Heizung und Lüftung: Band 1 Das Wesen und die Berechnung der Heizungs- und Lüftungsanlagen 9783111679778, 9783111293608

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SAMMLUNG G Ö S C H E N B A N D 342/342a

HEIZUNG UND DIPL.ING.

WERNER

LÜFTUNG KÖRTING +

I

DAS W E S E N

UND

HEIZUNGS-

DIE B E R E C H N U N G

UND

DER

LÜFTUNGSANLAGEN

Neunte, neubearbeitete Auflage Mit 29 A b b i l d u n g e n u n d 36 Zahlentafeln

WALTER DE GRUYTER & CO. vormals G. J. Göschen'sclie Verlagshandlung • J. Guttentag, Verlagebuchhandlung • Georg Reimer • Karl J. Trübner • Veit & Comp.

BERLIN

1962

Die ersten fünf Auflagen (1907 — 1929) wurden von Ing. Johannes Körting verfaßt. Die sechste bis achte Auflage (1935 —1950) erschienen unter Mitwirkung von Dipl.-Ing. Werner Körting. Die neunte Auflage stellt eine völlige Neubearbeitung dar.

© Copyright 1962 by Walter de Gruyter & Co., vormals G. J . GÖschen'sche Verlagshandlung / J . Guttentag Verlagsbuchhandlung / Georg Reimer / Karl J . Trübner / Veit & Comp., Berlin W 30. — Alle Hechte, einschl. der Rechte der Herstellung von Photokopien und Mikrofilmen, von der Verlagshandlung vorbehalten. — Archiv-Nr. 1 1 03 42. - Satz u. Druck: Mercedes-Druck, Berlin SW 61. — Printed in Germany.

Inhaltsverzeichnis Seite

I. W ä r m e b e d a r f u n d W ä r m e e r z e u g u n g 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Grundbegriffe Grundlagen der Wärmebedarfsrechnung Wärmedurchgangszahlen Außen- und Innentemperaturen Zuschläge zum Wärmebedarf Ermittlung des Lüftungswärmebedarfs Beispiel einer Wärmebedarfsrechnung Ausnahmen bei der Wärmebedarfsrechnung Wärmeentwicklung durch Benutzung der zu beheizenden R ä u m e . . Wärmebedarf und Heizleistung von Einzelheizgeräten Brennstoffe und Verbrennung Heizwert u n d Brennstoffausnutzung Schornstein Rauch und RuQ

II. D i e L u f t u n d ihre B e s c h a f f e n h e i t 15. 16. 17. 18. 19.

Allgemeines. Zusammensetzung der L u f t Luftverschlechterung durch Kohlensäure Luftfeuchtigkeit in Wohnräumen Luftbedarf Staubgehalt der L u f t

III. H e i z u n g 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36.

Allgemeines Einzelheizung oder Ofenheizung Zentralheizung Luftheizung Warmwasserheizung Strahlungsheizung Ausf hrung der Warmwasserheizung Planung einer Warmwasserheizung Berechnung der Rohrnetze von Warmwasserheizungen Erhöhung des Arbeitsdruckes in Warmwasserheizungen Temperaturen in Warmwasserheizungen Dampfheizung Hochdruckdampfheizungen Berechnung der Hochdruckdampfleitung Niederdruckdampfheizung Berechnung der Niederdruckdampfheizungen Warmwasserversorgung

5 5 9 12 19 25 27 31 35 36 37 42 47 49 53

54 54 56 58 59 61

62 62 64 70 75 78 80 84 89 96 10S 110 111 112 113 116 120 125

Inhaltsverzeichnis IV. L ü f t u n g 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44.

Allgemeines Natürliche Lüftung Lüftungsanlagen mit freier Lüftung Lüftunsganlagen mit Zwangslüftung Lüftungsanlagen mit Luftaufbereitung Berechnung der Lüftungskanäle Berechnung der Lüftungsanlagen mit Zwangslüftung Berechnung der Luftheizungen, Teil- und Vollklimaanlagen

V. S o n s t i g e s 45. Brennstoffbedarf und Wirtschaftlichkeit 46. Wärmesparendes Bauen

Schrifttum Sachverzeichnis

130 130 136 137 140 144 147 152 156

157 157 162

166 170

I. Wärmebedarf und Wärmeerzeugung 1. Grundbegriffe

Das gesetzliche Maß der Temperatur ist die in 100 Grad eingeteilte thermodynamische Skala; diese ist der Celsiusskala praktisch gleich. Ihre Festpunkte liegen beim Gefrierpunkt (0°) und beim Siedepunkt des Wassers (100°) bei einem Druck von 760 mm Quecksilbersäule (QS). Tiefere Temperaturen als der Gefrierpunkt heißen „Kältegrade" und erhalten das Vorzeichen —, höhere „Wärmegrade" das Vorzeichen + . Alle nachstehend vorkommenden Temperaturangdben beziehen sich auf die Celsiusskala (0° oder °C). Zur Messung der Wärmemengen dient die gesetzliche Wärmeeinheit (DIN 1309) oder Kilokalorie (kcal), d.i. die Wärmemenge, durch die 1 kg Wasser bei einem Druck von 760 mm QS, von 14,5° auf 15,5° erwärmt wird. Diese Wärmemenge ist für den Temperaturbereich von 0° bis 100° annähernd gleich, so daß also Wasser von 100° rd. 100 kcal enthält. Soll aus warmem Wasser von 100° Dampf von der gleichen Temperatur entstehen, so ist dazu ein weiterer, nicht fühlbarer Wärmeaufwand, die (latente) Verdampfungswärme von 539,4 kcal für 1 kg Wasser erforderlich. Die Gesamtwärme, um Wasser von 0° in Dampf von 100° zu überführen, beträgt daher rd. 640 kcal. Die Maßeinheit für die Messung des Druckes von Flüssigkeiten oder Gasen ist der atmosphärische Druck, kurz „Atmosphäre" genannt. Dieser lastet in Meereshöhe mit dem mittleren Druck einer 10,33 m hohen Wassersäule, gleich einer 760 mm hohen Quecksilbersäule, auf der Erdoberfläche. Als Einheit benutzt man die dieser Druckhöhe nahekommende Wassersäule von 10 m = 735,5 mm Quecksilbersäule

6

I. Wärmebedarf und Wärmeerzeugung

und nennt den entsprechenden Druck eine technische Atmosphäre (at), und zwar, da sie auf den luftleeren Raum bezogen ist, 1 at absolut (1 ata). Da nun alles auf der Erde von diesem absoluten Atmosphärendruck erfüllt ist, wird dieser nicht fühlbar. Man betrachtet ihn daher im praktischen Leben als Nullpunkt und nennt geringere Drücke Unterdruck bis zur Luftleere (Vakuum), höhere Überdruck (atü). 1 atü entspricht daher einem Druck von 2 ata. Eine Wassersäule von 10 m Höhe und 1 cm2 Querschnitt wiegt 1 kp, sie entspricht einem Druck von 10 m

WS =

1 at = 1 kp/cm2 *)

Im

WS =

0,1 at = 0,1 kp/cm2

1 mm WS = 0,0001 at = 1 kp/m2. Der Siedepunkt des Wassers liegt bei einem Druck über 1 ata höher, bei geringerem tiefer als 100°. Dementsprechend steigt und sinkt auch die in 1 kg Dampf enthaltene Gesamtwärme, während die Verdampfungswärme bei steigendem Druck sinkt. Die zur Erwärmung von 1 kg eines Stoffes um 1° erforderliche Wärme ist seine spezifische Wärme. Sie beträgt für Luft 0,237 kcal/kg Grd. Da 1 m3 Luft von 0° die Masse von 1,29 kg hat, so ist der Wärmebedarf, um die Temperatur von 1 m3 Luft um 1° zu erhöhen, rd. 0,31 kcal. Alle Körper dehnen sich bei Erwärmung aus; Wasser bildet dabei eine Ausnahme, da es sich von 0 bis + 4° zunächst zusammenzieht und erst darüber hinaus ausdehnt. Luft dehnt sich bei Erwärmung um 1° um 1 / 273 = rd. 0,0037 ihres Raumes aus. Der Wärmebedarf für 1 m3 Luft nimmt also bei steigender Temperatur ab, da ihre Dichte geringer wird. Aus allen diesen Beziehungen sind nachstehende Zahlentafeln, die in den folgenden Abschnitten verwendet werden, abgeleitet worden. 1 ) Für die Kraft, die 10 m WS ausüben, ist jetzt die Bezeichnung Kilopond (kp) an Stelle der Bezeichnung kB, die nur noch für die Hasse gilt, eingeführt.

7

Grundbegriffe

Zahlentafel 1. Siedetemperaturen, Wärmemengen, R a u m i n h a l t und Massen von Wasserdampf bei verschiedenen Drücken

ata

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

Druck Siedeatü (unm WS ter 1 atü bezogen temperatur als Luft- auf 1 atü leere) alsNullp. °C -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 19,0

0 1 2 3 4 5 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 110 130 150 170 190

45,4 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,5 93,0 96,2 99,1 101,8 104,2 106,6 108,7 110,8 112,7 116,3 119,6 132,9 142,9 151,1 158,1 164,2 169,6 174,5 179,0 187,1 194,1 200,4 206,2 211,4

Gesamt-1 J V e J " 1 m3 | aampfungs- Dampf wärmemenge von 1 kg Dampf kcal = kg kcal 615,9 622,3 626,3 629,2 631,5 633,4 635,1 636,5 637,8 639,0 640,1 641,1 642,0 642,8 643,6 644,3 645,7 646,9 651,6 654,9 657,3 659,3 660,9 662,3 663,4 664,4 665,9 667,0 667,8 668,3 668,7

570,5 562,7 557,6 553,8 550,6 548,0 545,6 543,6 541,7 539,9 538,3 536,7 535,3 533,9 532,7 531,4 529,1 527,0 518,1 511,1 505,2 499,9 495,2 490,9 486,8 483,1 476,1 469,7 463,8 458,2 452,9

0,067 0,128 0,188 0,246 0,303 0,359 0,415 0,470 0,527 0,580 0,633 0,687 0,740 0,793 0,846 0,898 1,003 1,107 1,618 2,120 2,614 3,104 3,591 4,075 4,556 5,01 6,00 6,95 7,91 8,87 9,83

1 kg Dampf = m8 14,96 7,80 5,33 4,07 3,30 2,76 2,41 2,13 1,91 1,73 1,58 1,46 1,35 1,26 1,18 1,11 0,99 0,90 0,62 0,47 0,38 0,32 0,28 0,24 0,22 0,20 0,17 0,14 0,13 0,11 0,10

8

I. Wärmebedarf und Wärmeerzeugung Zahlentafel 2. Ausdehnung und Wichte von Wasser bei verschiedenen Temperaturen Temperatur in ° 0

4 10 20 30 40 50 60 70

Rauminhalt in 11

Wichte kp

bezogen auf 11 Wasser von 4°

1,000000 1,00027 1,00177 1,00435 1,00782 1,0121 1,0171 1,0227

1,000000 0,99973 0,99823 0,99567 0,99224 0,9881 0,9832 0,9778

Rauminhalt in 1

Temperatur in °C

Wichte kp

bezogen auf 11 Waaser von 4°

1,0290 1,0359 1,0434 1,0600 1,0795 1,1018 1,1279 1,1590

80 90 100 120 140 160 180 200

0,9718 0,9653 0,9584 0,9435 0,9263 0,9076 0,8866 0,8628

Dichte und Rauminhalt der Luft bei verschiedenen Temperature n bezogen auf 1 m 3 Luft bei 0° ä

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16

I. Wärmebedarf und Wärmeerzeugung

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A. Decken unter nicht ausgebauten Dachgeschossen, Wohnungstrenndecken Holzdielen auf Lagerhölzern

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Berechnung der Lüftungskanäle

151

Zahlentafel 34. Druckverlust Z in mm WS für 2 C = 1 (nach Rietschel-Raiß) Luftgeschwindigkeit w in m/s

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,2 0,3 0,4 O.B

0,01 0.01 0.02

0,01 0,01 0,02 0,03

0,01 0.02 0,03 0.05

0.01 0.02 0.04 0,06

0.01 0,03 0,05 0,08

0.02 0,03 0.06 0,09

0,02 0,04 0,07 0,1

0.02 0,04 0.08 0,1

0.02 0,05 0.09 0,1

0.6 0,7 0.8 0,9

0,02 0,03 0,04 0.05

0.04 0.06 0.08 0.1

0,07 0.09 0,1 0,1

0,09 0.1 0,2 0,2

0,1 0.2 0.2 0,3

0.1 0,2 0.2 0.3

0.2 0.2 0,3 0,3

0,2 0,2 0.3 0,4

0,2 0.3 0,4 0,4

1,0 1.2 1.4 1.6

0,06 0.09 0.1 0,2

0,1 0.2 0,2 0,3

0,2 0,3 0,4 0.5

0.2 0.4 0.5 0.6

0.3 0.4 0,6 0,8

0.4 0.5 0.7 0,9

0.4 0.7 0.8 1.1

0,5 0.7 1,0 1.3

0,6 0,8 1,1 1.4

1.8 2.0 2,25 2,5

0.2 0.2 0,3 0,4

0,4 0.5 0,6 0,8

0.6 0.7 0.9 1.2

0,8 1,0 1,2 1,5

1,0 1,2 1.6 1,9

1.2 1.5 1,9 2,3

1,4 1,7 2,2 2.7

1.6 2,0 2.5 3.1

1.8 2,2 2,8 3,4

2,75 3.0 3,5 4,0

0.5 0.6 0,8 1,0

0,9 1.1 1.5 2,0

1.4 1,7 2.3 2,9

1,9 2.2 3.0 3.9

2,3 2.8 3,8 4,9

2,8 3.3 4,5 5,9

3,2 3.9 5.2 6,9

3.7 4,4 6.0 7.8

4.2 5,0 6.7 8.8

4.5 5.0 6.0 7.0

1,2 1,5 2,2 3.0

2.5 3.1 4,4 6,0

3,7 4,6 6.6 9,0

5.0 6,1 8,8 12,0

6.2 7,7 11,0 15,0

7.4 9.2 13,2 18.0

8.7 10.7 15,4 21,0

9,9 12,2 17,6 24,0

11.1 13,8 19.8 27.0

8,0 9,0 10.0 12.0

3.9 5,0 6,1 8,8

7.8 9,9 12,2 17.6

11,7 14,9 18.4 26.5

15,7 19,8 24.5 35.0

19.6 25.0 30.5 44,0

23,5 29.5 36,5 53,0

27,5 34,5 43,0 65,0

31,5 39.5 49,0 70.0

35.0 44,5 55,0 79.0

14,0 16,0 18,0 20.0

12,0 15,7 19,8 24.5

24.0 31,5 39,5 49.0

36.0 47.0 59 74

48,0 63 79 98

60 78 99 122

72 94 119 147

84 110 139 171

96 125 159 196

108 141 178 220

_

messer von 300 mm an, so ergibt sich für eine stündliche Luftmenge (a) von 255 m 3 = 0,065 m 3 /s ein Rohrreibungswiderstand (Druckgefälle) von 0,0045 mm WS/m, für 10 m Kanallänge also 0,045 mm WS. Die zugehörige Luftgeschwindigkeit ist v = 0,9 m/s. Aus Zahlentafel 30 wird als Einzelwiderstand für eine scharfe Ecke der Wert R = 1,5 entnommen. Aus Zahlentafel 32 wird durch Interpolation für die Luftgeschwindigkeit 0,9 m/s bei C = 1>5 ein Wert für Z = 0,075 mm WS entnommen. Der Gesamtwiderstand für den Rohrkanal beträgt also R + Z = 0,045 + 0,075, zusammen 0,12

152

IV. Lüftung

mm WS. Sie sind gegenüber dem tatsächlichen Arbeitsdruck von 0,88 mm WS sehr gering. Man wird also den Kanalquerschnitt kleiner wählen können. Führt man jetzt die Rechnung für einen Kanaldurchmesser von 200 mm durch, so erreichen die gesamten Widerstände 0,80 mm WS, ein Wert, der dem tatsächlichen Arbeitsdruck nahekommt. Ein Kanal von 200 mm 1. W. ist also ausreichend. Tritt durch Wärmeabgabe oder -zugang eine Temperaiurveränderung im Kanal ein, so muß diese, gegebenenfalls abschnittsweise, berücksichtigt werden. Für die Berechnung eines Kanalquerschnittes bei Lüftungsanlagen der in diesem Abschnitt beschriebenen Art nimmt man die nachfolgenden Geschwindigkeiten an: In Frischluftkanälen, durch die die Luft von außen angesaugt wird, wird w = 0,8 bis 1 m/s angenommen, in Verteilungskanälen für die warme Luft nach den Einzelkanälen w — 1 bis 1,2 m/s, in Sammelkanälen für die Abluft w = 1 bis 1,5 m/s. Werden die Abluftkanäle nach unten geführt, im Keller gesammelt, um dann in einem senkrechten Abzugsschacht über Dach geführt zu werden, nimmt man in diesen 1,5 bis 2 m/s an, während man in den Einzelkanälen die Geschwindigkeit kleiner, etwa mit 0,7 m/s ansetzt. Nachdem mit diesen Geschwindigkeiten unter Benutzung der Formel Q = f-w, (36) worin Q die zu fördernde Menge in m3/s, 1 der Querschnitt des Kanals in m2, w die Luftgeschwindigkeit, die Kanalquerschnitte berechnet sind, überzeugt man sich durch Benutzung der Zahlentafeln 31 und 32, ob der verfügbare Auftrieb ausreicht, sonst müssen die Querschnitte entsprechend geändert werden. 48. Berechnung der Lüftungsanlagen mit Zwangslüftung (Lüftern) Bei den in der Lüftungstechnik benutzten Ventilatoren unterscheidet man zwischen sog. Schrauben- und Schleuderventilatoren (Abb. 27 u. Abb. 28). Jeder Ventilator setzt die ihm durch den Antrieb zugeführte mechanische Energie in Bewegungs-

(dynamische)

u n d Druckenergie

(statische)

der ge-

förderten Luft um. Man unterteilt demnach den erzeugten Druck in dynamischen und statischen Druck. Jener gibt der

Berechnung der Lüftungsanlagen mit Zwangslüftung

153

L u f t die nötige Geschwindigkeit, fördert sie also, der statische Druck dagegen steht vornehmlich zur Überwindung der sich der eintretenden L u f t entgegenstellenden Widerstände zur Verfügung.

Die Schraubenventilatoren können nur geringe statische Drücke erzeugen. Sie werden deshalb nur dort verwandt, wo keine großen Widerstände vorhanden sind. Das ist vor allem da der Fall, wo ein Ventilator einfach in eine W a n d eingebaut ist und L u f t von der einen Seite nach der anderen fördern soll. Als Beispiel mögen die allbekannten „Ventilatoren" in Gaststätten dienen. Die Sehleuderventüatoren vermögen dagegen größeren statischen Druck zu erzeugen, der u m so höher wird, je höher der entgegenstehende Widerstand ist. Schließt man an die Saug- und Druckstutzen schlank gestaltete Erweiterungen an, so wird ein Teil der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt. D a nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie die Summe von statischer und Geschwindigkeitsenergie immer gleich sein muß, fällt diese entsprechend dem Anwachsen der statischen Energie, und damit läßt die Förderleistung des Ventilators nach. Hierauf sei besonders hingewiesen, da die Hersteller der Ventilatoren häufig die Förderleistung ohne Rücksicht auf den statischen Druck angeben. Wird das bei der Bestellung nicht beachtet, so kann der Fall

154

IV. Lüftung

eintreten, daß der an das Verteilungsnetz angeschlossene Ventilator zu klein ist. Bei der Berechnung der Luftverteilungshanäle für eine Anlage mit Zwangslüftung verfährt man ähnlich wie bei den Warmwasser- und Dampfheizungen. Man zerlegt die Leitung in Teilstrecken, wobei jedes Stück, das die gleiche Luftmenge zu fördern hat, eine Teilstrecke bildet. Für jede dieser Teilstrecken werden Rohrreibungswiderstand R und Einzelwiderstände Z festgestellt und danach die Abmessungen der Leitungen oder Kanäle gewählt. Die Durchführung einer solchen Rechnung sei an folgendem Beispiel erläutert: Die in Abb. 29 dargestellte Lüftungsanlage soll stündlich 6000 m 3 = 1,67 m 3 /s in die zu lüftenden Räume fördern. Der Ventilator V erzeugt bei der angegebenen Luftleistung einen statischen Druck von 50 mm WS. Zur Überwindung der auf der Ansaugseite, also dem vor Ventilator entstehenden Widerstände (Filter und Vorwärmkammer, Ansaugleitung mit Schutzgitter), wird auf Grund der Angaben der Hersteller ein Druck von 10 mm WS eingesetzt, so daß für die Verteilungsleitung auf der Druckseite noch 40 mm WS zur Verfügung stehen.

Abb. 29. Beispiel einer Drucklüftung mit Kraftbetrieb

In der Teilstrecke al wird die gesamte Luftmenge gefördert. Querschnitts- und Richtungsänderungen sind nicht vorhanden. Es tritt also nur Rohrreibungswiderstand auf. Nimmt man die Rohrweite mit 400 mm an (oder nach Formel 34) einen gleichwertigen rechteckigen Querschnitt), so ergibt sich nach Zahlentafel 33 dafür

Berechnung der Lüftungsanlagen mit Zwangslüftung

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ein Rohrreibungswiderstand von 0,45 m m WS f ü r 5 m also 2,25 m m WS. An der Stelle & ist dann nur noch ein Druck von 40 — 2,25 = 37,75 m m WS vorhanden. J e t z t gabelt sich die Leitung in zwei Teile, deren jeder 3000 m 3 L u f t fördern soll. Verlauf u n d Leistung jeder der beiden Zweige soll der gleiche sein. Teilstrecke i—d ist 10 m lang. Sie enthält bei b eine Querschnittsverengung und bei c eine abgerundete Ecke. Beide rufen Einzelwiderstände hervor. Wählt man den Rohrdurchmesser m i t 300 mm, so ist laut Zahlentafel 31 der Rohrreibungswiderstand je m 0,45 m m WS, f ü r 10 m also 4,5 m m WS. Die Querschnittsverminderung F: F1 = 400 2 : 300 2 = rd. 2 ergibt 'Q = 0,05. Die abgerundete Ecke C = 0,5. Nach Zahlentafel 33 ist für die Luftmenge 0,85 m 3 /s die Luftgeschwindigkeit w = 12 m/s. Nach Zahlentafel 34 gehört dazu bei S C = 1 ein Widerstand Z = 8,8 m m WS, f ü r C = 0,55 also 4,84 m m WS. Die Strecke l-d erfordert also 4,5 + 4,84 = 9,34 m m W S Druckverlust. Demnach verbleiben bei d noch 37,55 — 9,34 = 28,21 m m WS. Aus jeder der Öffnungen / und g sollen 1500 m 3 = 0,43 m 3 /s L u f t entströmen. Die Rohrleitung d—f ist 10 m lang. Die Einzelwiderstände in dieser Leitung sind bei d eine scharfe Ecke u n d eine Querschnittsverminderung, bei / wiederum eine scharfe Ecke und der Austrittswiderstand der meistens vorhandenen Vergitterung. N i m m t man den Querschnitt des Rohres