SYSTEMTECHNIK HEIZUNG + LÜFTUNG. Heizlastberechnung. Wahl von Wärmeerzeugern und Heizflächen. Gliederung
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- Frieder Kohl
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1 SYSTEMTECHNIK HEIZUNG + LÜFTUNG Gefördert durch: Europäischer Sozialfonds Heizlastberechnung Wahl von Wärmeerzeugern und Heizflächen Dr-Ing Kati C Jagnow Land Niedersachsen Unterstützt durch: Werningerode Gliederung Heizlastberechnung nach EN Was ist anders? Was ist neu? Die Berechnung im Detail am Beispiel Beispiele für mechanische Lüftung Vereinfachte Heizlastberechnung im Bestand Wahl von Wärmeerzeugern und Heizflächen Ausblick 2
2 Wo stehen wir und wo geht s hin? 1 Grundlagen auffrischen, damit das Folgende verständlich wird 2 Besprechung der Komponenten einer Heizungsanlage: Wärmeerzeuger, Verteilnetz, Wärmeübergabe und Regelung Schwerpunkte: Zusammenhänge verdeutlichen und Hinweise geben, worauf bei der Modernisierung geachtet werden muss Ziel: Aufzeigen von Optimierungsmöglichkeiten im Bestand für spätere Sanierungen 3 Besprechung der Komponenten einer Lüftungsanlage: Systeme, Netze, Auslässe Schwerpunkte: Zusammenhänge verdeutlichen und Aufzeigen von Funktionsprinzipien Ziel: Kenntnisse über die Einsatzfelder im Neubau und Bestand 3 Wo stehen wir und wo geht s hin? 4 Heizlastberechnung Im Neubau mit DIN ggf unter Berücksichtigung von Lüftungstechnik Im Bestand vereinfachte Ansätze Ziel: Erläuterung von Vorgehensweisen und Besprechung von Praxisproblemen Vorbereitung auf die spätere Anwendung von Software 5 Netzberechnung Für Neuplanungen: Wiederholung der Vorgehensweise einer Rohrnetzberechnung Für den Bestand: vereinfachte Ansätze Ziel: Erläuterung von Vorgehensweisen und Besprechung von Praxisproblemen Vorbereitung auf die spätere Anwendung von Software 6 Anwendung einer Beispielsoftware zur Optimierung von Heizungsanlagen als Vorbereitung auf die Praxis 7 Marketing Besprechung einiger Fragen jenseits der Technik Damit die Kenntnisse später auch angewendet werden! 4
3 Wiederholung: Leistungsbedarf für Transmission (Transmissions-Heizlast) Q& Φ T T = k A ( ϑ = U A ( Θ i ϑ int a ) Θ e ) auch: Wärmebedarf, eigentlich Last in kw U A ϑ a ϑ i 5 Wiederholung: Leistungsbedarf für Lüftung (Lüftungs-Heizlast) Q& Φ L V = β ρ c p = n ρ c V p L V ( ϑ L i ( Θ ϑ int a ) Θ e ) auch: Wärmebedarf, aber eigentlich eine Last in kw ϑ a nmin ϑ i n Gebäude 6
4 HEIZLASTBERECHNUNG NACH EN WAS IST ANDERS? WAS IST NEU? 8
5 Übersicht wichtiger neuer Formelzeichen Wärmedurchgangskoeffizient: k U Wärmestrom: Q & Φ Phi Temperatur: ϑ Θ Theta Luftwechsel: β n Die Norm (inkl nationalem Beiblatt 1) trat am 1 April 2004 mit einer Übergangsfrist bis zum 1 Oktober 2004 in Kraft 9 Neue Gleichungen für bekannte Zusammenhänge Quelle: IKZ, 21/
6 Weitere neue Begriffe Quelle: IKZ, 21/ Was entfällt? Quelle: IKZ, 21/
7 Zusammenhang mit der EnEV und anderen Normen Berechnung mit Außenmaßen (DIN EN ISO 13789) Verwendung der U-Werte nach europäischen Normen (DIN EN ISO 6946, DIN EN ISO u a) Berücksichtigung von Wärmebrücken (wie in der EnEV) Berücksichtung der Gebäudedichtheit (Luftdichtheitsmessung n 50 ) Aufheizzuschläge optional (mit Auftraggeber abzustimmen, wenn nicht möglich, gilt Aufheizzuschlag von 0) 13 Berechnungsgang Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 14
8 DIE BERECHNUNG IM DETAIL AM BEISPIEL 15 Beispielgebäude Beispielberechnung (speziell Wohnzimmer) für ein Einfamilienhaus 16
9 U-Werte 17 Allgemeine Beschreibung und Festlegungen Gebäudetyp: Gebäudelage: Gebäudemasse: Einfamilienhaus moderate Abschirmung mittelschwer (aus Beispielberechnung DIN V , Seite 101, Tabelle F8: c wirk = Wh/K / 765 m³ = 41,6 Wh/m³K) Qualität der Luftdichtheit der Gebäudehülle: sehr dicht Nach Tabelle 4 ist für Außenwände der Wärmebrückenzuschlag f k ( U WB ) zu berücksichtigen: mit bauseitiger Ausführung der Bauteilanschlüsse nach DIN 4108, Beiblatt 2 f k ( U WB ): 0,05 W/m²K Vereinbarungen Die Festlegungen der Raumtemperaturen, Luftwechsel und Wiederaufheizzeiten siehe ausgefülltes Formblatt V 18
10 Abschirmungsklasse Korrekturblatt A1 zum Beiblatt DIN EN Abschirmungsklasse keine Abschirmung (zb Gebäude in windreichen Gegenden, Hochhäuser in Stadtzentren) moderate Abschirmung (zb Gebäude im Freien, umgeben von Bäumen bzw anderen Gebäuden, Vorstädte) gute Abschirmung (zb Gebäude mittlerer Höhe in Stadtzentren, Gebäude in bewaldeten Regionen) keiner dem Wind ausgesetzten Fassade mit Öffnungen e [-] beheizter Raum mit einer dem Wind ausgesetzten Fassade mit Öffnungen 0,03 0,02 0,01 mehr als einer dem Wind ausgesetzte n Fassade 0,05 0,03 0,02 19 Luftwechselrate n 50 / Dichtheit Beiblatt Tabelle 7 20
11 Wärmebrückenkorrektur Beiblatt Tabelle 3 21 Bestimmung der Außentemperatur Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 22
12 Außentemperatur Referenzort Wolfenbüttel Normaußentemperatur θ e = -14 C Klimazone 3: Jahresmittel der Außentemperatur θ m = 8,5 C * * In der Heizlastberechnung wird das Jahresmittel der Außentemperatur ohne Nachkommastelle mit 9 C eingesetzt 23 Außentemperaturen Beiblatt Tabelle 1a (Auszug) 24
13 Ausfüllen der Formblätter G1 Gebäudedaten 25 Bestimmung der Innentemperatur Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 26
14 Ausfüllen der Formblätter V Vereinbarungen 27 Innentemperaturen Beiblatt Tabelle 2 28
15 Mindestluftwechsel Beiblatt Tabelle 6 29 Berechnung der Transmissionsheizlast Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 30
16 Ausfüllen der Formblätter R3 Raumheizlast Wohnen (I) 31 Ausfüllen der Formblätter R3 Raumheizlast Wohnen (II) Geometrie Temperaturkorrektur U-Wert Ergebnisse?? 0,426 14,5 32
17 Temperatur-Reduktionsfaktoren nach Beiblatt Tabelle 4 Korrekturblatt A1 Änderungen mit Korrekturblatt A1: Kellerräume (z B vorher 0,5 / 0,8) Innenliegende Treppenräume Geschlossene Dachräume 33 Schema Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 34
18 Lüftungswärmeverluste (LWV) ohne mechanische Lüftung V & = max i ( V&, V& ) inf,i min,i Mindest-LWV: V& min, i = n min V i LWV durch Undichtheit: V& inf, i = 2 V n i 50 e i ε i mit mechanischer Lüftung V& i = V& + V& f + V& inf,i su,i v,su,i mech,inf,i f v,mech,inf,i Undichtheit geplante Zuluft unkontrolliertes Nachströmen 35 Werte für Norm-Lüftungswärmeverlust 36
19 Luftdichtheit und Mindestluftwechsel Beiblatt Tabelle 6 und 7 37 Ausfüllen der Formblätter R3 Raumheizlast Wohnen?? 26 8,84 Alle anderen Räume analog 38
20 Schema Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 39 Ermittlung des Wiederaufheizfaktors Berechnung oder Annahme des Temperaturabfalls hier: Berechnung von 2,8 K Annahme einer Wiederaufheizzeit: hier 2 h Annahme einer Luftwechselrate im Absenkbetrieb: hier 0,3 h -1 Interpolation aus Tabelle Anmerkung: die Änderung des Beiblatts sieht nun 0,1 h -1 als Regelfall vor 40
21 Beiblatt Tabellen 10a und b 41 Ausfüllen der Formblätter G1 Gebäudedaten 42
22 Schema Φ i Norm- Heizlast Φ T,i Transmission H T,ie H T,iue H T,ig nach außen durch unbeheizte Räume nach außen an Erdreich H T,ij an andere beheizte Räume Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ V,i Lüftung H V,i V & min,i V & inf,i V & su,i Mindestlüftung Infiltration durch Fugen Zuluft V & mech,inf,i Zul bei Abluftüberschuss Θ int Innentemperatur Θ e Außentemperatur Φ RH,i Aufheizzuschlag 43 Ausfüllen der Formblätter G2 Gesamtheizlast (I) 44
23 Ausfüllen der Formblätter G2 Gesamtheizlast (II) Transmission Lüftung Aufheizung 45 Ausfüllen der Formblätter G3 Übersicht 46
24 BEISPIELE FÜR MECHANISCHE LÜFTUNG 47 Gebäude Keine Berechnung von Transmission, sondern Vorstellung der Berechnung bei verschiedenen Lüftungsmöglichkeiten 48
25 Luftvolumenstrom ohne mechanische Lüftung V & = max i ( V&, V& ) inf,i min,i V& V& min, i inf, i = n min V = 2 V n i i 50 e i ε i mit mechanischer Lüftung V& i = V& + V& f + V& inf,i su,i v,su,i mech,inf,i f v,mech,inf,i Infiltration: s o Zuluftvolumenstrom f V θ = θ int int θ θ su e θ su : Temperatur der Zuluft Korrekturfaktor für die Zuluft Zuluftvolumenstrom aus Abluftüberschuss (Nachströmen) Korrekturfaktor für die nachströmende Luft 49 Alle Varianten? 33,2 50
26 Räume ohne mechanische Lüftung (I)? 46,1 51 Räume ohne mechanische Lüftung (II)?? 15,
27 Zwangsbelüftung mit einem Wärmeübertrager??????? 0,27? 46,5 53 Zwangsentlüftung, einfacher Abzug? 22?
28 Übersicht der Heizlasten Ohne mechanische Lüftung Warum ist der Wert im Wohnzimmer sogar ein wenig größer trotz Wärmerückgewinnung? Zwangsbelüftung mit einem Wärmeübertrager Zwangsentlüftung, einfacher Abzug 55 VEREINFACHTE HEIZLASTBERECHNUNG IM BESTAND 56
29 Vereinfachte Heizlastberechnung: nach Außen flächen 1-6 C 2 1,5 m 2,0 m 1,5 m - 14 C 1,5 m - 14 C 2,5 m 20 C 5 m - 14 C 20 C 20 C 20 m² 24 kw 20 m² 4 m 20 C 4 m 57 Raum 1 (links) Q T = U A ( ϑ i ϑ a ) Q AF W = 2,5 2,25 m² (20 C ( 14 C)) = 191W m² K Q AW W = 1,0 7,75 m² (20 C ( 14 C)) = 264 W m² K Q & T Q D W = 1,0 20,0 m² (20 C ( 6 C)) = 520 W m² K Q V = n ρ cp VL ( ϑ ϑ i a 1 ) = 0,5 0,34 h Wh m³k 50 m³ (20 C - (-14 C)) = 289 W Q = Q T + Q V = 975 W W = 1264 W 58
30 Raum 2 (rechts) Q T = U A ( ϑ i ϑ a ) Q AF Q AW1 Q AW2 Q D W = 2,5 3,0 m² (20 C ( 14 C)) = 255 W m² K W = 1,0 7,0 m² (20 C ( 14 C)) = 238 W m² K W = 1,0 12,5 m² (20 C ( 14 C)) = 425 W m² K W = 1,0 20,0 m² (20 C ( 6 C)) = 520 W m² K Q & T Q V = n ρ cp VL ( ϑ ϑ i a 1 ) = 0,5 0,34 h Wh m³k 50 m³ (20 C - (-14 C)) = 289 W Q = Q T + Q V = 1438 W W = 1727 W 59 Vereinfachte Heizlastberechnung: pauschal nach Grundfläche zum Vergleich: -6 C C - 14 C 20 C - 14 C 20 C 20 C 20 m² 24 kw 20 m² W Q W = m² = 1400 W 20 C Q = m² = 1400 W m² m² 60
31 Vereinfachte Heizlastberechnung Raum 1 W Q = m² = 1400 W m² Q = Q T + Q V = 975 W W = 1264 W Raum 2 W Q = m² = 1400 W m² Q = Q T + Q V = 1438 W W = 1727 W Fazit: Die pauschale Heizlastberechnung nach Grundfläche ist zur raumweisen Bestimmung der Heizlast ungeeignet 61 Im Bestand: stark unterschiedliche Dimensionierung in den Räumen Q& Q& EN442 Raum = 1,9 1,8 1,9 1,8 1,9 1,7 2,0 2,0 1,9 2,0 Q& Q& EN442 Raum = 0,9 1,5 1,1 1,4 1,0 1,6 1,4 1,4 1,6 1,4 1,6 1,5 1,3 1,8 1,2 min: 1,7 min: 2,0 1 : 1,18 min: 0,9 max: 1,6 1 : 1,78 Heizlasten schwanken je nach Lage im Gebäude und je nach Auswirkungen der Modernisierung Installierte Heizkörper können alle gut (einheitlich, links) oder sehr unterschiedlich (uneinheitlich, rechts) an den Raum angepasst werden Folge: unterschiedliche Spreizungen! 62
32 Übersicht Kennwerte: Heizlastberechnung Überschlägige Heizlastbestimmung in W/m² für gesamte Gebäude (nicht für einzelne Räume!) Altbestand, unsaniert, Bj vor 1977: bis 200 Altbestand, teilsaniert, Bj vor 1977: um 100 neuerer Bestand, Bj ca 1984: ca 70 Neubau, EnEV (ab 1995): ca 50 Niedrigenergiehaus, Bj 2000: ca Passivhaus ca 10 davon Lüftungsheizlast im Auslegungsfall: ca 15 W/m 2 Faktor Altbau Neubau: 2,5 63 Typische U-Werte von Einzelbauteilen Wärmedurchgangskoeffizienten für die wärmeübertragenden Umfassungsflächen U, in [W/(m²K)] Baualtersklasse "vor 77" "77-82" "82-95" "WSchV" "NEH" "UNEH" "PH" ganze Hülle (Mittelwert) 1,751,10 1,501,00 1,200,80 0,800,50 0,500,25 0,250,10 0,200,10 Wand 1,601,00 1,250,90 1,000,40 0,500,30 0,400,25 0,300,15 0,150,10 Boden 1,000,70 0,900,50 0,800,40 0,600,40 0,400,20 0,200,10 0,150,10 Decken/Dächer 0,900,40 0,600,30 0,400,20 0,300,15 0,250,15 0,200,10 0,150,10 Wärmedurchgangskoeffizient und Energiedurchlassgrad für Fenster U, in [W/(m²K)] g, in [-] Einfachverglasung Holz-/Kunststoffrahmen 4,20 (3,504,65) Metall-/Betonprofilrahmen 4,85 (5,634,28) 0,86 Doppelverglasung Holz-/Kunststoffrahmen 2,55 (2,362,68) Metall-/Betonprofilrahmen 3,10 (3,802,90) 0,76 doppeltes Wärmeschutzglas Holz-/Kunststoffrahmen 1,50 (1,331,72) Metall-/Betonprofilrahmen 2,00 (1,692,91) 0,69 dreifaches Wärmeschutzglas Holz-/Kunststoffrahmen 1,15 (0,741,49) 0,49 64
33 Gebäudeheizlast aus Verbrauchsmessung Leistung aus Verbrauch, in [kw] Leistung aus gemessenem Verbrauch Kernheizzeit, November bis März Regression April bis Oktober Außentemperatur, in [ C] abgelesen: 7,5 kw Leistungsanstieg für 16 K Temperaturanstieg 0,47 kw je K Steigung = Veränderung der Leistung je nach Veränderung der Außentemperatur In der Heizlastberechnung: H = H T + H V Maximale Heizleistung (ca): 0,47 kw/k 34 K = 16 kw 65 WAHL VON WÄRMEERZEUGERN UND HEIZFLÄCHEN 66
34 Notwendige Gesamtleistung Aus der Summe der Raumheizlasten ergibt sich die Gebäudeheizlast Die Gebäudeheizlast ist Grundlage für die Dimensionierung des Wärmeerzeugers für den Heizbetrieb Bei der Auslegung ist neben der Gebäudeheizlast auch die benötigte Leistung für die Warmwasserbereitung zu berücksichtigen 67 Ansätze zur Leistungsberechnung für Trinkwarmwasser Heute: sehr geringe Heizleistungen, auch nach der Modernisierung Wärmeerzeugerauslegung nach Trinkwasserleistung Kesselleistung zu groß bei Trinkwasserleistung nach Bedarfskennzahl N plus Heizleistung N je nach Bedarfszeit, Personenbelegung usw Quelle: Buderus 68
35 Wann ist die Heizleistung größer als die Trinkwarmwasserleistung? W/m² 100 W/m² 70 W/m² 50 W/m² 30 W/m² 200 Leistung, in [kw] ca 100 m² 50 ca 200 m² ca 8000 m² ca 900 m² ca 400 m² Grenzw ert für Trinkw armw asserbereitung Fläche, in [m²] Die Grafik gilt für Wohngebäude unterschiedlicher Bauqualität 69 Wahl des Erzeugers nach Herstellerkatalog Hilfsmittel: z B Brennwertkesselliste 70
36 Hinweise zur Heizlastberechnung und Heizflächenauslegung Aufheizfaktoren zur Schnellaufheizung führen ggf zu Energieverschwendung besser: keine Nachtabsenkung bei extremer Witterung (Mieter kann auf Wunsch selbst absenken) Schwachlüftungsstufe einer Lüftungsanlage bei Wiederaufheizung vorsehen Auch im gut gedämmten Gebäude sollte der bevorzugte Aufstellort von Heizkörpern unterhalb von Fensterflächen sein Anschluss der Heizkörper erfolgt bevorzugt wechselseitig: Vorlauf oben, Rücklauf unten 71 Wahl der Heizkörper nach Katalog Quelle:Buderus Heiztechnik GmbH 72
37 Einfluss der Anschlussart auf die Leistung 100% 100% gleichseitig wechselseitig 95% reitend 95% gleichseitig; Einrohrventil 50% 55% gleichseitig; vertauscht Quelle:Buderus Heiztechnik GmbH wechselseitig; vertauscht 73 Einfluss von Nischeneinbau auf die Leistung Leistungsminderung [%] Quelle:Buderus Heiztechnik GmbH Typ 33 Typ 22 Typ 21 Typ 11 Typ Abstand HK-Oberkante zur Nischenunterkante 74
38 Einfluss von Verkleidungen auf die Leistung mehrreihige Flachheizkörper 3 5 % einreihige Flachheizkörper Typ % einreihige Flachheizkörper Typ % Gliederheizkörper 0 3 % geschlossene Gliederheizkörper 4 8 % Quelle:Buderus Heiztechnik GmbH 75
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