8 Heizungstechnik
Transcrição
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