarer Heizkörperventile,
Differenzdruckregler oder Strangregulierventile mit passendem kvs-Wert
adam
Heizungstechnik 20
Zentrale Regelung einer Heizungsanlage
Regelgerät am Heizgerät (ggf. Bedieneinheit in der Wohnung)
• Einstellung der Heizzeiten (Uhr)
• Einstellung der Wassertemperaturen im Heiznetz
- witterungsgeführte Regelung: variabler Soll-Vorlauftemperatur gemäß Heizkurve (s. Bild)
- raumtemperaturgeführte Regelung: Wahl einer konstanten Soll-Vorlauftemperatur,
plus Raumthermostat in 1 Referenzraum, TReferenzraum(Ist </> Soll)
Heizgerät = Ein/Aus
(Vor-)Regelung Heizwassertemperatur
Wärmeübergabe (HK, FBH)
20°C
100 %
Heizleistung
SollVorlauftemperatur
90°C
gekrümmte
Heizkurve
0%
20°C
-10°C
Außentemperatur
adam
lineare
Heizleistung
20°C
-10°C
Außentemperatur
Heizungstechnik 21
Witterungsgeführte Heizungsregelung
Heizkurve: Soll-Vorlauftemperatur = f ( Außentemperatur )
Veränderung der „Steilheit“
verändert die Heizleistung bei allen Außentemperaturen um den gleichen prozentualen
Betrag
SollVorlauftemperatur
90°C
20°C
20°C
„Parallel-/Fußpunktverschiebung“
verändert die Heizleistung bei allen Außentemperaturen um den gleichen absoluten Betrag,
d.h. überproportional an wärmeren Tagen
Außentemperatur
-10°C
Kombinationen aus veränderter Steilheit und
Parallelverschiebung sind möglich
• Die Heiznetztemperatur legt die maximal mögliche Heizleistung der Heizkörper bzw.
Fußbodenheizung (bei voll geöffneten Ventilen) fest!
• Bei richtig (= passend für das Gebäude) eingestellter Heizkurve und ohne interne / externe
Wärmegewinne würde die zentrale Regelung ausreichen, um bei variabler
Außentemperatur die Raumtemperatur konstant zu halten!
adam
Heizungstechnik 22
Dezentrale Einzelraumregelung einer Heizungsanlage
•
bei Heizkörpern: Thermostatventil an jedem Heizkörper
•
bei Fußbodenheizung: Raumthermostat in jedem Raum,
mit Draht-/Funkverbindung zu Ventilen am zentralen Heizkreisverteiler (nicht zum Heizgerät!)
•
Wahl der Soll-Raumtemperaturen an den Thermostatventilen bzw. Raumthermostaten
•
(dezentrale) Drosselung des Wasserdurchflusses bei ausreichender Raumtemperierung
P-Regelverhalten
(normale Thermostatventile)
100 %
stetige
Regelung
18°C
20°C
Raumtemperatur
22°C
Wärmeübergabe
(HK, FBH)
120 %
Heizleistung
TRaum,Soll = 20°C
Proportionalbereich = 2 K
Ventilöffnung
0%
2-Punkt-Regelung
(einfache
Raumthermostate)
PID-Regelung
(elektronische
Heizkörperventile,
Raumthermostate)
adam
100%
0%
0%
120 %
Wasserdurchfluss
Heizungstechnik 23
Heizbetrieb, Absenk-/Abschaltzeiten
Normaler Heizbetrieb („Tagbetrieb“)
Raumtemperatur
Abgesenkter oder reduzierter Betrieb mit
parallel nach unten verschobener Heizkurve
(„Nachtbetrieb“)
Abschaltung von Heizgerät und Pumpe
mit Sockel-Raumtemperatur
Abschaltung
von Heizgerät und Pumpe
(mit Frostschutzsicherung durch Pumpenbetrieb unter bestimmter Außentemperatur)
Abschaltzeitpunkt
Einschaltzeitunkte
• Abkühl- und Aufheizgeschwindigkeit ist abhängig von der thermischen Masse des
Heizsystems und des Gebäudes
adam
Heizungstechnik 24
Energieeinsparung durch Nachtabsenkung
bei Beheizung des gesamten Gebäudes
Quelle: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 05/06
adam
Heizungstechnik 25
Energiesparende Heizungsregler-Einstellungen
• 1 K geringere Raumtemperatur
ca. 6 % Energieeinsparung
 Transmissions- und Lüftungswärmeverluste = f (TRaum – TAußenluft)
 mittlere Außentemperatur während der Heizperiode = ca. 4°C

TRaum − TAußenluft
19°C − 4°C 15 K
=
=
= 93,8%
TRaum , 0 − TAußenluft ,0 20°C − 4°C 16 K
• möglichst niedrige, iterative Einstellung der Heizkurve bzw. Vorlauftemperatur
höhere Wirkungsgrade des Heizgerätes
geringere Wärmeverteilverluste
• Abschalten statt Absenken
zusätzliche Energieeinsparung
keine Gefahr normalen Weiterheizens im Absenkbetrieb wegen zu hoch
eingestellter Heizkurve (Thermostatventile drosseln tags und öffnen nachts)
Stromeinsparung bei der Umwälzpumpe
• Regelungstechnik, die der Endkunde versteht und (deshalb auch) bedient
adam
Heizungstechnik 26
Wärmeübergabe - Thermische Behaglichkeit
• Lufttemperatur (ca. 20°C)
• Temperatur der Raumumschließungsflächen (ca. 20°C)
• Luftgeschwindigkeit (< 0,2 m/s)
• Luftfeuchte (35 ... 65 %)
• Aktivitätsgrad
• Bekleidung
Weitere Einflussgrößen
•
•
•
•
•
•
•
Alter
Geschlecht
Gesundheitszustand
Aufenthaltsdauer
Tagesrhythmus
Nahrungsaufnahme
etc.
Beispiel
ISO 7730 Bedingungen für thermischen Komfort
Aktivität M [met]
Haupteinflussgrößen
5 % Unzufriedene
Dämmwert der Kleidung [clo]
Randbedingungen:
• Empfindungstemperatur: te = a tLuft + (1-a) tWand
mit a = 0,5 ... 0,7 = f (vLuft )
• Luftfeuchte: 50 %
• Luftgeschwindigkeit: 0 bzw. 0,3.(M-1) m/s für M<bzw.> 1
Quellen: ISO 7730, Fanger et al., Grandjean, Recknagel et al.
adam
Heizungstechnik 27
Detailproblem: Strahlungszug an kalten Außenflächen
U-Wert
[W/m2K]
Innere Oberflächentemperatur
20 °C
Fenster
16 °C
unbehaglicher
Strahlungszug
12 °C
Raumtemperatur: 20 °C
8 °C
- 10 °C
0 °C
+ 10 °C
+ 20 °C
Außenlufttemperatur
• Einfachverglasung
• Isolierglas, doppelt
• Wärmeschutzglas,
doppelt
• Wärmeschutzglas,
dreifach
5,2
2,8
1,1
0,7
Wände
•
•
•
•
•
WSchVO 77
WSchVO 84
WSchVO 95
EnEV 2002
20 cm Isolierung
~ 1,0
~ 0,7
~ 0,5
~ 0,25
0,2
Strahlungszug stellt bei U-Werten kleiner ca. 1 W/m²K (wärmegedämmte Wände,
2- oder 3fach-Wärmeschutzverglasung) kein Problem dar!
adam
Heizungstechnik 28
Strahlungszug mit Richtungsabhängigkeit
Allgemeine Aussagen zum
Strahlungszug verschiedener
Autoren:
• bei ϑWand < 16°C
• bei ϑWand,1 - ϑWand,2 > 5...7 K
unter Berücksichtigung der
Richtungsabhängigkeit (siehe Bild)
• warme Decke: kritisch!!
• warme Wand: unkritisch
• warmer Fußboden: unkritisch bzgl.
richtungsabhängiger Strahlung,
aber physiologisch-medizinische
Grenze von 29°C maximaler
Oberflächentemperatur
Unzufriedene Personen [%]
• bei ϑLuft - ϑWand > 3 K
100
warme Decke
50
kalte Wand
30
20
kalte Decke
10
5
warme Wand
3
2
Empfindungstemperatur
22 ... 23 °C
1
0
5
10
15
20
25
30
Asymmetrie der Strahlungstemperatur [K]
Quelle: nach Fanger
adam
Heizungstechnik 29
maximale Luftgeschwindigkeit [m/s]
Detailproblem: Kaltluftabfall an kalten Außenflächen
0,8
Fensterbreite = 1m
0,6
Fensterhöhe =
0,5
3m
unbehaglicher
Kaltluftabfall
0,4
2m
0,3
1m
0,2
0,1
1
2
3
4
5
6
8
10
Fensteruntertemperatur = TRaumluft – TInnere Fensteroberfläche [K]
Kaltluftabfall kann bei hohen Fenstern und niedrigen Außentemperaturen auch bei
guten Fensterqualitäten Unbehaglichkeit hervorrufen!
Quelle: nach Biegert, 1990
adam
Heizungstechnik 30
Raumluftbewegung und thermische Behaglichkeit
in Abhängigkeit der Wärmeübergabe-Technik
•
Heizkörper an der Außenwand mit
> 60 % konvektiver Wärmeabgabe
•
Fußbodenheizung ohne/mit unterstützenden Konvektoren an der Außenwand
•
Konvektoren bzw. Luftheizungsauslässe
im Fußboden vor der Außenwand
•
Deckenheizung
•
Ofen, Heizkörper an der Innenwand
Außenwand
Wärmeübergabeeinrichtung
Außenwand
Wärmeübergabeeinrichtung
Raumluftwalze
Raumluftwalze
kritisch!
thermisch behaglich
Behaglichkeitsprobleme im Altbau und
in Alt- und Neubau
teils bei hohen Fenstern im Neubau
im Mittel warm genug, ggf. lokale Probleme in Außenwand/Fenster-Nähe
adam
Heizungstechnik 31
Heizkörper oder Fußbodenheizung ?
Raumtemperatur [°C]
Niedrigenergiehaus
26
390
270 Watt Solarstrahlung/m2 Fenster,20. Dez.
24
Fußbodenheizung
deutlich stärkere Überheizung
22
Heizkörper
Quelle: Kast,
HLH 9/95
20
12
14
16
Uhrzeit [h]
20
aus energetischer Sicht:
• Vorzug für Heizkörper, mit niedrigen Vorlauftemperaturen (max. 45…55°C)
• Ausnahme: Solaranlagen-/Wärmepumpenheizung, da deren Effizienz von
noch geringeren Heiznetztemperaturen sehr profitiert
( trägheitsarme Flächenheizungen, max. 35°C)
adam
Heizungstechnik 32
Thermische Trägheit von Wärmeübergabe-Techniken
Energieinhalt m cp ( ϑHM - ϑRL) [kWh]
zum Vergleich:
4
16 K = ϑHM-ϑRL
12 K
Wohnfläche:20
Heizlast:
m2
50 W/m2
ϑHM : Heizmittel-Temp.
ϑRL : Raumluft-Temp.
3
2
1
• 3,8 kWh Energie
entsprechen
10 h Solarstrahlung mit
380 W
16 K
Probleme der
Fußbodenheizung:
60 K
• schlechte Regelfähigkeit
16 K
60 K
0
Fußbodenheizung
(4,5 cm Estrich)
• 0,2 kWh Energie
erwärmen
55 m3 Luft um 10 K
Gußgliederheizkörper
Plattenheizkörper
mit 2 Konvektionsblechen
adam
• mehrere Stunden
Anheizzeit
• unnötige Beheizung bei
Wärmegewinnen
• Fußboden fehlt als Energiepuffer für einfallende
Solarstrahlung, da er
schon warm ist
Heizungstechnik 33
Sinnvolle Einsatzbereiche unterschiedlicher
Techniken zur Wärmeübergabe in Wohnräumen
Heizkörper an Außenwand
Fußbodenheizung in Estrich
max. 29°C Oberflächentemperatur
Wandheizung
Heizkörper an Innenwand
typischer „Daumenwert“ von
Heizungsbauern für Altbauten
Deckenheizung
Lüftungsheizung **)
0
50
WSchVO 1995
EnEV 2009, NEH
100
150
max. Heizlast *)
[W/m2]
Altbau
*): bei niedrigsten Außentemperaturen
**): Erhitzung der Zuluft der Lüftungsanlage
Passivhaus
adam
Heizungstechnik 34