Strahlungsheizung Erdgas-Infrarotheizsysteme www.bdew.de
INHALTSVERZEICHNIS 3 Inhalt Einleitung... 04 Grundlagen der Wärmeversorgung von Hallen... 04 Heizungs- und raumlufttechnische Grundlagen.... 05 Klimagrößen... 05 Personenbezogene Größen... 06 Wärmebedarf... 07 Hallenheizsysteme... 08 Warmluftheizung.... 08 Strahlungsheizung... 09 Anwendungsbereiche... 10 Hellstrahler... 10 Dunkelstrahler... 11 Strahlplattenheizung... 11 Flächenheizung... 13 Gegenüberstellung der Heizsysteme... 14 Gas-Infrarotheizsysteme... 15 Strahlungswärme / Strahlungsheizung... 15 Hellstrahler... 17 Aufbau und Funktionsweise... 17 Planung und Auslegung... 19 Allgemeine Hinweise und physiologische sowie physikalische Grundlagen... 19 Berechnung des Wärmebedarfs einer Halle... 20 Besondere Planungsbedingungen... 22 Aufstellung und Anschluss... 23 Planung und Auslegung am Beispiel einer Halle... 25 Überprüfung und Wartung... 27 Dunkelstrahler... 27 Aufbau und Funktionsweise... 27 Planung und Auslegung... 31 Besondere Planungsbedingungen... 31 Regelungen und Raumtemperaturen... 31 Aufstellung und Anschluss... 32 Gerätesysteme... 33 Der ins Freie führende Teil der Abgasanlage... 35 Indirekte Abgasführung... 36 Planung und Auslegung am Beispiel einer Halle... 37 Überprüfung und Wartung... 39 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zum Einsatz von Hell- und Dunkelstrahlern... 39 Fragebogen zur Planungsvorbereitung... 42 Technische Regeln, Normen, Richtlinien und Vorschriften... 43 Hersteller und Anbieter... 44
4 GRUNDLAGEN Einleitung Bei der Beheizung von Hallen erfolgt die Wahl des Primärenergieträgers in der Regel nach betriebswirtschaftlichen und anwendungstechnischen Gesichtspunkten. Im Vergleich zu anderen Energieträgern bietet Erdgas hier eine Reihe von Vorteilen, wie bspw. leitungsgebundener Energieträger ohne notwendige Bevorratung, umweltschonender Energieträger mit vergleichsweise niedriger Emissionsbelastung und Einsatzmöglichkeiten in fast allen Heizsystemen. Erdgasheizsysteme haben in den vergangenen Jahren nicht nur im Wohnungsbau sondern auch zunehmend im Industrie / Hallenbau an Bedeutung gewonnen. Sie spielen eine immer wichtigere Rolle bei Hallenbauten und sonstigen Großbauten. Diese Gebäudekategorie hat viele gemeinsame bauliche Merkmale, ihre Nutzung dagegen erstreckt sich über ein weites Spektrum und reicht von Kirchen und Versammlungsbauten über Sport- und Messehallen sowie Supermärkte bis hin zu Produktions- und Lagerhallen. Grundlagen der Wärmeversorgung von Hallen Die Beheizung und Lüftung von Hallenbauten dienen der Einhaltung bestimmter Raumluftzustände, die von den in der Halle tätigen Personen, den ablaufenden Produktionsprozessen oder aber von der Empfindlichkeit gelagerter Güter abhängen. Neben dem Außenklima (Wetter) mit seinen Schwankungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte, Wind und Sonneneinstrahlung, beeinflussen auch belegungs- oder produktionsbedingte Wärmequellen sowie Schadstoffemissionen die Zustandswerte. Eine allgemeingültige Definition für Hallenbauten bzw. Großräume gibt es bisher nicht. Es handelt sich um große, hohe Räume ohne Zwischenwände, bei denen im Wesentlichen der bodennahe Bereich (Aufenthaltsbereich) genutzt wird. Entsprechend der Nutzung von Hallenbauten unterscheidet man Arbeits-, Ausstellungs-, Versammlungs-, Sport- und Freizeiträume oder -bauten, in denen der Mensch mit seinem Behaglichkeitsempfinden, seinen gesundheitlichen Erfordernissen und seiner Leistungsfähigkeit die Randbedingungen des Raumklimas bestimmt; Werk-, Wartungs-, Versuchs- und Lagerhallen, bei denen die Bedingungen überwiegend vom Fabrikations- oder Arbeitsprozess, von den zu behandelnden oder zu lagernden Gütern, von den installierten Geräten und Einrichtungen oder durch die Nutzung des Raumes vorgegeben werden. Im Vergleich zu Wohn- und Bürogebäuden weisen Hallenbauten einige bauphysikalische und betriebstechnische Besonderheiten auf, die sich auf ihren Wärme- und Lüftungsbedarf und damit auf die heiz- und lüftungstechnische Ausrüstung sowie die dadurch verursachten Kosten auswirken. Dazu zählen unter anderem: Das Gebäude besteht in der Regel aus einem einzigen Raum, der großflächige Außenbauteile aufweist und normalerweise nicht unterkellert ist Durch vergleichsweise große Raumhöhen können infolge thermischen Auftriebs starke Temperaturschichtungen auftreten Große Öffnungen, wie Tore, Fenster oder Dachreiter, verursachen einen hohen Lüftungswärmebedarf Produktionsbedingte Wärme- und Schadstoffquellen können zu hohen Wärme- bzw. Schadstofflasten führen und einen erhöhten Lüftungswärmebedarf bedingen Dichtheit und Wärmedämmung sind bei älteren Hallenbauten häufig unzureichend, woraus ein erhöhter Wärmebedarf und eine unkontrollierte Lüftung resultiert. Der Raum wird in vielen Fällen mit regelmäßigen Unterbrechungen (Schichtbetrieb) bzw. nur in größeren Zeitabständen (Sporthallen) genutzt. Das erfordert eine schnelle Wiederherstellung der notwendigen Raumluftbedingungen in der ausgekühlten Halle. In der folgenden Übersicht sind Zweckbestimmung, Nutzungsbedingungen und Nutzungszeiten unterschiedlicher Hallenarten gegenübergestellt, welche wichtige Rahmenbedingungen für die Auswahl effektiver Heiz- und Lüftungseinrichtungen sind.
GRUNDLAGEN 5 Nutzungsbedingungen Nutzungszeit Zweckbestimmung Aufenthalt von Menschen Lagerung von Material/ Stoffen Fertigung / Fabrikation dauernd Tag und Nacht tagsüber dauernd zeitweise nur mehrstündig Ausstellungs- und Messehallen Fest- und Messehallen Fabrikationshallen Flugzeughallen Lagerhallen Markthallen Montagehallen Sporthallen Werkshallen Zweckbestimmung sowie Nutzungsbedingungen und -zeiten unterschiedlicher Hallentypen (BDEW) Heizungs- und raumlufttechnische Grundlagen Obwohl die Arbeitsstättenrichtlinie ASR 6 die Raumtemperaturen an Arbeitsstätten regelt, ist die Temperatur immer auch vom individuellen Empfinden eines jeden Einzelnen abhängig. Das Wärmeempfinden beziehungsweise das wärmephysiologische Gleichgewicht, auch Behaglichkeit genannt, ist von mehreren Faktoren abhängig. Neben dem Alter und der Konstitution gilt es zu prüfen, ob der Mensch statische oder dynamische Tätigkeit verrichtet und welche Bekleidung bei der Ausübung der Tätigkeit in der Regel getragen wird. Hinzu kommen die Klimagrößen: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich und die Strahlungstemperatur der abstrahlenden Umgebungsflächen wie Wände, Fenster oder Maschinen. Für das Wärmeempfinden bzw. das wärmephysiologische Gleichgewicht des Menschen in Räumen sind unabhängig von der Raumgröße folgende Klima- und personenbezogene Parameter von Bedeutung: Klimagrößen t L t S t R Lufttemperatur mittlere Strahlungstemperatur der Raumumschließungsflächen empfundene Raumtemperatur - relative Feuchte der Raumluft v Luftgeschwindigkeit in der Aufenthaltszone Schwankungen der relativen Luftfeuchte im Bereich von 30 bis 80 % und Luftbewegungen mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 0,20 m / s werden als nicht störend empfunden (siehe auch Arbeitsstätten-Richtlinien ASR 5). Die Mindestanforderung an die Erträglichkeit wird durch die örtlich empfundene Raumtemperatur t R (physiologische Temperatur) beschrieben, die sich als arithmetisches Mittel aus der Lufttemperatur t L und der Strahlungstemperatur t S ergibt und mit der nach ASR 6 geforderten Raumtemperatur gleichzusetzen ist. Hieraus folgt als physiologische Besonderheit der Heizung mit Strahlern, dass zur Erzielung gleicher Behaglichkeit die Lufttemperatur t L in einem mit Strahlern beheizten Raum um so niedriger gehalten werden muss, je höher die Temperatur t S der abstrahlenden Flächen ist. Für die physiologische Bewertung von Strahlungsheizungen wird die Globetemperatur nach DIN EN 27726 bei einer Messhöhe von 1,1 m gemessen. Diese Temperatur ist der empfundenen Raumtemperatur t R gleichzusetzen. Eine andere Möglichkeit der Bestimmung der empfundenen Raumtemperatur lässt sich näherungsweise durch folgende Beziehung beschreiben: t R = t L + k I S t R = empfundene Raumtemperatur in C t L = Lufttemperatur im Raum in C k = Faktor, der von der Installationsweise der Heizstrahler abhängig ist (Bedford Faktor)
6 GRUNDLAGEN k = 0,025 bei einseitiger Einstrahlung (z. B. Arbeitsplatzbeheizung) 40 W/ m 2 entspricht 1 C k = 0,033 bei gleichmäßiger Einstrahlung von mindestens zwei Seiten bei Senkrechtstrahlern (30 W/ m 2 entspricht 1 C) k = 0,045 bei gleichmäßiger Einstrahlung von mindestens 2 Seiten bei Schrägstrahlern (22 W/ m 2 = 1 C) k = 0,072 bei gleichmäßiger Einstrahlung von 4 Seiten bei Schrägstrahlern (14 W/ m 2 = 1 C) I S = Strahlungsintensität, gemessen in einer Höhe von 1,7 m in W/ m 2 Anhaltswerte für die Differenz zwischen Empfindungstemperatur und Innlufttemperatur können nachfolgender Tabelle entnommen werden. Gebäudedämmung niedrige Gebäude (ca. 5 m) Reduzierung der Lufttemperatur bei zweiseitig, senkrechter Einstrahlung (k = 0,033) mittlere Gebäudehöhe (ca. 8 m) hohe Gebäude (ca. 14 m) U-Wert 0,5 W / (m²k) (gut) bis 1,0 K bis 1,5 K bis 2,0 K U-Wert 1,0 W / (m²k) (mittel) bis 1,5 K bis 2,0 K bis 2,5 K U-Wert 2,0 W / (m²k) (mittel) bis 2,0 K bis 2,5 K bis 3,5 K U-Wert 3,0 W / (m²k) (schlecht) bis 3,0 K bis 3,5 K bis 4,5 K Anhaltswerte für die Differenz zwischen Empfindungs- und Lufttemperatur in Abhängigkeit vom Wärmedurchgangskoeffizient (DVGW-Arbeitsblatt G 638) Personenbezogene Größen die Schwere der vom Menschen verrichteten Arbeit und die dadurch bedingte Wärmeabgabe die Bekleidung des Menschen und ihr Isolationswert Die voran genannten Parameter finden Berücksichtigung in der Wärmebedarfsermittlung (siehe Seite 20 ff.) nach der DIN EN 12831, wobei für Standardfälle von einer operativen Temperatur - arithmetisches Mittel der Innentemperatur und der mittleren Strahlungstemperatur ausgegangen wird. Dabei weisen Lufttemperatur und mittlere Strahlungstemperatur und in der Folge auch die operative Temperatur den gleichen Wert auf. Treten Unterschiede zwischen Luft- und operativer Temperatur auf, wie bspw. bei schlecht gedämmten Gebäuden bzw. Heizflächen mit signifikanten Strahlungskomponenten (Deckenstrahlungsbrenner), kann es zu Abweichungen von den Standardfällen kommen und sie sind als Sonderfälle zu betrachten. Je nach Raumnutzung soll diese operative Temperatur folgende Werte nicht unterschreiten: Turn- und Freizeithallen + 20 C Fertigungs- und Werkstatträume + 15 C dgl. bei sitzender Beschäftigung + 20 C Ausstellungshallen (mind.) + 15 C Die weitere Quelle für die Festlegung des Temperaturniveaus in Hallenbauten stellen die Arbeitsstättenrichtlinien dar (hier die ASR 6 Raumtemperaturen ). Sie legen folgende Mindesttemperaturen fest: überwiegend sitzende Tätigkeit + 19 C überwiegend nicht sitzende Tätigkeit + 17 C schwere körperliche Arbeit + 12 C Büroräume + 20 C Verkaufsräume + 19 C Diese Werte beziehen sich auf die Raumtemperatur in 75 cm Höhe über dem Fußboden. In engem Zusammenhang mit der Raumlufttemperatur und -geschwindigkeit steht der hygienisch und physiologisch notwendige Luftwechsel n in Hallenbauten, der ggf. auch durch Wärme- oder Schadstoffemissionen bedingt sein kann. Die Arbeitsstättenrichtlinien (ASR 5) lassen hier wegen der unterschiedlichen technischen Möglichkeiten zwei Lösungen zu. Einmal wird der auf das gesamte Raumvolumen bezogene Luftwechsel pro Stunde in Abhängigkeit von der Hallennutzung und von möglichen Emissionen vorgeschrieben, wie nachfolgender Tabelle zu entnehmen ist.
GRUNDLAGEN 7 Arbeitsbereich Raumtemperatur C Luftwechselzahl n / h Lager 12 15 2 6 Personen Warenhäuser 20 4 6 Personen Büroräume 18 22 4 8 Personen Werkstätten, mechanische Fertigungen 15 17 5 10 Personen Kriterien für den Luftwechsel Sozialräume 22 8 10 Feuchtigkeit, Personen Druckereien 18 20 8 10 Luftschadstoffe Lackierereien 18 20 10 20 Luftschadstoffe Kesselhäuser 16 18 10 20 Wärme, Feuchtigkeit, Geruch Wäschereien 18 20 15 25 Feuchtigkeit, Geruch Stahlwerke, Gießereien, Walzwerke 10 15 10 40 Wärme, Luftschadstoffe Glashütten 10 15 20 90 Wärme, Luftschadstoffe Arbeitsplatzabhängige Anhaltswerte für die Raumtemperaturen und Luftwechselraten (ASR 5) Für dezentrale Lüftungseinrichtungen werden hingegen die nachfolgend genannten personenbezogenen Luftraten verlangt: bei sitzender Tätigkeit bei nicht sitzender Tätigkeit bei körperlicher Tätigkeit (je nach Schwere) ~ 40 m³ / h Person ~ 50 m³ / h Person ~ 70 bis 90 m³ / h Person Wärmebedarf Unter Wärmebedarf / Heizlast versteht man die zum Aufrechterhalt einer bestimmten Raumtemperatur notwendige Wärmezufuhr, die sich nach der Lage des Gebäudes, der Bauweise der wärmeübertragenden Gebäudeumfassungsflächen und dem Bestimmungszweck der Räume richtet. Die DIN EN 12831 legt ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Wärmezufuhr für Standardfälle fest, die unter Norm- Auslegungsbedingungen benötigt wird, um sicherzustellen, dass die erforderliche Norm-Innentemperatur erreicht wird. Dabei gelten folgende Gebäude als Standardfälle: Gebäude mit einer begrenzten Raumhöhe (nicht über 5 m) Gebäude, bei denen angenommen werden kann, dass sie unter den Norm-Bedingungen auf einen stationären Zustand beheizt werden. Anhaltswerte für den Wärmebedarf verschiedener Hallengrößen und unterschiedlicher Bauausführung in Abhängigkeit von den eingesetzten Heizsystemen können den nachfolgend aufgeführten Grafiken entnommen werden. Warmluftheizung (BDEW) Strahlungsheizung (BDEW)
8 HALLENHEIZSYSTEME Hallenheizsysteme Wegen der Vielfalt der Hallenbauten und deren Nutzung kommen im Vergleich zur Wohn- und Bürogebäudebeheizung wesentlich mehr unterschiedliche Heizsysteme zum Einsatz. Das zu wählende System bzw. die Kombination verschiedener Systeme muss den Gegebenheiten entsprechend angepasst werden. So sind die Auswahl und ihre Anordnung wesentlich von der Nutzungsart, der Betriebsweise, den räumlichen Verhältnissen und der Bauweise der Halle sowie der darin auftretenden Thermik und den inneren Wärmelasten abhängig. Die wesentlichsten Probleme bei der Beheizung von Hallen sind der thermische Auftrieb und die damit verbundenen Temperaturverteilung, die Nutzungsdauer, die fehlende Wärmedämmung insbesondere bei älteren Hallen und störende Einrichtungen wie Krananlagen, Hochregale oder Maschinen. Direkte Verbindungen zur Außenluft durch ungenügend geschützte Hallentore und Forderungen an den Luftzustand durch die Produktionsabläufe in der Halle bedürfen einer Anpassung des Systems an die entsprechenden Bedingungen. Nach dem Wirkprinzip der Wärmeübertragung wird unterschieden in Wärmeübertragung durch Konvektion Wärmeübertragung durch Strahlung Warmluftheizungen Strahlungsheizungen Neben den Heizsystemen ergeben sich weitere Differenzierungen durch die einzelnen Heizgeräte. Wie die einzelnen Anforderungen von den Systemen erfüllt werden, zeigt beispielhaft nachfolgende Übersicht. Systeme / Eigenschaften Warmlufterzeuger direkt indirekt Strahlungsheizung Gas-Infrarotheizung Hellstrahler Dunkelstrahler Deckenstrahlplatten Flächenheizung Fußbodenheizung Anlagenwirkungsgrad gut geringer sehr gut sehr gut geringer geringer Hilfsenergiebedarf erheblich erheblich sehr gering gering vorhanden vorhanden Geräusche ja ja keine gering keine keine Luftbewegung ja ja nein nein nein nein Lufterneuerung möglich möglich nicht möglich nicht möglich nicht möglich nicht möglich Aufheizzeit kurz lang sehr kurz kurz lang sehr lang Teilbereichsheizung bedingt bedingt möglich möglich möglich möglich Beheizung von Räumen mit leicht entzündbaren Stoffen bedingt möglich bedingt bedingt möglich möglich Gegenüberstellung unterschiedlicher Beheizungssysteme und ihrer Eigenschaften (BDEW) Warmluftheizung Für die Beheizung von Hallen werden wegen ihrer universellen Einsatzmöglichkeiten häufig Warmluftheizungen eingesetzt. Neben der Beheizung kann mit diesen Geräten gleichzeitig auch die Be- und Entlüftungsfunktion übernommen werden. Der Wärmeübergang erfolgt fast ausschließlich durch konvektiven Wärmeaustausch über die mit Hilfe des Heizgerätes bewegte Luft nach der Beziehung Q = Wärmemenge A = Wärmeübertragerfläche = Wärmeübergangskoeffizient T = Temperaturdifferenz Q = A T Bei der Warmluftheizung wird unterschieden in direkt und indirekt beheizte Systeme. Während in direkt beheizten Anlagen die Luft unmittelbar an den Heizflächen der Feuerstätte erwärmt wird, erzeugen indirekt beheizte Warmluftheizungen ihre Wärme
HALLENHEIZSYSTEME 9 in Heizkesseln und führen diese über Trägermedien (z. B. Dampf, Wasser) an die entsprechenden Ausblasstellen in der Halle. Hier wird die angesaugte Hallenluft mittels Wärmeübertrager erwärmt und der Halle wieder zugeführt. Nebenstehende Abbildung zeigt die Prinzipskizze eines gasbeheizten Warmlufterzeugers. Prinzipskizze eines gasbeheizten Warmlufterzeugers [nordluft] Strahlungsheizung Eine Gemeinsamkeit aller Strahlungsheizungen ist die Eigenschaft, dass die Wärmeübertragung größtenteils durch Wärmestrahlung und nicht durch Konvektion erfolgt. Wie beim natürlichen Wärmeprinzip der Sonne haben Wärmestrahlen die Eigenschaft, nur die Körper zu erwärmen, auf die sie treffen. Die Umwandlung der Strahlungs- in Wärmeenergie erfolgt direkt und unterscheidet sich damit deutlich vom Prinzip der Konvektion, das als Übertragungsmedium von der Wärmequelle zum Körper Luft benötigt. Das Verhältnis von Konvektion zu Wärmestrahlung gibt Auskunft über die Qualität und die Effizienz eines Strahlungsheizsystems. Ziel ist es, den konvektiven Verlust (aufsteigende Warmluft) so gering wie möglich zu halten. Da der Strahlungsanteil abhängig von der Temperatur der Wärmequelle ist, sind hohe Oberflächentemperaturen der Strahler ein Kennzeichen effizienter Strahlungsheizsysteme. Die Gasstrahlungsheizungen, auch als Infrarotheizsysteme bekannt, übertragen den größten Anteil ihrer Energie in Form von Infrarotstrahlung. Die Strahlungsenergie wird dabei durch elektromagnetische Wellen übertragen, die auf einen Körper treffen, dort absorbiert und reflektiert werden. Die Luft wird bei diesem Vorgang nur unwesentlich erwärmt, da die elektromagnetischen Wellen erst beim Auftreffen auf einen Körper in Wärme umgewandelt werden. Im Strahlungsbereich befindliche Körper wie Boden, Wände, Maschinen und Menschen werden also unmittelbar nach Inbetriebnahme der Strahlungsheizung erwärmt. Nur ein Teil dieser Wärme wird an die umgebende Luft abgegeben, so dass sich diese, allerdings verzögert, ebenfalls langsam erwärmt. Ausgehend vom Prinzip der Strahlungswärmeübertragung und der Funktion der Heizgeräte können folgende wesentliche Vorteile zusammengefasst werden: Strahlungsheizsysteme benötigen kein Trägermedium zum Transport ihrer Energie, so dass die Wärme nahezu verlustfrei vom Gerät zum Bestimmungsgegenstand gelangt. Im Vergleich zur Konvektionsheizung ist die Lufttemperatur bei gleicher Empfindungstemperatur niedriger, so dass in der Folge auch der Wärmebedarf zur Beheizung des Gebäudes geringer ist. Das Heizsystem verursacht nur sehr geringe Luftgeschwindigkeiten, so dass unangenehme Zugerscheinungen und Staubaufwirbelungen im Einsatzbereich weitestgehend vermieden werden, was sich wiederum positiv auf das Raumklima und die Arbeitsqualität auswirkt. Die Geräuschbelästigung durch das Heizsystem am Einsatzort entfällt bzw. ist sehr gering. Strahlungsheizungen erlauben die Beheizung von Teilflächen bzw. einzelnen Arbeitsplätzen
10 HALLENHEIZSYSTEME Als nachteilig bzw. Einschränkungen für den Einsatz von Strahlungsheizungen sind zu nennen: Beschränkung des Systems auf die reine Beheizungsfunktion, so dass die notwendige Frischluftzufuhr in der Regel separat erfolgen muss. Der Einsatz der Strahlungsheizung ist wegen der Einstrahlung im Kopfbereich in Abhängigkeit vom gewählten System auf Hallen mit bestimmten Mindesthöhen beschränkt. In ausgewählten Bereichen (Meßgerätefertigung, Pharmabereich, Lebensmittelindustrie) sind die Oberflächentemperaturen der bestrahlten Materialien / Stoffe zu hoch. Der Einsatz von Gasstrahlern ist in Räumen mit explosiven Gasen und Dämpfen nicht möglich. Anwendungsbereiche Strahlungsheizsysteme finden Anwendung in Industrie-, Lager-, Ausstellungs- und Sporthallen, in Logistikzentren, Sportstadien, Werkstätten, Gewächshäusern, Ställen, Kirchen, Museen, Waschanlagen, Freiluftgastronomie etc. Ausnahmen bei den Gas-Infrarotheizsystemen bilden explosionsgeschützte Hallenbereiche oder Räume mit Deckenhöhen unter etwa 3,50 Meter, wobei genauere Angaben in den technischen Unterlagen der Hersteller und in den DVGW-Regelwerken G 638-1 und G 638-2 zu finden sind. Hohe Räume sowie Hallen mit ungenügendem Wärmeschutz, starkem Luftwechsel durch Absaugung oder offenstehenden Toren sowie kurzzeitig bzw. nur teilweise zu beheizenden Flächen sind neben den allgemeinen Anwendungsfällen besonders bevorzugte Einsatzfälle für eine Strahlungsheizung. Die Entwicklung der Geräte in Form und Leistung hat sich den Rahmenbedingungen angepasst. Ihren guten Ruf verdanken die Systeme unter anderem der Möglichkeit, Hallen und Hallenbereiche komfortabel und schnell beheizen zu können. So ist es mit dieser Technik möglich, einzelne Arbeitsplätze oder Hallenbereiche ohne räumliche Trennung separat und je nach Bedarf zu heizen. Ungenutzte Hallenbereiche bleiben einfach unbeheizt. Bei den Strahlungsheizsystemen wird unterschieden in Gas-Infrarotheizsysteme mit den beiden Systemen Hellstrahler und Dunkelstrahler sowie Strahlplattenheizung Hellstrahler Hellstrahler zählen zu den Hochtemperatur-Infrarotstrahlungsheizungen und werden aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperaturen überwiegend in Hallen mit Höhen > 4 m an Wänden oder Decken installiert. Sie tragen den Namen Hellstrahler, weil die Erzeugung der Infrarotstrahlen des Gas-Luft-Gemisches an und in der Ober fläche der Geräteunterseite erfolgt. Dabei glühen die dazu eingesetzten feuerfesten keramische Brenner platten hell. Durch diese fast flammenlose Verbrennung wird schon nach sehr kurzer Aufheizzeit von ein bis zwei Minuten bei Nennwärme leistung eine hellrote Oberfläche mit Temperaturen von etwa 750 950 C erzielt. 1 Emaillierter Strahlerkörper 2 Reflektor 3 Vorsatzgitter für optimalen Strahlungs wirkungsgrad 4 Glühende Keramikplatte strahlt infrarotes Licht ab 5 Lüftungsöffnungen zwischen Strahler körper und Reflektor 6 Vormontierte Strahlereinheit Konstruktiver Aufbau eines Hellstrahlers [Abacus]
HALLENHEIZSYSTEME 11 Die wesentlichsten Merkmale der Hellstrahler sind: hohe Oberflächentemperaturen und intensive Wärmestrahlung erlauben insbesondere die Beheizung hoher Hallen Installation an Decken, Wänden und Stützen möglich kurze Anheizdauer und vorteilhafte Beheizung örtlich begrenzter Flächen Ausführliche Betrachtungen hierzu erfolgen unter Punkt Hellstrahler, Seite 17 Dunkelstrahler Dunkelstrahler sind Infrarotstrahler, die Wärme durch Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches in geschlossenen Systemen erzeugen. Die Rohroberfläche erwärmt sich hierbei bis maximal 750 C und gibt die Wärme in Form von Infrarotstrahlung an den Raum ab. Die Strahler arbeiten nach den gleichen physikalischen Gesetzgebungen wie Hellstrahler und haben im Vergleich zu Warmluftheizungen den Vorteil, dass die Raumlufttemperatur bei vergleichbarer Empfindungstemperatur reduziert werden kann. Die Strahlungsrohre von Dunkelstrahlern können U-, L-förmig oder linear sein. U-förmige Strahlungsrohre haben eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung über die Gerätelänge, da einem heißen Segment auf der Brennerseite ein kühlerer Abschnitt auf der Ventilatorseite gegenüber liegt. Dagegen zeigen lineare Strahlungsrohre einen abnehmenden Temperaturverlauf zum Ende des Strahlungsrohres hin. Prinzipieller Aufbau eines Dunkelstrahlers mit U-förmigen Strahlungsrohr [ASUE / FIGAWA] Die Heißgase im Strahlungsrohr werden entweder mittels Saugzug-Ventilator am Ende des Rohres über das Abgassystem abgeführt oder mittels Ventilator in unmittelbarer Brennernähe durch das Strahlrohr gedrückt. Die wesentlichsten Merkmale sind: Montage der Strahler vorrangig unter dem Hallendach Dunkelstrahler eignen sich sowohl für Teilflächen als auch flächendeckende Beheizungen bevorzugte Einsatzgebiete sind große Hallen mit geringen Luftwechselraten Ausführliche Betrachtungen hierzu erfolgen unter Punkt Dunkelstrahler, Seite 27 Strahlplattenheizung Die Strahlplattenheizung kann als gewöhnliche Rohrschlangenheizung angesehen werden, bei der mehrere mit Warm- oder Heißwasser durchflossene Rohre nebeneinander auf einer Blechplatte montiert sind, wie der nachfolgenden Prinzipskizze zu entnehmen ist.
12 HALLENHEIZSYSTEME Aufbau einer Deckenstrahlplattenheizung [Zehnder] Um eine gute Wärmeübertragung vom Rohr an die Strahlplatte zu erzielen, werden die Rohre in Sicken verlegt und mit der Strahlplatte metallisch verbunden. Durch das Aufbringen einer entsprechenden Isolierschicht wird die Wärmeabgabe nach oben wesentlich verringert. Die Heizungen weisen als Warmwasser-Systeme die in der Zentralheizungstechnik angewandten Temperaturen auf und ihre Auslegung erfolgt häufig im Niedertemperaturbereich. Sie verfügen über eine sehr ausgeglichene Temperaturverteilung im Aufenthaltsbereich. Die gegenüber Hell- und Dunkelstrahlern geringeren Oberflächentemperaturen der Strahlplatte müssen jedoch durch deutlich größere Abstrahl- bzw. Heizflächen ausgeglichen werden. Die Vorteile der Heizung mit Deckenstrahlplatten liegen neben den bereits genannten der Strahlungsheizung allgemein in der geringen Temperaturzunahme über die Hallenhöhe (ca. 0,4 K / m) und den geringeren Lüftungswärmeverlusten gegenüber Luftheizsystemen. Die Strahlplattenheizung ist im Gegensatz zu den Hell- und Dunkelstrahlern auch für explosionsgefährdete Räume geeignet. Strahlplattenheizungen werden in der Regel unter der Hallendecke montiert. Die spezifischen Wärmeleistungen liegen nach Angaben der Hersteller bei einer Norm-Übertemperatur von 55 K etwa zwischen 500 und 630 W / m 2 Projektionsfläche. Die Abmessungen der einzusetzenden Strahlplatten richten sich nach Größe, Höhe sowie Nutzungsart der Halle und sollten nach Auslegungsdiagrammen des Herstellers in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizmediums bestimmt werden. Deckenstrahlplatten in Bändern bis zu 60 m Länge stellen keine Seltenheit dar. Als Erfahrungswert wird angegeben, dass ein Dachflächenanteil von 15 30 % als Heizfläche in der Regel ausreichend ist. Strahlplattenheizsysteme sind grundsätzlich für alle Hallenarten, angefangen von Fertigungs- und Lagerhallen über Ausstellungshallen bis hin zu Freizeit- und Sporthallen geeignet, wobei der Einsatz auch in Bauten mit niedrigeren Höhen ab 2,5 m erfolgen kann. Das Heizsystem ist auch für explosionsgefährdete Lagerräume geeignet und hat weiterhin den Vorteil, dass keine erzwungene Luftbewegung und damit kein zusätzlicher Staubtransport auftreten. Ein besonderer Vorteil von Deckenstrahlplatten ist, dass sie als Heiz- oder auch als Kühldecken zum Einsatz kommen und zusätzlich durch Perforation des Stahlblechs für die Schallabsorption in Produktions- und Versammlungsräumen genutzt werden können. Bei Einbau von Deckenstrahlplatten in bereits bestehende Hallen ist das zu erwartende Gesamtgewicht der Strahlplatten zu berücksichtigen, was im Einzelfall eine Verstärkung der Deckenkonstruktion zur Folge haben kann. Für die Erzeugung des Heizwassers werden Warmwasserkessel, die einen eigenen Heizraum und einen Schornstein benötigen, verwendet. Von Vorteil hierbei ist, dass das Heizsystem in Verbindung mit der Brennwerttechnik genutzt werden kann. Nachfolgend sind aus einer Projektinformation die Ergebnisse einer Umrüstung auf Strahlplattenheizung dargestellt.
HALLENHEIZSYSTEME 13 Kenndaten Hallenhöhe: 32,8 m (höchste Produktionshalle Europas) Hallenfläche: 2.166 m² Heizlast: 600 kw Raumsolltemperatur: 19 C Einbauhöhe Strahlplatten: 28,4 m Strahlplattenfläche: 900 m² Masse Strahlplatten: 18,5 t Effekte Senkung der Heizkosten um ca. 30 % Senkung der Staubbelastung in der Produktion Schaffung einer hohen Behaglichkeit an den Arbeitsplätzen Temperaturverlauf über die Hallenhöhe bei einer Außentemperatur von -14 C rot: - gemessen mit alter Luftheizung blau: - berechnet mit Strahlplattenheizung grün: - gemessen mit Strahlplattenheizung Projektinformation zur Heizungsumstellung einer Produktionshalle (Einbau einer Strahlplattenheizung bei Highvolt Prüftechnik Dresden GmbH) Flächenheizungen Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen werden als Flächenheizungen bezeichnet, wenn innerhalb dieser Bauteile Heizrohre verlegt werden, die die Flächen aufheizen, die dann wiederum mit zeitlicher Verzögerung eine Wärmestrahlung an den Raum abgeben. Grundsätzliche Kriterien für die Flächenheizung sind: angenehmes Raumklima durch gleichmäßiges Temperaturprofil besondere Eignung vor allem für dauerbeheizte Räume und weniger für Räume, in denen zeitweise eine eingeschränkte oder nur kurzzeitige Heizung erwünscht ist. Durch die vergleichsweise großen Heizflächen können diese Heizsysteme mit entsprechend niedrigeren Oberflächentemperaturen betrieben werden. Die geringen Vorlauftemperaturen ermöglichen einen sinnvollen Einsatz regenerativer Energien in Verbindung mit Wärmepumpen. Beim Einsatz einer Flächenheizung, insbesondere der Fußbodenbeheizung, sind die vergleichsweise große Trägheit bezüglich der Regelfähigkeit, die Beeinträchtigung der Bodenbelastung bei Hallen mit Fahrzeugverkehr und der Wärmeabfluss an
14 HALLENHEIZSYSTEME das Erdreich, wenn wegen der Lastaufnahme auf eine Wärmedämmung des Fußbodens verzichtet werden muss, zu berücksichtigen. Anwendungsgebiete sind repräsentative Eingangshallen, Museen, Säle und Kirchen sowie zunehmend auch Sporthallen, wobei Hallen mit Explosionsschutz ebenfalls zu den bevorzugten Einsatzbereichen von Flächenheizungen gehören. Gegenüberstellung der Heizsysteme Die Bewertung der betrachteten Heizsysteme an Hand flächenspezifischer Kennzahlen erfolgte auf Basis der Vollkostenrechnung nach der Annuitätsmethode am Beispiel einer angenommenen Hallen-Typlösung, in der grundsätzlich alle betrachteten Systeme einsetzbar sind. Innen- und Außentemperatur, Wärmedurchgangszahlen für Boden, Decke und Wände sowie Benutzungsstunden der Heizung und erforderlicher Luftwechsel sind vorgegeben. Die Berechnung von Nennwärmebedarf und Nennwärmebelastung berücksichtigt das für den Einsatz vorgesehene Heizsystem. Die hauptsächlichen Einsatzmöglichkeiten der betrachteten Gasheizsysteme in Abhängigkeit von der Zweckbestimmung der Halle sind in der nachfolgenden Übersicht dargestellt. Hallentyp Hellstrahler Dunkelstrahler Deckenstrahlplatten Fußbodenheizung Ausstellungshallen O O # O Montagehallen + + + + Produktionshallen + + + O Lagerhallen O + O Markthallen O + + Verkaufshallen - Lebensmittel - Sonstige O + + + Sporthallen + # # Go-Kart-Hallen + O Tier-Ställe O + + O Hallen mit Ex-Schutzanforderung + + + = Geeignet O = Bedingt geeignet = Nicht geeignet # = Geeignet in Kombination mit Warmluftheizung Bevorzugte Einsatzmöglichkeiten der Gasheizsysteme (IPP) Die Zusammensetzung der Investitionskosten sowie der Jahreskosten der betrachteten Heizsysteme am Beispiel einer angenommenen Musterhalle mit den Abmessungen 60 x 24 x 7,5 m ist den nachfolgenden beiden Grafiken zu entnehmen, wobei die Kosten des Hellstrahlers dabei jeweils 100 % entsprechen: Zusammensetzung der Investitionskosten unterschiedlicher Heizsysteme (IPP)
GAS-INfRARoTHEIZSYSTEME 15 Zusammensetzung der Jahreskosten unterschiedlicher Heizsysteme (IPP) Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Strahlplattenheizung weist die höchsten Investitionskosten für das Heizsystem (Wärmeübertrager) als auch insgesamt auf. Die geringsten Investitionskosten erreichen die Dunkel- sowie Hellstrahler. Der Anteil der kapitalgebundenen Kosten an den Gesamtkosten liegt in Abhängigkeit vom Heizsystem zwischen 33-75 %. Der Anteil der verbrauchsgebundenen Kosten an den Gesamtkosten beträgt je nach Heizsystem 34 76 %, wobei die Absolutkosten bei den Hell- und Dunkelstrahlern 23 bzw. 19 % unter denen der Strahlplatten- und Fußbodenheizung liegen Die betriebsgebundenen Kosten liegen bei den betrachteten Heizsystemen zwischen 2 % und 5 %. Die Reihenfolge der Bewertung bleibt auch dann unverändert, wenn die Investitionskosten für den Kessel und Schornstein bei den Deckenstrahlplatten und der Fußbodenheizung unberücksichtigt bleiben. Gas-Infrarotheizsysteme Strahlungswärme / Strahlungsheizung Wärmestrahlung, auch als Temperatur- bzw. Infrarotstrahlung bekannt, wird von festen Körpern, Flüssigkeiten und auch von einigen Gasen emittiert, absorbiert bzw. durchgelassen. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 0,8... 800 µm. Die Strahlungsintensität (Wärmestromdichte je Wellenlängeneinheit) steigt mit der Temperatur und durchläuft in Abhängigkeit der Wellenlänge ein Maximum, welches sich mit zunehmenden Temperaturen zu kleineren Wellenlängen verschiebt. Die Wärmestrahlung breitet sich von der Strahlungsquelle gleichmäßig nach allen Richtungen im Raum aus. Trifft sie auf feste oder flüssige Körper wird diese Strahlung unter anderem reflektiert aber auch absorbiert und somit in Wärmeenergie umgewandelt. Das hat zur Folge, dass sich die Oberflächen der Körper erwärmen und selbst Energie wieder an einen kälteren Körper abgeben. Zusätzlich erfolgt aber auch eine Wärmeabgabe durch Konvektion durch die vorbeiströmende Umgebungsluft. Wie groß der absorbierte bzw. reflektierte Anteil der Strahlung ist, hängt von den Stoffeigenschaften des Körpers und von der auftreffenden Wellenlänge ab. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Summe aus absorbierten, reflektierten und durchgelassenem Anteil gleich 1 A + R + D = 1 A - Absorptionsgrad; R - Reflektionsgrad; D - Durchlässigkeitsgrad
16 Gas-infrarotheizsysteme Die von einem Körper auf Grund seiner Temperatur ausgehende Strahlung besitzt eine Leistung Q, die der Größe der strahlenden Fläche und der vierten Potenz der Körpertemperatur T proportional ist. Q S = C S (T 2 4 T 14 ) A Q S C s T 2 T 1 A Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers Strahlungskonstante des schwarzen Körpers Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeren und dem kälteren Körper Emissionsfläche des Körpers Da reale Körper weniger emittieren als schwarze Körper, wird mit der stoffspezifischen Strahlungs-konstante C gerechnet. C = C S (wobei < 1) Strahlungswärme bewirkt ein Temperaturempfinden, das über der tatsächlichen Lufttemperatur liegt, d. h. bei vergleichsweise niedriger Lufttemperatur wird eine als behaglich empfundene Temperatur erzielt. Die drei wesentlichsten Effekte der Strahlungswärme sind der nachfolgenden Grafik zu entnehmen. Dreifacheffekt der Strahlungswärme [ ASUE / FIGAWA: Wirtschaftliche Wärmeversorgung für Hallen und andere Großräume] Die genannten Vorteile und Effekte der Strahlungswärme werden bewusst und zielgerichtet bei der Erdgas-Strahlungsheizung genutzt. Die vom Menschen empfundene Raumtemperatur t R stellt bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten das arithmetische Mittel aus der Lufttemperatur t L und der mittleren Strahlungstemperatur t S dar: t R = t L + t S 2 Die gleiche empfundene Raumtemperatur kann also mit unterschiedlichen Wertepaaren t L und t S erreicht werden bzw. je höher die mittlere Strahlungstemperatur ist, desto niedriger kann die Lufttemperatur des Raumes sein. Behaglichkeitszonen für den Aufenthalt von Menschen als Funktion der Luft- und Wandtemperatur (DVGW-Arbeitsblatt G 679)
Gas-infrarotheizsysteme 17 Die mittlere Strahlungstemperatur, die als mittlere Temperatur der umgebenden Flächen (Wände, Gegenstände, Fenster, sonstige im Raum befindliche Gegenstände) definiert ist, kann nicht gemessen werden, lässt sich aber über die Strahlungsintensität berechnen. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Strahlungsintensität von 14 W / m 2 die empfundene Raumtemperatur um 1 K erhöhen. Das bedeutet, dass bspw. bei einer geforderten Raumtemperatur von 18 C und einer Strahlungsintensität von 55 W / m 2 eine Raumlufttemperatur von 14 C ausreichend ist. Ein weiterer Vorteil der Strahlungsheizung besteht darin, dass diese die Wärme dort hin bringt, wo sie auch tatsächlich gebraucht wird, wie die nachfolgende Gegenüberstellung der Temperaturverteilung von Strahlungs- und Warmluftheizung über die Höhe zeigt: Temperaturverlauf über die Hallenhöhe bei unterschiedlichen Heizsystemen (GoGaS) Der Temperaturanstieg mit zunehmender Hallenhöhe fällt bei der Warmluftheizung wesentlich größer aus als bei der Strahlungsheizung, wo die Temperatur zwischen Fußboden und Kopfhöhe annähernd konstant ist. Im Fußbodenbereich zeigen Strahlungsheizungen einen gegensätzlichen Temperaturverlauf im Vergleich zur Warmluftheizung. Der Fußboden heizt sich durch die direkte Bestrahlung auf, seine Temperatur liegt über der Raumlufttemperatur und es entsteht keine Fußkälte. Die Vorteile einer Strahlungsheizung lassen sich wie folgt zusammenfassen: Gewährleistung einer günstige Temperaturverteilung im Raum, Verringerung der Wärmepolster unterhalb der Hallendecke, Wärmeverluste in Hallen mit produktionsbedingt hohem Luftwechsel in Folge der niedrigeren Hallenlufttemperatur sind niedriger, Weitestgehende Vermeidung von Zugerscheinungen und Staubaufwirbelungen, Kurze Aufheizzeiten und besondere Eignung für zeitweisen Heizbetrieb, Gezielte Beheizung von Teilflächen möglich und Hoher Wirkungsgrad und gute Wärmeverteilung erlauben wirtschaftlichen Betrieb. Hellstrahler Aufbau und Funktionsweise Hellstrahler werden mittels eines atmosphärischen Brenners (Injektorprinzip) direkt mit Gas betrieben. Das Gehäuse umschließt den Hellstrahler und hat in der Regel die Funktion, das Gas-Luft-Gemisch gleichmäßig an die Rückseiten der Brennerplatten zu verteilen. Die perforierten Brennerplatten (auch Keramikplatten genannt) bilden gleichzeitig das Herzstück der Hellstrahler. Das durch die Löcher strömende Gas-Luft-Gemisch verbrennt in jedem Loch der Platte kurz unter der Oberfläche, was eine sehr heiße Keramikoberfläche zur Folge hat. Im Ergebnis wird damit eine saubere, Stickoxid-(NO x -) und Kohlenmonoxid- (CO-)arme Verbrennung erreicht, weshalb Hellstrahler ihre Verbrennungsluft auch indirekt über die Raumluft abführen dürfen. Die Plattenoberfläche erhitzt sich bei diesem Vorgang bis auf mehr als 950 C und gibt Infrarotstrahlung ab. Reflektoren leiten die Strahlung dann gezielt nach unten in den Aufenthaltsbereich.
18 GAS-INfRARoTHEIZSYSTEME Hellstrahler (Fa. Abacus) Brennerplatte eines Hellstrahlers (Fa. Schwank) Es gibt einfache Hellstrahler mit offenem Gehäuse, deren Wärmestrahlung hauptsächlich von den Brennerplatten selbst übertragen wird. Höherwertige und leistungsstärkere Geräte verfügen über komplett geschlossene Gehäuse mit isolierten, teilisolierten bzw. unisolierten Reflektoren. Je besser die Isolation, desto höher die Leistungsausbeute und das Energieeinsparungspotenzial. Die Isolation des kompletten Gehäuses bewirkt, dass der Wärmeübergang zur Außenseite des Reflektors und die Verluste nach oben minimal bleiben. Durch die geschlossene Hülle entsteht im Strahler ein Heißluftpolster, was zur Folge hat, dass die Temperatur des Reflektors steigt und dieser wiederum Wärme abstrahlt. Man spricht hierbei auch von Kombistrahlung. Ein weiterer Reflektor, jedoch in Gitterform (Strahlungsgitter), sitzt direkt unter den Brennerplatten. Er bewirkt, dass die Strahlung von den Brennerplatten teilweise zu ihnen zurückreflektiert wird. Diese Strahlung wird an der Oberfläche dann in Wärme umgewandelt, welche zur Temperatur- und Strahlungserhöhung der Brennerplatte beiträgt. Schnitt durch eine Keramikplatte (Fa. Schwank)
GAS-INfRARoTHEIZSYSTEME 19 Wichtig bei modernen Hellstrahlern ist, dass das Gas-Luft-Gemisch innerhalb des Systems vor der Verbrennung erwärmt wird, was die Effektivität der Verbrennung und im Ergebnis auch die Strahlung der Keramikplatte erhöht. Möglich ist das jedoch nur bei Kombistrahlern mit komplett geschlossenen Gehäusen, bei denen die Reflektoren als Sekundärstrahler wirken. Optimal wirkt dieser Effekt erwartungsgemäß bei isolierten Gehäusen: 1 einströmendes Gas-Luft-Gemisch in die Delta-Mischkammer 2 Mischrohr 3 Keramikplatte 4 Gehäuseaußenseite aus aluminiumplatiertem Stahlblech 5 Strahlgitter 6 direkte Strahlung 7/8 Kombistrahlung über Reflektoren 9 Vollisolierung Schnittdarstellung durch einen Hellstrahler mit patentierter Delta-Mischkammer (Fa. Schwank). Die Hellstrahler können unterschiedlich geformte Gehäuse beziehungsweise Reflektoren aufweisen wie beispielsweise Senkrecht-, Schräg- oder Parabolstrahler. Sie erreichen einen vergleichsweise sehr hohen Wirkungsgrad, da die erzeugte Wärme nahezu vollständig zur Raumheizung genutzt. Leistungen und Wirkungsgrade der Geräte konnten in den letzten Jahren enorm gesteigert werden. Die abgestrahlte Leistung (Strahlungsfaktor) liegt heute bei Standardgeräten zwischen 55 und 72 Prozent, Geräte mit Vollisolierung des Gehäuses und Kombistrahlung erreichen Werte von über 80 Prozent. Die Geräteleistung lässt sich zweistufig oder modulierend (im Bereich von 50 bis 100 %) regeln. Isolierter Hellstrahler mit Delta-Mischkammer (Fa. Schwank) Der Leistungsbereich der angebotenen Hellstrahler liegt im Bereich von 3,5 bis ca. 40 kw. Der Anlagenwirkungsgrad eines Hellstrahlers mit indirekter Abgasführung liegt lt. DVGW-Regelwerk G 638-1 bei 95 %. Die Einsatzgebiete von Hellstrahlern sind sehr vielseitig. Sie eignen sich besonders für gut gedämmte, mittlere und hohe Hallen mit Deckenhöhen über 6 m, zur Beheizung schlecht gedämmter Hallen oder zur Freiluftbeheizung. In Industrie, Werkstätten, Ausstellungshallen, Museen, Lagerhallen, Flugzeughangars, Kirchen und vielen weiteren Anwendungsbereichen kommen Hellstrahler zum Einsatz. Als besondere Anwendungsfälle können die Beheizung von Lager zur Kondensatfreihaltung und die Beheizung von Fußballstadien genannt werden. Planung und Auslegung Allgemeine Hinweise und physiologische sowie physikalische Grundlagen Bei der Planung einer Heizungsanlage mit Strahlern sind die baulichen Merkmale, die Benutzungscharakteristik des Gebäudes, die räumlichen Anordnung der Strahler und die Strahlungsintensitäten sowie die Forderung nach gleichmäßiger Einstrahlung auf die zu beheizende Fläche zu berücksichtigen.
20 Gas-infrarotheizsysteme In Industrie- bzw. Gewerbehallen sowie ähnlich genutzten Arbeitsräumen bestimmen die Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) sowie Arbeitsstättenrichtlinien (ASR 5+6), welche Klimabedingungen für die Nutzer dieser Gebäude zuträglich sind. Die Raumtemperatur ist hierbei definiert als zusammenfassende Temperaturgröße aus der örtlichen Lufttemperatur und der Strahlungstemperaturen der einzelnen Umgebungsflächen. In Aufenthaltsbereichen muss das Raumklima für den Menschen behaglich sein, wobei der Behaglichkeitsbereich eine Funktion des Wärmeaustauschs des Menschen mit der Umgebung darstellt. Das Raumklima wird dabei durch folgende physikalische Größen beschrieben: Die Strahlungsintensität, gemessen in W / m 2, ist entscheidend für die Absenkung der Lufttemperatur bei gleich empfundener Raumtemperatur. So ist beispielsweise bei 4 C Lufttemperatur eine Strahlungsintensität bis 550 W / m 2 behaglich und bei Lufttemperaturen von 15 C sollte die Strahlungsintensität 150 W / m 2 nicht überschreiten. In großen Industriehallen lässt sich Heizenergie einsparen, wenn die Hallenluft nur mäßig temperiert wird. Die erforderliche bzw. gewünschte Raumtemperatur muss dann durch ein erhöhtes Strahlungsangebot erreicht werden. Jedes Grad Lufttemperaturreduzierung bringt über die gesamte Heizperiode ca. 7 % Energieeinsparung. Alle Strahlungsheizungen haben die Eigenschaft, die Wärme direkt auf Körper zu übertragen. Flächen und Körper, die im Strahlungsschatten liegen, weisen eine geringere Temperatur auf. Berechnung des Wärmebedarfs einer Halle Die Ermittlung des Wärmebedarfs erfolgt in Anlehnung an die DIN EN 12831 und das DVGW-Arbeitsblatt G 638-1. Dabei ist der Wärmebedarf zu ermitteln, der zur Deckung der Wärmeverluste durch Transmission und Lüftung bei Norminnentemperatur erforderlich ist. Transmissionswärmebedarf Q T A = Raumumschließungsfläche U = Wärmedurchgangskoeffizient t R = empfundene Raumtemperatur t A = Norm-Außentemperatur nach DIN 12831 (t A = - 12 C) Q T = A U (t R t A ) Der Transmissionswärmeverlust durch den Boden ist nach DIN EN 12831 wegen seiner Speicherfähigkeit geringer und wird deswegen nicht mit dem o. a. Verfahren bestimmt. Zunächst wird das Verhältnis zwischen der Fläche der Bodenplatte (A g ) und deren Umfang (P) ermittelt Ag B = 0,5 P und damit ein Äquivalentleitwert aus nachfolgender Tabelle bestimmt. B 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 U equiv 1,3 0,88 0,68 0,55 0,47 0,41 0,37 0,33 0,31 0,28 B 22 24 26 28 30 32 34 36 28 40 U equiv 0,27 0,26 0,25 0,24 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 B 42 44 46 48 50 52 54 56 58 > 58 U equiv 0,19 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 Äquivalentleitwerte aus der DIN EN 12831 für auf dem Erdreich aufliegende Betonfußböden ohne Dämmung (DVGW-Arbeitsblatt) t a,m = Jahresmittel der Außentemperatur Q T, Boden = A U 1,45 (t R - t a,m ) / (t R - t a ) (t R t A )
Gas-infrarotheizsysteme 21 Lüftungswärmebedarf Q L V R = Hallenvolumen n = Luftwechselzahl c p = spezifische Wärmekapazität 0,361W / m²k Q L = [V R n c p (t R t A )] / 1000 Gesamtwärmebedarf Q N Q N = Q T + Q L In Ergänzung zur Bestimmung des Normwärmebedarfs, wo zunächst angenommen wurde, dass die Innenlufttemperatur der empfundenen Raumtemperatur t R entspricht, werden für Heizungsanlagen mit Strahlern verschiedene Berechnungsmethoden angewendet, die die Besonderheiten der Wärmeübertragung durch Strahlung berücksichtigen. Insbesondere betrifft das die niedrigeren innerer Lufttemperaturen (niedriger als die Norminnentemperatur), die zu geringeren Transmissions- und Lüftungsverlusten und damit auch zu einem geringeren Wärmebedarf der Strahlungsheizung führen. Neben der vereinfachten Wärmebedarfsrechnung kann der Gesamtwärmebedarf für eine Heizungsanlage mit Strahlern Q N,S entsprechend DVGW-Arbeitsblatt G 638-1 auch wie folgt ermittelt werden: V R = Raumvolumen c L = spezifischer Wärmebedarf des Raumes t L = Lufttemperatur t a = tiefste Außentemperatur nach DIN EN 1238 Q N,S = (V R c L (t L t a )) / 1000 kw wobei die Lufttemperatur t L t i = Innenlufttemperatur nach DIN EN 1238 K S = dimensionslose Kennziffer t L = t i K S + t a / (1+ K S ) und die dimensionslose Kennziffer K S K S = L c S a / (H m c L F m ( 1)) L = Wirkungsgrad der Heizungsanlage (siehe nachfolgende Tabelle 1) c S = spezifischer Wärmebedarf für die Heizungsanlage mit Strahlern in W / m 2 (siehe Bild 2 DVGW-Arbeitsblatt G 638-1) a = Absorptionszahl zur Berücksichtigung der Strahlungswärme Absorption in H 2 O, CO 2 und Staub der Raumluft (siehe Bild 3 DVGW-Arbeitsblatt 638-1) H m = mittlere Höhe der Halle c L = spezifischer Wärmebedarf des Raumes F = Flächenverhältnis in Abhängigkeit der Aufhängehöhe, der Grundfläche und des Seitenverhältnisses (Bilder 4 + 5 DVGW-Arbeitsblatt 638-1) = Strahlungskennzahl nach DIN EN 419-2, lässt sich aus dem Strahlungswirkungsgrad nach = 1/ (1- S ) ermitteln m = mittlere Einstrahlzahl (siehe nachfolgende Tabelle 2) Anordnung der Strahler und Abgasführung frei im Raum, indirekte Abgasabführung mit Raumluft vermischt 0,95 frei im Raum, direkte Abgasabführung über Abgasanlage 0,65 0,85 * in der Decke eingebaut, direkte und indirekte Abgasabführung 0,60 0,75 * * ) konkrete Werte sind beim Hersteller zu erfragen L Tabelle 1 - Anlagenwirkungsgrad L von Heizungsanlagen mit Strahlern
22 Gas-infrarotheizsysteme Bauart der Strahler und Anbringungsart Senkrechtstrahler 0,4 Schrägstrahler 0,7 m Tabelle 2 mittlere Einstrahzahl m Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades von Strahlungsheizungen (Tabelle 1) ergibt sich aus dem Gesamtwärmebedarf die Gesamtwärmenennbelastung Q NB. Besondere Planungsbedingungen Q NB = Q N, S / L Bei der Planung einer Heizungsanlage mit Strahlern sind die baulichen Merkmale und die Benutzungscharakteristik des betreffenden Gebäudes bzw. der Halle zu berücksichtigen. Bei der Lösungsfindung kann variiert werden mit der Anzahl der Strahler, der Wärmeleistung, dem Einstellwinkel, der Wahl der Reflektoren und den verschiedenen Anordnungen der Strahler in Höhe und Abstand. Dabei sind zu beachten: Abstände zu brennbaren Stoffen im Strahlungsbereich Hierbei sind zu beachten, dass die Abstände der Strahler im Strahlungsbereich zwischen Strahlerfläche und Bauteilen mit brennbaren Baustoffen, brennbaren Einrichtungen und lagernden brennbaren Stoffen so gewählt werden, dass eine Oberflächentemperatur von 85 C nicht überschritten wird (Bild 6 DVGW-Arbeitsblatt G 638-1 Mindestabstände zu brennbaren Stoffen innerhalb des Strahlungsbereiches in Abhängigkeit der Strahlungskennzahlen). Abstände zu brennbaren Stoffen außerhalb des Strahlungsbereiches Strahler müssen außerhalb ihres Strahlungsbereiches von Bauteilen mit brennbaren Stoffen soweit entfern bleiben, dass an diesen bei Nennwärmebelastung keine höheren Temperaturen als 85 C auftreten können. Das ist in der Regel gewährleistet, wenn nach den Seiten ein Abstand von mindestens 20 cm und nach oben (oberhalb des Strahlers) mindestens 80 cm eingehalten werden. Mindestabstände zu Personen Personen dürfen im Strahlungsbereich keiner unzumutbaren hohen Wärmeeinwirkung ausgesetzt werden. Das gilt als sichergestellt, wenn die Mindestaufhängehöhen entsprechend Bild 7a und 7b im Arbeitsblatt 638-1 nicht unterschritten werden. Steuerung und Regelung der Raumtemperatur Strahlungsheizungen für die Vollbeheizung müssen mit einer zeitabhängigen Raumtemperaturregelung ausgerüstet sein. Die Wärmeleistung kann dabei über einen einstellbaren Raumtemperatur-Sollwert geregelt werden. Die Strahler lassen sich in Stufen oder modulierend regeln. Je nach Planung und Temperaturprofil der Halle können dabei auch unterschiedliche Temperaturen in einer Halle realisiert werden. So kann flexibel auf individuelle Temperaturanforderungen einzelner Zonen bzw. Arbeitsplätze sowie unterschiedlicher Arbeitszeiten eingegangen werden. Die Bedienung der Geräte kann über einfache Ein- / Aus-Schalter bis hin zu komplexen Steuerungen, die die An- und Abschaltvorgänge durch den Einsatz von Strahlungsfühlern regeln, erfolgen. Moderne Steuerungen ermitteln selbstständig den optimalen Einschaltzeitpunkt. Eine Anbindung an einen Steuerungs-PC oder an eine Gebäudeleittechnik ist ebenfalls problemlos möglich. Selbst die Einwahl über ein Modem ist realisierbar. Der Betreiber muss entscheiden, was für seinen Hallennutzen die richtige Lösung ist.