Bericht Nr. H.0611.S.393.EMCP-Produktion

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1 Beheizung von Industriehallen Rechnerischer Vergleich der Wärmeabgabe von Deckenstrahlplatten und Industrieflächenheizungen - Produktionshallen - Auftragnehmer: HLK Stuttgart GmbH Pfaffenwaldring 6A Stuttgart Auftraggeber: EMCP Gartenstraße Groß-Umstadt Stuttgart, den Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt Dr.-Ing. Chr. Beck

2 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 2/10 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung Randbedingungen Produktionshalle Wetterdaten Heizlast Innere Wärmequellen Ergebnisse der Berechnungen Industrie-Fussbodenheizung Deckenstrahlungsheizung - Deckenstrahlplatten Zusammenfassung... 10

3 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 3/10 1 Aufgabenstellung Für eine Produktionshalle soll die Beheizung mit Deckenstrahlplatten einer alternativen Beheizung über Industrie-Fussbodenheizung gegenüber gestellt werden. 2 Randbedingungen 2.1 Produktionshalle Die ausgewählte Produktionshalle ist in Bild 1 dargestellt. Die geforderten Raumtemperaturen sind 18 C an Werktagen sowie in der Regel 14 C an den Wochenenden (Absenkbetrieb). Zusätzlich soll der Fall betrachtet werden, bei dem für den Zeitraum von 17 Uhr bis 6 Uhr die SOLL-Temperatur auf 16 C abgesenkt werden. 4 Lichtbänder: ca. 15% der Gesamtfläche, k = 3,0 W/m²K, Breite: 1,7m Länge: 89m symmetrische Anordnung angrenzendes Nachbargebäude 10m 10m 10m 10m 100m 12,5m 12,5m 50m Boden: äquiv. Durchgangswiderstand: R = 5 m²k/w 33m 66m adiabate Wand 33m 33m Dach und Wände: k = 0,35 W/m²K 3 x Fensterband: ca. 12% der Seitenfläche, k = 1,4 W/m²K; Breite: 4m Höhe: 10m symmetrische Anordnung je 2 Tore auf Längsseite symmetrische Anordnung, k = 3,0 W/m²K Höhe: 3,5m Breite: 3m 3 Tore auf Stirnseite symmetrische Anordnung, k = 3,0 W/m²K Höhe: 5,5m Breite: 5m Anforderungszone: Höhe 2m, Abstand zur Außenwand: 1,5m Innentemperatur: 18 C (5 Tage) 14 C (Wochenende) Bild 1: Produktionshalle Die Belüftung der Halle erfolgt durch eine RLT-Anlage, welche sicherstellt dass der Luftaustausch in der Halle

4 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 4/10 für Deutschland: A) 0.2 1/h bzw. alternativ B) 0.5 1/h. für England (oder Italien) A) 0.3 1/h bzw. alternativ B) 0.5 1/h. beträgt. Der reduzierte Luftstrom wird zusätzlich betrachtet, da angesichts des großen Hallenvolumens die Luftströme und somit die Heizlast groß werden. In modernen Produktionsabläufen mit entsprechender Erfassung der Schadstoffe (Absaugungen) erscheint ein reduzierte Luftwechsel möglich. Der Boden der Halle ist zum Erdreich hin gedämmt. Bild 2 zeigt beispielhaft die Temperaturverteilung im Boden für den ungedämmten Fall und Beheizung mit Industrieflächenheizung. Die Berechnungen haben gezeigt, dass für den ungedämmten Fall die Verluste ins Erdreich für den Fall der Industrieflächenheizung stark ansteigen und die verbleibende Leistung (max. 50% der Bodenfläche) nicht ausreicht die Halle zu beheizen. Wichtig hierbei ist die Erkenntnis, dass für den Fall der Industrieflächenheizung die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Temperatur (in der Rohrebene) und dem Erdreich bzw. der umgebenden Außenluft wesentlich größer ist, als dies bei der Beheizung mit Deckenstrahlplatten der Fall ist. Während für Deckenstrahlplatten die Temperatur der Bodenoberfläche durch Zustrahlung etwas über der Lufttemperatur liegt (ca. 2K), beträgt die Temperatur in der Rohrebene somit bereits näher am Erdreich für den Fall der Industrieflächenheizung wenigsten 50 C damit genügt Wärmeabgabe nach oben sichergestellt ist. Dies vergrößert den Verlustwärmestrom ins Erdreich. Bild 2: Temperaturverteilung unterhalb Produktionshalle für den Fall Industrieflächenheizung ohne Dämmung

5 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 5/ Wetterdaten Die Außenbedingungen werden für zwei Wetterzonen vorgegeben: A) Deutschland: Es werden Klimadaten für eine Auslegungstemperatur von -12 C verwendet B) England (oder Italien) Es werden Klimadaten für eine Auslegungstemperatur von -5 C verwendet Bild 3 zeigt die graphische Darstellung der Datensätze für die beiden Klimazonen. Interessant für die nachstehenden Berechnungen sind die Werte in der Heizperiode (Tamb < Tsoll) TAMB (EN) [ C] Tamb (DE) [ C] Dez 30. Jan 1. Mrz 31. Mrz 30. Apr 30. Mai 29. Jun 29. Jul 28. Aug 27. Sep 27. Okt 26. Nov 26. Dez Temperatur in C Zeit in h Bild 3: Wetterdaten als Grundlage der Berechnungen (Testreferenzjahre) für die beiden Klimazonen 2.4 Heizlast Die Heizlasten für die verschiedenen Anwendungsfälle werden nach den Regeln der Technik (DIN EN 12831) zunächst für den stationären Auslegungsfall bestimmt. In einem 2. Schritt wird der Referenzenergiebedarf (theoretischer Wert für die Heizenergie einer idealen Heizung) ermittelt. Dies bedeutet, dass sowohl innere Wärmequellen wie auch die Orientierung der Fensterflächen (äußere Wärmequellen) und tageszeitliche Schwankungen berücksichtigt werden. Der Wärmegewinn von Außen und Innen wird bei der Berechnung der erforderlichen Referenzenergie berücksichtigt und führt zu einer Reduzierung dieses Wertes gegenüber der stationären Betrachtung bei der Berechnung der Heizlast.

6 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 6/ Innere Wärmequellen Für die Produktionshalle werden die inneren Lasten nach einem vorab definierten Nutzungsprofil wie folgt festgelegt (gilt für die Werktage): 6 Uhr bis 12 Uhr: 100% der Heizlast 12 Uhr bis 13 Uhr: 20% der Heizlast 13 Uhr bis 17 Uhr: 100% der Heizlast 3 Ergebnisse der Berechnungen 3.1 Industrie-Fussbodenheizung Bild 4 zeigt schematisch die vom Auftraggeber vorgelegte Darstellung der Regelung für die Fußbodenheizung. Dabei wird die Fußbodenheizung mit einem kontinuierlichen Heizmittelstrom versorgt. Die Temperatur im Vorlauf wird bestimmt durch die Außentemperatur und die Raumtemperatur. Bild 4: schematische Darstellung der Regelung Fußbodenheizung Tabelle 1 zeigt die Werte für den Referenzwärmebedarf mit Dämmung unter der Bodenfläche. Tabelle 2 zeigt demgegenüber die Ergebnisse für den Fall mit Nachabsenkung in der Produktionshalle. Der Referenzenergiebedarf der Halle reduziert sich, da in den Nachtstunden eine niedrigere Raumtem-

7 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 7/10 peratur aufrecht gehalten werden muss. Der Wert mit Nachabsenkung beträgt nun ca. 70% des Ausgangswertes ohne Nachtabsenkung. In den Tabellen 3 und 4 finden sich die Simulationsergebnisse (realer Betrieb) des Systems Fußbodenheizung für die beiden Fälle wieder. Produktion kwh MWh Infiltration Deutschland ,2 Deutschland ,5 England ,3 Tabelle 1: berechneter Referenzenergiebedarf mit Wärmedämmung für ideale Heizung Produktion kwh MWh Deutschland, n=0,2 1/h Deutschland, n=0,5 1/h England, n=0,3 1/h Tabelle 2: Referenzenergiebedarf mit Wärmedämmung und Nachtabsenkung für ideale Heizung Deutschland, n=0,2 1/h ,33 Deutschland, n=0,5 1/h ,36 England, n=0,3 1/h ,45 Tabelle 3: berechneter Energiebedarf (Mehraufwand) für FBH mit Wärmedämmung, ohne Nachtabsenkung Deutschland, n=0,2 1/h ,67 Deutschland, n=0,5 1/h ,59 England, n=0,3 1/h ,77 Tabelle 4: berechneter Energiebedarf (Mehraufwand) für FBH mit Wärmedämmung, mit Nachtabsenkung Erkennbar ist, dass der Mehraufwand für die Produktionshalle ohne Nachtabsenkung bei ca. 1,33 bis 1,45 liegt, d.h. es werden 30% bis 40% mehr Energie abgegeben, wie dies für die Beheizung der Halle im Idealfall erforderlich gewesen wäre. Für den Fall mit Nachtabsenkung erhöht sich dieser relative Wert auf 1,59 bis 1,77. Ursache hierfür ist der - gemessen am Ausgangszustand - kleiner gewordene Referenzenergiebedarf. Die relative Bewertungsgröße Mehraufwand wird daher trotz kleiner werdenden Absolutwerten im Ergebnis größer. Am Beispiel Produktionshalle Deutschland, n=0,2 sei dies nochmals erläutert: Referenzenergiebedarf ohne Nachtabsenkung: Energieaufwand FBH ohne Nachtabsenkung: 158 MWh 212 MWh damit rechnerischer Mehraufwand: 1,33 oder 33%

8 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 8/10 Referenzenergiebedarf mit Nachtabsenkung: Energieaufwand FBH mit Nachtabsenkung: 109 MWh 182 MWh damit rechnerischer Mehraufwand: 1,67 oder 67% Dies bedeutet, dass das vorhandene Potential einer möglichen Einsparung durch die Nachtabsenkung von MWh nur zu einem Teil durch das Heizsystem auch umgesetzt werden kann. Die absolute Reduzierung des Energiebedarfs beträgt in diesem Fall nur ca MWh. 3.2 Deckenstrahlungsheizung - Deckenstrahlplatten Die Fälle mit Deckenstrahlplattenheizung werden für zwei verschiedene Regelsysteme betrachtet: Regelsystem 1: Der Massenstrom wird dabei stetig geregelt (Drosselschaltung). Regelgröße ist dabei die operative Temperatur. Stellgröße ist ein Regelsignal mit Werten von 0 bis 1. Der Sollwert des Reglers wird ebenfalls wieder so festgelegt, dass ein Unterschreiten der Sollraumtemperatur sicher vermieden. Dadurch wird die Halle in unterschiedlich langen Zeiträumen auf einem höheren Temperaturniveau gehalten als dies erforderlich wäre. Daraus ergibt sich ein Mehraufwand gegenüber dem Referenzbedarf einer idealen Heizung mit idealem Regler. Regelsystem 2: Analog zu den Überlegungen bei der Fußbodenheizung wird auch bei den Deckenstrahlplatten in der modifizierten Variante der Massenstrom konstant gehalten. Die Vorlauftemperatur ist ebenfalls wiederum abhängig von der Raumtemperatur und der Außentemperatur. Die Werte für den Referenzenergiebedarf aus den Tabellen 1 und 2 (Abschnitt 3.1) gelten unabhängig vom Heizsystem auch für die Deckenstrahlplattenheizung. In den Tabellen 5 und 6 finden sich die Simulationsergebnisse (realer Betrieb) des Systems Deckenstrahlplattenheizung ohne und mit Nachtabsenkung für das Regelsystem 1 wieder. Deutschland, n=0,2 1/h ,15 Deutschland, n=0,5 1/h ,14 England, n=0,3 1/h ,18 Tabelle 5: berechneter Energiebedarf für DSH mit Wärmedämmung, ohne Nachtabsenkung, Regelsystem 1

9 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 9/10 Deutschland, n=0,2 1/h ,36 Deutschland, n=0,5 1/h ,28 England, n=0,3 1/h ,34 Tabelle 6: berechneter Energiebedarf für DSH mit Wärmedämmung, mit Nachtabsenkung, Regelsystem 1 Die Werte für den Mehraufwand liegen im Fall ohne Nachtabsenkung zwischen 1,15 und 1,18. Bei Betrieb mit Nachtabsenkung erhöhen sich diese auf 1,28 bis 1,34. Ursache ist wieder der kleinere Ausgangswert für den Referenzenergiebedarf. In den Tabellen 7 und 8 finden sich die Simulationsergebnisse (realer Betrieb) des Systems Deckenstrahlplattenheizung ohne und mit Nachtabsenkung für das Regelsystem 2 wieder. Deutschland, n=0,2 1/h ,24 Deutschland, n=0,5 1/h ,21 England, n=0,3 1/h ,19 Tabelle 5: berechneter Energiebedarf für DSH mit Wärmedämmung, ohne Nachtabsenkung, Regelsystem 2 Deutschland, n=0,2 1/h ,36 Deutschland, n=0,5 1/h ,32 England, n=0,3 1/h ,40 Tabelle 7: berechneter Energiebedarf für DSH mit Wärmedämmung, mit Nachtabsenkung, Regelsystem 2 Die Werte für den Mehraufwand liegen im Fall ohne Nachtabsenkung zwischen 1,19 und 1,24. Bei Betrieb mit Nachtabsenkung erhöhen sich diese auf 1,32 bis 1,40. Dies zeigt, dass die Regelstrategie 1 (stetige Regelung) etwas niedrigere Werte für den Mehraufwand ergibt. Diese Lösung ist somit energetisch vorteilhaft. Die Regelstrategie 2 mit ca. 5% höheren Aufwandszahlen hat jedoch Vorteile bzgl. der thermischen Behaglichkeit, da nur so die Halle gleichmäßig (örtlich) beheizt werden kann.

10 Beheizung von Industriehallen: Vergleich Deckenstrahlplatten - Fußbodenheizung Seite 10/10 4 Zusammenfassung Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen zunächst, dass für die Beheizung von Industriehallen mit Industrieflächenheizungen nur durch eine Dämmung unterhalb der Bodenplatte der Wärmestrom ins Erdreich hinein hinreichend reduziert werden kann. Im gewählten Beispiel einer Industriehalle (50m x 100m) konnte nur durch diese Dämmung der erforderliche Wärmestrom so reduziert werden, dass die freie Fläche (Annahme: 50%) ausreichend für die Beheizung mittels Industrieflächenheizung war. Die Berechnungen zeigen weiterhin für verschiedene Anwendungsfälle (ohne Nachtabsenkung, mit Nachabsenkung) der erforderlichen Mehraufwand für beide betrachteten Systeme: Industrieflächenheizung und Beheizung über Deckenstrahlplatten. Der Mehraufwand (Aufwandszahl) ist dabei das Verhältnis aus dem tatsächlich erforderlichen Aufwand (Heizenergie) zu einem theoretischen Idealwert (Referenzenergiebedarf). Die nachstehenden Tabelle 4 und 7 zeigen die Ergebnisse für den Anwendungsfall mit Nachabsenkung in den verschiedenen Klimazonen (England, Deutschland). Deutschland, n=0,2 1/h ,67 Deutschland, n=0,5 1/h ,59 England, n=0,3 1/h ,77 Tabelle 4: berechneter Energiebedarf (Mehraufwand) für FBH mit Wärmedämmung, mit Nachtabsenkung Deutschland, n=0,2 1/h ,36 Deutschland, n=0,5 1/h ,32 England, n=0,3 1/h ,40 Tabelle 7: berechneter Energiebedarf für DSH mit Wärmedämmung, mit Nachtabsenkung, Regelsystem 2 Die Ergebnisse zeigen, dass der Energiebedarf bei der Beheizung der Industriehalle über den Fußboden um 20% 25% höher ist als für den vergleichbaren Fall mit Deckenstrahlplattenheizung. Darüber hinaus zeigen die Berechnungen, dass aufgrund der geringeren Trägheit des Systems bei der Beheizung mit Deckenstrahlplatten schneller auf Änderungen der inneren und äußeren Lasten reagiert werden kann. Die reduziert die Zeiträume mit Innentemperaturen oberhalb der gewünschten SOLL- Temperatur. Ebenso kann schneller auf fallende Lasten (z.b. Abschalten von Maschinen) reagiert werden.