Gebäudeplanung. - Planung von Heizungsanlagen - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS Fachhochschule Dortmund

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1 Gebäudeplanung - Planung von Heizungsanlagen - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS 2012 Dortmund

2 Gliederung von Heizungsanlagen (zentral) Primärenergie Heizungsanlage Wärmeerzeugung Wärmeverteilung Wärmeübergabe im Flur Keller im Raum Gebäude im Raum dezentral teilzentral zentral Wärmeverteilung: Wasser Wärmeübergabe: konvektiv Dampf Strahlung Luft kombiniert mit Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 2

3 Primärenergie Öl {Kohle/Koks} Holzpellets Gas (Flüssiggas) Gas (Erdgas) Elektrische Energie Nah-/Fernwärme Lagerung Verbrennung Abgasabfuhr Leitungsnetz Hilfsenergie Solarenergie 3

4 Ölkessel Gaskessel Holz, Holzpellets Wärmepumpe Elektroheizung Solaranlage Wärmeerzeuger Niedertemperatur Brennwert Niedert./Brennwert Feststoffkessel Kachelöfen elektrisch mit Verbrennungsmotor direkt Nachtspeicher als Heizungsunterstützung konventionell Blockheizkraftwerk, Brennstoffzelle Nah-/ Fernwärme Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 4

5 Konventionelle Wärmeerzeuger (zentral) Wärmeerzeugung durch Verbrennung Gas Öl Pellets {Kohle, Koks, Holz} Heizungsraum (Keller, Dachgeschoss) Brennstofflagerung (Sicherheit) Brennstoffzufuhr Luftzufuhr Abgasabfuhr Kondensatabfuhr (Brennwertkessel) 5

6 Keller/Erdgeschoss Heizungsräume Kaminzug Schornsteinlänge Brennstoffzufuhr Feststoffe, Öl Größe des Wärmeerzeugers Wärmepumpe: Ankopplung an Wärmequelle Dachgeschoss geringerer hydrostatischer Druck kurze Abgasleitungen, geringe Abgastemperatur Führung der Hauptleitungen günstiger Betriebsgeräusche Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 6

7 Heizungsräume Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 7

8 Raum-/Tankgröße Raum-/Tanklage Öl: Lagerraum Brennstofflagerung Bevorratungszeitraum Brandsicherheit Umweltschutz Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 8

9 Öl: unterirdischer Tank Brennstofflagerung Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 9

10 Flüssiggas: unterirdischer Tank Brennstofflagerung explosionsgefährdeter Raum explosionsgefährdeter Raum beim Befüllen Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 10

11 Brennstofflagerung Flüssiggas: überirdischer Tank 11

12 Brennstofflagerung Holzpellets: Lagerraum 12

13 Holzpellets: Förderung Brennstofflagerung 13

14 Wärmeträger Luft zentrales Erwärmen Gas Holz/ Pellets elektrisch direkt/ Wärmepumpe Luftverteilung frei (Konvektion) Kanalnetz Ventilatoren Hypokausten großer Volumenstrom n = 1, h -1 Umluftbetrieb mit Frischluftbeimischung Luftkanäle erforderlich Raumbedarf hohe Ventilatorleistung Verteilung von Bakterien /Viren Regelung des Luftstroms schwierig (Lüftung!) v < 3 m/s Hypokausten Wärmeübergabe: Strahlung & Konvektion Dortmund Gebäudeplanung Planung von Heizungsanlagen 14

15 Wärmeträger Luft Wann ist Luft als Wärmeträger sinnvoll? Kombination mit Lüftungsanlage Versammlungsstätten, Kaufhäuser wenn schnelles Aufheizen erforderlich ist wenn im Sommer gekühlt werden muss hoher Lüftungsbedarf 15

16 Wärmeträger Wasser geringe Massenströme zum Wärmetransport leicht zu fördern Wasserpumpen Systemtemperatur abhängig von Wärmeerzeuger Hochtemperaturkessel Niedertemperaturkessel Brennwertkessel Bereitstellungsverluste Wärmepumpe Solaranlage Wirkungsgrad besser bei kleiner Systemtemp. Wärmeübergabe Heizkörper 90/70/20, 75/65/20, 55/40/20 Fußbodenheizung T V < 40 C, Flächenheizung T R < 25 C 16

17 Wärmeträger Wasser Druckverhältnisse im Verteilnetz offenes System Freie Oberfläche (Ausgleichsgefäß) zur Umgebungsluft Ausgleichsgefäß am höchsten Punkt über Wärmeerzeuger im Wasser gelöster Sauerstoff Korrosion geschlossenes System (leichter) Überdruck des Wassers höhere Systemtemperaturen möglich Ausgleichsgefäß in der Nähe des Wärmeerzeugers Topologie des Verteilnetzes Einrohrsystem Heizkörper sind in Serie geschaltet Zweirohrsystem Heizkörper sind parallel geschaltet 17

18 Topologie des Rohrsystems 2-Rohr-System, vertikale Verteilung unterscheiden: obere vertikale Verteilung bei Dachheizzentrale ausgebaute Dachgesch. untere vertikale Verteilung einfache Montage 18

19 Topologie des Rohrsystems 2-Rohr-System, horizontale Verteilung Ringleitung Stern einfache Struktur alle Zuleitungen warm eingeschaltete Zuleitungen warm Verteiler erforderlich Wohneinheits-Heizkosten über Wärmemengenrechner 19

20 Vergleich der Rohrsysteme 2-Rohr: 1-Rohr: gleiches T V, T R unabhängige Regelung der Heizkörper Heizkörper beeinflussen sich unterschiedliche Mittentemperaturen Vergrößerung der Heizflächen am Ende des Strangs kostengünstig bei großen Systemen (MFH) Bypassleitung am Heizkörper erforderlich T-Spreizung 20

21 Wärmeübergabe Anteile Strahlung Konvektion: 21

22 Heizkörper oder Flächenheizung? Fußbodenheizung: Niedertemperatursystem: T Vorl < 45 C, T Boden < 28 C geringer Platzbedarf günstiges Höhenprofil der Temperaturverteilung Behaglichkeitsvorteil klein spezielle Bodenbeläge erforderlich sehr träge interne und solare Gewinne? Abhilfe: Trockenverlegung verstärkte Dämmung zu nicht geheizten Gebäudeteilen Wandflächenheizung: Trägheit günstig: Holzwände Außenwände: erhöhte Transmissionsverluste Deckenheizung: Kühlflächen im Sommer 22

23 Radiatoren: Wärmeübergabe: Heizkörper Strahlung Konvektion Sehr verbreitet: Plattenheizkörper 23

24 Kompaktheizkörper: Wärmeübergabe: Heizkörper Aufstellungsorte: 24

25 Stahlradiatoren: Wärmeübergabe: Heizkörper 25

26 Wärmeübergabe: Heizkörper Konvektoren: großflächiger Luftdurchtritt Schnelle Regelung Variation der Heizleistung durch die Kaminhöhe 26

27 Wärmeübergabe: Heizkörper Unterflurkonvektoren: Einbauvarianten Unterschiedliche Anteile der Wärmeströme am Fenster und im Raum 27

28 Wärmeübergabe: Heizkörper 28

29 Vergleich Konvektoren - Radiatoren kleinere Maße und Massen kleinere Wärmekapazität vielfältige Einbaumöglichkeiten erweiterte Regelungsmöglichkeiten Klappen, Ventilatoren zusätzliche Verkleidung nötig schlecht zu reinigen keine Strahlungsabgabe Sonderform: Sockelheizkörper Warmluftschleier Behaglichkeit Außenwand erhöhte Transmission Knackgeräusche therm. Expansion Q 500W / m 29

30 Wärmeübergabe: Heizflächen Fußbodenheizung: Wärmeträger Wasser, durch Rohre geführt Anteil Strahlung: % Verlegearten: Rohre im Estrich Rohre unter Estrich Rohre unter Trockenestrich sehr träge, schlecht regelbar besser regelbar gut regelbar Dichte der Rohre erforderliche Heizleistung 30

31 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Zonierung der Fußbodenfläche: Verweilfläche: hier halten sich Menschen hauptsächlich auf T Boden < T Raum + 9 K (25 C bei ständigem Stehen in Arbeitsräumen) Randzone: 0,5 1m breiter Streifen mit erhöhtem Wärmebedarf (Außenwand, Fenster) Rohre dichter verlegen T Boden < 35 C j Q < 175 W/m² kein Abdecken des Bodens (Teppiche) Stellfläche: ca. 0,6 m breiter Streifen (Innenwände) unbeheizt (Möbel) 31

32 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Verlauf der Rohre im Heizfeld: ungleichmäßige Temperaturverteilung Randzonen im Vorlauf plazieren gleichmäßige Temperaturverteilung thermischer Kurzschluss VL - RL gleichmäßige Temperaturverteilung für Randzonen günstiger als bifilar 32

33 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Bauliche Anforderungen: Feldgrößen: m² (< 50 m²) Kantenlänge < 8 m, Seitenverhältnis < 2:1 große Räume: mehrere Heizfelder/Heizkreise leichtere Regelung Dehnfugen: zwischen Heizfeldern an Türdurchgängen, Pfeilern, Wänden nicht rechteckige Räume mit mehreren rechteckigen Heizfeldern abdecken a Estrich K -1, Fugengröße > 10 mm Dämmung: zu beheizten Räumen: U 1,4 W/(m²K) zu unbeheizten Räumen/Erdreich: U 0,8 W/(m²K) wenn unter Boden Außenluft ist: U 0,5 W/(m²K) 33

34 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Heizkreise Wohnung: Heizkreise Raum: 34

35 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Heizkreisverteiler: 35

36 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Fußbodenbeläge: hohe Wärmeleitfähigkeit Stein, Keramik großer Wärmeleitwert: U = 100 W/(m²K) thermische Ausdehnung wie Estrich große Wärmekapazität Holz, Parkett kleiner Wärmeleitwert U = 20 W/(m²K) Holz arbeitet (Temperatur, Feuchte) PVC, Kork Spezialparkett, besondere Verlegung mäßiger Wärmeleitwert U = 40 W/(m²K) (geringe Dicke!) Teppichboden kleiner Wärmeleitwert: DIN U 7 W/(m²K) alterungsbeständige Kleber elektrostatische Aufladung Metallfasern 36

37 Wärmeübergabe: Fußbodenheizung Werkstoffe für die Leitungen: Stahl Kupfer DN 15, DN 20, Wandstärke 2,65 mm thermische Ausdehnung wie Estrich Außenkorrosion in feuchter Umgebung DN 12, 15, 18, 22; Wandstärke 1 mm großer Wärmeleitwert biegsam Kunststoff Polybutylen (PB) DN 12; Wandstärke 1,8 mm Polypropylen (PP) DN 16; Wandstärke 2 mm Polyethylen (PE-X) DN 20; Wandstärke 2 mm korrosionsbeständig biegsam, sehr leicht verlegbar (Trägermatte) Knick- und Bruchgefahr O 2 -Diffusion Schädigung von Metall Betriebsdruck 3 bar 37

38 Wärmeübergabe: Deckenheizung Wärmeträger: Wasser, durch Rohre geführt Bauformen: Temperaturprofil Hohe Räume, Hallen, sonst hoher Strahlungsanteil Verfügbare Fläche > Fläche Fußbodenhzg. Auch als Kühlfläche nutzbar Betonheizdecke Cu- oder Stahlrohre in Decke eingegossen schlecht regelbar thermische Abgrenzung oberhalb 38

39 Wärmeübergabe: Deckenheizung Ziegelheizdecke ( Klimadecke ) Deckenelemente aus stahlbewehrten Ziegelelementen Putzdecke Putzdecke, abgehängt Geringe Wärmekapazität gut regelbar Dämmung zu Geschossen oberhalb 39

40 Wärmeübergabe: Deckenheizung Lamellenheizdecken Streckmetall - Gipsputz Gipskarton Gipskassette Deckenstrahlplatten Heizpaneeldecke 40

41 Luftheizung 42

42 Luftheizung mit Perimeterverteilung 43

43 Hypokaustenheizung 44

44 Hypokaustenheizung 45

45 Fußbodenheizung: vertikale Temperaturverteilung 46

46 Fußbodenheizung trockenverlegt 47

47 Wandheizung 48