Recknagel - Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 78. Ausgabe 2017/2018: einschließlich Trinkwasser- und Kältetechnik sowie Energiekonzepte 3835672843, 9783835672840

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Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik einschließlich Trinkwasser- und Kältetechnik sowie Energiekonzepte Herausgegeben von

Prof. Dr.-Ing. Karl-Josef Albers Hochschule Esslingen 78. Auflage Mit über 2200 Abbildungen und über 500 Tafeln

Band 1

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

V10

Zuschriften bezüglich des Textteils sowie Mitteilungen über neue oder verbesserte Erzeugnisse und Verfahren werden erbeten an: Prof. Dr.-Ing. Karl-Josef Albers Hochschule Esslingen Kanalstraße 33, 73728 Esslingen [email protected]

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Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über www.dnb.de abrufbar. © 2017 DIV Deutscher Industrieverlag GmbH Arnulfstraße 124, 80636 München Telefon: 089 203 53 66-0 www.di-verlag.de Buch: Buch + CD-ROM: CD-ROM: eBook:

ISBN 978-3-8356-7284-0 ISBN 978-3-8356-7331-1 ISBN 978-3-8356-7332-8 ISBN 978-3-8356-7285-7

Herstellung: Nilofar Mokhtarzada Lektorat: Kathrin Graßberger (M.A.) Satztechnik: e-Mediateam Michael Franke, Bottrop Druck: Druckerei Chmielorz GmbH, Wiesbaden Copyright: verwendete Eigenanzeigen: 1. Motiv Newsletter: Urheber: Feng Yu / Quelle Shutterstock 2. Eisanlage Frau: Urheber: alphaspirit / Quelle Shutterstock 3. Grünes Haus mit Solar: Urheber: Dim Dimich / Quelle Shutterstock 4. Grüner Stecker: Urheber: ponsulak / Quelle Shutterstock Printed in Germany Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen die Autoren, der Herausgeber, der Beirat und der Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Vorwort zur 1. Auflage

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Vorwort zur 1. Auflage Der Kalender für Gesundheitstechniker verfolgt den Zweck, in erster Linie dem Fachmanne auf Reisen und im Bureau als kurz gefaßtes Nachschlagebuch für Formeln, Koëffizienten und Tabellenwerte zu dienen. Dementsprechend fanden besonders auch Angaben für Überschlagsrechnungen an Ort und Stelle Berücksichtigung. Der Kalender soll außerdem Nichtfachleuten, welche Erfahrungswerte aus dem Heizungs- und Lüftungsfache suchen und kürzere einschlägige Berechnungen selbst durchführen wollen, die nötigen Mittel an die Hand geben. In einigen Abschnitten wurde den besonderen Interessen des Architekten Rechnung getragen (Grundlagen für die Ausarbeitung von Projekten, Wahl des Heizungssystems, Bautechnische Notizen, Erstellungskosten). In der Bearbeitung des Stoffes ist, soweit möglich, die streng wissenschaftliche Behandlung, außerdem die Fassung in Näherungsformeln und Tabellen durchgeführt. Bei den einzelnen Tabellen wurde darauf Bedacht genommen, die Grundlagen, welche zur Berechnung gedient haben, anzugeben, damit darüber Klarheit herrscht, ob für einen gegebenen Fall der Anwendung auch angenähert die gleichen Vorbedingungen bestehen, bezw. die Größe eventuell notwendiger Zuschläge etc. bemessen werden kann. Numerisch durchgeführte Beispiele sollen die Anwendung der einzelnen Formeln erleichtern. Für die folgenden Jahrgänge ist eine Beilage beabsichtigt, welche in jährlichem Wechsel einen Teil des gesundheitstechnischen Gebietes bildlich darstellt. – 1. Heizkessel, Regulatoren etc. – 2. Heizkörper, Verkleidungen, Heizsysteme. – 3. Ventile, Niederschlagswasserableiter, Rohrleitungen etc. – 4. Ventilationsapparate und Meßinstrumente. – 5. Badeeinrichtungen, Waschanstalten, Desinfektionsapparate etc. Die Einzelheiten dieses Sammelwerkchens, nebst einer Einladung an Fabrikanten um gefl. Unterstützung, beliebe man aus der Anlage zu entnehmen. Die Aufnahme eines Verzeichnisses der Firmen, welche Centralheizungen bauen, soll die Verbreitung von Fragen gestatten, welche die Fachwelt interessieren und die Offerte heiztechnischer Artikel ermöglichen. Allen Herren, welche mich in der Aufstellung dieses Verzeichnisses unterstützt haben, auch an dieser Stelle besten Dank, und an die Herren Fachgenossen die Bitte um nachsichtige Beurteilung. Angeregte Verbesserungen werden gerne berücksichtigt; geeignete Beiträge finden unter Quellenangabe Verwendung.

Winterthur, August 1896

Hermann Recknagel

V14

Vorwort zur 78. Auflage

Vorwort zur 78. Auflage 1959 schrieb Eberhard Sprenger in seinem Vorwort zur 51. Auflage, dass mit der neuen Ausgabe 1960 das Taschenbuch, das sich in den letzten Jahren dauernd erweiterte, in etwa seinen endgültigen Umfang erreicht hat. Weiter führt er aus, dass es ungefähr alles enthält, "was der Heizungs- und Klimaingenieur in seiner täglichen Arbeit braucht". Gerade um dem Anspruch gerecht zu werden, alles zu enthalten, "was der Heizungs- und Klimaingenieur in seiner täglichen Arbeit braucht", wurde in der Vorgängerauflage das neue Hauptkapitel Energiekonzepte aufgenommen. Weiterhin wurde bereits im Vorwort zur 77. Auflage die Trinkwasserhygiene als ein weiteres wichtiges Thema für den "Recknagel" benannt. Im neuen Hauptkapitel Trinkwassertechnik werden nun die Trinkwasserinstallationen in Gebäuden unter Berücksichtigung der sich aus der Trinkwasserhygiene ergebenden Anforderungen umfassend behandelt. Es tritt an Stelle des bisherigen Hauptkapitels Warmwasserversorgung, dessen Inhalte neu bearbeitet in dem Hauptkapitel Trinkwassertechnik integriert wurden. Von Ingenieurbüros und ausführenden Firmen sind in den letzten zwei Jahren vermehrt Forderungen laut geworden, dass die in der Technischen Gebäudeausrüstung tätigen Ingenieurinnen und Ingenieure mehr Grundkenntnisse über die in Gebäuden verwendete Elektrotechnik besitzen sollten. Um dem oben genannten, von Eberhard Sprenger formulierten Anspruch gerecht zu werden, ist daher die elektrische Energietechnik als ein neues Grundlagenkapitel aufgenommen worden. Bei Betrachtung dieser Erweiterungen des "Recknagel" fällt es schwer, zu formulieren, dass das Taschenbuch in etwa seinen endgültigen Stand erreicht hat. Auch in der Zukunft wird es neue Anforderungen an die in der Technischen Gebäudeausrüstung tätigen Ingenieurinnen und Ingenieure geben, auf die dann im "Recknagel" reagiert werden muss. Damit der Gesamtumfang des Werkes nicht weiter ansteigt, wurde bereits damit begonnen die vorhandenen Inhalte des "Recknagels" zu straffen. Dieses wird in der zukünftigen Auflage fortgeführt werden. Neben der Straffung müssen die vorhandenen Inhalte auch ständig aktualisiert und an die technischen Weiterentwicklungen angepasst werden. Gegenüber der Vorgängerausgabe wurden die folgenden Kapitel neubearbeitet oder wesentlich überarbeitet: Grundlagen: Im Kapitel „Wärmetechnische Grundlagen“ wurde vor allem das Thema „Feuchte Luft“ überarbeitet. Das Kapitel „Akustische Grundlagen“ wurde überarbeitet. Im Kapitel „Messtechnische Grundlagen“ wurden vor allem die Themen „Wärmemengenmessung“ und „Staubmessung“ neu bearbeitet. Das Kapitel „Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung“ wurde überarbeitet. Das Kapitel „Energieeinsparverordnung“ wurde überarbeitet. Das Kapitel „Elektrische Energietechnik“ wurde neu erstellt. Heizungstechnik: Im Kapitel „Dezentrale Geräte“ wurden die Themen „Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen“ und „Elektrische Raumheizung“ neu bearbeitet. Im Kapitel „Systemübergreifende Gebiete“ wurde das Thema „Brennstofflagerung“ (Öllageranlage, Lagerung von Flüssiggas, Lagerung von Holzpellets) neu bearbeitet. Im Kapitel „Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen“ wurden die Themen „Berechnung der Heizlast“, „Auslegung der Wärmeerzeuger“ und „Auslegung der Raumheizeinrichtungen“ überarbeitet. Das Kapitel „Verbrauchsgebundene Kosten der Heizung und Warmwasserbereitung“ wurde überarbeitet. Das Kapitel „Energetische Betrachtungen“ wurde neu erstellt.

Vorwort zur 78. Auflage

V15

Lüftungs- und Klimatechnik: Im Kapitel „Maschinelle Lüftung“ wurden die Themen „Systeme“, „Ventilatoren“, „Luftbefeuchtung“ und „Wärmerückgewinnung“ überarbeitet. Das Kapitel „Raumlufttechnische Geräte“ wurde in Teilen überarbeitet. Das Kapitel „Geräuschentstehung und -minderung“ wurde überarbeitet. Im Kapitel „Berechnung der Lüftungs- und Klimaanlagen“ wurde das Thema „Kühllastberechnung“ aktualisiert. Im Kapitel „Ausführung für verschiedene Nutzungsarten“ wurden die Themen „Wohngebäude“, „Büro- und Verwaltungsgebäuden“, „Reinraumtechnik“, „Theater, Saalbauten“ und „Tierställe“ überarbeitet. Die Themen „Krankenhäuser, Gebäude des Gesundheitswesens“ und „Gebäude des Hotelgewerbes“ wurden neu bearbeitet. Trinkwassertechnik: Dieses Hauptkapitel wurde neu erstellt. Energiekonzepte: Dieses Hauptkapitel wurde um das Thema „Energiekonzepte auf Quartiersebene“ erweitert. In der Übersicht „Nomina nominanda“ sind alle Fachleute aufgeführt, die bisher mit ihren Beiträgen den Recknagel mitgestaltet haben. Bei der vorliegenden Ausgabe haben neben dem Herausgeber mitgewirkt: Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann, Karlsruhe:

Kältetechnik (gemeinsam mit Prof. Dr. sc. techn. Anton Reinhart, Lindau)

Prof. Dr.-Ing. Michael Bauer, Stuttgart:

Energiekonzepte

Hans Martin Behr, Olsberg:

Lagerung von Holzpellets

Dipl.-Ing. Bernhard Biegert, Stuttgart:

Lüftung von Fertigungsstätten

Prof. Katja Biek, Berlin:

Lüftung von Hotels (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Jörg Noglinsky, Berlin, und Dipl.-Ing. Erik Thrun, Berlin)

PD Dr. med. habil. Dr.-Ing. Wolfgang Bischof, Jena:

Sick Building Syndrome (gemeinsam mit Prof. Dr. med. Gerhard A. Wiesmüller, Köln)

Prof.-Dr.-Ing. Bernd Boiting, Steinfurt:

Wärmespeicherung (gemeinsam mit Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Freiburg, Dr. Harald Mehling, Würzburg, und Dr.-Ing. Peter Schossig, Freiburg)

Prof. Arnold Brunner, Horw:

Lüftung von Krankenhäusern (gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Külpmann, Horw, und Dipl.-Ing. Georg Potthoff, Horw)

Dipl.-Ing. Tobias Burkard, Stuttgart:

Meteorologische Grundlagen (zusammen mit Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen)

Dr. agr. Horst Cielejewski, Münster:

Lüftung von Tierställen

Prof. Dr.-Ing. Achim Dittmann, Dresden:

Feuchte Luft

Prof.-Dr.-Ing. Ursula Eicker, Stuttgart:

Solarthermische Anlagen

Dr. rer. nat. J. Wilhelm Erning, Berlin:

Korrosions- und Steinschutz

Dr. Stephan Ester, Bad Wünnenberg:

Staubmessung

Dipl.-Ing. Ingo Fabricius, Dortmund:

Pumpen

KÖPFE recknagel-online.de

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Vorwort zur 78. Auflage

Dr.-Ing. Eckehard Fiedler, Aachen:

Messtechnische Grundlagen

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Finke, Berlin:

Lüftung von Verkaufsstätten

Dipl.-Ing. Uwe Flohren, Köln:

Gasheizgeräte (gemeinsam mit Dipl. Ing. (FH) Jochen Schmidt, Gladenbach)

Dipl.-Ing. Jörg Franke, Hamburg:

Öllageranlage

Prof.-Dr.-Ing. Uwe Franzke, Dresden:

Sorptionsgestützte Klimatisierung

Dipl.-Ing. Claus Händel, Bönnigheim:

Lüftung von Schulen und Museen

Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann, Dresden:

Lüftung von Wohngebäuden

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Freiburg:

Wärmespeicherung (gemeinsam mit Prof.-Dr.-Ing. Bernd Boiting, Steinfurt, Dr. Harald Mehling, Würzburg, und Dr.-Ing. Peter Schossig, Freiburg)

Prof. Dr.-Ing. habil. Winfried Heller, Dresden:

Strömungstechnische Grundlagen

Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg:

Raumklimatische Grundlagen

Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Kassel:

Energieeinsparverordnung (gemeinsam mit Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel)

Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig:

Wärmeübergabe; Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen; Verbrauchsgebundene Kosten der Heizung und Warmwasserbereitung; Energetische Betrachtungen (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel)

Dr.-Ing. Claudia Kandzia, Dresden:

Hybride Lüftung (gemeinsam mit Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dresden)

Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup, Brücken:

Wärmerückgewinnung

Dipl.-Ing. (FH) Manfred Kotzel, Neuhausen:

Kälteerzeugung für einen Flughafen

Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Külpmann, Horw:

Lüftung von Krankenhäusern (gemeinsam mit Prof. Arnold Brunner, Horw, und Dipl.-Ing. Georg Potthoff, Horw)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel:

Energieeinsparverordnung (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Kassel)

Dipl.-Ing. Ronny Mai, Dresden:

Raumlufttechnische Geräte (zusammen mit Dipl.-Ing. Heiko Schiller, Hamburg)

Dipl.-Ing. Bettina Mailach, Dresden:

Wärmewirtschaft

Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Herzogenrath:

Raumströmung; Luftleitungen und deren Komponenten

Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen:

Meteorologische Grundlagen (zusammen mit Dipl.-Ing. Tobias Burkard, Stuttgart)

Dr. Harald Mehling, Würzburg:

Wärmespeicherung (gemeinsam mit Prof.-Dr.-Ing. Bernd Boiting, Steinfurt, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Freiburg, und Dr.-Ing. Peter Schossig, Freiburg)

Vorwort zur 78. Auflage

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Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dresden:

Virtuelle Kraftwerke (gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner, Dresden, und Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dresden)

Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt, Olpe, Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Frank Riediger, Dortmund, Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt, und Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar)

Prof. Dr.-Ing. Jens Mischner, Erfurt:

Lagerung von Flüssiggas (gemeinsam mit Dr.-Ing. Olaf Schmidt, Brühl/Dresden)

Dipl.-Ing. Jörg Noglinsky, Berlin:

Lüftung von Hotels (gemeinsam mit Prof. Katja Biek, Berlin, und Dipl.-Ing. Erik Thrun, Berlin)

Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz, Dresden:

Heizungssysteme; Ausführung der Heizung in verschiedenen Gebäudearten

Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt, Olpe:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund, Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt, und Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar)

Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach a. H.:

Regelungstechnische Grundlagen; Mess-, Steuer- und Regelgeräte; Hausautomation und Smart Home

Dipl.-Ing. Georg Potthoff, Horw:

Lüftung von Krankenhäusern (gemeinsam mit Prof. Arnold Brunner, Horw und Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Külpmann, Horw:)

Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt, Olpe, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund, Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt, und Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar)

Prof. Dr. sc. techn. Anton Reinhart, Lindau:

Kältetechnik (gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann, Karlsruhe)

Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt, Olpe, Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt, und Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar)

Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner, Dresden:

Elektrische Energietechnik; Virtuelle Kraftwerke (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dresden, und Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dresden)

Dr.-Ing. Christian Scherer, Valley:

Innenraumluftqualität

Dipl.-Ing. Heiko Schiller, Hamburg:

Raumlufttechnische Geräte (zusammen mit Dipl.-Ing. Ronny Mai, Dresden)

Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dresden:

Wärmeübertragung

Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Dipl.-Ing. (FH) U. Petzolt, Olpe, Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund, und Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar)

V18

Vorwort zur 78. Auflage

Dr. Dietrich Schmidt, Kassel:

Energiekonzepte auf Quartiersebene

Dipl. Ing. (FH) Jochen Schmidt, Marburg:

Einzelheizungen für feste Brennstoffe; Gasheizgeräte (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Uwe Flohren, Köln)

Dr.-Ing. Olaf Schmidt, Brühl/Dresden:

Lagerung von Flüssiggas (gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Jens Mischner, Erfurt)

Dr.-Ing. Peter Schossig, Freiburg:

Wärmespeicherung (gemeinsam mit Prof.-Dr.-Ing. Bernd Boiting, Steinfurt, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Freiburg, und Dr. Harald Mehling, Würzburg)

Patrick Schumacher M.Sc., Kassel:

Energiewirtschaftliche Grundlagen

Dr.-Ing. Michael Schwarz, Stuttgart:

Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dresden:

Zentrale Heizungssysteme; Virtuelle Kraftwerke (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dresden, und Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner, Dresden); Hybride Lüftung (gemeinsam mit Dr.-Ing. Claudia Kandzia, Dresden)

Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen:

Abgasanlagen

Dr.-Ing. Michael Stittgen, Gaiberg:

Kirchenheizung

Dipl.-Ing. Stephan Teubner, Puchheim:

Wärmenetze

Dipl.-Ing. Peter Thiel, Hamburg:

RLT-Anlagensysteme (gemeinsam mit Prof.-Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden); Technische und bauliche Entscheidungen für Lüftungsanlagen; Lüftung von Bürogebäuden

Dipl.-Ing. Erik Thrun, Berlin:

Lüftung von Hotels (gemeinsam mit Prof. Katja Biek, Berlin, und Dipl.-Ing. Jörg Noglinsky, Berlin)

Dipl.-Ing. Veit Thurm, Stuttgart:

Wärme- und Kälteerzeugung durch Einsatz einer Wärmepumpe

Prof. Dr.-Ing. Markus Tritschler, Gerlingen:

Wärmemengenmessung

Prof.-Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden:

Speicher; Freie Lüftung; RLT-Anlagensysteme (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Peter Thiel, Hamburg); Thermisch aktive Raumflächen; Kühllastberechnung

Dipl.-Ing. Thomas Uber, Hamburg:

Brennstofflagerung

Dr.-Ing. Peter Vogel, Dresden:

Umweltschutz und Luftreinhaltung; Industrielle Absaugungen

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Wagner, Filderstadt:

Stromerzeugung mit Photovoltaik

Prof. Dr. Horst Weißsieker, Gummersbach:

Reinraumtechnik

Vorwort zur 78. Auflage

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Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar:

Trinkwassertechnik (zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Petzolt, Olpe, Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund, und Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt)

Prof. Dr.med. Gerhard A. Wiesmüller, Köln:

Sick Building Syndrome (gemeinsam mit PD Dr. med. habil. Dr.-Ing. Wolfgang Bischof, Jena)

Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska, Dresden:

Brennstoffbetriebene Wärmepumpen

Prof. Dr.-Ing. Thomas Winkler, Gießen:

Brandschutz

Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel:

Wärmeübergabe; Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen; Verbrauchsgebundene Kosten der Heizung und Warmwasserbereitung; Energetische Betrachtungen (zusammen mit Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig)

Christian Zywicki, Mülheim:

Hallenschwimmbäder

Ihnen, den Leserinnen und Lesern, die durch die Eingabe von Verbesserungsvorschlägen mitgewirkt haben, und den Firmen, die Bildunterlagen zur Verfügung gestellt haben, sei herzlich gedankt. Der „Recknagel“, der bei früheren Auflagen zum Teil mehrmals in die acht Sprachen Französisch, Griechisch, Polnisch, Serbokroatisch, Slowakisch, Spanisch, Türkisch und Ungarisch übersetzt wurde, soll weiterhin den angehenden und im Beruf stehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren als aktuelles Hilfsmittel zur Verfügung stehen. Hierzu sind Anregungen der Leserinnen und Leser sehr willkommen. Schon im Voraus bedanke ich mich für alle Einsendungen. Esslingen, im August 2016

Karl-Josef Albers

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Vorwort zur 78. Auflage

Nomina nominanda Wer? Was? Wann? Bei der Bearbeitung der verschiedenen Auflagen des „Recknagel“ waren im Laufe der Jahre folgende Fachkollegen den Herausgebern durch Neubearbeitung, Überarbeitung, Korrektur oder fachliche Ratschläge bei den genannten Themen behilflich (die Vielzahl der in den verschiedenen Auflagen bei den Quellenangaben genannten Fachleute kann hier nicht aufgeführt werden): Dr.-Ing. M. Adam, Remscheid, Gasheizgeräte, 68.; W. Adam, Gießen, Lüftung verschiedener Gebäude, 59.–60.; Prof. Dr.-Ing Karl-Josef Albers, Esslingen, Schalltechnik, 68.-76.; Lüftungs- und Klimatechnik, 72.–76.; Herausgeber seit 77.; Dipl.-Ing. Thomas Altmüller, Oberhausen, Prüfpflichten, 72.–76.; Sicherheitsvorrichtungen, 73.-76.; Dr.-Ing. Hans-Ulrich Amberg, Köln, Kältespeicher, seit 69.-75.; Dipl.-Ing. Udo O. Andreas, Allendorf, Heizungsregelung, 63.–69.; Dr.-Ing. Gesine Arends, Stuttgart, Brennstoffzellen, 70.-71.; Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann, Karlsruhe, Kältetechnik, seit 77.; Beirat seit 77.; Dr.-Ing. Udo Peter Banck, Darmstadt, Wohnungslüftung, 68. bis 71.; Laboratorien, seit 71.–75.; Dipl.-Ing. Manfred Asmuth, Allendorf, Wärmeerzeuger, 75.–76.; Dipl.-Ing. Ewald Baron, Köln, Architekt, Bauherr und Lüftung, 67.–69.; Architekt, Bauherr und Heizung, 68.–69.; Dipl.-Ing. Dietmar Bartsch, Dinslaken, Fernheizungen, 67. bis 71.; Prof. Dr.-Ing. Michael Bauer, Stuttgart, Energiekonzepte, seit 77.; Dipl.-Ing. Dietrich Beitzke, Aachen, Meßwerterfassung, 68.; Hans Martin Behr, Olsberg, Brennstofflagerung, seit 78.; Petra Bernhard, Friedberg, Mobile Wärme, 76.; Dipl.-Ing. Bernhard Biegert, Stuttgart, Lüftung von Fertigungsstätten, seit 77.; Prof. Katja Biek, Berlin, Lüftung von Hotels, seit 78.; Dipl.-Ing. Horst Biniek, Ebersbach, Öfen, 68.; Dr. med. habil. Dr.-Ing. Wolfgang Bischof, Jena, Raumklimatische Grundlagen, seit 77.; Dipl.-Ing. Gerd Böhm, Wetzlar, Wärmererzeuger, 63.–71.; Prof. Dr.-Ing. Bernd Boiting, Münster, Wärmespeicherung, seit 77.; D. Bombis, CH-Vilters, Öl- und Gasbrenner, 63.–64.; Dipl.-Ing. Hans-M. Breiden, Dossenheim, Kirchenheizung, 70.–75.; Dipl.-Ing. Christian Bremer, München, Luftbefeuchter, seit 73.; Dr.-Ing. Heinz Brockmeyer, München, Schalltechnik, 59.–70.; Lüftungstechnische Geräte, 62.–70; Prof. Arnold Brunner, Horw, Lüftung von Krankenhäusern, seit 78.; Dipl.-Ing. D. Bublitz, Berlin, Fernheizung, Heizkraftwirtschaft, 62. und 65.; Ing. Jürgen Burger, Essen, Klimatechnik Warenhäuser, 67.–69.; Dipl.-Ing. Tobias Burghard, Stuttgart; Meteorologische Grundlagen, seit 78.; Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Burkhardt, Gröbenzell, Beirat 66.; Prof. Dr.-Ing. Ulrich Busweiler, Darmstadt, Sorptionsgestützte Klimatisierung, Entfeuchtung, 67.–75; Thermisch aktive Raumflächen, 73.–75.; Dr. agr. Horst Cielejewski, Münster, Tierställe, seit 72.; Prof. Dipl.-Ing. K. Daniels, München, Architekt, Bauherr und Lüftung, 63.; Dipl.-Ing. Claus Decker, Emmerich, Adsorptionskälteprozess, 70.–74.; Dipl.-Ing. Frank Dehli, Wald-Michelbach, Wärmerückgewinnung, 67.–76.; Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Detzer, Hamburg, Klimatechnik in Fertigungsstätten, 69.–73.; Küchen, seit 69.; Prof. Dr.-Ing. Achim Dittmann, Dresden, Feuchte Luft, seit 78.; Dr.-Ing. A. Dittrich, Hilden, Warmwasserversorgung, 62.–63.; Dipl.-Ing., MBE Daniel Dreizler, Spaichingen, Öl- und Gasbrenner, 75.; Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jörg Eberhardt, Erlangen, Warmluftheizungen, 68.–71.; Dipl.-Ing. Heinz Eickenhorst, Essen, Energiewirtschaft, 65.–68.; Prof. Dr. Ursula Eicker, Stuttgart, Solarthermische Anlagen, seit 74.; Dipl.-Ing. Gerhard Eisenhauer, Leimen, Fernheizungen, 69.–71.; Dipl.-Ing. Rolf Egger, Burscheid, Blockheizkraftwerke, 76.; Dr. rer. nat. Johann Wilhelm Erning, Berlin, Korrosions- und Steinschutz, seit 72.; Dr. Stephan Ester, Bad Wünnenberg, Staubmessung, seit 78.; Dipl.-Ing. Sven Evert, Bremen, Dampf- und Kondensatleitungen, Rohrleitungszubehör, 67.–71.; Dipl.-Ing. Ingo Fabricius, Dortmund, Pumpen, seit 78.; Prof. Dipl.-Ing. Gerhard Fetzer, Esslingen, Beirat seit 77.; Dr.-Ing. Hugo Feurich, Berlin, Warmwasserversorgung, 60., 61., 66.; Beirat, 66.; Dr.-Ing. Eckehard Fiedler, NL-Vaals, Luftschleier, seit 68.; Messtechnische Grundlagen, seit 78.; Prof. Dr.-Ing. Ulrich Finke, Berlin, Verkaufsstätten, seit 77.; Prof. Dr.-Ing. Klaus Fitzner, Berlin, Klimatechnik Krankenhäuser, 66.–76.; Dipl.-Ing. Uwe Flohren, Köln, GasInfrarotstrahler, Gas-Heizgeräte, seit 68.; Dipl.-Ing. Jörg Franke, Hamburg, Öllageranlage, seit 78.; Prof. Dr.-Ing. Uwe Franzke, Dresden, Sondergeräte, seit 77.; Dipl.-Ing. Brit Gattner, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, 76.; Rechtsanwalt Volker Gasser, Köln, Umweltschutz, 67.–69.; Dipl.-Ing. Kurt Gehrenbeck, Berlin, Herausgeber, 40.–46.; Obering. W. Geldner, Gerlingen, Heizungstechnik, 65.; Dipl.-Ing. Lothar Gerke-Reinecke, Leimen, Fernheizung, 67.; Dipl.-Ing. Otto Ginsberg, Hannover, Herausgeber, 24.–39.; Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück, Jößnitz, Wärmeübertragung, Thermisch aktive Raumflächen, 67.–72.; Wärmetechnische Grundlagen, 68.–72.; Basiskennlinien, 74.; Dr.-Ing. Markus Görres, Dortmund, Energiewirtschaftliche Grundlagen, 69.–71.; Dipl.Ing Vera Gräff, Essen, Heizsysteme mit Wärmepumpen, 71.–72.; Anforderungen an Heizanlagen, 73.-76; Dipl.-Ing. Joachim Grodt, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, 73.–74.; Dr.-Ing. habil. Klaus J. Guntermann, Geldern-Kapellen, Luftauslässe, 67.–72.; Dipl.-Ing. Claus Händel, Museen, seit 73.; Dipl.-Ing. Klaus Hain, Dortmund, Wärmebedarf, Auslegung der Wärmeerzeuger, 68.–72.; Dipl.-Ing. Christian

Vorwort zur 78. Auflage

Halper, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, 73.–74.; Dr.-Ing. Johann Halupczok, Aachen, Reinraumtechnik, 69.–71.; Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann, Dresden, Wohngebäude, seit 77.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, München, Bauphysik, Energieeinsparverordnung, 70.–77.; Beirat 77.; Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Freiburg im Breisgau, Raumklimatische Grundlagen, seit 77.; Dr.-Ing. P. Hayn, Berlin, Luftfilter, 62.; Dipl.-Ing., Dr.-Ing. Manfred Heimann, Dortmund, Sonnenenergienutzung, 67.–73.; Prof. Dr.-Ing. Winfried Heller, Dresden, Strömungstechnische Grundlagen, seit 77; Prof. Dr.-Ing. Runa Tabea Hellwig, Augsburg, Raumklimatische Grundlagen, seit 73.; Dr.-Ing. Stephan Herrmann, Waiblingen, Öl- und Gasbrenner, 68.–74.; Dipl.-Ing. Günter S. Hilbert, Berlin, Kältetechnik, 56.–57.; Dipl.-Ing. Steffen Hofmann, Wuppertal, Regenerative Brennstoffe, 71.–72.; Stephan Hoheisel, Dortmund, Pumpen, 76.; Dr.-Ing. Winfried Hönmann, Stuttgart, Lüftungs-und Klimatechnik, 59.–61.; Herausgeber, 62.–65.; Dr.-Ing. Frank Höper, Frankfurt/M., Brennstoffzellen, 68.–69., Meßtechnik, 68.–70.; Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Kassel, Energieeinsparverordnung, seit 71.; Dipl.-Ing. Gerhard Hunnekuhl, Dortmund, Pumpen, 67.–75.; Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig, Heizungs- und Warmwasserkosten, seit 70., Raumheizeinrichtungen, Heizlast, Auslegung, seit 72.; Dipl.-Ing. G. Jämmrich, Berlin, Fernheizung, Heizkraftwirtschaft, 62.–65.; Dipl.-Ing. Andreas Jeromin, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, 73.–75.; Dr.-Ing. Franz Josef Josfeld, Essen, Brennstoffe, Verbrennung, Wärmekraftmaschinen, Heizkraftwirtschaft, 67.–73.; Dipl.-Ing. B. Junker, Basel, Regelungstechnik, 59.–62.; Dr.-Ing. Herbert Jüttemann, Karlsruhe, Elektr. Raumheizgeräte, Wärmepumpen, Wärmerückgewinnung, 60.–66.; Dr.-Ing. Christoph Kaup, Brücken, Wärmerückgewinnung, 77.; Dr.-Ing. Thorsten Kettner, Heizwasserleitungen, 73.-76.; Claudia Kandzia, Dresden, Hybride Lüftung, seit 77; Dr.-Ing. Christoph Kaup, Brücken, Wärmerückgewinnung, seit 77; Dr.-Ing. Achim Keune, Bargteheide, VDI 6022 (Hygiene bei RLT-Anlagen), 71.–77.; Dipl.-Ing. H.-G. Kind, Berlin, Grundlagen der Heizungs- und Klimatechnik, 56.; Dr.-Ing. A. Kollmar, Berlin, Strahlungsheizung, 59.–60.; Dipl.-Ing. Michael Kopplin, Pinneberg, Garagen, seit 73.; Manfred Kotzel, Neuhausen/Enzkreis, Kälteerzeugung für Flughafen, seit 77.; Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, Berlin, Beirat seit 77.; Prof. Dr. med. Peter Kröling, München, Gesundheit, Befindlichkeit, 67.; Dipl.-Ing. Uta Krone, Berlin, Heizsysteme mit Wärmepumpe, 75.–76.; Dr. rer. nat. Carl Ludwig Kruse, Dortmund, Korrosions- u. Steinschutz, 67.–71.; Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Külpmann, Horw, Lüftung von Krankenhäusern, seit 77.; Dipl.-Ing. Werner Lang, Hamburg, Dehnungsausgleicher, 70.–76.; Prof. Dr.-Ing. J. Lehmann, Braunschweig, Heizungstechnik, 59.–62.; Dipl.-Ing. Hubert Lenz, Frechen, Heizungstechnik, 59.–60.; Prof. W. Liese, Berlin, Hygienische Grundlagen, 59.; Prof. R. Lochau, Berlin, Lüftungs- und Klimatechnik, 59.; Prof. Dr.-Ing. Harald Loewer, Hamburg, Raumluftqualität, 68.–69.; Dipl.-Ing. oec. Lambert Luchs, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, 73.–74.; Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, Hamburg, Büro- und Verwaltungsgebäude, 74.–76.; Dipl.-Ing. Horst Lutz, Hamburg, Wärmemengenmessung, 65.–66.; Univ.-Prof. Dr.Ing. Anton Maas, Kassel, Energieeinsparverordnung, seit 70.; Beirat seit 78.; Dipl.-Ing. Rony Mai, Dresden, Raumlufttechnische Geräte, seit 78.; Dipl.-Ing. Bettina Mailach, Dresden, Wärmewirtschaft, seit 77.; Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Köln, Messtechnische Grundlagen, 73.–77.; Luftverteilung, seit 75.; Raumströmung, seit 77.; Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen, Meteorologische Grundlagen, seit 68.; Dr. rer. nat. Erhard Mayer, Holzkirchen, Hygienische Grundlagen, 67.–71.; Dr. Harald Mehling, Würzburg, Raumlimatische Grundlagen, seit 77.; Dr.-Ing. Gerhard Meier-Wiechert, Allendorf, Wärmeerzeuger, 73.–74.; Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dresden, Virtuelle Kraftwerke, seit 77.; Prof. Dr.-Ing. Hans Messerschmid, Esslingen, Trinkwassertechnik, seit 78.; Dr.-Ing. Ronald Miller, Berlin, Klimatechnik Verkaufsstätten, 70.–71.; Facility Management, 72.–76.; Prof. Dr.-Ing. Jens Mischner, Erfurt, Brennstofflagerung, seit 78.; Univ.-Prof. Dr.Ing. Dirk Müller, Aachen, Wärmetechnische Grundlagen, 75.; Dipl.-Ing. H. Mürmann, Sennestadt, Industrielle Absaugung, 60.; Dr.-Ing. Gerhard Nehring, Tamm, Heizungstechnik, 62.–65.; Dr.-Ing. Helmut Neumann, Esslingen, Elektrische Heizeinrichtungen, 73.–75.; Dipl.Ing. Harald Nenner, Leimen, Fernheizungen, 73.; Dr.-Ing. Jürgen Nickel, DK-Frederiksberg, Volumenstromregler, 68.–72.; Dipl.-Ing. Leo Nitsch, Essen, Museumslüftung, 67.–72.; Dipl.Ing. Jörg Noglinsky, Berlin, Hotellüftung, seit 78.; Prof. Oezvegyi, CH-Kriens, Heizungstechnik, 65.; Prof. Dr. Bjarne W. Olesen, DK-Lyngby, Hygienische Grundlagen, 72.–75; Prof. Dr.Ing. Bert Oschatz, Dresden, Ausführung der Heizung in verschiedenen Gebäudearten, seit 76.; Heizungssysteme, seit 77.; Beirat seit 77.; Dr.-Ing. Paul Paikert, Herne, Lufterwärmer, Luftkühler, 60.–65.; Plattenwärmeaustauscher, 65.; Dipl-Ing. R.-D. Paulmann, Alzenau, Warmwassererzeugung (Fernwärme), 64.–65.; Prof. em. Dr.-Ing. habil. Karl Petzold, Dresden, Wärme- und Schallschutz, 67.–69.; Dipl.-Ing. (FH) Uli Petzolt, Olpe, Trinkwassertechnik, seit 78.; Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach a. Herzberg, Regelungstechnik, seit 70., Hausautomation seit 77., Beirat seit 77.; Dipl.-Ing. Joachim Plate, Wetzlar, Wärmeerzeuger, 68.–69.; Dipl.-Ing. Georg Potthoff, Horw, Krankenhauslüftung, seit 78.; Dipl-Ing. E. Prochaska, Vaihingen/Enz, Regelung Klimatechnik, 62.–65.; Prof. Dr.-Ing. Tibor Rákóczy, Köln, Lüftungs-und Klimatechnik, 59.–71.; Dipl.-Ing. Hermann Recknagel, München, Berlin, Herausgeber, 1.–23.; Dipl.-Ing. Peter Reichert, Pfullendorf, Trinkwassertechnik, seit 78.;

V21

V22

Vorwort zur 78. Auflage

Prof. Dr. sc. techn. Anton Reinhart, Lindau, Kältetechnik, seit 69.; Oberingenieur Bruno Regenscheit, Aachen, Luftverteilung, Luftauslässe, 62.–65.; Dr.-Ing. Manfred Renz, Stuttgart, Reinraumtechnik, 72.–75.; Dipl.-Forstwirtin Cornelia Reuther, MBA, Düsseldorf, 75.; Dr.-Ing. Manfred Riedel, Berlin, Heizkostenverteiler, 67.–74.; Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Frank Riediger, Dortmund, Trinkwassertechnik, seit 78.; Dr.-Ing. Seonhi Ro, Remscheid, Katalytische Verbrennung, Gasbrenner, 68.; Dr.-Ing. Jürgen Röben, Mülheim/Ruhr., Hallenschwimmbäder, 72.–76., Prof. Dipl.-Ing. arch. Armin Rogall, Bochum, Architekt, Bauherr und Lüftung, 67.–69.; Architekt, Bauherr und Heizung, 68.–69.; Peter Rohne, München, Elektrische Heizeinrichtungen, 67.–72.; Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty, Allendorf, Wärmeerzeuger, 75.–77.; Prof. Dipl.-Ing. Klaus Rudat, Berlin, Warmwasserversorgung, 67.–76.; Dipl.-Ing. W. Salzwedel, Berlin, Lüftungstechnische Geräte, 59.–60.; Architekt, Bauherr und Lüftung, 61.–62.; Dipl.-Ing. Rolf Scharmann, Marbach, Korrosions- und Versteinungsschutz, 62. und 65.; Prof. Dr. med. Martin Schata, Düsseldorf, Gesundheit, Befindlichkeit, 67.–72.; Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner, Dresden, Virtuelle Kraftwerke, seit 77.; Elektrische Energietechnik, seit 78.; Dipl-Ing. Winfried Scheller, Dortmund, Heizwasserleitungen, 67.–72.; Dr. Christian Scherer, Valley, Raumklimatische Grundlagen, seit 77.; Dr.-Ing. Kai Schiefelbein, Holzminden, Heizsysteme mit Wärmepumpen, 73.–74.; Dipl-Ing. Heiko Schiller, Hamburg, Raumlufttechnische Geräte, seit 78.; Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dresden, Wärmeübertragung, seit 78; Dr.-Ing. Dietrich Schlapmann, Lollar, Heizungstechnik, 65.–71.; Dr.-Ing. Andreas Schleyer, Leimen, Fernheizungen, 72.; Dipl.-Ing. Kurt Schloz, Liebenzell, Lüftungs- und Klimatechnik, 64.–67.; Beirat, 66.-67.; Dr.-Ing. Horst-Georg Schmalfuß, Dortmund, Strömungstechnik, Pumpen, 67.–69.; Prof. Dr.-Ing. Franz-Peter Schmickler, Steinfurt, Trinkwassertechnik, seit 78.; Dr. Dietrich Schmidt, Kassel, Energiekonzepte auf Quartiersebene, seit 78.; Dipl.-Ing. (FH) Jochen Schmidt, Marburg, Gasheizgeräte, seit 77.; Einzelheizungen für feste Brennstoffe, seit 78.; Dr.-Ing. Olaf Schmidt, Brühl/Dresden, Brennstofflagerung, seit 78.; Dipl.-Ing. Stephan Schmied, Dortmund, Heizwasserleitungen, seit 75.; Dipl.-Ing. Heribert Schmitz, Braunfels, Wärmeerzeuger, 62.; Warmwasserversorgung, 64.–65.; Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.Ing. Markus Schmitz, Essen, Prüfpflichten, seit 72.; Dr.-Ing. Peter Schossig, Freiburg im Breisgau, Raumklimatische Grundlagen, seit 77.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek, Dorsten, Klimatechnik Warenhäuser, 60.–62.; Herausgeber, 66. –76.; Dipl.-Phys., MBA, Dr.-Ing. Philipp Schramek, Starnberg, Energiewirtschaftliche Grundlagen, 72.–73.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marina Schulz, Weimar, Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung; Nutzungskosten, 70.–75.; Patrick Schumacher M.Sc., Kassel, Energiewirtschaftliche Grundlagen, seit 78.; Dipl. Wirtsch.-Ing. Jochen Schütze, Pinneberg, Tunnel, 73., Dr.-Ing. Michael Schwarz, Stuttgart, Kraft-Wärme-Kopplung, seit 77., Beirat seit 77; Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dresden, Wärmeübergabe, Wärmekraftmaschinen, hybride Lüftung, seit 77., Beirat seit 77.; Dr.-Ing. Franc Sodec, Bergisch Gladbach, Messtechnik, Luftverteilung, 68–74.; Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Werner Solfrian, Essen, Kosten und Wirtschaftlichkeit, seit 68.–73.; Dr.-Ing. Martin H. Spitzner, München, DIN EN 832 (Heizenergiebedarf), 76.; Dipl.-Ing. Eberhard Sprenger, Berlin, Lüftung, 40.–46.; Herausgeber, 46.–63.; Dipl.-Ing. Edgar Staß, Jülich, Sicherheitsvorrichtungen, 73.; Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen, Abgasanlagen, seit 68.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fritz Steimle, Essen, Beirat, 66.; Reinhard Steiner, Offenbach, Luftbefeuchtung, 68.–72.; Dr.-Ing. Michael Stittgen, Gaiberg, Kirchenheizung, seit 76.; Dipl.-Ing. Stodtmeister, Berlin, Geothermie, 76.; Dr.rer.nat. H.-J. Strauß, Dortmund, Luftfilter, 59.–61.; Dipl.-Ing. Thomas Tech, Essen, Heizkraftwirtschaft, 67.–76.; Heizung in Krankenhäusern/Kliniken, 71.–76.; Dipl.-Ing. Stephan Teubner, Puchheim, Wärmenetze, seit 78.; Dipl.-Ing. Peter Thiel, Hamburg, Technische und bauliche Entscheidungen, Büro- und Verwaltungsgebäude, seit 74.; Dipl.-Ing. Leonhard Thien, Steinfurt, Regenerative Brennstoffe, 73.–74.; Dipl.-Ing. Erik Thrun, Berlin, Hotellüftung, seit 78.; Veit Thurm, Stuttgart, Wärme-/ Kälteerzeugung durch Wärmepumpe, seit 77.; Prof.-Dr.-Ing. Markus Tritschler, Gerlingen, Wärmemengenmessung, seit 78.; Uwe Tomaschek, Düsseldorf, Kupferrohre, 70.–76.; Dipl.Ing. Gerhard Trenkowitz, Gorxheimertal, Kältetechnik, 59.–68.; Wärmepumpen, 67.–68.; Strömungstechnik, Anlagenkennlinien, 69.–73.; Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden, Kühllastberechnung, seit 76., Speicherung seit 77., Beirat seit 77.; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Trümper, Aachen, Warmwasserversorgung, 59.; Heiner Twachtmann, Bremen, Rohrleitungszubehör, Dampf- und Kondensatleitungen, seit 72., Dipl.-Ing. Thomas Uber, Hamburg, Brennstofflagerung, seit 75.; Dr.-Ing. Helmut Ulmer, Berlin, Grundlagen der Heizungs- und Klimatechnik, 60.–61.; Dr.-Ing. Peter Vogel, Dresden, Industrielle Absaugungen, seit 66.; Umweltschutz, seit 67.; Dipl.-Forstwirtin Cornelia Vogler, MBA, Hamburg, Regenerative Brennstoffe, 75.–76.; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang A. Voltz, Hamburg, Brandschutztechnik, 67.–74.; Ing. Günther Wagner, Allendorf, Wärmeerzeuger, 67.–72.; Ralf Wagner, Filderstadt, Photovoltaik, seit 77.; Walter Wagner, St. Leon-Rot, Rohrleitungen, 69.–73.; Dipl.-Ing. Peter Wegwerth, Norderstedt, Kunststoffrohre, 71.–72.; Prof. Dr. Horst Weißsieker, Gummersbach, Reinraumtechnik, seit 78.; Prof. Dr.-Ing. Hans Werner, München, DIN EN 832 (Heizenergiebedarf), 68.–75.; Dipl.-Math. Heike Werner, Wetzlar, Trinkwassertechnik, seit 78.; Dipl.-Ing. Markus Werner, Aachen, Simulation, 72.–76.; Prof. Dr. med. Gerhard

Vorwort zur 78. Auflage

A. Wiesmüller, Köln, Raumklimatische Grundlagen, seit 77.; Karl Willemen, Merksem (Belgien), Be- und Entlüfter, Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen, Entgasung, seit 74.; Dr. Uwe Wilke, Allendorf, Wärmeerzeuger, seit 75.; Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska, Dresden, Wärmepumpe, seit 77.; Prof. Dr.-Ing. Thomas Winkler, Gießen, Brandschutz, seit 74., Beirat seit 77.; Dr.-Ing. habil. Stefan Wirth, Karlsruhe, Wohnungslüftung, 67. und 72.–76.; Korrosions- und Steinschutz, 72.–75.; Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel, Regelungstechnik, 63.–70.; Heizungskosten, seit 63.; Raumheizeinrichtungen, Heizlast, Auslegung, seit 72.; Dr.-Ing. Frank-Hendrik Wurm, Dortmund, Strömungstechnik, Pumpen, 70.; Dr.-Ing. Wolf Ziemer, Nürnberg, Reinraumtechnik, 65.; Christian Zywicki, Mühlheim/Ruhr, Schwimmbäder, seit 77. Bisherige Auflagen: 1. bis 36. Auflage jährlich 1897 bis 1932; 37. und 38. Auflage in den Jahren 1933 bis 1936 (die genauen Jahre sind unbekannt); 39. bis 46. Auflage jährlich 1937 bis 1944. Weiterhin nahezu im Zweijahresrhythmus: 46.(!!) 1952, 47. 1953, 48. 1955, 49. 1956, 50. 1959, 51. 1960, 52. 1962, 53. 1964, 54. 1966, 55. 1968, 56. 1970, 57. 1972, 58. 74/75, 59. 77/78, 60. 79/80, 61. 81/82, 62. 83/84, 63. 86/87, 64. 88/89, 65. 90/91, 66. 92/93, 67. 94/95, 68. 97/98, 69. 99/00, 70. 01/02, 71. 03/04, 72. 05/06, 73. 07/08, 74. 09/10, 75. 11/12, 76. 13/14, 77. 15/16, 78. 17/18. Lizenzausgaben: Deutschsprachig: DDR 1964 von 53.; Fremdsprachig: Slowakisch 1962 von 52.; 1. Spanisch 1972 von 57.; Griechisch 1. Teil 1978 und 2. Teil 1980 von 59.; 1. Französisch 1980 von 60.; 1. Serbokroatisch 1982 von 61.; 2. Serbokroatisch 1984 von 62.; 2. Französisch 1986 von 63.; 3. Serbokroatisch 1987 von 63.; 2. Spanisch 1993 von 65.; 1. Polnisch 1994 von 66.; 3. Französisch 1. Teil 1995 von 66.; 4. Serbokroatisch 1995 von 67.; 1. Türkisch 2003 von 68.; 1. Ungarisch 2000 von 69.; 5. Serbokroatisch 2002 von 70.; 6. Serbokroatisch von 72.; 4. Französisch 2007 von 71.; 2. Polnisch 2008 von 73.; 6. Serbokroatisch 2012 von 75.; 5. Französisch 2013 von 75.

V23

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1

5

GRUNDLAGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1

Meteorologische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.1 1.1.1-1 1.1.1-2 1.1.1-2.1 1.1.1-2.2 1.1.1-2.3 1.1.1-2.4 1.1.1-3

Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reine Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensationskerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vermeidung von Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6 6 9 13 14 15

1.1.2 1.1.2-1 1.1.2-2 1.1.2-3 1.1.2-4 1.1.2-5

Lufttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittelwerte der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extremwerte der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizgradtage (Gradtagzahl Gt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungsgradstunden GL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlgradstunden GK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 15 19 20 23 24

1.1.3 1.1.3-1 1.1.3-2 1.1.3-3 1.1.3-4 1.1.3-5 1.1.3-6

Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittlere Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtungs- und Befeuchtungsgrammstunden . . . . . . . . . . . . . . . . Extremwerte der Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur und Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchte-Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25 25 26 27 28 28 44

1.1.4 1.1.4-1 1.1.4-2 1.1.4-3 1.1.4-4 1.1.4-5 1.1.4-6 1.1.4-7 1.1.4-8 1.1.4-9

Sonnenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linke’scher Trübungsfaktor TL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffuse Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atmosphärische Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonnenstrahlung und Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonnung im Jahresablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonnung bei unterschiedlichen geographischen Breiten . . . . . . . . .

45 46 47 50 51 52 55 58 59 61

1.1.5

Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

1.2

Raumklimatische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

1.2.1

Raumklimadefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

1.2.2 1.2.2-1 1.2.2-2 1.2.2-3 1.2.2-3.1 1.2.2-3.2 1.2.2-3.3 1.2.2-4

Thermisches Raumklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermisches Empfinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsstättenregel Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Gesamtbehaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäude ohne maschinelle Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erhöhte Luftgeschwindigkeit im Sommer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lokale thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66 66 71 72 72 74 76 76

II

Inhaltsverzeichnis

1.2.2-4.1 1.2.2-4.2 1.2.2-4.3 1.2.2-4.4 1.2.2-5

Zugluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertikaler Temperaturgradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungstemperaturasymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalte und warme Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung des thermischen Raumklimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77 80 81 82 82

1.2.3 1.2.3-1 1.2.3-2 1.2.3-3 1.2.3-4 1.2.3-5 1.2.3-6 1.2.3-7 1.2.3-8 1.2.3-9

83 83 84 85 86 88 89 90 92

1.2.3-10 1.2.3-11

Innenraumluftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenraumluftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohlendioxid (CO2) als Bewertungsindikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüchtige organische Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptation und Einfluss von Temperatur und Feuchte . . . . . . . . . . . Arbeitsstättenregel Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erforderliche Luftvolumenströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfung und Bewertung von VOC-Emissionen aus Bauprodukten . Messung und Beurteilung von VOC-Konzentrationen in Innenräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feinstaub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.4

Akustik, Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

1.2.5

Licht und Blendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

1.2.6

Einflussnahme durch den Nutzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

1.2.7 1.2.7-1 1.2.7-2 1.2.7-3 1.2.7-4 1.2.7-5 1.2.7-6

Sick Building Syndrome (SBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschwerdebild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risikofaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenspiel von Risikofaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meidung/Beseitigung/Minderung von Risikofaktoren . . . . . . . . . . . .

102 102 102 103 104 106 107

1.3

Wärmetechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114

1.3.1 1.3.1-1 1.3.1-2 1.3.1-3 1.3.1-4 1.3.1-5 1.3.1-6 1.3.1-7 1.3.1-8 1.3.1-9

Thermisch-mechanische Grundgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse, Kraft und Gewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte und spezifisches Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiearten und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnung durch Temperaturerhöhung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptsätze der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114 114 115 115 115 118 120 123 126 128

1.3.2 1.3.2-1 1.3.2-2 1.3.2-3 1.3.2-4 1.3.2-5 1.3.2-6 1.3.2-7 1.3.2-8 1.3.2-9

Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasmischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Energie, Enthalpie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128 128 129 131 131 132 134 135 136 137

1.3.3 1.3.3-1 1.3.3-2

Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen der Dampfzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

138 138 139

94 98 99

Inhaltsverzeichnis

III

1.3.3-3 1.3.3-4 1.3.3-5 1.3.3-6 1.3.3-7

Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Nassdampf) . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Heißdampf) . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme für Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen mit Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

140 148 149 149 151

1.3.4 1.3.4-1 1.3.4-2 1.3.4-3 1.3.4-4 1.3.4-5 1.3.4-6 1.3.4-7 1.3.4-7.1 1.3.4-7.2 1.3.4-7.3 1.3.4-7.4 1.3.4-7.5 1.3.4-7.6

Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absolute Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relative Feuchte und Taupunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifisches Volumen bzw. Dichte feuchter Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Enthalpie feuchter Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h,x-Diagramm von Mollier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adiabate Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

151 151 151 152 153 153 154 156 156 156 156 157 158 158

1.3.5 1.3.5-1 1.3.5-1.1 1.3.5-1.2 1.3.5-1.3 1.3.5-1.4 1.3.5-2 1.3.5-2.1 1.3.5-2.1.1 1.3.5-2.1.2 1.3.5-2.1.3 1.3.5-2.2 1.3.5-2.2.1 1.3.5-2.2.2 1.3.5-2.2.3 1.3.5-2.3 1.3.5-2.4 1.3.5-2.4.1 1.3.5-2.4.2 1.3.5-2.4.3 1.3.5-2.5 1.3.5-2.6 1.3.5-2.7 1.3.5-2.8 1.3.5-3 1.3.5-3.1 1.3.5-3.2 1.3.5-3.3 1.3.5-3.4 1.3.5-3.4.1 1.3.5-3.4.2 1.3.5-3.5 1.3.5-3.6 1.3.5-3.7

Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ebene Wand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontakttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung im Rohr oder Kanal . . Laminare Strömung im geraden Rohr oder Kanal (Re < 2320) . . . . . Turbulente Strömung im geraden Rohr oder Kanal (Re > 2320) . . . . Turbulente Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in Rohrwendeln Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung um Platten und Rohre Längsüberströmte Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Längsüberströmte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Querüberströmte Rohre und Rohrbündel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser in Behältern und Kesseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Strömung an Platten und Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Senkrechte Platten (Wände) und Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Waagerechte Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Waagerechte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überlagerung freier und erzwungener Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfung von Wasser in Behältern und Kesseln . . . . . . . . . . . . . . Kondensation von Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstung und Stoffübergang von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stefan-Boltzmann’sches Gesetz, Emissionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kirchhoff’sches Gesetz, Absorptionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lambert’sches Kosinusgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körper mit Umhüllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwei Flächen in beliebiger Lage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstrahlzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsaustausch zwischen den Oberflächen geschlossener Räume (Bruttomethode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübergangskoeffizient beim Strahlungswärmeaustausch . . . . . Strahlungstemperatur der Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

159 159 159 160 161 171 172 174 174 174 178 179 179 180 180 183 183 183 185 185 186 187 188 189 190 190 191 192 192 192 193 193 193

1.3.5-3.8 1.3.5-3.9

198 199 200

IV

Inhaltsverzeichnis

1.3.5-4 1.3.5-5 1.3.5-5.1 1.3.5-5.2 1.3.5-5.3 1.3.5-5.4 1.3.5-5.5 1.3.5-6 1.3.6 1.3.6-1 1.3.6-1.1 1.3.6-1.2 1.3.6-1.3 1.3.6-2 1.3.6-2.1 1.3.6-2.2 1.3.6-2.2.1 1.3.6-2.2.2

Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Basiskennlinien) für thermisch aktive Raumumfassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgangskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittlere Temperaturdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeabgabe von Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdampfdiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

201 202 202 203 205 206 208 211 216 216 216 217 217 218 219 219 219

1.3.6-2.2.3 1.3.6-2.2.4 1.3.6-2.2.5 1.3.6-2.2.6 1.3.6-2.2.7 1.3.6-2.2.8 1.3.6-2.2.9

Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung als sensible Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung als latente Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermochemische Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCM-Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCM-Verarbeitungs-, bzw. Einatzformen in der TGA . . . . . . . . . . . . Begriffe und Definitionen nach VDI 2164, bzw. RAL-GZ 896 . . . . . Latentwärmespeichermaterialien/Phasenwechselmaterialien (PCM) Schmelztemperatur/Kristallisationstemperatur, Phasenübergangstemperatur/Phasenübergangstemperaturbereich . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenübergangswärme/Schmelzenthalpie/latente Wärme . . . . . . . Zyklen/Zyklenstabilität/Reproduzierbarkeit des Phasenübergangs Passive und aktive Systeme (mit/ohne Hilfsenergie) . . . . . . . . . . . . . . Einsatztemperaturbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stillstandsverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Be- und Entladeleistung/-zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.7 1.3.7-1 1.3.7-2 1.3.7-2.1 1.3.7-2.1.1 1.3.7-2.1.2 1.3.7-2.1.3 1.3.7-2.1.4 1.3.7-2.2 1.3.7-2.2.1 1.3.7-2.2.2 1.3.7-2.2.3 1.3.7-2.2.4 1.3.7-2.2.5 1.3.7-2.2.6 1.3.7-2.2.7 1.3.7-2.2.8 1.3.7-2.2.9 1.3.7-3 1.3.7-3.1 1.3.7-3.2 1.3.7-3.3 1.3.7-3.4 1.3.7-3.5 1.3.7-3.6 1.3.7-4 1.3.7-4.1 1.3.7-4.2 1.3.7-4.3

Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mineralöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teeröle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synthetische Öle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verkokungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flammpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockpunkt, Pourpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwefel und Asche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser und Sedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raffineriegase (Reichgase, Flüssiggase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spaltgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regenerative Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflanzenöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221 221 225 225 225 226 226 226 226 226 226 226 229 229 229 229 229 229 230 230 233 233 234 235 236 236 236 239 239

219 220 220 220 221 221 221 221

Inhaltsverzeichnis

V

1.3.8 1.3.8-1 1.3.8-2 1.3.8-3 1.3.8-3.1 1.3.8-3.2 1.3.8-3.3 1.3.8-3.4 1.3.8-3.5 1.3.8-3.6 1.3.8-4 1.3.8-5 1.3.8-5.1 1.3.8-5.2 1.3.8-5.3 1.3.8-6 1.3.8-7

Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwert und Brennwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsluftmenge und Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feste und flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Näherungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Wärmekapazität der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdampfgehalt und Taupunkt der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vollkommene Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unvollkommene Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsdreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zündtemperatur und Zündgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katalytische Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240 240 240 245 245 246 247 251 251 252 252 254 255 256 256 258 261

1.4

Strömungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

264

1.4.1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

264

1.4.2 1.4.2-1 1.4.2-2 1.4.2-3 1.4.2-4

Eigenschaften der Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verformungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompressibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haften an festen Wänden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

264 265 266 266 267

1.4.3 1.4.3-1 1.4.3-2 1.4.3-2.1 1.4.3-2.2

Statik der Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck in ruhenden Flüssigkeiten (Hydrostatik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck in ruhenden Gasen (Aerostatik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isotherme Schichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isentrope Schichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

268 268 268 268 268

1.4.4 1.4.4-1 1.4.4-2 1.4.4-2.1 1.4.4-2.2 1.4.4-3 1.4.4-4 1.4.4-4.1 1.4.4-4.2 1.4.4-4.3 1.4.4-4.4

Grundgleichungen bewegter Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stationäre Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instationäre kompressible Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eulergleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bernoulligleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stationäres Ausflussproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instationäres Ausflussproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bernoulligleichung mit Verlustglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bernoulligleichung mit Verlust und Energiezufuhr . . . . . . . . . . . . . . .

269 269 270 270 271 272 272 272 273 274 275

1.4.5 1.4.5-1 1.4.5-1.1 1.4.5-1.2 1.4.5-1.3 1.4.5-1.4 1.4.5-1.5 1.4.5-2 1.4.5-2.1 1.4.5-2.2 1.4.5-2.3 1.4.5-2.4 1.4.5-2.5 1.4.5-2.6

Stationäre Rohrströmung mit Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgebildete Strömung in geraden Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laminare Strömung in kreiszylindrischen Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . Turbulente Strömung in kreiszylindrischen Rohren . . . . . . . . . . . . . . Druckverlust, Rohrreibungsdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen mit beliebigen Querschnittsformen . . . . . . . . . . . . . . . Durchströmteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohreinlaufströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Krümmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsen und Einläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

276 276 276 276 277 278 280 280 281 281 282 283 284 284

VI

Inhaltsverzeichnis

1.4.5-3

Rohrsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

288

1.4.6 1.4.6-1 1.4.6-2 1.4.6-2.1 1.4.6-2.2 1.4.6-3 1.4.6-4 1.4.6-5 1.4.6-6

Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden . . . . . Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtdruckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stauscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pitotrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung des statischen Druckes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staudruckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflussmengenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hitzdrahtmessung, Lasermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

289 289 290 291 291 292 293 295 296

1.4.7

Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

298

1.4.8 1.4.8-1 1.4.8-2 1.4.8-3

Körperumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstandskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamischer Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachlauferscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

300 300 302 303

1.4.9

Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

303

1.4.10 1.4.10-1 1.4.10-2 1.4.10-3

Netzkennlinien einfacher Anlagen mit Turbomaschinen . . . . . . . . . Pumpenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatoranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbinenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

304 305 306 306

1.4.11 1.4.11-1 1.4.11-2

Aufbau und Wirkungsweise von Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . Einfache axiale Turbomaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache radiale Turbomaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

308 308 309

1.4.12 1.4.12-1 1.4.12-2

Strömungsmechanische Grundgleichungen der Turbomaschinen . Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eulersche Gleichung der Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

310 310 311

1.4.13 1.4.13-1 1.4.13-2 1.4.13-3 1.4.13-3.1 1.4.13-3.2 1.4.13-3.3 1.4.13-3.4

Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung . . . . . . . . . . Ähnlichkeitsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die für Turbomaschinen charakteristischen Kennzahlen . . . . . . . . . . . Anwendung der Ähnlichkeitskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rationalisierung der Versuchsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierung der Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeingültige Darstellung von Erfahrungswerten . . . . . . . . . . . . .

312 312 313 313 313 315 316 317

1.4.14 1.4.14-1 1.4.14-2 1.4.14-2.1 1.4.14-2.2 1.4.14-2.3 1.4.14-3 1.4.14-4 1.4.14-5

Betriebsverhalten von Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Begriffe, Regeln und Hilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typische Kennfelder einiger Turbomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennfeld einer Kreiselpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennfeld einer Wasserturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennfeld eines Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instabile Betriebszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien bei Reihen- und Parallelschaltung von Turbomaschinen

320 320 321 321 322 323 324 327 329

1.5

Schalltechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

332

1.5.1

Allgemeine Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

332

1.5.2

Schallfeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

332

1.5.3

Schallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

334

1.5.4

Tonspektrum und Klangfarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

335

1.5.5 1.5.5-1

Geräuschbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

336 336

Inhaltsverzeichnis

VII

1.5.5-2 1.5.5-3

A-bewerteter Schallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

337 339

1.5.6

Schallausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

340

1.5.7 1.5.7-1 1.5.7-2 1.5.7-3 1.5.7-4 1.5.7-5 1.5.7-6 1.5.7-7

Luftschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldämm-Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertetes Schalldämm-Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschalige Wände und Decken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrschalige Wände und Decken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fenster und Türen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammengesetzte Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

342 342 342 342 343 344 345 346

1.5.8

Körperschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

347

1.5.9

Schallabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

347

1.5.10

Akustik großer Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

348

1.6

Messtechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

1.6.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

1.6.2 1.6.2-1 1.6.2-2 1.6.2-3 1.6.2-4

Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U-Rohr-Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federmanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350 350 351 352 353

1.6.3 1.6.3-1 1.6.3-2 1.6.3-3 1.6.3-4 1.6.3-5 1.6.3-6 1.6.3-7 1.6.3-8

Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungs-Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer, Pyrometer) . . . . . . . Infrarot-Thermographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globethermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Halbleiter-Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

353 353 354 356 357 358 359 360 360

1.6.4 1.6.4-1 1.6.4-2 1.6.4-3 1.6.4-4 1.6.4-5

Geschwindigkeitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staugeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Anemometer, Hitzdraht-Anemometer . . . . . . . . . . . . . . . Flügelradanemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optische Messverfahren zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit . Messung der Raumluftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360 360 361 362 362 363

1.6.5 1.6.5-1 1.6.5-2 1.6.5-3 1.6.5-4 1.6.5-5 1.6.5-6 1.6.5-7 1.6.5-8 1.6.5-9 1.6.5-9.1 1.6.5-9.2 1.6.5-9.3 1.6.5-9.4 1.6.5-10

Mengen- und Durchflussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wägung und Ausmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdrängungszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flügelradzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebekörper-Durchflussmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ultraschallverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrommessung in Kanälen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einlaufdüse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blenden und Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staukörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrommessung an Luftdurchlässen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

364 364 365 365 366 366 367 368 368 368 368 369 369 370 370

VIII

Inhaltsverzeichnis

1.6.5-10.1 1.6.5-10.2 1.6.5-10.3 1.6.5-10.4

Netzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messtrichter-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nullmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

370 370 370 371

1.6.6 1.6.6-1 1.6.6-2 1.6.6-2.1 1.6.6-2.2 1.6.6-2.3 1.6.6-2.4 1.6.6-3 1.6.6-3.1 1.6.6-3.2 1.6.6-4

Wärmemengenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkostenverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Messung – Wärmezähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlergrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetzliches Messwesen und Eichpflicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Messung – Heizkostenverteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip . . . . . . . . . . . . . Heizkostenverteiler mit elektrischer Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Messung – Energiebewertende Mengenmessung . . . . . . . .

371 371 372 372 376 377 377 378 380 381 383

1.6.7 1.6.7-1 1.6.7-2 1.6.7-3 1.6.7-4 1.6.7-5 1.6.7-6 1.6.7-7 1.6.7-8 1.6.7-9 1.6.7-10 1.6.7-11

Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schauglasmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peilstabmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdrängermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einperlrohrmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrostatische Druckmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wägemethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leitfähigkeitsmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitive Messmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsdämpfungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reflexionsmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

384 384 384 384 384 385 385 385 386 386 386 387

1.6.8

Abgasprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

387

1.6.9 1.6.9-1 1.6.9-2 1.6.9-3 1.6.9-4 1.6.9-5 1.6.9-6 1.6.9-7 1.6.9-8

Feuchtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorptionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taupunktmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haarhygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Psychrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lithiumchlorid-Feuchtemesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leitfilm-Hygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitäts-Hygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taupunktsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

390 390 390 390 391 393 393 393 394

1.6.10 1.6.10-1 1.6.10-2 1.6.10-3 1.6.10-4 1.6.10-5 1.6.10-5.1 1.6.10-5.2 1.6.10-5.3 1.6.10-5.4 1.6.10-5.5 1.6.10-5.6 1.6.10-5.7 1.6.10-5.8 1.6.10-6 1.6.10-7 1.6.10-8

Sonstige Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pH-Wert-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rußmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegelmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staubmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikation von Staubpartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immissionsgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emissionsgrenzwerte für genehmigungsbedürftige Anlagen . . . . . . . Emissionsgrenzwerte für nicht genehmigungsbedürftige Anlagen . . Zulassungsverfahren für Staubmessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staubmessung mit dem Standardreferenzverfahren nach VDI 2066 Mobile Online-Staubmessverfahren für die novellierte 1. BImSchV Gasanalysengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Radioaktivität der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

394 394 394 395 395 396 396 397 397 398 398 401 401 404 413 414 415

Inhaltsverzeichnis

1.6.10-9

XI

1.6.10-10

Messung des Außenluftwechsels und der Lüftungseffektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

415 417

1.7

Regelungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

418

1.7.1 1.7.1-1 1.7.1-2

Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

418 418 419

1.7.2 1.7.2-1 1.7.2-2 1.7.2-2.1 1.7.2-2.1.1 1.7.2-2.1.2 1.7.2-2.1.3

421 421 422 423 423 424

1.7.2-2.1.4 1.7.2-2.1.5 1.7.2-2.2

Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statisches Verhalten von Regelstrecken (Kennlinien) . . . . . . . . . . . . . Dynamisches Verhalten von Regelstrecken (Übergangsverhalten) . . Regelstrecken mit Ausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzögerungsglied nullter Ordnung (P-Regelstrecke) . . . . . . . . . . . . . Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1-Regelstrecke) . . . . . . . . . . . Verzögerungsglied zweiter und höherer Ordnung (PT2- oder PTn-Regelstrecken) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennwertermittlung von Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwierigkeitsgrad und Regelbarkeit von Regelstrecken . . . . . . . . . . . Regelstrecken ohne Ausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7.3 1.7.3-1 1.7.3-1.1 1.7.3-1.2 1.7.3-2 1.7.3-3 1.7.3-3.1 1.7.3-3.1.1 1.7.3-3.1.2 1.7.3-3.2 1.7.3-3.2.1 1.7.3-3.2.2 1.7.3-3.2.3 1.7.3-3.2.4 1.7.3-3.3

Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikation von Regelgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelgüte von Regelkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoge Regelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unstetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proportionale Regler (P-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integrierende Regler (I- und PI-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzierende Regler (D-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quasi-stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

429 430 430 431 431 432 433 433 435 436 437 441 442 442 443

1.7.4 1.7.4-1 1.7.4-2 1.7.4-3

Digitale Regelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau einer digitalen Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitale Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen digitaler Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

444 445 448 448

1.7.5

Reglerauswahl

.............................................

449

1.7.6 1.7.6-1 1.7.6-2 1.7.6-2.1 1.7.6-2.1.1 1.7.6-2.1.2 1.7.6-2.2 1.7.6-3

Reglereinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reglereinstellung durch Probieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reglereinstellung nach Einstellregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellregeln nach Ziegler/Nichols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellung nach der Schwingungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellung nach der Sprungantwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parameteroptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

450 450 450 451 451 451 452 452

1.7.7

Adaptive Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

453

1.7.8

Fuzzy-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

453

426 426 428 429

1.8

Energiewirtschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

456

1.8.1

Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

456

1.8.2

Primärenergieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

456

XII

Inhaltsverzeichnis

1.8.2-1 1.8.2-1.1 1.8.2-1.2 1.8.2-1.3 1.8.2-1.4 1.8.2-2 1.8.2-2.1 1.8.2-2.2 1.8.2-2.3 1.8.2-2.4 1.8.2-2.5

Endliche Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

456 456 457 457 458 458 458 459 459 459 459

1.8.3 1.8.3-1 1.8.3-2 1.8.3-3 1.8.3-4 1.8.3-5 1.8.3-6 1.8.3-7 1.8.3-8 1.8.3-9 1.8.3-10

Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kernkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photovoltaikanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzentrierende Solarkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geothermische Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomassekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

460 460 460 461 461 461 461 461 462 463 463

1.8.4

Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

464

1.8.5

Contracting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

465

1.9

Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

467

1.9.1

Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

467

1.9.2

Einwirkung von Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

468

1.9.3

Maßnahmen zur Begrenzung von Schadstoffemissionen im Energiesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffseitige Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerungstechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz von regenerativen Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

470 471 472 473 476

1.9.3-1 1.9.3-2 1.9.3-3 1.9.3-4 1.9.4 1.9.4-1 1.9.4-2 1.9.4-3 1.9.4-4 1.9.4-5 1.9.4-6 1.9.4-7 1.9.4-8 1.9.4-9 1.9.4-10 1.9.4-11

Rechtsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bundes-Immissionsschutzgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen . . . . . . . . . Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen . . . . . . . . . . . . . Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft – (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BundesImmissionsschutzgesetz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über Großfeuerungs-, Gasturbinen- und Verbrennungsmotorenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über Anlagen zur Feuerbestattung . . . . . . . . . . . . . . . . . Smog-Verordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetze zur Nutzung Erneuerbarer Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes (Wasserhaushaltsgesetz – WHG –) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

477 478 478 479 479 479 481 484 485 485 485 485

Inhaltsverzeichnis

XIII

1.9.4-12 1.9.4-13

Umwelthaftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere gesetzliche Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

486 488

1.10

Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes .

489

1.10.1 1.10.1-1 1.10.1-2 1.10.1-3

Grundlagen der Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrochemische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserbeschaffenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

489 489 490 492

1.10.2 1.10.2-1 1.10.2-2 1.10.2-3 1.10.2-4 1.10.2-5 1.10.2-6 1.10.2-7 1.10.2-8 1.10.2-9 1.10.2-10 1.10.2-11 1.10.2-12 1.10.2-13

Korrosion in Warmwasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wanddurchbruch bei Eisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlammbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eisenoxid-Beläge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von Kupfer-Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von Aluminium-Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von feuerverzinktem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von nichtrostenden Stählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bimetallkorrosion, Mischinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz bei Planung und Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz durch Vermeidung von Unterdruck . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz durch Wasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostschutzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

493 493 496 498 499 499 500 501 501 501 502 504 506 507

1.10.3 1.10.3-1 1.10.3-2 1.10.3-3 1.10.3-4

Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers . . . . . . . . . . Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

508 508 509 510 512

1.10.4 1.10.4-1 1.10.4-2 1.10.4-3 1.10.4-4

Korrosion in Wassererwärmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus emailliertem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus kunststoffbeschichtetem Stahl . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus nichtrostendem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kathodischer Schutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

513 513 514 515 516

1.10.5 1.10.5-1 1.10.5-2 1.10.5-3

Abgasseitige Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

516 516 517 518

1.10.6 1.10.6-1 1.10.6-2 1.10.6-3

Steinbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steinbildung in Wassererwärmungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steinbildung in Warmwasserheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen gegen Steinbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

520 521 522 522

1.11

Planerische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

526

1.11.1 1.11.1-1 1.11.1-2 1.11.1-2.1 1.11.1-2.2 1.11.1-2.3 1.11.1-2.4

Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . Begriffsabgrenzungen und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kostenrechnungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der betrieblichen Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen nach VDI 2067 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten von Wärmeversorgungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

526 526 528 528 528 529

1.11.1-2.4.1 1.11.1-2.4.2 1.11.1-3 1.11.1-3.1

531 531 531 532 532

XIV

Inhaltsverzeichnis

1.11.1-3.2 1.11.1-3.2.1 1.11.1-3.2.2 1.11.1-3.3

Entscheidungskriterien und Randbedingungen der Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsberechnungsverfahren nach VDI 2067, Blatt 1, und VDI 6025 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

533 533 534 537

1.11.2 1.11.2-1 1.11.2-2 1.11.2-2.1 1.11.2-2.2 1.11.2-2.3 1.11.2-2.4 1.11.2-2.5 1.11.2-2.6 1.11.2-2.7 1.11.2-2.8 1.11.2-2.9 1.11.2-3 1.11.2-3.1 1.11.2-3.2 1.11.2-3.2.1 1.11.2-3.2.2 1.11.2-3.2.3 1.11.2-3.2.4 1.11.2-3.2.5 1.11.2-3.2.6 1.11.2-3.3 1.11.2-4 1.11.2-4.1 1.11.2-4.2 1.11.2-4.2.1 1.11.2-4.2.2 1.11.2-4.3 1.11.2-4.4 1.11.2-4.5 1.11.2-4.6 1.11.2-4.7 1.11.2-4.8 1.11.2-5 1.11.2-6 1.11.2-6.1 1.11.2-6.2 1.11.2-6.3 1.11.2-7 1.11.2-7.1 1.11.2-7.2 1.11.2-7.3

Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauherr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Architekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projektsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachplaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalplaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalfachplaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachunternehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalunternehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalübernehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung und Ausschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbild nach § 73 HOAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Genehmigungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbereitung der Vergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausschreibungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabe, Ausführung und Abnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbild nach § 73 HOAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitwirkung bei der Vergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objektüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabeunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen und Werten der Angebote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertragsinhalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objektüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mängelansprüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumlufttechnik und Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahrensbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

537 537 537 537 538 538 538 538 538 538 538 538 539 539 539 539 539 540 540 540 540 543 543 543 543 543 543 543 544 544 544 545 545 547 548 548 549 551 555 555 555 559

1.11.3 1.11.3-1 1.11.3-2 1.11.3-3 1.11.3-4

Technisches Gebäudemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relevante Vorschriften, Normen und Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . Definitionen im technischen Gebäudemanagement . . . . . . . . . . . . . . Ausschreibung, Vergabe, Steuerung und Überwachung von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement . . . . . . . . . . Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik . . . . . . . . . . .

559 559 560 561

1.11.3-5

565 566

Inhaltsverzeichnis

1.11.3-6

XV

1.11.3-7 1.11.3-7.1 1.11.3-7.1.1 1.11.3-7.1.2 1.11.3-7.2 1.11.3-7.3 1.11.3-7.4 1.11.3-8 1.11.3-9 1.11.3-10 1.11.3-10.2.1 1.11.3-10.2.2 1.11.3-10.2.3 1.11.3-10.3.1 1.11.3-10.3.2 1.11.3-10.3.3

Inspektion, Prüfung und Wartung an Anlagen der Heizung und Klimatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfpflicht an Anlagen der Heizungs, Kälte- und Klimatechnik . . . . Pflichten für Bauherren bzw. Anlagenbetreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sachverständige (anerkannt nach Baurecht des Bundeslandes) . . . . . Sachkundige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instandsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informationsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapitalkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapitalkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

567 569 569 569 569 569 571 571 572 572 575 576 576 581 582 582 584

1.11.4 1.11.4-1 1.11.4-2 1.11.4-3 1.11.4-4 1.11.4-5 1.11.4-6 1.11.4-7 1.11.4-8 1.11.4-9 1.11.4-10 1.11.4-11

Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation als planerisches Hilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemtheoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellierung physikalischer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analogien zur Modellerstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Merkmale von Simulationsprogrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belastbarkeit und Validation von Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation im Planungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation zur Betriebsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgehensweise zur Betriebsoptimierung mit Simulation . . . . . . . . . Betriebsoptimierung mit Wettervorhersage-Steuerung (WVS) . . . . . Hemmnisse zum Einsatz von Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

584 584 585 586 586 587 588 590 591 591 592 594

1.11.5

Raumlufthygiene und Hygiene-Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte nach VDI 6022 . . . . . . . . . .

595

1.12

Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599

1.12.1 1.12.1-1 1.12.1-2 1.12.1-3 1.12.1-4 1.12.1-4.1 1.12.1-4.2 1.12.1-4.3 1.12.1-4.4 1.12.1-4.4.1 1.12.1-4.4.2 1.12.1-4.4.3 1.12.1-5

Winterlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passive Solarenergiegewinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtenergiedurchlassgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Getrennte Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äquivalente U-Werte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme zur passiven Solarenergiegewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transluzente Wärmedämmung TWD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wintergarten/Verglaste Anbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temporärer Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599 599 599 605 607 607 608 608 609 609 610 610 611

1.12.2 1.12.2-1 1.12.2-2 1.12.2-3

Sommerlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beurteilungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflussparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planungsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

612 612 613 613

1.12.3

Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen . . . . .

615

XVI

Inhaltsverzeichnis

1.13

Energieeinsparverordnung EnEV 2014 . . . . . . . . . . . . . . . .

618

1.13.1 1.13.1-1 1.13.1-1.1 1.13.1-1.2 1.13.1-1.2.1 1.13.1-1.2.2 1.13.1-1.2.3 1.13.1-1.2.4 1.13.1-1.3 1.13.1-1.4 1.13.1-1.4.1 1.13.1-1.4.2 1.13.1-1.4.3 1.13.1-1.5 1.13.1-1.6 1.13.1-2 1.13.1-2.1

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die EnEV für Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwärmebedarf (auch: Nutzenergiebedarf für Heizen) . . . . . . . . . Heizenergiebedarf (auch: Endenergiebedarf für das Heizsystem) . . Endenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primärenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haupt-Anforderungsgröße Primärenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht über Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neu zu errichtende Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohngebäude- und Anlagenbestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gegenüberstellung der Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen für Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahres-Primärenergiebedarf und spezifischer Transmissionswärmeverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sommerlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudebestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungstechnische Anlagen, Warmwasseranlagen und Wärmeverteilung, Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumluftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieausweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umsetzung der EnEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs für Wohngebäude gemäß DIN V 4108-6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monatsbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebrücken und Luftdichtheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausnutzungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachtabschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßbezüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs für Wohngebäude gemäß DIN V 4701-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnische Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variationen baulicher und anlagentechnischer Ausführungen . . . . . Bauliche Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planungs- und Ausführungsempfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbeziehung baulicher und anlagentechnischer Randbedingungen im früheren Planungsstadium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftdichtheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweisverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflussgrößen auf den Primärenergiebedarf von Wohngebäuden . Bauliche Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnische Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzungsbedingte Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die EnEV für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

618 620 620 620 620 621 621 621 621 622 622 622 622 622 623 625

1.13.1-2.2 1.13.1-2.3 1.13.1-2.4 1.13.1-2.5 1.13.1-2.6 1.13.1-2.7 1.13.1-3 1.13.1-3.1 1.13.1-3.2 1.13.1-3.2.1 1.13.1-3.2.2 1.13.1-3.3 1.13.1-3.3.1 1.13.1-3.3.2 1.13.1-3.4 1.13.1-4 1.13.1-4.1 1.13.1-5 1.13.1-5.1 1.13.1-5.2 1.13.1-5.3 1.13.1-6 1.13.1-6.1 1.13.1-6.2 1.13.1-6.3 1.13.1-6.4 1.13.1-6.5 1.13.1-7 1.13.1-7.1 1.13.1-7.2 1.13.1-7.3 1.13.1-8

625 626 626 628 628 629 629 630 630 630 631 632 633 633 634 634 635 637 639 639 640 641 644 644 644 645 645 645 646 646 647 648 648

Inhaltsverzeichnis

XVII

1.13.1-8.1 1.13.1-8.2 1.13.1-8.3 1.13.1-8.4

Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vereinfachtes Nachweisverfahren für Nichtwohngebäude . . . . . . . . .

648 649 650 651

1.14

Elektrische Energietechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

653

1.14.1 1.14.1-1 1.14.1-2 1.14.1-3

Einführung in die Drehstromtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des Niederspannungsnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

654 655 656 657

1.14.2 1.14.2-1 1.14.2-2 1.14.2-2.1

660 660 662

1.14.2-3 1.14.2-3.1 1.14.2-4

Elektrosicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkung von Körperströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Personenschutz gegen gefährliche Körperströme . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen (Basisschutz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen (Schutz bei indirektem Berühren oder Fehlerschutz) . . . . . . . . . . . . . . TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zulässige Schutzeinrichtungen für den Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sachwertschutz gegen Überströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz gegen Überströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.14.3 1.14.3-1 1.14.3-2 1.14.3-3 1.14.3-4 1.14.3-5

Anschluss von Erzeugeranlagen an das Niederspannungsnetz . . . . . . Funktionsweise von Wechselrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkleistungsabgabe bei Überfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Netzstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Netzstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entkupplungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

672 672 673 674 676 677

2

HEIZUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

679

2.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

679

2.1.1

Anforderungen an Heizsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

679

2.1.2 2.1.2-1 2.1.2-2 2.1.2-3 2.1.2-3.1 2.1.2-3.1.1 2.1.2-3.1.2 2.1.2-3.1.3 2.1.2-3.1.4 2.1.2-3.1.5 2.1.2-3.2 2.1.2-3.2.1 2.1.2-3.2.2 2.1.2-3.2.3 2.1.2-3.2.4 2.1.2-3.2.5 2.1.2-3.2.6 2.1.2-3.2.7

Systematisierung von Heizungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dezentrale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmenetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorteile der Fernwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebezugskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl der Parameter der Versorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen – Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkraftwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfturbinen-Heizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromkennzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasturbinen-Heizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . KWK und Blockheizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geothermalkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

680 680 683 683 683 683 684 685 686 686 686 686 688 688 691 693 694 706

1.14.2-2.2 1.14.2-2.2.1 1.14.2-2.2.2 1.14.2-2.2.3 1.14.2-2.2.4

662 662 663 666 667 667 667 667 669

XVIII

Inhaltsverzeichnis

2.1.2-3.2.8 2.1.2-3.2.9 2.1.2-3.3 2.1.2-3.3.1 2.1.2-3.3.2 2.1.2-3.3.3 2.1.2-3.3.4 2.1.2-3.4 2.1.2-3.4.1 2.1.2-3.4.2 2.1.2-3.4.3 2.1.2-3.4.4 2.1.2-3.4.5 2.1.2-4 2.1.2-4.1 2.1.2-4.2 2.1.2-4.2.1 2.1.2-4.2.2

Belastungslinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepreise allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernwärmenetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Fernwärmeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißwasser-Fernwärme mit tυ ≤ 110 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißwasser-Fernwärme mit tυ > 110 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernwärmeleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übergabe und Kundenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkter Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekter Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwassererwärmungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Kundenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobile Heizzentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatzgebiete und Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizzentralen nach Betriebsstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektroheizzentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öl- und Gasheizzentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

706 707 709 709 710 715 719 728 728 728 728 731 731 731 732 732 732 733

2.1.3

Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik . . . .

735

2.2

Zentrale Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

741

2.2.1 2.2.1-1 2.2.1-1.1 2.2.1-1.1.1 2.2.1-1.1.2 2.2.1-1.1.3 2.2.1-1.1.4 2.2.1-1.2 2.2.1-1.2.1 2.2.1-1.2.2 2.2.1-1.2.3 2.2.1-1.2.4 2.2.1-1.3 2.2.1-1.3.1 2.2.1-1.3.2 2.2.1-1.3.3 2.2.1-1.3.4 2.2.1-1.4

Systembeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasserheizungen (WWH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwerkraft-Warmwasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen-Warmwasserheizungen (PWWH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pufferspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitstechnische Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offene Niederdruckdampfheizungen (NDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossene Niederdruckdampfheizungen (Vaporheizungen) . . . . Hochdruckdampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vakuumdampfheizungen (VDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizungen (Luftheizungsanlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwerkraft-Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilator-Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Großraum-Luftheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnraum-Luftheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißluft-Strahlungsheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

741 741 741 741 742 759 762 768 768 773 773 776 777 778 778 779 779 784

2.2.2 2.2.2-1 2.2.2-1.1 2.2.2-1.2 2.2.2-1.3 2.2.2-1.4 2.2.2-1.5 2.2.2-1.6 2.2.2-2 2.2.2-2.1 2.2.2-2.2 2.2.2-2.3 2.2.2-2.3.1 2.2.2-2.3.2 2.2.2-2.3.3 2.2.2-2.3.4 2.2.2-2.4

Wärmeübergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvektion und Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl und Auslegungsgrundsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauformen und Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsminderung bei Heizkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung der Heizkörpernormleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anschlussarten von Heizkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flach- oder Plattenheizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Guss- und Stahlradiatoren (Gliederheizkörper) . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlrohrradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fensterbankradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Handtuchradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochdruckradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohr- und Rippenrohrheizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

785 785 785 786 786 787 787 787 788 788 792 794 794 796 798 799 800

Inhaltsverzeichnis

XIX

2.2.2-2.5 2.2.2-2.6 2.2.2-2.6.1 2.2.2-2.6.2 2.2.2-3 2.2.2-3.1 2.2.2-3.1.1 2.2.2-3.1.2 2.2.2-3.1.3 2.2.2-3.1.4 2.2.2-3.1.5 2.2.2-3.2 2.2.2-3.3

Konvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere freie Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sockelheizkörper (Heizleisten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassadenheizung (Fensterrahmenheizelement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteilintegrierte Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrdeckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lamellendeckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenstrahlplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hohlraumdeckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkt beheizte Hell- und Dunkelstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußbodenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

801 805 805 806 806 806 807 807 808 809 810 810 814

2.2.3 2.2.3-1 2.2.3-2 2.2.3-3 2.2.3-3.1 2.2.3-3.1.1 2.2.3-3.1.2 2.2.3-3.2 2.2.3-3.3 2.2.3-3.3.1 2.2.3-3.4 2.2.3-3.5 2.2.3-3.5.1 2.2.3-3.5.1.1 2.2.3-3.5.1.2 2.2.3-3.5.2 2.2.3-3.5.3 2.2.3-3.5.3.1 2.2.3-3.5.3.2 2.2.3-3.5.3.3 2.2.3-3.5.4 2.2.3-3.5.4.1 2.2.3-3.5.4.2 2.2.3-3.5.4.3 2.2.3-3.5.5 2.2.3-3.5.6

Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abmessungen, Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverbindungen für Stahlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kupferrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dehnungsausgleicher/Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrschenkel und Rohrbögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrschenkel-Länge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festpunktkräfte an Rohrschenkel/Rohrbogen-Dehnungsausgleichern Stopfbuchsen-Ausgleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Axialkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Lateralkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Angularkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Universalkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Lateralkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Angularkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungs- und Geräuschdämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungs-Festpunkte an Kompensatoren und Schwingungs-/Geräuschdämpfern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festpunktkräfte an Axialkompensatoren und Schwingungs-/Geräuschdämpfern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverluste von Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proportionalitätsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsanpassung, Steuerung und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effizienz-Anforderungen gemäß europäischer Ökodesign-Richtlinie Einbau der Pumpen in den Vor- oder Rücklauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserstrahlpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kugelhähne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrklappen, dichtschließend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

815 815 816 817 817 817 830 841 844 844 847 848 848 848 849 850 851 851 851 852 852 853 853 853 853

2.2.3-3.5.6.1 2.2.3-3.6 2.2.3-4 2.2.3-4.1 2.2.3-4.2 2.2.3-4.3 2.2.3-4.4 2.2.3-4.5 2.2.3-4.6 2.2.3-4.7 2.2.3-4.8 2.2.3-4.9 2.2.3-5 2.2.3-5.1 2.2.3-5.2

854 856 856 860 860 861 861 863 863 865 869 870 871 872 872 873

XX

Inhaltsverzeichnis

2.2.3-5.3 2.2.3-5.3.1 2.2.3-5.3.2 2.2.3-5.3.3 2.2.3-5.3.4 2.2.3-5.3.5 2.2.3-5.3.6 2.2.3-5.4 2.2.3-5.5 2.2.3-5.6 2.2.3-5.6.1 2.2.3-5.6.2 2.2.3-5.6.3 2.2.3-5.7 2.2.3-5.8 2.2.3-5.9 2.2.3-5.10 2.2.3-5.11 2.2.3-6 2.2.3-6.1 2.2.3-6.2 2.2.3-7 2.2.3-7.1 2.2.3-7.2 2.2.3-7.3 2.2.3-7.3.1 2.2.3-7.4 2.2.3-8 2.2.3-8.1 2.2.3-8.1.1 2.2.3-8.1.2 2.2.3-8.1.3 2.2.3-8.1.4 2.2.3-8.2 2.2.3-8.3 2.2.3-8.4 2.2.3-8.5 2.2.3-8.6

Absperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flanschenventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muffenventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muffengeradsitzventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper-Regulier- und Absperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einrohrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper-Verschraubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrschieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagklappen und -ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der Rückflussverhinderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Absperrorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchgangsventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiwegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit Heizungsmischern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungsgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gegenstromapparate Wasser/Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Garantiekurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstiges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten für Dampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmerkondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsenableiter (Starre Ableiter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatableiterüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Be- und Entlüfter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatrückspeisegeräte und Wasserstandsregler . . . . . . . . . . . . . Kondensat-Sammelbehälter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

874 874 875 875 875 876 876 877 877 877 877 878 879 880 880 881 883 884 887 887 896 899 899 899 902 902 903 904 904 904 905 906 907 907 908 911 912 914

2.2.4 2.2.4-1 2.2.4-2 2.2.4-3

Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standardspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombispeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicher mit Schichtbeladungszone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

915 917 918 918

2.2.5 2.2.5-1 2.2.5-2 2.2.5-2.1 2.2.5-2.2 2.2.5-2.2.1 2.2.5-2.2.2 2.2.5-2.2.3 2.2.5-2.2.4 2.2.5-2.2.5 2.2.5-2.2.6 2.2.5-2.3 2.2.5-2.3.1 2.2.5-2.3.2

Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel für gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Gas-Spezial-Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regeltechnische Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlagen für Gasheizkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öl-/Gas-Heizkessel für Gebläsebrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel-Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

920 920 920 920 923 923 923 923 931 933 934 935 935 935

Inhaltsverzeichnis

2.2.5-2.3.2.1 2.2.5-2.3.3 2.2.5-2.3.4 2.2.5-2.3.5 2.2.5-2.3.6 2.2.5-2.3.6.1 2.2.5-2.3.6.2 2.2.5-2.3.6.3 2.2.5-2.4 2.2.5-2.4.1 2.2.5-2.4.2 2.2.5-2.4.3 2.2.5-2.4.3.1 2.2.5-2.4.3.2 2.2.5-2.4.3.3 2.2.5-2.4.4 2.2.5-2.4.5 2.2.5-2.4.6 2.2.5-2.5 2.2.5-2.5.1 2.2.5-2.5.2 2.2.5-2.5.3 2.2.5-2.5.3.1 2.2.5-2.5.4 2.2.5-2.5.5 2.2.5-2.5.6 2.2.5-2.5.6.1 2.2.5-2.5.6.2 2.2.5-2.5.6.3 2.2.5-2.5.6.4 2.2.5-2.5.7 2.2.5-2.5.8 2.2.5-2.5.9 2.2.5-2.5.10 2.2.5-2.5.11 2.2.5-2.6 2.2.5-2.6.1 2.2.5-2.7 2.2.5-2.7.1 2.2.5-2.7.2 2.2.5-2.7.3 2.2.5-2.7.4 2.2.5-2.7.5 2.2.5-2.7.6 2.2.5-3 2.2.5-3.1 2.2.5-3.2 2.2.5-3.2.1 2.2.5-3.2.1.1 2.2.5-3.2.2 2.2.5-3.2.3 2.2.5-3.3 2.2.5-3.3.1 2.2.5-3.3.2 2.2.5-3.3.3 2.2.5-3.3.4

Zweikreiswarmwasserkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgradanforderungen an Öl- und Gaskessel nach der Heizkessel-Wirkungsgradrichtlinie (92/42/EWG) der EG 1992 . . . . Emissionsgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Kessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserrohrkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnelldampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoölkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brenner ohne Gebläse (atmosphärische Brenner) . . . . . . . . . . . . . . . . Gasgebläsebrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusionsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vormischbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katalytische Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Regelungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öldruckzerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Verbundregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckluftzerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotationszerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölvorwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Zündeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flammenwächter und Flammenfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel für feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverluste und Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlust durch unverbrannte Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlust durch brennbare Rückstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verluste durch Strahlung und Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrowärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizen mit Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlen mit Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsfall Schwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffbetriebene Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorptions-Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adsorptionswärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasmotorische Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXI

942 953 955 957 957 957 958 959 960 960 964 969 969 971 972 975 977 980 980 980 983 984 989 995 997 997 997 1000 1000 1001 1003 1003 1006 1007 1008 1010 1015 1016 1016 1021 1021 1021 1022 1022 1025 1025 1025 1025 1025 1031 1032 1033 1033 1036 1039 1042

XXII

Inhaltsverzeichnis

2.2.5-4 2.2.5-4.1 2.2.5-4.1.1 2.2.5-4.1.2 2.2.5-4.1.3 2.2.5-4.1.4 2.2.5-4.2 2.2.5-4.2.1 2.2.5-4.2.2 2.2.5-4.2.3 2.2.5-4.2.4 2.2.5-4.2.5 2.2.5-4.2.6 2.2.5-4.3 2.2.5-4.4 2.2.5-4.4.1 2.2.5-4.4.2 2.2.5-4.4.3 2.2.5-4.4.4 2.2.5-4.4.5 2.2.5-5 2.2.5-5.1 2.2.5-5.2 2.2.5-5.2.1 2.2.5-5.2.2 2.2.5-5.2.3 2.2.5-5.2.4 2.2.5-5.2.5 2.2.5-5.3

Wärmekraftmaschinen (KWK)/Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungskraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpuffungsmaschinen (oder Ottomotoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichdruck-Verbrennungsmaschinen (Dieselmotoren) . . . . . . . . . . Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetische Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stirlingmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Virtuelle Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung/Begrifflichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integration eines Virtuellen Kraftwerkes ins Marktumfeld . . . . . . . . Kommunikationsstrukturen/Aufbau eins Virtuellen Kraftwerks . . Hemmnisse und Chancen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarthermische Anlagen für Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieertrag Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solare Großanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmbadheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1047 1047 1048 1049 1050 1050 1052 1052 1053 1054 1054 1056 1056 1057 1058 1058 1059 1059 1059 1061

2.3

Dezentrale Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083

2.3.1 2.3.1-1 2.3.1-2 2.3.1-3 2.3.1-4 2.3.1-5 2.3.1-6 2.3.1-7

Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumheizer nach DIN EN 13240 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kamineinsätze nach DIN EN 13229 und offene Kamine . . . . . . . . . . Herde nach DIN EN 12815 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherfeuerstätten DIN EN 15250 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumheizer zur Verfeuerung von Holzpellets nach DIN EN 14785 Wasserführende Einzelraumfeuerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1083 1083 1084 1087 1087 1088 1089 1090

2.3.2 2.3.2-1 2.3.2-2 2.3.2-3 2.3.2-4 2.3.2-5 2.3.2-6 2.3.2-6.1 2.3.2-6.1.1

Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zündeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung Einzelraumheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1091 1091 1091 1096 1097 1098 1099 1101 1103

2.3.3 2.3.3-1 2.3.3-2 2.3.3-3

Elektrische Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Direktheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Speicherheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1103 1103 1105 1106

2.3.4 2.3.4-1

Sonstige Raumheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbeheizte Öfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1109 1109

1062 1062 1063 1065 1068 1070 1073 1081 1082

Inhaltsverzeichnis

2.3.4-2

XXIII

Heißluft-Strahlungsheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112

2.4

Systemübergreifende Gebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113

2.4.1 2.4.1-1

1113

2.4.1-1.4 2.4.1-1.5 2.4.1-1.6 2.4.1-1.7 2.4.1-1.8 2.4.1-1.9 2.4.1-2 2.4.1-2.1 2.4.1-2.2 2.4.1-2.3 2.4.1-2.4 2.4.1-3

Abgasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdruck-Abgasanlagen (Schornsteine und Unterdruck-Abgasleitungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung von Abgasanlagen-Abmessungen nach DIN EN 13384 Anpassungsmaßnahmen für bestehende Abgasanlagen bei Anschluss eines neuen Heizkessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme für die Abgasanlagen-Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schornstein- und Unterdruck-Abgasleitungs-Bauarten . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlagenbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immissionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überdruck-Abgasanlagen (Überdruck-Abgasleitungen) . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Feuerungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbindungsstücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2 2.4.2-1 2.4.2-1.1 2.4.2-1.1.1 2.4.2-1.1.2 2.4.2-1.1.2.1 2.4.2-1.1.2.2 2.4.2-1.1.2.3 2.4.2-1.1.3 2.4.2-1.1.3.1 2.4.2-1.1.3.2 2.4.2-1.1.3.3 2.4.2-1.1.3.4 2.4.2-1.1.3.5 2.4.2-1.1.3.6 2.4.2-1.1.3.7 2.4.2-1.1.3.8 2.4.2-1.2 2.4.2-1.2.1 2.4.2-1.2.2 2.4.2-1.2.2.1 2.4.2-1.2.2.2 2.4.2-1.2.3 2.4.2-1.2.4 2.4.2-1.2.5 2.4.2-1.2.6 2.4.2-1.2.6.1 2.4.2-1.2.6.2 2.4.2-1.2.6.3 2.4.2-1.2.6.4 2.4.2-1.2.6.5 2.4.2-1.2.6.6 2.4.2-1.2.7 2.4.2-1.2.8

Brennstofflagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öllageranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öltank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstellung der Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau unterirdischer Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstellung oberirdischer Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausrüstung der Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fülleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entnahmeeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Füllstandsanzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überfüllsicherung/Grenzwertgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leckanzeigegerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leckageerkennungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung . . . . . . . . . . . . . . Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstrangsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweistrangsystem (nur im Bestand) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberirdische Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterirdische Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteile der Ölleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperreinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung . . . . . . . . . . . . . . Heizölfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizölentlüfter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage und Verlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckprüfung der Ölleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1137 1137 1137 1137 1140 1140 1143 1144 1148 1148 1149 1150 1150 1150 1151 1151 1152 1152 1152 1152 1152 1152 1152 1153 1153 1154 1154 1155 1155 1156 1156 1158 1158 1158

2.4.1-1.1 2.4.1-1.2 2.4.1-1.3

1114 1114 1116 1119 1120 1123 1125 1127 1128 1129 1131 1131 1132 1133 1134 1135

XXIV

Inhaltsverzeichnis

2.4.2-1.3 2.4.2-1.3.1 2.4.2-1.3.2 2.4.2-2 2.4.2-2.1 2.4.2-2.1.1 2.4.2-2.1.2 2.4.2-2.2 2.4.2-2.2.1 2.4.2-2.2.2 2.4.2-2.2.3 2.4.2-3

Betrieb und Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflichten des Betreibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zur Befüllung von Heizöltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerung von Flüssiggas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssiggase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewählte Stoffdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerung und Bereitstellung von Flüssiggas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerkapazität, Schutzziele, Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssiggaslagerbehälteranlagen < 3 t Nennfüllgewicht . . . . . . . . . . . . Flüssiggaslagerbehälteranlagen 3 t Nennfüllgewicht . . . . . . . . . . . . Lagerung von Holzpellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1159 1159 1159 1160 1160 1160 1162 1166 1166 1170 1172 1177

2.4.3 2.4.3-1 2.4.3-2 2.4.3-3 2.4.3-4 2.4.3-5 2.4.3-6

Anlagen zum Korrosions- und Steinschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur physikalischen Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur chemischen Sauerstoffbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur elektrochemischen Sauerstoffbindung . . . . . . . . . . . . . . Ionenaustauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1185 1185 1185 1187 1188 1188 1191

2.4.4

Schallschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1191

2.5

Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . 1194

2.5.1 2.5.1-1 2.5.1-1.1 2.5.1-1.2 2.5.1-1.2.1 2.5.1-1.2.2 2.5.1-2 2.5.1-2.1 2.5.1-2.2 2.5.1-2.2.1 2.5.1-2.2.2

Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermostatische Heizkörperventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mit Zeitschaltuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mit Netzwerkanbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Einzelraumregelungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Autarke elektronische Einzelraumregelungssysteme . . . . . . . . . . . . . Vernetzte elektronische Einzelraumregelungssysteme . . . . . . . . . . . . Kabelgebundene Einzelraumtemperaturregelungen . . . . . . . . . . . . . . Funkbasierte Einzelraumtemperaturregelungen . . . . . . . . . . . . . . . . .

1197 1197 1197 1201 1201 1202 1203 1203 1204 1204 1206

2.5.2 2.5.2-1 2.5.2-1.1 2.5.2-1.2 2.5.2-2 2.5.2-2.1 2.5.2-2.2 2.5.2-2.3 2.5.2-2.4 2.5.2-2.5 2.5.2-3 2.5.2-3.1 2.5.2-3.2 2.5.2-3.2.1 2.5.2-3.2.2 2.5.2-3.2.3 2.5.2-3.2.4 2.5.2-3.2.5 2.5.2-3.2.6 2.5.2-3.3 2.5.2-3.3.1 2.5.2-3.3.2

Regler für Kessel und Wandgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselwassertemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit unstetigem Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulierende Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach der Raumtemperatur – Testraumregelung . . . . . . . . Unstetige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelkreisverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelraumtemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungsweise Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach der Außentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzip der außentemperaturgeführten Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen ohne Raumtemperatursensor . . . . . . . . . . . . . . . . . Sparfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Partyfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostgefahr bzw. Frostschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ferienfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkreispumpenlogik-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eco-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen mit Raumtemperatursensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adaption der Heizkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumtemperaturaufschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1208 1208 1208 1209 1210 1210 1211 1211 1211 1212 1213 1213 1216 1216 1216 1217 1217 1217 1217 1217 1217 1217

Inhaltsverzeichnis

2.5.2-3.3.3 2.5.2-3.3.4 2.5.2-3.3.5 2.5.2-3.3.6 2.5.2-3.3.7 2.5.2-4 2.5.2-4.1 2.5.2-4.2 2.5.2-4.2.1 2.5.2-4.2.2 2.5.2-5 2.5.2-6 2.5.2-6.1

XXV

Einschaltoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausschaltoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnellaufheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnellabsenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkreispumpenlogik-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach dem Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarfsgeführte Regelung ohne Außentemperatursensor . . . Wärmebedarfsgeführte Regelung mit Außentemperatursensor . . . . . Auswertung der Heizungsrücklauftemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung des Heizkörperwärmebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselfolgeschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kommunikationsfähige Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernbedienen, Fernabfragen und Fernüberwachen von Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktanbindung der Heizungsregelung an verschiedene Bus-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1217 1217 1217 1218 1218 1218 1218 1219 1219 1220 1221 1224

2.5.3 2.5.3-1 2.5.3-1.1 2.5.3-1.1.1 2.5.3-1.1.2 2.5.3-1.1.3 2.5.3-1.1.4 2.5.3-1.1.5 2.5.3-1.1.6 2.5.3-1.2 2.5.3-1.3 2.5.3-2 2.5.3-2.1 2.5.3-2.1.1 2.5.3-2.1.2 2.5.3-2.1.3 2.5.3-2.2 2.5.3-2.2.1 2.5.3-2.2.2 2.5.3-2.2.3 2.5.3-3 2.5.3-3.1 2.5.3-3.2 2.5.3-3.3 2.5.3-3.4 2.5.3-3.5 2.5.3-3.6 2.5.3-3.7 2.5.3-3.8 2.5.3-3.9 2.5.3-3.10 2.5.3-3.11 2.5.3-4 2.5.3-4.1 2.5.3-4.1.1 2.5.3-4.1.2 2.5.3-4.1.3 2.5.3-4.1.4 2.5.3-4.2

Regler für Solaranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenztemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspeichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrspeichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwei-Kollektoranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mit Bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mit Heizungsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mit externem Wärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zieltemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ereignisregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hardwaremäßig realisierte Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitstemperaturbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz vor Verbrühungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blitzschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Softwaremäßig realisierte Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektornotabschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektorkühlfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektorfrostschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Sommer-/Winterzeitumschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsstundenzähler für die einzelnen Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektor-Enteisungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektor-Minimaltemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdrückung der Nachheizung durch den Heizkessel . . . . . . . . . . . Pumpenkick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Röhrenkollektorfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherkühlfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speichermaximaltemperaturbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Urlaubsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmemengenbilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktions- und Ertragskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensorüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenztemperaturüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ertragskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1227 1228 1228 1228 1229 1230 1230 1230 1231 1231 1231 1232 1232 1232 1232 1233 1233 1233 1233 1233 1233 1233 1233 1233 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1235 1235 1235 1235 1235 1235 1235 1235

2.5.4

Regler für Brennstoffzellenheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236

2.5.2-6.2

1224 1226

XXVI

Inhaltsverzeichnis

2.5.5

Regler für Stirling-Heizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1237

2.5.6 2.5.6-1 2.5.6-2 2.5.6-3

Ventile im Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zonenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhebung der Kesselrücklauftemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1239 1239 1241 1242

2.5.7 2.5.7-1 2.5.7-2

Regler bei Umformern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie (Ausdehnungsregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1243 1243 1244

2.5.8

Rücklauftemperaturregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1245

2.5.9

Strangregulierventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1246

2.6

Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen . 1247

2.6.1 2.6.1-1 2.6.1-2 2.6.1-3 2.6.1-4 2.6.1-5 2.6.1-6 2.6.1-7 2.6.1-8 2.6.1-9

Berechnung der Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzer Rückblick auf bisherige Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick EN 12831 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliche Festlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verknüpfung zwischen EN 12831 und nationalem Beiblatt . . . . . . . Schema des Rechengangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formelsammlung zum ausführlichen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Formblätter zum ausführlichen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kritische Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast für Räume und Gebäude im Bestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6.2

Auslegung der Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1267

2.6.3 2.6.3-1 2.6.3-1.1 2.6.3-1.2 2.6.3-1.3 2.6.3-2 2.6.3-2.1 2.6.3-2.2 2.6.3-2.3 2.6.3-2.3.1 2.6.3-2.3.2 2.6.3-2.3.3 2.6.3-2.3.4 2.6.3-3

Auslegung und Berechnung der Rohrnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwasserleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf- und Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckabfall in Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nennweitenbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Entspannungsdampfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatleitungsnennweiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1269 1269 1270 1274 1278 1284 1284 1286 1288 1288 1290 1290 1290 1293

2.6.4 2.6.4-1 2.6.4-1.1 2.6.4-1.2 2.6.4-1.3 2.6.4-1.4 2.6.4-1.5 2.6.4-1.6 2.6.4-1.7 2.6.4-2 2.6.4-2.1 2.6.4-2.2 2.6.4-2.3 2.6.4-3 2.6.4-3.1 2.6.4-3.2

Auslegung der Raumheizeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörperheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörpergleichungen, Heizkörperexponent, Heizkörperdiagramm Einflüsse auf die Leistungsabgabe von Raumheizkörpern . . . . . . . . . Korrekturen der Leistungsabgabe von Raumheizkörpern . . . . . . . . . Anordnung von Heizflächen und Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung von Raumheizkörpern in Neuanlagen . . . . . . . . . Raumheizkörper in bestehenden Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenstrahlungsheizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenstrahlplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlrohr- und Kupferrohr-Deckenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Al-Lamellen-Deckenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußboden- und Wandheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines zur Fußbodenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der Fußbodenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1294 1294 1295 1295 1298 1299 1302 1302 1304 1306 1306 1307 1310 1310 1310 1311

1247 1247 1247 1248 1249 1251 1252 1257 1259 1260

Inhaltsverzeichnis

2.6.4-3.3 2.6.4-3.4

XXVII

Druckverlust in den Rohrregistern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314 Wandheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315 Ö Band 1|2

2.7

Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

........

1349

2.7.1 2.7.1-1 2.7.1-1.1 2.7.1-1.2 2.7.1-1.2.1 2.7.1-1.2.2 2.7.1-1.2.3 2.7.1-1.3 2.7.1-2 2.7.1-2.1 2.7.1-2.2 2.7.1-2.3 2.7.1-2.4 2.7.1-2.5 2.7.1-2.6

Technische und bauliche Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wahl der Heizungsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockwerksheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bautechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstell- und Heizräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstofflagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilerraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1349 1349 1350 1350 1350 1350 1351 1351 1352 1352 1355 1356 1357 1357 1359

2.7.2 2.7.2-1 2.7.2-1.1 2.7.2-1.2 2.7.2-1.3 2.7.2-1.4 2.7.2-2 2.7.2-2.1 2.7.2-2.2 2.7.2-2.3 2.7.2-2.4 2.7.2-2.5 2.7.2-3

Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfamilienhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Örtliche Heizung (Zimmerheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzimmer-Kachelofenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasser-Zentralheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Heizmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrfamilienhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Örtliche Heizung (Zimmerheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Speicherheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockwerkswarmwasserheizung (Etagenheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasserzentralheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Heizmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niedrigenergiehäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1360 1360 1360 1362 1362 1363 1363 1363 1363 1363 1364 1366 1366

2.7.3 2.7.3-1 2.7.3-2 2.7.3-2.1 2.7.3-3 2.7.3-4 2.7.3-5 2.7.3-6

Büro- und Verwaltungsgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörperberechnung: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel- und Apparateraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwassererzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung der einzelnen Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1367 1367 1367 1371 1372 1373 1373 1374

2.7.4 2.7.4-1 2.7.4-2 2.7.4-3 2.7.4-4

Schulen u.ä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1374 1374 1375 1375 1375

2.7.5 2.7.5-1 2.7.5-2 2.7.5-3 2.7.5-4 2.7.5-4.1 2.7.5-4.2

Krankenhäuser/Kliniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeversorgungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeerzeuger im Krankenhaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besondere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1375 1375 1376 1378 1379 1379 1379

Band 1: S. 1 – 1 Band 2: S. 1 – 2

XXVIII

Inhaltsverzeichnis

2.7.6 2.7.6-1 2.7.6-1.1 2.7.6-1.2 2.7.6-1.3 2.7.6-1.4 2.7.6-1.5 2.7.6-1.6 2.7.6-2 2.7.6-2.1 2.7.6-2.2 2.7.6-2.3

1380 1380 1380 1380 1380 1381 1381 1382 1382 1382 1382

2.7.6-2.4 2.7.6-2.5 2.7.6-3 2.7.6-3.1 2.7.6-3.2 2.7.6-3.3 2.7.6-3.4 2.7.6-3.5 2.7.6-3.6

Gebäude für Sport- oder Versammlungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . Sporthallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangshalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallenschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der verdunsteten Wasserdampfmenge . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des jährlichen Wärmebedarfes für die Entfeuchtung der Schwimmhalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jährlicher Wärmeenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kirchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumklimatische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jährlicher Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7.7 2.7.7-1 2.7.7-2 2.7.7-3 2.7.7-4 2.7.7-5

Freiflächenbeheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizleistung im Beharrungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1395 1395 1395 1396 1397 1397

2.8

Verbrauchsgebundene Kosten der Heizung und Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398

2.8.1 2.8.1-1 2.8.1-2 2.8.1-3 2.8.1-4

Jahresverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrauchserfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Witterungskorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typische Verbrauchskennwerte im Wohnungsbau . . . . . . . . . . . . . .

1398 1398 1399 1402 1402

2.8.2

Heiz- und Brennwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1403

1383 1385 1388 1389 1389 1390 1390 1391 1394 1394

2.8.3

Energiepreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1405

2.8.4

Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1407

2.8.5

Heizkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1407

2.9

Energetische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409

2.9.1 2.9.1-1 2.9.1-2 2.9.1-3 2.9.1-4

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebedarf und Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bilanzablauf und Energieflussdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgrenzung von Nutz- und Endenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relevante Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1409 1409 1412 1413 1416

2.9.2

Energieträgerbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1417

2.9.3

Flächenbezug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1419

2.9.4 2.9.4-1

Verbrauchsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1420 1420

Inhaltsverzeichnis

XXIX

2.9.4-2 2.9.4-3

Gebäudeanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421 Erzeugeranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1423

2.9.5 2.9.5-1 2.9.5-2 2.9.5-3 2.9.5-3.1 2.9.5-3.2 2.9.5-3.3 2.9.5-3.4 2.9.5-3.5 2.9.5-3.6 2.9.5-4 2.9.5-5 2.9.5-5.1 2.9.5-5.2 2.9.5-5.3 2.9.5-5.4 2.9.5-5.5 2.9.5-5.6 2.9.5-6 2.9.5-7

Bedarfsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgehensweise und Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzonengebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizperiode, Innen- und Außentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solare Fremdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Fremdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fremdwärmenutzungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzwärmebedarf für die Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahresenergiebedarf der Heizung und Warmwasserbereitung . . . . . . Wärmeübergabe und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regenerative Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hilfsenergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffmenge, Primärenergie und Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . Typische Bedarfskennwerte im Wohnungsbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

LÜFTUNGS- UND KLIMATECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1453

3.1

Grundlagen der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1453

3.1.1

Aufgaben der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1453

3.1.2

Einteilung der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454

3.1.3 3.1.3-1 3.1.3-2 3.1.3-3 3.1.3-4

Terminologie bei RLT-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sinnbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1457 1457 1458 1459 1460

3.1.4 3.1.4-1 3.1.4-1.1 3.1.4-1.2 3.1.4-1.3 3.1.4-2 3.1.4-3 3.1.4-3.1 3.1.4-3.2 3.1.4-3.3

Raumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gliederung der Luftführungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ähnlichkeitstheorie der Raumluftströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quelllüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instationäre Raumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaffung instationärer Raumluftströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effekte und beachtenswerte Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1465 1465 1465 1466 1469 1473 1478 1478 1478 1478

3.2

Freie Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479

3.2.1 3.2.1-1 3.2.1-2

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479 Thermischer Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479 Winddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1482

1424 1424 1427 1427 1427 1429 1432 1433 1434 1436 1436 1437 1437 1437 1441 1442 1447 1448 1449 1450

3.2.2

Fugenlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1483

3.2.3

Fensterlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1483

3.2.4

Schachtlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486

3.2.5

Dachaufsatz-Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488

XXX

Inhaltsverzeichnis

3.3

Maschinelle Lüftung (RLT-Anlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494

3.3.1 3.3.1-1 3.3.1-1.1

3.3.1-1.3 3.3.1-1.3.1 3.3.1-1.3.2 3.3.1-1.4 3.3.1-1.5 3.3.1-2 3.3.1-2.1 3.3.1-2.2 3.3.1-2.3 3.3.1-2.4 3.3.1-2.4.1 3.3.1-2.4.2 3.3.1-2.4.3 3.3.1-2.4.4 3.3.1-2.4.5 3.3.1-2.5 3.3.1-2.6 3.3.1-3 3.3.1-3.1 3.3.1-3.2

Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nur-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einkanalanlagen mit konstantem Luftvolumenstrom (KVS-Anlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einkanalanlagen mit variablem Luftvolumenstrom (VVS-Anlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zonierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzonen-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzonen-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intermittierende Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweikanalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweirohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreirohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vierrohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klappenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brüstungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckeninduktionsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodeninduktionsgeräte/Unterflurgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Anlagen mit Gebläsekonvektoren (Fan-Coil-Anlagen) . . . . . . . Fassadenlüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Kältemittel-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außeneinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inneneinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1500 1503 1503 1503 1504 1505 1507 1508 1508 1508 1509 1510 1511 1512 1513 1514 1514 1516 1519 1521 1522

3.3.2 3.3.2-1 3.3.2-1.1 3.3.2-1.1.1 3.3.2-1.1.2 3.3.2-1.2 3.3.2-1.2.1 3.3.2-1.2.2 3.3.2-1.3 3.3.2-1.3.1 3.3.2-1.3.2 3.3.2-1.3.3 3.3.2-1.3.4 3.3.2-1.3.5 3.3.2-1.3.6 3.3.2-2 3.3.2-2.1 3.3.2-2.1.1 3.3.2-2.1.2 3.3.2-2.1.3 3.3.2-2.1.4 3.3.2-2.1.5 3.3.2-2.1.6 3.3.2-2.1.7 3.3.2-2.2 3.3.2-2.3 3.3.2-2.3.1 3.3.2-2.3.2 3.3.2-2.3.3

Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebspunkt des Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radialventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Axialventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parallel- und Serienbetrieb von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfahrbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl eines Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau des Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufterhitzer und Luftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufterwärmer für Dampf und Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl der Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung auf Garantiewerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler-Kennbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1524 1524 1524 1524 1525 1527 1527 1529 1531 1531 1533 1534 1535 1536 1537 1538 1538 1538 1539 1541 1541 1542 1543 1546 1548 1550 1550 1550 1552

3.3.1-1.2

1494 1498 1499

Inhaltsverzeichnis

3.3.2-2.3.4 3.3.2-2.4 3.3.2-3 3.3.2-3.1 3.3.2-3.2 3.3.2-3.3 3.3.2-3.4 3.3.2-3.4.1 3.3.2-3.4.2 3.3.2-3.4.3 3.3.2-3.4.4 3.3.2-3.4.5 3.3.2-3.4.6 3.3.2-3.4.7 3.3.2-4 3.3.2-4.1 3.3.2-4.1.1 3.3.2-4.1.1.1 3.3.2-4.1.1.2 3.3.2-4.1.2 3.3.2-4.1.2.1 3.3.2-4.1.2.2 3.3.2-4.1.2.3 3.3.2-4.1.2.4 3.3.2-4.1.2.5 3.3.2-4.1.2.6 3.3.2-4.1.3 3.3.2-4.1.3.1 3.3.2-4.1.3.2 3.3.2-4.1.4 3.3.2-4.1.4.1 3.3.2-4.1.4.2 3.3.2-4.2 3.3.2-4.2.1 3.3.2-4.2.1.1 3.3.2-4.2.1.2 3.3.2-4.2.1.3 3.3.2-4.2.2 3.3.2-5 3.3.2-5.1 3.3.2-5.2 3.3.2-5.3 3.3.2-5.4 3.3.2-5.5 3.3.2-5.5.1 3.3.2-5.5.2 3.3.2-5.5.3 3.3.2-5.5.4 3.3.2-5.5.5 3.3.2-5.5.6 3.3.2-5.5.7 3.3.2-5.5.8 3.3.2-5.5.9 3.3.2-5.5.10 3.3.2-5.6

Kühler mit Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung auf Garantiewerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtertheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filterprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckdifferenzen, Standzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filterbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivkohlefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrofilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrstufige Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige und Spezialfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftbefeuchter und Luftentfeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adiabate Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstungs-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zerstäubungs-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Dampf-Luftbefeuchter mit Elektrodenheizung . . . . . . . . Elektrische Dampf-Luftbefeuchter mit Widerstandsheizung . . . . . . . Gasbeheizte Dampf-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf-Luftbefeuchter für vorhandenen Dampf (Druckdampf-Luftbefeuchter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungsstrecken bei Dampf-Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungsstrecken bei adiabaten Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . Hygieneanforderungen an die Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biofilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser-Aerosole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Luftbefeuchtungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Dampf-Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von adiabaten Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftentfeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftentfeuchtungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennzahlen der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturänderungsgrad φt (Rückwärmzahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchteänderungsgrad Ψ (Rückfeuchtezahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungszahl ε . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrad ηWRG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referenzbetriebszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebereitstellungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leckage der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiekennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bilanzgrenzen der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren für Energiekennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren auf der Basis von Summenhäufigkeiten . . . . . Quasidynamische und dynamische Berechnungsverfahren . . . . . . . . Die wirtschaftliche Bewertung und Optimierung von Wärmerückgewinnungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXXIII

1554 1554 1555 1555 1557 1559 1560 1560 1560 1563 1564 1564 1569 1569 1570 1570 1571 1571 1573 1578 1578 1581 1582 1582 1584 1585 1586 1586 1586 1587 1587 1589 1590 1590 1591 1591 1592 1593 1595 1595 1596 1599 1600 1600 1601 1601 1602 1602 1603 1603 1604 1605 1605 1605 1606

XXXIV

Inhaltsverzeichnis

3.3.2-5.6.1 3.3.2-5.6.2 3.3.2-5.6.3 3.3.2-5.7 3.3.2-5.8 3.3.2-5.8.1 3.3.2-5.9

3.3.2-7.1 3.3.2-7.1.1 3.3.2-7.1.2 3.3.2-7.2 3.3.2-7.3 3.3.2-8 3.3.2-8.1 3.3.2-8.2 3.3.2-8.3 3.3.2-8.4 3.3.2-8.5 3.3.2-9

Aufwand und Ertrag der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Optimum der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Wärmerückgewinnungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . Kriterien zur Wahl eines geeigneten WRG-Systems . . . . . . . . . . . . . . Regenerative Wärmeübertrager mit umlaufender Speichermasse (Rotationswärmeübertrager) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreislaufverbundsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung auf Basis von Kreislaufverbundsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimierung des Umlaufstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusätzliche thermodynamische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein- und Auskopplung von Wärme oder Kälte . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachwärmung und Nachkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtungskälterückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemaschinenabwärme und Wärmepumpeneinbindung . . . . . . . . Freie Kälte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brauchwasservorwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . WRG-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitversetztes Ein- und Auskoppeln von thermischer Energie . . . . . Plattenwärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umschalt-Wärmerückgewinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Verdunstungskühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO2-Bilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetzliche Vorgaben zur Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlblech und Al-Blech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mauerwerk und Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexible Rohre, Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftdichtheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverluste von Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler, Variable Volumenstrom-(VVS-), Einkanal-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selbsttätige Volumenstromregler ohne Fremdenergie . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler mit Fremdenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variable Volumenstrom-Geräte (Einkanalgeräte) . . . . . . . . . . . . . . . Regelungsmöglichkeiten VVS-Anlagen und Raumdruckregelung . . Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodenluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stuhl- und Stufenauslässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1638 1638 1639 1640 1640 1641 1642 1642 1646 1650 1651 1652 1655

3.3.3 3.3.3-1 3.3.3-2 3.3.3-2.1

Raumlufttechnische Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1658 1658 1663 1663

3.3.2-5.10 3.3.2-5.10.1 3.3.2-5.10.2 3.3.2-5.10.3 3.3.2-5.10.4 3.3.2-5.10.5 3.3.2-5.10.6 3.3.2-5.10.7 3.3.2-5.10.8 3.3.2-5.10.9 3.3.2-5.10.10 3.3.2-5.10.11 3.3.2-5.10.12 3.3.2-5.11 3.3.2-5.12 3.3.2-5.13 3.3.2-5.14 3.3.2-5.15 3.3.2-5.16 3.3.2-5.17 3.3.2-6 3.3.2-6.1 3.3.2-6.1.1 3.3.2-6.1.2 3.3.2-6.1.3 3.3.2-6.1.4 3.3.2-6.1.5 3.3.2-6.2 3.3.2-6.3 3.3.2-7

1606 1606 1608 1610 1610 1610 1612 1615 1616 1617 1617 1618 1618 1619 1619 1619 1620 1620 1620 1621 1621 1623 1625 1627 1628 1628 1629 1632 1632 1632 1634 1634 1634 1635 1635 1636

Inhaltsverzeichnis

XXXV

3.3.3-2.1.1 3.3.3-2.1.2 3.3.3-2.1.2.1 3.3.3-2.2 3.3.3-2.3 3.3.3-2.3.1 3.3.3-2.3.2 3.3.3-2.3.3 3.3.3-3 3.3.3-3.1 3.3.3-3.1.1 3.3.3-3.1.2 3.3.3-3.1.3 3.3.3-3.2 3.3.3-3.2.1 3.3.3-3.2.1.1 3.3.3-3.2.1.2 3.3.3-3.2.1.3 3.3.3-3.2.2 3.3.3-3.2.3 3.3.3-3.2.4 3.3.3-3.2.5 3.3.3-4 3.3.3-4.1 3.3.3-4.1.1 3.3.3-4.1.2 3.3.3-4.1.3 3.3.3-4.2 3.3.3-4.3 3.3.3-4.3.1 3.3.3-4.3.2 3.3.3-4.3.2.1 3.3.3-4.3.3 3.3.3-4.4 3.3.3-4.4.1 3.3.3-4.4.2 3.3.3-4.4.3 3.3.3-4.4.4 3.3.3-4.4.5 3.3.3-4.4.6 3.3.3-4.4.7

Geräte in Kastenbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte in Kammerbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte in Schrankbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplettgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für besondere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygienegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Bereiche) . . . . . . . . . . . Wetterfeste Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dezentrale Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Wassersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorkonvektoren (Fan Coils) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassadenlüftungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Direktverdampfungssysteme – Splitgeräte . . . . . . . . . . . . . Leistungsregelung der Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Non Inverter Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Invertersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mindesteffizienz von Raumklimageräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einraumgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrraumgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für komplexe Systeme (VRF-Systeme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Sonderanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sondergeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Verdunstungskühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiepolitische Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzip der indirekten Verdunstungskühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieeinsparung durch die indirekte Verdunstungskühlung . . . . . Sorptionsgestützte Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizgeräte für Wasser und Dampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktbefeuerte Luftheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbefeuerte Warmlufterzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbefeuerte Warmlufterzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschleier (Lufttüren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkung des Luftschleiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischungsverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1663 1666 1667 1670 1670 1670 1671 1674 1677 1677 1677 1678 1680 1682 1684 1684 1684 1685 1685 1686 1686 1687 1687 1687 1687 1688 1688 1691 1694 1694 1699 1699 1701 1704 1705 1705 1705 1707 1707 1708 1708

3.3.4 3.3.4-1 3.3.4-2 3.3.4-3

Hybride Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Symbole: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1710 1710 1713 1714

3.4

Thermisch aktive Raumflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715

3.4.1 3.4.1-1 3.4.1-2

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715 Gestaltungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716 Energieeinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1719

3.4.2

Kühldecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1720

3.4.3

Kühlkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1727

3.4.4

Massivdeckenkühlung (Betonkernaktivierung)

3.4.5

Kombinierte Kühl- und Heizdecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1735

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1729

XXXVI

Inhaltsverzeichnis

3.4.6

Kombinierte Kühl- und Heizwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1737

3.4.7

Kombinierter Kühl- und Heizboden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1737

3.5

Geräuschentstehung und -minderung . . . . . . . . . . . . . . . 1738

3.5.1 3.5.1-1 3.5.1-2

Geräuschentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräusche im Luftleitungsnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1738 1738 1740

3.5.2 3.5.2-1 3.5.2-2

Geräuschfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1743 1743 1743

3.5.3

Schallimmissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1744

3.5.4 3.5.4-1 3.5.4-1.1 3.5.4-1.2 3.5.4-1.3 3.5.4-1.4 3.5.4-1.5 3.5.4-1.6 3.5.4-2 3.5.4-2.1 3.5.4-2.2 3.5.4-2.3 3.5.4-2.4 3.5.4-2.5 3.5.4-3 3.5.4-4 3.5.4-5 3.5.4-6

Luftschalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Schalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerade Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umlenkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Querschnittssprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Schallpegelminderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Künstliche Schalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorptionsschalldämpfer, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Telefonieschalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resonanz- und Relaxationsschalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Schalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegel im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustische Anlagenberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldämpferauslegung zum Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . .

1745 1746 1746 1746 1748 1748 1749 1749 1749 1749 1754 1755 1755 1756 1758 1760 1761 1765

3.5.5

Luftschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1766

3.5.6 3.5.6-1 3.5.6-2 3.5.6-3

Körperschalldämmung und Schwingungsisolierung . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliche Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente zur Körperschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente zur Schwingungsisolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1769 1769 1770 1773

3.5.7

Entdröhnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1776

3.5.8

Bauakustische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1777

3.6

Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1778

3.6.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1778

3.6.2

Brandverhalten von Baustoffen und Klassifikationen . . . . . . . . . . . . .

1779

3.6.3 3.6.3-1 3.6.3-2 3.6.3-3 3.6.3-4 3.6.3-5 3.6.3-6 3.6.3-7

Brandschutz in Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baustoffe in Lüftungsleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Brandschutzklappen und Lüftungsleitungen . . . Anforderungen an Zuluft-, Fortluft- und Umluftanlagen . . . . . . . . . Verlegung von Lüftungsleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungszentrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gewerbliche Küchenabluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1785 1785 1786 1786 1787 1787 1788 1788

3.6.4 3.6.4-1 3.6.4-2

Anlagen zur Rauchableitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung von Anlagen zur Rauchableitung aus Gebäuden .

1789 1789 1791

Inhaltsverzeichnis

XXXVII

3.6.4-2.1 3.6.4-2.2 3.6.4-2.3 3.6.4-2.4 3.6.4-2.4.1 3.6.4-2.4.2 3.6.4-2.5 3.6.4-2.5.1 3.6.4-2.5.2 3.6.4-2.6 3.6.4-2.7

Zonenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CFD-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung nach VDI 6019-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Rauchabzugsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinelle Rauchabzugsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung nach DIN 18232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Rauchabzugsanlagen (DIN 18232-2:2007-11) . . . . . . . . . . Maschinelle Rauchabzugsanlagen (DIN 18232-5:2012-05) . . . . . . . . . Zusätzliche Hinweise für die Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten von RWA-Anlagen, Regeln für ihren Einbau . . . . . . .

1791 1794 1794 1796 1796 1800 1800 1800 1802 1804 1804

3.6.5 3.6.5-1 3.6.5-2 3.6.5-3 3.6.5-4 3.6.5-5 3.6.5-5.1 3.6.5-5.2 3.6.5-5.3

Anlagen zur Rauchfreihaltung von Rettungswegen . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume gemäß MBO 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume in Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume in Versammlungsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume in Hochhäusern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochhäuser bis zu einer Höhe von 60 m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochhäuser mit einer Höhe über 60 m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckbelüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1806 1806 1806 1808 1808 1808 1809 1809 1809

3.7

Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . 1819

3.7.1 3.7.1-1 3.7.1-1.1 3.7.1-1.2 3.7.1-2 3.7.1-3

Regler (Regelgeräte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unmittelbare Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanisch-elektrische Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pneumatische Regler (Druckluftregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1819 1819 1819 1820 1822 1828

3.7.2 3.7.2-1 3.7.2-2 3.7.2-3 3.7.2-4 3.7.2-5

Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchtefühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enthalpie-Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1829 1829 1830 1832 1833 1834

3.7.3

Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1834

3.7.4

Stellventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1837

3.7.5

Stellklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1847

3.7.6

Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1848

3.7.7

Regelanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1849

3.7.8

Frostschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854

3.7.9 3.7.9-1 3.7.9-2 3.7.9-3 3.7.9-3.1 3.7.9-3.2 3.7.9-4

Mikroelektronik (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DDC-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Leittechnik (ZLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DDC-Einzelraumregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Möglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzwerke für die Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.8

Berechnung der Lüftungs- und Klimaanlagen (RLT-Anlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1870

3.8.1

Bestimmung der Luftvolumenströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1870

1855 1855 1861 1863 1863 1866 1866

XXXVIII

Inhaltsverzeichnis

3.8.1-1

3.8.1-3 3.8.1-4 3.8.1-4.1 3.8.1-4.2 3.8.1-4.3

Ermittlung des Zuluftvolumenstroms nach dem Mindestaußenluftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung des Zuluftvolumenstroms nach den Schadstoffemissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung des Zuluftvolumenstroms nach der thermischen Last . . Gütegrade der Lüftung (Lüftungseffektivität) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadstoffabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhänge mit deutscher Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1872 1873 1873 1874 1875 1877

3.8.2 3.8.2-1 3.8.2-1.1 3.8.2-1.2 3.8.2-1.2.1 3.8.2-1.2.2 3.8.2-2

Dimensionierung des Luftleitungsnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftleitungen und -durchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftverteilung in einem Luftleitungsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftverteilung in einem verzweigten Luftleitungssystems . . . . . . . . . Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1877 1877 1878 1884 1884 1886 1887

3.8.3 3.8.3-1 3.8.3-2 3.8.3-3 3.8.3-3.1 3.8.3-3.2 3.8.3-3.3 3.8.3-3.4 3.8.3-3.4.1 3.8.3-3.4.2 3.8.3-3.4.3 3.8.3-4

Kühllastberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschätzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der einzelnen Wärmeströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarer Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärmequellen bzw. -senken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungswärmequellen bzw. -senken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interne Wärmequellen bzw. -senken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Personenwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beleuchtungswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerätewärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Genauigkeit des Abschätzverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1888 1888 1889 1892 1892 1905 1907 1907 1907 1908 1910 1913

3.8.4 3.8.4-1 3.8.4-2 3.8.4-3

Luftbefeuchtungsanlagen mit Luftwäscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischung von Außenluft und Umluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorerwärmung der Außenluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmung durch Gegenstromapparat . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1914 1915 1916 1917

3.8.5 3.8.5-1 3.8.5-2

Luftentfeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adsorptionsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1919 1919 1921

3.8.6 3.8.6-1 3.8.6-1.1 3.8.6-1.2 3.8.6-1.3 3.8.6-1.4 3.8.6-1.5 3.8.6-1.6 3.8.6-1.7 3.8.6-2 3.8.6-2.1 3.8.6-2.2 3.8.6-2.3 3.8.6-2.4 3.8.6-2.5

Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sommerbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trocknungslast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufteintrittszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nacherwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Winterbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungslast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufteintritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nacherwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1922 1922 1922 1922 1923 1923 1923 1924 1924 1924 1924 1925 1925 1925 1926

3.9

Ausführung der Lüftung in verschiedenen Gebäude- und Raumarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1930

3.9.1

Technische und bauliche Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.8.1-2

1870

1930

Inhaltsverzeichnis

XXXIX

3.9.1-1 3.9.1-2 3.9.1-2.1 3.9.1-2.2 3.9.1-2.3 3.9.1-3 3.9.1-3.1 3.9.1-3.2 3.9.1-3.3 3.9.1-3.4 3.9.1-3.5

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsgebiete / Gebäudenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inbetriebnahme und Abnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bautechnische Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumlufttechnische Zentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftleitungen (Kanäle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1930 1931 1931 1932 1934 1934 1934 1934 1938 1939 1939

3.9.2 3.9.2-1 3.9.2-1.1 3.9.2-1.2 3.9.2-1.3 3.9.2-1.4 3.9.2-1.5 3.9.2-1.6 3.9.2-1.6.1 3.9.2-1.6.2 3.9.2-1.6.2.1 3.9.2-1.6.2.2 3.9.2-1.6.3 3.9.2-1.7 3.9.2-1.7.1 3.9.2-1.7.2 3.9.2-1.7.3 3.9.2-1.7.4

Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwechsel/Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fensterlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Wohnungslüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorgestützte Wohnungslüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluft-Zuluft-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluft-Wasser-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauaufsichtliche Zulassung und Übereinstimmungs-Zeichen . . . . . . Labeling und Ecodesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungslüftung in Mehrfamilienhäusern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1940 1940 1940 1943 1943 1944 1944 1945 1945 1946 1946 1949 1949 1949 1950 1951 1951 1951

3.9.3 3.9.3-1 3.9.3-2

1952 1952

3.9.3-3 3.9.3-4 3.9.3-4.1 3.9.3-4.2 3.9.3-4.2.1 3.9.3-4.2.2 3.9.3-4.2.3 3.9.3-4.2.4 3.9.3-4.2.5 3.9.3-4.2.6 3.9.3-4.3 3.9.3-4.3.1 3.9.3-4.3.2 3.9.3-5 3.9.3-6

Büro- und Verwaltungsgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetzliche Anforderungen an Bürogebäude: Energie-Einsparverordnung (EnEV) und EnWG . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinelle Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühldecke mit Grundlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteilaktivierung mit Grundlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passive Kühlkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fan-Coil-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Kältemittel-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dezentrale maschinelle Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCM-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluftsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahresenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.9.4 3.9.4-1 3.9.4-2 3.9.4-2.1 3.9.4-3 3.9.4-3.1 3.9.4-3.2 3.9.4-3.3

Schulen, Museen u. ä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hörsäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Museen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1987 1987 1992 1993 1994 1994 1994 1996

1955 1956 1957 1958 1961 1961 1964 1967 1970 1971 1973 1975 1976 1978 1979 1985

XL

Inhaltsverzeichnis

3.9.4-3.4 3.9.4-3.5 3.9.4-3.6 3.9.4-3.7

Klimaanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetische Bewertung von Klimaanlagen für Museen . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1997 1998 1998 1999

3.9.5 3.9.5-1 3.9.5-2 3.9.5-3 3.9.5-4 3.9.5-4.1 3.9.5-4.2 3.9.5-4.3 3.9.5-5 3.9.5-6 3.9.5-7 3.9.5-7.1 3.9.5-7.2 3.9.5-7.3 3.9.5-7.4 3.9.5-7.5 3.9.5-8

2000 2000 2001 2005 2006 2006 2009 2009 2010 2011 2012 2012 2012 2013 2013 2013

3.9.5-8.1 3.9.5-8.2 3.9.5-8.3 3.9.5-9 3.9.5-10 3.9.5-11

Krankenhäuser, Gebäude des Gesundheitswesens . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht Richtlinien und Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygienisch relevante Grundmerkmale von Lüftungskonzepten . . . . Lüftung von Operationsräumen und Eingriffsräumen . . . . . . . . . . . . OP mit turbulenzarmer Verdrängungsströmung (TAV) . . . . . . . . . . OP oder Eingriffsraum mit Mischlüftung (TML) . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleichsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere Räume einer OP-Abteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtkonzept für Operationsabteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere hygienisch relevante Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zimmer für protektive Isolation (Sterilpflegezimmer) . . . . . . . . . . . . Isolierzimmer für Patienten mit Freisetzung infektiöser Aerosole . . Intensivpflegezimmer und -station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notaufnahme, Warteräume, Zentralsterilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . Normalpflegestationen, Bettenzimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualifizierung und Requalifizierung von OP-Raum-Lüftungskonzepten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OP-Räume mit TAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemerkungen zu den Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OP-Räume mit TML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an RLT-Geräte und Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kostenaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.9.6 3.9.6-1 3.9.6-1.1 3.9.6-1.2 3.9.6-1.3 3.9.6-1.3.1 3.9.6-1.3.2 3.9.6-1.3.3 3.9.6-1.3.4 3.9.6-1.3.5 3.9.6-1.3.6 3.9.6-1.4 3.9.6-1.5 3.9.6-1.6 3.9.6-1.7

Gebäude des Hotelgewerbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hotels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Hotelzimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varianten der technischen Ausstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlen mittels Umluftkühlgeräten mit Ventilator . . . . . . . . . . . . . . . Kühlen und Heizen mittels Umlaufkühlgeräten mit Ventilator . . . . Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medienanbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interdisziplinärer Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften und Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2019 2019 2019 2019 2020 2021 2021 2022 2022 2022 2022 2023 2024 2024 2024

3.9.7 3.9.7-1 3.9.7-2 3.9.7-3 3.9.7-4 3.9.7-5

Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften, Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben und Arten der Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Behaglichkeit in Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2025 2025 2026 2026 2026 2029

3.9.8 3.9.8-1 3.9.8-1.1 3.9.8-1.2 3.9.8-1.2.1 3.9.8-1.2.2

Betriebsgebäude und -anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fertigungsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Industrielle Absaugungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfassungseinrichtungen und Absaugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . .

2030 2030 2030 2031 2031 2032

2013 2013 2015 2016 2017 2017 2018

Inhaltsverzeichnis

3.9.8-1.2.3 3.9.8-1.2.4 3.9.8-1.2.4.1 3.9.8-1.2.4.2 3.9.8-1.2.4.3 3.9.8-1.2.4.4 3.9.8-1.2.5 3.9.8-1.2.5.1 3.9.8-1.2.5.2 3.9.8-1.2.5.3 3.9.8-1.2.5.4 3.9.8-1.2.5.5 3.9.8-1.2.6 3.9.8-1.2.6.1 3.9.8-1.2.6.2 3.9.8-1.2.6.3 3.9.8-1.2.6.4 3.9.8-1.2.7 3.9.8-1.2.7.1 3.9.8-1.2.7.2 3.9.8-1.2.7.3 3.9.8-1.2.7.4 3.9.8-1.2.7.5 3.9.8-1.2.7.6 3.9.8-1.2.7.7 3.9.8-1.3 3.9.8-1.3.1 3.9.8-1.3.2 3.9.8-1.3.3 3.9.8-1.3.4 3.9.8-2 3.9.8-2.1 3.9.8-2.2 3.9.8-2.3 3.9.8-2.4 3.9.8-2.5 3.9.8-2.6 3.9.8-2.7 3.9.8-3 3.9.8-3.1 3.9.8-3.2 3.9.8-3.3 3.9.8-3.4 3.9.8-3.5 3.9.8-3.6 3.9.8-4 3.9.8-4.1 3.9.8-4.2 3.9.8-4.3 3.9.8-4.4 3.9.8-4.5 3.9.8-4.6 3.9.8-5 3.9.8-6 3.9.8-6.1 3.9.8-6.2

Freie Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Saugöffnungen mit Flansch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saughauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brand- und Explosionsgefahr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschwindigkeitsfelder bei Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugöffnungen mit Flansch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saughauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberhauben über Tischen, Behältern, Bädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seitenhauben auf Arbeitstischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterhauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze bei Bädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung der Erfassungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absaugen mittels Hauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinenabsaugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sack- und Fassfüllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport und Bearbeitung von Schüttgütern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Staubsauganlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortsveränderliche Erfassungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Belüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen für die Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl der Luftführung und Bemessung der Zu- und Abluftströme . Laboratorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumluftzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitswerkbänke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akkumulatorenräume (Batterieräume) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Säureabscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahl-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EDV-Anlagen, Telefonvermittlungssysteme, CAD-Arbeitsplätze . . . Klimageräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendung der freien Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückgewinn der Verflüssigungswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Kühlung von Computereinheiten mit Kaltwasser . . . . . . . . . Kleine Computersysteme im Kühllastbereich von ca. 2…20 kW . . . . Verflüssiger luft- oder wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klimaprüfkammern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinraumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Partikelquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinraumklassifizierung als Reinheitsklassen der Luft . . . . . . . . . . . .

XLI

2032 2033 2033 2033 2034 2034 2035 2035 2036 2037 2038 2039 2039 2040 2041 2041 2041 2043 2044 2048 2051 2055 2056 2056 2056 2058 2058 2058 2060 2062 2069 2069 2070 2071 2071 2071 2072 2073 2073 2073 2073 2074 2074 2074 2074 2075 2076 2077 2077 2078 2078 2078 2078 2080 2082 2084

XLII

Inhaltsverzeichnis

3.9.8-6.3 3.9.8-6.4 3.9.8-6.5 3.9.8-6.6 3.9.8-6.7 3.9.8-7 3.9.8-7.1 3.9.8-7.2 3.9.8-7.3 3.9.8-7.4 3.9.8-7.5 3.9.8-7.6 3.9.8-7.7 3.9.8-8 3.9.8-8.1 3.9.8-8.2 3.9.8-8.3 3.9.8-8.3.1 3.9.8-8.3.2 3.9.8-8.3.3 3.9.8-8.3.4 3.9.8-8.4 3.9.8-8.4.1 3.9.8-8.4.2 3.9.8-8.4.3 3.9.8-8.4.4 3.9.8-8.4.5 3.9.8-8.4.6 3.9.8-8.4.7 3.9.8-8.4.8

Reinraum-/Reinheitsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebstofffilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lackieranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzstände (Spritztische) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzkabinen (Spritzkammern) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Spritzkabinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Textilbetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Textillufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersättigungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konventionelle Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitszonen-Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischtes Klimatisierungssystem für Webereien . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Textilluft-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trommelfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paneel-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ModulDrumfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vliesdrehfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwäscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wanderreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserkompaktor, Ballenpresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brikettierpresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2085 2086 2087 2088 2092 2097 2097 2098 2098 2099 2100 2100 2100 2101 2101 2102 2103 2103 2103 2104 2105 2106 2106 2107 2108 2108 2108 2108 2109 2109

3.9.9 3.9.9-1 3.9.9-1.1 3.9.9-1.2 3.9.9-1.3 3.9.9-1.4 3.9.9-1.5 3.9.9-1.6 3.9.9-1.7 3.9.9-1.8 3.9.9-2 3.9.9-2.1 3.9.9-2.2 3.9.9-2.3

Gebäude für Sport- und Versammlungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallenschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Privatschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umkleideräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Theater, Saalbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagengestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2109 2109 2109 2110 2110 2111 2112 2112 2112 2113 2113 2114 2114 2116

3.9.10 3.9.10-1 3.9.10-1.1 3.9.10-1.2 3.9.10-1.3 3.9.10-1.4 3.9.10-1.4.1 3.9.10-1.5 3.9.10-1.6 3.9.10-1.7 3.9.10-2 3.9.10-2.1

Sonstige Gebäude und Gebäudeteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Garagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasmengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impuls Ventilations Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO-Warnanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nebenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2116 2116 2116 2116 2117 2117 2117 2118 2119 2119 2120 2120

Inhaltsverzeichnis

XLIII

3.9.10-2.2 3.9.10-2.3 3.9.10-3 3.9.10-3.1 3.9.10-3.2 3.9.10-3.3 3.9.10-3.4 3.9.10-3.5 3.9.10-3.6 3.9.10-3.7

Brandfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten verschiedener Lüftungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tierställe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stallklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluftreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2121 2121 2122 2122 2125 2130 2130 2130 2131 2131

3.9.11 3.9.11-1 3.9.11-1.1 3.9.11-1.2 3.9.11-1.3 3.9.11-1.4 3.9.11-1.4.1 3.9.11-1.5 3.9.11-1.5.1 3.9.11-1.5.2 3.9.11-1.6 3.9.11-1.6.1 3.9.11-1.6.2 3.9.11-1.6.3 3.9.11-1.6.4 3.9.11-1.6.5 3.9.11-1.6.6 3.9.11-1.7 3.9.11-1.8 3.9.11-1.8.1 3.9.11-1.8.2

Sonstige Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Küchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadstoffsituation in Küchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freisetzungsprozesse von Schadstoffen und Wärme . . . . . . . . . . . . . . Ablufterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Küchenlüftungsdecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varianten der Luftzuführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung Raumlufttechnischer Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermikluftstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfassungsluftstrom für Küchenlüftungshauben . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuluftstrom/Abluftstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluftströme in Verbindung mit Küchenlüftungshauben . . . . . . . . . Abluftströme in Verbindung mit Küchenlüftungsdecken . . . . . . . . . . Kontrollrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschätzen der Luftströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Behaglichkeit – Erträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2132 2132 2132 2132 2132 2133 2133 2134 2134 2134 2138 2138 2138 2139 2141 2141 2141 2142 2142 2142 2142

4

TRINKWASSERTECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143

4.1

Aufgaben und Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143

4.1.1

Begriffe, Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2144

4.2

Anforderungen an die Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147

4.2.1 4.2.1-1 4.2.1-2 4.2.1-3

Rechtliche Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwasserverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AVBWasserV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick Regelwerke TRWI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2148 2148 2151 2152

4.2.2 4.2.2-1 4.2.2-2 4.2.2-3 4.2.2-4 4.2.2-5 4.2.2-6 4.2.2-7 4.2.2-8 4.2.2-9

Hygienische Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwasseranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmungsgemäßer Betrieb – Raumbuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Größe der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stagnation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwassertemperatur PWC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwassertemperatur PWH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagensicherheit, Verbindung zu Nichttrinkwasser . . . . . . . . . . . . . Betriebsunterbrechung und Wiederinbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen auf Grund von Bauordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2153 2154 2154 2157 2157 2157 2158 2158 2158 2158

4.2.3 4.2.3-1

Schallschutztechnische Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2159 DIN 4109 Schallschutz im Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2159

XLIV

Inhaltsverzeichnis

4.2.3-2 4.2.3-3 4.2.3-3.1 4.2.3-3.2 4.2.3-3.3 4.2.3-3.4

VDI 4100 Schallschutz im Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallschutztechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vermeidung von Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ruhedruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Armaturen und Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2161 2163 2164 2165 2165 2166

4.3

Aufbau und Bestandteile von Trinkwasserinstallationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167

4.3.1

Hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2167

4.3.2

Leitungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2168

4.3.3

Rohrleitungsmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2169

4.3.4 4.3.4-1 4.3.4-2 4.3.4-3 4.3.4-4 4.3.4-5 4.3.4-6 4.3.4-6.1

Leitungsführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteiler mit Einzelzuleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T-Stück-Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Empfehlung bei Stockwerksinstallationen mit Wasserzähler . . . . . . Stockwerksinstallationen ohne Wasserzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verhinderung des Wärmeübergangs von PWH auf PWC . . . . . . . . .

2171 2171 2172 2172 2173 2173 2174 2175

4.3.5

Wasserbehandlungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2176

4.3.6 4.3.6-1 4.3.6-2

Probenahmestellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Probenahme für mikrobiologische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . Probenahme für chemische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2178 2178 2181

4.3.7 4.3.7-1 4.3.7-2

Dämmung von Trinkwasserleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwasserleitungen kalt (PWC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwasserleitungen warm (PWH und PWH-C) . . . . . . . . . . . . . . .

2182 2182 2183

4.3.8 4.3.8-1 4.3.8-2 4.3.8-3 4.3.8-3.1 4.3.8-3.2 4.3.8-3.3 4.3.8-3.4 4.3.8-3.5 4.3.8-3.6 4.3.8-3.7 4.3.8-3.8

Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Armaturenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entnahmearmaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leitungsarmaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrarmaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zirkulationsregulierventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsarmaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Ablaufsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherungsarmaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckminderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2183 2184 2184 2185 2185 2186 2187 2187 2189 2191 2192 2201

4.4

Berechnung von Trinkwasser-Installationen . . . . . . . . 2203

4.4.1

Normative Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2203

4.4.2 4.4.2-1 4.4.2-2 4.4.2-3 4.4.2-4 4.4.2-5 4.4.2-6 4.4.2-7 4.4.2-8 4.4.2-9

Schritte der Rohrnetzberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsdurchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Summendurchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spitzendurchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzungseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsstartpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfügbares Rohrreibungsdruckgefälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverlust in Apparaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverlust aus Rohrreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2203 2204 2205 2205 2206 2207 2208 2209 2209 2210

Inhaltsverzeichnis

XLV

4.4.2-10 4.4.2-11 4.4.2-12

Druckverlust aus Einzelwiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2210 Bemessung von Zirkulationsleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2212 Inliner-Zirkulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2215

4.4.3 4.4.3-1 4.4.3-1.1 4.4.3-1.2 4.4.3-2 4.4.3-2.1 4.4.3-2.2 4.4.3-2.3 4.4.3-2.4 4.4.3-2.5 4.4.3-2.6 4.4.3-2.7 4.4.3-2.8 4.4.3-2.9 4.4.3-3 4.4.3-3.1 4.4.3-3.2 4.4.3-3.3 4.4.3-3.4 4.4.3-4 4.4.3-5

Druckerhöhungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließ- und Ruhedruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen Druckerhöhungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Bauteile, Apparate und Werkstoffe . . . . . . . . . . . . Selbstansaugende Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normalsaugende Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haltedruckhöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpenkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenkennlinie/Rohrnetzparabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung von Druckstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpenparallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung von Druckerhöhungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Förderstrom (Spitzendurchfluss Q D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Förderdruck ΔPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zulaufdruck Pvor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsdruck nach DEA Pnach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anschlussarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckzonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Trinkwasser-Erwärmungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233

4.5.1

Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233

4.5.2

Systematik der Einteilung von Trinkwasser-Erwärmungsanlagen . . . 2233

2217 2218 2219 2219 2219 2219 2220 2220 2220 2221 2222 2223 2224 2225 2226 2226 2226 2226 2227 2228 2230

4.6

Ausführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2236

4.6.1 4.6.1-1 4.6.1-1.1

2236 2236

4.6.1-1.3 4.6.1-2 4.6.1-2.1 4.6.1-2.1.1 4.6.1-2.1.2 4.6.1-2.2 4.6.1-2.3

Dezentrale Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzel- und Gruppenversorgung im Durchflusssystem . . . . . . . . . . . . Direkte Beheizung mit Strom bei Durchflusssystemen (Durchlauferhitzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Beheizung mit Gas bei Durchflusssystemen (Gas-Durchlauferhitzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Beheizung bei Durchflusssystemen (Wohnungsstationen) Einzel- und Gruppenversorgung im Speichersystem . . . . . . . . . . . . . . Direkte Beheizung mit Strom bei Speichersystemen . . . . . . . . . . . . . . Drucklose (offene) Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckspeicher (geschlossene Speicher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Beheizung mit Gas bei Speichersystemen . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Beheizung mit Gas bei Speichersystemen . . . . . . . . . . . . . . .

4.6.2 4.6.2-1 4.6.2-1.1 4.6.2-1.2 4.6.2-2 4.6.2-2.1 4.6.2-2.2 4.6.2-2.2.1 4.6.2-2.2.2 4.6.2-2.3 4.6.2-2.3.1 4.6.2-2.3.2

Zentrale Trinkwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflusssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizungsarten/Energiearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizungssysteme bei Trinkwasserspeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkt (unmittelbar) beheizte Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekt (mittelbar) beheizte Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizung mit Heizkessel (Öl, Gas, oder festen Brennstoffen) . . . . . . Beheizung mit Fernwärme (direkte Einspeisung) . . . . . . . . . . . . . . . . .

2242 2242 2242 2243 2243 2243 2244 2244 2245 2246 2246 2247

4.6.1-1.2

2237 2237 2238 2240 2240 2240 2240 2241 2241

XLVI

Inhaltsverzeichnis

4.6.2-2.3.3 4.6.2-2.3.4 4.6.2-2.3.5 4.6.2-2.3.6 4.6.2-3 4.6.2-3.1 4.6.2-3.2 4.6.2-3.2.1 4.6.2-3.2.2 4.6.2-3.2.3

Solare Beheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Beheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizung mittels Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abwärmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherladesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizungsarten/Energiearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizung mit Heizkessel (Öl, Gas, oder festen Brennstoffen) . . . . . Beheizung mit Fernwärme (direkte Einspeisung) . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizung mit Dampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2248 2249 2249 2250 2250 2250 2252 2252 2253 2255

4.7

Auslegung von Trinkwasser-Erwärmungsanlagen . . 2256

4.7.1

Warmwasser- und Wärmemengenbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2257

4.7.2

Dezentrale Trinkwassererwärmung mittels Wasser-Wasser-Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2261

4.7.3 4.7.3-1 4.7.3-2

4.7.3-4

Zentrale Trinkwasser-Erwärmungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267 Auslegung von Durchflusssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267 Auslegung von Trinkwasser-Erwärmungsanlagen mit Hilfe des Wärmeschaubildes (Summenlinienverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267 DIN EN 12831-3 und ihre Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2274 Bestimmung der Bedarfskennlinie für die Trinkwarmwassererwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2275 Bestimmung der Angebotskennlinie für die Trinkwassererwärmung 2277 Maximale Speicherkapazität QS,max . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278 Minimale Speicherkapazität QS,min . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2279 Bereitschaftswärmeverluste des Speichers Qw,s,t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2279 Wärmeverluste der Verteilleitungen Qw,d,t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2280 Bestimmung des Ein- und Ausschaltpunktes für die Nachheizung . . 2281 Bestimmung der Verzögerungszeit für die Nachheizung . . . . . . . . . . 2281 Bestimmung der effektiven Energie Qeff und Nachheizleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2282 Schritte zur Auslegung von Trinkwasser-Erwärmungsanlagen gemäß dem in der DIN EN 12831-3 beschriebenen Verfahren . . . . . . . . . . . 2284 DIN 4708 Auslegung mit der Bedarfskennzahl für Wohngebäude . 2284

5

KÄLTETECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2291

5.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2291

5.2

Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2292

5.2.1 5.2.1-1 5.2.1-2 5.2.1-3 5.2.1-4

Kaltdampf-Kompressionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozess der Kaltdampfmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebilanz, Temperaturdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit, Leistungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2

Kaltluft-Kompressionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2303

5.2.3 5.2.3-1 5.2.3-2 5.2.3-3 5.2.3-4

Absorptionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebilanz, Temperaturdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit, Wärmeverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozess der Absorptionsmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2304 2304 2305 2305 2307

5.2.4 5.2.4-1

Adsorptionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2308 2309

4.7.3-3 4.7.3-3.1 4.7.3-3.2 4.7.3-3.2.1 4.7.3-3.2.2 4.7.3-3.2.3 4.7.3-3.2.4 4.7.3-3.2.5 4.7.3-3.2.6 4.7.3-3.2.7 4.7.3-3.2.8

2292 2292 2293 2297 2299

Inhaltsverzeichnis

5.2.4-2 5.2.4-3 5.2.4-4

XLVII

Kreisprozess der Adsorptionskältemaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2311 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312 Wärmeverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312

5.2.5

Dampfstrahlkälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312

5.2.6

Thermoelektrische Kälteerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2313

5.2.7

Primärenergie-Nutzungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2314

5.3

Betriebsmittel für Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316

5.3.1

Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316

5.3.2

Arbeitsstoffpaare für Absorptionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2324

5.3.3

Kältemaschinenöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2326

5.3.4

Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327

5.4

Bauelemente für Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2329

5.4.1 5.4.1-1 5.4.1-2 5.4.1-3 5.4.1-4 5.4.1-5

Verdrängungsverdichter (-kompressoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hubkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schraubenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rollkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spiral-(Scroll)-Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.2

Turboverdichter (-kompressoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2338

5.4.3 5.4.3-1 5.4.3-2 5.4.3-3 5.4.3-4

Verflüssiger (Kondensatoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassergekühlte Verflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftgekühlte Verflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstungsverflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2340 2340 2341 2345 2346

5.4.4 5.4.4-1 5.4.4-2 5.4.4-2.1 5.4.4-2.2 5.4.4-3 5.4.4-4

Verdampfer (Kühler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfer zur Kühlung von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung . . . . . . . . . . . . . Rohrbündelverdampfer für überfluteten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler für direkte Verdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattenwärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2347 2347 2348 2348 2349 2352 2353

5.4.5 5.4.5-1 5.4.5-2 5.4.5-3 5.4.5-4 5.4.5-5 5.4.5-6 5.4.5-7

Sonstige Bauteile im Kältemittelkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemitteltrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelschaugläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelsammler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölabscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überhitzer (Wärmeübertrager) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2354 2354 2354 2354 2355 2355 2355 2355

2329 2329 2334 2336 2336 2337

5.4.6

Verdichterantriebsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2355

5.4.7 5.4.7-1 5.4.7-1.1 5.4.7-1.2 5.4.7-1.3 5.4.7-1.4 5.4.7-1.5 5.4.7-1.6 5.4.7-2 5.4.7-2.1

Mess-, Steuer- und Regelgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelmengenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapillarrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermostatisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrfacheinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmerregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expansionsturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltende Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturschalter (Thermostate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2356 2356 2356 2356 2358 2358 2359 2359 2359 2359

XLVIII

Inhaltsverzeichnis

5.4.7-2.2 5.4.7-2.3 5.4.7-3 5.4.7-3.1 5.4.7-3.2 5.4.7-3.3 5.4.7-3.4 5.4.7-3.5 5.4.7-4 5.4.7-5 5.4.7-5.1 5.4.7-5.1.1 5.4.7-5.1.2 5.4.7-5.2 5.4.7-5.3 5.4.7-5.4 5.4.7-5.5 5.4.7-5.6 5.4.7-5.7 5.4.7-5.8 5.4.7-5.9 5.4.7-6

Druckschalter (Pressostate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbundsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler im Kältemittelkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfungsdruckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Startregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsregler (Heißgasbeipassregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlwasserregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheit gegen Überdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsschalteinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckentlastungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdruckschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öldifferenzdruckschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überstromauslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wicklungsthermostate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorvollschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckrohrthermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostschutzthermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungswächter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensat-Abführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2359 2359 2360 2360 2360 2361 2361 2361 2361 2362 2362 2363 2363 2364 2364 2364 2364 2364 2364 2365 2365 2365

5.4.8 5.4.8-1 5.4.8-2 5.4.8-3 5.4.8-4

Wasserrückkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung offener Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betrieb offener Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossene Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2365 2365 2368 2370 2372

5.5

Ausführung von Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2374

5.5.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2374

5.5.2 5.5.2-1 5.5.2-2 5.5.2-3 5.5.2-4

Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältesätze für Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kälteanlagen für Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühlung mit Absorptionsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2375 2375 2376 2377 2377

5.5.3 5.5.3-1 5.5.3-2 5.5.3-3 5.5.3-4 5.5.3-5 5.5.3-6 5.5.3-7

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Hubkolbenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Schraubenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Turboverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Absorptionsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Dampfstrahlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung thermoelektrisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2378 2378 2379 2383 2385 2387 2390 2391

5.5.4 5.5.4-1 5.5.4-2 5.5.4-3 5.5.4-4 5.5.4-5

Thermische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Benzin- und Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2392 2392 2392 2392 2393 2393

5.5.5 5.5.5-1 5.5.5-2 5.5.5-3 5.5.5-4

Fernkälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernkältezentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heiz-Kraft-Kälte-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwassernetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2394 2394 2395 2395 2396

Inhaltsverzeichnis

XLIX

5.5.5-5

Kühlwassernetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2396

5.5.6

Kältemittel-Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2397

5.5.7

Kaltwasser-Rohrnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2400

5.6

Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung . . . . . 2402

5.6.1 5.6.1-1 5.6.1-2

Dimensionierung der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402 Luftkühlanlagen für direkte Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402

5.6.2 5.6.2-1 5.6.2-2 5.6.2-3 5.6.2-4 5.6.2-5 5.6.2-6 5.6.2-7 5.6.2-8 5.6.2-9

Teillastverhalten von Kältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastbedingungen und Abnahmemessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss der Verflüssigungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss der Wärmeübertragerflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Turboverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Schraubenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten im Wärmepumpenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aussagen zum Teillastverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2403 2403 2405 2406 2407 2409 2409 2411 2412 2413

5.6.3 5.6.3-1 5.6.3-2 5.6.3-3 5.6.3-4

Auslegung der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsaufteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahres-Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2414 2414 2415 2417 2417

5.6.4 5.6.4-1 5.6.4-2 5.6.4-3 5.6.4-4 5.6.4-5

Kältespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherdichte = Speicherkapazität (Kältespeicher) . . . . . . . . . . . . . . . Eisspeicher, Funktion, Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung des Kältespeichers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung und optimales Zeitprogramm (Eisspeicher) . . . . . . . . . . . . . Kosten, Wirtschaftlichkeit (Eisspeicher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2417 2418 2419 2421 2422 2423

5.6.5 5.6.5-1 5.6.5-2 5.6.5-3 5.6.5-4

Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung mit Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossener Kühlwasserkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusätzlicher Heizwasserkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2424 2425 2426 2427 2427

5.7

Regelung von Luftkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2429

5.7.1 5.7.1-1 5.7.1-2 5.7.1-3 5.7.1-3.1 5.7.1-3.2 5.7.1-4 5.7.1-5 5.7.1-6 5.7.1-7 5.7.1-8 5.7.1-9

Regelung bei direkter Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein-/Aus-Schaltung des Verdichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugdruckregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturregler im Kältekreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermostatisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsregler im Kältekreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftseitige Beipass-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit Verdampfer-Unterteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsgeregelte Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Temperatur und Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler für Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2429 2429 2430 2430 2430 2430 2431 2432 2433 2433 2434 2435

5.7.2 5.7.2-1 5.7.2-2 5.7.2-3

Regelung bei indirekter Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser-Mengenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser-Beimischregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftseitige Beipass-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2436 2436 2436 2436

5.7.3

Regelung des Kaltwasserkreislaufes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437

L

Inhaltsverzeichnis

5.7.3-1 5.7.3-2

Kaltwasserkreislauf mit einer Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasserkreislauf mit mehreren Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2437 2438

5.7.4

Regelung der Wasserkühlsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2439

5.8

Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2440

5.8.1

Aufstellungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2441

5.8.2

Kälteübertragungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2442

5.8.3

Kältemittelgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2442

5.8.4

Aufstellungsvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2443

5.8.5

Maschinenraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2444

5.8.6

Geräuschentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2446

6

ENERGIEKONZEPTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2447

6.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2447

6.1.1 6.1.1-1

Was versteht man unter Energiekonzepten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhalte von Energiekonzepten? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2447 2448

6.1.2 6.1.2-1 6.1.2-2 6.1.2-3 6.1.2-4 6.1.2-5

Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassade und Nutzenübergabe des Raumklimasystems . . . . . . . . . . . . Konzeption von Raumklimasystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzeption der Energieerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkzeuge beim Erstellen von Energiekonzepten . . . . . . . . . . . . . . . Energiekonzept in der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2450 2450 2451 2457 2463 2465

6.1.3 6.1.3-1 6.1.3-1.1 6.1.3-1.1.1 6.1.3-1.1.2 6.1.3-1.2 6.1.3-1.2.1 6.1.3-1.2.2

Energie- und Betriebsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausautomation und Smart Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist Hausautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausautomationssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Smart Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Smart Metering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2472 2472 2473 2473 2475 2478 2478 2479

6.2

Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene . . . . . . . . . 2481

6.2.1 6.2.1-1 6.2.1-2 6.2.1-3 6.2.1-4 6.2.1-5 6.2.1-6

Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . Systemvoraussetzung (Wärme-, Kälte- und elektr. Energiebedarf) . Bedarfsanalyse (Leistungsbilanz/Lastgangkennlinien) . . . . . . . . . . . Systemauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzeption der Regelung und Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ökonomische und ökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2481 2481 2482 2485 2486 2487 2489

6.2.2 6.2.2-1 6.2.2-2 6.2.2-3 6.2.2-4 6.2.2-5 6.2.2-6 6.2.2-7

Kälteerzeugung für einen Flughafen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemvoraussetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bedarfsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzeption der Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2492 2492 2494 2496 2500 2503 2505 2507

Inhaltsverzeichnis

6.2.3 6.2.3-1 6.2.3-1.1 6.2.3-1.2 6.2.3-2 6.2.3-3 6.2.3-3.1 6.2.3-3.2 6.2.3-4

LI

2508 2509 2509 2510 2511 2513 2513 2515

6.2.3-5 6.2.3-6

Wärme- und Kälteerzeugung durch Einsatz einer Wärmepumpe . . Systemvoraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bedarfsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festlegung der Nutzenübergabesysteme: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemauswahl und Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung der Wärmepumpe und des Speichers . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlast und Spitzenlast im Heizfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlast und Spitzenlast im Kühlfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiemanagement und Regelstrategie für Wärmequellen, Wärmesenken und Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzeption des Speichers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ökonomischer Vergleich zwischen Geothermie und Eisspeicher . . .

6.2.4 6.2.4-1 6.2.4-2 6.2.4-3 6.2.4-3.1 6.2.4-3.2 6.2.4-3.3 6.2.4-3.3.1 6.2.4-3.3.2 6.2.4-3.3.3 6.2.4-4 6.2.4-4.1 6.2.4-4.2 6.2.4-4.3 6.2.4-4.4 6.2.4-4.5 6.2.4-5 6.2.4-5.1 6.2.4-5.2 6.2.4-5.2.1 6.2.4-5.2.2 6.2.4-5.2.3 6.2.4-5.3 6.2.4-5.3.1 6.2.4-5.3.2 6.2.4-5.3.3 6.2.4-5.3.4 6.2.4-6 6.2.4-6.1 6.2.4-6.2 6.2.4-6.2.1 6.2.4-6.2.2 6.2.4-6.3

Stromerzeugung mit Photovoltaik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemvoraussetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahresenergieertrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschattungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Platzierung Satteldach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Platzierung Flachdach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inselsysteme mit Batteriespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzung mit Stromnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzung mit Stromnetz und steuerbaren Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzung mit Stromnetz, steuerbaren Lasten und Batteriespeicher . . Technische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulausrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typische Arten der Modulanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flachdachmontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Satteldachmontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassadenmontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbindung in Stromnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsberechnung PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kostenbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2522 2522 2523 2523 2523 2524 2524 2524 2525 2525 2525 2525 2526 2526 2527 2527 2528 2528 2529 2529 2530 2531 2531 2531 2531 2531 2531 2532 2532 2532 2532 2532 2532

6.3

Energiekonzepte auf Quartiersebene . . . . . . . . . . . . . . . . . 2534

6.3.1 6.3.1-1 6.3.1-2 6.3.1-3

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Zielsetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemische Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkzeuge zur Erstellung von Energiekonzepten . . . . . . . . . . . . . . . .

6.3.2 6.3.2-1

Beispiel zu Energiekonzepten auf Quartiersebene . . . . . . . . . . . . . . . . 2537 Energiekonzept für eine Neubausiedlung in Kassel . . . . . . . . . . . . . . . 2537

2517 2519 2522

2534 2534 2535 2536

LII

Inhaltsverzeichnis

7

Regelwerke, Formelzeichen, Umrechnungen . . . . . . . . 2539

7.1

Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2539

7.1.1 7.1.1-1 7.1.1-2 7.1.1-3 7.1.1-4 7.1.1-5

2540 2540 2541 2541 2541

7.1.1-6

Rechtsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauordnungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauplanungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Gewerberecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immissions- und Umweltschutzrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natur-, Wald-, Wasser- und Straßenrecht sowie ähnliche Rechtsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Rechtsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1.2

Honorarordnung (HOAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2542

7.1.3 7.1.3-1 7.1.3-2

Vergabe- und Vertragsordnungen für Leistungen (VOL und VOF) 2543 Vergabe- und Vertragsordnung für Leistungen (VOL) . . . . . . . . . . . 2543 Vergabe- und Vertragsordnung für freiberufliche Leistungen (VOF) 2544

7.1.4

Vergabe- und Vertragsordnungen für Bauleistungen (VOB) . . . . . .

7.2

Deutsche, europäische und internationale Normung 2545

7.2.1

Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2545

7.2.2

Zugang zu DIN-Normen und anderen technischen Regeln . . . . . . .

2546

7.3

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547

7.4

Einheiten und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2564

7.5

Umrechnungstabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2577

7.6

Diagramm-Tafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2582

2542 2542

2544

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2591 Anzeigenteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alphabetisches Firmenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inserentenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2625 2639 2653

Abkürzungen

1

Allgemeine Abkürzungen AD AGFW AGW AMEV Argebau ASHRAE ASR ATV BAM BDA BDI BGA BGBl BGV BHKW BImSchG BMA BMBF BmBF BmUB BmWi BSE BTGA BVOG

Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter im VdTÜV Arbeitsgemeinschaft Fernwärme Arbeitsplatzgrenzwert Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen Arbeitsgemeinschaft der für das Bauwesen zuständigen Minister American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engeneers, Inc. Technische Regeln für Arbeitsstätten Abwassertechnische Vereinigung Bundesanstalt für Materialprüfung Bund Deutscher Architekten Bundesverband der Deutschen Industrie Bundesgesundheitsamt Bundesgesetzblatt Berufsgenossenschaftliche Vorschriften Blockheizkraftwerk Bundesimmissionsschutz-Gesetz Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie Bundesministerium für Bildung und Forschung Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit Bundesministerium für Wirtschaft Bundesverband Solarenergie, Essen Bundesverband Technische Gebäudeausrüstung Bundesverband Öl- und Gasfeuerung (Energie – Umwelt – Feuerungen)

CEN CENELEC

Europäisches Komitee für Normung Europäisches Komitee für Elektrotechnische Normung

DAI DDC DEK DGS DIN DK DKV DVGW

Deutscher Ingenieur- und Architektenverband Direct Digital Control (Mikroelektronische digitale Regelung) Deutsche Elektrotechnische Komission im DIN und VDE Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie Deutsches Institut für Normung Dezimal-Klassifikation Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches

EDV EEG EFTA EIB EN

Elektronische Datenverarbeitung Erneuerbare Energien Gesetz Europäische Freihandelszone European Installation Bus Europäische Norm

2

Abkürzungen

EnEG EnEV EU EVU

Energieeinsparungsgesetz Energieeinsparverordnung Europäische Union Elektrizitäts-Versorgungsunternehmen

FGK FLT FNHL FTA

Fachverband Gebäude-Klima Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik Fachnormenausschuss Heizung und Lüftung Förderungsgemeinschaft Technischer Ausbau – Autorengemeinschaft

GEFMA GET GFHK

Deutscher Verband für Facility Management e.V. VDI-Gesellschaft Energietechnik Gesellschaft zur Förderung der Heizungs- und Klimatechnik

HBR HEA HKI HKW HLK HOAI HVBG

Heizölbehälter-Richtlinien Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendungen Heiz- und Kochgeräte-Industrie Heizkraftwerk Heizung – Lüftung – Klimatechnik Honorarordnung für Architekten und Ingenieure Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften

IDA IEA IEC IFMA ISO

Indoor Air Quality International Energie Agentur Internationale Elektrotechnische Kommission International Facility Management Association Internationale Normenorganisation

LBO LON

Landesbauordnung Local Operative Network

MPA MSR

Material-Prüfungsanstalt Mess-, Steuer-, Regeltechnik

NA NHRS

Normen-Ausschuss Normenausschuss Heizung- und Raumlufttechnik

PTB

Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig

RAL RKW RLT RWA

Ausschuss für Lieferbedingungen und Gütesicherung früher: Reichsausschuss für Lieferbedingungen Rationalisierungskuratorium der Deutschen Wirtschaft Raumlufttechnische Anlage Rauch- und Wärmeabzugsanlagen

SKE StLB

Steinkohlen-Einheit Standard-Leistungsbuch

TA-Luft TGA TRD TRF TRGI TÜV

Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft Technische Gebäudeausrüstung Technische Regeln für Dampfkessel Technische Regeln für Flüssiggas Technische Regeln für Gasinstallationen Technischer Überwachungsverein

Abkürzungen

3

UVV

Unfallverhütungsvorschriften

VbF VDE VDEW VDI VDKF VDMA VdTÜV VO VOB VRV

Verordnung über brennbare Flüssigkeiten Verband Deutscher Elektrotechniker Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke Verband Deutscher Ingenieure Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachleute Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau Vereinigung der technischen Überwachungsvereine Verordnung Verdingungsordnung für Bauleistungen Variable Refrigerant Volume

WHG WP WRG WWE WWV

Wasserhaushaltungsgesetz Wärmepumpe Wärmerückgewinnung Warmwassererwärmer Warmwasser-Versorgung

ZDH ZfG ZLT ZTA ZVH ZVSHK

Zentralverband des Deutschen Handwerks Zentrale für Gasverwendung Zentrale Leittechnik Zusammenstellung Technischer Anforderungen Zentralverband Heizungskomponenten Zentralverband Sanitär – Heizung – Klima

1.1.1 Luft

5

1

GRUNDLAGEN

1.1

Meteorologische Grundlagen 1)

1.1.1

Luft

1.1.1-1

Reine Luft

1

Die Luft umgibt die Erdkugel allseitig in Form einer Hülle. Die untere der Erdoberfläche anliegende Schicht nennt man Troposphäre, die in unseren Breiten bis etwa 11 km reicht. Darauf folgen die Stratosphäre (11 bis 75 km) und Ionosphäre (75 bis 600 km). Der durch das Gewicht der Luft verursachte Druck an der Erdoberfläche beträgt im Mittel p = 1,013 bar = 1013 hPa (Hektopascal). Bei gleichmäßiger Dichte der Luft würde sich hieraus rechnerisch eine Höhe der Atmosphäre von 5

1 ,013 ⋅ 10 p h = ------ = ---------------------------- = 7990 m ρg 1 ,293 ⋅ 9 ,81 ergeben, wobei ρ = 1,293 die Dichte der trockenen Luft bei 0 °C in kg/m3 und g = 9,81 m/s2 die Fallbeschleunigung ist. In Wirklichkeit nimmt jedoch die Dichte und die Temperatur der Luft mit der Höhe ab (Tafel 1.1.1-1), vgl. auch DIN ISO 2533:1979-12. Tafel 1.1.1-1 Höhe km

Abnahme des Luftdrucks und der Temperatur mit der Höhe (Norm-Atmosphäre, DIN ISO 2533:1979-12) 0,5

1,0

2

3

4

6

8

10

15

20

Luftdruck mbar 1013 955

0

899

795

701

616

472

356

264

120

55

Temperatur °C

8,5

2,04 –4,5 –11

–24

–37

–50

–55

–55

15

11,8

Abnahme der Temperatur mit der Höhe: 6,5 K je km bis 11 km Höhe. Von 11 km bis etwa 20 km Temperatur annähernd gleichbleibend bei etwa –55 °C. In 20 bis 47 km Höhe Temperaturanstieg durch Ozonbildung bis etwa 0 °C, dann wieder Temperaturabfall. Chemisch gesehen ist die Luft ein Gemisch verschiedener im normalen Temperaturbereich permanenter Gase, unter denen Stickstoff, Sauerstoff, Argon und CO2 überwiegen, die zusammen ungefähr 99,99 % des Gewichts ausmachen (Tafel 1.1.1-2). Die Zusammensetzung ändert sich an der Erdoberfläche örtlich und zeitlich nur sehr wenig, während in großen Höhen die leichten Gase Wasserstoff und Helium überwiegen. Anteilige Sauerstoffabnahme 0,3 % je km. Außer den permanenten Gasen ist in der Luft noch Wasserdampf in wechselnden Mengen vorhanden. Geringster Anteil fast 0 % (bei tiefen Temperaturen), höchster Anteil etwa 3 Gew.-% ≈ 4 Vol.-%.

1)

Überarbeitung von Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen, und Dipl.-Ing. Tobias Burkard, Stuttgart, für die 78. Auflage.

6

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.1-2

Zusammensetzung trockener reiner Luft

Gas

Formel

Sauerstoff Stickstoff Argon Kohlendioxid Wasserstoff Neon Helium Krypton Xenon

1.1.1-2

O2 N2 Ar CO2 H2 Ne He Kr Xe

Gew.-% 23,01 75,51 1,286 0,04 0,001 0,0012 0,00007 0,0003 0,00004

Vol.-% 20,93 78,10 0,9325 0,03 0,01 0,0018 0,0005 0,0001 0,00009

Verunreinigungen Siehe auch Abschnitt 1.9: Umweltschutz

1.1.1-2.1

Gase und Dämpfe 1)

In gewissen Mengen finden sich in der freien Luft abhängig von Gegend, Klima, Jahreszeit, Wetter und anderen Faktoren noch eine Anzahl weiterer Gase und Dämpfe, deren Quellen in der Hauptsache Industrie, Kraftwerke, Haushalt und Verkehr sind und von denen die wichtigsten folgende sind: Ozon – O3 – entsteht bei elektrischen Entladungen, Oxidations- und Verdunstungsvorgängen, in sehr geringen Mengen in der Atmosphäre nachweisbar, etwa 0,02 bis 0,1 mg/ m3. Stechender Geruch. Bei Konzentration > 0,2 mg/m3 bereits Reizungen. Ozonreiche See- oder Bergluft ist ein Indikator für hohen Reinheitsgrad der Luft, da Ozon schnell mit Luftverschmutzungen reagiert. Ozonmangel in der Atmosphäre – vor allem über der Antarktis, neuerdings auch über der Arktis – wird auf Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) aus Spraydosen und Kältemitteln zurückgeführt (siehe auch Abschnitt 5.3.1). Dadurch dringt UV-Strahlung der Sonne in stärkerem Maße bis zur Erdoberfläche durch mit Auswirkungen auf das Klima und Gefahr von Hautkrebs. Die gesetzlichen Maßnahmen zum Verbot von FCKW haben inzwischen zu einer Verkleinerung des „Ozonlochs“ geführt. Wasserstoffsuperoxid – H2O2 – entsteht wie Ozon, jedoch in größeren Mengen, in Niederschlägen nachweisbar, etwa 200 mg/m3. Kohlenmonoxid – CO – entsteht durch unvollkommene Verbrennung bei Feuerungen und anderen Verbrennungsvorgängen, daher namentlich in Städten und Industriegegenden nachweisbar, geruchlos, sehr giftig. Hauptquellen Kraftfahrzeuge und Hausbrand. In Abgasen von Otto-Motoren bis 8 Vol.-% nachweisbar, zulässig im Leerlauf 3,5 Vol.-%. Auch im Tabakrauch enthalten. Besonders gefährlich, da nicht wahrnehmbar. Vorkommen in Straßen mit normalem Verkehr 25 ppm = 30 mg/m3 Vorkommen in Straßen mit starkem Autoverkehr 50 ppm = 60 mg/m3 Vorkommen in Abgasen und Brandgasen bis 3,0 Vol.-% = 36000 mg/m3 Auch in Wohnungen können, namentlich wenn geraucht wird, Konzentrationen von 50 und mehr mg/m3 vorkommen. Kohlendioxid – CO2. Sein geringer Anteil in der Luft erhöht sich langsam vor allem durch Verbrennungsprozesse fossiler Brennstoffe, jährlich um derzeit ca. 1,9 %. Ursprünglich (vor 30 Jahren) ging man von 340 ppm aus, im Jahre 2000 lag das CO2-Niveau bei 375 mm und aktuell (2013) kann man vom Basiswert 400 ppm CO2 entsprechend 600 mg/m3 ausgehen. Damit ist ein merklicher Einfluss auf das Klima gegeben. Anstieg der Lufttemperatur (Treibhauseffekt) durch Verhinderung der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche infolge CO2-Zunahme in der Atmosphäre (verstärkte Absorption von 1)

VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft – Band 1: Umweltmeteorologie. Düsseldorf, VDI-Verlag, 2013, 6 Bände (494 Richtlinien, 164 DIN-Normen, inkl. DIN SPEC, DIN CEN/TR, DIN CEN/TS, DIN ISO, DIN EN ISO), Abschnitt Meteorologische Grundlagen. Lahmann, E.: Ges.-Ing. (1975), Nr. 5, S. 121–126; (1979), Nr. 1/2, S. 17–22. Fanger, P. O.: Ki (1982), Nr. 2, S. 437–438. Baumüller, J.; Reuter, U.: Wärmetechn. (1982), Nr. 5, S. 185–188; KKT (1982), Nr. 11, S. 486. Kremer, H.: VDI-Berichte 486, 1983, S. 25–29.

1.1.1 Luft

Wärmestrahlung). Mögliche Abhilfe: Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe durch Energie-Einsparung (Wärmerückgewinnung), Substitution durch Kernenergie oder Wasserstoff-Verbrennung. Infolge des für Deutschland beschlossenen Ausstiegs aus der Kernenergie (Energiewende) kommt den regenerativen Energien Solarwärme, Photovoltaik, Geothermie eine besondere Bedeutung zu. 1) Schwefeldioxid – SO2 – entsteht bei Verbrennung von Kohle und Heizöl, daher ebenfalls namentlich in Industriegegenden nachweisbar. Durchschnittlicher Schwefeldioxidgehalt bei Feuerungen siehe Tafel 1.9.1-2, wo seit 1990 eine erhebliche Reduzierung auf 10 % des Ursprungswertes erreicht wurde. Stadt- und Ferngase sowie Erdgase enthalten praktisch keinen Schwefel und sind daher die saubersten Brennstoffe. Sie erzeugen bei der Verbrennung wegen des hohen Wasserstoffanteils auch relativ wenig CO2. Bei den Heizölen werden mehr und mehr schwefelarme Rohöle verarbeitet. Bei der Verbrennung von Heizöl EL mit 0,3 % Schwefel enthalten die Abgase ca. 0,5 g SO2 je m3, Kohlekraftwerk ohne Entschwefelung 1…3 g SO2 je m3. SO2 wird in der Luft allmählich zu SO3 oxidiert, das sich mit der Luftfeuchte zu Schwefelsäure (H2SO4) umsetzt. Vorkommen in der Luft etwa 0,1 bis 1 mg/m3 (0,04…0,4 ppm), räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich, im Winter wesentlich höher als im Sommer. Schädlich für Pflanzenwelt bereits bei 0,5 mg/m3, bei manchen Pflanzen auch noch weniger. Wirkung auf Menschen bereits ab 0,5 mg/m3 (Vgl. VDI 2310) 2). Unangenehmer Geruch, Reizung der Schleimhaut, gesundheitsschädlich. Ammoniak – NH3 – entsteht bei Fäulnis- und Zersetzungsvorgängen sowie Verschwelungen. Leichter als Luft, steigt bei Freiwerden sofort nach oben. Vorkommen in freier Luft etwa 0,02 bis 0,05 mg/m3. Nitrose Gase – NOx (N2O, NO, NO2) – entstehen durch Kraftverkehr und Feuerungsanlagen mit hohen Verbrennungstemperaturen über 1300 °C. Gelblich-rotbraune Farbe, stechender Geruch. Vorkommen in freier Luft 0,1…0,5 mg/m3 (NO2). Giftig, mit Wirkung ähnlich wie SO2. Blei als Aerosol in der Atmosphäre stammt überwiegend aus den Abgasen der Kraftfahrzeuge. Als Antiklopfmittel früher im Benzin enthalten. Mittlere Konzentration in der Luft entsprechend hoch: 1…3 μg/m3, in Hauptverkehrszeiten 25…30 μg/m3, sehr giftig. Begrenzung durch das Benzinbleigesetz. Nach Reduzierung des zulässigen Bleigehaltes nach TA Luft ≤ 2 μg/m3 sofort entsprechende Reduzierung der Konzentration in der Luft. (Daten zur Umwelt. Der Zustand der Umwelt in Deutschland 2000. Umweltbundesamt.) E. Schmidt, Berlin (2000). Benzinbleigesetz, Änderung vom 18.12.87. Nationales Verbot bleihaltigen Normalbenzins. WHO-Empfehlung: ≤ 0,5–1 μg/m3. Nach neuer TA Luft (2001): ≤ 0,5 μg/m3. Weitere nicht regelmäßig in der Luft nachweisbare Gase und Dämpfe entstehen durch Ausdünstungen und Riechstoffe der Tiere und Pflanzen sowie durch Arbeitsvorgänge in Fabriken, namentlich chemischen Fabriken, Gießereien u. a. Bei Smog-Wetterlagen hat man Konzentrationen von mehr als 4 mg/m3 an Staub und SO2 gemessen. Beim Vergleich von Umweltverschmutzungen müssen sowohl die verschiedenen Quellen wie CO, SO2, NOx usw. als auch die verschiedenen Gebiete wie Stadtkern, Industriegegend u. a. in Betracht gezogen werden. Allerdings zeigen sich in den letzten Jahrzehnten deutliche Veränderungen im Hinblick einer lokalen Vergleichmäßigung in

1)

2)

Umweltbundesamt Dessau: Atmosphärische Treibhausgaskonzentration an den Messstationen in Deutschland. Internetinformation. 2013. — Siehe auch: Goede, P. M. (Hrsg.): Themenlexikon Wetter und Klima. BI & F.A. Brockhaus AG, 2008. VDI 2310 Blatt 1 „Maximale Immissionswerte – Zielsetzung und Bedeutung“, 12-2010. VDI 2310 Blatt 6 „Maximale Immissions-Werte zum Schutz der Vegetation – Maximale Immissions-Konzentrationen für Ozon“, 06-2002. VDI 2310 Blatt 12 „Maximale Immissions-Werte zum Schutz des Menschen – Maximale Immissions-Konzentrationen für Stickstoffdioxid“, 12-2004. VDI 2310 Blatt 15 „Maximale Immissions-Werte zum Schutz des Menschen – Maximale Immissions-Konzentrationen für Ozon“, 12-2001. VDI 2310 Blatt 26 (Fluoride), 11-2001; Blatt 27 (Blei), 09-1998; Blatt 28 (Cd), 03-1996; Blatt 29 (Thallium), 11-2000; Blatt 30 (Entwurf) (Ni) 01-2005; Blatt 31 (Entwurf) (ZN), 01-2005; Blatt 37 (Mo), 04-1998; Blatt 46 (Dioxin), 05-2004; diese Blätter vor allem zum Schutz landwirtschaftlicher Nutztiere.

7

1

8

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

der Ausbreitung der Verunreinigungen. Die Industriegebiete sind entscheidend besser in der atmosphärischen Qualität geworden (Staubfilter, Entschwefelungs- und Entstickungsanlagen bei Kraftwerken, sehr hohe Schornsteine verteilen die Restemissionen weiter). An sich emissionsärmere ländliche Gebiete haben sich zunächst verschlechtert, im letzten Jahrzehnt ergaben Messungen eine erhebliche Verringerung der Trübung überall in Deutschland. 1)2) In der Regel zeigt die Schadstoffbelastung der Luft einen tages- und jahreszeitlichen Verlauf. So wird SO2 aus Heizungen hauptsächlich im Winter emittiert. Im Laufe der Zeit kann eine Absorption der Schadstoffe durch Regen, Schnee, Ozon und Filterwirkung der Vegetation u. a. erfolgen. In Wohnräumen lassen sich außer den erwähnten Bestandteilen gelegentlich noch andere Beimengungen der Luft nachweisen. Aus Spanplatten und Aminoplast-Ortsschäumen kann Formaldehyd austreten. In Wohnungen tolerierbar 0,12 mg/m3 = 0,1 ppm. Messungen 3) ergaben bis 0,6 mg/m3. Ferner wird aus Holzfarben herrührend Pentachlorphenol (PCP) gefunden. In mehreren Ländern wurden in Häusern radioaktive Teilchen in der Luft nachgewiesen. Quellen sind die radioaktiven Edelgase Radon und Thoron, die als Zerfallsprodukte aus Uran/Radium bzw. Thorium entstehen und überall in der Natur vorkommen. Radon und Thoron gelangen aus dem Boden, Baustoffen oder Wasser in die Luft, zerfallen weiter in Blei und Pollonium, die sich an Staubpartikel in der Luft anlagern und durch Inhalation lungengängig sind. Dadurch kann Lungenkrebs auftreten, wie an besonders exponierten Bergarbeitern nachgewiesen wurde. Neuerdings liegen besonders aus den USA Erkenntnisse vor, dass der Grad der Gefährdung durch Radon erheblich größer ist als früher angenommen. Zweitstärkste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen. Gemessene Mittelwerte für Radon-Konzentration in der Raumluft von Wohnungen 50 Bq/m3, jedoch mit breiter Streuung. Als kritischer Wert wird derzeit 500 Bq/m3 angesehen. Hauptquelle der Radonzufuhr aus dem Boden. Beseitigung durch Lüften vorzugsweise im Bodenbereich (Keller). 4) In gewerblichen Betrieben treten je nach der Art des Arbeitsprozesses häufig weitere Gase und Dämpfe, manchmal in gefährlicher Menge auf, so dass die in solchen Räumen arbeitenden Personen durch besondere gewerbehygienische Vorschriften geschützt werden. Außerdem existieren für Anlagen eines Gewerbebetriebs die Arbeitsstättenverordnung und die Arbeitsstättenrichtlinien (ASR), die Anforderungen an die einzuhaltenden Bedingungen am Arbeitsplatz enthalten. Das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitssicherheit (BIA) hat in der „Grenzwerteliste 4/2015“ 5) die wichtigsten Grenzwerte zu chemischen, biologischen und physikalischen Einwirkungen zusammengestellt, die für die Sicherheit der Gesundheit am Arbeitsplatz von Bedeutung sind. TRGS 900 „Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz“ TRGS 903 „Biologische Arbeitsplatztoleranzwerte“ TRGS 905 „Verzeichnis krebserzeugender, erbgutverändernder oder fortpflanzungsgefährdender Stoffe“ TRGS 906 „Verzeichnis krebserzeugender Tätigkeiten und Verfahren“ sowie Grenzwerte für sämtliche heute bekannte Belastungen in Innenräumen (Lärm, Vibration, thermische Belastungen, Strahlung, Elektrizität, biomechanische Belastungen und Hinweise zu biologischen Einwirkungen). Wesentliche Aspekte zu Risiken sind in der „Gefahrstoff-Verordnung“ zusammengestellt. Weitere Erläuterungen, insbesondere zur Aktualisierung, s. Abschnitt 1.1.1-2.2.

1) 2) 3) 4)

5)

Kasten, F. et al.: BMFT-Forschungsbericht T84–125. VDI 2078:2015-06. Wanner, H. U.: TAB (1983), Nr. 8, S. 645–648. Urban, M.: Ki (1984), Nr. 12, S. 507–512. Empfehlung der Strahlenschutzkommission, Bundesanzeiger vom 8.1.86 und CCI 2/86. Indoor Air. An Integrated Approach. Elsevier London (1995), dort u. a.: S. 123: Atzmüller, Steinhäusler: Radon … in Indoor Environments. S. 178: Steinhäusler: Radon. IFA-Report 4/2015, Grenzwertliste 2015. IFA = Institut für Arbeitsschutz der Deutschen gesetzlichen Unfallversicherung (früher BIA). Beim Hauptverband der Berufsgenossenschaften weitere Literaturstellen.

1.1.1 Luft

9

Diese umfassenden Kataloge werden bereits hier angesprochen, obwohl nicht alle dieser inzwischen erforschten Problempunkte über die Außenluft und daher meteorologisch einwirken. Die wesentlichen gesetzlichen Vorschriften sind in der TA Luft zusammengefasst. 1)

1.1.1-2.2

Staub 2)

Definition Unter Staub versteht man in der Luft verteilte, disperse Feststoffe beliebiger Form, Struktur und Dichte, die nach Feinheit unterteilt werden können (Grobstaub >10 μm, Feinstaub 1…10 μm, Feinststaub < 1 μm). Teilchengrößen messbar etwa zwischen 0,02 und 1000 μm. Feinstaub folgt bei der Bewegung in ruhender Luft nicht den Fallgesetzen (Schwebstoff), sondern setzt sich mehr oder weniger langsam ab. Seine Fallgeschwindigkeit in ruhender Luft von 20 °C wird nach dem Gesetz von Stokes ermittelt (Tafel 1.1.1-3). v = 3 · 104 · ρ · d 2 v

= Fallgeschwindigkeit in m/s = Dichte in kg/m3 d = äquivalenter Durchmesser in m Teilchen unter 0,1 μm werden als Kolloidstaub bezeichnet, ihre Bewegung ist ähnlich derjenigen von Molekülen (Brown’sche Bewegung), sie gehorcht nicht dem Gesetz von Stokes. Sichtbar sind nur Teilchen > 20…30 μm.

ρ

Tafel 1.1.1-3 Äquivalenter ∅ in μm 10 1 0,1

Fallgeschwindigkeiten von Staubteilchen in Luft von 20 °C nach dem Gesetz von Stokes

Fallgeschwindigkeit in cm/s ρ = 1000 kg/m 0,3 0,003 0,00003

3

ρ = 2000 kg/m 0,6 0,006 0,00006

Fallweg je Stunde in m 3

ρ = 1000 kg/m3 ρ = 2000 kg/m3 10,8 0,108 0,00108

21,6 0,216 0,00216

Weitere Definitionen Ruß: Fein verteilter, meist geflockter fast reiner Kohlenstoff, der bei unvollkommener Verbrennung entsteht; lästig durch Schmutzbildung. Korrosiv, Größe etwa 1 μm und mehr. Rauch: Aus Verbrennungen herrührende luftfremde Stoffe, enthaltend Asche, Ruß, teerige und flüssige Bestandteile, Metallverbindungen, Wasser, Gase und Dämpfe. Durchmesser der Teilchen 0,01…1,0 μm (Charakteristikum: Rückkondensation aus der Gasphase und nachträgliche Agglomeration). Aerosole: Feste oder flüssige Stoffe in feinster Verteilung (dispers) in einem Gas, Größe 10–4 bis 102 μm 3). (Von Kleinionen bis Pflanzenpollen). Dunst: Sichtvermindernde Anhäufung feinster Teilchen in der Luft.Sichtweite < 1 km. Korngröße meist < 1 μm. Flugstaub: Feste Bestandteile des Auswurfs aus Schornsteinen (sollten heute praktisch nur noch bei Einzelfeuerstellen mit festen Brennstoffen zeitweise auftreten). Nebel: Fein verteilte Wassertröpfchen in der Luft, Größe ca. 1 bis 50 μm. Sichtweite 100

steril keimarm

Trinkwasserqualität anzustrebende Qualität in Wäschern, Kühltürmen

1000…10000

normales Wachstum

Reinigung oder Desinfektion erforderlich

> 100000

verstärkter Befall

Hohes Infektionsrisiko

Krankheitserregend ist nur ein sehr geringer Teil der Keime, die meisten gehen beim Eintrocknen schnell zugrunde. Krankheitsübertragung durch die Luft daher verhältnismäßig selten, insbesondere aber Gefahr durch Tröpfchen, die beim Husten und Niesen erzeugt werden. Die pathogenen (krankheitsübertragenden) Bakterien sind die Ursachen vieler Infektionskrankheiten wie Pest, Cholera, Diphtheritis, Tuberkulose u.a. Viren sind

1) 2)

3)

Deutsche gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) (Hrsg.): Gefahrstoffliste (Gefahrstoffe am Arbeitsplatz). IFA-Report 1/2014, Berlin — weitere Informationen: www.DGUV.de/IFA. TRGS 910 „Risikobezogenes Maßnahmenkonzept für Tätigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen“. Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS). Grundbekanntmachung GMBl, Feb. 2014, Nr. 12, S. 258–270. Letzte Änderung: GMBl, 2014, Nr. 64, S. 1313. (GMBl = Gemeinsames Ministerialblatt des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS). Schütz, H.: Klimatechn. (1970), Nr. 4. S. 12–29. Wanner, H. U.: CCI (1971), Nr. 9. Indoor Air. An Integrated Approach. Elsevier, London 1995.

1

14

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

krankheitserregende Keime von sehr geringer Größe, etwa 0,01…0,1 μm. Sie erzeugen im menschlichen Körper Krankheiten wie Grippe, Masern u. a. Blütenstaub, Pollen führen bei manchen Menschen zu Allergien. Solche Menschen werden in klimatisierten Räumen durch Filtern der Außenluft geschützt und fühlen sich dann wohler. Andererseits wird vermutet, dass in Filtern in Verbindung mit erhöhter Luftfeuchte und auch aus der Erde von Grünpflanzen Schimmelpilze austreten, die Allergien hervorrufen können 1). Filterstandzeiten sind daher nicht nur nach der Staubbelastung zu bemessen, sondern die Filter sollten grundsätzlich nach maximal 1–2 Jahren getauscht werden. Auch in den Räumen selbst können Schimmelpilze und Hausstaubmilben entstehen, wobei Feuchtigkeit das Wachstum hemmt oder fördert 2). Durch Klimaanlagen wurden bakterielle Erreger der Legionärskrankheit aerogen übertragen 3). Die Krankheit kann tödlich verlaufen. Die Erreger (Legionellen) haben ihr Wachstumsoptimum zwischen 32…42 °C. Bei 65 °C werden sie inaktiviert. Sie werden mit Aerosolen von Kühltürmen, Luftwaschern weitertransportiert und können so bei fehlender Kontrolle und mangelhafter Hygiene mit der Anlagenzuluft in Nutzräume gelangen. Da es immer wieder tödliche Unfälle gab, wurden regelmäßige Kontrollen zwingend. VDI 2047 zeigt Wege zu einwandfreiem Betrieb 4). Sie vermehren sich auch in Brauchwasseranlagen bei niedrigen Temperaturen (siehe Abschnitt 4.3.7). Abhilfe: Sorgfältige Auswahl des Ortes der Außenluftansaugung, Reinigung und Desinfektion des Luftwaschers bzw. Kühlturms (UV-Desinfektion), Vermeiden von Wasserlachen im Kanalsystem. Filterung der Luft nur mit Schwebstoffiltern wirksam. Regelmäßige Reinigung von Luftwäschern, Kanalstrecken hinter Dampfbefeuchtern, Kühler und Kühltürmen mit Dampf oder Desinfektionsmitteln. Diese können als mikro-biocider Wirkstoff bei Wäschern und Kühltürmen auch ständig beidosiert werden. Bei Wäschern dann allerdings Abschlämmrate begrenzen, damit sich ausreichende Wirkstoff-Konzentration einstellen kann. UV-C-Strahler (Wellenlänge 253,7 nm) töten die Keime wirksam ab, wenn Trübung des Wassers begrenzt bleibt (ausreichende Eindringtiefe für die Strahlung). Auch bei hoher Ausgangskeimzahl (104…5 · 104 Keime je ml) werden sowohl bei warmem (34…47 °C) wie bei kaltem Wasser Reduktionsfaktoren > 6 Zehnerpotenzen mit UV-Dosen von 13…16 mJ/m2 erreicht 5). Bekämpfung der Staubkeime durch 1. UV-Strahler, z. B. Lüftungsgeräte mit eingebauten Strahlern, oder direkte Anordnung der Strahler im Raum; Strahlenschäden möglich, daher letzte Lösung vermeiden. 2. Vernebelung oder Verdampfung von Chemikalien wie Triaethylenglykol (TAG). 3. Hochwirksame Schwebstoffilter bei der Luftzuführung, evtl. in Verbindung mit Elektrofiltern. Verwendung jedoch nur in Sonderfällen wie Operationssälen, sterilen Laboratorien u. a.

1.1.1-2.4

Kondensationskerne

Unter Kondensationskernen versteht man kleine in der Luft enthaltene Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 0,01…0,1 μm, an denen sich der Wasserdampf bei Übersättigung der Luft niederschlägt. Diese Kerne gehorchen infolge ihrer Kleinheit nicht mehr dem Stokes’schen Fallgesetz. Man fasst sie als in der Luft gelöste oder suspendierte Körper auf und bezeichnet das Ganze als ein kolloidales System. Entstehung der Kondensati-

1) 2) 3)

4) 5)

GB-Report (1987), Nr. 11, S. 7–8. Elixmann, J. H.: CCI (1989), Nr. 4, S. 18–25. N.N.: HLH (1988), Nr. 11, S. 525–526. Schulze-Röbbecke et al.: CCI (1986), Nr. 12, S. 4–5. N.N.: CCI (1985), Nr. 10, S. 17–18; CCI (1988), Nr. 3, S. 31. Scharmann, R.: Rationelle Energieverwendung (1987), Nr. 4. S. 14–15. Bahmann: GB-Report 3/1988, S. 14. Seidel, K. et al.: Legionellen. Schriftreihe des Vereins für Wasser-Boden-Lufthygiene, Verlag Gustav Fischer, Stuttgart 1987. FLT-Stellungnahme 1989 (FLT, Ffm.). Kryschi, R.: Hygienisch einwandfreier Betrieb von Verdunstungskühlern – die neue VDI 2047. Vortrag auf Tagung VDI-GBG 2015, Trier. Martiny, H. et al.: Zentralblatt für Hygiene 188 (1989), S. 35–46 (Verlag Gustav Fischer, Stuttgart). Kryschi, R.: Ges.-Ing. (1988), Nr. 4, S. 190–195.

1.1.2 Lufttemperatur

onskerne nicht mehr durch mechanische Zerkleinerung, sondern durch chemische oder physikalische Vorgänge: Kondensation und Sublimation. Rauch und Nebel sind solche kolloidale Systeme. Man erklärt den Rauch als eine kolloidartige Verteilung von festen Körpern und den Nebel als eine ebensolche Verteilung von flüssigen Körpern in der Luft. Manchmal sind auch in der Luft Salzkerne aus dem Salz des Meerwassers enthalten, namentlich Kochsalz. Zahl der Kerne außerordentlich groß und veränderlich, größenordnungsmäßig etwa bei reiner Luft 100 Mio. je m3 (108/m3), bei Stadtluft das Mehrfache. Häufig sind die Kondensationskerne elektrisch positiv oder negativ geladen. Man spricht dann von Ionen und unterscheidet der Größe nach Klein-, Mittel- und Großionen. Kleinionen entsprechen in ihrer Größe den Molekülen (etwa 0,1 nm = 10–8 cm), während die Großionen bereits unter den Begriff des Staubes (etwa 1 μm = 10–4 cm) fallen, von dem sie sich jedoch durch ihre elektrische Ladung unterscheiden.

1.1.1-3

Vermeidung von Verunreinigungen

Die Luftqualität wird – wie bei der Erläuterung der Verunreinigungen (s. Abschnitt 1.1.12) gezeigt – durch eine Vielzahl von Vorgängen bestimmt (Verbrennungsvorgänge in Gebäuden, im Verkehr, zur Stromerzeugung und sonstige vielfältige Emissionen). Da sich als eine wichtige Ursache des derzeit zu beobachtenden Klimawandels das Kohlendioxid herausgestellt hat, wird nun weltweit versucht, die Emissionen dadurch zu reduzieren, dass man immer größere Anteile des Energieverbrauchs aus regenerativen Quellen speist (Wind, Wasser, Biomasse, Erdenergie, Solarenergie). Die Bilanzen für Deutschland sind durchaus ermutigend. Aus einer Studie des Umweltbundesamtes 1) geht hervor, dass im Jahre 2007 bereits 7 bis 10 % der Gesamtenergie emissionsfrei erzeugt werden konnte. Die diesbezüglichen Maßnahmen werden vom Gesetzgeber immer weiter verschärft, und auch wenn 2009 noch kein internationaler Durchbruch auf der Klimakonferenz Kopenhagen erreicht wurde, ist die Richtung zu mehr regenerativen Energiekomponenten vorgegeben. Hier soll dieser aktuelle Hinweis genügen (siehe auch Abschnitt 1.9).

1.1.2

Lufttemperatur

Durch das Zusammenwirken der verschiedenen klimatischen Elemente wie Lufttemperatur, Feuchte, Niederschläge, Sonnenstrahlung, Wind usw. entsteht das „Wetter“. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, nennt man es „Klima“.

1.1.2-1

Mittelwerte der Temperatur

Die an einem Ort herrschende Temperatur zeigt über der Zeit als Maßstab aufgetragen einen täglichen und jährlichen wellenförmigen Gang, der durch den wechselnden Sonnenstand verursacht ist 2). Einen recht genauen Überblick über die Wetterverläufe gibt die DIN 4710 im Hinblick auf Energiebedarfsrechnungen. Die 1. Ausgabe von 1982 wurde inzwischen durch die 2. Ausgabe 1. 2003 ersetzt. Alle weiteren Erläuterungen sind in dieser Ausgabe auf die neue Norm bezogen. Hinweis: Die beispielhaft hier herangezogene Station Potsdam wird auch als repräsentativ für Berlin angesehen. Die DIN 4710 wird seit 2013 neu überarbeitet, wobei dann zusätzlich die heutigen Berechnungsverfahren mit Testreferenzjahren Berücksichtigung finden werden, in einer Neuberechnung aus 2010. Um die Temperaturen miteinander zu vergleichen, bildet man Temperaturmittel und unterscheidet dabei:

1)

2)

Memmler, M.; Mohrbach, E.; Schneider, S.; Dreher, M.; Herbener, R.: Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger – Durch Einsatz erneuerbarer Energien vermiedene Emissionen im Jahr 2007. Umweltbundesamt Dessau, 2009. Jurksch, G.: HLH (1976), Nr. 1, S. 5–9. Christoffer, J.; Dehne, K.; Masuch, J.: Erläuterungen zur DIN 4710. HLH 54 (2003), Nr. 12; HLH 55 (2004), Nr. 1/2. DIN 4710 „Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland“, 01-2003.

15

1

16

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

a) die mittlere Tagestemperatur, die aus stündlichen Ablesungen der Temperatur zu ermitteln ist. Praktisch bestimmt man allerdings das Mittel tm häufig durch drei Ablesungen um 7, 14 und 21 Uhr nach der empirischen Formel t 7 + t 14 + 2 ⋅ t 21 t m = ------------------------------------- . 4 Der tageszeitliche Verlauf ist hauptsächlich durch die Bewölkung beeinflusst. Bild 1.1.2-1 zeigt den Verlauf an heiteren, bewölkten und bedeckten (frühere Bezeichnung: trüb) 1) Tagen sowie den Mittelwert über alle Tage, der etwa zwischen bedeckt und bewölkt liegt. An heiteren Tagen liegen die Temperaturen im Sommer höher, im Winter tiefer. Die Wertein Bild 1.1.2-4 beziehen sich auf alle Tage unabhängig von der Bewölkung. DIN 4710:2003-01 gibt die Daten als Mittelwerte 1961–1990 an. Temperaturmaxima Mai/ Sept, Apr/Okt ähnlich, Temperaturspitzen in Sept und Okt kürzer.

Bild 1.1.2-1. Tagesgang der Lufttemperatur im Januar bzw. Juli an bedeckten, bewölkten und heiteren Tagen in Potsdam. Weitere Monate und Orte für Deutschland s. DIN 4710:2003-01.

Bild 1.1.2-2. Jahresgang der mittleren Monatstemperatur in Potsdam (DIN 4710).

Bild 1.1.2-3. Mittlere Temperaturverteilung für verschiedene Höhenlagen. 100-jähriges Mittel für Österreich. (Quelle: H. Felkel u. H. Herbsthofer)

1)

Neue Bezeichnung „bedeckt“ für mittleren täglichen Bedeckungsgrad des Himmels > 7/8 gemäß DIN 4710:2003-01.

1.1.2 Lufttemperatur

17

Abnahme der Temperatur mit der Höhe ≈ 6,5 K je 1000 m (siehe Abschnitt 1.1.1-1). Genauere Werte für Österreich siehe Bild 1.1.2-3. Beispiel: Ende August liegt in 500 m ü. M. die Temperatur bei 15 °C, in 1500 m Höhe bei 10 °C. b) die mittlere Monatstemperatur, die sich als Mittelwert für alle Tage abhängig von der Bewölkung errechnet (Bild 1.1.2-2 mit Beispiel Potsdam) sowie die mittlere Monatstemperatur für verschiedene Städte (Bild 1.1.2-5), (Tafel 1.1.2-1). c) die Jahrestemperatur als Mittelwert der zwölf mittleren Monatstemperaturen (Tafel 1.1.2-1).

Bild 1.1.2-4. Mittlerer täglicher Temperaturverlauf in Potsdam (aus DIN 4710).

Tafel 1.1.2-1

Mittlere Monats- und Jahreswerte der Temperatur in °C sowie der Feuchte (Wassergehalt) in g/kg trockener Luft

Ort 1

Bild 1.1.2-5. Jährlicher Gang der mittleren Monatstemperatur in verschiedenen Städten.

Jan

Bremerhaven

1,0 3,8

Feb 1,5 3,8

Mrz 4,0 4,3

Apr 7,4 5,0

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

12,1 6,6

15,2 8,3

16,7 9,4

16,8 9,3

14,2 8,3

10,3 6,8

Nov 5,6 5,1

Dez 2,4 4,2

Jahr 9,0 6,2

°C g/kg

2

Rostock-Warnemünde

0,2 3,6

0,7 3,6

3,1 4,0

6,3 4,8

11,3 6,4

14,9 8,3

16,7 9,4

16,7 9,4

13,9 8,1

9,9 6,6

5,2 4,9

1,9 4,0

8,4 6,1

°C g/kg

3

Hamburg-Fuhlsbüttel

0,3 3,6

0,9 3,6

3,6 4,0

7,1 4,7

11,9 6,2

15,2 7,8

16,5 8,9

16,5 8,9

13,5 7,9

9,6 6,4

5,0 4,8

1,7 4,0

8,5 5.9

°C g/kg

4

Potsdam

–2,0 3,0

–0,4 3,2

3,3 3,6

8,4 4,6

13,6 6,3

17,3 8,2

18,5 8,9

17,7 8,8

14,1 7,8

9,4 6,2

3,8 4,4

–0,3 3,4

9,5 6,0

°C g/kg

5

Essen

2,7 3,9

2,8 3,8

5,2 4,3

7,3 5,0

11,1 6,5

13,9 8,2

15,3 9,1

15,6 9,1

13,6 8,2

10,5 6,7

5,8 5,0

3,6 4,2

8,1 6,2

°C g/kg

–1,6 3,5

–0,9 3,4

2,2 4,0

5,8 4,6

10,5 6,3

13,4 7,9

15,2 8,8

15,0 8,8

12,0 7,8

7,9 6,3

2,6 4,6

–0,3 3,8

6,8 5,8

°C g/kg

0,1 3,5

1,1 3,5

4,2 4,0

8,1 4,8

12,7 6,4

15,8 8,0

17,3 8,8

17,1 8,8

13,9 7,9

9,5 6,3

4,4 4,6

1,4 3,8

8,8 5,9

°C g/kg

6

Bad Marienberg

7

Kassel

8

Braunlage

–2,3 3,2

–1,8 3,1

0,8 3,6

4,6 4,4

9,5 5,9

12,7 7,5

14,2 8,2

14,2 8,3

11,1 7,4

7,3 5,9

2,0 4,3

–1,1 3,5

6,0 5,4

°C g/kg

9

Chemnitz

–1,2 3,1

–0,6 3,1

3,5 4,0

6,5 4,6

12,0 6,3

14,6 7,9

16,3 8,6

16,5 8,7

13,1 7,6

9,4 6,0

3,6 4,4

1,0 3,7

7,9 5,7

°C g/kg

1

18

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.2-1

10

Mittlere Monats- und Jahreswerte der Temperatur in °C sowie der Feuchte (Wassergehalt) in g/kg trockener Luft (Forts.)

Ort

Jan

Feb

Hof

–3,0 3,1

–2,0 3,2

Mrz 1,4 3,8

Apr 5,5 4,6

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

10,4 6,2

13,6 7,8

15,3 8,5

14,9 8,5

11,8 7,5

Okt

Nov

Dez

7,3 5,9

1,8 4,2

–1,6 3,4

Jahr 6,3 5,6

°C g/kg

11

Fichtelberg

–5,1 2,8

–4,8 2,8

–2,4 3,4

1,3 4,1

6,3 5,6

9,5 7,0

11,2 7,7

11,2 7,8

8,2 6,8

4,5 5,1

–0,9 3,7

–3,9 3,0

3,0 5,0

°C g/kg

12

Mannheim

1,1 3,7

2,5 3,7

6,0 4,3

9,9 5,1

14,3 6,8

17,4 8,5

19,3 9,3

18,8 9,4

15,4 8,3

10,4 6,6

5,2 4,8

2,2 3,9

10,2 6,2

°C g/kg

13

Passau

–2,5 3,1

–0,5 3,3

3,4 4,0

8,0 5,0

12,7 6,8

15,6 8,6

17,3 9,5

16,8 9,6

13,5 8,3

8,4 6,2

2,7 4,4

–1,1 3,4

7,9 6,0

°C g/kg

14

Stötten

–2,2 3,3

–1,1 3,4

2,1 3,9

5,9 4,7

10,3 6,3

13,4 8,0

15,6 8,8

15,3 8,9

12,5 7,8

7,9 6,1

2,3 4,3

–1,0 3,5

6,8 5,8

°C g/kg

15

Garmisch-Partenkirchen

–2,9 3,0

–1,1 3,2

2,3 3,7

6,4 4,7

10,9 6,4

13,9 8,1

15,9 9,2

15,4 9,3

12,7 8,0

8,0 6,0

2,0 4,1

–2,4 3,2

6,8 5,8

°C g/kg

Athen

8,6 5,2

9,4 5,3

11,9 6,1

15,3 7,3

20,0 9,3

24,4 10,9

27,3 11,1

26,9 10,6

23,5 10,4

19,4 9,3

14,1 8,0

10,5 6,0

17,6 10,0

°C g/kg

London

3,4 4,5

4,3 4,2

5,6 4,7

8,9 5,1

12,1 6,3

15,7 7,5

17,3 8,3

16,7 8,5

14,2 7,8

9,9 6,8

6,1 5,2

4,0 4,5

9,9 6,2

°C g/kg

Madrid

4,5 4,7

6,3 4,5

8,5 4,6

11,7 5,8

15,9 6,8

20,4 7,7

24,7 8,3

24,2 8,6

19,1 8,2

13,2 7,0

8,2 5,5

4,3 4,6

13,4 6,3

°C g/kg

Moskau

–11,0 1,2

–9,6 1,4

–4,8 2,0

3,4 2,0

12,0 5,8

15,2 7,5

18,6 9,3

15,7 8,5

10,4 6,2

3,6 4,1

–2,4 2,7

–8,2 1,7

3,6 4,5

°C g/kg

2,5 3,8

3,9 3,8

6,2 4,5

10,3 5,0

13,4 6,8

16,9 7,8

18,6 9,3

18,0 9,1

15,0 8,2

10,3 6,8

6,0 4,8

2,9 4,2

10,3 4,7

°C g/kg

Europa

Paris

7,0 5,0

8,2 5,3

10,4 5,6

13,7 7,0

17,9 8,5

21,8 10,5

24,5 11,6

24,1 11,8

20,8 10,8

16,6 8,7

11,6 6,5

8,1 5,3

15,4 7,7

°C g/kg

Warschau

Rom

–4,2 2,7

–2,8 2,7

0,8 3,0

7,0 4,7

12,9 6,3

16,9 8,8

18,4 9,7

17,5 9,8

13,4 7,5

7,9 6,2

–1,6 4,5

–2,3 3,7

7,3 5,8

°C g/kg

Wien

–1,0 2,8

1,0 3,1

5,1 3,8

9,9 4,8

14,5 6,8

18,0 8,5

19,6 9,3

18,9 9,3

15,4 7,8

9,9 6,0

4,9 4,1

1,1 3,3

9,8 5,8

°C g/kg

23,1 13,2

22,5 12,6

20,4 12,1

16,3 9,6

12,8 8,0

9,8 6,8

9,4 6,8

10,6 7,1

12,8 7,6

15,5 8,8

18,8 10,5

21,6 12,2

16,1 9,6

°C g/kg

Übrige Welt Buenos Aires Djakarta

25,4 17,6

25,4 17,8

25,8 18,1

26,2 18,5

26,4 18,1

26,0 17,7

25,8 17,1

25,9 16,3

26,2 16,8

26,3 17,2

26,0 17,3

25,7 17,3

25,9 17,6

°C g/kg

Havanna

22,0 12,3

22,5 12,3

23,5 12,7

24,9 14,2

26,0 15,8

27,5 17,6

28,0 18,3

27,9 18,5

27,3 18,1

26,1 16,5

24,2 14,2

22,5 12,5

25,2 15,2

°C g/kg

New York

–0,8 2,2

–0,5 3,0

2,9 4,3

9,4 4,5

15,5 6,8

20,1 9,9

22,8 11,9

22,5 11,4

19,1 9,8

13,3 6,8

6,7 4,6

1,5 3,0

11,1 6,5

°C g/kg

Rio de Janeiro

25,2 15,5

25,7 15,7

24,9 15,5

23,2 14,0

21,8 12,7

20,4 11,8

19,2 11,3

20,4 11,3

20,5 11,9

21,5 12,5

22,8 13,6

24,8 14,6

22,7 13,4

°C g/kg

9,7 6,0

10,8 6,2

11,8 6,6

12,2 7,2

13,3 7,3

14,1 8,3

14,0 9,0

14,4 9,2

15,3 9,3

15,1 8,3

13,0 7,3

10,5 5,8

12,8 7,6

°C g/kg

Santiago

San Francisco

20,4 8,2

19,5 8,0

16.9 7,5

13,7 6,7

10,6 6,1

7,6 5,2

7,9 5,2

9,2 5,5

11,0 5,8

13,8 6,7

16,8 7,0

19,2 7,5

13,9 6,6

°C g/kg

Sydney

22,0 11,3

21,8 11,4

20,7 11,1

18,2 10,0

14,8 8,1

12,6 7,0

11,5 5,8

12,8 6,7

15,1 7,2

17,6 8,0

19,4 9,0

21,1 10,3

17,3 8,8

°C g/kg

Tokio

3,0 3,0

3,8 3,1

6,9 4,0

12,5 6,5

16,6 8,8

20,5 12,0

24,2 15,3

25,4 16,3

21,9 13,5

16,8 9,0

10,3 5,8

5,2 3,7

13,8 8,3

°C g/kg

*) Aus

DIN 4710:2003-01 Tab. 4.x.4, und 5.x.4 und anderen Quellen.

d) Für manche Berechnungen ist die Frage wichtig, an wieviel Tagen oder Stunden im Jahr die Tagestemperatur über oder unter einem bestimmten Wert liegt. Hierzu werden die Summenhäufigkeitskurven (oder Jahresdauerlinien) 1) verwendet, Beispiel Bild 1.1.2-6. Das Bild enthält auch die Häufigkeit bezogen auf die Tageszeit von 6 bis 18 Uhr. Dieser Verlauf ist wichtig bei zeitlich eingeschränkter Betriebsdauer von Heizungs- oder Klimaanlagen. DIN 4710 enthält in Tabelle 3 für die 15 Stationen Deutschlands die t, xKorrelationen sowohl für 24 h als auch für die 12 h von 6–18 Uhr.

1)

DIN 4710 „Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland“, 01-2003. Siehe auch: Felkel, H.; Herbsthofer, H.: Klimadaten für Österreich.

1.1.2 Lufttemperatur

19

1 Bild 1.1.2-6. Summenhäufigkeit der Außentemperaturen in Berlin. Beispiel: Zahl der Stunden unter 15 °C bezogen auf 24 h: 6400 h bezogen auf 6…18 h (12 Stunden/Tag): 2900 h.

1.1.2-2

Extremwerte der Temperatur

Man unterscheidet die absoluten und die mittleren Extremwerte der Temperatur. Absolutes Temperatur-Maximum bzw. -Minimum ist die höchste bzw. geringste jemals gemessene Temperatur eines Ortes. Mittleres Maximum bzw. Minimum ist der Mittelwert der Maxima oder Minima in einer längeren Reihe von Jahren. Extremwerte im Stadtkern von Großstädten infolge Dunsthaube im Winter 2…4 K höher als am Stadtrand, im Sommer 1…2 K. Mittelwerte etwa die Hälfte. Außerdem je nach Bebauung erhebliche Temperaturunterschiede. Über Straßen kann die Lufttemperatur in 2,5 m Höhe bei Sonnenstrahlung durchaus um 8 bis 10 K höher liegen als über Grasflächen (Mikroklima) 1). Bei den Angaben der Wetterstationen ist auch deren Höhenlage zu berücksichtigen. In USA werden durch ASHRAE 2) Prozentwerte der Häufigkeit angegeben. Eingebürgert haben sich Messpunkte auf der Summenhäufigkeitslinie, die zu 99 %, 97,5 % oder 95 % der Zeit (Winter) bzw. 5 %, 2,5 % oder 1 % der Zeit (Sommer) überschritten werden. Neuerdings werden diese Daten für 4.422 Stationen weltweit auf CD ROM mitgeteilt. Während die mittleren Temperaturen in der Heizungs- und Klimatechnik für den Wärme- und Kälteverbrauch bestimmend sind, sind die mittleren Extremwerte für die Bemessung der Apparate wie Heizkörper, Kühler usw. maßgebend (Tafel 1.1.3-3). Für manche Zwecke sind auch Angaben über Zahl der warmen und kalten Tage (Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten) erwünscht (Tafel 1.1.2-5 und Tafel 1.1.2-6). Für Deutschland sind die winterlichen Auslegungswerte der Temperatur nunmehr für alle Orte mit mehr als 20000 Einwohnern im Beiblatt 1 zu DIN EN 12831 3) festgelegt. Sie entsprechen den früher in DIN 4701-2 festgelegten Werten. (Niedrigster Zweitagesmittelwert, der im Zeitraum von 20 Jahren 10-mal erreicht oder unterschritten wurde). Lediglich der Hinweis auf „windstarke Lage“ ist entfallen. Die sommerlichen Auslegungswerte sind in VDI 2078 (Kühllastregeln) für die dort definierten 4 Klimazonen (Küste, Binnenland 1, Binnenland 2, südwestdeutsche Flusstäler) mit 29, 31, 32, 33 °C festgelegt (Richtlinie in Überarbeitung). Da diese Richtlinie sich bisher nur mit der sensiblen Kühllast befasst, wird dort nur ein grober Hinweis für die Festlegung der Feuchte gegeben (xmax = 12 g/kg tr.L.). S. zur weiteren Präzisierung 1.1.3-5. Bei den Grenzwertbetrachtungen zur Auslegung von Komponenten und Anlagen ist man in Deutschland zu anderen Konsequenzen als in Amerika gekommen. Man empfiehlt nur eine sehr geringe Überschreitungshäufigkeit von 0,1 % bei den winterlichen und sommerlichen Außenlufttemperaturen (s. VDI 4710 Blatt 3). 4)

1) 2) 3) 4)

Gertis, K.; Wolfseher, U.: Ges.-Ing. (1977), Nr. 1/2, S. 1–10. ASHRAE-Fundamentals, 2014. DIN EN 12831 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“, 08-2003; Beiblatt 1, 04-2004. VDI 4710 Blatt 3 „Meteorologische Grundlagen für die technische Gebäudeausrüstung. t, x-Korrelationen der Jahre 1991–2005 für 15 Klimazonen in Deutschland“, 03-2011, besonders Abschnitt 6.

20

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.2-7. Darstellung der Heizperiode für Berlin-Dahlem.

Heizgradtage (Gradtagzahl Gt) 1)

1.1.2-3

Um den Wärmeverbrauch in einer Heizperiode zu ermitteln, zu kontrollieren und zu vergleichen, hat man in der Heizungstechnik den Begriff der Gradtagzahl Gt eingeführt. Diese ist das Produkt aus der Zahl der Heiztage und dem Unterschied zwischen der mittleren Raumtemperatur und der mittleren Außentemperatur, also z

Gt =

 ( t i – tam ) 1

worin Gt = Gradtagzahl der Heizperiode in Kd/a z = Zahl der Heiztage in der Heizperiode vom 1.9. bis 31.5. ti = mittlere Raumtemperatur = 20 °C tam = mittlere Außentemperatur eines Heiztages Heiztage sind Tage, an denen das Tagesmittel der Außentemperatur unter 15 °C liegt. Tafel 1.1.2-2

Heiztage und Gradtagzahlen für deutsche Städte

Ort

September bis Mai Heizt. z

Berlin-Dahlem Bremen-Flughafen Düsseldorf Essen Frankfurt (Stadt) Hamburg-Flughafen Hannover-Flughafen Karlsruhe Stuttgart (Stadt) Kiel München-Flughafen *)

252 256 245 249 242 259 257 242 244 262 255

Juni bis Aug.

Jahresminimum*)

Mittl. Temp. °C

Gradt.

Heizt.

Gradt.

t20

t10

Gt

z

Gt

°C

°C

4,9 5,6 6,5 6,1 6,0 5,2 5,3 5,9 6,0 5,5 4,1

3809 3703 3300 3470 3387 3837 3782 3409 3434 3813 4046

23 30 22 32 14 35 32 14 18 36 30

155 205 139 216 91 241 216 88 121 234 219

–12 –10 –8 –9 –10 –10 –11 –10 –11 –8 –15

–12 –12 –10 –10 –10 –12 –14 –12 –12 –10 –16

t20 = 20mal in 20 Jahren, t10 = 10mal in 20 Jahren

Graphisch wird die Heizperiode eines Jahres durch die schraffierte Fläche in Bild 1.1.2-7 dargestellt, wobei als mittlere Raumtemperatur ti = 20 °C (früher 19 °C) und als Grenztemperatur für Beginn und Ende der Heizung tam = 15 °C (früher 12 °C) angenom1)

Jurksch, G.: HLH (1975), Nr. 2, S. 63–65; HLH (1976), Nr. 1, S. 5–9.

1.1.2 Lufttemperatur

21

men sind. Bei neuen Gebäuden mit Vollwärmeschutz wird die Tendenz wieder umkehren. Die Heizgrenze kann wegen der niedrigen spezifischen Bedarfswerte auf 12 oder sogar 10 °C sinken. Inzwischen sind zu den Gradtagen neue Richtlinien erschienen, einmal eine Grundsatzrichtlinie DIN EN ISO 15927-6, 2007-11 1), in der lediglich die Regeln zur Datenzusammenstellung auf europäischer Ebene fixiert wurden – vom CEN TC 89.WG9, der meteorologischen Arbeitsgruppe der Bauphysik, in der auch der Deutsche Wetterdienst mitarbeitet. Für deutsche Belange in der Tagesarbeit wichtiger ist die VDI-Richtlinie VDI 4710,2, 2007-5 2), die auf Basis der vom Deutschen Wetterdienst (DWD) erarbeiteten 15 Stationsdaten der DIN 4710-2003 präzisiert wurde. Hier wurde von der bisherigen Festlegung einer einheitlichen Heizgrenztemperatur und Raumtemperatur (s. Fußnote 1 auf S. 20) abgewichen und eine flexible Grenze eingeführt, um auf die heute sehr unterschiedlichen Bauten reagieren zu können. Eine ausführliche Erläuterung zur Entwicklung der Gradtagsdefinitionen findet man in 3). Hier sei nur darauf hingewiesen, dass man von der Winterbetrachtung zu einer Ganzjahresbetrachtung gekommen ist und nur noch eine Heizgrenze betrachtet. Da der DWD in seinen Analysen nach wie vor die klassischen Grenzen 15/20 °C auswertet, wurde klargestellt, dass diese Interpretation der neuen Jahresheizgrenze von 19,4 °C entspricht. Die Auswertungen der meteorologischen Unterlagen, die an der Universität Stuttgart (Prof. Bach, Dr. Dipper) durchgeführt wurden, geben für die 15 Stationen der DIN 4710 (Datensatz 1961–1990) den Zusammenhang zwischen den Gradtagszahlen und der variabel zu verstehenden Heizgrenze an. Bei den aktuellen Richtlinien mit t,x-Korrelationen (VDI 4710 Blatt 1, 3 und 4) sind neben den Auslegungstemperaturen und -enthalpien auch Gesamtauswertungen vorgenommen – u.a. auch für Gradtage mit unterschiedlichen Grenztemperaturen. Diese sind nicht, wie klassisch definiert, über Tagesmittelwerte berechnet, sondern über die Stundenwerte. Sie sind jedoch im Wesentlichen äquivalent mit den Ergebnissen der VDI 4710 Blatt 2. Diese neue notwendige Variabilität hängt zusammen mit der Entwicklung der Bautechnik, die es erforderlich macht, so unterschiedliche Bauten wie ein Passivhaus, einen Standard-Neubau nach EN-EV oder auch ein Schwimmbad zu bewerten. Bei einem Passivhaus kann die Heizgrenze sehr tief angesetzt werden. Die Daten der VDI 4710 Blatt 2 geben die Gradtagszahlen für Heizgrenzen zwischen +6 °C und +28 °C an, letztere z. B. für eine Schwimmbadanwendung. Welche Heizgrenze jeweils sinnvoll einzusetzen ist, bedarf noch einiger Erfahrung. In Tafel 1.1.2-2 und Tafel 1.1.2-3 sind auch die Heiztage eingetragen. Anwendung zur Berechnung des Wärmeverbrauchs von Heizungsanlagen. Die niedrigsten Gradtagzahlen unter 3400 treten am Nieder- und Oberrhein auf, die höchsten (> 4500) auf Berghöhen. Tafel 1.1.2-3

Heiztage und Gradtagzahlen für Österreich, Heizgrenz-/Raum-Temperatur 16/22 °C

Ort

Oktober bis April Heiztage

Innsbruck Salzburg Wien

1)

2) 3)

212 212 212

Mittl. Temp. °C 3,2 3,1 3,4

Mai bis Sept.

Gradtage

Heiztage

Gradtage

4010 3985 3720

69 75 51

540 565 415

Jahresminimum °C –18 –18 –15

DIN EN ISO 15927-6 „Wärme- und feuchteschutztechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung und Darstellung von Klimadaten – Teil 6: Akkumulierte Temperaturdifferenzen (Gradtage)“, 11-2007. VDI 4710 Blatt 2 „Meteorologische Daten in der technischen Gebäudeausrüstung, Gradtage“, 05-2007. Masuch, J.: Eine neue Definition von Heizgradtagen nach VDI 4710-2. HLH 57 (2006), Nr. 12, S. 52–54.

1

22

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.2-4

Mittlere Jahrestemperatur tm, Jahresmaxima tmax und -minima tmax für außerdeutsche Städte

Ort

tm °C

tmax °C

tmin °C

Ort

tm °C

tmax °C

tmin °C

Djarkata Havanna Kairo London Los Angeles Madrid Moskau New York

25,9 25,2 21,1 9,9 16,7 13,4 3,6 11,1

33,7 35,3 43 31 38 40 31 35

20 12,8 2 – 8 1,0 – 8 –31 –17

Paris Rio de Janeiro Rom Santiago San Francisco Sydney Warschau Wien

10,3 22,7 15,4 13,9 12,8 17,3 7,3 9,5

34 36 35 34,8 32,6 38 32 33

–11 +13 – 3 – 2,7 2,8 4 –18 –15

Tafel 1.1.2-5

Zahl der warmen und kalten Tage im Jahr

Ort

Mittlere Zahl der Tage mit tmax

Berlin-Dahlem Bremen Dresden Essen-Mühlheim Frankfurt a. M. Halle a. d. S. Hamburg Hannover Karlsruhe Kiel-Holtenau Köln-Leverkusen Magdeburg München Tafel 1.1.2-6

≥ 30 °C

≥ 25 °C

≤ 0 °C

≤ –10 °C

5,7 1,9 6,5 3,1 7,2 5,9 1,4 2,6 8,1 0,0 3,8 8,4 2,5

30,5 17,1 35,8 21,9 38,7 33,9 13,3 21,9 40,7 5,0 27,0 37,9 20,5

23,2 17,9 19,1 10,3 16,5 20,6 20,3 19,6 17,1 22,8 7,9 21,3 38,8

0,3 0,4 0,5 0,1 0,2 0,5 0,1 0,3 0,4 0,0 0,1 0,6 2,2

Zahl der jährlichen Stunden mit einer Temperatur über t in °C*)

Ort 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 *)

Bremerhaven Rostock-Warnemünde Hamburg-Fuhlsbüttel Potsdam Essen Bad Marienberg Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Passau Stötten Garmisch-Partenkirchen

berechnet nach DIN 4710:2003-01

t

22

24

26

28

207 148 279 490 345 179 403 142 298 238 26 682 473 191 350

106 73 152 291 185 80 227 61 150 119 8 413 276 81 184

48 33 73 158 87 30 111 19 62 49 2 228 137 25 76

18,8 14,4 30,1 75,0 35,5 8,7 48,8 3,4 20,4 14,2 1,6 111,9 52,4 6,8 22,9

30

32

5,5 0,8 4,8 0,8 9,7 1,6 30,2 8,0 10,7 1,8 1,0 – 16,8 3,9 0,1 – 4,1 1,0 2,6 0,1 – – 46,8 13,8 14,5 2,4 1,3 0,3 5,9 1,3

34 °C – – 0,1 1,2 0,1 – 0,6 – 0,1 – – 2,8 0,3 – 0,4

h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a

1.1.2 Lufttemperatur

1.1.2-4

23

Lüftungsgradstunden GL

Bei der Ermittlung des Wärmebedarfes von Lüftungsanlagen kann man ebenfalls den Begriff der Gradtage verwenden. Um die Betriebszeiten einer Lüftungsanlage (z. B. Theaterlüftung in den Abendstunden) korrekt mit der zugeordneten Außentemperatur in Beziehung zu setzen, sollte man aber besser Lüftungsgradstunden einführen. Lüftungsgradstunden GL sind das Produkt der Lüftungsstunden mit der Differenz von Zulufttemperatur zur zugehörigen momentanen Außenlufttemperatur. Z hH

GL =

1

 ( t zu – t a ) ≈ zhH · (tzu–tam) 1

mit GL = Lüftungsgradstunden in Kh/a zhH = Zahl der Lüftungsstunden im Heizfall = Zulufttemperatur tzu = momentane Außentemperatur für alle Lüftungsstunden mit tzu >ta ta tam = mittlere Außentemperatur im Zeitbereich „Heizung“. Die für die Heizung vorgesehene Grenztemperatur (z. B. 15 °C) kommt hier nicht zum Tragen, da eine Lufterwärmung stets auf die gewünschte Zulufttemperatur (oder Raumtemperatur) erforderlich ist. Aus Tafel 1.1.2-7 können für Berlin die jährlichen Lüftungsgradstunden bei beliebigen Tageszeiten entnommen werden. Die Werte wurden aus der in DIN 4710 gegebenen Definition für drei Tagesgänge ermittelt. Bedingt durch die Mittelwertbildung in DIN 4710 ergeben sich insbesondere bei kleinen Zulufttemperaturen geringe Fehler (< 5 %). Für die Betriebszeit 6–18 Uhr (12 Stunden) oder durchgehend können die Lüftungsgradstunden auch direkt über die Temperatur-Einzelhäufigkeitsdarstellung in DIN 4710 ermittelt werden. Bei durchgehendem 24-stündigem Betrieb können monatsweise Analysen mittels des Beiblatts 1 aus DIN 4710 erfolgen 1). Tafel 1.1.2-7

Jährliche Lüftungsgradstunden GL in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*)

Betriebszeit von 0.00 bis ...

18

19

20

21

22

23

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

4136 8379 12731 17172 21664 26114 30262 34158 37708 40910 43932 46640

4502 9110 13826 18633 23491 28305 32818 37076 40945 44443 47744 50728

4867 9840 14922 20094 25317 30497 35375 39996 44223 48024 51621 54894

5232 10571 16018 21555 27143 32688 37932 42917 47504 51705 55545 59115

5597 11301 17114 23016 28969 34880 40489 45839 50789 55348 59525 63400

5963 12032 18209 24477 30796 37071 43045 48761 54076 58996 63531 67749

1)

Zulufttemperatur in °C

DIN 4710 Beiblatt 1 „Korrelation Lufttemperatur – Luftfeuchte nach Monatssummen“, 01-2003.

24

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.2-7

Jährliche Lüftungsgradstunden GL in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*) (Forts.)

Betriebszeit von 0.00 bis ...

18

19

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00

49205 51703 54224 56842 59626 62618 65824 69212 72830 76614 80528 84586

53547 56282 59038 61896 64940 68211 71709 75425 79398 83544 87821 92243

*)

Zulufttemperatur in °C 20 57990 61000 64032 67166 70489 74053 77859 81918 86253 90762 95404 100191

21 62505 65806 69127 72522 76171 80033 84171 88591 93289 98163 103169 108321

22 67087 70683 74299 78020 81937 86119 90601 95384 100445 105684 111056 116573

23 71757 75654 79568 83591 87840 92365 97208 102354 107781 113385 119122 125004

Berechnet nach DIN 4710:2003-01

Multipliziert man GL mit der spez. Wärmekapazität der Luft cp = 1,0 kJ/kg K, so erhält man den zur Erwärmung von 1 kg/h Luft erforderlichen jährlichen Wärmebedarf Q: Q = GL · cp in kJ/a = GL · cp/3600 in kWh/a. Auf 1 kg/s Luft bezogen lautet die Formel Qs = GL · cp ≈ GL in kWh/a. Beispiel: Die Zahl der jährlichen Lüftungsgradstunden für eine täglich von 8 bis 18 Uhr in Betrieb befindliche Lüftungsanlage mit einer Zulufttemperatur von 22 °C ist nach Tafel 1.1.2-7: GL = 86119–45839 = 40280 Kh/a. Jährlicher Wärmebedarf je kg/s: Qs = 40280 kWh/a.

1.1.2-5

Kühlgradstunden GK

Lüftungsgradstunden für höhere Außentemperaturen (Kühlfall) werden Kühlgradstunden genannt. Unter Kühlgradstunden GK versteht man das Produkt aus der Zahl der Kühlstunden und der Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Außentemperatur und einer bestimmten Zulufttemperatur. Auch hier ist es zweckmäßig, die Kühlgradstunden auf bestimmte Tageszeiten zu beziehen. Man erhält dann die Werte von Tafel 1.1.2-8. Es handelt sich nur um die sensible Luftkühlung. Mit Rücksicht auf die Mittelwertbildung der Temperaturen pro Stunde über 30 Jahre in DIN 4710 ergibt sich durch das Tagesgangverfahren ein Fehler, der mit höherer Zulufttemperatur in Tafel 1.1.2-8 ansteigt. Der Fehler für GK ist bei tzu ≤ 16 °C kleiner als 10 %, bei tzu = 18 °C etwa 20 %. Die tatsächlichen Werte sind entsprechend größer. Es sei darauf hingewiesen, dass auch hier für 24-stündigen Betrieb der Anlagen das Beiblatt 1 der DIN 4710 die monatsweisen Angaben enthält und dass für Betrieb von 6 bis 18 Uhr und 24-stündigen Betrieb die Jahreswerte in den Einzelhäufigkeitsdarstellungen der DIN 4710 vorliegen (dort Tab. 3.x.1 und 3.x.2).

1.1.3 Luftfeuchte

Tafel 1.1.2-8

25

Jährliche Kühlgradstunden GK in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*)

Betriebszeit von

Zulufttemperatur in °C

0.00 bis ...

14

16

18

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

52 76 83 85 86 95 189 453 883 1507 2294 3203

1 1 1 1 1 1 2 92 315 671 1166 1772

0 0 0 0 0 0 0 7 80 251 518 861

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00

4205 5273 6352 7407 8373 9195 9818 10237 10521 10725 10871 10972

2463 3215 3982 4727 5390 5931 6316 6534 6641 6689 6713 6722

1276 1750 2238 2708 3111 3413 3611 3681 3698 3703 3706 3708

*)

Berechnet nach DIN 4710:2003-01

Die latente Last ergibt sich aus den Entfeuchtungs- und Befeuchtungs-Grammstunden. Vorteilhafter und in der Praxis eingebürgert hat sich allerdings für energetische Berechnungen die Verwendung von Enthalpiedifferenzen. Auf Wunsch stellen die Meteorologen die entsprechenden Auswertungen zur Verfügung. Grundsätzlich lassen sie sich für 24 h oder die Zeit von 6 bis 18 Uhr aus den Einzelhäufigkeiten der DIN 4710 berechnen.

1.1.3

Luftfeuchte

Während der in der Luft enthaltene Wasserdampf in der Heizungstechnik kaum eine Rolle spielt, hat er desto größere Bedeutung in der Klimatechnik. Die für die Praxis wichtigen Belange der Luftbefeuchtung sind in VDI 3803 Blatt 3 zusammengestellt. 1)

1.1.3-1

Bezeichnungen

Die Größe des Wasserdampfgehaltes der Luft kann man auf vier verschiedene Arten angeben, nämlich a) durch die relative Luftfeuchte ϕ (%) b) durch die Feuchtkugeltemperatur tf (°C) c) durch den Teildruck pD des Wasserdampfes in der Luft (mbar) d) durch den Wassergehalt x bezogen auf 1 kg trockener Luft (kg/kg tr.L. oder g/kg tr.L.).

1)

VDI 3803 Blatt 3 (Entwurf) „Verfahren der Luftbefeuchtung – Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung“, 05-2014.

1

26

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Angaben über den Wasserdampfgehalt nach a) oder b) sind für viele Anwendungen unzweckmäßig, da ohne Angabe der dazugehörigen Lufttemperatur die Zahlen wenig sagen. ϕ und tf ändern sich mit der Lufttemperatur, auch wenn der absolute Wassergehalt der Luft gleich bleibt. Besser ist es, den Feuchtegehalt nach c) oder d) anzugeben. Allerdings gibt es eine Reihe von Fällen (z. B. Bearbeitung von organischen Materialien wie Textilien, Holz, Papier, Tabak), in denen die Einhaltung einer bestimmten relativen Feuchte gefordert wird. In den meteorologischen Tafeln wird meist der Dampfdruck angegeben, während in den Rechnungen der Klimatechnik am besten der Wert von x (meteorologisch: Mischungsverhältnis) zu verwenden ist. Beide Werte sind leicht nach den in Abschnitt 1.3.4 gemachten Angaben miteinander zu überführen. Im Bereich von 0 bis 40 °C ist dem Zahlenwert nach: Wasserdampfgehalt x ≈ 0,62 pD.

1.1.3-2

Mittlere Feuchte

Ebenso wie die Außentemperatur unterliegt auch die absolute Feuchte der Außenluft einer jährlichen und, wenn auch geringen, täglichen Periode. Die Schwankung im Tagesdurchschnitt ist so gering, dass man praktisch den mittleren täglichen Dampfdruck als konstant während des ganzen Tages annehmen kann, wenn sich nicht gerade das Wetter (die Luftmasse) ändert. Die relative Feuchte zeigt natürlich eine Periode, da sie von der Lufttemperatur abhängig ist (Bild 1.1.3-1). Im jährlichen Verlauf zeigen sowohl der Dampfdruck und Wassergehalt der Luft wie die relative Feuchte deutliche Schwankungen, ähnlich denen der Temperatur. Dabei erscheint das mittlere Maximum des Dampfdruckes im Gebiet von ganz Deutschland im Juli mit etwa 14 bis 16 mbar (x = 8,7…9,9 g/kg tr.L.), das mittlere Minimum im Januar mit etwa 4 bis 5 mbar (2,5…3,1 g/kg), s. Bild 1.1.3-1 und Bild 1.1.3-2 sowie Tafel 1.1.2-1. Aus Bild 1.1.3-3 ersieht man, dass der Mittelwert des Wassergehaltes der Luft xm = 5,8 g/ kg tr.Luft beträgt. Dieser Wert gilt annähernd für ganz Deutschland. In DIN 4710 erkennt man die betreffenden Werte für 15 Stationen. Die Schwankungsbreite auch unter Berücksichtigung extremer Stationen beträgt 5,0 (Fichtelberg) bis 6,2 g/kg tr.L. (Bremerhaven, Essen, Mannheim)

Bild 1.1.3-1. Mittlerer Tagesgang der Feuchte im Januar und Juli in Berlin-Dahlem.

Bild 1.1.3-2. Jährlicher Gang des Dampfdruckes der Luft in verschiedenen Städten.

Nimmt man an, dass ein Wassergehalt von 8 g/kg entsprechend etwa 22°/50 % rel. F. für die Behaglichkeit am günstigsten ist, so muss also in Klimaanlagen die Luft an 71 Tagen des Jahres entfeuchtet und an 294 Tagen befeuchtet werden, sofern in den Räumen selbst keine Feuchtequellen vorhanden sind. Allerdings reduziert man in der Praxis diesen Aufwand durch Ausnutzung eines relativ breiten Toleranzbandes zwischen etwa 5 und 10 g/kg tr.L.

1.1.3 Luftfeuchte

1.1.3-3

27

Entfeuchtungs- und Befeuchtungsgrammstunden

Wie bei der Heizung und Kühlung die Begriffe Heiz- und Kühlgradtage bzw. -stunden verwendet werden, kann man sinngemäß bezüglich des Wassergehaltes der Luft die folgenden Ausdrücke verwenden: Befeuchtungsgrammtage sind das Produkt aus der Zahl der Befeuchtungstage und dem Unterschied zwischen einem Wassergehalt der Raumluft von x = 8 g/kg und dem mittleren Wassergehalt der Außenluft. Sinngemäß sind die Befeuchtungsgrammstunden definiert. Aus Bild 1.1.3-4 ergeben sich durch Planimetrieren die Befeuchtungsgrammstunden zu Gf = 22039 gh/kg tr.L/a = 22039/24 = 918 Befeuchtungsgrammtage pro Jahr. Entfeuchtungsgrammtage sind sinngemäß das Produkt aus der Zahl der Entfeuchtungstage und dem Unterschied zwischen dem Wassergehalt der Raumluft von x = 8 g/kg und dem mittleren Wassergehalt der Außenluft. Aus Bild 1.1.3-4 ergeben sich die Entfeuchtungsgrammstunden: Gtr = 3310 gh/kg tr.L/a = 3310/24 = 138 Entfeuchtungsgrammtage pro Jahr. Diese Berechnung lässt sich für die 15 Stationen der DIN 4710 problemlos durchführen, wobei doch markante Unterschiede auftreten. Potsdam zeigt gegenüber dem alten Bezug Berlin höhere Entfeuchtungsstunden.

Bild 1.1.3-3. Mittlerer Wassergehalt der Luft in Berlin. Der Wert 8 g/kg entspricht dem Luftzustand 22 °C/50% rel. Feuchte.

Bild 1.1.3-4. Häufigkeitskurve des Feuchtegehalts der Luft in Potsdam (DIN 4710: 2003-01).

Beispiel: Bei 10 h Betrieb pro Tag an 250 Tagen im Jahr 10 250 G tr = 3310 ⋅ ----- ⋅ -------- = 3310 ⋅ 0 ,285 = 943 gh/kg tr.L./a 24 365 10 250 G f = 22039 ⋅ ----- ⋅ -------- = 22039 ⋅ 0 ,285 = 6281 gh/kg tr.L./a 24 365 2500 Mit der Verdampfungswärme von hD = 2500 kJ/kg Wasser = ----------- = 0,7 kWh/kg wird 3600 je kg/h Luft die jährliche Entfeuchtungsleistung (latente Kühlleistung) Q = 943 · 0,7/1000 = 0,660 kWh/kg/a

1

28

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Befeuchtungsleistung (latente Heizleistung) Q = 6281 · 0,7/1000 = 4,397 kWh/kg/a Für anderen Feuchtegehalt können die Werte für Gtr und Gf aus Tafel 1.1.3-1a (Daten 1961–1990) entnommen werden, in Tafel 1.1.3-1b sind die neuen leicht geänderten Daten 1991–2005 zugrunde gelegt. Tafel 1.1.3-1a Entfeuchtungsgrammstunden Gtr und Befeuchtungsgrammstunden Gf in gh/kg tr.L./a für Potsdam in Abhängigkeit vom Zuluftfeuchtegehalt bei 24-h-Betrieb nach DIN 4710:2003-01 (Wetterdaten 1961–1990) Zuluftfeuchtegehalt x in g/kg tr.L. 24 h Gtr Gf

5

6

7

8

9

10

11

12

– 5862

9045 10242

5693 15657

3310 22039

1755 29251

835 37097

353 –

132 –

Nachdem inzwischen neue Wetterdaten von 1991–2005 verfügbar sind (s. Tafel 1.1.3-4), ist die Tafel 1.1.3-1b gleichartig zu -1a entsprechend den neuen Daten zusammengestellt. Tafel 1.1.3-1b Entfeuchtungsgrammstunden Gtr und Befeuchtungsgrammstunden Gf in gh/kg tr.L./a für Potsdam in Abhängigkeit vom Zuluftfeuchtegehalt bei 24-h-Betrieb nach VDI 4710.3, März 2011 (Wetterdaten 1991–2005) Zuluftfeuchtegehalt x in g/kg tr.L. 24 h Gtr Gf

5

6

7

8

9

10

11

12

– 5106

10740 9190

7042 14258

4272 20254

2396 27144

1231 34746

561 –

220 –

Man erkennt, dass durch den Klimawandel auch eine Feuchteerhöhung eintritt, die die Befeuchtungswerte leicht reduziert und die Entfeuchtungswerte erhöht.

1.1.3-4

Extremwerte der Feuchte

Die Minimalwerte des Dampfdruckes treten an besonders kalten Tagen auf. Bei einer Außentemperatur von –20 °C stellt sich der Dampfdruck, selbst wenn die Luft voll gesättigt ist, nur auf etwa 0,6 mbar ein. Demgegenüber treten die Maximalwerte der Feuchte an regnerischen Tagen im Sommer auf, namentlich an Tagen mit Gewitterregen. Zahlenmäßig erreicht bei uns der Dampfdruck dabei Werte bis etwa 23 mbar. In tropischen Gegenden treten Werte von etwa 35 bis 40 mbar auf.

1.1.3-5

Temperatur und Feuchte 1)

Wesentlich für die Lufthygiene und Klimatechnik ist die bei einer bestimmten Temperatur gleichzeitig auftretende Feuchte (s. Tafel 1.1.3-2). Genaue Korrelationen zwischen Luftfeuchte und Temperatur für 15 deutsche Städte gibt DIN 4710:2003-01 Tab. 3 (siehe Tafel 1.1.3-3). Man benötigt diese Angaben, wenn die Luft infolge zu hoher Feuchte getrocknet werden soll oder auch bei der Errechnung der Verdunstungskühlung. Prüft man daraufhin die gleichzeitig gemessenen Werte der Temperatur und Feuchte nach, so zeigt sich, dass an den Tagen maximaler Temperatur die Feuchte sich meist in normalen Grenzen hält, während die Maximalwerte der Feuchte an solchen Tagen auftreten, an denen

1)

Jüttemann, H.; Schaal, G.: HLH (1982), Nr. 10, S. 355–360. Masuch, J.: HLH (1982), Nr. 11, S. 387–393.

1.1.3 Luftfeuchte

29

sich die Temperatur in normalen Grenzen hält. Der maximale Wärmeinhalt der Luft (Enthalpie), d. h. die Summe der trockenen und feuchten Anteile, ist in beiden Fällen annähernd gleich. Es ist also nicht zutreffend, dass an besonders heißen Tagen die Luft auch einen besonders hohen Feuchtegehalt hat. Tafel 1.1.3-2

Auslegedaten Temperatur und Feuchte für verschiedene Orte der Erde*) (tr = Trockenkugeltemperatur, tf = Feuchtkugeltemperatur)

Ort

Seehöhe m

Winter ttr in °C

Europa Athen Berlin Brüssel Budapest Bukarest Hamburg Helsinki Istanbul Kopenhagen Lissabon London Madrid Marseille Moskau Neapel Nizza Oslo Paris Prag Rom Sevilla Sewastopol Stockholm Valencia Wien Zürich

107 40 100 150 80 30 10 70 10 100 40 650 70 140 60 12 30 50 200 50 30 30 50 25 200 490

Afrika Accra (Ghana) Addis Abeba Alexandria Algier Casablanca Dakar Daressalam Durban Elisabethville Freetown Johannesburg Kairo Kapstadt

27 2450 30 60 230 20 15 5 1230 10 1750 110 10

Sommer ttr in °C

tf in °C

–2 –15 –10 –12 –20 –15 –24 –4 –13 +3 –1 –4 –6 –30 –2 0 –17 –10 –16 –1 — –12 –19 –1 –15 –16

36 32 30 33 32 28 27 34 28 34 28 36 33 31 35 30 27 32 332 36 40 34 27 33 33 29

22 21 21 21 22 19 19 23 20 22 19 22 22 21 24 23 19 21 19 2 2 — 19 24 21 20

19 –3 5 +3 +2 15 17 10 2 18 –3 4 4

33 27 38 37 33 36 33 35 35 33 30 40 34

27 19 24 26 25 23 28 24 21 27 21 22 22

*) ASHRAE Fundamentals 2014. Köppen: Grundriss der Klimakunde, Berlin 1931, IHVE-Guide 1970/72. DKV-Arbeitsblatt 0–20 und 0–21 (Deutscher Kältetech. Verein). Quenzel: Meteorologische Daten, 1969. Verschiedene andere Quellen. Inzwischen sind vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und dem VDI mit der Richtlinienreihe VDI 4710 weltweit präzise Auslegungsdaten unter Berücksichtigung des Klimawandels (im allg. Daten 1991–2005) erarbeitet worden, siehe dazu die Tafel 1.1.3-5 und Tafel 1.1.3-6.

1

30

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-2

Auslegedaten Temperatur und Feuchte für verschiedene Orte der Erde*) (tr = Trockenkugeltemperatur, tf = Feuchtkugeltemperatur) (Forts.)

Ort

Lagos (Nigeria) Léopoldville Marrakesch Mombassa Nairobi Oran Tanger Teneriffa Timbuktu Tunis Tripolis Windhuk Asien Aden Ankara Bagdad Bangkok Basra Djarkata Beirut Bombay Chunching Delhi Hanoi Hongkong Jerusalem Kalkutta Kanton Kuwait Manila Mukden Saigon Seoul Shanghai Singapore Teheran Tokio Wladiwostok Australien Brisbane Melbourne Sydney

Sommer

Seehöhe m

Winter ttr in °C

ttr in °C

tf in °C

3 320 470 15 1800 100 70 60 250 65 20 1700

20 16 3 – 7 – – 10 8 +2 4 0

33 35 41 33 28 35 33 31 47 39 39 33

28 28 – 26 18 26 24 – – 25 27 19

7 850 60 10 10 30 10 230 220 15 30 750 10 – 5 10 70 10 87 10 0 1200 20 20

17 –14 4 16 4 20 4 16 3 4 8 6 –2 10 15 4 17 – 20 –14 –1 18 –5 –3 –25

39 35 45 36 33 33 33 34 36 40 36 33 35 38 35 45 35 35 33 32 36 32 35 33 30

29 20 23 28 28 26 26 28 27 24 30 28 21 28 28 31 28 26 28 26 28 28 22 26 22

40 30 40

+4 0 5

32 35 35

25 21 23

*) ASHRAE Fundamentals 2014. Köppen: Grundriss der Klimakunde, Berlin 1931, IHVE-Guide 1970/72. DKV-Arbeitsblatt 0–20 und 0–21 (Deutscher Kältetech. Verein). Quenzel: Meteorologische Daten, 1969. Verschiedene andere Quellen. Inzwischen sind vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und dem VDI mit der Richtlinienreihe VDI 4710 weltweit präzise Auslegungsdaten unter Berücksichtigung des Klimawandels (im allg. Daten 1991–2005) erarbeitet worden, siehe dazu die Tafel 1.1.3-5 und Tafel 1.1.3-6.

1.1.3 Luftfeuchte

Tafel 1.1.3-2

31

Auslegedaten Temperatur und Feuchte für verschiedene Orte der Erde*) (tr = Trockenkugeltemperatur, tf = Feuchtkugeltemperatur) (Forts.)

Ort

Seehöhe m

Winter ttr in °C

Amerika – Nord Bermuda Boston Cleveland Chicago Dallas Detroit Honolulu Houston Los Angeles Miami Montreal New Orleans New York Ottawa Pittsburgh Quebec San Francisco Toronto Washington

10 15 205 190 225 195 5 60 165 5 55 5 130 105 280 90 50 100 40

Mittel- u. Südamerika Bogota Buenos Aires Guatemala Havanna (Cuba) La Paz Lima Manaos Maracaibo Mexiko City Montevideo Nassau Panama Rio dde Janeiro Santiago de Chile San Juan P. R. São Paulo Valparaiso

2650 20 1500 25 3600 120 40 5 2300 10 5 5 60 520 10 780 40

Sommer ttr in °C

tf in °C

15 –18 –20 –23 –12 –23 15 –7 2 2 –23 –7 –18 –23 –20 –26 6 –23 –18

31 33 35 35 38 35 28 35 32 33 30 35 35 31 35 30 29 31 35

24 24 24 24 26 24 23 26 21 26 23 26 24 23 24 23 18 26 26

–1 –1 7 15 –2 15 20 21 2 2 13 21 13 2 20 4 8

21 35 31 32 23 31 35 35 26 33 32 31 32 32 32 31 27

18 24 23 26 14 24 27 28 16 23 27 26 26 20 26 24 20

*) ASHRAE Fundamentals 2014. Köppen: Grundriss der Klimakunde, Berlin 1931, IHVE-Guide 1970/72. DKV-Arbeitsblatt 0–20 und 0–21 (Deutscher Kältetech. Verein). Quenzel: Meteorologische Daten, 1969. Verschiedene andere Quellen. Inzwischen sind vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und dem VDI mit der Richtlinienreihe VDI 4710 weltweit präzise Auslegungsdaten unter Berücksichtigung des Klimawandels (im allg. Daten 1991–2005) erarbeitet worden, siehe dazu die Tafel 1.1.3-5 und Tafel 1.1.3-6.

1

32

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Korrelation Lufttemperatur t / Wasserdampfgehalt x für das Jahr; Potsdam; Messwerte: 24 Stunden/Tag. Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntel); stündliche Messungen des Zeitraumes 1961 bis 1990 (Tabelle 3.4.1 aus DIN 4710:2003-01)

Tafel 1.1.3-3

t/x 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 –0 –1 –2 –3 –4 –5 –6 –7 –8 –9 –10 –11 –12 –13 –14 –15 –16 –17 –18 –19 –20 –21 –22 –23 –24 SUM

0

1

2

0

1 1

1 0 0 1 1 0 0 2 2 3 2 3 6 11 23 34 26 24 7 6 1 0 2 1 156

0 0 3 4 3 4 7 7 6 12 10 19 28 36 42 62 79 101 139 175 272 395 446 302 181 219 156 117 76 38 4

3.045

0 0 1 1 2 5 3 5 10 11 16 27 28 36 53 66 76 93 103 133 174 207 270 392 515 848 1.308 1.230 894 620 427 152 8

7.715

3

1 1 0 1 2 1 3 2 4 5 8 11 17 23 37 51 59 63 74 85 112 139 161 229 276 360 513 664 947 1.375 2.073 3.091 1.996 1.350 451

14.195

4

5

6

7

1 1 1 1 2 2 3 3 7 16 15 19 29 33 56 69 100 107 136 170 189 222 244 323 364 515 700 961 1.476 2.164 2.522 1.910 990 24

1 0 2 3 7 10 8 14 23 31 51 55 71 98 121 153 166 214 239 269 330 416 470 603 710 979 1.347 1.908 1.559 753 20

1 2 4 8 10 16 19 30 42 69 86 101 143 173 214 271 295 376 421 485 577 716 818 1.027 1.391 1.602 1.044 134

1 5 6 11 19 33 45 63 72 101 139 167 209 238 302 367 413 485 574 698 810 936 1.277 1.489 749 62

13.373

10.629

10.074

9.270

8 3 1 4 7 15 19 32 40 65 81 96 119 157 178 218 268 323 362 456 525 630 702 946 1.338 686 42

9 1 3 2 8 20 29 33 46 66 77 105 124 149 197 210 248 303 340 390 495 643 945 839 109

7.311

5.381

Beispiel: t = 6 °C; x = 5 g Wasserdampf (WD)/kg trockener Luft (tr.L.) Der Zustand t = 6 bis 6,9 °C Lufttemperatur und x = 5 bis 5,9 g WD/kg tr.L. tritt im Mittel 1.908 Zehntel Stunden oder 190,8 Stunden/Jahr auf.

1.1.3 Luftfeuchte

33

Fortsetzung Tafel 1.1.3-3 10 1 1 5 9 17 19 33 44 61 87 92 116 129 147 185 202 257 263 357 454 641 264 1

11

12

13

1 3 6 6 14 21 29 42 58 64 86 94 110 120 131 163 195 315 313 38

1 3 3 7 12 16 18 26 28 41 45 54 58 72 76 94 170 113 8

0 2 4 8 9 9 12 16 15 21 24 26 28 29 42 56 25

3.385

1.808

845

326

14

15

2 3 3 2 7 12 5 8 9 9 10 13 19 4

0 2 1 2 2 1 3 5 4 3 3 2

106

27

16

17

18

0

1 2 1 1 1 1 1

0 0 1 0

8

2

0

0

19

SUM 5 7 21 47 90 132 186 262 369 464 578 748 916 1.079 1.311 1.542 1.909 2.244 2.647 3.033 3.391 3.606 3.781 3.849 3.638 3.663 3.431 3.457 3.450 3.462 3.658 3.726 3.672 3.513 3.361 3.543 2.553 2.260 1.839 1.339 1.033 795 699 547 456 304 283 221 159 122 87 61 38 26 24 7 6 1 0 2 1 87.656

1

34

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-4

Korrelation zwischen Lufttemperatur t in °C und Wasserdampfgehalt x in g WD/kg tr. Luft für das Jahr. Potsdam, Zeitraum 1991 bis 2005

Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntelstunden), 24 stündliche Messwerte je Tag t/x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 38 1 1 37 1 1 1 36 1 1 1 2 1 35 1 3 2 1 34 3 1 5 7 33 2 7 2 5 32 2 11 9 9 15 31 1 13 13 25 16 30 2 11 15 22 32 35 29 11 27 43 37 42 28 3 22 35 50 63 62 27 1 11 21 41 67 73 65 26 13 29 58 79 102 81 25 1 14 35 67 88 113 130 24 5 27 38 91 99 129 141 23 3 15 45 91 143 159 173 22 3 19 53 94 173 186 201 21 3 13 32 63 107 239 251 223 20 5 14 41 73 148 245 325 273 19 3 17 58 86 187 281 355 329 18 1 4 25 53 109 217 341 443 398 17 2 33 77 143 267 410 522 433 16 13 42 69 181 303 460 581 478 15 1 13 55 89 204 332 564 707 550 14 1 7 55 99 226 366 669 758 718 13 1 15 68 129 281 491 769 853 1.056 12 1 24 87 166 314 612 927 1.321 361 11 3 29 99 197 399 739 1.047 1.157 10 1 3 29 123 260 539 828 1.506 214 9 1 43 169 365 737 1.035 1.021 8 6 50 208 465 965 1.441 171 7 10 71 221 697 1.281 1.170 6 8 88 268 954 1.859 333 5 11 105 403 1.316 1.789 4 8 143 587 1.827 1.004 3 14 166 825 2.561 17 2 17 175 1.154 2.223 1 19 225 1.872 1.243 0 23 301 3.271 86 -0 21 454 2.204 -1 36 700 1.377 -2 39 1.025 547 -3 3 72 1.089 15 -4 2 99 798 -5 1 122 600 -6 2 175 363 -7 1 295 109 -8 3 281 -9 1 250 -10 5 156 -11 6 125 -12 2 72 -13 4 58 -14 1 35 -15 10 12 -16 10 -17 13 -18 2 -19 SUM 67 1.976 6.654 13.765 13.112 10.539 9.127 9.449 8.427 5.795 SUMH 67 2.043 8.697 22.462 35.574 46.113 55.240 64.689 73.116 78.911 SUM = Summe; SUMH = Summenhäufigkeit

10

1 1 7 13 15 23 40 46 73 81 107 127 157 153 213 248 273 331 351 438 725 643 25

4.091 83.002

Summenhäufigkeit der sommerlichen Enthalpien (in Zehntelstunden Enthalpie (kJ/kg tr.L.) >=80 >=78 >=76 >=74 >=72 >=70 >=68 >=66 >=64 >=62 >=60 >=58 >=56 >=54 >=52 >=50 >=48 >=46 >=44 >=42 Summenhäufigkeit 1 1 1 1 3 6 18 50 116 228 434 750 1.231 1.840 2.769 3.890 5.503 7.384 9.663 12.750

1.1.3 Luftfeuchte

35

Fortsetzung Tafel 1.1.3-4 Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntelstunden), 24 stündliche Messwerte je Tag 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1 4 4 14 22 23 30 33 53 59 66 100 106 145 163 189 219 257 289 501 219

1 2 2 5 4 15 21 28 37 40 49 61 76 87 104 132 135 194 303 37

1 2 1 3 10 9 17 18 20 32 35 43 45 59 39 68 92 105

1 1 1 5 6 3 7 11 17 11 16 11 22 16 34 25

1 1 1 1 1 5 1 3 5 2 4 7 7

2.497 1.333 599 187 38 85.499 86.832 87.431 87.618 87.656 SUM = Summe; SUMH = Summenhäufigkeit

1 1 1 1 1

4 87.660

1 87.661

Grenzfeuchte (g/kg tr. L.) 5 6 7 Befeuchtungs-Grammstunden (gh/kg tr. L.) 5.106 9.190 14.258 Entfeuchtungs-Grammstunden (gh/kg tr. L.)

SUMH 2 5 11 22 49 80 163 288 481 753 1.121 1.599 2.191 2.911 3.794 4.821 6.021 7.495 9.297 11.357 13.835 16.665 19.768 23.227 26.769 30.457 34.270 37.940 41.443 44.814 48.120 51.570 55.080 58.704 62.273 65.856 66.425 72.784 76.465 79.144 81.257 82.870 84.049 84.948 85.671 86.211 86.616 86.900 87.151 87.313 87.443 87.517 87.579 87.615 87.637 87.647 87.660 87.662 87.662

1 87.662

87.661

9

SUM 2 3 6 11 27 31 83 125 193 272 368 478 592 720 883 1.027 1.200 1.474 1.802 2.060 2.478 2.830 3.103 3.459 3.542 3.688 3.813 3.670 3.503 3.371 3.306 3.450 3.510 3.624 3.569 3.583 3.569 3.359 3.681 2.679 2.113 1.613 1.179 899 723 540 405 284 251 161 131 74 62 36 22 10 13 2 0

10

11

2.396 1.231 561

Grenztem- Gradtage perat. (°C) (Kd) 19 3.696 17 3.081 15 2.516

1

36

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Für Deutschland ergibt sich mit Ausnahme der Küstengegend eine weitgehend homogene Situation, die in VDI 2078 1) durch die konstante absolute Feuchte x = 12 g/kg tr.L. beschrieben ist. Analysiert man die t,x-Diagramme (Tabellen 3 der DIN 4710/2003), so erkennt man, dass sowohl für das Binnenland- als auch für das Flusstalklima hinsichtlich der Enthalpie nur geringe Überschreitungen (6–7 h/a) auftreten, so dass der diesbezügliche Auslegungsvorschlag zunächst beibehalten werden kann: Zone (VDI 2078) 2 Binnenland 1 3 Binnenland 2 4 Flusstäler SW

tmax

tmax

°C 31 32 33

ϕ

tf max

x

kJ/kg

°C

g/kg tr.L.

%

62 63 64

21,4 21,7 22,0

12 12 12

43 40 38

Natürlich ist bei der Kühlerauslegung abhängig von der Konstruktion zu prüfen, ob dieser „trockene“ Auslegungszustand für den Kühler den kritischen Zustand darstellt, denn abhängig vom Rippenabstand kann der Kondensatablauf behindert sein und Leistungseinbußen ergeben. Dann muss ein feuchterer Auslegungspunkt gewählt werden, bevorzugt auf der Linie h = const. Für ϕ = 75 % ergeben sich dann folgende Auslegungswerte: Zone 2 3 4

tmax

hmax

x

ϕ

°C

kJ/kg

g/kg tr.L.

%

24,8 25,0 25,2

62 63 64

14,6 14,8 15,1

75 75 75

Es gibt neuere Arbeiten 2), die die in den letzten Jahren beobachtete Erwärmung der Atmosphäre beachten und auf Basis der letzten 10 Jahre noch höhere Auslegungswerte empfehlen. Inzwischen hat eine Initiative von VDI und VBI dazu geführt, dass der DWD die t,x-Korrelationen für die 15 Stationen der DIN 4710/2003 neu ausgewertet hat, und zwar für die 15 Jahre von 1991 bis 2005. Diese sind als VDI 4710 Blatt 3 3) inzwischen veröffentlicht. Sie zeigen keine starken, doch immerhin spürbare Veränderungen. Tafel 1.1.3-4 zeigt das am Beispiel von Potsdam. Vergleicht man Tafel 1.1.3-3 und -4, so sieht man zunächst: Die Höchsttemperatur steigt von 35 auf 38 °C, die Tiefsttemperatur steigt von –24 auf –18 °C, die Maximalfeuchte steigt von 18 auf 19 g/kg tr.L. Eine Analyse sämtlicher Stationen nicht mit den einzelnen Extremwerten, sondern bei einer zugelassenen geringen Überschreitung von ca. 10 bis 15 h/a (ca. 1–1,5 % aller Stunden) führt auf Werte, die sich bei der Auslegung nur unwesentlich von den bisher anerkannten unterscheiden. Festlegungen dazu werden im Rahmen von DIN- oder VDIArbeitskreisen demnächst getroffen. In der Darstellung der t,x-Korrelationen nach VDI 4710 Blatt 3 sind zusätzliche Informationen wie Gradtagszahlen für verschiedene Grenztemperaturen, sommerliche Enthalpie-Summenhäufigkeiten, Be- und Entfeuchtungsgrammstunden in die Tabellenseiten integriert, was hier am Beispiel Potsdam (Tafel 1.1.3-4 unten) gezeigt wird. Die Unterschiede zu Tafel 1.1.3-1a sind spürbar, aber nicht erheblich. In Tafel 1.1.3-1b sind die neuen Werte dort direkt gegenübergestellt.

1) 2) 3)

VDI 2078:1996-07, S. 25. Im Neudruck VDI 2078: 2015-06 gibt es gleichartige Informationen, etwas verfeinert, s. dort S. 12–15 und Kühllastzonenkarte, Bild B1, S. 122. Albers, K.-J., u. N. Eyrich: TAB (2006), Nr. 3. VDI 4710 Blatt 3: 03-2011.

1.1.3 Luftfeuchte

37

Tafel 1.1.3-5 zeigt die Größenordnung sommerlicher und winterlicher Auslegungspunkte nach obiger Definition für Temperatur, Wasserdampfgehalt und Enthalpie. Die Tafel 1.1.3-5 entstammt dem Weißdruck der VDI 4710 Blatt 3 wobei die Über- oder Unterschreitungen des Grenzwertes etwa zwischen 0,09 und 0,15 % liegen. Das Enthalpie-Niveau passt. Nur Mannheim weicht nach oben ab (h = 67 kJ/kg), die Bergstationen nach unten (Fichtelgebirge mit h = 54 kJ/kg). Tafel 1.1.3-5

Vorschlag aus VDI 4710 Blatt 3 zur Definition von Auslegungspunkten für Außentemperatur und -feuchte sowie Enthalpie abhängig von einem genau definierten Risiko 0,1 % = 8,8 ~ 9 h/a

Repräsentanzstation DIN 4710

Sommerfall t h (°C) (kJ/kg)

Winterfall t (°C)

Bremerhaven

30

63

-10

Rostock-Warnemünde

30

61

-10

Hamburg-Fuhlsbüttel

31

62

-12

Potsdam

33

64

-14

Essen

31

64

-10

Bad Marienberg

29

59

-12

Kassel

32

63

-12

Braunlage

28

58

-15

Chemnitz

31

62

-14

Hof

30

60

-16

Fichtelberg

24

54

-17

Mannheim

34

67

-12

Mühldorf/Inn

32

65

-19

Stötten

29

61

-14

Garmisch-Partenkirchen

31

62

-17

Inzwischen liegen t,x-Korrelationen mit Zusatzauswertungen analog Tafel 1.1.3-4 für eine große Anzahl von Stationen weltweit vor. In Tafel 1.1.3-6 sind entsprechende Auslegungsdaten aus diesen t,x-Korrelationen ausgewertet worden gemäß den in Deutschland eingebürgerten Risikovorstellungen (0,1 % der Stundenzahl wird als Überschreitung zugelassen; s. Tafel 1.1.3-5), und man findet dort die Ergebnisse beispielhaft für 12 europäische Stationen. Es wurde hier nicht auf die nationalen Risiko-Kriterien eingegangen, die z. B. in den USA unterschiedlich sind, aber die weltweit gleichartige Ermittlung der Daten gibt interessante Aufschlüsse über die große Verschiedenartigkeit örtlicher Klimadaten.

1

38

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-6

Auslegungspunkte für Außenlufttemperatur und -enthalpien

Station

Auslegungswerte Sommer t h (°C) (kJ/kg)

Winter t (°C)

Europa 1

Reykjavik, Island

18

41

-11

2

Helsinki, Finnland

29

62

-24

3

Moskau, Russland

31

69

-25

4

Kopenhagen, Dänemark

28

60

-10

5

Warschau, Polen

32

66

-19

6

London, Großbritannien

31

60

-4

7

Paris, Frankreich

34

68

-7

8

Wien, Österreich

34

71

-12

9

Rom, Italien

33

82

-2

10

Madrid, Spanien

38

70

-5

11

Lissabon, Portugal

37

68

+3

Athen, Griechenland

37

80

±0

12

Außereurop. Stationen 1

Fairbanks, Alaska, USA

26

56

-43

2

Los Angeles, USA

32

66

+6

3

New York, USA

36

80

-14

4

Lima, Peru

31

76

+14

5

Buenos Aires, Argentinien

35

80

-1

6

Casa Blanca, Marokko

32

74

+5

7

Pretoria, Südafrika

34

72

+1

8

Abu Dhabi, Arab. Emirate

45

104

+12

9

Madras, Indien

41

92

+19

10

Hongkong, China

33

90

+6

11

Tokio, Japan

35

84

±0

12

Melbourne, Australien

38

66

±0

In Europa hat bei den betrachteten Stationen Madrid die höchste Auslegungstemperatur, Rom die höchste Auslegungsenthalpie und Moskau die tiefste Wintertemperatur. Weltweit ist Abu Dhabi im Sommer extrem und Fairbanks/Alaska im Winter.

1.1.3 Luftfeuchte

Für die Prüfung von Werkstoffen und Geräten in verschiedenen Gebieten der Erde unterscheidet man 4 Freiluftklimate: Kaltes Klima . . . . . . . . . . . . Niedrigstes Monatsmittel Grönland, Sibirien unter –15 °C Gemäßigtes Klima. . . . . . . Monatsmittel zwischen –15 °C Nord- und Mitteleuropa, und +25 °C Nordstaaten der USA Trockenes Klima . . . . . . . . höchstes Monatsmittel Nordafrika, Arabien, Südüber 25 °C staaten der USA Feuchtwarmes Klima . . . . mindestens 1 Monatsmittel Indien, Mittelafrika, über 20 °C und 80% rel. F. Amazonas-Gebiet Ausländische Klimabeispiele siehe Bild 1.1.3-5, siehe unten Hinweise zur VDI 4710-1.

Bild 1.1.3-5. Beispiele von Klimatypen.

Für Wirtschaftlichkeitsrechnungen in der Klimatechnik ist die Häufigkeit der Enthalpiewerte im Jahresverlauf wichtig. Bild 1.1.3-6 zeigt die Summenhäufigkeitskurve für Deutschland, Bild 1.1.3-7 den Jahresgang der mittleren Monatsenthalpie. Bild 1.1.3-8 zeigt weitere zeitlich detaillierte Angaben, wie sie zur Energieverbrauchsberechnung bei der Luftbehandlung benötigt werden.

Bild 1.1.3-6. Summenhäufigkeit (Jahresdauerlinie) der Enthalpie in Deutschland.

39

1

40

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Beispiel: Die Enthalpie h = 33 kJ/kg entsprechend einem Taupunkt von 11,5 °C von Raumluft bei 22 °C/50% rel. Feuchte wird bei 24-h-Betrieb der Anlage an 6300 Stunden im Jahr unterschritten und an 2460 Stunden überschritten (Bild 1.1.3-6).

Bild 1.1.3-7. Jahresgang der mittleren Monatsenthalpie für Deutschland*). *) aus VDI 2071-2:1983-03. Hinweis: Neuauflage der VDI 2071:1997-12 enthält graphisches Näherungsverfahren.

Bild 1.1.3-8. Jahres-Enthalpiestunden für Heizung und Befeuchtung bei 24-h- und 10-h-Betrieb (7 bis 17 Uhr) abhängig vom Grenzwert hfin*). *)

aus VDI 2071-2:1983-03.

Ähnlich wie bei der Temperatur und der Feuchte ist bei der Enthalpie der Begriff der Enthalpiestunden eingeführt worden. Enthalpiestunden sind das Produkt aus der Zahl der jährlichen Stunden und der Enthalpiedifferenz zwischen der Außenluft und einem angenommenen Grenzwert für die Zuluft hfin (Bild 1.1.3-8). Beispiel: Bei hfin = 33 kJ/kg und 24-h-Betrieb sind die Enthalpiestunden in Berlin (Bild 1.1.3-8) kJ h MWh 105000 ----- ⋅ --- =105 ---------------- . kg a a · kg/s Bei einem Luftmassenstrom von 1 kg/s ist demnach die jährliche Energie zur Erwärmung und Befeuchtung der Außenluft auf hfin = 33 kJ/kg Q = 105 MWh/a. Das Bild 1.1.3-8 kann auch durch Planimetrieren der Fläche zwischen der Kurve in Bild 1.1.3-7 und hfin ermittelt werden. Anwendung auch bei der Wärmerückgewinnung. Für die Berechnung der Jahresenergiekosten der Luftbehandlung in Klimaanlagen sind in VDI 2067-21:2003-05 die Methoden zusammengestellt. 1) Wie in dem inzwischen zurückgezogenen Blatt 3 von VDI 2067 hat man auch in Blatt 21 Zonen gebildet, bei denen jeweils bestimmte Prozesse in der Klimaanlage aktiviert sind (z. B. Zone I für Heizen, Befeuchten, Zone II für Kühlen, Zone III für Entfeuchten, Kühlen, Nachwärmen, Zone IV für Nachwärmen allein (s. Bild 1.1.3-9).

1)

VDI 2067-21:2003-05 ersetzt VDI 2067-3:1983-12. Diese Richtlinie gehört zu einer Richtliniengruppe, die die Energiebedarfsberechnungen für alle Bereiche der Gebäudetechnik beschreibt: Grundlagen (Blatt 10), Rechenverfahren (Blatt 11) (wird ersetzt durch generellen Rechenkern in VDI 6007), Energiebedarf für Trinkwassererwärmung (Blatt 12), WW-Heizung (Blatt 20), Raumlufttechnik (Blatt 21) usw., Energieaufwand Verteilung (Blatt 30), Solaranlagen (Blatt 40), Wärmepumpen (Blatt 42), BHKW (Blatt 44), Fernwärme (Blatt 46). Ein Großteil der letzten Blätter ist noch in Vorbereitung. Inzwischen wird an eine generelle Überarbeitung der Richtlinienreihe VDI 2067 gedacht.

1.1.3 Luftfeuchte

41

1

Bild 1.1.3-9. Zoneneinteilung im h, x-Diagramm zur Festlegung der unterschiedlichen Luftbehandlungsprozesse einer RLT-Anlage.

Für jede Zone wird mit der mittleren Enthalpie der Außenluft und der erforderlichen Enthalpiedifferenz für die Luftbehandlung gerechnet. Für 15 deutsche Stationen liegen die Häufigkeiten als Jahressumme für 12 und 24 Stunden, für 24 Stunden auch als Monatssumme, vor. Damit können die Gradtage zur Lufterwärmung oder -abkühlung bzw. die Grammstunden zur Ent- oder Befeuchtung in bezug auf gewünschte Referenzpunkte angegeben werden. Je nach den Luftbehandlungsstufen einer Anlage können die angegebenen Zonen modifiziert bzw. auch weiter unterteilt werden (z. B. entlang Linien konstanter Enthalpie beim Wasser-Luftbefeuchter). In VDI 2067-21 sind sind die Algorithmen für verschiedene Anlagentypen angegeben. Die etwas mühsamere Handrechnung sollte allerdings mittels geeigneter Programme ersetzt werden durch eine flexible Datenauswertung der DIN 4710. Derzeit bevorzugen die Softwarehäuser für ihre Anlagen die Testreferenzjahre, die analog zu den Klimazonen der DIN 4710 aus dem gleichen Datenkollektiv gebildet werden und inzwischen beim DWD verfügbar sind. Allerdings umfassen diese nur ein Teilkollektiv, während die Tabellen 3 der DIN 4710 alle Ereignisse der Jahre 1961–1990 vollständig beschreiben. Hinweis: Die beschleunigte Entwicklung der Rechentechnik führt dazu, dass kaum mehr manuelle energetische Jahresanalysen durchgeführt werden. Daher wird hier auf die seither üblichen Teilauswertungen z. B. analog der inzwischen zurückgezogenen VDI 2067-3 verzichtet. Die inzwischen publizierte DIN 4710:2003-01 erlaubt es, mittels der dortigen Tabellen 3 (siehe Tafel 1.1.3-3) und der Algorithmen in VDI 2067-21:2003-05 für verschiedene Klimatisierungssysteme die entsprechenden Berechnungen durchzuführen, sinnvollerweise auf die speziell gewünschte Behaglichkeitszone bezogen, wobei eine solche spezifische Auswertung unproblematisch ist, da die DIN 4710 auch als CD mit EXCEL-Dateien vorliegt. Die Softwarehäuser präferieren allerdings (s.o.) die energetisch treuen Testreferenzjahre, die nun für die 15 Stationen der DIN 4710 vorliegen 1) und es erlauben, Anlagen auch in ihrem genauen Zeitverlauf abzubilden. Zwar sind damit nicht alle in DIN 4710 als möglich erkannten t,x-Zustände erfasst, aber durch Bezug auf die zeitlich korrekte Anlagenstrategie sind derartige Ergebnisse für energetische Aussagen sehr zuverlässig. 1)

Christoffer, J.; Deutschländer, Th.; Webs, M.: Testreferenzjahre für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY. Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach 2004.

42

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-7

Korrelation Lufttemperatur t (in °C)/Wasserdampfgehalt x (in g/kg tr. Luft): Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in 1/10 Stunden) Station Abu Dhabi, Bezugszeitraum: 1990–1999

t/x 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 47 3 46 3 3 45 14 7 7 17 3 3 3 44 14 17 10 10 41 20 27 7 7 3 3 3 43 24 7 17 20 14 31 58 34 31 27 10 7 3 42 7 14 41 27 31 34 34 61 61 58 24 41 44 17 17 41 24 17 14 27 44 31 34 58 41 75 85 48 48 20 31 40 10 27 14 44 51 44 48 78 78 82 92 78 85 44 34 39 10 17 34 41 48 68 61 68 96 126 106 85 92 65 68 38 7 3 27 34 68 68 51 102 82 130 99 136 130 99 113 37 3 17 31 34 48 58 51 82 109 164 143 150 147 116 167 36 3 20 55 58 51 85 106 109 140 123 154 188 136 167 35 7 17 27 51 72 75 75 126 126 109 184 181 218 157 194 34 3 14 31 41 75 78 92 75 150 119 181 205 150 181 194 33 14 10 31 68 58 85 130 99 140 143 143 171 188 225 208 32 14 27 38 106 89 106 113 136 208 164 212 252 164 212 31 14 38 51 61 116 102 106 160 242 198 225 181 194 252 30 24 31 51 89 140 136 133 119 157 205 266 242 208 232 29 17 20 20 65 61 133 150 157 218 242 304 290 310 246 355 28 10 14 24 48 116 174 160 201 232 300 218 297 338 273 307 27 7 7 44 58 136 154 191 215 259 246 273 317 297 280 273 26 3 17 44 78 109 136 188 263 273 293 416 406 317 324 307 25 3 7 44 82 102 160 239 266 345 351 444 372 345 280 208 24 7 10 38 82 109 215 256 368 392 478 403 447 331 266 133 23 7 27 44 109 201 242 382 416 512 461 553 420 252 160 51 22 3 10 34 123 232 334 464 461 508 665 467 433 242 38 7 21 3 51 143 252 409 406 498 659 689 573 334 61 20 3 34 99 242 382 474 594 730 631 426 126 17 19 3 3 10 106 270 420 556 631 689 648 218 20 18 3 34 130 338 447 580 624 553 321 31 17 17 65 154 300 386 467 607 423 55 16 3 38 119 252 396 420 437 150 3 15 3 61 102 157 304 362 181 7 14 10 51 89 133 229 263 24 13 3 7 31 48 85 119 41 12 3 17 34 89 51 3 11 7 17 41 10 10 7 14 9 7 SUM 161 376 1.105 2.304 4.066 5.671 6.702 7.234 7.424 7.177 6.110 5.432 4.487 3.498 3.535 SUMH 161 537 1.643 3.947 8.012 13.684 20.386 27.620 35.044 42.221 48.331 53.763 58.250 61.748 65.282 SUM = Summe; SUMH = Summenhäufigkeit Summenhäufigkeit der sommerlichen Enthalpien (in Zehntelstunden Enthalpie (kJ/kg tr.L.) >=100 >=98 >=96 >=94 >=92 >=90 >=88 >=86 >=84 >=82 >=80 >=78 >=76 >=74 >=72 Summenhäufigkeit 221 462 803 1.583 2.459 3.516 5.052 6.642 8.407 10.388 12.396 14.674 16.902 19.082 21.149 Grenzfeuchte (g/kg tr. L.) 5 6 Befeuchtungs-Grammstunden (gh/kg tr. L.) 1.029 2.114 Entfeuchtungs-Grammstunden (gh/kg tr. L.)

7 3.818

9

10

11

30.174 25.272 21.033

1.1.3 Luftfeuchte

43

Fortsetzung Tafel 1.1.3-7 18

3 7 31 106 89 126 194 194 140 208 198 270 290 283 259 256 198 154 75 7

19

7 10 7 17 68 75 150 225 177 188 208 270 280 328 293 276 242 160 61 17

20

21

22

23

3 14 48 89 150 177 160 218 242 280 386 341 304 293 184 68 14

14 24 58 58 102 164 157 252 280 287 307 386 324 235 109 17

3 10 44 58 130 133 157 198 331 324 348 420 317 140 51 7

3 3 31 44 102 102 147 259 304 341 334 351 225 41 17

24

10 14 31 65 123 143 232 341 355 382 297 92 10

25

3 3 20 41 89 140 232 225 304 321 164 27 3

26

3 3 10 31 41 72 147 212 276 140 44 3

27

17 17 20 61 65 123 140 102

28

3 3 3 10 20 41 55 61 7

29

10 34 44 7

30

3 3

3

SUM SUMH 3 3 6 9 54 63 162 225 290 515 524 1.040 634 1.674 924 2.598 1.364 3.962 1.644 5.605 2.238 7.843 2.674 10.518 3.058 13.576 3.600 17.175 4.291 21.466 4.686 26.152 4.819 30.971 4.656 35.627 4.461 40.088 3.971 44.059 3.618 47.677 3.626 51.302 3.479 54.781 3.629 58.409 3.846 62.255 4.023 66.278 4.080 70.358 3.760 74.117 3.576 77.693 3.062 80.755 2.475 83.230 1.819 85.049 1.178 86.226 799 87.026 334 87.360 197 87.557 75 87.632 21 87.653 7 87.660

3.089 3.060 2.972 2.775 2.672 2.305 2.096 1.573 982 548 203 95 6 68.372 71.432 74.404 77.180 79.852 82.157 84.253 85.825 86.808 87.356 87.559 87.654 87.660 SUM = Summe; SUMH = Summenhäufigkeit Summenhäufigkeit der sommerlichen Enthalpien (in Zehntelstunden Enthalpie (kJ/kg tr.L.) >=70 >=68 >=66 >=64 >=62 >=60 >=58 >=56 >=54 >=52 >=50 >=48 46 ≥=44 ≥=42 ≥=40 Summenhäufigkeit 23.316 25.663 28.174 30.832 33.574 36.468 39.207 42.252 45.209 48.037 51.074 54.420 58.205 62.093 66.331 69.881 Grenztemperat. (°C) 19 17 15 10

Gradtage (Kd) 89 31 7 0

1

44

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Das gilt nicht für Extremwertaussagen. Um hier eine äquivalente Sicherheit zu erreichen, sind Daten für 3 Monate eines extremen Winters und für die 3 Monate eines extremen Sommers analog zu den Testreferenzjahren zusammengestellt und ermöglichen beispielsweise, die Häufigkeit des Überschreitens einer Grenztemperatur im Raum in einem extremen Sommer im Vergleich zu einem mittleren Sommer festzustellen. Es wurden inzwischen auch Testreferenzjahre ganzjährig für einen extremen Winter sowie für einen extremen Sommer erarbeitet. Um den Klimawandel auch bei den Testreferenzjahr-Berechnungen zu berücksichtigen, wurden vom Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) für die 15 bekannten Stationen in Deutschland entsprechend DIN 4710 Testreferenzjahre aus dem 20-Jahreszeitraum 1988 bis 2007 erarbeitet und kostenlos verfügbar gemacht. 1) Auch heute bieten die klassischen Verfahren einen guten Überblick und können nach wie vor zu einer Basisabschätzung herangezogen werden. Die t,x-Korrelationen der DIN 4710 erlauben eine sehr viel sicherere Auslegung als die statistischen Grenzwerte ttr und tf z. B. entsprechend Tafel 1.1.3-2, da man nach allen Kriterien (Temperatur, Feuchte, Enthalpie) ein genau definiertes Risiko der Überschreitung festlegen kann. Da diese Präzision für industrielle Auslegungen (z. B. in Textilfabriken) von besonderer Bedeutung ist, haben der Deutsche Wetterdienst Hamburg und der VDI beschlossen, auch für 20 außereuropäische Orte in unterschiedlichen Klimazonen analoge Statistiken aufzubereiten, die dann eine nahezu vergleichbare Präzision bei der Auslegung ermöglichen sollen. Der Entwurf VDI 4710 Blatt 1 ist im Dezember 2006 erschienen, der Weißdruck erschien im Dezember 2008. 2) Eine Überarbeitung mit Berichtigungen und zusätzlichen Auswertungen analog VDI 4710 Blatt 3 für Deutschland (Sommerliche Enthalpien, Gradtage, Be- und Enfeuchtungsgrammstunden) erschien im März 2013. 3) VDI 4710 Blatt 1 enthält Wetterdaten von 20 außereuropäischen Stationen in sehr unterschiedlichen Klimazonen von Alaska bis Australien. Damit kann natürlich keine Vollständigkeit angestrebt werden, aber die Datenformate wurden gleichartig zur DIN 4710 gewählt, so dass man nun problemlos mit den klassischen Programmen auch Berechnungen für außereuropäische Stationen durchführen kann. Eine Detailauswertung hinsichtlich Enthalpien, Gradtagen und Feuchte analog VDI 4710 Blatt 3 ist in Tafel 1.1.3-7 in der Konsequenz beispielhaft gezeigt. Da der DWD auf Grund von Wettervorhersageaufgaben und Vereinbarungen mit der WMO (World Meteorological Organization) dreistündlich viele relevante Daten aus mehr als 5000 Stationen weltweit erhält, ist er in der Lage, auf Anfrage entsprechende Statistiken für viele andere Orte zur Verfügung zu stellen (dann gegen Honorar). Hier soll nur beispielhaft eine Tabelle aus VDI 4710 Blatt 1 gezeigt werden: Tafel 1.1.3-7 zeigt die t, x-Korrelation für Abu Dhabi. Ausführliche Erläuterungen zur VDI 4710 Blatt 1 findet man in 4). Über die Summenhäufigkeiten an den Rändern lassen sich schnell viele Berechnungen durchführen – z. B. zur Bestimmung von Kondensatmengen bei einer Entfeuchtung. Der Vorteil dieser übersichtlichen Darstellung aller Zustandspunkte ist offensichtlich.

1.1.3-6

Feuchte-Gleichgewicht

Ein großer Teil aller Materialien unserer Umgebung enthält Wasser in mehr oder weniger großer Menge. Der Wassergehalt ist abhängig von der rel. Luftfeuchte. Man nennt diese Stoffe hygroskopisch. Bei bestimmter längere Zeit andauernder Feuchte der umgebenden Luft stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem der betreffende Stoff Wasser weder aufnimmt noch abgibt. Beispiel Bild 1.1.3-10, das die Sorptionskurven verschiedener Stoffe zeigt. 1)

2) 3) 4)

BBR mit Climate & Enviroment Consulting Potsdam GmbH und dem Deutschen Wetterdienst (DWD): Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witterungsverhältnisse. Projektbericht, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach, 2011. VDI 4710 Blatt 1 „Wetterstatistiken außereuropäischer Stationen“, 12-2008. VDI 4710 Blatt 1 „Meteorologische Grundlagen für die Technische Gebäudeausrüstung. Außereuropäische Klimadaten“, 03-2013. Masuch, J.; Rosenhagen, G.; Dehne, K.; Riecke, W.; Hollenbach, K.: Darstellung von Außereuropäischen Klimadaten für die Gebäudetechnik. HLH 58 (2007), Nr. 4–7.

1.1.4 Sonnenstrahlung

45

1

Bild 1.1.3-10. Gleichgewichts-Wassergehalt verschiedener Stoffe bei 20–30 °C. Adsorptions- und Desorptionskurven*). *)

Berichtsheft 6 der Fachgemeinschaft Lufttechn.- und Trocknungsanlagen des VDMA, 1964.

1.1.4

Sonnenstrahlung 1) 2)

Die Sonnenstrahlung ist auch in der Heizungstechnik von Bedeutung, da sie eine zusätzliche, allerdings sehr unbeständige Wärmequelle darstellt. Im Winter ist infolge des niedrigen Sonnenstandes trotz kurzer Sonnenscheindauer der Wärmegewinn durch Fenster erheblich; vor allem bei Neubauten mit Vollwärmeschutz und Wärmeschutzgläsern wird die Heizlast während der Zustrahlungszeit dadurch bequem gedeckt, und man muss eher an Maßnahmen gegen Überwärmung denken. Aber auch in Altbauten mit großen Fenstern kann bereits im März oder April die Sonnenstrahlung den Wärmebedarf eines Raumes decken. In der Lüftungs- und Klimatechnik ist die Sonnenstrahlung besonders zu beachten, da sie bei der Kühlung von Räumen häufig den wesentlichen Teil der äußeren Kühllast ausmacht. Beweglicher Sonnenschutz ist daher anzustreben, um im Winter die Sonnenenergie in die Räume zu lassen (passive Solarenergienutzung) und um bei Gefahr von Überwärmung die Räume dosiert abzuschirmen. Im Rahmen der Bestrebungen zur Energieeinsparung gewinnt die Sonnenenergie gegenwärtig größere Bedeutung.

1)

2)

Nehring, G.: Ges.-Ing. (1962), S. 230–242. Güttler, G.: HLH (1971), S. 99–104. Aydinli, S.: Dissertation, TU Berlin, 1981. Krochmann, J. et al.: FLT-Bericht 3/1/4/82; KI (1992), Nr. 20, S. 247–251. Schneider, W.: Ki (1976), Nr. 3, S. 119–122. Kasten, F. et al.: BMFT-Bericht T84–125, 1984. Müller, H.: HLH (1982), Nr. 1, S. 15–25. Christoffer, J.; Dehne, K.; Masuch, J.: HLH (2003), Nr. 12; HLH (2004), Nr. 1; HLH (2004), Nr. 2.

46

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

1.1.4-1

Solarkonstante

Hätte die Erde keine Lufthülle, so würde auf eine Fläche senkrecht zur Sonnenstrahlung eine Wärmemenge von etwa 1,37 kW/m2 bei mittlerem Sonnenabstand eingestrahlt werden. Diese Zahl nennt man Solarkonstante. Ihr Wert schwankt mit dem Erdabstand zur Sonne zwischen 1,33 und 1,42 kW/m2. Die Gesamtstrahlung verteilt sich gemäß der Strahlungstemperatur der Sonne (ca. 6000 K) auf einen größeren Wellenlängenbereich entsprechend Bild 1.1.4-1. Das Maximum der Strahlung liegt im Bereich der für das Auge sichtbaren Strahlen, etwa bei μ = 0,5 μm. Die Gesamtenergie wird praktisch in dem Wellenbereich von 0,2 bis 3,0 μm übertragen. Die Fläche unterhalb der oberen Kurve stellt die Solarkonstante dar.

Bild 1.1.4-1. Intensität der Sonnenstrahlung.

Der Strahlungsdurchgang durch die Atmosphäre bewirkt Abschwächungen des Sonnenlichts aufgrund verschiedenartiger Phänomene: Streuung an Luftmolekülen und anderen Luftbestandteilen (Staub, Dunst). Stärkere Streuung der kurzwelligen Anteile, daher Himmelsblau. Absorption – spektral unterschiedlich – an mehratomigen Gasen, insbesondere O3, H2O, CO2 (s. Bild 1.1.4-1). (2atomige Gase N2, O2 lassen die Strahlung fast ungehindert hindurch.) Energieverteilung an der Erdoberfläche: ultraviolette Strahlen ≈ 6 % sichtbare Strahlen ≈ 50 % infrarote Strahlen ≈ 44 %. Das in etwa 20 bis 50 km Höhe befindliche Ozon absorbiert besonders die ultravioletten Strahlen, so dass Strahlen mit Wellenlängen unter 0,29 μm nicht mehr die Erde erreichen. Der Gehalt der Luft an Ozon ist an sich sehr gering; bei Normaldruck entspricht er einer Schichtdicke von nur 2 bis 3 mm. Das Kohlendioxid absorbiert insbesondere Strahlen bei den Wellenlängen 2 bis 2,8 μm; 4,2 bis 4,4 μm und 13 bis 17 μm. Der Wasserdampf absorbiert namentlich in folgenden Wellenbereichen: 0,72; 0,93; 1,1; 1,4; 1,8; 2,3 bis 2,5; 4,4 bis 8,5; 12 bis 60 μm. Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre veränderlich, daher Absorption starken Schwankungen unterworfen. Bei einem mittleren Dampfdruck von 13 mbar beträgt die gesamte vom Wasserdampf absorbierte Energie etwa 10 % der Sonnenstrahlung. Dunst- und Staubschichten sind hauptsächlich in der Luft über Großstädten und Industriezonen enthalten und bewirken hier eine zusätzliche Schwächung der Strahlung, namentlich bei niedrigem Sonnenstand. Allerdings haben die in den letzten 20 Jahren durchgesetzten Maßnahmen zur Luftreinhaltung bereits zu guten Erfolgen, d. h. deutlicher Verbesserung geführt. In allen Fällen ist die Schwächung der Sonnenstrahlung umso größer, je länger der von den Strahlen durchlaufene Luftweg ist, so dass sich ebenso wie bei der Temperatur ein täglicher und jährlicher Gang der Strahlungsintensität ergibt.

1.1.4 Sonnenstrahlung

1.1.4-2

Linke’scher Trübungsfaktor TL

Es gibt verschiedene Maße zur Beschreibung der Strahlungsreduktion in der Atmosphäre. 1) Durchgesetzt hat sich in der Klimatechnik in Deutschland der Trübungsfaktor TL nach Linke, 2) der von einer ideal reinen und trockenen Atmosphäre ausgeht (TL = 1). Der reale Trübungsfaktor (z. B. TL = 4) bedeutet die gedachte Zahl reiner Atmosphären, die die gleiche Trübung wie die wirkliche Atmosphäre hervorrufen. Noch vor wenigen Jahrzehnten hat man örtlich erhebliche Trübungsunterschiede festgestellt (im Juli z. B. zwischen TL = 3 und TL = 5). In einschlägigen Richtlinien in den 1980er Jahren wurde in Deutschland unterschieden zwischen reiner Atmosphäre, Großstadt- und Industrieatmosphäre. 3) Aus Sonderuntersuchungen fand man im Winter in Großstadtzentren mit vielen Einzelfeuerungen sogar Werte > 10. Durch statistische Strahlungsauswertungen von Kasten et al. 4) wurde erkannt, dass sich durch Verbesserung der Feuerungsemissionen im Winter (Trend zu öl- und gasbefeuerten Zentralheizungen mit Emissionsüberwachung) und generell ganzjährig durch Verringerung der Emissionen in den Ballungsgebieten (Entstaubung, Entschwefelung, Entstickung bei Kraftwerken) sowie durch weiträumigere Verteilung der Emissionen (hohe Schornsteine) eine völlig andere Trübungsverteilung zeigt. In DIN 4710 aus 2003 5) wurde festgehalten, dass nun für Gesamtdeutschland (Messzeit ca. 1990) eine einheitliche Strahlungszone (an wolkenlosen Tagen) besteht, und man unterscheidet lediglich mittlere Strahlungsverhältnisse und Extremsituationen (Strahlungsmittelwert minus Standardabweichung). In dieser Zeit der “Vereinheitlichung“ sind die Mittelwerte gegenüber der reinen Atmosphäre früher deutlich angestiegen (bis auf TL = 6,1 im Juni und Juli). Wir wissen heute, dass die Ursachen seinerzeit vielfältig waren und dass neben den nationalen Anstrengungen auch verschiedene Vulkanausbrüche (unter anderem St. Helens 1980, El Chichon 1982, Pinatubo 1991) das Trübungsergebnis mit beeinflusst haben. Tafel 1.1.4-1 zeigt diese Ergebnisse aus der Zeit um 1990 anhand der Maximalstrahlung auf eine normale Fläche (senkrecht zum Sonnenstrahl am Sonnenmittag, 12:00 Uhr Sonnenzeit). Für Extremuntersuchungen (Auslegungsrechnungen, Kühllast) 6) wird als Linke’scher Trübungsfaktor der „Mittelwert minus Standardabweichung“ eingesetzt, was die höchste statistisch zu erwartende Gesamtstrahlung ergibt. Die Mittelwerte dienen zusammen mit den Globalstrahlungssummen für die Jahres-Energieberechnungen. Innerhalb von 20 Jahren hat sich die atmosphärische Trübung nochmals wesentlich verändert. Im Rahmen der aktuell laufenden Überarbeitung der DIN 4710 7) wurden neben den Konsequenzen für Temperatur und Feuchte auch die Trübungsveränderungen in

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

47

Foitzik, L.; Hinzpeter, H.: Sonnenstrahlung und Lufttrübung. Geest und Portig, 1958. Linke, F.; Boda, K.: Vorschläge zur Berechnung des Trübungsgrades der Atmosphäre. Meteorol. Zschr. 39 (1922), S. 161ff. nach DIN 4710:1982-11. Kasten et al.: Räumliche und zeitliche Verteilung der Sonnenstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland. BMFT-Forschungsbericht T84–125, 1984. DIN 4710:2003-1. VDI 2078:2015-06; DIN 4710:2003-01; DIN 4710:2016 (Entwurf, in Vorbereitung). Das Tabellenwerk der DIN 4710E:2016 (in Vorbereitung) wurde inzwischen fertiggestellt und ist gleichartig aufgebaut wie DIN 4710:2003. Statt des meteorologischen Mittels 1961–1990 enthält es für die gleichen 15 Stationen in Deutschland sämtliche mittleren Daten aus 1991–2005, der halben meteorologischen Normalperiode. Die hier bereits zitierte VDI 4710 Blatt 3 wird in DIN 4710E:2016 integriert. DIN 4710 zeigt damit vergleichend in allen Tabellen den aktuellen Klimawandel an. Dabei beziehen sich die neuen Strahlungswerte auf Trübungsmessungen von 2008–2014, siehe auch 1) auf S. 49. Im Jahre 2022 sollten mit der Analyse der zweiten Halbperiode (2006-2020) die Erkenntnisse gewonnen werden, inwiefern sich der Klimawandel in Deutschland fortsetzt. Nun hat der Deutsche Wetterdienst DWD in den vergangenen Jahren ein neues meteorologisches Modell für Deutschland fertiggestellt, das es erlaubt, nicht nur 15 diskrete Stationsorte zu beschreiben, sondern jeden Quadratkilometer in Deutschland genau zu erfassen und dafür z. B. auch ein Testreferenzjahr (TRY) zu generieren. Der DWD hat DIN gebeten, in einer neuen DIN 4710 diese Möglichkeiten zu beschreiben und zur Vermeidung von Missverständlichkeiten die jetzt fertiggestellten Daten der DIN 4710E:2016 aus 1991–2005 nicht als DIN-Entwurf, sondern in anderer Form zu publizieren (z. B. als DIN SPEC 4710 oder auch als VDI 4710 Blatt 5). Aus redaktionellen Gründen bleibt es hier vor allem hinsichtlich der Solarstrahlung bei dem Hinweis als DIN 4710E:2016, der demnächst wie beschrieben in anderer Form publiziert wird.

1

48

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Gesamtdeutschland (Messungen 2008–2014) analysiert, und diese weisen auf zwei Tatsachen hin: 1 In den letzten 25 Jahren gab es keine großen vulkanischen Aktivitäten, sodass die natürliche Trübung kleiner wurde. 2 Die nationalen Maßnahmen zum Umweltschutz haben speziell in Deutschland zu erheblichen weiteren Reduzierungen bei der Trübung geführt. Tafel 1.1.4-2. zeigt die analoge Situation zu Tafel 1.1.4-1 für das Jahr 2010. Tafel 1.1.4-1

Trübungsfaktoren und Zustrahlung an wolkenlosen Tagen (50° geographische Breite, Messsituation 1990) Mittlere Trübung (hohe Diffusstrahlung)

Monat

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Tafel 1.1.4-2.

TL

3,7 4,1 4,6 5,1 5,3 6,1 6,1 5,9 5,4 4,2 3,6 3,5

Geringe Trübung (hohe Gesamtstrahlung)

Max. Strahlung auf Normalfläche Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

591 663 714 725 738 682 670 649 629 643 598 538

157 188 209 216 211 223 228 233 228 189 152 137

748 851 923 941 949 905 898 882 857 832 750 675

TL

2,7 3,1 3,3 3,5 3,7 4,3 4,3 4,1 3,9 3,0 2,9 2,7

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

748 795 860 883 883 830 820 810 779 800 706 671

123 152 164 164 162 176 180 183 183 146 129 113

871 947 1024 1047 1045 1006 1000 993 962 946 835 784

Trübungsfaktoren und Zustrahlung an wolkenlosen Tagen (50° geographischer Breite, Messsituation 2010) Mittlere Trübung (hohe Diffusstrahlung)

Monat

Max. Strahlung auf Normalfläche

TL

2,3 2,4 2,7 3,1 3,2 3,2 3,3 3,2 2,9 2,6 2,4 2,3

Geringe Trübung (hohe Gesamtstrahlung)

Maximale Strahlung auf Normalfläche Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

817 899 935 929 936 939 920 907 897 856 789 743

107 122 138 147 142 136 144 149 144 130 110 99

924 1021 1073 1076 1078 1075 1064 1056 1041 986 899 842

TL

2,1 2,1 2,2 2,8 2,9 3,0 3,1 3,0 2,7 2,4 2,2 2,1

Maximale Strahlung auf Normalfläche Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

856 950 1005 964 969 959 940 929 924 888 828 787

98 108 115 135 130 129 137 141 135 121 101 90

954 1058 1120 1099 1099 1088 1077 1070 1059 1009 929 877

1.1.4 Sonnenstrahlung

49

Einen Überblick über die Entwicklung gibt 1). Ein Vergleich zeigt, dass die mittlere Trübung an klaren Tagen erheblich abgenommen hat mit der Konsequenz, dass die maximale Gesamtstrahlung dann von 949 W/m2 auf aktuell 1078 W/m2 (im Mai) angestiegen ist, wobei die maximale Diffusstrahlung von 233 W/m2 auf 149 W/m2 abgenommen hat. Die maximale Zustrahlung ist bei geringer Trübung weniger angestiegen (von 1047 W/m2 auf 1099 W/m2 im April), die maximale Diffusstrahlung nahm von 164 W/m2 auf 141 W/m2 ab. Hinsichtlich der Diffusstrahlung kann hier allerdings keine Entwarnung gegeben werden. Bei dünner hoher Bewölkung (Zirrostratus) steigt die diffuse Strahlung erheblich an und kann dann nach wie vor Werte über 300 W/m2 erreichen, mit denen auch nach Norden orientierte Flächen belastet werden. Bild 1.1.4-2 zeigt den Tagesgang der direkten Sonnenstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli bei extremer Gesamtstrahlung (Trübungsfaktor TL = 4,3, Strahlungssituation 1990). Direkte Sonnenstrahlung 1000 Normal W/m² Horiz. 800 W O 600 S 400

Direkte Sonnenstrahlung 1000 W/m² Normal 800 Horiz. 600

W

O S

400

200

200 N

N

N

N

0

0 0

4

8 12 16 Sonnenzeit

20 h 24

Bild 1.1.4-2. Direkte Sonnenstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli für 50° nördlicher Breite bei Trübungsfaktor TL = 4,3 (geringe Trübung), Strahlungssituation 1990.

0

4

8 12 16 Sonnenzeit

20 h 24

Bild 1.1.4-3. Direkte Sonnenstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli für 50° nördlicher Breite bei Trübungsfaktor TL = 3,1 (geringe Trübung), Strahlungssituation 2010.

Bild 1.1.4-3 zeigt die gleichen Tagesgänge bei Trübungsfaktor TL = 3,1 (Strahlungssituation 2010). Vergleicht man das Ergebnis mit Bild 1.1.4-2 (TL = 4,3), so erkennt man, dass die Bestrahlung signifikant zugenommen hat. Uns scheint der Hinweis auf die deutliche Veränderung der solaren Zustrahlung so wichtig, dass wir mit Tafel 1.1.4-1 und Tafel 1.1.4-2. sowie Bild 1.1.4-2 und Bild 1.1.4-3 die Entwicklung verdeutlichen wollten. Bei allen weiteren Aussagen beziehen wir uns ausschließlich auf die neuen aktuellen Werte. Es wird wichtig, mit der neuen DIN 4710E:2016 ein Instrument zu erhalten, mit dem man die gängigen Berechnungsverfahren auf Sinnhaftigkeit der Ergebnisse überprüfen kann. Die Basis heutiger Programme (zum Beispiel nach VDI 2078/VDI 6007) hat sich auf eine Jahressimulation verlagert, bei der man die meteorologischen Stundendaten eines vollständigen mittleren Jahres recht unreflektiert einsetzt und kaum die Qualität dieser Randbedingungen bewerten kann. Die DIN 4710:2016 wird diese mittleren Testreferenzjahre (TRY) (1988-2007) ebenfalls als sinnvolle Basis für energetische Rechnungen akzeptieren, die hinsichtlich der Außentemperaturen in der Tat mittelwerttreu sind und damit zuverlässige Transmissionsergebnisse bei Gebäuden erwarten lassen. Allerdings betonen die Meteorologen, dass der zweite wichtige energetische Faktor, die monatliche Globalstrahlungssumme, nicht direkt als Normierungsgröße in die Entwicklung der TRY eingeflossen ist. Erste Vergleichsberechnungen im Rahmen der Neubearbeitung der DIN 4710 zeigten jedoch, dass nach den bisher vorliegenden Daten die Globalstrahlungssummen der TRY ausreichend genau mit neuen Messwerten des Deut1)

Aydinli, S.; Behrens, K.; Masuch, J.; Riecke, W.: Die Entwicklung der atmosphärischen Trübung in Deutschland. HLH 67 (2016), Nr. 2, S. 21–25.

1

50

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

schen Wetterdienstes (DWD) von 2008 bis 2014 für 13 Stationen in Deutschland 1) übereinstimmen (Abweichung von wenigen Prozent). So kann man mit TRY-Berechnungen zufriedenstellende Ergebnisse erwarten, man kann aber mit den realen Daten der DIN 4710: 2016 im Einzelfall prüfen, ob ein Risiko besteht. Tafel 1.1.4-3 gibt die Tagesgänge der direkten und diffusen Sonnenstrahlung für die beiden charakteristischen Juli-Trübungen TL = 3,3 (Mittelwert) und TL = 3,1 (Extremsituation Mittelwert minus Standardabweichung) gemäß Tafel 1.1.4-2. wieder. Die Extremwerte sind für Auslegungsrechnungen von Bedeutung, für energetische Untersuchungen können neben den heute bereits gegenüber vor wenigen Jahren wesentlich umfassenderen direkten Messwerten auch diese rechnerischen Mittelwerte Anwendung finden. Messwerte der Globalstrahlung G (Summe aus direkter und diffuser Strahlung, empfangen auf horizontaler Ebene) liegen von 37 Stationen des Messnetzes des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vor (Basis 2005). 2)

Bild 1.1.4-4. Sonnenhöhe, Azimut und Einfallswinkel.

1.1.4-3

Bild 1.1.4-5. Sonnenhöhe h um 12 h und 15 h für 50° nördliche Breite.

Direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen

Aus den Zahlenwerten der Tafel 1.1.4-3 auf die Normalfläche lässt sich mittels bekannter trigonometrischer Funktionen (cos-Gesetz) leicht die direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen ermitteln. 3) Aus Idir norm ergibt sich generell die Strahlung auf eine allgemeine unter dem Winkel α zur Vertikalen geneigte Fläche Ia = Idir norm · cos η mit η = Winkel zwischen Flächennormale und Sonnenstrahlungsrichtung (Bild 1.1.4-4). Es gilt weiter cosη = cosh · cosα · cosβ + sin h · sin α mit h = Sonnenhöhe β = a0 ± aw = horizontaler Eintrittswinkel a0 = Sonnenazimut aw = Wandazimut α = Neigungswinkel der Fläche gegen die Vertikale. Für senkrechte Flächen (α = 0) ist daher cosη = cosh · cosβ.

1) 2) 3)

Aydinli, S.; Behrens, K.; Masuch, J.; Riecke, W.: Die Entwicklung der atmosphärischen Trübung in Deutschland. HLH 67 (2016), Nr. 2, S. 21–25. Weitere Hinweise dazu in DIN 4710:2003-01. VDI 2078:1996-07, S. 28, siehe auch VDI 6007:2015-06 Blatt 3, S. 11.

1.1.4 Sonnenstrahlung

51

Die Werte von h, a0 und aw lassen sich für jede geographische Breite und Länge sowie für jede Zeit berechnen oder aus astronomischen Tafeln entnehmen. Sonnenhöhe in Abhängigkeit von der Jahreszeit in Bild 1.1.4-5.

1.1.4-4

Diffuse Strahlung 1)

Der beim Durchgang durch die Erdatmosphäre an den Luftmolekülen gestreute Strahlungsanteil gelangt als sogenannte diffuse kurzwellige Sonnenstrahlung an die Erdoberfläche. Trübung der Atmosphäre bedeutet Schwächung der direkten Sonnenstrahlung, aber Erhöhung der diffusen Strahlung (vgl. Tafel 1.1.4-1 oder Tafel 1.1.4-2.). Zu dieser diffusen Strahlung gehört auch die Strahlung, die von der Umgebung (Häuser, Wände, Berge, Straßen usw.) auf die betrachtete Fläche reflektiert wird, so dass wegen der mannigfaltigen Möglichkeiten eine Berechnung nur annähernde Ergebnisse zeigen kann. Bei den Umrechnungen der Strahlung auf vertikale Flächen gemäß Tafel 1.1.4-3 wurde mit freiem Horizont und einem Reflexionsfaktor (Albedo) des umgebenden Bodens von r = 0,2 gerechnet. Diffuse Sonnenstrahlung 200 W/m² 160

S W

O

120

TL = 3,3

N Juli

80 40 0 0

4

8 12 16 Sonnenzeit

20 h 24

Diffuse Sonnenstrahlung 120 W/m² 80

S O N

40

Bild 1.1.4-6. Diffuse Sonnenstrahlung auf Vertikalflächen im Januar und Juli auf 50° nördlicher Breite für mittlere Trübung gemäß Tafel 1.1.4-3.

TL = 2,3

W

Januar

0 0

4

8

12

16

20 h 24

Sonnenzeit

Bild 1.1.4-6 verdeutlicht die Diffusstrahlung auf vertikale Flächen für die aktuell zu erwartenden Trübungen gemäß Tafel 1.1.4-1 im Juli und Januar. Zu bemerken ist, dass die diffuse Sonnenstrahlung auf allen Himmelsrichtungen wirksam ist. Sie ist auch bei beschatteten Flächen und auf der Nordseite von Gebäuden vorhanden.

1)

Pusˇkasˇ, J.: HLH (1974), Nr. 6, S. 179–181.

1

52

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.4-7. Globalstrahlung in W/m2 an wolkenlosen Tagen (Einwirkung auf Horizontalfläche) (Bezug: Geringe Trübung entsprechend Tafel 1.1.4-3, Daten aus DIN 4710:2016).

Das Diagramm unterscheidet sich nur geringfügig von seinem Vorgänger, doch ist die Maximalstrahlung von seinerzeit 861 W/m2 auf 927 W/m2 angestiegen.

1.1.4-5

Atmosphärische Wärmestrahlung

Die durch die Sonnenstrahlung erwärmte Atmosphäre sendet namentlich wegen ihres Gehaltes an Wasserdampf eine eigene langwellige Strahlung auf die Erde (atmosphärische Wärmestrahlung, früher auch „Gegenstrahlung“ genannt), die jedoch durch die größere Ausstrahlung der Erdoberfläche kompensiert wird. Die Differenz zwischen Zustrahlung und Abstrahlung ergibt je nach Feuchte der Luft und Temperatur der Erdoberfläche einen Strahlungsverlust von etwa 80…100 W/m2. Daraus erklärt sich die besonders im Winter in klaren Nächten zu beobachtende Temperaturabsenkung von horizontalen Flächen gegenüber der Umgebung (Bereifung von Autodächern). Bei Glasdächern ist dieses Phänomen unbedingt zu beachten (Kontrolle von Kondensationspunkten)!

N

NW

W

SW

S

SO

O

0 0

gesamt

diffus

0 0

diffus

diffus

gesamt

0 0

gesamt

0 0

diffus

diffus

gesamt

0 0

gesamt

0 0

diffus

0

diffus

gesamt

0

diffus

gesamt

0 0

gesamt

diffus

40

137

26

26

25

25

25

25

26

26

38

122

56

272

57

278

36

61

61

298

5

70

181

51

51

50

50

50

50

55

55

86

339

114

583

106

516

65

197

120

620

6

86

110

72

72

71

71

71

71

83

83

122

535

145

753

126

573

82

365

146

817

7

9

10

11

12

13

Wahre Ortszeit in h 14

15

100

100

91

91

91

91

93

93

113

220

150

674

162

796

135

507

95

537

156

113

113

107

107

107

107

114

114

139

381

168

737

167

730

138

364

105

691

156

123

123

121

121

122

122

134

134

161

517

177

724

166

583

139

182

112

812

151

130

130

129

129

135

135

153

301

173

604

175

637

157

379

137

137

116

889

146

132

132

135

135

146

146

167

490

178

635

167

490

146

146

135

135

117

915

144

130

130

137

137

157

379

175

637

173

604

153

301

135

135

129

129

116

889

146

123

123

139

182

166

583

177

724

161

517

134

134

122

122

121

121

112

812

151

113

113

138

364

167

730

168

737

139

381

114

114

107

107

107

107

105

691

156

936 1004 1040 1058 1064 1058 1040 1004

8

16

100

100

135

507

162

796

150

674

113

220

93

93

91

91

91

91

95

537

156

936

17

86

110

126

573

145

753

122

535

83

83

71

71

71

71

72

72

82

365

146

817

18

70

181

106

516

114

583

86

339

55

55

50

50

50

50

51

51

65

197

120

620

0 0 0 0

278 57 137 40

0 0

56

38 272

0 0

122

0 0

26 26

0 0

25 25

0 0

0 25

0

26 26 25

0 0

61 36

0 0

61

20

19 298

Tafel 1.1.4-3

NO

0 0

horizontal gesamt

0

4 0

gesamt

Strahlung

diffus

normal

23. Juli

TL = 3,3

Ebene

Datum

1.1.4 Sonnenstrahlung 53

Tagesgänge der gesamten und diffusen Sonnenstrahlung auf Außenflächen in W/m2. 23. Juli, 50° nördl. Breite (gemäß Neuauflage DIN 4710E:2016). a) Trübung: Mittelwert TL = 3,3 (bevorzugt für energetische Analysen).

1

N

NW

W

SW

S

SO

O

0 0

diffus

0

gesamt

0

diffus

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

gesamt

0 0

gesamt

0

diffus

diffus

0

0

diffus

gesamt

0

0

gesamt

diffus

NO

0

horizontal gesamt

0

4 0

gesamt

Strahlung

diffus

normal

23. Juli

TL = 3,1

Ebene

Datum

39

147

26

26

25

25

25

25

25

25

37

130

55

294

55

301

34

63

59

323

5

68

186

50

50

49

49

49

49

53

53

83

351

109

607

102

537

61

202

114

645

6

84

109

70

70

69

69

70

70

81

81

118

548

139

773

121

587

78

372

139

838

7

9

10

11

99

99

90

90

89

89

91

91

110

221

145

686

157

811

131

515

90

545

149

111

111

106

106

106

106

112

112

136

385

163

748

162

740

134

367

99

701

148

122

122

120

120

121

121

132

132

157

522

173

733

182

590

136

181

105

823

143

129

129

128

128

133

133

150

301

169

610

172

644

154

381

135

135

109

900

138

13

14

15

131

131

134

134

144

144

164

495

174

641

164

495

144

144

134

134

110

927

137

129

129

135

135

154

381

172

644

169

610

150

301

133

133

128

128

109

900

138

122

122

136

181

162

590

173

733

157

522

132

132

121

121

120

120

105

823

143

111

111

134

367

162

740

163

748

136

385

112

112

106

106

106

106

99

701

148

1077 1072 1055 1019

12

Wahre Ortszeit in h 953 1019 1055 1072

8

16

99

99

131

515

157

811

145

686

110

221

91

91

89

89

90

90

90

545

149

953

17

84

109

121

587

139

773

118

548

81

81

70

70

69

69

70

70

78

372

139

838

18

68

186

102

537

109

607

83

351

53

53

49

49

49

49

50

50

61

202

114

645

19

39

147

55

301

55

294

37

130

25

25

25

25

25

25

26

26

34

63

59

323

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

20

54 1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Fortsetzung Tafel 1.1.4-3 b) Trübung: Mittelwert minus Standardabweichung TL = 3,1 (für Extremwertbetrachtungen, Kühllast).

1.1.4 Sonnenstrahlung

55

Gesamtstrahlung 1)

1.1.4-6

Die Summe aus direkter und diffuser Strahlung wird Gesamtstrahlung genannt, bei einer horizontalen Empfangsfläche (ohne Umgebungseinflüsse) auch Globalstrahlung. Werte sind bei verschiedenen Trübungsfaktoren aus Tafel 1.1.4-3 und Bild 1.1.4-8 für Monat Juli zu entnehmen. Bild 1.1.4-7 zeigt für die verschiedenen Monate und für Strahlungstage bei geringer Trübung die Globalstrahlung auf eine Horizontalfläche abhängig von der Tageszeit. Weitere Daten für Kühllastberechnung siehe VDI 2078:2015-06, für Energieberechnungen DIN 4710E:2016 und VDI 2067. Sonnenscheinstunden Tafel 1.1.4-5. Gesamtstrahlung (direkt und diffus) 1200 W/m² 1000

Normal Horiz. W

O

800

S 600 400 N

N

200

20 h 24

Bild 1.1.4-8. Gesamtstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli für 50° nördlicher Breite beim Trübungsfaktor TL = 3,1 (geringe Trübung) (DIN 4710E:2016).

20 h 24

Bild 1.1.4-9. Gesamtstrahlung auf Wände verschiedener Richtungen im September für 50° nördlicher Breite bei Trübungsfaktor TL = 2,7 (geringe Trübung) (siehe DIN 4710E:2016).

0 0

4

8 12 16 Sonnenzeit

Gesamtstrahlung (direkt und diffus) 1200 W/m² 1000

Normal S

800

O Horiz. W

600 400 200 N 0 0

4

8 12 16 Sonnenzeit

Die Tagessumme für Global- und Diffusstrahlung an wolkenlosen Tagen kann aus Tafel 1.1.4-4 entnommen werden. Durchschnittswerte für alle Tage siehe Tafel 1.1.4-6.

1)

Aydinli, S.: Fortschrittsberichte der VDI-Zeitschriften 1981, Reihe 6, Nr. 79. VDI-Verlag.

1

56

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.4-4

Tagessummen der Direktstrahlung D, der diffusen Himmelsstrahlung H sowie der Globalstrahlung G auf horizontale Flächen an wolkenlosen Tagen in Wh/(m2d) (Rechenwerte für 50° geographischer Breite und verschiedene Monate) (DIN 4710E:2016). Wh/(m2d) Mittlere Trübung

Monat

Wh/(m2d) Geringe Trübung

D

H

G

D

H

G

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

1434 2525 4128 5547 6802 7288 6680 5400 3966 2385 1361 954

366 510 778 1099 1306 1361 1339 1123 830 551 379 292

1800 3035 4906 6646 8108 8649 8019 6523 4796 2936 1740 1246

1516 2704 4519 5812 7097 7494 6877 5571 4111 2500 1443 1017

330 431 614 995 1190 1282 1262 1055 771 503 343 264

1846 3135 5133 6807 8287 8776 8139 6626 4882 3003 1786 1281

Tafel 1.1.4-5

Globalstrahlung auf Horizontalflächen und Sonnenscheindauer in Hamburg (niedrige Trübung) (DIN 4710E:2016 (Tab. 7.2, 8.2 bzw. 9.3)).

Monat

Strahlung mögliche

Sonnenscheindauer

im Mittel gemessene

[kWh/m2/d]

mögliche

mittlere

[h]

[h]

[%]

Januar Februar März April Mai Juni

1,32 2,57 4,61 6,42 8,06 8,66

0,53 1,10 2,19 3,55 4,91 4,91

280 311 343 419 498 496

42 67 105 161 217 222

15,0 21,5 30,6 38,4 43,6 44,8

Juli August September Oktober November Dezember

7,93 6,25 4,38 2,45 1,27 0,84

4,92 4,28 2,90 1,63 0,68 0,40

539 434 360 340 269 230

207 207 141 100 53 35

38,4 47,7 39,2 29,5 19,7 15,2 Im Jahresmittel 32%

Neben den rechnerischen Daten mit festgelegten Trübungen hat der Deutsche Wetterdienst jetzt ein Messnetz installiert mit dem inzwischen langfristige Strahlungsmessungen gewonnen wurden. Die DIN 4710E:2016 (dort Tabelle 8) enthält die Strahlungsmessergebnisse als stündliche Werte, als Tages- und Monatssummen sowie als Jahressummen für die Globalstrahlung und die diffuse Sonnenbestrahlung, im Wesentlichen für den 15-Jahres-Zyklus 1991–2005.

1.1.4 Sonnenstrahlung

Tafel 1.1.4-6

Monat

57

Tägliche und monatliche mittlere gemessene Globalstrahlung sowie Jahresmittelwerte auf horizontale Flächen in verschiedenen Städten (DIN 4710E:2016 (dort Tab. 8.2.1 u. 8.3.1)). Potsdam (Berlin)

Hamburg

Passau/Fürstenzell (München)

Wh m2 d

kWh m2, Mon

Wh m2 d

kWh m2, Mon

Wh m2 d

kWh m2, Mon

Januar Februar März April Mai Juni

652 1281 2344 3894 4976 5379

20,2 35,9 72,7 116,8 154,3 161,4

534 1108 2188 3552 4912 4912

16,6 31,0 67,8 106,6 152,3 147,4

947 1742 2786 4098 5348 5579

29,4 48,8 86,4 122,9 165,8 167,4

Juli August September Oktober November Dezember

5167 4546 3071 1801 784 487

160,2 140,9 92,1 55,8 23,5 15,1

4915 4281 2904 1627 675 396

152,4 133,7 87,1 50,4 20,3 12,3

5347 4768 3226 1924 897 695

165,8 147,8 96,8 59,6 26,9 21,6

Jahr

1048,9

Tafel 1.1.4-7

976,8

1139,0

Jahressummen der Globalstrahlung für verschiedene Orte in kWh/m2/a.

Berlin (Potsdam) Hamburg München (Fürstenzell)

1049 977 1139

Zürich Wien Paris

1000 1120 1500

Marseille Florida Sahara

1860 1800 2500

Aus DIN 4710E:2016 u. a.

Danach schwankt die jährliche Globalstrahlungssumme in Deutschland zwischen 977 kWh/m2/a (Hamburg-Sasel) und 1178 kWh/m2/a (Weihenstephan). Potsdam (Berlin) liegt bei 1049, Fürstenzell (München) bei 1139, Mannheim (Frankfurt) bei 1100 kWh/m2/a. Tafel 1.1.4-8

Monat

Tagessummen der Gesamtstrahlung auf unterschiedlich orientierte Flächen in kWh/m2/d (50° geographische Breite, geringe Trübung) (DIN 4710E:2016 (dort Tab. 7.2.2.2)). Normal

Horiz. NO/NW

O/W

S

SO/SW

N

24. Januar 20. Februar 22. März 20. April 21. Mai 21. Juni

6,56 8,61 10,86 11,82 13,25 13,67

1,85 3,14 5,13 6,81 8,29 8,78

0,41 0,78 1,62 2,46 3,41 3,78

1,65 2,54 3,70 4,38 5,05 5,23

5,48 6,38 6,39 5,38 4,52 4,15

4,04 4,94 5,59 5,40 5,23 5,05

0,34 0,51 0,78 1,23 1,95 2,35

23. Juli 24. August 22. September 23. Oktober 20. November 20. Dezember

12,89 11,41 9,96 8,01 6,30 5,15

8,14 6,63 4,88 3,00 1,79 1,28

3,35 2,40 1,54 0,76 0,40 0,26

4,93 4,24 3,42 2,37 1,58 1,12

4,44 5,25 5,98 5,99 5,28 4,57

5,12 5,24 5,19 4,63 3,89 3,31

1,94 1,23 0,82 0,52 0,34 0,26

1

58

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

1.1.4-7

Sonnenstrahlung und Fenster 1)

Die Fensterflächen sind unter dem Einfluss der modernen Architektur in den letzten Jahren gegenüber früher immer größer geworden. Früher etwa 20 % Fensteranteil der Außenwand, heute insbesondere z. B. bei Bürobauten bis zu 50 %, vereinzelt auch mehr. Dennoch: Durch große Glasflächen steigt einerseits der Wärmeverlust im Winter, andererseits die Sonneneinstrahlung im Winter und im Sommer. Durch Wärmeschutzverglasung (Uw = 1,5 W/m2/K und kleiner, bei Dreifach-Verglasung < 0,9 W/m2 /K) lässt sich heute auch bei größeren Glasflächen die Anforderung der Energieeinsparverordnung EnEV 2014 erfüllen. Im Winter und der Übergangszeit wird die meiste Wärme auf der Südseite eingestrahlt, im Sommer dagegen auf der Ost- und Westseite (vgl. Bild 1.1.4-9 gegenüber Bild 1.1.4-8). Das Maximum der integrierten Tagessumme an wolkenlosen Tagen liegt auf der Südseite mit 6,39 kWh/m2 je Tag im März und ähnlich hoch im Februar, September und Oktober (vgl. Tafel 1.1.4-8). Gegenüber 1990 erhöhen sich die jährlichen Einstrahlungssummen um 2 bis 7 %. Die Innenlufttemperaturen sind auf der Westseite immer am höchsten, während sie auf der Ostseite infolge der Wärmespeicherung und der geringeren morgendlichen Außentemperaturen merklich geringer sind.

Bild 1.1.4-10. Jahresgang der Sonnenscheindauer in Berlin und Essen.

Bild 1.1.4-11. Temperaturgang der Raumluft an heißen Sommertagen (Beispiel nach Rouvel). Kein Sonnenschutz und keine Lüftung.

1)

Künzel, H.; Frank, W.: Ges.-Ing. (1979), Nr. 1/2, S. 85–92. Hauser, G.: Bauphysik (1979), Nr. 1, S. 12–17; TAB (1979), Nr. 12, S. 1015–1019. Müller, H.: HLH (1979), Nr 12, S. 467–472. Aydinli, S.; Krochmann, J.: TAB (1984), Nr. 7/8, S. 563–567.

1.1.4 Sonnenstrahlung

59

1 Bild 1.1.4-12. Raumlufttemperatur infolge Sonnenstrahlung durch Fenster auf Südseite. Mitte Juni, 40% Fensteranteil.

Bild 1.1.4-13. Oberflächentemperaturen von sonnenbestrahlten Dächern.

Zur Abführung der sehr erheblichen Sonnenwärme im Sommer sind bei Gebäuden mit großen Fenstern Klimaanlagen häufig unentbehrlich, namentlich wenn keine geeigneten Sonnenschutzvorrichtungen vorhanden sind und die Wärmespeicherung infolge leichter Bauweise gering ist. 1) Räume mit dicken Wänden aus schweren Baustoffen erwärmen sich wesentlich weniger, da sie eine große Wärmekapazität haben. Erhöhung der Innentemperatur normaler Räume mit großen ungeschützten Fenstern ohne Kühlung s. Bild 1.1.4-11 und Bild 1.1.4-12, die natürlich nur eine ungefähre Vorstellung vermitteln sollen. Möblierung, Teppiche, Wand- und Decken-Verkleidungen verringern die Speicherung. Sonnenschutzmöglichkeiten durch Sonnenschutzgläser, Vorhänge, Jalousien, Markisen, überstehende Balkone oder Dächer usw. siehe Abschnitt 1.12.2. Die Oberflächentemperatur von Wänden und Dächern wird durch die Sonnenstrahlung sehr hoch (Bild 1.1.4-13). 2) Natürlich spielt der Einfluss der Strahlungsreflexion eine wesentliche Rolle. Dunkle Flächen werden deutlich wärmer als helle oder metallisch blanke. Im Winter verringert Sonnenstrahlung durch Fenster den Wärmeverlust. Südorientierte Fensterflächen können gegenüber fensterlosen Fassaden eine Energieersparnis am jährlichen Wärmeverbrauch in der Größenordnung von ca. 15 % erbringen. 3) Zur passiven Solarwärmenutzung siehe auch Abschnitt 1.12.1-4.

1.1.4-8

Besonnung im Jahresablauf 4)

Bei fast allen vorhergehenden Angaben war vorausgesetzt, dass der Himmel unbedeckt ist und die Sonne ungestört strahlt (s. aber S. 124, letzter Abs. mit Hinweisen auf Tab. 8 der DIN 4710). Die sich dabei ergebenden Strahlungswerte sind maßgebend für die Bemessung der Kühler in den Klimaanlagen. Für die Ermittlung der Betriebskosten muss man die tatsächlich vorhandene Sonnenscheindauer und die tatsächliche Einstrahlung im Laufe eines Jahres kennen. Diese sind jedoch sowohl zeitlich wie örtlich großen Schwankungen unterworfen. Tafel 1.1.4-5 bis Tafel 1.1.4-7 und Bild 1.1.4-10. Die jährliche Sonnenscheindauer schwankt zwischen 1423 h in Essen und 1693 h in Potsdam (Berlin). Das Verhältnis tatsächliche Sonnenscheindauer ----------------------------------------------------------------------------mögliche Sonnenscheindauer

1)

2) 3)

4)

Hauser, G.; Gertis, K.: Ki (1980), Nr. 2, S. 71–82. Holz, D.; Künzel, H.: Ges.-Ing. (1980), Nr. 3, S. 49–56. Rouvel, L.: Kongreßbericht, Berlin, 1980, S. 169–172. Reinhard, K.: Ki (1978), Nr. 6, S. 235–240. Gertis, K.; Hauser, G.; Ki (1979), Nr. 3, S. 283–287. Rouvel, L.; Wenzel, B.: HLH (1979), Nr. 8. S. 285–291. Werner, H.: Ges.-Ing. (1980), Nr. 3, S. 63–68; Ges.-Ing. (1981), Nr. 3, S. 121–126. Hauser, G.: HLH Heft (1983), Nr. 4, 5 u. 6. Hönmann, W.: LTG. TI 61 (1984); CCI (1983), Nr. 12, S. 16/26. Kast, W.; Otten: HLH (1988), Nr. 12, S. 558–561. Krochmann, J.: Lichttechn. 74, S. 428–429 u. 466–468; TAB (1977), Nr. 4, S. 405–408.

60

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.4-14. Globalstrahlung in Deutschland. Mittlere Jahressummen in kWh/m2/a. Zeitraum: 1981-2000. Quelle: Deutscher Wetterdienst (DWD), Meteorologisches Observatorium Hamburg.

liegt im Jahresmittel bei etwa 0,32 (Sonnenscheinwahrscheinlichkeit SSW) s. Tafel 1.1.4-5. Das gemessene Tagesmittel der Globalstrahlung (auf Horizontalflächen) schwankt zwischen 0,5 kWh/(m2d) im Januar bis etwa 5,0 kWh/(m2 d) im Juni siehe Tafel 1.1.4-6. Das Verhältnis zwischen gemessener und möglicher Strahlung beträgt ungefähr auf Horizontal-, Ost- und Westflächen 0,55…0,60 auf Südflächen 0,45…0,50 auf Nordflächen 0,90 Die mittleren jährlich durch Globalstrahlung auftretenden Energiemengen in kWh/ (m2a) in den verschiedenen Regionen Deutschlands sind in Bild 1.1.4-14 dargestellt.

1.1.4 Sonnenstrahlung

1.1.4-9

61

Besonnung bei unterschiedlichen geographischen Breiten

Nahezu sämtliche bisherigen Aussagen zur Strahlung sind auf mitteleuropäische Verhältnisse zugeschnitten, bevorzugt auf 50° nördlicher Breite. Um den Anforderungen der Globalisierung gerecht zu werden, entstand die VDI 4710 Blatt 1 1) mit umfassenden Informationen zu außereuropäischen Stationen. Diese Richtlinie enthält neben Messdaten auch ausführliche Berechnungsunterlagen zur Solarstrahlung und zwar weltweit für die geographischen Breiten ±70° bis 0° (Äquator) in 5°-Schritten. Parameter ist wieder der Linke’sche Trübungsfaktor TL, und man hat jeweils drei Trübungsfaktoren zur Auswahl, um die örtliche Atmosphäre zu charakterisieren. Die Berechnung wurde von S. Aydinli mit dem gleichen Programmsystem durchgeführt, mit dem er auch die deutschen Strahlungsdaten ermittelt hat (s. DIN 4710, VDI 2078). 2) Hier werden nur zur Illustration Strahlungsverläufe der Gesamtstrahlung für Januar, April, Juli gezeigt – einmal für +5° geographische Breite (in Äquatornähe) und einmal für 65° geographische Breite (Bild 1.1.4-15 bis Bild 1.1.4-20). Das gesamte Datenmaterial steht auf CD zur Verfügung. Eine ausführliche Erläuterung wurde vom Ausschuss veröffentlicht. 3)

Bild 1.1.4-15 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, Januar, TL = 4

Bild 1.1.4-16 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, April, TL = 4

Bild 1.1.4-17 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, Juli, TL = 4

Bild 1.1.4-18 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, Januar, TL = 2,5

1) 2)

3)

VDI 4710 Blatt 1, 03-2013. Aydinli, S.: Dissertation, TU Berlin, 1981; siehe auch Fortschr. Ber. VDI, Reihe 6, Nr. 79, Düsseldorf 1981. Aydinli, S.: Wärmeeinstrahlung in Innenräume durch Solarstrahlung. Bauphysik 5 (1983), Nr. 4. Masuch, J.; Rosenhagen, G.; Dehne, K.; Riecke, W.; Hollenbach, K.: Darstellung von außereuropäischen Klimadaten für die Gebäudetechnik. HLH 58 (2007), Nr. 4–7.

1

62

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.4-19 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, April, TL = 2,5

1.1.5

Bild 1.1.4-20 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, Juli, TL = 2,5

Wind 1)

Der Wind kann einen erheblichen Einfluss auf den Wärmebedarf von Räumen haben, da infolge von Druckunterschieden zwischen innen und außen kalte Außenluft durch Undichtigkeiten in der Gebäudeaußenhaut (Fenster, Türen, Jalousiedurchführungen usw.) eindringt. Es kann dadurch auch zu Zugbelästigung kommen. In der Energieeinsparverordnung ist daher für Neubauten die Fugendurchlässigkeit für Fenster und Türen limitiert (siehe Abschnitt 1.13 ). Der mittlere Luftwechsel n je Stunde erreicht bei alten Fenstern durchschnittliche Werte von n = 0,5…1,0 mit zeitlichen Spitzen, die ein Vielfaches davon betragen. Neuerdings werden die Fenster besonders dicht ausgeführt und begrenzen die Fugenlüftung auf etwa ein Zehntel dieses Betrages. Dadurch wird heute oft der hygienisch erforderliche Mindestbedarf zur Lüftung unterschritten, der für Wohnungen bei dem oben genannten Wert n = 0,5…1,0 h–1 liegt. Die Heizleistung hierfür liegt in der Größenordnung der Transmissionsverluste. Die Berechnung erfolgt neuerdings nach EN 12831:2003-08, die mit deutschem Anhang die wesentlichen Grundkonzepte (Trennung der Rechnung nach Transmission und Lüftung) beibehält. Raum- und Hauskenngröße werden durch einen Höhenkorrekturfaktor und einen Abschirmkoeffizienten ersetzt. Die Basis bildet ein n50-Kennwert, die Luftwechselrate je Stunde, die auf Grund einer Druckdifferenz innen–außen von 50 Pa entsteht. DIN 4701-3:1989-08 mit Hinweisen zur Heizkörperdimensionierung wurde zurückgezogen. Auch bei Lüftungsanlagen ist der Windeinfluss zu beachten. Auf der dem Wind zugekehrten Seite eines Gebäudes (der Luvseite) entsteht Überdruck, auf der dem Wind abgekehrten Seite (der Leeseite) Unterdruck. Bild 1.1.5-1. Ein Fortluftventilator, der auf der Luvseite ausbläst, wird also bei Windanfall wegen des größeren Luftwiderstandes weniger Luft fördern, auf der Leeseite dagegen mehr. Niederdruckventilatoren werden stärker beeinflusst als Hochdruckventilatoren. Bei enger Bebauung können durch gegenseitige Beeinflussung Veränderungen der Luftdruckverteilungen auftreten. Besonders bei Großbauten in Stadtzentren hat es sich bewährt, die Auswirkung eines Neubaus auf die städtische Durchlüftung der Nachbarschaft vorher in einem Gebäudeumströmungsversuch im Windkanal zu untersuchen. Daraus erhält man u. U. wichtige Erkenntnisse über Veränderungen des Mikroklimas dort und kann gegebenenfalls Korrekturen an der Gebäudegeometrie anbringen und auch wiederum im Versuch bewerten. Weiterhin kann die Gefahr der Rücksaugung von Emissionen untersucht und geklärt werden.

1)

Mattendorf, E.: HLH (1976), Nr. 3, S. 93–96. Frank, W.: Ges.-Ing. (1978), Nr. 1/2, S. 3–7. Wolfseher, U.; Gertis, K.: Ges.-Ing. (1978), Nr. 9, 8 S. Hausladen, G.: HLH (1978), Nr. 1, S. 21–28.

1.1.5 Wind

63

Auch bei der Aufstellung von Rückkühlwerken auf Dächern ist der Windeinfluss zu beachten. Wesentlich für die Bedeutung des Windeinflusses sind zwei Faktoren: Die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung.

1 Bild 1.1.5-1. Windanfall auf ein Gebäude.

Bild 1.1.5-2. Mittlere monatliche Windgeschwindigkeiten in verschiedenen deutschen Städten. DIN 4710:2003-01

Windgeschwindigkeit. Die mittlere Windgeschwindigkeit wird auf den meteorologischen Stationen mit dem bekannten Schalenkreuzanemometer gemessen, meist jedoch in größerer Höhe, etwa 20 bis 30 m. Man unterscheidet einen täglichen und einen jährlichen Gang. Die Unterschiede im täglichen Gang sind gering und können für heizungstechnische Untersuchungen vernachlässigt werden. Beim jährlichen Gang zeigt sich (Bild 1.1.5-2), dass die mittlere Windgeschwindigkeit überall in Deutschland im Winter etwas größer ist als im Sommer, ferner, dass sie in Küstennähe größer ist als im Binnenland. Neuere Untersuchungen von Heizwärmeverbräuchen, veranlasst vom Bundesbauministerium, zeigen genau aus diesem Grunde signifikant höhere Verbrauchsergebnisse bei Bauten in Küstennähe. Allerdings zeigt Bild 1.1.5-2 auch, dass es einen kontinuierlichen Abfall der Geschwindigkeit von Nord nach Süd zu geben scheint. Auffällig sind die extrem niedrigen Werte für Passau. In manchen Gegenden haben sich für besondere Winde besondere Namen durchgesetzt, wie Föhn (Alpen-Nordseite) und Mistral (Südfrankreich). Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu. In 100 m Höhe ist sie um etwa 50 % größer als in 10 m Höhe. Das Maximum wird gegen Mittag erreicht. Die Beaufort-Skala B zur Messung der Windstärke hat 12 Windstärkestufen. Umrechnung auf die Luftgeschwindigkeit v (angenähert): v = 2 B – 1 in m/s

64

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.5-3. Mittlere jährliche Windgeschwindigkeit und Windrichtung. DIN 4710:2003-08.

Windrichtung. Die Windrichtung wird in den meteorologischen Tafeln nach der achtteiligen Windrose und in Prozent der Beobachtungszahlen angegeben. Bild 1.1.5-3 zeigt für Bremerhaven, Potsdam, Mannheim und Passau die mittleren jährlichen Windgeschwindigkeiten in den verschiedenen Himmelsrichtungen. Es zeigt sich, dass die häufigsten und stärksten Winde aus westlichen Richtungen (W, NW, SW) wehen, eine Tatsache, die fast auf ganz Deutschland zutrifft, wenn örtlich auch fast stets Besonderheiten zu beachten sind. Beispiel: Frankfurt/M hat neben einem ausgeprägten SW-Wind-Einfluss einen nahezu gleich starken NO-Wind-Einfluss, bedingt durch Fallwinde vom nahen Taunus. Auffällig ist, dass die Windgeschwindigkeiten in Süddeutschland (rechte Graphik) erheblich unter denen in Norddeutschland liegen. Für die Heizungstechnik wichtig sind besonders die größeren Geschwindigkeiten im Winter. Aus Tafel 1.1.5-1 geht hervor, dass die Winde über 5 m/s mit einer Häufigkeit von rund 70 % aus dem westlichen Quadranten wehen. Da außerdem Häufigkeits- und Geschwindigkeitskurve annähernd gleichlaufend sind, haben demnach insbesondere die nach westlichen Richtungen gelegenen Räume einen durch den Wind bedingten zusätzlichen Wärmebedarf. Im Jahresverlauf werden die höchsten Geschwindigkeiten im November, die geringsten im August/September gemessen.

Tafel 1.1.5-1

Häufigkeit der Winde über 5 m/s Geschwindigkeit im Winter

O

SO

S

SW

W

NW

Häufigkeit der Winde > 5 m/s %

5,2 8,1 3,9 3,8 2,4 12,3 7,0 7,0

4,9 7,0 2,5 11,9 10,9 7,0 1,8 0,8

16,3 8,1 11,9 15,7 10,6 4,5 14,0 0,8

28,8 37,1 45,7 24,7 15,9 15,2 35,1 47,7

26,7 25,0 22,1 22,8 37,8 38,1 21,9 32,8

7,4 8,8 6,2 12,7 18,3 18,3 7,9 3,1

32,6 27,2 35,7 36,9 24,6 24,4 12,4 12,8

6,2

5,8

10,2

31,3

28,8

10,3

Ort

Häufigkeit in % N

Kiel Hamburg Aachen Memel Breslau Berlin Leipzig München Mittel

5,5 2,6 1,7 5,1 3,7 1,6 2,6 0,8 3,0

NO 5,2 3,3 5,0 3,3 1,2 3,3 9,7 7,0 4,8

1.2.1 Raumklimadefinition

1.2

65

Raumklimatische Grundlagen 1)

KÖPFE recknagel-online.de

Für den Heizungs- und Klimatechniker ist es unerlässlich, die raumklimatischen Grundlagen, die von Heizungs- und Raumlufttechnischen Anlagen sowie der Steuerung und Regelung dieser Anlagen wesentlich beeinflusst werden, zu verstehen. Darüber hinaus gibt es Einflüsse, die der Anlagenplaner zwar mit seiner eigenen Planung selbst nicht beeinflussen kann, deren mögliche negative Effekte aber in der Praxis seiner Planung zugeschrieben werden könnten. Für solche Einflüsse, wie z. B. Emissionen aus Baustoffen oder Phänomene wie das Sick Building Syndrome sollte der Planer daher ein Grundwissen und Verständnis der Zusammenhänge besitzen.

1.2.1

Raumklimadefinition

Der Raumklimabegriff umfasst die thermischen, akustischen, visuellen sowie die olfaktorischen (geruchlichen) und chemischen Bedingungen in einem Innenraum (Bild 1.2.1-1). Es werden folgende Sinne unterschieden mit denen der Mensch seine Umgebung wahrnehmen kann: Sehen, Hören, Schmecken, Riechen, Temperatursinn, Tasten und Gleichgewichtssinn. Der Mensch verfügt über kein Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Feuchte.                     !

Bild 1.2.1-1. Definition des Raumklimabegriffs.

Auslegung und Kategorien des Raumklimas Eine Zusammenfassung von Auslegungskriterien für Gebäude ist in DIN EN 15251 2) wiedergegeben. Diese beinhaltet Anforderungen an die thermische Behaglichkeit, die akustischen und visuellen Verhältnisse sowie die Innenraumluftqualität. Hervorzuheben ist die Unterteilung dieser Anforderungen in drei Kategorien: – Kategorie I: entspricht einem hohen Maß an Erwartungen und wird empfohlen für Räume, in denen sich sehr empfindliche oder anfällige Personen aufhalten – Kategorie II: entspricht einem normalen Maß an Erwartungen und wird für neue und renovierte Gebäude empfohlen. – Kategorie III: steht für ein moderates Maß an Erwartungen und kann bei bestehenden Gebäuden angewendet werden.

1)

2)

Überarbeitung für die 78. Auflage erfolgte von Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg, Dr.-Ing. Christian Scherer, Valley, (Abschnitt 1.2.3, außer 1.2.3-5 bis 1.2.3-7), PD Dr. med. habil. Dr.-Ing. Wolfgang Bischof, Jena (Abschnitt 1.2.7) und Prof. Dr. med. Gerhard A. Wiesmüller, Köln (Abschnitt 1.2.7) unter Verwendung vorhandener Textpassagen zu „Thermischer Behaglichkeit“ von Prof. Dr. Bjarne W. Olesen, Kopenhagen, und Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg. DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“, 12-2012 — Deutsche Fassung der EN 15251:2007.

1

66

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

1.2.2

Thermisches Raumklima

Die Wahrnehmung des thermischen Raumklimas und die Zufriedenheit mit dem thermischen Raumklima hängen mit der stoffwechselbedingten Erzeugung von Wärme, ihrer Abgabe an die Umgebung und den daraus resultierenden physiologischen Anpassungen der Körpertemperatur und des Schwitzens zusammen. Neben den sechs Hauptfaktoren Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftfeuchte, Luftbewegung, Bekleidungsdämmung sowie körperliche Aktivität, bestimmen noch weitere Einflussgrößen die thermische Behaglichkeit. In der Literatur wird gezeigt, dass Kontext-Effekte eine Wirkung auf die thermische Behaglichkeit haben. Kontext-Effekte sind kulturelle Variablen (Klima, Anpassung), psychologische Faktoren (Erfahrungen, Erwartungen, Wissen, Einstellung), demographische Faktoren (Alter, Geschlecht) oder weitere Faktoren (Möglichkeit der Einflussnahme auf das Raumklima, Umfeld) sein. So kann sich beispielsweise ein erhöhter Grad der Vertrautheit mit einer Umgebung (z. B. die eigene Wohnung) bei gleicher Temperatur in einer größeren thermischen Behaglichkeit im Vergleich zu weniger vertrauten Umgebungen (z. B. Büro) niederschlagen 1). Aber auch physiologische Akklimatisation bei länger andauerndem Wechsel in eine andere Klimazone oder jahreszeitlich verursachte Adaptation bestimmen die thermische Behaglichkeit. Definitionen – Thermisches Empfinden oder Temperaturempfinden: Das thermische Empfinden beschreibt die vom Körper wahrgenommene Temperatur und kann als eine Art relative Temperaturmessung des Körpers interpretiert werden. – Thermische Behaglichkeit oder thermische Zufriedenheit: Die thermische Behaglichkeit beschreibt das Wohlbefinden bei einer wahrgenommenen Temperatur in einem bestimmten Kontext. Sie wird durch psychologische und andere nicht-thermische Komponenten des Raumklimas beeinflusst. – Thermische Gesamtbehaglichkeit bezeichnet die thermische Behaglichkeit für den Körper als Ganzes. Sie ist zu unterscheiden von lokalen Effekten bezüglich der thermischen Behaglichkeit. Diese Unterscheidung ist jedoch eher theoretischer Natur. In Befragungen zeigt sich immer wieder, dass bei lokal auftretender Unbehaglichkeit die Gesamtbehaglichkeit beeinträchtigt wird. – Lokale thermische Behaglichkeit: Häufiger verwendet wird der Begriff der lokalen Unbehaglichkeit, welche die Unbehaglichkeit hervorgerufen durch lokal an einzelnen Körperstellen auftretende unangenehme thermische Verhältnisse bezeichnet. Über den Einfluss von psychosozialen Größen auf die thermische Behaglichkeit gibt es bisher wenige Untersuchungen. In einer Studie 2) wurde gezeigt, dass die Arbeitszufriedenheit einen Effekt auf die Zufriedenheit mit der Temperatur hat. Dies konnte durch neuere Forschungen 3) bestätigt werden. Die Möglichkeit, die thermischen Zustände im Innenraum individuell zu beeinflussen, wurde in vielen Studien als eine sehr wesentliche Einflussgröße auf die thermische Behaglichkeit identifiziert (siehe Abschnitt 1.2.6).

1.2.2-1

Thermisches Empfinden 4)

Wärmebilanz 5) Der menschliche Körper hält bei allen äußeren Luftzuständen und beliebigen Aktivitäten eine annähernd konstante Temperatur von 36,5–37 °C aufrecht. Dabei besteht ein gewisses Gleichgewicht zwischen der im Körper erzeugten und der von ihm abgegebenen bzw. gespeicherten Wärme. Um die Körpertemperatur jederzeit bei allen äußeren oder inne-

1) 2) 3) 4) 5)

Oseland, N. A.: Predicted and reported thermal sensation in climate chambers, offices and homes. Energy and Buildings 23 (1995), Nr. 2, S. 105–115. Cena, K.; de Dear, R.: Field study of occupant comfort and office thermal environments in a hotarid climate. Final report ASHRAE RP-921, 1998. Bischof, W.; Hellwig, R. T.; Brasche, S.: Thermischer Komfort – die extraphysikalischen Aspekte. Bauphysik 29 (2007), Nr. 3, S. 208–212. DIN 33403 Teil 1 bis 3 „Klima am Arbeitsplatz“: DIN 33403-1:2001-06; DIN 33403-2:2000-08; DIN 33403-3:2011-07. Schmidt,R. F.; Lang, F. (Hrsg.): Physiologie des Menschen. 30. Auflage, Springer Medizin Verlag, Heidelberg 2007.

1.2.2 Thermisches Raumklima

ren Verhältnissen weitgehend konstant zu halten, ist eine selbsttätige Temperaturregelung erforderlich, die vom Gehirn gesteuert wird. Fühlorgane (Sensoren) dieser Regelung sind in der Haut und im Gehirn liegende Thermorezeptoren. Die Wärmeabgabe des Körpers erfolgt dabei durch: 1. Konvektion der Wärme von der Körperoberfläche an die Luft; 2. Wärmestrahlung von der Körperoberfläche an die umgebenden Raumumschließungsflächen; 3. Verdunstung von Wasser an der Haut; 4. Wärmeleitung an berührenden Flächen, z. B. bei den Füßen, am Gesäß; 5. Atmung; 6. Ausscheidungen, Einnahme von Speisen, Diffusion u. a. wobei Konvektion, Strahlung und Verdunstung die wesentlichen Abgabemechanismen darstellen. In kühler Umgebung wird durch eine Verengung der Blutgefäße die Hautdurchblutung verringert. Die Hauttemperatur an den äußeren Extremitäten nimmt ab. Dadurch wird die Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion verringert. In warmer Umgebung wird die Hautdurchblutung erhöht und die Hauttemperatur ist an den verschiedenen Körperteilen sehr ähnlich. Die Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung wird erhöht. Bei sehr warmer Umgebung beginnt der Körper zu schwitzen und erhöht damit die Wärmeabgabe durch Verdunstung. Wärmeabgabe Für die Wärmebilanz und Wärmeabgabe des Menschen sind folgende Faktoren von Einfluss: Persönliche Faktoren: – Bekleidung (Wärmedämmung, Wasserdampfdurchlässigkeit) – Körperliche Aktivität oder Wärmeproduktion Umgebungsfaktoren: – Lufttemperatur – Mittlere Strahlungstemperatur (Oberflächentemperatur der umschließenden Flächen) – Luftgeschwindigkeit – Luftfeuchte (Absolute, Partieller Wasserdampfdruck) Ist die Wärmeabgabe größer als die Wärmeproduktion (Aktivität) sinkt die Haut-Körpertemperatur und die Arbeitszeit muss begrenzt werden. Für die Bewertung der noch akzeptablen Bedingungen oder Begrenzung der Aufenthaltsdauer bei Arbeit in kalter Umgebung können DIN EN ISO 11079 1) und DIN EN ISO 15743 2) verwendet werden. Ist die trockene Wärmeabgabe kleiner als die Wärmeproduktion steigt die Schweißabgabe. Körpertemperatur und Arbeitszeit müssen unter Umständen begrenzt werden. Für die Bewertung der noch akzeptablen Bedingungen und die Begrenzung der Aufenthaltsdauer bei Arbeit in sehr warmer Umgebung können DIN EN ISO 7933 3) und ISO 7243 4) verwendet werden.

1)

2)

3)

4)

DIN EN ISO 11079 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Bestimmung und Interpretation der Kältebelastung bei Verwendung der erforderlichen Isolation der Bekleidung (IREQ) und lokalen Kühlwirkungen (ISO 11079:2007)“, 04-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 11079:2007. DIN EN ISO 15743 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Arbeitsplätze in der Kälte – Risikobewertung und Management (ISO 15743:2008)“, 11-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 15743:2008. DIN EN ISO 7933 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der Wärmebelastung durch Berechnung der vorhergesagten Wärmebeanspruchung“, 12-2004 — Deutsche Fassung der EN ISO 7933:2004. ISO 7243 „Hot environments – Estimation of the heat stress on working man based on the WBGT-index (Wet Bulb Globe Temperature)“, 08-1989.

67

1

68

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Körperliche Aktivität 1) Tafel 1.2.2-1 zeigt die Wärmeabgabe bei unterschiedlichen körperlichen Aktivitäten. Tafel 1.2.2-1

Gesamtwärmeabgabe des Menschen bei verschiedener Tätigkeit (nach DIN EN ISO 7730)

Tätigkeit

Metabolische Rate = Wärmeabgabe W/m2 a)

ruhend, angelehnt

46

met b)

W a)b)

0,8

80

sitzend, entspannt

58

1,0

100

sitzende, leichte Tätigkeit (Büro, Wohnung, Schule, Labor)

70

1,2

125

stehende, leichte Tätigkeit (Zeichenbrett-Tätigkeit, Einkaufen, Labor, leichte Industrietätigkeit)

81

1,4

145

stehende, mittelschwere Tätigkeit (Verkaufstätigkeit, Haus-, Maschinen-Arbeit)

93

1,6

170

110 200

1,9 3,4

200 360

gehen auf der Ebene 2 km/h 5 km/h a) b)

bei ca. 1,8 m2 Körperoberfläche 1 met = 58 W/m2

Für energetische und raumklimatische Berechnungen werden die in Tafel 1.2.2-1 angegebenen Werte der Kühllastregeln (VDI 2078) 2) verwendet. Tafel 1.2.2-2

Wärme- und Wasserdampfabgabe des Menschen (nach VDI 2078:1996-07 – Kühllastregeln) *)

Tätigkeit körperlich nicht tätig bis leichte Arbeit im Stehen

schwere körperliche Tätigkeit *)

Lufttemperatur · Q tr (trocken) · Q f (feucht) · Q ges Wasserdampfabgabe GD · Q ges · Q tr (trocken)

°C

18

20

22

23

24

25

26

W W W g/h

100 25 125 35

95 25 120 35

90 30 120 40

85 35 120 50

75 40 115 60

75 40 115 60

70 45 115 65

W W

270 155

270 140

270 120

270 115

270 110

270 105

270 95

s. auch DIN 33403-3. 3)

Kleidung Von großem Einfluss auf die Behaglichkeit ist die Kleidung. In einem kühlen Raum kann man sich sehr schnell durch wärmere Kleidung Behaglichkeit verschaffen, ebenso in einem warmen Raum durch Ablegen von Kleidungsstücken. Der Wärmedämmwert von

1) 2) 3)

DIN ISO EN 8996 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Bestimmung des körpereigenen Energieumsatzes“, 01-2005 — Deutsche Fassung der EN ISO 8996:2004. VDI 2078 „Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln)“, 07-1996. DIN 33403 „Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung“, Teil 1: 06-2001; Teil 2: 08-2000; Teil 3: 07-2011.

1.2.2 Thermisches Raumklima

69

Bekleidungskombinationen ist in DIN EN ISO 9920 1) und DIN EN ISO 7730 2) angegeben (Tafel 1.2.2-3). Als physikalische Einheit für den Wärmeleitwiderstand gilt: 1 clo (von clothing value) = 0,155 m2 K/W (Wärmedurchlasswiderstand der Kleidung) Das Anziehen oder Ablegen von einzelnen Kleidungsstücken hat Einfluss auf die benötigte Raumtemperatur. Tafel 1.2.2-4 zeigt für das An- oder Ablegen einiger Kleidungsstücke die mögliche Anpassung der Raumtemperatur nach unten oder oben. Tafel 1.2.2-3

Wärmedämmwert von Bekleidungskombinationen aus DIN EN ISO 7730 *).

Bekleidungskombination

Wärmedämmwert [clo]

Wärmedurchlasswiderstand [m2K/W]

T-Shirt, Shorts, leichte Socken, Unterhose, Sandalen

0,30

0,050

Hemd mit kurzen Ärmeln, leichte Hose, leichte Socken, Unterhose, Schuhe (Sommerkleidung)

0,50

0,080

Hemd, Hose, Socken, Unterwäsche, Schuhe

0,70

0,110

Jacke, Hemd, Hose, Socken, Unterwäsche, Schuhe (Winterkleidung)

1,00

0,155

*)

DIN EN ISO 7730 „Ergonomie des Umgebungsklimas – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit und Berichtigungen“, 05-2006.

Tafel 1.2.2-4

Wärmedämmwert und entsprechend mögliche Anpassung der Raumtemperatur durch An- oder Ablegen von Kleidungsstücken bei gleichem thermischen Empfinden, für sitzende Personen, nach DIN EN ISO 7730 *).

Kleidungsstück T-Shirt Hemd mit kurzen Ärmeln Hemd mit langen Ärmeln Shorts Normale Hosen Leichter Rock (Sommer) Dicker Rock (Winter) Leichter Sweater Pullover Normale Jacke *)

Wärmedämmwert [clo]

Anpassung der operativen Temperatur [K]

0,09 0,15 0,25 0,06 0,25 0,15 0,25 0,20 0,28 0,35

± 0,6 ± 0,9 ± 1,6 ± 0,4 ± 1,6 ± 0,9 ± 1,6 ± 1,3 ± 1,7 ± 2,2

DIN EN ISO 7730 „Ergonomie des Umgebungsklimas – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit und Berichtigungen“, 05-2006.

Operative Temperatur Die Temperatur, die den Effekt von Lufttemperatur und mittlerer Oberflächentemperatur der Raumumschließungsflächen (mittlere Strahlungstemperatur) zusammenfasst, wird operative Temperatur oder einfach Raumtemperatur genannt (veraltete Bezeichnung: empfundene Temperatur). Definition der operativen Temperatur: Die gleichmäßige Tempe1)

2)

DIN EN ISO 9920 „Ergonomie der thermischen Umgebung – Abschätzung der Wärmeisolation und des Verdunstungswiderstandes einer Bekleidungskombination“, 10-2009 — Deutsche Fassung der EN ISO 9920:2009. DIN EN ISO 7730 „Ergonomie des Umgebungsklimas – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit und Berichtigungen“, 05-2006.

1

70

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

ratur eines Raumes, bei der der Mensch die gleiche Wärmemenge über Strahlung und Konvektion abgibt wie bei der gegebenen nicht gleichförmigen Umgebung. Operative Temperatur θo = a · θa + (1 – a) · θr wobei θa = Lufttemperatur in °C θr = Mittlere Strahlungstemperatur in °C a = 0,5 für Luftgeschwindigkeiten v < 0,2 m/s, a = 0,6 für v = 0,2 … 0,6 m/s, a = 0,7 für v = 0,6 … 1,0 m/s. Luftbewegung Die Luftbewegung hat einen erheblichen Einfluss auf die Behaglichkeit. Wie Luftgeschwindigkeit bewertet wird, hängt von der Prägung des Individuums durch Klimazone und Umgebung ab. Während Personen im Freien eine mäßige Luftbewegung durchaus nicht als unangenehm empfinden, manchmal sogar begrüßen, sind sie in geschlossenen Räumen empfindlicher gegenüber Luftbewegung. Am meisten wird das Wohlbefinden gestört, wenn die bewegte Luft eine geringere Temperatur als die Raumluft hat und vorwiegend aus bestimmter Richtung einen Körperteil trifft. Man spricht in diesem Fall von Zugluft (siehe Abschnitt 1.2.2-4.1). Erhöhte Raumtemperatur kann aber mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit (DIN EN ISO 7730) kompensiert werden (s. Abschnitt 1.2.23.3). Luftfeuchte 1) Da der Mensch kein Sinnesorgan für die Wahrnehmung der Feuchte hat, kann er weder die absolute noch relative Luftfeuchte in einem Innenraum wahrnehmen oder einschätzen. Untersuchungen in Gebäuden 2) zeigen, dass es in maschniell belüfteten Gebäuden trotz gemessener relativer Luftfeuchten von 40 bis 50 % zu einer Bewertung der Luft durch die Gebäudenutzer als „eher trocken“ kam. In frei belüfteten Gebäuden wurde die Lufttrockenheit vergleichbar eingestuft. Allerdings herrschten in diesen Gebäuden aufgrund der äußeren Witterungsverhältnisse relative Feuchten zwischen 15 und 30 %. Untersuchungen 3) weisen auf einen Zusammenhang des Trockenheitsgefühls, verursacht durch den Stoffübergangskoeffizient, mit den Strömungsbedingungen sowie der thermischen Last in einem Raum hin. Der Stoffübergangkoeffizient ist bei Mischlüftung gegenüber Quelllüftung und bei hoher gegenüber geringer Kühllastdichte höher. Dies kann eine Erklärung für Klagen über zu trockene Luft sein. Da die Entwärmung des menschlichen Körpers zum Teil auch durch Verdunstung von der Haut erfolgt, hat auch die Luftfeuchte einen gewissen Einfluss auf die Behaglichkeit. Die Höhe der Verdunstung hängt bei sonst gleichen Verhältnissen vom Dampfdruckunterschied des Wassers an der Hautoberfläche und des Wasserdampfes in der Luft ab. Kennzeichnung der Luftfeuchte durch die Begriffe relative Feuchte oder Taupunkt oder Feuchtkugeltemperatur. Bei Raumtemperaturen um 20 °C spielt allerdings die Wärmeabgabe durch Verdunstung nur eine geringe Rolle. Es ist daher anzunehmen, dass auch die Luftfeuchte in diesem Bereich keinen großen Einfluss hat. DIN EN 15251 4) empfiehlt als unteren Wert 20 %. Bei hohen Umgebungstemperaturen dagegen beginnt die Raumfeuchte bereits eine dominierende Rolle zu spielen, da jetzt der Einfluss der Hautverdunstung bei der Wärmeabgabe stark ansteigt. Durch Versuche in den 40er Jahren hat man festgestellt, dass die sogenannte Schwülekurve für einen normal bekleideten ruhenden Menschen in unseren Breiten bei der Darstellung im h,x-Diagramm etwa bei einem Wassergehalt der Luft von 12 g/kg liegt. 5)

1) 2)

3) 4)

Hahn, N. von: „Trockene Luft“ und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit – Ergebnisse einer Literaturstudie. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 67 (2007) Nr. 3, S. 103–107. Bischof W.; Bullinger-Naber, M.; Kruppa, B.; Schwab, R.; Müller, B. H.: Expositionen und gesundheitliche Beeinträchtigungen in Bürogebäuden – Ergebnisse des ProKlimA-Projektes. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2003. Fitzner, K.: Einfluss der thermischen Last auf das Raumklima. KI 38 (2002), Nr. 4, S. 186–190. DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“, 12-2012 — Deutsche Fassung der EN 15251:2007.

1.2.2 Thermisches Raumklima

1.2.2-2

71

Arbeitsstättenregel Raumtemperatur 1)

Für das Einrichten und Betreiben von Arbeitsstätten werden allgemeine Mindestanforderungen in der Arbeitsstättenverordnung 2) festgelegt. Die Arbeitsstättenregeln konkretisieren diese allgemeinen Anforderungen und legen die Mindestanforderungen fest. Die Arbeitsstättenregel ASR A3.5 Raumtemperatur1) enthält seit 2010 ein Stufenmodell für die Bewertung der Lufttemperatur in Arbeitsräumen mit niedrigen internen Wärmelasten und bei leichter bis mittlerer Arbeitsschwere (Bild 1.2.2-1). Das Stufenmodell, das sich auf Werte für die Lufttemperatur bezieht, ist nur anwendbar, wenn Wärmestrahlung, Luftgeschwindigkeit oder Luftfeuchte keinen wesentlichen Einfluss auf die operative Temperatur haben. 3) Grundsätzlich darf die Lufttemperatur in Arbeitsräumen 26 °C nicht überschreiten. Bei Außenlufttemperaturen über 26 °C muss wie folgt vorgegangen werden: – Lufttemperatur in Arbeitsräumen zwischen 26 °C und 30 °C: Unter der Voraussetzung, dass bereits geeignete Sonnenschutzmaßnahmen angewendet werden, sollen dann durch den Arbeitgeber Maßnahmen nach Tafel 1.2.2-5 ergriffen werden. – Lufttemperatur in Arbeitsräumen zwischen 30 °C und 35 °C: Der Arbeitgeber muss geeignete Maßnahmen nach Tafel 1.2.2-5 ergreifen, um die Beanspruchung der Beschäftigten zu reduzieren. – Lufttemperatur in Arbeitsräumen über 35 °C: Der Raum ist für die Zeit der Überschreitung ohne Maßnahmen wie bei Hitzearbeit nicht als Arbeitsraum geeignet.

für die Überschreitungszeit ohne Maßnahmen wie bei Hitzearbeit als Arbeitsraum ungeeignet

wirksame Maßnahmen müssen ergriffen werden

wirksame Maßnahmen sollen ergriffen werden

zulässiger Temperaturbereich

bei Außenlufttemperaturen unter über 26°C 26°C

°C Grafik: Hellwig

Bild 1.2.2-1. Stufenmodell der ASR A3.5 für die Lufttemperatur im Büro bei Außentemperaturen über 26 °C.*) *)

Arbeitsstättenregel ASR A3.5 „Raumtemperatur“, 2010 — GMBl Nr. 35, 23. Juni 2010, S. 751.

Eine Kommentierung umstrittener, auf früheren Ausgaben der ASR Raumtemperatur basierender, gerichtlicher Interpretationen arbeitsrechtlicher Bestimmungen zu sommerlichen Raumtemperaturwerten (26 °C) in Büros enthält. 4)

5)

1) 2) 3) 4)

DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“, 12-2012 — Deutsche Fassung der EN 15251:2007. Arbeitsstättenregel ASR A3.5 Raumtemperatur 2010, GMBl Nr. 35, 23. Juni 2010, S. 751. Verordnung über Arbeitsstätten (ArbStättV – Arbeitsstättenverordnung) 2010, letzte Änderung 19. Juli 2010, BGBl. I, S. 960. Hellwig, R. T.; Bux, K.; Pangert, R.: Zur Neufassung der Arbeitsstättenregel ASR A3.5 Raumtemperatur. Bauphysik 34 (2012), Nr. 6, S. 268–174. Hausladen, G.; Hellwig, R. T.; Nowak, W.; Schramek, E.-R.; Grothmann, T.: 26 °C – falsch verstandener Arbeitsschutz? Bauphysik 24 (2004), Nr. 4, S. 197–204.

1

72

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Tafel 1.2.2-5

Beispielhafte Maßnahmen, die beim Überschreiten einer Lufttemperatur von 26 °C in Gebäuden im Falle von Außenlufttemperaturen über 26 °C angewendet werden sollen oder müssen aus ASR A3.5 *)

a)

effektive Steuerung des Sonnenschutzes (z. B. Jalousien auch nach der Arbeitszeit geschlossen halten)

b)

effektive Steuerung der Lüftungseinrichtungen (z. B. Nachtauskühlung)

c)

Reduzierung der inneren thermischen Lasten (z. B. elektrische Geräte nur bei Bedarf betreiben)

d)

Lüftung in den frühen Morgenstunden

e)

Nutzung von Gleitzeitregelungen zur Arbeitszeitverlagerung

f)

Lockerung der Bekleidungsregelungen

g)

Bereitstellung geeigneter Getränke (z. B. Trinkwasser)

*)

ASR A3.5 2010: Arbeitsstättenregel ASR A3.5 Raumtemperatur. GMBl Nr. 35, 23. Juni 2010, S. 751.

1.2.2-3

Thermische Gesamtbehaglichkeit

Als Ersatz der früher für die Auslegung von Lüftungsanlagen gültigen DIN 1946-2 ist seit Mai 2005 DIN EN 13779 1) in Kraft. Dort wird bezüglich der Auslegungskriterien für das thermische Raumklima in Innenräumen auf DIN EN 15251 2) verwiesen. Nach DIN EN 15251 3) werden für die Auslegung der thermischen Gesamtbehaglichkeit zwei Verfahren unterschieden. Das im folgenden Abschnitt beschriebene Verfahren gilt für Gebäude ohne Konditionierung, z. B. frei gelüftete Gebäude im Sommer. Der darauffolgende Abschnitt beschreibt das Verfahren für maschinell beheizte und gekühlte Gebäude.

1.2.2-3.1

Gebäude ohne maschinelle Kühlung

Durch Auswertung von Feldstudien konnte festgestellt werden, dass die in Abschnitt 1.2.2-3.2 genannten Temperaturbereiche nicht auf Gebäude, deren Temperatur sich ausschließlich durch Fensteröffnen und -schließen ergibt, übertragbar sind. Es wurde ein neues adaptives Modell entwickelt, das für Gebäude ohne Heizung und ohne Kühlung in DIN EN 15251 4) aufgenommen wurde. Dabei wird ein gleitender Mittelwert der Außentemperatur als Bezugsgröße verwendet. Die resultierenden operativen Temperaturen gelten für Bürogebäude und Gebäude ähnlichen Typs, die für Nutzung durch Personen mit hauptsächlich sitzender Tätigkeit vorgesehen sind und für Wohnungen, in denen Fenster leicht geöffnet werden können sowie für Personen, die ihre Kleidung leicht an die innen und außen herrschenden thermischen Bedingungen anpassen können. Damit dieses Verfahren (Bild 1.2.2-2) angewendet werden kann, müssen folgende Randbedingungen eingehalten werden: – Die Räume müssen über Fenster verfügen, die sich zur Außenluft öffnen lassen und von den Nutzern leicht geöffnet und angepasst werden können. – Im Raum darf keine maschinelle Kühlung zum Einsatz kommen. – Maschinelle Lüftung mit ungekühlter Luft (im Sommer) darf verwendet werden, jedoch muss dem Öffnen und Schließen von Fenstern zur Regelung des Raumklimas der Vorzug gegeben werden.

1)

2)

3) 4)

DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 09-2007 — mit DIN SPEC 13779, nationaler Anhang, 12-2012. DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“, 12-2012. Deutsche Fassung der EN 15251:2007. Ebd. Ebd.

1.2.2 Thermisches Raumklima

– Zusätzlich können weitere energiearme Möglichkeiten zur individuellen Beeinflussung der Innentemperatur angewendet werden, zum Beispiel Ventilatoren, Jalousien, Nachtlüftung usw. (siehe Abschnitt 1.2.6) – Die Räume können mit einer Heizungsanlage ausgestattet sein. Dieses Verfahren gilt jedoch nicht für die Jahreszeiten, in denen die Heizungsanlage in Betrieb ist. – Das Verfahren gilt nur für Räume, in denen die Nutzer mit nahezu ausschließlich sitzenden Tätigkeiten beschäftigt sind, bei denen die Stoffwechselrate zwischen 1,0 met und 1,3 met liegt. – Damit die Nutzer die Wärmedämmung ihrer Bekleidung nach Wunsch anpassen können, darf kein Dress-Code im Gebäude vorgeschrieben sein.

Bild 1.2.2-2. Bereich der behaglichen operativen Raumtemperatur in Abhängigkeit von dem gleitenden Mittelwert der Außentemperatur für die drei Kategorien (siehe Abschnitt 1.2.1) nach DIN EN 15251 (siehe auch Tafel 1.2.2-6).

Tafel 1.2.2-6 ist anwendbar für die oberen Werte bei 10 °C < θrm < 30 °C und für die unteren Werte bei 15 °C < θrm < 30 °C. Unterhalb von 10 °C bzw. 15 °C gelten die gleichen Werte wie für maschinell gekühlte oder geheizte Gebäude nach Abschnitt 1.2.2-3.2. Der gleitende Mittelwert der Außentemperatur ist der exponentiell gewichtete Mittelwert der Tagesmittelwerte der Außentemperatur mehrerer aufeinander folgender Tage und bestimmt sich zu:

θrm = (1 – α) θed-1 + α · θrm-1 Dabei ist:

θrm θrm-1 θed-1 α

der gleitende Mittelwert der Außentemperatur für den aktuellen Tag der gleitende Mittelwert der Außentemperatur für den vorherigen Tag der Tagesmittelwert der Außentemperatur für den vorherigen Tag eine Konstante zwischen 0 und 1; es wird empfohlen, den Wert 0,8 zu verwenden

73

1

74

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Tafel 1.2.2-6

Bestimmung des behaglichen Bereiches der operativen Temperatur θo in °C in Abhängigkeit vom gleitenden Mittelwert der Außentemperatur für die drei Kategorien nach DIN EN 15251. θrm ist der gleitende Mittelwert der Außentemperatur.

Berechnung

Kategorie

Unterer Wert [K]

Oberer Wert [K]

hohes Maß an Erwartungen, sehr empfindliche Personen

–2

+2

II

normales Maß an Erwartungen, neue und renovierte Gebäude

–3

+3

III

moderates Maß an Erwartungen, bestehende Gebäude

–4

+4

θo = 0,33 * θrm + 18,8 I ± Bereich

1.2.2-3.2

Bereich

Maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude

DIN EN ISO 7730 standardisiert ein Verfahren zur Berechnung eines vorausgesagten mittleren thermischen Empfindens einer Gruppe. Es basiert auf der Wärmebilanz von Wärmeproduktion und -abgabe einer standardisierten Person. Dabei wir das vorausgesagte mittlere Votum (PMV-Predicted mean vote) als mittleres thermisches Empfinden einer Gruppe auf einer siebenstufigen Skala: +3 (heiß), +2 (warm), +1 (etwas warm), 0 (neutral), –1 (etwas kühl), –2 (kühl) und –3 (kalt) dargestellt. Für maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude wird ein Wert von 0, einem neutralen thermischen Empfinden entsprechend (weder warm noch kalt), angestrebt. Ausgehend von der thermischen Neutralität wird in Abhängigkeit von der Aktivität und der Bekleidungsdämmung der Personen ein zulässiger Temperaturbereich ermittelt, der sich für die drei Kategorien des Raumklimas nach DIN EN 15251 (siehe Abschnitt 1.2.1) aus unterschiedlichen Bereichsbreiten um die thermische Neutralität bewegt (Tafel 1.2.2-7). Tafel 1.2.2-7

Zulässige Bereiche des thermischen Empfindens auf der Skala des vorausgesagten mittleren Votums (PMV) für die drei Kategorien des Raumklimas nach DIN EN 15251.

Kategorie

Bereich für das vorausgesagte mittlere Votum (PMV) Unterer Wert

Oberer Wert

I

hohes Maß an Erwartungen, sehr empfindliche Personen

-0,2

+0,2

II

normales Maß an Erwartungen, neue und renovierte Gebäude

-0,5

+0,5

III

moderates Maß an Erwartungen, bestehende Gebäude

-0,7

+0,7

In Bild 1.2.2-3 ist für 50 % rel. Luftfeuchte die optimale operative Temperatur abhängig von Kleidung und Aktivität für Kategorie II dargestellt. Dabei ist für die Luftgeschwindigkeit angenommen v = 0 m/s bei Aktivität M ≤ 1 met und v = 0,3 (M – 1) bei M > 1 met. Die ausgezogenen Kurven ergeben PMV = 0 (neutral), die Schraffur deutet den Bereich –0,5 < PMV < + 0,5 an. Die dazugehörige Schwankungsbreite der operativen Temperatur ist ebenfalls angegeben.

1.2.2 Thermisches Raumklima

75

Ablesebeispiel Bild 1.2.2-3: Tätigkeit: sitzend im Büro, d. h. Aktivität = 1,2 met = 125 W (s. Tafel 1.2.2-1). Kleidung: Winterkleidung, d. h. Bekleidungsdämmung 1 clo (s. Tafel 1.2.2-3). Optimale operative Temperatur ~22 °C ± 2 K Bekleidungsdämmwiderstand [m²K/W] 0 0,1 0,2

20

2

22 24 26

18

16 °C

14 °C

12 °C

10 °C

0,3 175

°C

150 ±5,0 K

125

°C

°C

±4,0 K

100

°C

±3,0 K ±2,5 K ±2,0 K

°C

1 ±1,0 K

1

Aktivität [W/m²]

Aktivität [met]

3

75 50

±1,5 K

Bild 1.2.2-3. Optimale operative Temperatur für PMV = 0 abhängig von Aktivität und Kleidung (nach DIN EN ISO 7730). Luftfeuchte 50 %. Ausgezogene Linien PMV = 0. Schraffierter Bereich PMV = ±0,5, entspricht Kategorie II.

Tafel 1.2.2-8 zeigt die Anforderungen an den Temperaturbereich der operativen Temperatur für drei verschiedene Raumtypen. Der obere Wert des Intervalls für Sommer wird empfohlen als Auslegungstemperatur für Kühlung. Der untere Wert im Winter wird empfohlen als Auslegungstemperatur für Heizung. Tafel 1.2.2-8

Auslegungswerte für die operative Raumtemperatur und maximale mittlere Luftgeschwindigkeiten zur Vermeidung von Zugluft für unterschiedliche Räume nach DIN EN 15251 und DIN EN ISO 7730

Gebäude/Raum

Aktivität

Kategorie

met

Operative Raumtemperatur a)

Maximale mittlere Luftgeschwindigkeit c)

°C Sommer b) (Kühlperiode)

°C Winter b) (Heizperiode)

m/s Sommer (Kühlperiode)

m/s Winter (Heizperiode)

Einzelbüro Großraumbüro Konferenzraum

1,2

I II III

24,5 ± 1,0 24,5 ± 1,5 24,5 ± 2,5

22,0 ± 1,0 22,0 ± 2,0 22,0 ± 3,0

0,12 0,19 0,24

0,10 0,16 0,21 d)

Kindergarten

1,4

I II III

23,5 ± 1,0 23,5 ± 2,0 23,5 ± 2,5

22,0 ± 1,0 23,0 ± 2,5 23,0 ± 3,5

0,11 0,18 0,24 d)

0,10 d) 0,15 d) 0,19

Kaufhaus

1,6

I II III

23,0 ± 1,0 23,0 ± 2,0 23,0 ± 3,0

19,0 ± 1,5 19,0 ± 3,0 19,0 ± 4,0

0,16 0,20 0,23

0,13 d) 0,15 d) 0,18 d)

a)

b) c)

d)

In vielen Gebäuden und Räumen mit mäßigen Heiz- und Kühllasten sind die Operativ- und die Raumlufttemperatur fast gleich. Für die Auslegung wird der maximale Wert für Sommer (Kühlung) und der Minimum-Wert für Winter (Heizung) verwendet. Sommerbekleidung ~ 0,5 clo, Winterbekleidung ~ 1,0 clo. Angenommen wird ein Turbulenzgrad von 40 %. Zur Bestimmung der maximalen mittleren Luftgeschwindigkeit wird sowohl im Sommer als auch im Winter die niedrigere Temperatur des Bereichs gewählt. Operative Raumtemperatur unterhalb des Gültigkeitsbereiches des Zugluftmodells (siehe Abschnitt 1.2.2-4.1).

76

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

1.2.2-3.3

Erhöhte Luftgeschwindigkeit im Sommer

Eine erhöhte Luftgeschwindigkeit im Raum vergrößert die konvektive Wärmeabgabe einer Person an die Umgebung. Im Sommer kann dies ein Mittel sein, ein thermisches Warm-Empfinden auszugleichen. Dazu soll jedoch der Nutzer des Raumes die Möglichkeit besitzen Einfluss auf die Luftgeschwindigkeit zu nehmen, diese Funktion also aktivieren oder deaktivieren zu können (siehe Abschnitt 1.2.6). Bild 1.2.2-4 zeigt für übliche Sommerbekleidung (0,5 clo) und eine Aktivität von 1,2 met (125 W) um wie viel die operative Temperatur steigen darf, wenn die Luftgeschwindigkeit erhöht wird. Die Linien in Bild 1.2.2-4 haben einen Referenzpunkt, der einer operativen Temperatur von 26 °C und einer mittleren Luftgeschwindigkeit von 0,2 m/s entspricht. Das Verhältnis von mittlerer Strahlungstemperatur und Lufttemperatur bestimmt dabei die Wirksamkeit der Luftgeschwindigkeitserhöhung. Für überwiegend sitzende Tätigkeiten sollte die Temperaturerhöhung < 3 K und die mittlere Luftgeschwindigkeit v < 0,8 m/s sein. Mittlere Luftgeschwindigkeit [m/s] 1,5 (Tr - Ta)= 10 K 1,2

5K

0K -5 K

0,9 0,6

Bereich für überwiegend sitzende Tätigkeit

-10 K

0,3 0 0 1,1 2,2 3,3 4,4 Erhöhung der operativen Temperatur über 26°C [K]

Bild 1.2.2-4. Luftgeschwindigkeitserhöhung zur Kompensation einer höheren operativen Temperatur nach DIN EN ISO 7730; θr: mittlere Strahlungstemperatur, θa:Lufttemperatur.

1.2.2-4

Lokale thermische Behaglichkeit

Thermische Unzufriedenheit kann auch dadurch hervorgerufen werden, dass ein Teil des Körpers einer unerwünschten Wärme oder Kälte ausgesetzt ist. DIN EN ISO 7730 1) legt die Auslegungskriterien für lokale thermische Behaglichkeit fest. Eine Person fühlt sich möglicherweise behaglich, was den Körper als Ganzes betrifft, und kann sich dennoch unbehaglich fühlen, wenn ein Teil des Körpers als warm und ein anderer als kalt empfunden wird. Daher gilt als zusätzliche Anforderung an die thermische Behaglichkeit, dass keine lokale thermische Unbehaglichkeit vorliegt. Eine lokale Unbehaglichkeit kann von einer örtlich begrenzten Zugluft (siehe Abschnitt 1.2.2-4.1), einem vertikalen Lufttemperaturunterschied (siehe Abschnitt 1.2.2-4.2), einer asymmetrischen Verteilung von Strahlung im Raum (siehe Abschnitt 1.2.2-4.3) oder dem Kontakt mit warmen oder kalten Oberflächen (siehe Abschnitt 1.2.2-4.4) verursacht werden. In Tafel 1.2.2-9 sind die Anforderungen an den vertikalen Lufttemperaturunterschied, den Bereich der Fußbodentemperatur und die maximale Strahlungstemperaturasymmetrie für die drei Kategorien des Raumklimas dargestellt. Im Folgenden werden die Phänomene lokaler Unbehaglichkeit erläutert.

1)

DIN EN ISO 7730 „Ergonomie des Umgebungsklimas – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit und Berichtigungen“, 2006-05.

1.2.2 Thermisches Raumklima

Tafel 1.2.2-9

*)

77

Der zulässige vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Füßen sowie die zulässigen Werte der Fußbodentemperatur und Strahlungstemperatur-Asymmetrie für drei Kategorien des Raumklimas (DIN EN ISO 7730)

Kategorie

Vertikaler Lufttemperaturunterschied *) K

Bereich der Oberflächentemperatur des Fußbodens °C

Strahlungstemperatur-Asymmetrie K Warme Decke

Kühle Wand

Kühle Decke

Warme Wand

I

n-Hexadecan(C16) bis ≤ n-Docosan (C22)

Flüchtige organische Verbindungen, die Stoffwechselprodukte mikrobieller Aktivitäten sind, werden MVOC (microbial volatile organic compounds) genannt. Letztere sind häufig gleichzeitig geruchlich auffällig. Geruchlich wahrnehmbare flüchtige organische Verbindungen werden auch als OVOC (odourous volatile organic compounds) bezeichnet. TVOC Die Summe aller VOC wird als total volatile organic compounds (TVOC) bezeichnet, wobei – abhängig von der verwendeten Beurteilungsgrundlage (AgBB-Schema, EMICODE, franz. VOC-Verordnung, etc.) – unterschiedliche Berechnungsmethoden für den TVOC angewandt werden, die wiederum zu unterschiedlichen TVOC-Werten führen. Online-Messgeräte wie Flammen- oder Fotoionisationsdetektoren geben häufig ebenfalls sog. TVOC- oder Gesamt-HC-Werte aus. Da bei diesen Messgeräten aber keine Auftrennung der Verbindungen nach Siedepunkt bzw. Retentionsverhalten vorgenommen wird, enthält ein derart ermittelter TVOC- bzw. Gesamt-HC-Wert alle flüchtigen Verbindungen (VVOC, VOC und SVOC) und ist somit nicht direkt mit den Werten vergleichbar, die mittels Luftprobenahme und nachfolgender chemischer Analytik ermittelt werden. Gerüche Häufig sind Fehlgerüche 1) Auslöser für die Beauftragung von Innenraumluft-Untersuchungen. Bauprodukte, Reinigungsmittel, Menschen und Haustiere, sowie die Aktivitäten der Nutzer (kochen, rauchen, Duftkerzen, etc.) sind neben dem Eintrag von Geruchsstoffen mit der Außenluft wesentliche Quellen für Fehlgerüche. Die von den Nutzern wahrgenommenen Geruchsstoffe sind mit wenigen Ausnahmen (z. B. Schwefelwasserstoff, Ammoniak) flüchtige organische Verbindungen. Da viele dieser Stoffe bereits bei Konzentrationen, die in der Regelanalytik nicht erfasst werden, Geruchswahrnehmungen auslösen, kann deren Intensität nicht mit den in der InnenraumluftAnalytik üblichen apparativen Methoden bestimmt werden. Vielmehr werden Probandenkollektive zur Geruchsbewertung herangezogen. Mit der DIN ISO 16000-28 2) wurde eine neue Größe zur Beschreibung der Geruchsintensität eingeführt, PI („perceived intensity“, empfundene Intensität). Die PI-Skala ist linear aufgebaut. 0 PI entspricht der Geruchsschwelle von Aceton von 20 mg/m3. Der Abstand zwischen zwei PI-Einheiten entspricht einer Aceton-Konzentrationsdifferenz von ebenfalls 20 mg/m3. Die Beurteilung der Geruchsintensität wird nach Norm von einer mindestens 8 Personen umfassenden Prüfergruppe aus geschulten Probanden durchgeführt. Für die Akzeptanzbewertung werden mindestens 15 ungeschulte Probanden benötigt, für die Beurteilung der hedonischen Wirkung mindestens 8. Die Luft wird den Prüfern bei der Prüfung an der Prüfkammer oder, wenn eine Luftprobenahme in einem geruchlich inerten Beutel erfolgte, mit Hilfe eines Trichters oder einer Maske dargeboten. Ansonsten können Räume (DIN ISO 16000-30 3)) begangen und direkt bewertet werden. Die VDI-Richtlinien VDI 4302 Blatt 1 4) und Blatt 2 5) beschreiben neben der Bewertung der Geruchsintensität durch ge1)

2)

3) 4)

87

Arbeitsgemeinschaft ökologischer Forschungsinstitute e.V.: AGÖF-Orientierungswerte für flüchtige organische Verbindungen in der Raumluft. Fassung vom 28.11.2013 — http://www.agoef.de/ orientierungswerte/agoef-voc-orientierungswerte.html (aufgerufen am 5.5.2016). DIN ISO 16000-28 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 28: Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-28:2012. DIN ISO 16000-30 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 30: Sensorische Prüfung der Innenraumluft“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-30:2014. VDI 4302 Blatt 1 „Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien – Grundlagen“, 04-2015.

1

88

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

schulte Prüfer und einen Aceton-Referenzmaßstab auch die Intensitätsbewertung mit einem ungeschulten Probandenkollektiv und einer sog. Kategorienskala von 0 (nicht wahrnehmbar) bis 6 (extrem stark). Die Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte 1) veröffentlichte einen Diskussionsvorschlag für ein Bewertungskonzept für Geruchsstoffe in der Innenraumluft anhand von Geruchsleitwerten, die wiederum mithilfe von Geruchswahrnehmungsschwellen errechnet wurden. Emissionsquellen Die wesentlichen Quellen für VOC in Innenräumen sind Emissionen aus Bauprodukten, Einrichtungsgegenständen und Arbeitsmitteln (z. B. Computer oder Drucker), Nutzeraktivitäten (z. B. Rauchen, Kochen, Kosmetikartikel), die Anwesenheit von Haustieren sowie der Gebäudebetrieb (Reinigung, Pflege). In ungünstigen Lagen (verkehrsreiche Straßenzüge, Abluftfahne von Kompostier-, Biogas- oder Industrieanlagen) ist auch ein Eintrag von unerwünschten Stoffen mit der Außenluft möglich. Nach Sanierungen können Schadstoffe, die während der Vornutzung in die Gebäudesubstanz eindrangen und die während des Sanierungsprozesses nicht erkannt und beseitigt wurden, zu einer Verunreinigung der Innenraumluft beitragen. Ähnliches gilt für Bauten, die auf belasteten Grundstücken errichtet wurden. Ein Stoffeintrag aus dem Untergrund in neu errichtete Gebäude kann entweder mit der Außenluft oder – bei mangelnder Bauwerksabdichtung - durch Diffusion durch Bauteile mit Bodenkontakt erfolgen.

1.2.3-5

Adaptation und Einfluss von Temperatur und Feuchte 2)

Adaptation an Bioeffluenten Bei längerem Aufenthalt von Personen unter dem Einfluss von vom Menschen ausgehenden Bioeffluenten adaptieren diese an die von den Bioeffluenten ausgehenden Gerüche. Dabei findet die Adaptation sogar noch statt bei einer Konzentration von Bioeffluenten, die einer CO2-Konzentration von 4000 ppm entsprechen. Durch den Adaptationseffekt ist der Anteil der Unzufriedenen in einer Personengruppe, die sich bereits lange in einem Raum aufhält, unabhängig von der Höhe des personenbezogenen Luftvolumenstroms. Dagegen sinkt mit steigendem personenbezogenem Luftvolumenstrom der Anteil der Unzufriedenen in einer Personengruppe, die den Raum gerade erst betreten hat. 3) Einfluss von Temperatur und Feuchte Untersuchungen 4) zeigen, dass die empfundene Luftqualität stark beeinflusst wird durch Temperatur und Feuchte der eingeatmeten Luft, und zwar auch dann, wenn die chemische Zusammensetzung der Luft unverändert bleibt. Mit zunehmender Feuchte und mit zunehmender Temperatur wird die Qualität der gleichen Luft schlechter bewertet. Die Akzeptanz der Luft sinkt also abhängig mit zunehmender Enthalpie der Luft. Fanger 2000 5) erklärte das wie folgt: Seiner Meinung nach empfinden die Menschen es als angenehm, mit jedem Atemzug eine Kühlung des Atmungstraktes zu erzielen. Dadurch werde ein Frischegefühl erzeugt, das als angenehm empfunden wird. Findet die angemessene Kühlung nicht statt, so kann die Luft als unakzeptabel, abgestanden oder stickig empfunden werden.

5) 1)

2) 3) 4) 5)

VDI 4302 Blatt 2 „Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien – Prüfstrategie für Geruchsprüfungen von Innenraumluft“, 05-2012. Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Innenraumrichtwerte“ der Innenraumlufthygiene-Kommission (IRK) des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden: Gesundheitlich-hygienische Beurteilung von Geruchsstoffen in der Innenraumluft mithilfe von Geruchsleitwerten. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 57 (2014), Nr. 1, S. 148–153. Neubearbeitung dieses Abschnittes durch Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg. Berg-Munch, B.; Clausen, G.; Fanger, P. O.: Ventilation requirements for the control of body odor in spaces occupied by women. Environment international 12 (1986), S. 195–199. Fang, L.; Clausen, G.; Fanger, P. O.: Impact of temperature and humidity on perception of indoor air quality during immediate and longer whole-body exposures. Indoor Air (1998), Nr. 8, S. 276–284. Fanger, P. O.: Menschliche Anforderungen an zukünftig zu klimatisierende Umgebungen. KI (2000), Nr. 3, S. 114–119.

1.2.3 Innenraumluftqualität

89

60 40 20 0 25

26 °C 70% rel. Feuchte

23 °C 50% rel. Feuchte

80

18 °C 30% rel. Feuchte

Prozentsatz Unzufriedener [%]

100

Bild 1.2.3-1. Anteil Unzufriedener in Abhängigkeit von der Enthalpie der Luft. *) *)

35

45

55

65

75

Enthalpie [kJ/kg]

1.2.3-6

Fanger, P. O.: Menschliche Anforderungen an zukünftig zu klimatisierende Umgebungen. KI (2000), Nr. 3, S. 114–119.

Arbeitsstättenregel Lüftung 1) 2)

Die Arbeitsstättenregel Lüftung legt fest, dass in Räumen, in denen Personen die bestimmende Quelle von Luftinhaltsstoffen sind, Kohlendioxid als Maßstab herangezogen wird. Tafel 1.2.3-2 zeigt die auf der Grundlage der Arbeit der InnenraumlufthygieneKommission entwickelte CO2-basierte Beurteilung der Raumluftqualität in Räumen, in denen die Personen die bestimmende Ursache für Stofflasten sind. Diese Bewertung wurde im Wesentlichen in die Arbeitsstättenregel Lüftung ASR A3.6 3) übernommen wurde. Die Anforderungen gelten für maschinelle, freie und hybride Lüftungssysteme. Die Anforderungen der Arbeitsstättenregeln stellen Mindestanforderungen für Arbeitsplätze dar. Hinweise zur Planung von freien Lüftungssystemen finden sich in der Arbeitsstättenregel Lüftung. 4) Die Arbeitsstättenregel gibt Öffnungsflächen für einseitige Lüftung und für Querlüftung bei kontinuierlichem Lüftungsbetrieb und für Stoßlüftung (Tafel 1.2.3-6) an. Die Angaben wurden aus Untersuchungen von Fitzner und Finke 5) abgeleitet. Bei Akzeptanz von witterungsbedingten Schwankungen ist es mit den angegebenen Öffnungsflächen möglich, die Anforderungen aus Tafel 1.2.3-2 einzuhalten. Bei freien Lüftungssystemen sollen die Lüftungsquerschnitte den Witterungsverhältnissen entsprechend verringert oder vergrößert werden können. Bei Stoßlüftung ist in Büroräumen bei Belegung nach ca. 60 min und in Besprechungsräumen nach 20 min eine Lüftung durchzuführen. Orientierungswerte für die Stoßlüftungsdauer sind 3 min im Winter, 5 min in den Übergangsjahreszeiten und 10 min im Sommer.

1) 2) 3) 4) 5)

Neubearbeitung dieses Abschnittes durch Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg. Arbeitsstättenregel ASR A3.6 Lüftung, GMBl Nr. 6, 27. Februar 2012. Ebd. Ebd. Fitzner, K; Finke, U.: Lüftungsregeln für freie Lüftung. 1. Auflage, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Dortmund 2012 — ISBN 978-3-88261-105-2, 88 Seiten, Projektnummer F 2072.

1

90

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Tafel 1.2.3-6

System

*)

Mindestöffnungsfläche für kontinuierliche Lüftung und Stoßlüftung. Die angegebenen Flächen sind die Summe aus Zuluft- und Abluftflächen. *) Maximal zulässige Raumtiefe bezogen auf die lichte Raumhöhe h in m

Öffnungsfläche zur Sicherung des Mindestluftwechsels für kontinuierliche Lüftung in m2/(anwesende Personen)

für Stoßlüftung in m2/(10 m2 Grundfläche)

I einseitige Lüftung

Raumtiefe = 5 · h (bei h > 4 m: maximale Raumtiefe = 10 m) (angenommene Luftgeschwindigkeit im Querschnitt = 0,08 m/s)

0,35

1,05

II Querlüftung

Raumtiefe = 5 · h (bei h > 4 m: maximale Raumtiefe = 20 m) (angenommene Luftgeschwindigkeit im Querschnitt = 0,14 m/s)

0,20

0,60

Arbeitsstättenregel ASR A3.6 Lüftung, GMBl Nr. 6, 27. Februar 2012.

1.2.3-7

Erforderliche Luftvolumenströme 1)

Luftvolumenströme für die Auslegung von Lüftungssystemen nennt DIN EN 15251. 2) Es werden Luftvolumenströme für drei Kategorien des Innenraumklimas festgelegt (s. Abschn. 1.2.1). Da sich aus diesen Kategorien zur Auslegung der Luftvolumenströme nicht mehr nur ein Wert ergibt, ist die eigenverantwortliche Entscheidung des Planers gefragt. Der informative Nationale Anhang von DIN SPEC 13779 3) empfiehlt für Deutschland für neue und zu renovierende Gebäude die Auslegung entsprechend Kategorie II. DIN EN 15251 unterscheidet: – Auslegung ausschließlich nach der Personenlast in einem Raum – Auslegung nach der zu erwartenden Emission aus den Ausbaustoffen und Möblierung – Auslegung nach der Summe aus beiden Werten. Die Berechnung nach letztgenannter Methode kann mit folgender Formel erfolgen: qtot = n · qP + A · qB mit qtot = Gesamtvolumenstrom für den betrachteten Raum in m3/h n = Auslegungswert für die Anzahl der Personen im Raum qP = Luftvolumenstrom je Person in m3/(h · Pers) A = Grundfläche des Raumes in m2 qB = auf die Gebäudeemission bezogener Luftvolumenstrom in m3/(h · m2) Dabei wird bezüglich der Emissionslast aus den Ausbaumaterialen zwischen – nicht schadstoffarm – schadstoffarm und – sehr schadstoffarm unterschieden. 1) 2)

3)

Neubearbeitung dieses Abschnittes durch Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig, Augsburg. DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“, 12-2012 — Deutsche Fassung der EN 15251:2007. DIN SPEC 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 12-2009 — Nationaler Anhang zu DIN EN 13779:2007-09.

1.2.3 Innenraumluftqualität

91

DIN SPEC 13779 empfiehlt für die Auslegung: – Verwendung des Summenwertes aus Personenlast und Emissionslast für die Auslegung der Luftvolumenströme. – Verwendung zugelassener, marktüblicher Materialien, die das gesundheitsbezogene Kriterium ‚schadstoffarm‘ nach AgBB-Schema erfüllen – Gebäude, in denen eine oder mehrere messbare Größen oberhalb der geltenden Grenz-, Richt- oder Leitwerte liegen oder deren sensorische Akzeptanzrate kleiner als 70 % ist, gelten als ‚nicht schadstoffarm‘. – Kategorie „sehr schadstoffarm“ nur mit schriftlicher Zustimmung des Bauherren verwenden. DIN EN 15251 legt zur Abfuhr von Personenlasten und Emissionslasten die in Tafel 1.2.3-7 gezeigten Luftvolumenströme fest. Tafel 1.2.3-7

Luftvolumenströme zur Abfuhr von Personen- und Gebäudeemissionslasten nach DIN EN 15251 für Personen für die Kategorien I, II und III

Kategorie

Luftvolumenstrom je Person m3/h

Luftvolumenstrom je m2 Grundfläche in m3/ (h m2) sehr schadstoffarm

schadstoffarm

nicht schadstoffarm

I

hohes Maß an Erwartungen, sehr empfindliche Personen

36

1,8

3,6

7,2

II

normales Maß an Erwartungen, neue und renovierte Gebäude

25

1,3

2,5

5,0

III

moderates Maß an Erwartungen, bestehende Gebäude

14

0,7

1,4

2,8

Berechnung nach Stoffbilanz Es lässt sich für jede Aktivität und für jeden Außenluftzustand der erforderliche Luftvolumenstrom pro Person mit Hilfe einer Bilanzgleichung bestimmen. DIN EN 13779 1) gibt für den stationären Zustand folgenden Berechnungsansatz: q v, E qv,SUP = ----------------------------------------–6 ( c IDA – c SUP )10 mit qv,SUP = erforderlicher Zuluftvolumenstrom in m3/h = Volumenstrom der Emission im Raum in m3/h qv,E cIDA = zulässige Konzentration im Raum in ppm cSUP = Konzentration im der Zuluft in ppm Daraus leitet sich die Außenluftrate ab, die jeder Person mindestens zur Verfügung stehen sollte. Der ruhende bzw. mit normaler Tätigkeit beschäftigte Mensch gibt in der Stunde etwa 0,5 m3 Luft mit 4 Vol.-% CO2 in der ausgeatmeten Luft ab: = 0,5 m3/h · 0,04 qv,E = 0,02 m3/h oder 20 l/h CO2. Mit einer gewünschten maximalen CO2-Konzentration im Raum von 1000 ppm = 0,1 Vol.-% und einer angenommenen CO2-Konzentration der Außenluft von 0,035 Vol.-% berechnet sich der Außenluftstrom je Person zu 3

0,02m /h qv,SUP = ------------------------------------------ ~ 30 m3/h. ( 0,001 – 0,00035 ) 1)

DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 12-2009.

1

92

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Bei der hier durchgeführten Berechnung der Außenluftrate wird die CO2-Konzentration der Außenluft mit 0,035 Vol.-Prozent angenommen, einem Wert, der heute nicht mehr für alle Außenluftverhältnisse gilt. Bekanntlich zeigt der CO2-Gehalt der Außenluft steigende Tendenz, wobei durchaus in Industriegebieten und verkehrsreichen Ballungszentren Konzentrationen bis zu 0,06 Vol.-Prozent und höher erreicht werden können. Deshalb geben die Normen als Zielgröße eine maximale CO2-Konzentration über der Außenluft an. Für instationäre Berechnungen gilt folgender Berechnungsansatz: 1) q v,E  q v,SUP  ⋅t cIDA(t) – cSUP = cIDA(0) + ------------q v,SUP  1 – e – ------------ V r

mit cIDA(t) = Konzentration zur Zeit t in ppm cSUP = Konzentration in der Zuluft in ppm cIDA(0)= Konzentration im Raum zum Zeitpunkt t = 0 in ppm qv,SUP = Zuluftvolumenstrom in m3/h = Massenstrom der Emission im Raum in m3/h qv,E = Volumenstrom im Raum in m3/h Vr t = Zeit in h In diesem Zusammenhang erscheint ein Hinweis wichtig: Es ist ein weitverbreiteter Irrtum, dass die Atmung des Menschen zu Sauerstoffmangel in Aufenthaltsräumen führt. Eine Verringerung des Sauerstoffpartialdruckes um 25 Prozent, was etwa einer Höhe von 2400 m über NN entspricht, wird kaum empfunden. Eine geringe Außenluftrate von 0,1 l/s · Person reicht aus, um den Sauerstoffbedarf zu decken. Mit Ausnahme von extremen Fällen, wie in Raumschiffen, Unterseebooten u. ä., ist der Sauerstoffgehalt kein Raumluftproblem.

1.2.3-8

Prüfung und Bewertung von VOC-Emissionen aus Bauprodukten

Im Planungsprozess wird die Grundlage für einen emissionsarmen Innenraum mit hoher Luftqualität durch die Auswahl emissionsarmer Bauprodukte und Systeme gelegt. Für die Prüfung der VOC-Emissionen aus Bauprodukten existieren international standardisierte Verfahren. Diese Verfahren basieren auf einem 28-tägigen Prüfkammerexperiment. 2) Grundlage des Prüfkammerversuchs ist der sogenannte Modellraum. In diesem fiktiven Raum wird das zu untersuchende Bauprodukt entsprechend seiner vorgesehenen Verwendung (intended use) eingebaut angenommen. Aus den Dimensionen des Modellraums, der Einbausituation des Bauprodukts und dem Luftwechsel lassen sich die Größen Beladung und flächenspezifische Lüftungsrate errechnen, die auf die Emissionsprüfkammern (Kammervolumina zwischen 20 Litern und mehreren Kubikmetern) übertragen werden. Die Luftprobenahme aus der Prüfkammerabluft erfolgt am 3. und am 28. Tag nach Einbringen des Prüfstücks. Dazu werden definierte Volumina über geeignete Adsorber gezogen, die enthaltenen VOC gesammelt und analysiert. 3),4),5) Dieses Prinzip der Emissionsmessung wird auch in anderen europäischen Ländern verwendet und als messtechnische Grundlage für regulatorische Maßnahmen (abZ) oder freiwillige Produktzertifizierungsprogramme (z. B. Blauer Engel, EMICODE, etc.) herangezogen.

1) 2)

3)

4)

5)

DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 12-2009. DIN EN ISO 16000-9 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 9: Bestimmung der Emission von flüchtigen organischen Verbindungen aus Bauprodukten und Einrichtungsgegenständen – Emissionsprüfkammer-Verfahren“ — Deutsche Fassung der EN ISO 16000-9:2006. DIN ISO 16000-3 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 3: Messen von Formaldehyd und anderen Carbonylverbindungen in der Innenraumluft und in Prüfkammern – Probenahme mit einer Pumpe“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-3:2011. DIN ISO 16000-6 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 6: Bestimmung von VOC in der Innenraumluft und in Prüfkammern, Probenahme auf Tenax TA®, thermische Desorption und Gaschromatographie mit MS oder MS-FID“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-6:2011. DIN EN 16516 „Bauprodukte – Bewertung der Freisetzung von gefährlichen Stoffen – Bestimmung von Emissionen in die Innenraumluft“ — Deutsche Fassung der prEN 16516:2015.

1.2.3 Innenraumluftqualität

93

Für die Bestimmung der Formaldehyd-Emissionen aus Holzwerkstoffen findet häufig eine Prüfkammeruntersuchung nach DIN EN 717-1 1) Verwendung.

1

Bild 1.2.3-2: Modellraum nach dem AgBB-Schema *) *)

Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten: Vorgehensweise bei der gesundheitlichen Bewertung der Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC und SVOC) aus Bauprodukten. Stand: Februar 2015 — https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/ medien/355/dokumente/agbb-bewertungsschema_2015_2.pdf (aufgerufen am 5.5.2016).

Der Modellraum gemäß der DIN EN 16516 und dem AgBB-Schema (Bild 1.2.3-2) besitzt eine Grundfläche von 3 x 4 m2 und eine Raumhöhe von 2,5 m. In den Raum sind ein Fenster mit 2,0 m2 und eine Türe mit 1,6 m2 eingebaut. Der Luftwechsel beträgt 0,5 h-1, also 15 m3/h. Daraus lassen sich die Größen Beladung L und flächenspezifische Lüftungsrate q errechnen, die auf die Prüfkammer übertragen werden können. Der Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB) verabschiedete 2004 das erste Schema zur Gesundheitlichen Bewertung der Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC und SVOC) aus Bauprodukten. 2) Dieses Schema wird in der Regel alle 2 Jahre aktualisiert. Das AgBB-Schema sieht ebenfalls ein 28-tägiges Prüfkammerexperiment vor. Die ermittelten Stoffkonzentrationen werden mit den Vorgaben des AgBB-Schemas (Tafel 1.2.3-8) abgeglichen. Die Pilotphase des Verfahrens zur Bewertung von Bauproduktgerüchen nach DIN ISO 16000-28 im Rahmen des AgBB-Schemas wurde im Oktober 2015 abgeschlossen. Konkrete Anforderungen an Bauprodukte hinsichtlich des Materialgeruchs existieren derzeit noch nicht. Im Rahmen der Emissionsuntersuchung, die für den Erhalt des Blauen Engels für emissionsarme Produkte Voraussetzung ist, kann auf freiwilliger Basis zusätzlich eine Geruchsbewertung durchgeführt werden. Wird dabei die Geruchsneutralität festgestellt, kann diese mit einem zusätzlichen Attribut vermerkt werden. Die Prüfungen zur Gesundheitsverträglichkeit, die das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) im Rahmen der derzeit noch gültigen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (abZ) von Bodenbelägen, Sportböden und Sportbodensystemen, dekorativen Wandbekleidungen und für reaktive Brandschutzsysteme auf Stahlbauteilen fordert, basieren ebenfalls auf dem AgBB-Schema. Zusätzlich wird noch eine Überprüfung der Rezeptur durchgeführt. 3) 1) 2)

3)

DIN EN 717-1 „Holzwerkstoffe – Bestimmung der Formaldehydabgabe – Teil 1: Formaldehydabgabe nach der Prüfkammer-Methode“ — Deutsche Fassung der EN 717-1:2004. Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten: Vorgehensweise bei der gesundheitlichen Bewertung der Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC und SVOC) aus Bauprodukten. Stand: Februar 2015 — https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/355/dokumente/agbb-bewertungsschema_2015_2.pdf (aufgerufen am 5.5.2016). Deutsches Institut für Bautechnik: Grundsätze zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten in Innenräumen. Stand: Oktober 2010. DIBt Mitteilungen 41 (2010), Nr. 5, S. 209–248.

94

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Kriterien des AgBB-Schemas *) für VOC-Emissionen aus Bauprodukten in den Innenraum

Tafel 1.2.3-8 Parameter

Einheit

Kriteriengrenzen nach 3 Tagen

nach 28 Tagen

TVOC C6 – C16

[mg/m3]

≤ 10

≤ 1,0

· Kanzerogene EU Kat.1A, 1B

[mg/m3]

· VOC o. NIK

≤ 0,010

≤ 0,001

3

–

≤ 0,1

3

[mg/m ]

· SVOC

[mg/m ]

–

≤ 0,1

R [–]

[–]

–

≤1

*)

Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten: Vorgehensweise bei der gesundheitlichen Bewertung der Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC und SVOC) aus Bauprodukten. Stand: Februar 2015 — https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/ medien/355/dokumente/agbb-bewertungsschema_2015_2.pdf (aufgerufen am 5.5.2016).

1.2.3-9

Messung und Beurteilung von VOC-Konzentrationen in Innenräumen

Die VOC-Messungen zur Beurteilung der Innenraumluftqualität entsprechend dem Basisschema 1) basieren auf den Normen DIN EN ISO 16000-5 2) und DIN ISO 16000-6 3), die Messung ausgewählter Aldehyde und Ketone auf DIN EN ISO 16000-2 4) und DIN ISO 16000-3. 5) Die Verfahren beschreiben eine aktive Probenahme mittels Pumpe und geeignetem Adsorber und anschließender chemischer Analytik der Luftinhaltsstoffe. Für die Beurteilung von VOC-Konzentrationen in Innenräumen existieren unterschiedliche Ansätze. Bei der Ableitung von Kriterien auf der Basis vorhandener toxikologischer Daten 6) werden sog. Richtwerte abgeleitet. Die Grundlage hierfür sind Erkenntnisse zu toxischen Wirkungen und Dosis-Wirkungs-Beziehungen. Zum Schutz besonders empfindlicher Personengruppen werden Sicherheitsabstände mit eingerechnet. Der Richtwert II (RW II) beschreibt die Konzentration, bei deren Überschreitung unmittelbarer Handlungsbedarf besteht. Der Richtwert I (RW I) ist ein sog. Vorsorgewert. Er wird mit einem bestimmten Abstand zum toxikologisch begründeten RW II festgelegt und soll Belastungen und Risiken minimieren. Nach Auffassung des Ausschusses für Innenraumrichtwerte 7) führt auch eine lebenslange Exposition von empfindlichen Personen mit Stoffkonzentrationen in Höhe des RW I nicht zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung. Treten Raumluftkonzentrationen zwischen RW I und RW II auf, wird eine ver-

1)

2) 3)

4) 5)

6)

7)

Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Innenraumrichtwerte“ der Innenraumlufthygiene-Kommission (IRK) des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden: Gesundheitlich-hygienische Beurteilung von Geruchsstoffen in der Innenraumluft mithilfe von Geruchsleitwerten. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz. 57 (2014), Nr. 1, S. 148–153. DIN EN ISO 16000-5 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 5: Probenahmestrategie für flüchtige organische Verbindungen (VOC)“ — Deutsche Fassung der EN ISO 16000-5:2007. DIN ISO 16000-6 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 6: Bestimmung von VOC in der Innenraumluft und in Prüfkammern, Probenahme auf Tenax TA®, thermische Desorption und Gaschromatographie mit MS oder MS-FID“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-6:2011. DIN EN ISO 16000-2 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 2: Probenahmestrategie für Formaldehyd“ — Deutsche Fassung der EN ISO 16000-2:2006. DIN ISO 16000-3 „Innenraumluftverunreinigungen – Teil 3: Messen von Formaldehyd und anderen Carbonylverbindungen in der Innenraumluft und in Prüfkammern – Probenahme mit einer Pumpe“ — Deutsche Fassung der ISO 16000-3:2011. Ad-hoc-Arbeitsgruppe aus Mitgliedern der Innenraumlufthygienekommission (IRK) des Umweltbundesamtes sowie der Arbeitsgemeinschaft der Obersten Landesgesundheitsbehörden (AOLG): Beurteilung von Innenraumluftkontaminationen mittels Referenz- und Richtwerten. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 50 (2007), Nr. 7, S. 990–1005. Bis 10. März 2015 „Ad-hoc-Arbeitsgruppe der Kommission Innenraumlufthygiene und der Obersten Landesgesundheitsbehörden“ — https://www.umweltbundesamt.de/themen/gesundheit/kommissionen-arbeitsgruppen/ausschuss-fuer-innenraumrichtwerte-vormals-ad-hoc (aufgerufen am 29.12.2015).

1.2.3 Innenraumluftqualität

95

stärkte Reinigung und häufigeres Lüften empfohlen. Kann die Konzentration mit diesen Maßnahmen nicht unter den RW I abgesenkt werden, sind weitergehende Maßnahmen angeraten. Das Richtwert-Konzept alleine kann noch keine einwandfreie Innenraumluftqualität sicherstellen, da für viele VOC aufgrund fehlender oder unzureichender toxikologischer Daten keine Richtwerte abgeleitet werden können. Deshalb wird eine präzisierte Fassung des TVOC-Konzept von Seifert 1) empfohlen (Tafel 1.2.3-10). Das Basisschema wurde im Jahr 2012 fortgeschrieben. 2) Tafel 1.2.3-9

Richtwerte der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte a)

Verbindung

Richtwert II [mg/m3]

Richtwert I [mg/m3]

Jahr der Festlegung

Xylole Summe (CAS-Nr. 95-47-6, 108-38-3, 1330-20-7)

0,8

0,1

2015

2-Chlorpropan (CAS-Nr. 75-29-6)

8

0,8

2015

Butanonoxim (CAS-Nr. 96-29-7)

0,06

0,02

2015

Ethylacetat (CAS-Nr. 141-78-6)

6

0,6

2014

1-Methyl-2-pyrrolidon (CAS-Nr. 872-50-4)

1

0,1

2014

1-Butanol (CAS-Nr. 73-36-3)

2

0,7

2014

Naphthalin und Naphthalin-ähnliche Verbindungen (CAS-Nr. 91-20-3)

0,03

0,01

2013

2-Ethylhexanol

1(v)

0,1(v)

2013

Ethylenglykolmonomethylether (EGME, CAS-Nr. 109-86-4)

0,2 [= 0,05 ppm]

0,02

2013

Diethylenglykolmethylether (DEGME, CAS-Nr. 111-77-3)

6 (v) [= 1 ppm]

2 (v)

2013

Diethylenglykoldimethylether (DEGDME, CAS-Nr. 111-96-6)

0,3 [= 0,06 ppm]

0,03

2013

Ethylenglykolmonoethylether (EGEE, CAS-Nr. 110-80-5)

1 [= 0,4 ppm]

0,1

2013

Ethylenglykolmonoethylether-acetat (EGEEA, CAS-Nr. 111-15-9)

2 [= 0,4 ppm]

0,2

2013

Diethylenglykolmonoethylether (DEGEE, CAS-Nr. 111-90-0)

2 (v) [= 0,4 ppm]

0,7 (v)

2013

1)

2)

Seifert, B.: Richtwerte für die Innenraumluft – Beurteilung der Innenraumluftqualität mit Hilfe der Summe der flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC-Wert). Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 42 (1999), Nr. 3, S. 270–278. Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Innenraumrichtwerte“ der Innenraumlufthygiene-Kommission (IRK) des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden: Richtwerte für die Innenraumluft: erste Fortschreibung des Basisschemas. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 55 (2012), Nr. 2, S. 279–290.

1

96

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Tafel 1.2.3-9

Richtwerte der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte a)

Verbindung

Richtwert II [mg/m3]

Richtwert I [mg/m3]

Jahr der Festlegung

Ethylenglykolbutylether (EGBE, CAS-Nr. 111-76-2)

1 [= 0,3 ppm]

0,1

2013

Ethylenglykolbutyletheracetat (EGBEA, CAS-Nr. 112-07-2)

2 (v) [= 0,3 ppm]

0,2 (v)

2013

Diethylenglykolbutylether (DEGBE, CAS-Nr. 112-34-5)

1 (v) [= 0,2 ppm]

0,4 (v)

2013

Ethylenglykolhexylether (EGHE, CAS-Nr. 112-25-4)

1

0,1

2013

2-Propylenglykol-1-methlylether (2PG1ME, CAS-Nr. 107-98-2)

10

1

2013

Dipropylenglykol-1-methylether (D2PGME, CAS-Nr. 34590-94-8; 13429-07-7; 20324-32-7; 13588-28-8; 55956-21-3 )

7 (v) [=1 ppm]

2 (v)

2013

2-Propylenglykol-1-ethylether (2PG1EE, CAS-Nr. 1569-02-4)

3 [= 0,5 ppm]

0,3

2013

2-Propylenglykol-1-tertbutylether (2PG1tBE, CAS- Nr. 57018-52-7)

3 [= 0,5 ppm]

0,3

2013

Default-Wert: Glykolether mit unzureichender Datenlage

0,05 ml/m3 [=0,05 ppm]

0,005 ml/m3 [= 0,005 ppm]

2013

Methylisobutylketon

1

0,1

2013

Ethylbenzol

2

0,2

2012

Alkylbenzole, C9–C15

1

0,1

2012

Kresole

0,05

0,005

2012

Phenol

0,2

0,02

2011

2-Furaldehyd

0,1

0,01

2011

Zyklische Dimethylsiloxane D3–D6 (Summenrichtwert)

4

0,4

2011

Benzaldehyd

0,2

0,02

2010

Benzylalkohol

4

0,4

2010

Monozyklische Monoterpene (Leitsubstanz d-Limonen)

10

1

2010

Aldehyde, C4–C11 (gesättigt, azyklisch, aliphatisch)

2

0,1

2009

C9–C14-Alkane / Isoalkane (aromatenarm)

2

0,2

2005

Naphthalin und Naphthalin-ähnliche Verbindungen

0,03

0,01

2013

1.2.3 Innenraumluftqualität

Tafel 1.2.3-9

97

Richtwerte der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte a)

Verbindung

Richtwert II [mg/m3]

Richtwert I [mg/m3]

Jahr der Festlegung

Terpene, bicyclisch (Leitsubstanz -Pinen)

2

0,2

2003

Tris(2-chlorethyl)phosphat (TCEP)

0,05

0,005

2002

Diisocyanate

keine Richtwerte

abgeleitet b)

2000

Quecksilber (als metallischer Dampf)

0,00035

0,000035

1999

Styrol

0,3

0,030

1998

Stickstoffdioxid (NO2)

0,35 (30 Min-Wert)

k.A.

1998

0,2

1997

0,06 (7 Tage-Wert) Dichlormethan Kohlenmonoxid

2 (24 h) 60

(1/2

h)

6

(1/2

h)

1997

15 (8 h)

1,5 (8 h)

Pentachlorphenol (PCP)

0,001

0,0001

1997

Toluol

3

0,3

1996

Acetaldehyd

1

0,1

2013

a)

Ad-hoc-Arbeitsgruppe aus Mitgliedern der Innenraumlufthygienekommission (IRK) des Umweltbundesamtes sowie der Arbeitsgemeinschaft der Obersten Landesgesundheitsbehörden (AOLG): Beurteilung von Innenraumluftkontaminationen mittels Referenz- und Richtwerten. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 50 (2007), Nr. 7, S. 990–1005. Die aktuelle Liste wird vom Umweltbundesamt unter https://www.umweltbundesamt.de/sites/ default/files/medien/378/bilder/dateien/ausschuss_fuer-innenraumrichtwerte_empfehlungen_und_richtwerte.pdf (aufgerufen am 2.7.2016) zur Verfügung gestellt. Wolff, T.; Stirn, H.: Richtwerte für die Innenraumluft: Diisocyanate. Bundegesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 43 (2000), Nr. 7, S. 505–512.

b)

Tafel 1.2.3-10 Leitwerte für TVOC in der Innenraumluft (2007) *)

*)

Stufe

Konzentrationsbereich [mg/m3]

Hygienische Bewertung

1

≤ 0,3

Hygienisch unbedenklich

2

> 0,3–1

Hygienisch noch unbedenklich, soweit keine Richtwertüberschreitungen für Einzelstoffe bzw. Stoffgruppen vorliegen.

3

> 1–3

Hygienisch auffällig

4

> 3–10

Hygienisch bedenklich

5

> 10

Hygienisch inakzeptabel

Ad-hoc Arbeitsgruppe aus Mitgliedern der Innenraumlufthygienekommission (IRK) des Umweltbundesamtes sowie der Arbeitsgemeinschaft der Obersten Landesgesundheitsbehörden (AOLG): Beurteilung von Innenraumluftkontaminationen mittels Referenz- und Richtwerten. Bundesgesundheitsbl – Gesundheitsforsch – Gesundheitsschutz 50 (2007), Nr. 7, S. 990–1005.

1

98

1. Grundlagen / 1.2 Raumklimatische Grundlagen

Stehen toxikologische Daten zur Ableitung von Richtwerten nicht zur Verfügung, kann ein statistischer Ansatz über Referenzwerte gewählt werden. Referenzwerte lassen keine Aussage über eine mögliche Gesundheitsgefährdung zu. Sie geben nur den Anteil an der Bevölkerung an, der in einer vergleichbaren Größenordnung exponiert ist. Die Arbeitsgemeinschaft ökologischer Forschungsinstitute e.V. (AGÖF) erarbeitete sogenannte Orientierungswerte 1) auf der Basis der Ergebnisse von Innenraumluftmessungen aus den Jahren 2006 bis 2012 Als Normalwert wurde das 50. Perzentil, als Auffälligkeitswert das 90. Perzentil angesetzt. Der Orientierungswert nach AGÖF entspricht dem gerundeten Auffälligkeitswert, es sei denn es existiert ein toxikologisch abgeleiteter Wert, der unter dem Auffälligkeitswert liegt.

1.2.3-10

Natürliche Radioaktivität

Bauprodukte enthalten unterschiedliche Anteile natürlicher radioaktiver Nuklide. Baustoffe, die aus Steinen oder Boden gewonnen wurden, enthalten in erster Linie Nuklide aus den Zerfallsreihen von Uran (238U) und Thorium (232Th). Daneben tritt noch das Kalium-Isotop 40 K auf. In Tafel 1.2.3-11 sind typische Aktivitätskonzentrationen aus Baumaterialien wiedergegeben. Tafel 1.2.3-11 Spezifische Aktivitäten in Baumaterialien *) Material

Typische Aktivitätskonzentration [Bq/kg]

Maximale Aktivitätskonzentration [Bq/kg]

226

226

Ra

232

Th

40

K

Ra

232

40

Th

K

Beton

40

30

400

240

190

1600

Porenbeton / Leichtbeton

60

40

430

2600

190

1600

Ziegelsteine (rot)

50

50

670

200

200

2000

Kalksandstein

10

10

330

25

30

700

Naturbausteine

60

60

640

500

310

4000

Naturgips

10

10

80

70

100

200

*)

European Commission, Directorate-General Environment, Nucelar Safety and Civil Protection: Radiation protection 112 – Radiological Protection Principles concerning the Natural Radioactivity of Building Materials. 1999, S. 11.

Im Jahr 2012 veröffentlichte das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Ergebnisse aus Untersuchungen an Bauprodukten. 2) Neben der Frage der Aktivitätskonzentration (spezifischen Aktivität) wurde auch die Exhalation an Radon untersucht. Für die Untersuchung der Radon-Exhalation steht derzeit noch kein harmonisiertes Prüfverfahren zur Verfügung. Radon ist ein natürliches, radioaktives Edelgas, das in Form zweier Isotope (222Rn und 220Rn) auftritt und beim radioaktiven Zerfall von Radium entsteht. Es kommt im Boden, in Baumaterialien und im Wasser vor, kann in die Atmosphäre entweichen und damit auch in den Innenraum diffundieren. Maßgeblich für die von Radon ausgehende Strahlenbelastung ist die Inhalation von kurzlebigen Radon-Zerfallsprodukten. Diese binden an Oberflächen oder Aerosole in der Luft (z. B. Staubpartikel), werden dadurch eingeatmet, in der Lunge deponiert und führen zu einer Strahlenbelastung des umliegenden Gewebes. Das Bundesamt für Strahlenschutz nennt im Faltblatt „Strahlenthemen: Radon in Häusern“ das langfristige Ziel, Radonkonzentrationen über 100 Bq/m3 in häufig, nicht 1)

2)

Arbeitsgemeinschaft ökologischer Forschungsinstitute e.V.: AGÖF-Orientierungswerte für flüchtige organische Verbindungen in der Raumluft. Fassung vom 28.11.2013 — http://www.agoef.de/ fileadmin/user_upload/dokumente/orientierungswerte/AGOEF-VOC-Orientierungswerte-201311-28.pdf (aufgerufen am 2.7.2016). Gehrcke, K.; Hoffmann, B.; Schkade, U.; Schmidt, V.; Wichterey, K.: Natürliche Radioaktivität in Baumaterialien und die daraus resultierende Strahlenexposition. BfS-SW 14/12, Bundesamt für Strahlenschutz, S. 46 — urn:nbn:de: 0221-201210099810.

1.2.3 Innenraumluftqualität

99

Tafel 1.2.3-12 Spezifische Aktivitäten in Baumaterialien *) Produkt / Verband Gipsprodukte Kalksandstein Mineralwolle Ziegel Zement/Mörtel Fliesen/Platten Keramische Rohstoffe (i. W. Ton) Porenbeton Mörtel Putze Estriche Leichtbeton Normalbeton *)

Spezifische Aktivität [Bq/kg] 228 228 238 226 K Ra Th U Ra Max Med Min Max Med Min Max Med Min Max Med Min Max Med 120 0, bei adiabaten Prozessen = 0 und bei Wärmeabfuhr < 0. Der zweite Summand ist bei irreversiblen Prozessen > 0, bei reversiblen Prozessen = 0, niemals < 0! In einem abgeschlossenen System ohne Energieaustausch nach außen kann die Entropie nur zunehmen, im reversiblen Fall konstant bleiben. In offenen Systemen ist der an die Stoffströme gebundene Entropietransport zu berücksichtigen. Bei reversiblen Prozessen in geschlossenen Systemen ist die Wärme als Fläche 2



q12 = T ds

bzw.

2

2





1

1

Q12 = m T ds = T dS

1

darstellbar, wie im Bild 1.3.2-2 gezeigt.

Bild 1.3.2-2. Zustandsänderungen im T,s-Diagramm bei Wärmezufuhr (Ausnahme: Isentrope dq = 0) und gleichzeitiger Volumenzunahme (Ausnahme: Isochore dv = 0). Die schraffierten Flächen stellen die jeweils zugeführte Wärme dar.

Für das ideale Gas folgen aus Gl. (*) nach entsprechender Substitution und Integration für die Entropieänderung T v s2 – s1 = cv ln -----2 + R ln ----2 T1 v1 T p s2 – s1 = cp ln -----2 – R ln ----2- . T1 p1

Die Zustandsgröße Entropie ist somit von der Temperatur und dem Volumen oder Druck abhängig. Als Bezugszustand wird meistens der Normzustand gewählt.

1

136

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel Wie groß ist die spezifische Entropie s2 von Luft bei 100 °C und Atmosphärendruck, wenn s1 = 0 beim physikalischen Normzustand gilt (cp = 1,01 kJ/(kg K)? Da p2 = p1 gilt: T 373 ,15 s2 = s1 + cp ln -----2 = 1,01 ln ---------------- = 0,315 kJ/(kg K). T1 273 ,15

1.3.2-8

Zustandsänderungen

Gemäß der allgemeinen Zustandsgleichung für ideale Gase pv = RT (Abschnitt 1.3.2-2) ist der Zustand durch zwei der drei Größen p, v, T eindeutig fixiert. Ändert sich eine dieser Größen, muss sich auch eine andere ändern. In welcher Weise diese Änderung vor sich geht, hängt von der Art der Zustandsänderung ab. Nachfolgend sind die Zustandsänderungen und übertragenen Energien dargestellt. Isochore (Volumen bleibt konstant: v2 = v1) T2 T1 p ----- = ----1- ; q12 = cv (T2 – T1); wV,12 = 0; wt,12 = v1 (p2 – p1); s2 – s1 = cv ln ----T1 T2 p2

Isobare (Druck bleibt konstant: p2 = p1) T2 T1 v ----- = ----1 ; q12 = cp (T2 – T1); wV,12 = – p1 (v2 – v1); wt,12 = 0; s2 – s1 = cp ln ----T1 T2 v2

Isotherme (Temperatur bleibt konstant: T2 = T1) p2 p2 v1 p ---- = ----2- ; q12 = – R T1 ln ----- ; wV,12 = – q12; wt,12 = – q12; s2 – s1 = –R ln ----p1 p1 p1 v2 Isentrope (Entropie bleibt konstant: s2 = s1 x = cp/cv s. Tafel 1.3.2-1) 1 ---

1 ------------

p2 x T2 x – 1 v1 ---- =  ----- =  ----- ;  p 1  T 1 v2

x----------–1 x p v2 x – 1 T1 1  ----- = ----=  ---- ;  p 2  v 1 T2

x -----------v 2 x T 1 x – 1 p1   ----- = ---- = ---- v 1  T 2 p2

q12 = 0 ; wV,12 = cv (T2 – T1) ; wt,12 = cp (T2 – T1) Ein isentroper Prozeß verläuft ohne Wärmeaustausch (adibat) und reibungsfrei (reversibel). Eine Isentrope ist eine „reibungsfreie Adiabate“! Die vorgestellten vier Zustandsänderungen können bei reversiblem Ablauf für ideales Gas allgemeingültig durch eine polytrope Zustandsänderung p · v n = const dargestellt werden. Es gelten: = p = const n=0 Isobare p · v0 n=1 Isotherme p · v = const = const n=x Isentrope p · vx n = ±x Isochore p1/× · v = v = const.

1.3.2 Gase

137

Polytrope p1 T1 ----- =  -----  p 2 T2

n–1 -----------n

v2 =  ----  v 1

n–1

weitere Zusammenhänge siehe Isentrope mit n statt x

n–x R q12 = cv ------------ (T2 – T1); wV,12 = ------------ (T2 – T1); wt,12 = n wV,12 n–1 n–1 n–x T s2 – s1 = cv ------------ ln -----2 n – 1 T1

1.3.2-9

Kreisprozesse

Ändert ein Gas seinen Zustand so, dass der Zustandspunkt bei der Darstellung im p,vDiagramm eine geschlossene Kurve durchläuft, so dass also das Gas unter Wärmezufuhr und Arbeitsabgabe wieder in seinen Anfangszustand zurückkehrt, so spricht man von einem rechtslaufenden Kreisprozess. Ein Teil der Wärme verwandelt sich in mechanische Arbeit, ein Teil wird bei niedriger Temperatur abgegeben. Der bekannteste Kreisprozess ist der Carnot-Prozess (Carnot 1824), bestehend aus (siehe auch Bild 1.3.2-3 und Bild 1.3.2-4) 1 – 2 isotherme Verdichtung 2 – 3 isentrope Verdichtung 3 – 4 isotherme Entspannung 4 – 1 isentrope Entspannung.

Bild 1.3.2-3. Carnot’scher Kreisprozess, dargestellt im p,v-Diagramm.

Bild 1.3.2-4. Carnot’scher Kreisprozess, dargestellt im T,s-Diagramm.

Während der isothermen Expansion bei der Temperatur T wird die Wärme qzu zugeführt, während der isothermen Kompression bei der Temperatur T0 die Wärme |qab| abgeführt (rechtslaufender Prozess). Die von der Kurve eingeschlossene Fläche stellt die gewonnene Arbeit w = qzu – |qab| dar. Im T,s-Diagramm stellt sich der Carnot-Prozess als Rechteck dar (Bild 1.3.2-4). Das Verhältnis der gewonnenen Arbeit zur zugeführten Wärme nennt man den thermischen Wirkungsgrad: q zu – | q ab | w| ηth = |------ = ----------------------- . q zu

q zu

Der Carnot-Prozess hat den theoretisch höchsten thermischen Wirkungsgrad aller Kreisprozesse zwischen zwei vorgegebenen Temperaturen. Er beträgt: q zu – | q ab | TΔs – T 0 Δs T–T T - = ---------------------------= --------------0- = 1 – -----0 . ηC = ----------------------q zu T TΔs T Nichtthermische Energieumwandlungsprozesse – z. B. in Brennstoffzellen – unterliegen nicht der Begrenzung durch den Carnot-Wirkungsgrad.

1

138

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel Wie groß ist der maximal mögliche Wirkungsgrad, wenn in einem Dampferzeuger die Wärmezufuhr bei der mittleren Temperatur von T = 600 K erfolgt, und die Kondensationstemperatur bei T0 = 300 K liegt? 300 ηC = 1 – -------- = 0,5. 600

Reale Prozessverläufe erreichen diesen Wert nicht, speziell bereitet die technische Verwirklichung der isothermen Zustandsänderung Probleme. Durch mehrstufige Aggregateanordnungen versucht man sich dem Idealprozess anzunähern. Für Prozesse in Dampfkraftanlagen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen sind speziell den Aggregaten angepasste Vergleichsprozesse definiert worden, um einen Vergleich zwischen ausgeführten und idealen Maschinen zu haben (Abschnitt 2.2.5-4). Diese Vergleichsprozesse stehen hierarchisch unterhalb des Carnot-Prozesses. Verläuft der Kreisprozess in umgekehrter Richtung, indem bei der niederen Temperatur T0 die Wärme qzu zugeführt und bei der höheren Temperatur T die Wärme |qab| abgegeben wird, so spricht man von einem linkslaufenden Prozess. Verläuft der Kreisprozess oberhalb der Umgebungstemperatur, dann handelt es sich um einen Wärmepumpenprozess, unterhalb der Umgebungstemperatur um einen Kältemaschinenprozess. Zur Bewertung der Linksprozesse führt man sogenannte Leistungszahlen ε ein. Wärmepumpe: |q | w

|q | |q ab | – q zu

ab ab εW = ---------- = -----------------------

Kältemaschine: q zu zu εK = q------ = ----------------------- . w

| q ab | – q zu

Würde jeweils ein Carnot-Prozess geführt, gelten: T T – T0

T 0 -. εW,C = --------------- ; εK,C = -------------T – T0

Weiteres siehe Abschnitt 5.2.1-4.

1.3.3

Dämpfe

1.3.3-1

Verdampfungsvorgang

Der isobare Verdampfungsvorgang (p = const) erfolgt in drei qualitativ unterschiedlichen Stufen, der sich im T,s-Diagramm (Bild 1.3.3-1) anschaulich darstellt. Die Bezeichnungen gelten grundsätzlich für Verdampfungsvorgänge, wurden aber von der Wasserverdampfung geprägt (s. Abschnitt 1.3.3-2). Flüssigkeit vom Zustand 1 wird längs der Isobaren p erwärmt. Dabei steigt die Temperatur t und damit die spezifische Enthalpie h an. Am Punkt 2 ist gerade die Siedetemperatur (Sättigungstemperatur) der Flüssigkeit erreicht. Sie ist druckabhängig. Die Dampfdruckkurve gibt den Zusammenhang zwischen tS = f1(p) bzw. pS = f2(t) an. Für Wasser gelten z. B. p = 1,013 bar, tS = 100 °C; t = 180 °C, pS = 10,027 bar (siehe auch Tafel 1.3.3-2 und Tafel 1.3.3-4). Die zwischen 1 und 2 zugeführte Wärme (Flüssigkeitswärme) wird im T,s-Diagramm als Fläche T2

qFl =

t2

 T ds =  cp, Fl dt = c T1

dargestellt.

t1

p,Fl,m (t2

– t1 )

1.3.3 Dämpfe

139

Am Punkt 2 beginnt die Verdampfung; Druck und Temperatur (pS, tS) bleiben konstant. Am Punkt 3 ist die Verdampfung abgeschlossen; es gibt keine flüssige Phase mehr. Die zwischen 2 und 3 zugeführte Verdampfungswärme

1 Bild 1.3.3-1. Verdampfungsvorgang längs einer Isobaren (p = const) im T,s-Diagramm.

qV = T (s3 – s2) = r ≡ ΔhV wird durch eine Rechteckfläche im Bild 1.3.3-1 verkörpert. r ist die auf 1 kg Wasser bezogene spezifische Verdampfungswärme, die auch als spezifische Verdampfungsenthalpie ΔhV bezeichnet wird. Wird dem Sattdampf (Punkt 3) weiter Wärme zugeführt, dann wird der Dampf überhitzt. Die Temperatur steigt bei gleichem Druck weiter an, z. B. bis Punkt 4. Die dabei zugeführte Überhitzungswärme berechnet sich zu T4

qÜ =

t4

 T ds =  cp, D dt = c

p,D,m (t4

T3

– t3).

t3

Wie aus dem T,s-Diagramm ersichtlich, wird die Verdampfungswärme mit steigendem Druck und steigender Temperatur immer geringer, um schließlich bei einem bestimmten Zustand des Dampfes ganz zu verschwinden. Man nennt diesen Zustand, bei dem kein Unterschied mehr zwischen Flüssigkeit und Dampf besteht, den kritischen Zustand (Tafel 1.3.3-1). Für Wasser beträgt der kritische Druck 221 bar, die kritische Temperatur 374 °C, das kritische spezifische Volumen 3,11 dm3/kg. Moderne Kraftwerkskessel arbeiten in der Nähe oder auch oberhalb des kritischen Punktes. Der beschriebene Verdampfungsvorgang ist allgemeingültig und bezieht sich nicht nur auf Wasserdampf. Alle realen Gase lassen sich verflüssigen und sind im Übergangsbereich Dämpfe. Ihre Zustandsänderungen entsprechen denen des Wasserdampfes, wenn auch die Werte der einzelnen Zustandsgrößen in weiten Grenzen schwanken. Überhitzter Dampf ähnelt in seinem Verhalten den Gasen. Für die Klimatechnik sind insbesondere die Arbeitsstoffe in den Kältemaschinen und Wärmepumpen bedeutungsvoll.

1.3.3-2

Bezeichnungen der Dampfzustände

Die historisch gewachsenen, von Beginn an auf Wasserdampf bezogenen Fachbezeichnungen sind nachfolgend definiert (siehe auch Bild 1.3.3-1): Siedende Flüssigkeit: Flüssigkeit im Sättigungszustand (pS Sättigungsdruck, tS Sättigungstemperatur), Beginn der Verdampfung. Sattdampf: Flüssigkeit ist vollständig verdampft, wobei der Sättigungszustand (pS, tS) weiterhin gilt; es liegt trocken gesättigter Dampf vor. Nassdampf: Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei Sättigungszustand (pS, tS) im Bereich zwischen siedender Flüssigkeit und Sattdampf. Zur Kennzeichnung des Gemischzustandes wird der Dampfgehalt x als unabhängige Zustandsgröße eingeführt. x ist der Masseanteil des trocken gesättigten Dampfes bezogen auf das Nassdampfgemisch.

140

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.3-1

Kritischer Druck pk, kritische Temperatur tk und kritische Dichte ρk von Gasen und Dämpfen*) Stoff

Aceton Acetylen Ammoniak Benzol Bromethan Chlordifluormethan (R22) Chlormethan Chlorethan Dichlormethan Diethylamin Difluordichlormethan (R12) Dimethylamin Ethanol Helium Luft Kohlendioxyd Sauerstoff Schwefeldioxid Stickstoff Toluol Wasser Wasserstoff *) Werte

Symbol C 3 H6 O C 2 H2 NH3 C 6 H6 C2H5Br CHClF2 CH3Cl C2H5Cl CH2Cl2 C4H11N CCl2F2 C 2 H7 N C 2 H6 O He – CO2 O2 SO2 N2 C 7 H8 H2 O H2

pk bar

tk °C

47 61,4 113,53 48,9 62,3 49,9 66,8 52,7 60,8 37,1 41,6 53,1 63,8 2,275 37,66 73,77 50,8 78,84 34 41,1 220,64 13

234,95 35,15 132,35 288,95 230,65 96,2 143,15 187,25 236,85 223,45 112 164,45 243,05 –267,95 –140,63 30,98 –118,38 157,6 –146,95 318,55 374 –239,95

ρk

kg/m3 278 231 234,7 302 507 513 363 324 440 243 558 241 276 69,6 313 467,6 426,7 525 314 292 322 31,6

nach VDI-Wärmeatlas 1994, Kapitel Dc.

Heißdampf: Dampf bei Temperaturen t, die über der zum Druck p gehörigen Sättigungstemperatur tS liegen. Es handelt sich um sogenannten überhitzten Dampf.

1.3.3-3

Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Nassdampf)

Nachfolgende spezifische Zustandsgrößen sind im Hinblick auf Verdampfungsvorgänge in offenen Prozessen mit den üblicherweise verwendeten Einheiten bedeutungsvoll. h′ kJ/kg spez. Enthalpie des flüssigen Wassers im Sättigungszustand h″ kJ/kg spez. Enthalpie des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfenthalpie) υ′ m3/kg spez. Volumen des flüssigen Wassers im Sättigungszustand υ″ m3/kg spez. Volumen des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfvolumen) ρ″ kg/m3 Dichte des Sattdampfes ρ″ = 1/υ″ s′ kJ/(kg K) spez. Entropie des flüssigen Wassers im Sättigungszustand s″ kJ/(kg K) spez. Entropie des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfentropie) spez. Verdampfungswärme ≡ spez. Verdampfungsenthalpie r ≡ ΔhV kJ/kg x – Dampfgehalt (Masseanteil in kg Dampf/kg Gemisch). Für Nassdampf gelten damit: h = h′ + x (h″ – h′) = h′ + x r υ = υ′ + x (υ″ – υ′) s = s′ + x (s″ – s′).

1.3.3 Dämpfe

141

Wegen der großen Bedeutung des Wasserdampfes sind über Jahrzehnte die Zustandsgrößen experimentell bestimmt und mittels international abgestimmter, sehr komplizierter Zustandsgleichungen fehlende Bereiche interpoliert worden. Es entstanden daraus die bekannten Wasserdampftafeln.1) Ein Auszug ist in Tafel 1.3.3-2 und Tafel 1.3.3-4 gegeben. Die Grundgleichungen beziehen sich auf die Industrie-Formulation von 1967 (IFC67). 1997 erschien die IAPWS-IF97 „Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam“. Sie ist für Garantie- und Abnahmerechnungen von Anlagen mit dem Arbeitsfluid Wasser (Energiemaschinen) zur Ermittlung der thermodynamischen Eigenschaften international verbindlich. Die IAPWS-IF97 ist an die wissenschaftliche Formulation (IAPWS Formulation 1995) gekoppelt, die alle Zustandsund Transportgrößen über den gesamten Bereich enthält. Als Bezugsgrößen für die spezifische Enthalpie und Entropie gelten am Tripelpunkt des Wassers (0,01 °C; 611 Pa): h0 = 0; s0 = 0. Für die Aufgaben in der Heizungs- und Klimatechnik kann mit vereinfachten Approximationen nach Glück2) gerechnet werden (Fehlerangaben beziehen sich auf die Werte nach IFC-68): pS = 611 exp (–1,91275 · 10-4 + 7,258 · 10-2 t – 2,939 · 10-4 t2 + 9,841 · 10-7 t3 –1,92 · 10-9 t4) in Pa Bereich: 0 °C ≤ t ≤ 100 °C; Fehler: < 0,02 % = 11 Pa pS = 611 exp (6 · 10-5 + 7,13274 · 10-2 t – 2,581631 · 10-4 t2 + 6,311955 · 10-7 t3 –7,167112 · 10-10 t4) in Pa Bereich: 100 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,02 % =269 Pa h′ = –2,25 · 10-2 + 4,2063437 t – 6,014696 · 10-4 t2 + 4,381537 · 10-6 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,04 % h″ = 2,501482 · 103 + 1,789736 t + 8,957546 · 10-4 t2 – 1,300254 · 10-5 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,02 % υ′ = 9,976577 ·10-4 + 1,280991 · 10-7 t + 3,191465 · 10-9 t2 + 5,894941 · 10-13 t3 in m3/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,10 % υ″ = exp (5,322289 – 6,80891 · 10-2 t + 2,561151 · 10-4 t2 – 5,602153 · 10-7 t3) in m3/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 100 °C; Fehler: < 0,10 % υ″ = exp (5,01069 – 5,8737 · 10-2 t + 1,5874 · 10-4 t2 – 2,095037 · 10-7 t3) in m3/kg Bereich: 100 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,04 % r ≡ ΔhV = 2,501488 · 103 – 2,404164 t + 1,326154 · 10-3 t2 – 1,680282 · 10-5 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,03 %. Faustformeln für Überschlagsrechnungen mit Wasserdampf bei Sättigung: Sättigungstemperatur ts ≈ 100

1) 2)

4

p

in °C

Sättigungsdruck

t 4 ps ≈  -------- 100

in bar (absolut)

Sattdampfdichte

p ρ″ ≈ -- + 0,1

in kg/m3.

2

Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Springer-Verlag, Berlin, und R. Oldenbourg, München, 1989. Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), Verbrennungsrechnung. 2. erw. Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1991.

1

v''

h'

h''

r

ρ

°C

m3/kg kg/m3 kJ/kg kJ/kg bar dm3/kg 0 0,006108 1,0002 206,3 0,004847 -0,04 2501,6 2501,6 2 0,007055 1,0001 179,9 0,005558 8,39 2505,2 2496,8 4 0,008129 1,0000 157,3 0,006358 16,80 2508,9 2492,1 6 0,009345 1,0000 137,8 0,007258 25,21 2512,6 2487,4 8 0,010720 1,0001 121,0 0,008267 33,60 2516,2 2482,6 10 0,012270 1,0003 106,4 0,009396 41,99 2519,9 2477,9 12 0,014014 1,0004 93,84 0,01066 50,38 2523,6 2473,2 14 0,015973 1,0007 82,90 0,01206 58,75 2527,2 2468,5 16 0,018168 1,0010 73,38 0,01363 67,13 2530,9 2463,8 18 0,2062 1,0013 65,09 0,01536 75,50 2534,5 2459,0 20 0,02337 1,0017 57,84 0,01729 83,86 2538,2 2554,3 22 0,02642 1,0022 51,49 0,01942 92,23 2541,8 2449,6 24 0,02982 1,0026 45,93 0,02177 100,59 2545,5 2444,9 26 0,03360 1,0032 41,03 0,02437 108,95 2549,1 2440,2 28 0,03778 1,0037 36,73 0,02723 117,31 2552,7 2435,4 30 0,04241 1,0043 32,93 0,03037 125,66 2556,4 2430,7 32 0,04753 1,0049 29,57 0,03382 134,02 2560,0 2425,9 34 0,05318 1,0056 26,60 0,03759 142,38 2563,6 2421,2 36 0,05940 1,0063 23,97 0,04172 150,74 2567,2 2416,4 38 0,06624 1,0070 21,63 0,04624 159,09 2570,8 2411,7 40 0,07375 1,0078 19,55 0,05116 167,45 2574,4 2406,9 42 0,08198 1,0086 17,69 0,05652 175,81 2577,9 2402,1 44 0,09100 1,0094 16,04 0,06236 184,17 2581,5 2397,3 46 0,10086 1,0103 14,56 0,06869 192,53 2585,1 2392,5 48 0,11162 1,0112 13,23 0,07557 200,89 2588,6 2387,7 50 0,12335 1,0121 12,05 0,08302 209,26 2592,2 2382,9 52 0,13613 1,0131 10,98 0,09108 217,62 2595,7 2378,1 54 0,15002 1,0140 10,02 0,09979 225,98 2599,2 2373,2 56 0,16511 1,0150 9,159 0,1092 234,35 2602,7 2368,4 58 0,18147 1,0161 8,381 0,1193 242,72 2602,2 2363,5 *)Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

v'

t

p

Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit von der Temperatur*)

Tafel 1.3.3-2

-0,0002 0,0306 0,0611 0,0913 0,1213 0,1510 0,1805 0,2098 0,2388 0,2677 0,2963 0,3247 0,3530 0,3810 0,4088 0,4365 0,4640 0,4913 0,5184 0,5453 0,5721 0,5987 0,6252 0,6514 0,6776 0,7035 0,7293 0,7550 0,7804 0,8058

s'

s'' kJ/(kg K) 9,1577 9,1047 9,0526 9,0015 8,9513 8,9020 8,8536 8,8060 8,7593 8,7135 8,6684 8,6241 8,5806 8,5379 8,4959 8,4546 8,4140 8,3740 8,3348 8,2962 8,2583 8,2209 8,1842 8,1481 8,1125 8,0776 8,0432 8,0093 7,9759 7,9431 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58

t °C

142 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

60 70 80 90 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 180 190 200 210 220 250 300 325 350 374,15

°C

t

Tafel 1.3.3-3

bar 0,19920 0,3116 0,4736 0,7011 1,0133 1,2080 1,4327 1,6906 1,9854 2,3210 2,7013 3,131 3,614 4,155 4760 5,433 6,181 7,008 7,920 10,027 12,551 15,549 19,077 23,198 39,776 85,927 120,56 165,35 221,20

p dm3/kg 0,0171 1,0228 1,0292 1,0361 1,0437 1,0477 1,0519 1,0562 1,0606 1,0652 1,0700 1,0750 1,0801 1,0853 1,0908 1,0964 1,1022 1,1082 1,1145 1,1275 1,1415 1,1565 1,1726 1,1900 1,2513 1,4041 1,5289 1,7411 3,1700

v' m3/kg 7,679 5,046 3,409 2,361 1,673 1,419 1,210 1,036 0,8915 0,7702 0,6681 0,5818 0,5085 0,4460 0,3924 0,3464 0,3068 0,2724 0,2426 0,1938 0,1563 0,1272 0,1042 0,08604 0,05004 0,02165 0,01419 0,008799 0,003170

v'' kg/m3 0,1302 0,1982 0,2933 0,4235 0,5977 0,7046 0,5265 0,9650 1,122 1,298 1,497 1,719 1,967 2,242 2,548 2,886 3,260 3,671 4,123 5,160 6,397 7,864 9,593 11,62 19,99 46,19 70,45 113,6 315,5

ρ 251,09 292,97 334,92 376,94 419,06 440,17 461,32 482,50 503,72 524,99 546,31 567,68 589,10 610,60 632,15 653,78 675,47 697,25 719,12 763,12 807,52 852,37 897,74 943,67 1085,5 1345,0 1494,0 1671,9 2107,4

h' kJ/kg 2609,7 2626,9 2643,8 2660,1 2676,0 2683,7 2691,3 2698,7 2706,0 2713,0 2719,9 2726,6 2733,1 2739,3 2745,4 2751,2 2756,7 2762,0 2767,1 2776,3 2784,3 2790,9 2796,2 2799,9 2800,4 2751,0 2688,0 2567,7

h'' kJ/kg 2358,6 2334,0 2308,8 2283,2 2256,9 2243,6 2230,6 2216,2 2202,2 2188,0 2173,6 2158,9 2144,0 2128,7 2113,2 2097,4 2081,3 2064,8 2047,9 2013,1 1976,7 1938,6 1898,5 1856,2 1714,6 1406,0 1194,0 895,7 0,0

r 0,8310 0,9548 1,0753 1,1925 1,3069 1,3630 1,4185 1,4733 1,5276 1,5813 1,6344 1,6869 1,7390 1,7906 1,8416 1,8923 1,9425 1,9923 2,0416 2,1393 2,2356 2,3307 2,4247 2,5178 2,7935 3,2552 3,5008 3,7800 4,4429

s' 60 70 80 90 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 180 190 200 210 220 250 300 325 350 374,15

t °C

s'' kJ/(kg K) 7,9108 7,7565 7,6132 7,4799 7,3554 7,2962 7,2388 7,1832 7,1293 7,0769 7,0261 6,9766 6,9284 6,8815 6,8358 6,7911 6,7475 6,7048 6,6630 6,5819 6,5036 6,4278 6,3539 6,2817 6,0708 5,7081 5,4969 5,2177

Fortsetzung der Tafel: Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit von der Temperatur

1.3.3 Dämpfe 143

1

t

v'

v''

ρ h'

h''

Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit vom Druck*)

m3/kg kg/m3 kJ/kg bar °C dm3/kg 0,010 6,9828 1,0001 129,20 0,007739 29,34 2514,4 0,020 17,513 1,0012 67,01 0,01492 73,46 2533,6 0,030 24,100 1,0027 45,67 0,02190 101,00 2545,6 0,040 28,983 1,0040 34,80 0,02873 121,41 2554,5 0,050 32,898 1,0052 28,19 0,03547 137,77 2561,6 0,060 36,183 1,0064 23,74 0,04212 151,50 2567,5 0,070 39,025 1,0074 20,53 0,04871 163,38 2572,6 0,080 41,534 1,0084 18,10 0,05523 173,86 2577,1 0,090 43,787 1,0094 16,20 0,06171 183,28 2581,1 0,10 45,833 1,0102 14,67 0,06814 191,83 2584,4 0,20 60,086 1,0172 7,650 0,1307 251,45 2609,9 0,30 69,124 1,0223 5,229 0,1912 289,30 2625,4 0,40 75,886 1,0265 3,993 0,2504 317,65 2636,9 0,50 81,345 1,0301 3,240 0,3086 340,56 2645,0 0,60 85,954 1,0333 2,732 0,3661 359,93 2653,6 0,70 89,959 1,0361 2,365 0,4229 376,77 2660,1 0,80 93,512 1,0387 2,087 0,4792 391,72 2665,8 0,90 96,713 1,0412 1,869 0,5350 405,21 2670,9 1,0 99,632 1,0434 1,694 0,5904 417,51 2675,4 1,5 111,37 1,0530 1,159 0,8628 467,13 2693,4 2,0 120,23 1,0608 0,8854 1,129 504,70 2706,3 2,5 127,43 1,0675 0,7184 1,392 535,34 2716,4 3,0 133,54 1,0735 0,6056 1,651 561,43 2724,7 3,5 138,87 1,0789 0,5240 1,908 584,27 2731,6 4,0 143,62 1,0839 0,4622 2,163 604,67 2737,6 4,5 147,92 1,0885 0,4138 2,417 623,16 2742,9 5,0 151,84 1,0928 0,3747 2,669 640,12 2747,5 6,0 158,84 1,1009 0,3155 3,170 670,42 2755,5 7,0 164,96 1,1082 0,2727 3,667 697,06 2762,0 *)Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

p

Tafel 1.3.3-4 r kJ/kg 2485,0 2460,2 2444,6 2433,1 2423,8 2416,0 2409,2 2403,2 2397,9 2392,9 2358,4 2336,1 2319,2 2305,4 2293,6 2283,3 2274,0 2265,6 2257,9 2226,2 2201,6 2181,0 2163,2 2147,4 2133,0 2119,7 2107,4 2085,0 2064,9

kJ/(kg K) 0,1060 0,2607 0,3544 0,4225 0,4763 0,5209 0,5591 0,5925 0,6224 0,6493 0,8321 0,9441 1,0261 1,0912 1,1454 1,1921 1,2330 1,2696 1,3027 1,4336 1,5301 1,6071 1,6716 1,7273 1,7746 1,8204 1,8604 1,9308 1,9918

s'

8,9767 8,7246 8,5785 8,4755 8,3960 8,3312 8,2767 8,2296 8,1881 8,1511 7,9094 7,7695 7,6709 7,5947 7,5327 7,4804 7,4352 7,3954 7,3598 7,2234 7,1268 7,0520 6,9909 6,9392 6,8943 6,8547 6,8192 6,7575 6,7052

s''

144 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

10,0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 200 220 221,2

9,0

8,0

170,41 175,36 179,88 184,07 187,96 191,61 195,04 198,29 201,37 204,31 207,11 209,80 212,37 223,94 233,84 250,33 263,91 275,55 285,79 294,97 303,31 310,96 318,05 324,65 330,83 336,64 342,13 365,70 373,69 374,15

t

°C

p 1,1150 1,1213 1,1274 1,1331 1,1386 1,1438 1,1489 1,1539 1,1586 1,1633 1,1678 1,1723 1,1766 1,1972 1,2163 1,2521 1,2858 1,3187 1,3513 1,3842 1,4179 1,4526 1,4887 1,5268 1,5672 1,6106 1,6579 2,0370 2,6714 3,17

0,2403 0,2148 0,1943 0,1774 0,1632 0,1511 0,1407 0,1317 0,1237 0,1166 0,1103 1,1047 0,09954 0,07991 0,06663 0,04975 0,03943 0,03244 0,02737 0,02353 0,02050 0,01804 0,01601 0,01428 0,01280 0,01150 0,01034 0,005877 0,003728 0,00317

v'' m3/kg

v' dm3/kg 4,162 4,655 5,147 5,637 6,127 6,617 7,106 7,596 8,085 8,575 9,065 9,555 10,05 12,51 15,01 20,10 25,36 30,83 36,53 42,51 48,79 55,43 62,48 70,01 78,14 86,99 96,71 170,2 268,3 315,5

kg/m3

ρ 720,94 742,64 762,61 781,13 798,43 814,70 830,08 844,67 858,56 871,84 884,58 896,81 908,59 961,96 1008,4 1087,4 1154,5 1213,7 1267,4 1317,1 1363,7 1408,0 1450,6 1491,8 1532,0 1571,6 1611,0 1826,5 2011,1 2107,4

h' kJ/kg 2767,5 2772,1 2776,2 2779,7 2782,7 2785,4 2787,8 2789,9 2791,7 2793,4 2794,8 2796,1 2792,2 2800,9 2802,3 2800,3 2794,2 2785,0 2773,5 2759,9 2744,6 2727,7 2709,3 2689,2 2667,0 2642,4 2615,0 2418,4 2195,6

h'' 2046,5 2029,5 2013,6 1998,5 1984,3 1970,7 1957,7 1945,2 1933,2 1921,5 1910,3 1899,3 1888,6 1839,0 1793,9 1712,9 1639,7 1571,3 1506,0 1442,8 1380,9 1319,7 1258,7 1197,4 1135,0 1070,7 1004,0 591,9 184,5 0

kJ/kg

r

(Fortsetzung der Tafel: Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit vom Druck)

bar

Tafel 1.3.3-5

2,0457 2,0941 2,1382 2,1786 2,2161 2,2510 2,2837 2,3145 2,3436 2,3713 2,3976 2,4228 2,4469 2,5543 2,6455 2,7965 2,9206 3,0273 3,1219 3,2076 3,2867 3,3605 3,4304 3,4972 3,5616 3,6242 3,6859 4,0149 4,2947 4,4429

s' kJ(kg K) 6,6596 6,6192 6,5828 6,5497 6,5194 6,4913 6,4615 6,4406 6,4175 6,3957 6,3751 6,3554 6,3367 6,2536 6,1837 6,0685 5,9735 5,8908 5,8162 5,7471 5,6820 5,6198 5,5595 5,5002 5,4408 5,3803 5,3178 4,9412 4,5799

s''

1.3.3 Dämpfe 145

1

146

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.3-6 p bar

Spez. Enthalpie von Wasserdampf*)

h″ kJ/kg

h kJ/kg Dampftemperatur °C 150

200

250

300

350

400

450

500

2776 2769 2760 2752 –

2875 2871 2866 2860 2855

2975 2971 2968 2965 2961

3075 3072 3070 3067 3065

3176 3174 3172 3170 3168

3278 3277 3275 3274 3272

3382 3381 3380 3379 3377

3488 3487 3486 3485 3484

2850 2844 2839 2833 2857

2958 2954 2950 2947 2943

3062 3060 3057 3055 3052

3166 3164 3162 3161 3159

3271 3269 3268 3266 3264

3376 3375 3373 3372 3371

3483 3482 3481 3479 3478

2821 2814 2808 2801 2795

2939 2935 2932 2928 2924

3050 3047 3044 3042 3039

3157 3155 3153 3151 3149

3263 3261 3260 3258 3257

3370 3368 3367 3366 3364

3477 3476 3475 3474 3473

– – – – –

2919 2911 2902 2893 2884

3036 3031 3025 3019 3013

3147 3143 3139 3135 3130

3255 3252 3249 3246 3242

3363 3360 3358 3355 3353

3472 3470 3467 3465 3463

– – – – –

– – – – –

2875 2865 2855 2844 2834

3007 3001 2995 2989 2982

3126 3122 3118 3113 3109

3239 3236 3233 3229 3226

3350 3347 3345 3342 3339

3461 3458 3456 3454 3452

2802 2801 2800 2799 2798

– – – – –

– – – – –

2823 2811 – – –

2976 2969 2962 2955 2948

3104 3100 3095 3090 3086

3223 3219 3216 3212 3209

3337 3334 3331 3329 3326

3450 3447 3445 3443 3441

46 48 50 60 70

2797 2796 2794 2785 2774

– – – – –

– – – – –

– – – – –

2941 2933 2926 2885 2839

3081 3076 3071 3046 3019

3205 3203 3198 3180 3161

3323 3320 3318 3304 3289

3438 3436 3434 3422 3411

80 90 100 125 150

2760 2745 2728 2678 2615

– – – – –

– – – – –

– – – – –

2787 – – – –

2990 2959 2926 2828 2695

3142 3121 3100 3043 2979

3274 3259 3244 3203 3160

3399 3387 3375 3343 3311

175 200 250 300 350

2533 2418 – – –

– – 648 651 654

– – 863 865 868

– – 1088 1088 1090

– – 1331 1329 1327

– – 1625 1610 1599

2906 2821 2582 2162 1993

3114 3064 2954 2826 2676

3277 3241 3166 3085 2998

657 664 671 678 684

870 875 881 886 892

1091 1094 1097 1100 1104

1325 1324 1323 1324 1325

1590 1576 1567 1561 1556

1934 1878 1847 1828 1814

2516 2293 2187 2094 2094

2907 2723 2571 2397 2397

1 2 3 4 5

2675 2706 2725 2738 2748

6 7 8 9 10

2756 2762 2768 2772 2776

11 12 13 14 15

2780 2783 2785 2788 2790

– – – –

16 18 20 22 24

2792 2795 2797 2799 2800

– – – – –

26 28 30 32 34

2801 2802 2802 2802 2802

36 38 40 42 44

400 500 600 700 800

– – – – –

– – – – – –

1.3.3 Dämpfe

Tafel 1.3.3-7 p bar

ν'' m3/kg

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

1,694 0,885 0,606 0,462 0,375 0,316 0,273 0,240 0,215 0,194 0,177 0,163 0,151 0,141 0,132 0,124 0,110 0,100 0,091 0,083 0,077 0,071 0,067 0,062 0,059 0,055 0,052 0,050 0,047 0,045 0,043

147

Spez. Volumen v von Wasserdampf*

ν

m3/kg, unterhalb der stark ausgezogenen Linie in dm3/kg Dampftemperatur °C 150

200

250

300

350

400

450

500

1,936 0,959 0,634 0,471 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

2,172 1,080 0,716 0,534 0,425 0,352 0,300 0,261 0,230 0,206 0,186 0,169 0,155 0,143 0,132 – – – – – – – – – – – – – – – –

2,406 1,199 0,796 0,595 0,474 0,394 0,336 0,293 0,260 0,233 0,211 0,192 0,177 0,164 0,152 0,142 0,125 0,111 0,100 0,091 0,083 0,076 0,071 0,065 0,061 0,057 0,053 – – – –

2,639 1,316 0,875 0,655 0,523 0,434 0,371 0,324 0,287 0,258 0,234 0,214 0,197 0,182 0,170 0,159 0,140 0,126 0,113 0,103 0,095 0,088 0,081 0,076 0,071 0,066 0,062 0,059 0,056 0,053 0,050

2,871 1,433 0,954 0,714 0,570 0,474 0,406 0,354 0,314 0,282 0,256 0,235 0,216 0,200 0,187 0,175 0,155 0,139 0,125 0,115 0,105 0,097 0,091 0,085 0,079 0,074 0,070 0,066 0,063 0,060 0,057

3,102 1,550 1,031 0,773 0,617 0,514 0,440 0,384 0,341 0,307 0,278 0,255 0,235 0,218 0,203 0,190 0,168 0,151 0,137 0,125 0,115 0,107 0,099 0,093 0,087 0,082 0,077 0,073 0,070 0,066 0,063

3,334 1,665 1,109 0,831 0,664 0,553 0,473 0,414 0,367 0,330 0,300 0,275 0,253 0,235 0,219 0,205 0,182 0,163 0,148 0,136 0,125 0,116 0,108 0,101 0,095 0,089 0,084 0,080 0,076 0,072 0,069

3,565 1,781 1,187 0,889 0,711 0,592 0,507 0,443 0,394 0,354 0,322 0,295 0,272 0,252 0,235 0,220 0,195 0,176 0,159 0,146 0,134 0,125 0,116 0,109 0,102 0,096 0,091 0,086 0,082 0,078 0,075

1

148

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Spez. Volumen v von Wasserdampf*

Tafel 1.3.3-7 48 50 60 70 80 90 100 125 150

0,041 0,039 0,032 0,027 0,024 0,021 0,018 0,014 0,010

– – – – – – – – –

– – – – – – – – –

– – – – – – – – –

0,048 0,045 0,036 0,029 0,024 – – – –

0,054 0,052 0,042 0,035 0,030 0,026 0,022 0,016 0,011

0,060 0,058 0,047 0,040 0,034 0,030 0,026 0,020 0,016

0,066 0,063 0,052 0,044 0,038 0,033 0,030 0,023 0,018

0,071 0,068 0,057 0,048 0,042 0,037 0,033 0,026 0,021

175 200

0,008 0,006 – – – – – – – –

– –

– –

– –

– –

– –

12,5 9,95

15,2 12,7

17,4 14,8

1,07 1,07 1,07 1,07 1,06 1,06 1,05 1,05

1,13 1,13 1,13 1,12 1,11 1,11 1,10 1,09

1,22 1,21 1,20 1,20 1,19 1,18 1,17 1,16

1,35 1,33 1,32 1,31 1,29 1,27 1,26 1,24

1,60 1,55 1,52 1,49 1,44 1,41 1,38 1,35

6,01 2,83 2,11 1,91 1,73 1,63 1,58 1,52

9,17 6,74 4,96 3,68 2,49 2,08 1,89 1,77

11,1 8,68 6,93 5,62 3,88 2,95 2,47 2,19

250 300 350 400 500 600 700 800

*) Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

1.3.3-4

Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Heißdampf)

Von besonderem Interesse sind h kJ/kg spez. Enthalpie des Heißdampfes spez. Volumen des Heißdampfes v m3/kg s kJ/(kg K) spez. Entropie des Heißdampfes. Die Werte sind den Wasserdampftafeln (Auszüge in Tafel 1.3.3-6 und Tafel 1.3.3-7) oder einfachen Approximationen1) zu entnehmen.

Bild 1.3.3-2. Spezifische Wärme cp des Wasserdampfes.

Bild 1.3.3-3. T,s-Diagramm des Wasserdampfes mit Isobaren (ausgezogen) und Isochoren (gestrichelt).

1.3.3 Dämpfe

149

Außerdem gilt: h = h″ + cp,m (t – tS) h'' kJ/kg spezifische Enthalpie des Sattdampfes bei Sättigungstemperatur tS t °C Heißdampftemperatur cp,m kJ/(kg K) mittlere spezifische Wärmekapazität des Heißdampfes (Mittelwert zwischen tS und t nach Bild 1.3.3-2).

1.3.3-5

Diagramme für Wasserdampf

Übliche Darstellungen der Zustandsgrößen des Wasserdampfes sind das T,s-Diagramm (Bild 1.3.3-3) und das Mollier-h,s-Diagramm (Bild 1.3.3-4). Im T,s-Diagramm stellen die Flächen unter den Kurven die getauschten Wärmen dar (dq = T ds). Im h,s-Diagramm können die für wärmetechnische Berechnungen wichtigen Enthalpiedifferenzen als senkrechte Strecken abgegriffen werden.

Bild 1.3.3-4. h,s-Diagramm des Wasserdampfes.

1.3.3-6

Zustandsänderungen mit Wasserdampf

An Hand von Beispielen werden typische Zustandsänderungen betrachtet. Beispiel 1 Es sollen 1000 kg Wasser von 30 °C und 6 bar (absolut) in Dampf von 200 °C und 6 bar überführt werden. Welche Energieaufwendungen sind detailliert notwendig, und welche Zustandsgrößen h und s treten auf? Aus Tafel 1.3.3-4 folgen für den Sättigungs- und Sattdampfzustand: p = 6 bar tS = 158,84 °C; h′ = 670,42 kJ/kg; h″ = 2755,5 kJ/kg; r = 2085 kJ/kg; s′ = 1,9308 kJ/(kg K); s″ = 6,7575 kJ/(kg K). Wärme zur Verdampfung QV = m (h″ – h′) = m r = 1000 · 2085 = 2,085 · 106 kJ Entropiezunahme bei der Verdampfung ΔSV = m (s″ – s′) = 1000 (6,7575 – 1,9308) = 4,8267 · 103 kJ/K Probe: QV = T ΔSV = (158,84 + 273,15) · 4,8267 · 103 = 2,085 · 106 kJ Enthalpie des Wassers (Näherung)

1

150

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

hW = cp t = 4,18 · 30 = 125,4 kJ/kg (cp aus Tafel 1.3.1-9) (genauer Wert aus Wasserdampftafel: 126,2 kJ/kg) Wärme zur Wasseraufheizung QW = m (h′ – h) = 1000 (670,42 – 125,4) = 0,545 · 106 kJ Entropiezunahme bei der Wasseraufheizung (Näherung) 6 QW 0 ,545 ⋅ 10 - = -------------------------------------------------------------- = 1,4828 · 103 kJ/K ΔSW = ------------------T W, mittel ( 158 ,84 + 30 ) ⁄ 2 + 273 ,15 3 Δ SW 1 ,4828 ⋅ 10 - = 1,9308 – ---------------------------sW = s′ – ---------= 0,4480 kJ/(kg K) m 1000

(genauer Wert aus Wasserdampftafel: 0,4363 kJ/(kg K)) Enthalpie des Heißdampfes hD = h″ + cp,m (tD – tS) = 2755,5 + 2,3 (200 – 158,84) = 2850 kJ/kg (cp,m aus Bild 1.3.3-2) (genauer Wert aus Wasserdampftafel: 2849,7 kJ/kg) Wärme zur Dampfüberhitzung QD = m (hD – h″) = 1000 (2850 – 2755,5) = 94,5 · 103 kJ Entropiezunahme bei der Dampfüberhitzung 3 QD 94 ,5 ⋅ 10 - = ----------------------------------------------------------------= 208,8 kJ/K ΔSD = -----------------T D, mittel ( 200 + 158 ,84 ) ⁄ 2 + 273 ,15

ΔS 208 ,8 sD = s″ – ---------D- = 6,7575 + ------------- = 6,966 kJ/(kg K) 1000 m

(genauer Wert aus Wasserdampftafel: 6,966 kJ/(kg K)) Gesamtwärme Q = QW + QV + QD = 2,725 · 106 kJ Gesamtentropiezunahme ΔS = ΔSW + ΔSV + ΔSD = 6518 kJ/K. Bei Verwendung einer kompletten Wasserdampftafel wäre man schneller ans Ziel gekommen: Q = m (hD – hW) = 1000 (2849,7 – 126,2) = 2,724 · 106 kJ ΔS = m (sD – sW) = 1000 (6,966 – 0,4363) = 6530 kJ/K. Beispiel 2 Sattdampf von 6 bar (absolut) wird auf 3 bar (absolut) isentrop entspannt. Welches spezifische Volumen hat der austretende Dampf? Aus Tafel 1.3.3-4 folgt: 6 bar;s″6 = 6,7575 kJ/(kg K) 3 bar;s′3 = 1,6716 kJ/(kg K); s″3 = 6,9909 kJ/(kg K) v′3 = 1,0735 · 10–3 m3/kg;v″3 = 0,6056 m3/kg. Die Entspannung endet im Nassdampfgebiet, wie aus Bild 1.3.3-4 zu entnehmen ist. Damit gilt für den Endzustand: s3 = s′3 + x3 (s″3 – s′3). Für die isentrope Entspannung gilt s6 = s3, woraus der Dampfanteil bei 3 bar Enddruck folgt s 6 – s′ 3 6 ,7575 – 1 ,6716 - = -------------------------------------- = 0,956. x3 = -----------------6 ,9909 – 1 ,6716 s″ 3 – s′ 3

Damit ergibt sich das spezifische Nassdampfvolumen v3 = v′3 + x (v″3 – v′3) = 1,0735 · 10–3 + 0,956 (0,6056 – 1,0735 · 10–3) = 0,5790 m3/kg. Aus einem T,s- oder h,s-Diagramm mit eingetragenen Isochoren könnte dieses Ergebnis sofort abgelesen werden.

1.3.4 Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft

1.3.3-7

151

Zustandsgleichung

Da die thermische Zustandsgleichung der idealen Gase p v = R T für wirkliche Gase und Dämpfe nur angenähert gilt, hat man sich bemüht, genauere Gleichungen aufzustellen. Die bekannteste ist die van-der-Waalsche-Zustandsgleichung, die gegenüber der Gasgleichung eine Druck- und Volumenkorrektur enthält (Konstanten a und b) a  p + ---(v – b) = R T.  2 v Diese und weit kompliziertere Gleichungen gaben das Verhalten der Dämpfe aber nur unbefriedigend wieder. Für praktische Rechnungen werden ausschließlich Tafeln verwendet, in denen alle Zustandsgrößen berechnet sind (Tafel 1.3.3-2 bis Tafel 1.3.3-7). Sie werden auf Grund internationaler Vereinbarungen aufgestellt und ständig verbessert (siehe Hinweis im Abschnitt 1.3.3-3).

1.3.4

Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft1)

1.3.4-1

Einführung

Feuchte Gase besitzen als Abgase von Verbrennungsprozessen und feuchte Luft den Schwerpunkten dieses Buches zur Lüftungs- und Klimatechnik entsprechend eine große Bedeutung. Der Begriff „feucht“ ist zumindest nach dem allgemeinen Sprachgebrauch irreführend, er bezeichnet hier die Tatsache, dass die betrachteten Gase Wasserdampf im Sättigungs- bzw. überhitzten Zustand enthalten. Beim Sättigungszustand tritt der Fall auf, dass Wassertropfen (Nebel) oder Schnee- bzw. Eiskristalle ausgeschieden werden. Die hier betrachteten Gase besitzen in ihrem technischem Einsatzbereich Drücke und Temperaturen, die eine Behandlung als ideale Gase rechtfertigen. Auf Grund der niedrigen Partialdrücke (siehe Abschnitt 1.3.1-4.3.2) des Wasserdampfes kann für ihn auch Idealgasverhalten angenommen werden. Trockene Luft bzw. der trockene Anteil der Verbrennungsabgase sind Gemische idealer Gase und werden hier als homogen vermischt betrachtet, sodass ein Zweistoffgemisch bestehend aus dem Trockengas (Index T) und dem Wasserdampf (Index WD) zu Grunde gelegt wird. Für beide gilt gemäß Abschnitt 1.3.1-4.3.2 die thermische Zustandsgleichung idealer Gase pi ⋅ V = mi ⋅ Ri ⋅ T

(molare Massen bzw. Gaskonstanten siehe Tafel 1.3.1-5).

1.3.4-2

Absolute Feuchte

p n WD Da sich die Partialdrücke wie die Stoffmengeanteile verhalten  -----D- = ---------, kann die abpT nT  solute Feuchte, der Wassergehalt x (Achtung: nicht mit dem Dampfmasseanteil von Nassdampf verwechseln), der sinnvoll als Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse des Trockengases aus pD m WD x = ----------- = --------------- ⋅ μ p – pD mT

mit dem Gesamtdruck p und dem Verhältnis der molaren Massen (für Luft μ L = 0,622) errechnet werden. Durch Umformung ergibt sich daraus auch der Partialdruck des Wassers zu x p D = p ⋅ -----------x+μ 1)

Überarbeitet für die 78. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Achim Dittmann, Dresden.

1

152

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.4-3

Relative Feuchte und Taupunkt

Die sogenannte relative Feuchte, d. h. bei Luft die relative Luftfeuchte, ist das Verhältnis p des Partialdruckes des Wasserdampfes zum Sättigungsdruck ϕ = -----D- , mit dem der pS Wassergehalt ϕ x = --------------- ⋅ μ p- – ϕ ---pS bestimmt werden kann. Zur Vermeidung umfangreicher Tabellen wird nachstehend eine Approximation des Sublimationsdruckes p S = p Tr ⋅ exp ( A S ⋅ X ) 1) T Tr mit X = 1 – ------- , der Tripeltemperatur TTr=273,16 K und dem Tripeldruck pTr = T 0,00612 bar sowie AS = 22,5129 (–50 °C ≤ ϑ ≤ 0,01 °C, mittlerer Fehler 0,06 %). Dampfdrucke (Approximation durch den Autor)

pS = pTr · exp(AD + BD · X + CD · X2) mit AD = –1,33 · 10–3, BD = 19,9147, CD = –3,1065 (0,01 °C ≤ ϑ ≤ 100 °C, mittlerer Fehler 0,07 %) angegeben. Der Sättigungszustand des Trockengases oder der Luft ist erreicht, wenn pD = pS, d. h. die relative Feuchte ϕ = 1 beträgt. Der zugehörige Wassergehalt der gesättigten Luft beträgt dann pS x S = -------------- ⋅ μ . p – pS Wenn x < xS, dann liegt ungesättigtes Gas bzw. Luft vor, für x > xS beträgt der Wassergehalt im Gas bzw. der Luft xS und der Anteil Δx = x – xS ist für – ϑ ≥ 0,01 °C Wasserflüssigkeit (Nebel) – ϑ ≤ 0,01 °C Wassereis (Reif bzw. Schnee). Für den Fall, dass für einen bekannten Wassergehalt x die Taupunkttemperatur bestimmt werden soll, ist zunächst aus der obenstehenden Gleichung der Sättigungsdruck zu ermitteln und daraus die zugehörige Sättigungstemperatur. Um Interpolationen vermeiden zu können, sind nachstehend Approximationen für die Sublimationstemperatur durch Umkehrung der oben angegebenen Gleichung für –50 °C ≤ ϑ ≤ 0,01 °C aus A S ⋅ T Tr ϑ S = --------------------------------- – 273 ,15 p A S – ln  -------   p Tr 

und die Sättigungstemperatur T Tr ϑ S = ----------------------------------------------------------------------------------------- – 273 ,15 p p    1 – ln  ------ ⋅ D D + E D ⋅ ln  -------    p Tr     p Tr   

mit DD = 5,017 · 10–2 und ED = 4,33 · 10–4 für 0,01 °C ≤ ϑ ≤ 90 °C (max. Fehler 0,05 K) angegeben. 1)

Baehr, H. D.; Kabelac, S.: Thermodynamik. Springer Lehrbuch.

1.3.4 Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft

153

Beispiel: Für das Abgas eines Verbrennungsprozesses sind die Masseanteile in der Tabelle angegeben und die molaren Massen aus Tafel 1.3.2-5 beigefügt. Der Druck beträgt p = 1 bar. Stoff

ξi

Mi kg/kmol

ξi,T

N2 O2 CO2 H2 O

0,7565 0,1417 0,0311 0,0707

28,01 32 44,01 18,02

0,8141 0,1525 0,0335

Es sind Sättigungsdruck und Taupunkttemperatur zu ermitteln. Zunächst ergibt sich der ξ WD - = Wassergehalt (Merke: Masse Wasserdampf je Masse Trockengas) aus x = --------------ξ i,T



ξi - be0,07608 kg WD/kg T. Die Masseanteile im Trockengas werden aus ξ i,T = --------------ξ i,T



stimmt und sind bereits in der Tabelle aufgeführt. Die molare Masse des Trockengases er1 - = 29,154 kg/kmol und daraus gibt sich nach Abschnitt 1.3.1-4.3.2 aus M T = ----------------------n ξi -----i = 1 Mi folgt μ = 0,6181. Damit kann der Sättigungsdruck für diesen Masseanteil zu pS = 1 · 0,07608 / (0,07608 + 0,6181) = 0,1096 bar und daraus mit der oben angegebenen Näherung ϑS = 47,6 °C bestimmt werden.



1.3.4-4

Spezifisches Volumen bzw. Dichte feuchter Gase

Für den Zustandsbereich ungesättigter feuchter Gase (x ≤ xS) kann entsprechend Abschnitt 1.3.2.2 die scheinbare Gaskonstante des Gemisches Trockengas–Wasserdampf aus μ+x R fG = R W ⋅ -----------1+x mit RW = 0,4614 kJ/(kgK) ermittelt werden. Mit der thermischen Zustandgleichung des idealen Gasgemisches folgt daraus das spezifische Volumen bzw. die Dichte R fG 1 v = -------- ⋅ T = --- . p ρ Für übersättigtes feuchtes Gas x > xS kann davon ausgegangen werden, dass die spezifischen Volumina von Wasserflüssigkeit bzw. -eis vernachlässigbar gering sind, sodass die beiden zuletzt genannten Gleichungen mit x = xS verwendet werden.

1.3.4-5

Spezifische Enthalpie feuchter Gase

Sind zwischenmolekulare Kräfte zwischen Bestandteilen des Trockengases und des Wassers auszuschließen, kann das Gemisch, wie bereits vorstehend angenommen, als ein ideales Gasgemisch behandelt werden. Die spezifische Enthalpie feuchter Luft, das Konzept soll auch auf andere feuchte Gase übertragen werden, ist nicht auf die Gesamtmasse, sondern auf die Trockengasmasse bezogen. Für den ungesättigten Bereich x ≤ xS folgt demnach für die spezifische Enthalpie H h = ------- = h T + x ⋅ h WD mT

und für die im Allgemeinen verwendete Bezugstemperatur ϑ0 = 0 °C ergibt sich für das Trockengas hT = cp,T · ϑ

1

154

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

(die spezifischen isobaren Wärmekapazitäten möglicher Trockengaskomponenten sind in Tafel 1.3.5-1 aufgeführt) und den Wasserdampf hWD = h″WD(ϑ0) + cp,WD · ϑ mit der spezifischen Enthalpie des trocken gesättigten Wasserdampfes bei ϑ0 = 0 °C, h″WD = 2501 kJ/kg und der spezifischen isobaren Wärmekapazität des überhitzten Wasserdampfes cp,WD = 1,87 kJ/(kgK). Tafel 1.3.4-1

Spezifische Wärmekapazität und Gaskonstante für einige Gase

Stoff

H2 O

SO2

O2

N2

CH4

H2

CO

CO2

Luft

cp kJ/ (kgK)

1,87

0,63

0,92

1,04

2,24

14,32

1,04

0,85

1,01

4,125

0,2968

0,189

0,287

R kJ/ (kgK)

0,4615 0,1298 0,2598 0,2968 0,5183

Daraus resultiert z. B. die zugeschnittene Größengleichung der spezifischen Enthalpie der ungesättigten feuchten Luft h ϑ -----L- = ( 1 ,01 + 1 ,87 ⋅ x ) ⋅ ------ + 2501 ⋅ x kJ °C ----kg

Für den übersättigten Bereich gilt für ϑ > 0 °C: h = h T + x S ⋅ h WD + ( x – x S ) ⋅ h WF , mit der Enthalpie der Wasserflüssigkeit hWF = cp,WF · ϑ sowie der spezifischen Wärmekapazität derselben cp,WF = 4,19 kJ/(kgK) ϑ < 0 °C: h = h T + x S ⋅ h WD + ( x – x S ) ⋅ h WE mit der spezifischen Enthalpie des Wassereises h WE = r Sch + c p,WE ⋅ ϑ

und der Schmelzenthalpie rSch = –334 kJ/kg sowie der spezifischen Wärmekapazität des Wassereises cp,WE = 2,03 kJ/(kgK). In den nachstehenden Kapiteln wird noch auf einige Besonderheiten für feuchte Luft wie das Mollier-h,x-Diagramm und wichtige Prozesse eingegangen.

1.3.4-6

h,x-Diagramm von Mollier1)

Zur Erleichterung der Rechnungen mit feuchter Luft und zur übersichtlichen Darstellung der Zustandsänderungen dient das h,x-Diagramm von Mollier (Bild 1.3.4-1 und Bild 1.3.4-2). Es ist ein schiefwinkliges Koordinatensystem, das auf der schräg nach rechts unten laufenden Abszissenachse die x-Werte, auf der Ordinatenachse die h-Werte enthält. Zum leichteren Ablesen der x-Werte ist außerdem eine waagerechte Hilfsachse vorhanden. In das Diagramm ist die Sättigungskurve (ϕ = 1 bzw. 100 %) eingetragen, die das Gebiet ungesättigte Luft (oberhalb der Kurve) von dem Gebiet übersättigter Luft (Nebelgebiet, unterhalb der Kurve) trennt. Die Isothermen (Linien konstanter Temperaturen) sind im ungesättigten Gebiet und t > 0 °C schwach ansteigende Geraden, die an der Sättigungskurve nach rechts unten abknicken (Nebelisothermen), wobei sie den Geraden konstanter Enthalpie gegenüber leicht steigend verlaufen. Weiter sind die Kurven gleicher relativer Luftfeuchte ϕ, gleicher Dichte ρ oder/und gleichen spezifischen Volumens v eingetragen. ρ und v entsprechen den Definitionen in Abschnitt 1.3.4-4.

1)

Mollier, R.: Ein neues Diagramm für Dampfluftgemische. ZVDI 67 (1923), S. 869–872. Das i,xDiagramm für Dampfluftgemische. ZVDI 73 (1929), S. 1009–1013.

1.3.4 Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft

155

1 Bild 1.3.4-1. Konstruktion des h, x-Diagramms für feuchte Luft nach Mollier.

Bild 1.3.4-2. h, x-Diagramm für feuchte Luft nach Mollier (Luftdruck: 1,013 bar = 1013 hPa).

Die Sättigungskurve, die ϕ-, ρ- und v-Linien sind in ihrer Lage vom Gesamtdruck p, für den das h,x-Diagramm aufgestellt ist, abhängig (üblich sind 1,013 bar oder 1 bar). Das Mollier-h,x-Diagramm ist wegen der Anschaulichkeit nach wie vor sehr bedeutungsvoll, die Berechnung der Zustandspunkte erfolgt aber heute meist mittels Rechenprogrammen (eine ausführliche Darstellung einschließlich der Berechnung der Stoffwerte für feuchte Luft findet sich in.1) Auf Grundlage dieser Rechenprogramme lassen sich h,xDiagramme für beliebige Gesamtdrücke p automatisch erzeugen. In englisch sprechenden Ländern sind andere Diagramme (Psychrometric Charts) in Benutzung, die ebenfalls das h,x-Diagramm von Mollier als Grundlage haben, jedoch mit vertauschten Achsen.

1)

Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), Verbrennungsrechnung. 2. erw. Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1991.

156

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.4-7

Zustandsänderungen feuchter Luft

1.3.4-7.1

Mischung

Bei Mischung zweier Luftmengen m1 und m2 vom Zustand 1 und 2 liegt der Zustandspunkt der Mischung M auf der geraden Verbindungslinie der Punkte 1 und 2 (Bild 1.3.4-3): m1 h1 + m2 h2 m1 x1 + m2 x2 -; xM = ----------------------------------hM = ----------------------------------m1 + m2 m1 + m2 Streckenverhältnis:

m 1M ---------- = ------2- . m1 2M

Bild 1.3.4-3. Zustandsänderung beim Mischen von zwei Luftmassen m1 (Zustand 1) und m2 (Zustand 2) zum Zustand M (Mischpunkt).

1.3.4-7.2

Bild 1.3.4-4. Zustandsänderung beim Erwärmen von Luft von 1 nach 2.

Erwärmung

Zustandsänderung erfolgt auf der Linie x = const (Isohygre) nach oben (Bild 1.3.4-4): x 2 = x1 . h2 = h1 + qzu;

1.3.4-7.3

Kühlung

Bei der Kühlung sind zwei Fälle zu unterscheiden (Bild 1.3.4-5):

Bild 1.3.4-5. Zustandsänderung beim Kühlen von Luft: Kühloberflächentemperatur unterhalb Taupunkt von 1 nach 2 (nasse Kühlung), oberhalb Taupunkt von 1 nach 2′ (trockene Kühlung).

a) Kühlflächentemperatur liegt unterhalb des Taupunktes der Luft bei Punkt KF. Die Zustandsänderung der Luft kann man sich idealisiert als Mischung der zu kühlenden Luft (Punkt 1) mit der an der Kühloberfläche haftenden Grenzschicht (Punkt KF) vorstellen, wobei die Grenzschicht gesättigte Luft von der Kühlflächentemperatur enthält, die als konstant angenommen ist. Der Mischpunkt liegt daher auf der geraden Verbindungslinie beider Zustandspunkte. Er stellt den Endpunkt 2 der Zustandsänderung dar. Tatsächlich wird sich aufgrund örtlich unterschiedlicher Oberflächentemperaturen am Luftkühler die Zustandsänderung der Luft entsprechend Bild 3.3.2-40 (siehe Abschnitt 3.3.2-2.3) ergeben. Man spricht von nasser Kühlung. Für den

1.3.4 Feuchte Gase insbesondere feuchte Luft

157

Kühl- und Entfeuchtungsvorgang ist es gleichgültig, ob es sich um Oberflächenkühler oder Nassluftkühler (Wäscher mit gekühltem Wasser) handelt. Δx = x1 – x2. h2 ≈ h1 – |qab|; b) Kühlflächentemperatur des Oberflächenkühlers liegt oberhalb des Taupunktes der Luft (Punkt KF′). Es erfolgt eine trockene Kühlung längs der Isohygren (x = const), ohne den Taupunkt erreichen zu können, bis zum Endpunkt 2′. h2 = h1 – |qab|; x2 = x1.

1.3.4-7.4

Befeuchtung

Die Befeuchtung der Luft erfolgt in zwei prinzipiell unterschiedlichen Varianten (Bild 1.3.4-6):

Bild 1.3.4-6. Zustandsänderung beim Befeuchten von Luft: Wasserbefeuchtung von 1 nach 2, Dampfbefeuchtung von 1 nach 2′, Sonderfall Heizwäscher von 3 nach 4.

a) Wasser wird in fein zerstäubter Form (z. B. durch Düsen) in die Luft (Luftstrom) eingebracht und durch Verdunstung in die dampfförmige Phase überführt. Die Energie zum Phasenwechsel kommt aus der Luft, wodurch sich diese fühlbar abkühlt. In den Bilanzraum wird nur die Enthalpie des flüssigen Wassers hW = cW tW eingebracht. (Würde versprühtes, nicht verdunstetes Wasser mit niedrigerer Temperatur als am Eintritt aus dem Bilanzgebiet abfließen, wäre der Wärmestrom vom sich abkühlenden Wasser zu berücksichtigen.) In Abhängigkeit der Verdunstungsmenge dx ändert sich die Enthalpie der Luft dh = hW dx = cW tW dx dh/dx = hW = cW tW = 4,19 tW in kJ/kgWasser. Da tW > 0 °C ist, verläuft die Zustandsänderung schwach steigend über der Isenthalpen h1 vom Zustandspunkt 1 zum Punkt 2. Die Richtung der Zustandsänderung dh/dx bzw. Δh/Δx kann dem Randmaßstab üblicher h,x-Diagramme entnommen werden. Der reale Verlauf der Zustandsänderung ist stark von der Konstruktion des Wäschers (Düsenart, Sprührichtung, Wasser-Luft-Zahl usw.) abhängig (siehe auch Abschnitt 3.3.2-4). Hinweis: Beim Heizwäscher (nur noch selten gebräuchlich), der gleichzeitig auch befeuchtet, ist die Wärmezufuhr qzu pro kgt.L.zusätzlich zu berücksichtigen: dh = hW dx + dqzu. Die Zustandsänderung führt dann auch zu einer Temperaturzunahme der Luft, gemäß Bild 1.3.4-6 z. B. von 3 nach 4 (vgl. auch Bild 3.3.2-63). b) Wasserdampf wird direkt in die Luft eingeblasen. In der Regel handelt es sich um Sattdampf mit der Enthalpie h″, die die Zustandsänderung dh/dx = h″ bewirkt. Wegen der Größe von h″ verläuft die Zustandsänderung von 1 nach 2′ meistens mit sehr geringer Steigung gegenüber der Isothermen t1. Beispiel Um welche spezifische Enthalpie nimmt die Luft zu, wenn pro kg Luft a) 4 g Wasser mit 20 °C b) 4 g Sattdampf von 1,5 bar (eine geringe Überhitzung wird vernachlässigt) von der Luft aufgenommen werden? a) Δh = 4,19 · 20 · 0,004 = 0,34 kJ/kgt.L. b) h″ = 2693,4 kJ/kgWasserdampf (nach Tafel 1.3.3-4)

1

158

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Δh = 2693,4 · 0,004 = 10,77 kJ/kgt.L. Dabei tritt eine Temperaturerhöhung h″ – 2501 – 1 ,86 t t2' – t1 ≈ ---------------------------------------------1- · Δx auf. 1 ,01 + 1, 86 x 1 Wenn t1 = 10 °C und x1 = 0,002 kgW/kgt.L. gilt, dann t2' – t1 ≈ 0,7 K.

1.3.4-7.5

Adiabate Befeuchtung

Diese Zustandsänderung entspricht der Befeuchtung mit Wasser, wobei die zur Verdunstung erforderliche Wärme ausschließlich von der Luft stammt. Dies ist z. B. der Fall bei einem Luftwäscher, in dem umlaufendes Wasser zerstäubt und keine Wärme mit der Umgebung getauscht wird. Für die Zustandsänderung gilt wiederum dh/dx = cW tW = 4,19 tW in kJ/kgWasser. Die sich bei diesem Vorgang einstellende Wassertemperatur nennt man die Feuchtkugeltemperatur, weil sie mit großer Annäherung durch ein in der Luft bewegtes befeuchtetes Thermometer angezeigt wird. Man nennt sie auch Kühlgrenztemperatur, da sie die tiefste Temperatur ist, bis zu der Wasser mit nicht gesättigter Luft abgekühlt werden kann. Zu einem gegebenen Luftzustand findet man die Feuchtkugeltemperatur tf, indem man diejenige Nebelisotherme rückwärts über die Sättigungskurve hinaus verlängert, die durch den Luftzustandspunkt 1 geht (Bild 1.3.4-7). Da die Steigung dh/dx bei niedrigen Wassertemperaturen sehr klein ist, liegen Feuchtkugelisotherme und Isenthalpe eng beieinander.

Bild 1.3.4-7. Zustandsänderung beim adiabaten Befeuchten der Luft.

1.3.4-7.6

Bild 1.3.4-8. Zustandsänderung beim Entfeuchten der Luft durch: Kühlung von 1 nach 2, durch Adsorption von 1 nach 2′.

Entfeuchtung

Zur Entfeuchtung der Luft gibt es qualitativ sehr unterschiedliche Verfahren (Bild 1.3.4-8): a) Kühlung der Luft mit Kühlflächentemperaturen, die unter dem Taupunkt liegen. Dieses konventionelle Verfahren wurde bereits unter Abschnitt 1.3.4-7.3 beschrieben. (Wie Bild 1.3.4-5 zeigt, ist die Austrittstemperatur der Luft (Punkt 2) in keiner Weise an den zum Zustand1 gehörigen Taupunkt geknüpft.) Im Ausland benutzt man den S/T-Faktor zur Kennzeichnung des Entfeuchtungsablaufes S/T = Sensible Wärme / Totale Wärme. Er wird im h,x-Diagramm durch das Verhältnis der Strecken S und T dargestellt (Bild 1.3.4-8). Genaugenommen ist die sensible Wärme nur auf die Temperaturänderung zu beziehen, d. h., es müsste das Streckenverhältnis S′/T verwendet werden. Nachteilig bei diesem Entfeuchtungsverfahren ist, dass der Kühlerbetrieb niedrige Temperaturen erfordert und die Luft in der Regel nachgewärmt werden muss. b) Sorptive Verfahren binden einen Teil der Luftfeuchte z. B. an der festen Oberfläche des Adsorbens (beispielsweise Silicagel) in flüssiger Phase (Wasser). Dadurch wird die Enthalpie des Wasserdampfes in der Luft |hDdx| – die hauptsächlich aus der Kondensationswärme (spez. Verdampfungsenthalpie) |r dx| ≡ |Δhvdx| besteht – und die Bindungswärme |ΔhBdx| im Festkörper frei. Wird dieser durch die Luft gekühlt (übliche

1.3.5 Wärmeübertragung

159

Konstruktion), erfährt die Luft eine Temperaturerhöhung. Es gilt für den nichtisothermen Vorgang näherungsweise (Enthalpie |hDdx| kehrt in die Luft zurück) dh ≈ – ΔhB dx, woraus sich wegen dx < 0 (Entfeuchtung) die im Bild 1.3.4-8 gezeigte Zustandsänderung von 1 nach 2′ ergibt. Die Bindungswärme muss dem Adsorbens natürlich bei der Desorption wieder zugeführt werden. Nachteil der sorptiven Entfeuchtung ist die in der Regel erforderliche Kühlung der Luft.

1.3.5

Wärmeübertragung1) 2)

Wärmeübertragung ist der gemeinsame Begriff für den Transport von Wärme durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung: Die Wärme wird innerhalb eines Körpers von Teilchen zu Teilchen durch intermolekulare Wechselwirkungen weitergeleitet. Die Teilchen befinden sich zueinander in Ruhe. Konvektion (Wärmemitführung): Die Wärme fließt von einem bewegten Medium (Flüssigkeit oder Gas) an einen festen Körper oder umgekehrt, z. B. von Luft an eine Wand. Die Teilchen befinden sich zueinander in Bewegung. Strahlung: Die Wärmestrahlung stellt einen Energietransport durch elektromagnetische Wellen dar. Die Wärmeübertragung erfolgt von einem Körper zum anderen ohne materielle Träger. Im technischen Wärmeprozess überlagern sich die drei Arten der Wärmeübertragung in vielfältigen Formen. Diese Vorgänge können stationär oder instationär verlaufen. Nachstehend sind die wichtigsten Beziehungen für stationäre Wärmeübertragung zusammengestellt. Ausführliche Berechnungsblätter: VDI-Wärmeatlas, VDI-Verlag Düsseldorf; Begriffe und Kenngrößen DIN 1341:1986-10; Formelzeichen und Einheiten DIN 1345:1993-12; VDI 2055-1:2008-09.

1.3.5-1

Wärmeleitung

1.3.5-1.1

Ebene Wand

Wärmestrom bzw. Wärmestromdichte durch eine ebene, einschichtige Wand (Bild 1.3.5-1) · A ⋅ Δt · λ ---- = λ Q = --- A Δt = -------------- = A Λ Δt in W bzw. q· = Q --- Δt in W/m2 s Rλ A s

·

Q W Wärmestrom q· W/m2 Wärmestromdichte λ W/(mK) Wärmeleitfähigkeit s m Schichtdicke Fläche A m2 Δt K Temperaturdifferenz Rλ m2K/W Wärmeleitwiderstand Rλ = s/λ 2 Λ W/(m K) Wärmedurchlasskoeffizient Λ = λ/s. Wärmestrom durch eine ebene, mehrschichtige Wand (Bild 1.3.5-2) · Δt Δt Δt Δt ---- = -------1- = -------k- = -------n- = ------------------------------------------------ in W/m2. q· = Q A s1 s2 s s1 sk sn  ----------------- + ----- + … + -----n  λ λ λ1 λk λn λ n 1 2 Temperaturverlauf in einer ebenen, mehrschichtigen Wand (Bild 1.3.5-2)

1)

2)

angelehnt an: Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren. 2. Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1990. Glück, B.; Nebeck, A.: Arbeitsmappe Heizung. Firma ROM, Hamburg 1992. Überarbeitet für die 78. Auflage von Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dresden.

1

160

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Der Temperaturverlauf ist für jede Schicht separat zu berechnen s s Δtk = tk – tk+1 = q· ----k- in K, z. B. Δt1 = t1 – t2 = q· ----1- . λk λ1 Die Temperaturen an den Schichtgrenzen ergeben sich schrittweise zu s s tk+1 = tk – q· ----k- in °C, z. B. t2 = t1 – q· ----1- . λk λ1

Bild 1.3.5-1. Temperaturverlauf in einer ebenen, einschichtigen Wand

1.3.5-1.2

Bild 1.3.5-2. Temperaturverlauf in einer ebenen, mehrschichtigen Wand

Zylinderwand

Wärmestrom durch eine mehrschichtige Zylinderwand (Bild 1.3.5-3) 2πL Δt · Q = --------------------------------------------------------------------------------------- in W d2 1 d3 1 dn + 1 1- --- ---ln - + ----- ln ----- + ··· + ----- ln ------------  λ1 d1 λ2 d2 dn  λn

·

Q L d Δt λ

W m m K W/(mK)

Wärmestrom Zylinderlänge Durchmesser Temperaturdifferenz Δt = t1– tn+1 Wärmeleitfähigkeit.

Bild 1.3.5-3. Aufbau einer mehrschaligen Zylinderwand

Temperaturverlauf in einer mehrschichtigen Zylinderwand Der Temperaturverlauf ist für jede Schicht separat zu berechnen

1.3.5 Wärmeübertragung

Δtk =

dk + 1 Q· ------------------ ln ----------dk 2πL λ k

161 d Q· z. B. Δt1 = ------------------ ln ----2- . 2πL λ 1 d 1

in K,

Die Temperaturen an den Schichtgrenzen ergeben sich schrittweise zu dk + 1 d Q· Q· - in °C, z. B. t2 = t1– ------------------ ln ----2- . tk+1 = tk– ------------------ ln ----------dk 2πL λ k 2πL λ 1 d 1 Beispiel Ein Rohr mit einem Außendurchmesser von d1 = 0,030 m und einer Oberflächentemperatur von t1 = 500 °C ist zweischalig wärmegedämmt: Kieselgursteine s1 = 30 mm (d2 = 0,090 m), λ1 = 0,17 W/(mK) und Glaswollematten s2 = 30 mm (d3 = 0 ,150 m), λ2 = 0,07 W/(mK). Die äußere Blechmantelumhüllung hat eine Temperatur von t3 = 30 °C. Wie groß ist der Wärmestrom je 1 m Länge, und welcher maximalen Temperatur ist die Glaswolle ausgesetzt? 2π ⋅ 1 ⋅ ( 500 – 30 ) · Q = ------------------------------------------------------------------ = 214,6 W 1 - 0--------,09- --------1 - 0--------,15-  --------ln ln +  0 ,17 0 ,03 0 ,07 0 ,09 214 ,6 0 ,09 t2 = 500– ----------------------------- ln ---------- = 279,3 °C 2π ⋅ 1 ⋅ 0 ,17 0 ,03 214 ,6 0 ,15 t2 = 30+ ----------------------------- ln ---------2π ⋅ 1 ⋅ 0 ,07 0 ,09

1.3.5-1.3

oder

= 279,2 °C.

Wärmeleitfähigkeit

Die Werte sind aus Tafel 1.3.5-1 bis Tafel 1.3.5-9 und aus Bild 1.3.5-4 bis Bild 1.3.5-6 entnehmbar. Die Wärmeleitfähigkeit ist von der Materialstruktur (Tafel 1.3.5-1), von der Dichte (Bild 1.3.5-4), der Temperatur (siehe Aluminium, Tafel 1.3.5-2; PolyurethanHartschaum, Tafel 1.3.5-6 sowie Bild 1.3.5-5 und Bild 1.3.5-6), der Feuchte (siehe Sand, Tafel 1.3.5-3) und vom Druck (Bild 1.3.5-6) abhängig. Es sind einsatzbezogene Mittelwerte zu verwenden. Tafel 1.3.5-1

Wärmeleitfähigkeiten λ verschiedener Stoffgruppen

Stoff Metalle, rein Legierungen Natürliche Steine Baustoffe Dämmstoffe, organisch Dämmstoffe, anorganisch Gase Luft bei 0 °C Flüssigkeiten

λ in W/(m K) 10 … 458 13 … 113 1,5 … 3,5 0,2 … 3,5 0,02 … 0,07 0,03 … 0,011 0,01 … 0,02 0,024 0,13 … 0,68

Approximationsgleichungen für die Wärmeleitfähigkeit von Luft und Wasser Approximation für trockene Luft nach 1) in W/(m K) im Bereich t = –20 °C…200 °C, p = 1 bar:

λ = 2,4178 · 10-2 + 7,634878 · 10-5 t – 4,663859 · 10-8 t2 + 4,612639 · 10-11 t3

(Fehler 100 dh; bei kurzen Rohren ist α größer, z. B. bei L/dh = 1 um etwa 100 %, bei sehr langen kleiner (etwa 10 bis 20 %) Luft und Rauchgas 0 ,75 w0 in W/(m2K) αK = 4,4 ----------0 ,25 dh

Überhitzter Dampf 0 ,75 tF  w0 - ----------αK =  4 ,4 + 0 ,3 ------0 100 d ,25

in W/(m2K).

Bild 1.3.5-8. Korrekturfaktor KL des Längeneinflusses bei turbulenter Rohrströmung.

Bild 1.3.5-9. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-wasserdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!).

1

176

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-10. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-wasserdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!).

Bild 1.3.5-11. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-luftdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!).

Bild 1.3.5-12. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-luftdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!).

1.3.5 Wärmeübertragung

177

Beispiel 1 In einem Rohr der Länge L = 10 m und des Innendurchmessers d = 0,1 m strömt Wasser ( = 0,01 m3/s) mit der mittleren Temperatur tF = 100 °C. Der Wärmeübergangskoeffizient ist zu bestimmen. Berechnung nach Nußeltgleichung: 0 ,01 w = --------------- = 1,27 m/s π --- 0 ,1 2 4

(nach Bild 1.3.5-7)

1 ,27 ⋅ 0 ,1 Re = --------------------------= 430508 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 1,75 –6 0 ,295 ⋅ 10 (nach Tafel 1.3.5-11) 1 B = --------------------------------------------------------2( 5 ,15lg(430508)–4,64 )

Nu =

= 0,001683

0, 001683 ( 430508 – 1000 )1 ,75 0, 1 0, 667 ---------------------------------------------------------------------------------------= 1071 1 +  -------- 0, 5 0 ,667  10  1 + 12 ,7 ⋅ 0, 001683 ( 1 ,75 – 1)

1071 ⋅ 0 ,680 αK = ----------------------------- = 7283 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 0, 1

Berechnung nach Bild 1.3.5-9: mit d/L = 0,01 → Bild 1.3.5-8: KL = 1,05 w · d = 1,27 · 0,1 = 0,127 m2/s → Bild 1.3.5-9: αK · d ≈ 680 W/(m2K) m 680 αK = -------- · 1,05 = 7140 W/(m2K). 0 ,1

Berechnung nach Näherungsgleichungen: 0, 87

1 ,27 - = 8470 W/(m2K) nach Stender und Merkel: αK = 2040 (1 + 0,015 · 100) -----------------0 ,13 0 ,1

nach Schack:

αK = 3370 (1 + 0,014 · 100) 1,270,85 = 9910 W/(m2K)

Beispiel 2 Luft strömt mit w = 10 m/s, p = 1 bar und tF = 100 °C durch ein Rohr (Innendurchmesser 50 mm). Wie groß ist der Wärmeübergangskoeffizient? Berechnung nach Nußeltgleichung: 10 ⋅ 0 ,05 Re = -----------------------= 21277 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 0,71 (nach Tafel 1.3.5-11) –6 23 ,5 ⋅ 10 1 - = 0 ,00321 B = ----------------------------------------------------------( 5 ,15 lg ( 21277 ) – 4 ,64 ) 2 0 ,00321 ( 21277 – 1000 )0 ,71 - = 54, 2 Nu = ----------------------------------------------------------------------------------0 ,5 0 ,667 1 + 12 ,7 ⋅ 0 ,00321 ( 0 ,71 – 1) 54 ,2 ⋅ 0 ,0314 αK = ------------------------------- = 34 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 0 ,05

Der Längeneinfluss bleibt unberücksichtigt (KL = 1). Berechnung nach Bild 1.3.5-11: w · d = 10 · 0,05 m2/s = 0,5 m2/s → Bild 1.3.5-11: αK · d ≈ 1,7 W/(m2K) m 1 ,7 αK = ------------- = 34 W/(m2K). 0 ,050

1

178

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Berechnung nach Näherungsgleichungen Schack: 273 w0 = 10 ----------------------- = 7,3 m/s 273 + 100

αK =

0 ,75

100 100 2 7 ,3 4 ,13 + 0 ,23 -------- – 0 ,0077  -------- -------------------0 ,25  100 100 0 ,050

= 41 W/(m2K)

0 ,75

7 ,3 - = 41 W/(m2K). αK = 4,4 -------------------0 ,25 0 ,050

1.3.5-2.1.3

Turbulente Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in Rohrwendeln

d  0 ,5 Nu λ C Re Pr ,0396- + 0 ,0038  --- und C = 0--------------αK = ----------- mit Nu = ----------------------------------------------------------0, 5 0 ,667  D 0 ,25 d 1 + 12 ,7C ( Pr – 1) Re wd Re = ------- ; D nach Bild 1.3.5-13; Pr, λ, v bei tF v

Gültigkeitsbereich: Re > 2,2 · 104; 2 < Pr < 5 für Wasser; Pr ≈ 0,7 für Luft; Auswertung der Gleichungen für Wasser im Bild 1.3.5-14. h 2 1 D = D* +  --- -----π D*

D ist eine reine Rechengröße zur Bestimmung von C.

Bild 1.3.5-13. Charakteristische Abmessungen einer Rohrwendel

Bild 1.3.5-14. Wärmeübergangskoeffizienten in einer turbulent-wasserdurchströmten Rohrwendel.

1.3.5 Wärmeübertragung

1.3.5-2.2 1.3.5-2.2.1

179

Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung um Platten und Rohre Längsüberströmte Platten

lÜ m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-15 w∞ m/s Geschwindigkeit der unbeeinflussten Umgebung nach Bild 1.3.5-15 t∞ °C Fluidtemperatur außerhalb Grenzschicht nach Bild 1.3.5-15

1

Bild 1.3.5-15. Charakteristische Parameter für überströmte Teile.

Nu λ αK = ----------lÜ

mit Nu = 0 ,441 Re Pr

0, 667

1 ,6

2

Re Pr + --------------------------------------------------------------------------------------------2 – 0, 1 0, 667 [ 27 ,027 + 66 ,027 Re ( Pr – 1)]

0, 5

w∞ l Ü - ; Pr, λ, v bei t∞ Re = ---------v

Gültigkeitsbereich: 10 < Re < 107; 0,6 < Pr < 2000 Auswertung der Gleichung in Bild 1.3.5-16 und Bild 1.3.5-17.

Bild 1.3.5-16. Wärmeübergangskoeffizienten an längsangeströmten Platten.

180

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-17. Wärmeübergangskoeffizienten an längsangeströmten Platten für Luft bei p ≈ 1 bar und t∞ = 20 °C.

Weitere Näherungsgleichungen für Luft αK = 6,2 + 4,2 w in W/(m2K) für w < 5 m/s αK = 7,15 w0,78 in W/(m2K) für w > 5 m/s nach Jürges: 0 ,8

w - in W/(m2K) für Re > 5 · 105, t∞ = 0 … 50 °C αK = 6,4 --------0, 2 lÜ nach Glück: 0 ,72

w in W/(m2K) für w∞ = 1 … 3 m/s, t∞ = 20 °C; lÜ = L = 1 … 10 m. αK = 6,9 ----------0 ,26 lÜ

1.3.5-2.2.2

Längsüberströmte Rohre

lÜ da w∞ t∞ tW

m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-15 m Rohraußendurchmesser nach Bild 1.3.5-15 m Geschwindigkeit in der unbeeinflussten Umgebung nach Bild 1.3.5-15 °C Temperatur außerhalb der Grenzschicht nach Bild 1.3.5-15 °C Rohroberflächentemperatur nach Bild 1.3.5-15 Nu λ αK = ---------------wda Nu = 1,1 K–0,5 + 1,056 K–0,1 vl Ü - , v bei t∞, λW bei tW K = 4 ----------2 w∞ d a Gültigkeitsbereich: 10–3 < K < 104; Pr = 0,7 (Luft) 1.3.5-2.2.3

Querüberströmte Rohre und Rohrbündel

lÜ m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-18 w m/s Geschwindigkeit nach Bild 1.3.5-18 t °C Fluidtemperatur nach Bild 1.3.5-18 Einzelrohr und eine einzelne Rohrreihe (Bild 1.3.5-18) Nu λ αK = ----------- mit lÜ

Nu = 0,3 +

0 ,441 Re Pr

0 ,667

1 ,6

2

Re Pr + -------------------------------------------------------------------------------------------2 – 0 ,1 0 ,667 [ 27 ,027 + 66 ,027 Re ( Pr – 1)]

0 ,5

1.3.5 Wärmeübertragung

181

wl Re = --------Ü- ; Pr, λ, v bei t v

Gültigkeitsbereich: 10 < Re < 106; 0,6 < Pr < 1000

1

Bild 1.3.5-18. Charakteristische Parameter für querangeströmte Rohre und Rohrbündel.

Näherungsweise kann der Wärmeübergangskoeffizient nach Bild 1.3.5-16 bestimmt werden. Weitere Näherungsgleichungen für Luft gegen Einzelrohr (nach Schack) 0 ,61 t w0 in W/(m2K) αK =  4 ,65 + 0 ,35 -------- ----------0 100 d ,39 w0 αK = 4,8

m/s 0 ,61 w0 ----------0 ,39

Luftgeschwindigkeit des Normvolumens (0 °C, 1,013 bar) in W/(m2K)

für t < 100 °C.

d

Beispiel In einem Wärmetauscher strömt Luft der Temperatur 200 °C über eine einzelne Rohrreihe. Die Luftgeschwindigkeit vor der Rohrreihe beträgt 10 m/s. Für die Rohrreihe gilt: da = 64 mm; s = 130 mm. Der Wärmeübergangskoeffizient ist zu bestimmen. Berechnung nach Nußeltgleichung: 10 --- 0,064 = 0,1 m (nach Bild 1.3.5-18) w = --------------------------- = 16 ,3 m/s; l Ü = π π 2 0 , 064 1 – --- ------------4 0 ,13 16 ,3 ⋅ 0 ,1 - = 45954 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 0,71 (nach Tafel 1.3.5-11) Re = --------------------------–6 35 ,47 ⋅ 10

182

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Nu = 0,3 +

0 ,441 ⋅ 45954 ⋅ 0 ,71 1 ,6

0 ,667

2

45954 ⋅ 0 ,71 + -----------------------------------------------------------------------------------------------------------2– 0 ,1 [ 27 ,027 + 66 ,027 ⋅ 45954 ( 0 ,71 0 ,667 – 1 ) ]

0 ,5

= 213

213 ⋅ 0 ,038 αK = -------------------------- = 81 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 0 ,1

Berechnung nach Bild 1.3.5-16: w · lÜ = 1,63 m2/s → Bild 1.3.5-16: αK · lÜ ≈ 8 W/(m2K) · m 8 αK ≈ ------- = 80 W/(m2K). 0 ,1

Berechnung nach Näherungsgleichung Schack: 273 0 ,130 w0 = 10 ----------------------- -------------------------------- = 11,4 m/s (Geschwindigkeit zwischen den Rohren) 273 + 200 0 ,130 – 0 ,064 0 ,61

200 11 ,4 - = 69 W/(m2K). αK =  4 ,65 + 0 ,35 -------- -------------------100 0 ,064 0 ,39

Versetztes Rohrbündel (Bild 1.3.5-18) 2d αK = (αK)einzelne Rohrreihe · 1 + -------a-  1 – --1- 3s l n Näherungsweise ist (αK)einzelneRohrreihe nach Bild 1.3.5-16 zu bestimmen. Weitere Näherungsgleichungen für Luft gegen Rohrbündel (nach Schack) 0 ,61 w0 ƒ in W/(m2K) αK =1,6 (t + 273)0,25 ----------0 ,39 d w0 m/s Luftgeschwindigkeit des Normvolumens zwischen den Rohren f Rohranordnungsfaktor nach Bild 1.3.5-19.

Bild 1.3.5-19. Rohranordnungsfaktor f für Re = 2000.

1.3.5 Wärmeübertragung

1.3.5-2.3

183

Wasser in Behältern und Kesseln

αK =600 … 2000 W/(m2K) (freie Strömung) Wasser, nicht siedend, aber gerührt αK =1000 … 4000 W/(m2K) Wasser, siedend bei freier Konvektion αK =2000 … 8000 W/(m2K) In allen Fällen steigt α mit der Wandtemperatur und dem Temperaturunterschied zwischen Wasser und Wandung. Wasser, nicht siedend und nicht gerührt

1.3.5-2.4

Freie Strömung an Platten und Rohren

t∞ tW tG Δt H L,B da l g

Temperatur der unbeeinflussten Umgebung Wandtemperatur mittlere Grenzschichttemperatur tG = (t∞ + tW)/2 Temperaturdifferenz Δt = |tW – t∞| Höhe (Wand, Rohr) Länge, Breite (Platten) Außendurchmesser (Rohr) charakteristische Länge Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s2)

°C °C °C K m m m m m/s2

1.3.5-2.4.1

1

Senkrechte Platten (Wände) und Rohre

0 ,492 0 ,563 Nu λ 0 ,167 αK = ----------- mit Nu = 0 ,825 + 0 ,387 Ra 1 +  -------------  Pr  H

– 0 ,296 2

(*)

3

g Δ t H Pr Ra = -----------------------------2- (Ideales Gas; Luft); ( t ∞ + 273 )v g H Pr ρ w – ρ ∞ ---------------------- (Flüssigkeit); Es gilt stets: λ, v, Pr bei tG . Ra = -----------------2 ρw v Gültigkeitsbereich: 0,1 < Ra < 1012; 0 < Pr < ∞ Darstellung in den Bildern Bild 1.3.5-20 und Bild 1.3.5-21. 3

Bild 1.3.5-20. Wärmeübergangskoeffizienten an senkrechten Platten und Rohren (H = 0,5 ... 3 m) und an waagerechten Platten in Luft (t∞ = 0 ... 20 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt = |tW – t∞|. (Im Kühlfall bis etwa Δt = 10K anwendbar.)

184

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-21. Wärmeübergangskoeffizienten an beheizten senkrechten Platten (H= 0,5 m) in Wasser (t∞ = 10 ... 80 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt=(tW – t∞).

Für Vertikalrohre mit der Höhe H und dem Außendurchmesser da gilt mit Nu nach Gl. (*): H NuRohr = Nu + 0,435 ----- . da Weitere Näherungsgleichungen für Luft nach Schmidt-Beckmann, Schack für laminaren Bereich (Höhenabhängigkeit!):

Δt αK = 5,6 ----------------------------( t ∞ + 273 )H

0 ,25

in W/(m2K)

αK = 1,35 (Δt/H)0,25 in W/(m2K) für Lufttemperatur t∞ = 20 °C nach Jakob für turbulenten Bereich: 0 ,333 Δt in W/(m2K) αK = 9,7 ------------------------( t ∞ + 273 ) αK = 1,47 Δt0,333 in W/(m2K) für Lufttemperatur t∞ = 20 °C

nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 1,6 Δt0,3 in W/(m2K) für t∞ = 0 … 20 °C; H = 0,5 … 3 m Darstellung im Bild 1.3.5-20. Beispiel Wie groß ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an einer senkrechten Heizplatte (tW = 60 °C; H = 1,2 m), wenn die Lufttemperatur in der unbeeinflussten Umgebung t∞ = 20 °C beträgt? Berechnung nach Nußeltgleichung: tG = (20 + 60)/2 = 40 °C; Pr = 0,71; v = 17,26 · 10–6 m2/s (nach Tafel 1.3.5-11) 3

9 ,81 ⋅ ( 60 – 20 ) ⋅ 1 ,2 ⋅ 0 ,71 - = 5,5 · 109 Ra = -----------------------------------------------------------------–6 2 ( 20 + 273 ) ( 17 ,26 ⋅ 10 ) 9 0 ,167

Nu = 0, 825 + 0 ,387 ( 5 ,5 ⋅ 10 )

0 ,492 0 ,563 1 +  -------------  0 ,71 

– 0 ,296 2

= 212

212 ⋅ 0 ,0272 αK = ----------------------------- = 4,8 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 1 ,2

1.3.5 Wärmeübertragung

185

Berechnung nach Näherungsgleichung: Jakob: αK = 1,47 · 400,333 = 5,0 W/(m2K) Glück: αK = 1,6 · 400,3 = 4,8 W/(m2K). 1.3.5-2.4.2

Waagerechte Platten

Die Wärmeübergangskoeffizienten sind stark von den Abmessungen der Heiz- bzw. Kühlfläche, den Einbaubedingungen und der überlagerten Raumluftströmung (s. Abschnitt 1.3.5-2.5) abhängig.

1

Nu λ LB αK = ----------- ; l = --------------------l 2(L + B)

Wärmestrom nach oben (turbulente Fluidströmung ohne äußeren Einfluss) Nu = 0,155 Ra0,333 Wärmestrom nach unten (laminare Luftströmung ohne äußeren Einfluss) Nu = 0,485 Ra0,2 3

g Δ t l Pr Ra = -----------------------------2- ; λ, v, Pr bei tG. ( t ∞ + 273 )v Weitere Näherungsgleichungen für Luft

Wärmestrom nach oben (Fußbodenheizung, Kühldecke) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 2 Δt0,31 in W/(m2K) für t∞ = 0 … 20 °C, L oder B = 0,5 … 10 m Darstellung im Bild 1.3.5-20. Wärmestrom nach unten (Heizdecke) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 0,5 Δt0,2 l –0,4 in W/(m2K) (Approximation aus Nußeltgleichung; keinerlei Luftbewegung) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung nach Michejew): αK = 1,08 Δt0,31 in W/(m2K) (Heizstreifen in Hallen bei thermisch bedingter Luftbewegung) αK ≤ 0,54 Δt0,31 in W/(m2K) (Heizflächen bei stabiler Luftschichtung) Darstellung im Bild 1.3.5-20. 1.3.5-2.4.3

Waagerechte Rohre

0 ,559 0 ,563 Nu λ 0, 167 αK = ----------- mit Nu = 0 ,60 + 0 ,387 Ra 1 +  -------------  da Pr 

– 0 ,296 2

3

g Δ t d a Pr Ra = ----------------------------2 ( t ∞ + 273 )v

(Ideales Gas; Luft);

3

g d a Pr ρ w – ρ ∞ - ---------------------Ra = --------------(Flüssigkeit); Es gelten stets: λ, v, Pr bei tG . 2 ρW v Gültigkeitsbereich: 0,1 < Ra < 1012; 0 < Pr < ∞ Darstellung in Bild 1.3.5-22 und Bild 1.3.5-23.

Weitere Näherungsgleichungen für Luft; nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): 0 ,25 + 0 ,1d a

Δt - in W/(m2K) für t∞ = 0 … 20 °C; da = 0,01 … 1 m αK = 1,23 ---------------------------0,25 da Darstellung im Bild 1.3.5-22.

186

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-22. Wärmeübergangskoeffizienten an waagerechten Rohren des Außendurchmessers da in Luft (t∞= 0 ... 20 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt = |tW – t∞|. (Im Kühlfall bis etwa Δt = 10K anwendbar.)

Bild 1.3.5-23. Wärmeübergangskoeffizienten an beheizten waagerechten Rohren (da = 10...50 mm) in Wasserbehältern (t∞ = 10...80 °C) bei freier Strömung (Warmwasserbereiter) in Abhängigkeit von der Übertemperatur Δt = (tW – t∞).

1.3.5-2.5

Überlagerung freier und erzwungener Konvektion

In praktischen Fällen – z. B. bei Fußboden- oder Deckenheizungen sowie bei Deckenkühlung – ist der freien Auftriebsströmung die Raumströmung überlagert. Es gilt näherungsweise: Nu =

3

3

3

Nu frei + Nu erzwungen

bzw.

αK =

3

3

3

α K, frei + α K, erzwungen .

1.3.5 Wärmeübertragung

1.3.5-2.6

187

Verdampfung von Wasser in Behältern und Kesseln

Vor Beginn der Blasenbildung stellt sich der Wärmeübergang nach den Gesetzen der freien Konvektion ein (vgl. Abschnitt 1.3.5-2.3 und 1.3.5-2.4). Bei p = 1 bar beginnt ab einer Heizflächenbelastung von q· ≈ 15 kW/m2 die Blasenbildung (Bild 1.3.5-24).

1

Bild 1.3.5-24. Wärmeübergangskoeffizient an Heizflächen beim Sieden in Abhängigkeit von der Heizflächenübertemperatur Δt für Wasser bei 1 bar.

Es gilt für den Wärmeübergangskoeffizienten (Verdampfung) – 0 ,035 0 ,771p q· in W/(m2K) αV = 2195 p0,29  -------------- 20000 und den Temperaturunterschied zwischen Heizfläche und Wasser Δt = q· /αV in K. p bar Druck (1 … 20 bar) W/m2 Heizflächenbelastung (104 … 106 W/m2) q· Darstellung im Bild 1.3.5-25

Bild 1.3.5-25. Wärmeübergangskoeffizient bei Verdampfung von Wasser in Abhängigkeit von Heizflächenbelastung und Siededruck mit Angabe der Heizflächenübertemperatur Δt.

Bei Belastung über etwa 1000 kW/m2 zunächst Instabilität und anschließend zusammenhängende Dampfschicht über der Heizfläche (Filmverdampfung), dabei starkes Abfallen des Wärmeübergangskoeffizienten auf αV ≈ 1000 W/(m2K) (bei 1 bar).

188

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Der Wärmeübergang beim Blasensieden hängt außer von q· und p auch vom Material der Heizwand ab. Beispiel Wie groß ist der Wärmeübergangskoeffizient bei einer Belastung von q· = 100 kW/m2 und p = 2 bar? 100000 0 ,771 ⋅ 2 αV = 2195 · 20,29  ----------------- 20000

– 0 ,035

100000 = 9010 W/(m2K); Δt = ----------------- = 11 K. 9010

Gleiches Ergebnis folgt aus Bild 1.3.5-25.

1.3.5-2.7

Kondensation von Wasserdampf1)

Kondensiert ruhender Sattdampf an einer senkrechten Kühlfläche mit konstanter Wandtemperatur, so läuft in der Regel ein geschlossener Wasserfilm zunächst laminar (teils mit Wellen) und mit wachsender Filmdicke turbulent ab: Idealfall, laminar ohne Wellen (Nußelttheorie) αKon,IF = (7388,9 + 57,077 tF–151,35 · 10–3 tF2–29,76 · 10–6 tF3) [(tS–tW) H]–0,25 in W/(m2K) Realfall, laminar mit Wellen αKon,lam = 1,15 αKon,IF Realfall, turbulent αKon,turb = (19,93 + 1,0953 tF + 8,476 · 10–4 tF2–3,273 · 10–6 tF3) [(tS–tW) H]0,618 in W/(m2K) tS °C Sättigungstemperatur des Dampfes tW °C Wandtemperatur tF °C mittlere Fluidtemperatur tF = (tS + tW)/2 H m Höhe der Kühlfläche. Berechnung von αKon an Kühlflächen mit veränderlicher Wandtemperatur nur mit Rechenprogramm2) möglich. Mittelwert des Wärmeübergangskoeffizienten über die Höhe H: αKon = (α4Kon,lam + α4Kon,turb)0,25 Auswertung in Bild 1.3.5-26. Kondensation an waagerechten Rohren αKon,waag = 0,75 αKon für H ist da einzusetzen Bündel mit n übereinanderliegenden Rohren αKon,Bündel = αKon,waag n–0,08. Die Kondensation von Dämpfen mit Inertgasanteil führt zu einer starken Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten (Wärmeübertrager sorgfältig entlüften!). Tropfenkondensation (kein geschlossener Kondensatfilm) liefert bis αKon = 120000 W/ (m2K). Die Kondensation von Heißdampf (überhitzter Dampf) ergibt etwas höhere Wärmeübergangskoeffizienten als bei Sattdampfkondensation infolge der höheren Enthalpiedifferenz h–h´ > h´´–h´ = ΔhV ≡ r. Ist die Wandtemperatur höher als die Sättigungstemperatur (tW > tS), dann verhält sich der Heißdampf wie ein Gas (Berechnung gemäß Abschnitt 1.3.5-2.1 oder 1.3.5-2.2). Die Wärmeübergangskoeffizienten sind dann bedeutend kleiner als bei Kondensation.

1)

2)

Glück, B.: Wärmeübertragung – Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren. 2. Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1990. VDI-Wärmeatlas. 7. Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf 1994. VDI-Wärmeatlas. 9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin. Glück, B.: Wärmeübertragung – Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren. 2. Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1990. VDI-Wärmeatlas. 7. Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf 1994.

1.3.5 Wärmeübertragung

189

1

Bild 1.3.5-26. Wärmeübergangskoeffizienten von kondensierendem Sattdampf an senkrechten Wänden und Rohren konstanter Temperatur in Abhängigkeit der mittleren Filmtemperatur tF und des Parameters H Δt; t F = 0,5 (t W + t S); H freie Ablaufhöhe; Δt = t S – t W.

1.3.5-2.8

Verdunstung und Stoffübergang von Wasser

Für die durch Verdunstung von einer ruhenden Wasserfläche an die Luft übertragene · gilt mit genügender Genauigkeit (Merkel 1925): Wassermenge m W · = σ A (x –x) in kg/h m W S Verdunstungskoeffizient σ nach Analogie zwischen Wärme- und Stoffübertragung: αK - (Gesetz von Lewis); σ = 25 + 19 w in kg/(m2h) σ ≈ -------cp , L

· kg/h verdunstete Wassermasse m W Wasseroberfläche A m2 x kg/kg Feuchtegehalt der Luft xs kg/kg Feuchtegehalt der gesättigten Luft bei t0 w m/s Luftgeschwindigkeit Temperatur der Wasseroberfläche t0 °C tf °C Feuchtkugeltemperatur der Luft αK W/(m2K) konvektiver Wärmeübergangskoeffizient cp,L J/(kgK) spezifische Wärmekapazität der Luft. Die Näherung σ = αK/cp,L gilt im Bereich ungesättigter Luft. In Sättigungsnähe treten Abweichungen auf.1) Die Temperatur der Wasseroberfläche t0 ist geringer als im Wasserinnern ti. Bereits in einer nur 1 mm dicken Schicht unterhalb der Wasseroberfläche kann ein Temperaturgefälle von mehreren K auftreten. Nach Häussler ist etwa 1 t0 = ti – ---- (ti – tf) in °C. 8

Enthalpieänderung der Luft siehe Abschnitt 1.3.4-7.4.

1)

Reschke, G.; Stach, H.: Luft- und Kältetechnik (1987), Nr. 4, S. 216ff.; (1988), Nr. 2, S. 100ff.

190

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.5-3

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung (Temperatur- bzw. Infrarotstrahlung) wird von festen Körpern, Flüssigkeiten und auch von einigen Gasen emittiert und absorbiert. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 0,8 … 800 μm (Licht: 0,4 … 0,8 μm). Die Strahlungsintensität (Wärmestromdichte je Wellenlängeneinheit) steigt mit der Temperatur und durchläuft in Abhängigkeit der Wellenlänge ein Maximum (Planck’sches Strahlungsgesetz; Bild 1.3.5-27). Die Maxima verschieben sich mit zunehmenden Temperaturen zu kleineren Wellenlängen (Wien’sches Verschiebungsgesetz). Die auf einen Körper auftreffende Strahlung kann absorbiert (Absorptionsgrad a), reflektiert (Reflexionsgrad r) oder durchgelassen (Durchlassgrad d) werden (Bild 1.3.5-28). Die Anteile sind vom Stoff, der Oberflächenbeschaffenheit, der Schichtdicke und der Wellenlänge abhängig.

Bild 1.3.5-27. Strahlungsintensität des schwarzen Körpers

Bild 1.3.5-28. Mögliche Aufteilung auftreffender Strahlung (rauhe Oberfläche bewirkt diffuse Strahlung)

1.3.5-3.1

Stefan-Boltzmann’sches Gesetz, Emissionsgrad

Die Gesamtstrahlungsenergie (Emission) einer schwarzen Oberfläche beträgt · ES = σ T4 A in W bzw. auf die Fläche bezogen E· · e S = ----S- = σ T4 in W/m2. A

·

ES T A e· S

W K m2 W/m2

Gesamtstrahlungsenergie absolute Temperatur Emissionsfläche Gesamtstrahlungsenergie je Flächeneinheit

1.3.5 Wärmeübertragung

191

Strahlungskonstante: σ = 5,67 · 10–8 W/(m2K4). Reale Strahler emittieren weniger Energie. Für den grauen Strahler gilt mit dem Emissionsgrad ε < 1 (s. Tafel 1.3.5-12): · E = ε σ T4 A in W bzw. e· = ε σ T4 in W/m2. Farben nehmen nur wenig Einfluss auf den Emissionsgrad. Aluminiumbronze und blanke Metalle haben sehr geringe Werte. Glas ist für die kurzwellige Lichtstrahlung durchlässig (Größe von Glasart abhängig), jedoch nicht für die langwellige Wärmestrahlung. Tafel 1.3.5-12 Emissionsgrade ε verschiedener Stoffe Temperatur °C

ε

Temperatur °C

ε

Aluminium, walzblank poliert

170 100

0,049 0,12

Papier

0 93

0,92 0,94

Chrom, poliert

150

0,071

Beton, rauh

0 bis 93

0,94

Kupfer,

20 130

0,038 0,73

Ziegelstein, rot

0 bis 93

0,93

Gips

20

0,82

Eisen und Stahl, hochglanzpoliert

177

0,066

Glas

20

0,87

Eisenblech, rot angerostet Stark verrostet

20 19

0,62 0,67

Holz,Eiche Buche

0 bis 93 70

0,90 0,91

Stahlblech, dicke, rauhe Oxidschicht

24

0,78

Ton, gebrannt

70

0,86

0

0,92

93

0,94

93

0,97

93

0,92

93

0,95

Heizkörperanstrich

100

0,93

Aluminiumbronze

100

0,3

Stoff

Metalle

Stoff

Nichtmetalle

poliert oxidiert

Gusseisen

1300

0,29

Wasser, Eis, Reif

Nickel, poliert

100

0,053

Anstriche Ölfarbe, weiß rot schwarz grün

1.3.5-3.2

Kirchhoff’sches Gesetz, Absorptionsgrad

Der Emissionsgrad ε eines Strahlers ist identisch mit seinem Absorptionsgrad a bei gleicher Temperatur. Diese Aussage gilt für den schwarzen und grauen Strahler gleichermaßen. Hinweis: Bei solarer Strahlung (Infrarotanteil nur ca. 44 %) ist der Absorptionsgrad a aus Angaben für die Albedo ermittelbar. Er ist stark von der Oberflächenstruktur und der Farbe abhängig: Weißlack a ≈ 0,2; Dachpappe a > 0,9; Beton a ≈ 0,6; Neuschnee a ≈ 0,1; Gras a ≈ 0,9.

1

192

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.5-3.3

Lambert’sches Kosinusgesetz ·

Der Energiestrom in Normalenrichtung E n (senkrecht zur Emissionsfläche A) beträgt E· · E n = ---- , π im Winkel β zur Normalen gilt · · E β = E n cosβ. Dadurch erscheint eine strahlende Kugel als Kreisscheibe mit gleicher Helligkeit.

1.3.5-3.4 1.3.5-3.4.1

Strahlungsaustausch Körper mit Umhüllung

Der Wärmestrom, der von Körper 1 an seine Umhüllung 2 (Bild 1.3.5-29) übertragen wird, beträgt

·

Q 1 = C1,2(T14–T24) A1 in W Q· q· 1 = -----1- = C1,2 (T14–T24) in W/m2 A1 –8

5 ,67 ⋅ 10 C1,2 = --------------------------------------- W/(m2K4) A1 1 1 -------- + -  ---- – 1 ε1 A2  ε2 

·

Q q· A T C1,2

ε

W Wärmestrom W/m2 Wärmestromdichte 2 Fläche m K absolute Temperatur 2 4 W/(m K )Strahlungskoeffizient Emissionsgrad.

Bild 1.3.5-29. Innen- und Mantelrohr (unendlich lang)

Sonderfälle A1 ≈ A2 (z. B. geringer Abstand zwischen Innenrohr und Mantelrohr) –8

5 ,67 ⋅ 10 C1,2 = ------------------------- W/(m2K4) 1 1 ---- + ---- – 1 ε1 ε2

A1 0,1 mm

100000

Kalksandstein

1000…1400 1600…2200

5…10 15…25

Aluminiumfolie > 0,05 mm

∞

Gasbetonsteine

500…800

5…10

AußenwandVerkleidung aus Glas oder Keramik

2000

μ

100…300

1.3.5 Wärmeübertragung

213

Tafel 1.3.5-16 Diffusionswiderstandskoeffizienten μ für verschiedene Stoffe λ ist das Verhältnis der Wasserdampfdiffusion eines Stoffes zu derjenigen in Luft. Für Luft ist μ = 1. (Für Nachweisrechnungen sind anzuwenden: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte nach DIN V 4108-4:2002-02 und DIN EN 12524:2000-07) (Forts.) Rohdichte kg/m3

μ

Stoff

Rohdichte kg/m3

μ

LeichtbetonK-Steine

500…1400

5…10

Wärmedämmputz

600

5…20

LeichtbetonVollsteine

500…1400 1600…2000

5…10 10…15

Leim-, Mineral- oder Kalkfarbanstriche (0,1 mm)

180…215

Holzwolle – Leichtbauplatten

360…480

2…5

KunststoffDispersionsanstrich

380

PUR- Schaum

≥ 37

30…100

LatexAnstrich

1500

UF-Ortschaum

≥ 10

1…3

Heißbitumenanstrich (doppelt, 0,6 mm)

5000… 150000

Korkdämmstoff

80…500

5…10

PVC-Beläge, Gummi, Linoleum (1,0…5,0 mm)

∞

Stoff

Der Durchlasswiderstand für die Wand berechnet sich nach Gl. (**) mit den Mittelwerten aus Tafel 1.3.5-16 (Putz λ = 20; Mauerwerk λ = 8; Dämmputz λ = 10) zu: 1/Δ = 1,5 · 106 (20 · 0,02 + 8 · 0,36 + 10 · 0,04) m2h Pa/kg = 5,52 · 106 m2h Pa/kg. Die Diffusionsstromdichte nach Gl. (*) beträgt: 1169 – 207 i = -------------------------- kg/(m2h) = 1,74 · 10–4 kg/(m2h) = 0,174 g/(m2h). 5520000

Der Temperaturverlauf in der Wand berechnet sich nach Abschnitt 1.3.5-5.2 in nachfolgenden Schritten. – Wärmedurchgangskoeffizient mit den Wärmeübergangswiderständen 1/αi = 0,13 m2K/W und 1/αa = 0,04 m2K/W sowie mit den Wärmeleitfähigkeiten (z. B. Tafel 1.3.5-3) für Innenputz 0,87 W/(m K), Mauerwerk 0,68 W/(m K) und Dämmputz 0,2 W/(m K) 1 1 - = ------------------------------------------------------------------------------ W/(m2K) k = ----------------------------------------n 0 ,02 0 ,36 0 ,04 sk 1 1 0 , 13 + --------+ --------+ --------+ 0 , 04 ----- +  ----- + -----0 ,87 0 ,68 0 ,20 αi λk αa k=1

= 1,08 W/(m2K)

1

214

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

– Wärmestromdichte q· = k (ti – ta) = 1,08 · (20–(–10)) W/m2 = 32,4 W/m2 – Wandtemperatur innen (vgl. Abschnitt 1.3.5-5.2 und Bild 1.3.5-41) 1 t1 = ti – q· ----- = 20 °C – 32,4 · 0,13 K = 15,8 °C αi

– Wandtemperatur außen (vgl. Abschnitt 1.3.5-5.2 und Bild 1.3.5-41) 1 t4 = ta + q· ------ = –10 °C + 32,4 · 0,04 K = – 8,7 °C αa

– Schichtgrenztemperaturen (vgl. Abschnitt 1.3.5-1.1 und Bild 1.3.5-2) zwischen Innenputz und Mauerwerk s 0 ,02 t2 = t1 + q· ----1- = 15,8 °C – 32,4 · ---------- K = 15,1 °C λ1 0 ,87 zwischen Mauerwerk und Außenputz s 0 ,36 t3 = t2 + q· ----2- = 15,1 °C – 32,4 · ---------- K = – 2,1 °C λ2 0 ,68 Zu den einzelnen Wandtemperaturen ergeben sich nach Abschnitt 1.3.4-3 die Sättigungsdrücke: t1 = 15,8 °C  pS,1 = 1794 Pa t2 = 15,1 °C  pS,2 = 1715 Pa t3 = –2,1 °C  pS,3 = 513 Pa t4 = –8,7 °C  pS,4 = 291 Pa. Die Temperaturen und die Sättigungsdrücke – ergänzt um weitere Werte innerhalb des Mauerwerks – sind im Bild 1.3.5-48 zur Abszisse sd = Σ μs dargestellt. Außerdem ist der Partialdruckverlauf des Wasserdampfes im Bauteil eingetragen. Das Beispiel zeigt, dass keine Kondensation im Bauteil auftritt, da pS > p an jeder Stelle gilt. Um Kondensation im Baukörper zu vermeiden, ist stets die Bauregel Wärmedämmung außen, Dampfsperre innen einzuhalten. Hätte im Bild 1.3.5-48 die Gerade von pi nach pa die Sättigungskurve geschnitten, so zeigte dies Kondensation an. Zur rechnerischen Ermittlung sind dann anstelle der Geraden pi pa die Tangenten von pi und pa ausgehend an die Sättigungskurve zu legen, da pS nicht überschritten werden kann (Bild 1.3.5-49). Wasserdampfströme in und aus dem Bauteil: p i – p SW p SW – p a - ; i a = -------------------. ii = ------------------1 ⁄ Δi 1 ⁄ Δa Die Differenz, summiert über die gesamte Tauperiode, gibt die Tauwassermenge im Bauteil während des Winterbereiches an. Im Weiteren ist zu prüfen, ob diese Tauwassermenge im Sommer durch Verdunstung wieder ausgeschieden wird. Die Berechnung erfolgt an Hand der meteorologischen Daten (Tauwasserperiode, Verdunstungsperiode). Trocknet das Bauteil im Sommer wieder völlig aus, so treten in der Regel keine bleibenden Schäden auf (Bewertung nach DIN EN ISO 13788). Das Glaser-Dampfdiffusions-Modell vernachlässigt die kapillare Saugfähigkeit und die Hygroskopizität der Baustoffe. Zur Behebung dieser Nachteile gibt es umfangreiche Ergänzungen, Normungsvorschläge und Simulationsprogramme.1)2)3)

1) 2) 3)

Häupl, P.; Fechner, H.; Petzold, H.: Ges-Ing. (2001), Nr. 6, S. 285ff. Häupl, P.; Plagge, R.; Fechner, H.: Ges-Ing. (2001), Nr. 6, S. 305ff. Funk, M.; Grunewald, J.: Ges-Ing. (2001), Nr. 6, S. 297ff.

1.3.5 Wärmeübertragung

215

1

Bild 1.3.5-48. Diffusionsdiagramm (Glaserdiagramm) einer Ziegelwand mit innerem Kalkputz und äußerem Wärmedämmputz (Temperaturen und Wasserdampfpartialdrücke gemäß Beispiel).

Bild 1.3.5-49. Wasserdampfdiffusion mit Tauwasserausfall im BauteilDie Neigungen der Tangenten sind maßgebend für den Diffusionsstrom in das Bauteil und aus dem Bauteil.

Wasserdampfabsorption Bei Verdampfen von Wasser in Räumen, z. B. Kochküchen, Waschräumen u. a., steigt die Luftfeuchte umso langsamer, je größer die Wasserdampf-Absorptionsfähigkeit der Raumumfassungen ist. Kapillare Oberflächen, z. B. Kalkzementputz, sind stark absorptionsfähig; dichte Oberflächen, z. B. Ölfarbanstrich, absorbieren praktisch nicht (Bild 1.3.5-50).

Bild 1.3.5-50. Zeitabhängige Feuchteaufnahme von Putzen aus der Raumluft bei plötzlicher Feuchtesteigerung von 40 auf 80%

Kapillare Wasseraufnahme von Baustoffen bei unmittelbarem Kontakt mit flüssigem Wasser nach.1)

1)

Schwarz, B.: Ges.-Ing. (1972), Nr. 7, S. 206ff.

216

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

KÖPFE recknagel-online.de

1.3.6

Wärmespeicherung1)

1.3.6-1

Einführung

Wärmespeicher werden eingesetzt um zeitliche und leistungsbezogene Differenzen zwischen Wärmeangebot und Wärmenachfrage auszugleichen. Dem entsprechend werden Wärmespeicher bezüglich der zeitlichen Speicherdauer als Kurzzeitspeicher oder Langzeitspeicher, oft auch als saisonale Wärmespeicher bezeichnet. Ebenso ist eine Klassifizierung bezüglich des Einsatztemperaturbereichs als Kältespeicher, Wärmespeicher, oder Hochtemperaturspeicher verbreitet. Bezüglich der Effekte bei der Wärmespeicherung ist es gebräuchlich zu unterscheiden zwischen der Wärmespeicherung als sensible Wärme, als latente Wärme oder als thermochemische Wärme (Reaktionswärme).

Bild 1.3.6-1. Unterschiedliche Arten der Wärmespeicherung

Während die Speicherung als sensible Wärme allgegenwärtig ist und die Speicherung als latente Wärme zunehmend eingesetzt wird, ist die Speicherung als Sorptionswärme noch kaum verbreitet und die Speicherung mittels chemischer Reaktion (Reaktionswärme) noch in den Grundlagen.

1.3.6-1.1

Wärmespeicherung als sensible Wärme

Bei der Wärmespeicherung als sensible Wärme wird einer Menge eines Stoffes Wärme zu- bzw. abgeführt, wodurch eine Temperaturänderung erfolgt; daher die Bezeichnung als „sensible“ Wärme. Ein bekanntes Beispiel ist die Erwärmung von Wasser in einem Warmwasserspeicher. Q = c · m · ΔT Q = Wärmemenge, kJ c = spezifische Wärmekapazität, kJ/kgK m = Speichermaterialmasse, kg ΔT = Temperaturdifferenz, K

1)

Bearbeitet für die 77. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Bernd Boiting, Fachhochschule Münster, Fachbereich 4 Energie, Gebäude Umwelt, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann, Division Thermal Systems and Buildings, Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme ISE, Dr. Harald Mehling, ZAE Bayern, Dipl.-Phys., M. A., Berater für Thermische Analyse und PCM-Technologie, und Dr.-Ing. Peter Schossig, Head of Department thermally active materials and solar cooling, Division Thermal Systems and Buildings, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

1.3.6 Wärmespeicherung

217

In Wärmeanwendungen bis 100 °C wird häufig Wasser als Speichermedium eingesetzt, da es eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweist, kostengünstig ist und technisch einfach zu nutzen ist.

1.3.6-1.2

Wärmespeicherung als latente Wärme

Bei der Wärmespeicherung als latente Wärme wird einer Menge eines Stoffes Wärme zubzw. abgeführt, wobei keine Temperaturänderung des Speichers erfolgt (isotherm); daher die Bezeichnung „latente“ Wärmespeicherung. Technisch wird dies durch die Nutzung eines Phasenwechsels realisiert, im Allgemeinen fest-flüssig. Entsprechende Materialien bezeichnet man als Phasenwechselmaterialien, im Englischen: Phase Change Materials, kurz PCM. Bekanntes Beispiel ist das Gefrieren und Schmelzen von Wasser/ Eis bei 0 °C, welches häufig in Kältespeichern genutzt wird. Das Speichermaterial erwärmt sich erst dann weiter, wenn der Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist. In Anwendungen wird meistens eine Kombination aus Speicherung von sensibler und latenter Wärme genutzt.

Bild 1.3.6-2. Sensible und latente Wärmeaufnahme. Quelle: H. Mehling, Heat and cold storage with PCM

Die latente Wärmemenge entspricht der Enthalpieänderung zwischen den Phasen: Q = m · Δh Q = Wärmemenge, kJ m = Speichermaterialmasse Δh = Schmelzenthalpie, kJ/kg In einem weiten Temperaturbereich stehen unterschiedliche Materialklassen zur Verfügung. Im Temperaturbereich bis ca. 100 °C werden hauptsächlich Paraffine oder Salzhydrate eingesetzt.

1.3.6-1.3

Thermochemische Speicherung

Unter dem Begriff der thermochemischen Speicherung wird die Speicherung mittels Sorptionsprozessen und chemischen Reaktionen zusammengefasst. Bei der Wärmespeicherung als Sorptionswärme wird eine Menge eines gasförmigen Stoffes in einer Flüssigkeit oder an der Oberfläche eines Festkörpers aufgenommen bzw. abgegeben. Bekannte Beispiele sind die Aufnahme/Abgabe von Wasser in Salzlösungen und an der inneren Oberfläche von Zeolith. Bei der Wärmespeicherung mittels chemischer Reaktion (Reaktionswärme) wird die mit einer chemischen Reaktion verbundene Reaktionswärme zur Wärmespeicherung eingesetzt.

1

218

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.6-3. Materialklassen unterschiedlicher PCM (Quelle: ZAE Bayern).

Bild 1.3.6-4. Thermochemische Speicherung (Quelle: ISE, Dr.-Ing. Peter Schossing).

Beiden Fällen ist gemein, dass das Speichern der Wärme durch Trennung zweier Substanzen erfolgt, damit ist durch getrenntes Speichern der Materialen eine nahezu verlustfreie Speicherung über lange Zeit möglich. Diese Art von Speichern erzeugt Verluste nur bei den Belade- und Entladevorgängen, diese sind aber von der Speicherdauer unabhängig, damit sind sie vor allem für Langzeitspeicher interessant. Auch ermöglichen verschiedene Stoffpaare sehr hohe Speicherdichten im Vergleich zu sensiblen Speichern, allerdings ist der apparative Aufwand groß

1.3.6-2

PCM-Materialien

PCM Materialien werden in vielfältigen Anwendungen u. a. Transportanwendungen, Medizintechnik, Sicherungstechnik oder Gebäudetechnik eingesetzt. Das RAL-GZ 896 definiert Qualitätskriterien und Messvorschriften zur Bestimmung charakteristischer Eigenschaften von Latentwärmespeichermaterialien. Deren Anwendung in Gebäuden wird in der VDI 2164 (PCM-Energiespeichersysteme in der Gebäudetechnik) beschrieben.

1.3.6 Wärmespeicherung

219

In der VDI 2164 (PCM-Energiespeichersysteme in der Gebäudetechnik) werden neben Grundbegriffen und Definitionen für typische Anwendungsfälle in der TGA, Systemauslegung und Bestimmung von Leistungsparametern beschrieben.

1 Bild 1.3.6-5. Speicherdichten unterschiedlicher Stoffe sensibel/latent (Quelle: H. Mehling).

1.3.6-2.1

PCM-Verarbeitungs-, bzw. Einatzformen in der TGA

Grundsätzlich wird beim Einsatz von PCM neben seiner chemischen Zusammensetzung nach seiner Verarbeitungs-, bzw. Erscheinungsform unterschieden. PCM kann meist nicht in reiner Form in der TGA eingesetzt werden sondern muss verkapselt, verpackt oder in komplexe Systeme integriert werden. Daher werden nach VDI 2164 und RALGZ 896 neben dem reinen PCM die folgenden Einsatzarten unterschieden. PCM-V PCM-Verbundmaterialien, kurz PCM-V, sind Materialverbunde die einen nennenswerten PCM-Bestandteil enthalten. Durch die Kombination des PCM mit anderen Materialien werden an die Anwendung angepasste Eigenschaften erreicht. PCM-O PCM-Objekte, kurz PCM-O, bestehen im Allgemeinen aus einem oder mehreren Materialien einschließlich PCM und besitzen eine definierte Form, Oberfläche oder Größe. Sie können in der Technischen Gebäudeausrüstung z. B. als Speicherplatten direkt eingesetzt werden. PCM-S PCM-Systeme, kurz PCM-S, basieren auf Baustoffen, Geräten oder Anlagen. Sie umfassen PCM, PCM-V oder PCM-O als Ergänzung zu oder in Kombination mit z. B. TGAKomponenten (wie Pumpen, Ventilatoren) und werden in einer oder mehreren wesentlichen Funktionen durch diese beeinflusst.

1.3.6-2.2 1.3.6-2.2.1

Begriffe und Definitionen nach VDI 2164, bzw. RAL-GZ 896 Latentwärmespeichermaterialien/Phasenwechselmaterialien (PCM)

Latentwärmespeichermaterialien, auch als Phasenwechselmaterialien, oder nach ihrer englischen Bezeichnung als Phase Change Material (PCM) bezeichnet, sind Materialien, die ihren Aggregatszustand zwischen fest ↔ flüssig oder fest ↔ fest in einem definierten Temperaturbereich verändern (Phasenübergang), wobei der Vorgang wärmetechnisch nutzbar ist. Er ist zudem wiederholbar (reproduzierbar), weitgehend vom Druck unabhängig, und vollzieht sich ohne große Volumenänderung. 1.3.6-2.2.2

Schmelztemperatur/Kristallisationstemperatur, Phasenübergangstemperatur/Phasenübergangstemperaturbereich

Der Phasenübergang fest/flüssig, d. h. Schmelzen und Kristallisieren, geschieht im idealen Fall bei einer definierten Schmelz- bzw. Kristallisationstemperatur (allgemein Phasenübergangstemperatur); andernfalls spricht man von einem Schmelztemperatur- und Kristallisationstemperaturbereich (allgemein Phasenübergangstemperaturbereich). Beginnt die Kristallisation erst bei einer Temperatur die niedriger ist als beim Beginn des Schmelzens, so spricht man von Unterkühlung. Die Temperatur, bei der die Kristallisation ausgelöst wird, wird als Nukleationstemperatur bezeichnet. Eine Möglichkeit Unterkühlung zu reduzieren ist die Zugabe von kristallisationsauslösenden Stoffen, genannt

220

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Keimbildner. Eine Abweichung zwischen Schmelz- und Kristallisationsverhalten wird als Hysterese bezeichnet.

Bild 1.3.6-6. Beispiel für die messtechnische Bestimmung der speicherbaren Energie (schmelzen und kristallisieren) in einem PCM nach RAL GZ 896. Angegeben ist jeweils der Gesamtenergieinhalt in 1-K Temperaturschritten bestehend aus sensibler und latenter Wärme (Quelle: VDI 2164).

1.3.6-2.2.3

Phasenübergangswärme/Schmelzenthalpie/latente Wärme

Die mit einem Phasenübergang verbundene Wärme bezeichnet man als Phasenübergangswärme, beim Phasenübergang fest-flüssig speziell als Schmelzwärme (bei konstantem Druck Schmelzenthalpie). Die Temperatur bleibt beim Phasenübergang fest-flüssig (annähernd) konstant, und wird daher als latente Wärme bezeichnet. 1.3.6-2.2.4

Zyklen/Zyklenstabilität/Reproduzierbarkeit des Phasenübergangs

Latentwärmespeichermaterialien müssen je nach Anwendung eine vorgegebene Anzahl von Schmelz- und Kristallisationsvorgängen, genannt Zyklen, unbeschadet überstehen. Die Zyklenstabilität bezeichnet die minimale Anzahl von Zyklen, für die die Eigenschaften gewährleistet werden. Die Zyklenstabilität kann z. B. nach RAL-GZ 896 geprüft und angegeben werden. 1.3.6-2.2.5

Passive und aktive Systeme (mit/ohne Hilfsenergie)

Latentwärmespeichersysteme werden in aktive und passive Latentwärmespeichersysteme unterschieden. Latentwärmespeichersystem, passiv: besitzt keine Regeleinrichtungen und technische Hilfseinrichtungen die den Wärmeübergang in oder aus dem Latentwärmespeicher heraus beeinflussen können. Die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe (Leistung und Temperaturbereich) des Speichers ergibt sich

1.3.7 Brennstoffe

221

automatisch aus dem Schmelzbereich des verwendeten PCMs, der Konstruktion, sowie den sich von außen beeinflusst einstellenden Temperaturdifferenzen. Latentwärmespeichersystem, aktiv: besitzt zusätzliche Regeleinrichtungen und gegebenenfalls technische Hilfseinrichtungen um den Wärmeübergang des Latentwärmespeichers an die Umgebungen oder angeschlossene Systeme definiert kontrollieren zu können. Eine zeitliche Steuerung der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe, oder eine aktive Beeinflussung der aufgenommenen, oder abgegebenen Wärmeleistung sind so möglich. 1.3.6-2.2.6

Einsatztemperaturbereich

Der Einsatztemperaturbereich ist der Temperaturbereich, in dem eine Anwendung typischerweise betrieben wird. Der Einsatztemperaturbereich sollte möglichst den gesamten Phasenübergangstemperaturbereich abdecken. 1.3.6-2.2.7

Stillstandsverlust

Thermische Speicher tauschen permanent über die Oberfläche und die angeschlossenen Systeme Wärme mit der Umgebung aus. Findet weder eine aktive Be- noch Entladung des Speichers statt, werden die auftretenden Verluste als Stillstandverluste bezeichnet. 1.3.6-2.2.8

Be- und Entladeleistung/-zeit

Die Be- und Entladeleistung eines Speichers entspricht der Energie die in einem definierten Zeitintervall vom Speicher aufgenommen oder abgegeben wird. Die notwendige Zeit für eine vollständige Be- oder Entladung wird als Be- oder Entladungszeit bezeichnet. 1.3.6-2.2.9

Unterkühlung

Wird die Wärme erst bei niedrigeren Temperaturen wieder freigesetzt, als sie eingespeichert wurde, spricht man von Unterkühlung. Die meisten Anwendungen erfordern eine möglichst geringe Unterkühlung, wohingegen, z. B. Taschenwärmer den Effekt der Unterkühlung gezielt ausnutzen.

1.3.7

Brennstoffe

1.3.7-1

Feste Brennstoffe

Hauptbestandteile aller festen Brennstoffe sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, geringe Mengen an Schwefel und Stickstoff sowie Wasser und Asche. Der Gehalt an Kohlenstoff nimmt mit dem geologischen Alter der Brennstoffe zu, der Gehalt an Sauerstoff ab. Den größten Gehalt an Kohlenstoff hat Anthrazit (Bild 1.3.7-1). Asche nennt man die beigemengten, nichtbrennbaren mineralischen Bestandteile wie Steine, Tone, Schiefer usw. Hauptbestandteile der Asche sind Kieselsäure SiO2, Aluminiumoxyd Al2O3, Calziumoxyd CaO und Eisenoxyd Fe2O3. Schwefel ist teils als organische Verbindung, teils als Mineral (Sulfite und Sulfate) in der Kohle vorhanden, etwa 0,5…1,5 %. Flüchtige Bestandteile sind diejenigen gasförmigen Produkte (Dämpfe, Teere, Gase), die bei der Erhitzung unter Luftabschluss (Verkokung) entweichen. Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen nimmt mit dem geologischen Alter der Brennstoffe ab (Bild 1.3.7-1). Wassergehalt: Beim Wassergehalt unterscheidet man die grobe, mechanisch beigemengte oder anhaftende Feuchtigkeit und die hygroskopische Feuchtigkeit, die auch am lufttrockenen Brennstoff immer vorhanden ist und nur durch Erwärmung über 100° entfernt werden kann. Bei allen Analysen sind folgende Bezugsmöglichkeiten zu beachten: Rohsubstanzroh wasserfreie Substanzwf wasser- und aschefreie Substanzwaf Man unterscheidet nach der Art der Gewinnung: Natürliche Brennstoffe: Steinkohle, Braunkohle, Torf, Holz, Stroh. Entstehung von Kohle und Torf durch Umbildung und Zersetzung von untergegangenen Pflanzen älterer Erdperioden bei hohem Druck unter Abschluss von der Luft.

1

222

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.7-1. Zusammensetzung fester Brennstoffe, bezogen auf Reinkohle (asche- und wasserfrei).

Steinkohlen sind die geologisch ältesten natürlichen Brennstoffe. Sie werden praktischauf der ganzen Erde in verschiedenen Tiefen gefunden, in Deutschland hauptsächlich im Ruhr-, Aachener und Saargebiet. Die verschiedenen Sorten unterscheiden sich hauptsächlich durch ihren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Man unterscheidet gasreiche Kohlen mit Gasgehalten > 30 % und gasarme Kohlen mit Gasgehalten < 30 %. Gasreiche Kohlen entzünden sich leichter und verbrennen schneller als gasarme Kohlen. Aufbereitung: Nach der Art der Aufbereitung unterscheidet man folgende Kohlensorten: Förderkohlen, nicht aufbereitet, enthält alle Größen einschl. Staub; Stückkohlen, nur große Stücke über 80 mm; Nußkohlen I bis V, in verschiedenen Größen von 6…80 mm; Feinkohlen, in Korngrößen von 0…10 mm; Staubkohlen, in Korngrößen von 0…3 mm. Die Bezeichnungen bezüglich der Größe sind jedoch in den einzelnen Fördergebieten nicht einheitlich. Gewichte, Zusammensetzung und Heizwert s. Tafel 1.3.7-1. Im „Internationalen Klassifikations-System“ nach DIN 23003:1976-04, zurückgezogen 04.90) wurde jede Kohlenart durch eine dreiziffrige Code-Nummer gekennzeichnet. Die erste Ziffer bezieht sich auf den Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, die zweite auf das Backvermögen, die dritte auf das Kokungsvermögen. Beispiel: Steinkohlenart 712 bedeutet Klasse 7mehr als 33 % flüchtige Bestandteile, Gruppe 1Blähgrad von 1 bis 2, Untergruppe 2schwach kokend. Braunkohlen sind wesentlich jünger als Steinkohlen, zum Teil noch mit holzartigen Einschlüssen. Wassergehalt 45…60 %. Gewinnung meist im Tagebau, in Deutschland hauptsächlich im Rheinland und in Sachsen. Einsatz der Braunkohlen in erster Linie in Großfeuerungsanlagen, mit abnehmender Bedeutung als Briketts. Torf ist durch Zersetzung von Pflanzen unter Wasser entstanden. Stark wasserhaltig. Gewinnung durch „Stechen“ in Sumpfgebieten. Für Heizzwecke Trocknung erforderlich. Holz als Brennstoff fällt vornehmlich bei der Forstbewirtschaftung und bei Sägewerken an, ferner in der Holzverarbeitung und Holzwerkstoffherstellung. Verwendung in Form von Scheitholz, Häckselgut, Sägemehl, Presslingen u. a.

42

Holz, lufttrocken*)

5

4

3 5

4,3

5 5 5 4 4 3 0,5

–

37

26

10 18

10

8 5 4 4 2 2 0,5

–

–

1

1 1

1,2

1 1 1 1 1 1 1

–

Gew.-%

n

Stickstoff

–

1

1 1

5,5

1 1 1 1 1 1 1

–

Gew.-%

s

Schwefel

15

25

50 15

10

3 3 3 3 3 3 5

–

Gew.-%

w

Wasser

1

5

5 5

11

5 5 5 5 5 5 9

–

Gew.-%

a

Asche

14 600

13 800

9 360 19 250

22 930

30 100 31 400 31 800 31 800 31 400 31 400 28 900

33 820

kJ/kg

Hu

Heizwert

3,8

3,6

3,1 5,6

3,0

7,9 8,3 8,4 8,3 8,5 8,3 7,7

3,8

3,5

3,0 5,4

2,95

7,7 8,0 8,1 8,0 8,2 8,1 7,5

8,9

Va tr m3/kg

Lmin m3/kg 8,9

Theoret. trockene Abgasmenge

Theoret. Luftmenge

*) Zusammensetzung von Braunkohle, Torf und Holz schwankt in sehr weiten Grenzen, besonders der Wassergehalt. **) Umrechnung der Zusammensetzung bezogen auf den Reinbrennstoff nach Multiplikation mit 100/(100-w-a).

38

Torf, lufttrocken*)

roh Briketts

30 55

58

Pechkohle (Oberbay.)

Braunkohle (Rhld.)*)

77 80 81 82 84 85 83

Gasflammkohle Gaskohle Fettkohle Eßkohle Magerkohle Anthrazit Koks (Hochofen)

Steinkohle (Ruhr)

100

o

h Gew.-%

c

Gew.-%

Gew.-%

Sauerstoff

Bezogen auf Rohbrennstoff**) Wasserstoff

Kohlenstoff

Mittlere Zusammensetzung und Eigenschaften fester Brennstoffe

Kohlenstoff (rein)

Brennstoffe

Tafel 1.3.7-1

0,7

0,7

0,9 0,7

0,6

0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,1

–

m3/kg

VH2O

Wasserdampf

% 21,0 18,5 18,5 18,5 18,8 18,8 19,3 20,5 18,2 17,2 17,2 19,8 20,4

m3/kg 8,9 8,3 8,6 8,7 8,5 8,7 8,5 7,6 3,55 3,9 6,1 4,2 4,5

CO2 max

Max. Kohlendioxidgehalt der Abgase

Va f

Theoret. feuchte Abgasmenge

1.3.7 Brennstoffe 223

1

224

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Der Heizwert von Holz1) ist stark abhängig vom Feuchtegehalt: Hu = 16000…7500 kJ/kg bei 10…100 % Feuchte. Frisch geschlagenes Holz hat 70…80 % Feuchte, nach 1 Jahr Freiluftlagerung 25…30 %. Lufttrockenes Holz hat 15…25 % Feuchteanteil. Heizwert von Stroh Hu = 14000…10000 kJ/kg. Veredelte Brennstoffe: Steinkohlenbriketts, Braunkohlenbriketts, Kohlenstaub, Koks, Holzkohle. Gewinnung aus natürlichen Brennstoffen durch mechanische, thermische und chemische Aufbereitung. Die Briketts werden aus zerkleinerten und getrockneten Stein- oder Braunkohlen durch Pressung in Brikettiermaschinen gewonnen: Vollbriketts, Halbbriketts, Würfel-, Semmel-, Salon- und Eierformat. Kohlenstaub wird durch Aufmahlen getrockneter Stein- oder Braunkohle gewonnen. Verwendung des Kohlenstaubs in erster Linie in Großfeuerungsanlagen. Kokse entstehen durch trockene Destillation (Austreibung der gasförmigen Bestandteile bei Erhitzung unter Luftabschluss). Gaskoks wird in Gasanstalten aus Steinkohlen gewonnen (Temp. etwa 1000 °C), Zechenkoks für Hochöfen in den Kokereien der Hütten, Schwelkoks und Grudekoks entstehen bei der Steinkohlen- bzw. Braunkohlenschwelung (Temp. etwa 500 °C). Größenbezeichnung bei Koks: Hochofenkoks I >80 mm Brechkoks I 80/60 mm Brechkoks II 60/40 mm Brechkoks III 40/20 mm Brechkoks IV 20/10 mm Brechkoks V 10/6 mm (Perlkoks) Koksgrus 10,0/6,0 mm Gießereikoks >80 mm Holzkohle entsteht bei der Verkohlung von Holz unter Luftabschluss in Meilern. Tafel 1.3.7-2

Schüttdichte fester Brennstoffe

Brennstoff Steinkohle Förderkohle Nüsse 1/2 Nüsse 3/4 Feinkohle Eierbriketts Staub Braunkohle Rohbraunkohle Braunkohle 50% H2O Briketts, gesetzt Briketts, geschüttet Staub Stroh Hochdruckballen **) Rundballen **) *) in Scheiten

1)

Schüttdichte in kg/m3 850…890 740…780 720…750 820…860 740…780 700…800 650…780 570…650 1000 700…720 450…500 80…130 60…130

Brennstoff Koks Hochofenkoks Gießereikoks Brechkoks 1/2 Brechkoks 3/4 Koksgrus Holz Hartholz (Buche) *) Weichholz (Nadelholz) *) Holzkohle aus Hartholz Holzkohle aus Weichholz Sägespäne Torf Maschinentorf Torfbriketts

Schüttdichte in kg/m3 460…530 430…500 450…560 500…680 700…760 560 420 190…220 130…150 180…280 310…380 650…750

**) Dichte in Ballen

Strehle, A. et al.: SH-Technik (1985), Nr. 2. S. 62ff; Wärmetechnik (1985), Nr. 11, S. 427–430.

1.3.7 Brennstoffe

225

1.3.7-2

Flüssige Brennstoffe

1.3.7-2.1

Einteilung

1.3.7-2.1.1

Mineralöle

Entstehung vor Millionen Jahren in Sedimentgesteinen aus tierischen und pflanzlichen Rückständen bei hohen Temperaturen unter teilweiser Mitwirkung von Bakterien. Förderung durch Ölbohrungen mit langen Bohrgestängen als Rohöl (Naphtha) an vielen Stellen der Erde, insbesondere in den USA, Rußland, Venezuela, Nordafrika, Rumänien, Iran, Irak, Arabien. Kennzeichen: Bohrtürme. Transport durch Ölleitungen oder Tankschiffe zu den Raffinerien. Zusammensetzung: Chemisch ist das Erdöl ein Gemisch vieler verschiedener Kohlenwasserstoffe, z. B. Paraffine, Olefine, Aromate u. a. Aufbereitung durch fraktionierte Destillation (Zerlegung in verschieden hoch siedende Bestandteile) und Raffination in Leicht, Mittel- und Schweröle, ferner durch Kracken (Aufspaltung größerer KohlenwasserstoffMoleküle in kleinere durch Erhitzen unter Druck, Spaltbenzin) (Tafel 1.3.7-3 sowie Bild 1.3.7-2). Aschegehalt gering, meist < 0,1 %, Hauptbestandteil Vanadiumpentoxyd V2O5. Leichtöl ist insbesondere Benzin (Sammelname für leicht-siedende Kohlenwasserstoffe, im Gegensatz zu Benzol (C6H6) kein einheitlicher Stoff), Siedepunkt 50…200 °C, bestehend hauptsächlich aus Paraffin-Kohlenwasserstoffen; Verwendung vorwiegend als Kraftstoff in Motoren. Mittelöl ist insbesondere Petroleum (Leuchtöl), Siedepunkt 200 bis 250 °C, und Gasöl (Treiböl, Dieselöl), Siedepunkt 200 bis 350 °C, früher zur Ölgaserzeugung verwendet, jetzt besonders als Dieselkraftstoff. Auch Heizöl EL gehört in diese Gruppe. Schweröl, Siedepunkt > 350 °C, insbesondere Schmieröl, Heizöl für Feuerungen (Kraftwerke) und Treibstoff für Maschinen. Rückstände: Aus den Rückständen der Destillation, Pech, Bitumen, Masut, Asphalt, werden chemische Produkte wie Paraffin, Vaseline u. a. hergestellt. Tafel 1.3.7-3 Brennstoff

Äthylalkohol Benzol Benzin Heizöl EL Heizöl S Petroleum Methanol Dieselöl Steinkohleteeröl

Zusammensetzung und Heizwerte flüssiger Brennstoffe Dichte bei 20 °C kg/dm3

0,80 0,88 0,72…0,80 0,82…0,86 0,90…0,96 0,80…0,82 0,79 0,84 1,00…1,08

Zusammensetzung in Gew.-%

Brennwert

Heizwert

C

H

O+N

S

HO kJ/kg

HU kJ/kg

52 92 85 86 86 85 38 86 89

13 8 15 13 11 15 12 13 7

25 – – 0,5 1 – 50 0,4 4

– – – 0,3 2 – – 0,5 –

29 890 41 940 46 700 45 400 42 300 42 900 22 310 44 800 39 150

26 960 40 230 42 500 42 700 40 200 40 800 19 510 41 650 37 450

Bild 1.3.7-2. Destillation von Erdöl.

1

226

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.7-2.1.2

Teeröle

Sie sind die Destillationsprodukte der Teere, während die Teere ihrerseits wiederum bei der Destillation (Verkokung) und Schwelung der Brennstoffe entstehen. Man unterscheidet Hochtemperatur- und Tieftemperaturdestillation (oder auch Schwelung genannt). Weiterverarbeitung der Teere durch Destillation, Kracken und Hydrierung zu Leicht-, Mittel- und Schwerölen, insbesondere Benzin, Dieselölen und Heizölen sowie zu einer großen Anzahl chemischer Produkte. Für Heizung wenig Bedeutung. Rückstand der Destillation ist Pech. 1.3.7-2.1.3

Synthetische Öle

Sie werden aus Stein- und Braunkohlen sowie Erdölrückständen und Teeren hergestellt. Bei weiter steigenden Mineralölpreisen kann die Verflüssigung (und Vergasung) von Kohlen zweifellos große Bedeutung gewinnen. 1.3.7-2.1.4

Sonstige flüssige Brennstoffe

Spiritus (denaturierter Äthylalkohol) wird durch alkoholische Gärung aus Kartoffeln gewonnen, als Zusatzmittel zu Benzin verwendet. Benzol C6H6 wird bei der Entgasung der Steinkohle in den Kokereien und Gasanstalten als Nebenprodukt gewonnen.

1.3.7-2.2

Heizöle1)

Die weitaus meisten Heizöle sind Destillationsprodukte des Erdöls. Mit Rücksicht auf die Verschiedenartigkeit der Ölbrenner sind Heizöle aus Schieferöl, Stein- oder Braunkohlenteeren gesondert zu bezeichnen. Mindestanforderungen an Heizöle s. DIN 51603 (Tafel 1.3.7-4). Für Heizungen hauptsächlich Heizöl EL und für sehr große Anlagen namentlich in der Industrie Heizöl S (schweres Heizöl); Heizöl L und M kaum noch verwendet. Bei der Verbrennung entstehen fast ausschließlich CO2 und H2O. Die Farbe ist je nach Herkunft unterschiedlich. Zur Unterscheidung gegen Dieselöl häufig Einfärbung. In anderen Ländern andere Bezeichnungen üblich, z. B. in USA Fuel Oil No. 2 entspricht etwa Heizöl EL,Fuel Oil No. 6 entspricht etwa Heizöl S. 1.3.7-2.2.1

Heizwert

Der Heizwert der Öle beträgt: bei den Mineralölen etwa 40000…43000 kJ/kg ≈ 11,1…11,9 kWh/kg bei den Teerölen etwa 36000…40000 kJ/kg ≈ 10,0…11,1 kWh/kg. Der Heizwert ist desto größer, je größer der Wasserstoffanteil. 1.3.7-2.2.2

Dichte

Die Dichte der Heizöle bei 15°C schwankt bei Heizöl EL zwischen 0,83 und 0,86 kg/l bei Heizöl S zwischen 0,90 und 0,98 kg/l bei den Steinkohlen-Teerölen zwischen 0,94 und 1,15 kg/l. Je größer das c/h-Verhältnis, um so größer die Dichte. Bei Preisvergleichen ist darauf zu achten, ob ein Kilopreis oder ein Literpreis gemeint ist. Unterschiede bis 20 %. 1.3.7-2.2.3

Viskosität

Die kinematische Viskosität (Zähigkeit) mit dem Formelzeichen v ist die für die Verbrennung eines Öles wichtigste Eigenschaft. Unter Viskosität versteht man den Grad der Zähflüssigkeit des Öles. Bei Erwärmung sinkt die Viskosität, bei Abkühlung steigt sie. Gemessen wird sie durch Vergleich der Auslaufzeiten zwischen Öl und Wasser aus einer genormten Düse mittels des Viskosimeters von Engler. Die Viskosität wird immer auf eine bestimmte Temperatur bezogen, bei Leichtöl meist 20 °C, bei Mittelöl und Schweröl 50 °C. Messverfahren nach DIN 51561:1978-12, zurückgezogen 06.94). 1)

Heinemann, W.; Krienke, C. F.: Feuerungstechn. (1980), Nr. 6 u. 7. Krienke, C. F.: HLH (1982), Nr. 7, S. 237–242; Schornsteinfegerhandwerk (1984), Nr. 1, S. 5. Institut für wirtschaftliche Ölheizung e.V. (IWO), Hamburg.

– 55

max. g/ml über °C

Dichte bei 20 °C höchstens

Flammpunkt

–

– 3

max. °C min. °C

Pourpoint

Cloudpoint

42,6 0,01

%

–

0,01

38,7

3/24

–

0,01

37,8

0/24

–

–

0,3

0,80

1

–

–

bei 20 °C 6

85

1,10

-

Heizöl T1)

0,02

38,5

–

–

–

0,3

0,50

16

15

–

bei 50 °C 40 bei 75 °C 12

75

1,10

-

Heizöl M1) Heizöl S

0,15

39,5

–

–

0,5

0,5

2,8

17

–

402)

bei 100 °C 50 bei 130 °C 20

80

–

ist anzugeben

DIN EN 7 DIN EN ISO 6245

DIN 51900-1; -2; -3

DIN 51603-2

DIN EN 12662

DIN ISO 3735

DIN 51777-1 ISO/DIS 12937 DIN ISO 3733

DIN 51400-1; -2; -3 u. -6 DIN EN 41 DIN EN 24260 DIN EN ISO 8754 DIN EN ISO 14596

DIN 51551 DIN EN ISO 10370

DIN EN 23015 DIN 51603-2

DIN ISO 3016

DIN 21550 DIN 51366 DIN 51562-1

DIN 51758 DIN EN 22719 DIN pr EN 575)

DIN 51757

DIN 51757

Prüfung nach

1)Hergestellt aus Braunkohlen und Steinkohlen, aber auch aus Mineralölen. 2) Wenn >40 °C, vom Lieferer anzugeben. 3) Kleinster angebbarer Wert unter Berücksichtigung der Präzision des Verfahrens. 4) Heizöl EL mit einem höheren Schwefelgehalt gilt als normgerecht, wenn es nach 3. BlmSchV in der jeweils geltenden Fassung zugelassen ist. 5) z.Z. Entwurf.

Asche (Oxidasche) höchstens angegeben als Massenanteil

mindestens

°C/h

Satzfreiheit

Heizwert Hu

MJ/kg

– 24

%

Gehalt an Sediment höchstens mg/kg

0,02

%

Wassergehalt höchstens Angegeben als Massenanteil

Gesamtverschmutzung höchstens

0,20

0,204)

%

Schwefelgehalt höchstens angegeben als Massenanteil

0,3

0,5

0,33)

%

Koksrückstand nach Conradson

–

bei 20 °C 6

mm2/s

bei 20 °C 6

85

–

1,10

Heizöl L1)

Kinematische Viskosität höchstens

im geschlossenen Tiegel

0,860

Heizöl EL max. g/ml

Mindestanforderungen an Heizöl

Dichte bei 15 °C höchstens

Tafel 1.3.7-4

1.3.7 Brennstoffe 227

1

228

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Im SI-System wird die kinematische Viskosität in m2/s gemessen. (Früher war die Einheit 1 Engler-Grad.) Im Ausland sind auch andere Maßeinheiten für die Zähigkeit in Gebrauch (s. Tafel 1.3.7-5), insbesondere Sayboldt-Sekunden in den USA (S.U. = SayboldtUniversal) und Redwood-Sekunden in England (RI = Redwood-Sekunden I). Hier wird die Zähigkeit direkt ohne Vergleich mit Wasser durch die Auslaufzeit in Sekunden angegeben. Für einwandfreie Verbrennung in Öldruckbrennern muss das Öl eine Zähigkeit von etwa 10…25 mm2/s besitzen (Zerstäubungsviskosität), bei Drehzerstäubern bis 60 mm2/s. Bei Leichtöl ist dies immer der Fall. Mittelöl und Schweröl dagegen müssen vor der Verbrennung erwärmt werden. Teeröle benötigen meist keine Vorwärmung. Viskosität der wichtigsten Öle s. Bild 1.3.7-3. Tafel 1.3.7-5

Umrechnungstafel für Zähigkeitswerte

kinemat. Visk. mm2/s

EnglerGrade E

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

1,00 1,12 1,22 1,30 1,40 1,48 1,56 1,65 1,75 1,83 2,02 2,22 2,43 2,65 2,90 3,10 3,35 3,60 3,85 4,10

Redwood I

Sayboldt

EnglerGrade E

s

kinemat. Visk. mm2/s

s 28,5 31,0 33,0 35,5 38,0 41,0 43,5 46,0 49,0 52,0 58,0 64,5 71,5 78,5 86 93 101 109 117 125

– 32,6 36,0 39,1 42,3 45,5 48,7 52,0 55,4 58,8 65,9 73,4 81,1 89,2 98 106 115 123 132 141

35 40 45 50 60 70 80 90 100 114 152 227 303 379 400 520 620 720 900 1080

4,70 5,35 6,00 6,65 7,90 9,24 10,6 11,9 13,2 15 20 30 40 50 53 69 82 96 120 143

Redwood I

Sayboldt

s

s

144 164 185 205 245 284 324 365 405 461 614 921 1228 1535 1620 2150 2530 2960 3500 4435

163 186 208 231 277 323 370 416 462 527 702 1053 1404 1756 1848 2500 3000 3500 4000 5000

Bild 1.3.7-3. Viskosität von Heizölen.

1.3.7 Brennstoffe

1.3.7-2.2.4

229

Verkokungsgrad

gibt an, wieviel Rückstände in Form von Koks beim Verschwelen des Öles übrigbleiben. Er wird durch den Conradson-Wert ausgedrückt und nach DIN 51551:1993-04 ermittelt. In den Ölfeuerungen beschreibt der Verkokungsgrad die Neigung des Brennstoffs zum Verkoken der Brennerdüsen. Wichtig ist er jedoch bei Verdampfungsbrennern. 1.3.7-2.2.5

Flammpunkt

ist die niedrigste Temperatur, bei der sich in einem geschlossenen Tiegel ein durch Fremdzündung entflammbares Dampf/Luft-Gemisch gebildet hat. Prüfgerät nach AbelPensky. Er spielt verbrennungstechnisch keine Rolle, ist aber für die Feuergefährlichkeit eines Stoffes bestimmend. Nach der Höhe des Flammpunktes werden in der „Verordnung über brennbare Flüssigkeiten“ (VbF) vom 27.2.1980 drei Gefahrenklassen unterschieden. Klasse I mit einem Flammpunkt unter 21 °C, z. B. Benzin,Klasse II mit einem Flammpunkt von 21…55 °C, z. B. Petroleum,Klasse III mit einem Flammpunkt von 55…100 °C. Alle normalen Heizöle fallen in Klasse III, nur Schweröl kann gelegentlich einen Flammpunkt über 100 °C haben und unterliegt dann nicht mehr den geltenden Vorschriften. Zündtemperaturen s. Abschnitt 1.3.8-6. Normale Flammpunkte: Benzin –16…+10 °C Heizöl EL 70…120 °C Petroleum 20… 60 °C Heizöl S 120…140 °C 1.3.7-2.2.6

Brennpunkt

ist diejenige Temperatur, bei der das Öl nach der Entzündung dauernd brennt. Er liegt meist 15 bis 25 °C höher als der Flammpunkt. Für die Bewertung der Brenneigenschaften ebenfalls ohne Bedeutung. 1.3.7-2.2.7

Stockpunkt, Pourpoint

Ersterer ist diejenige Temperatur, bei der das Öl schwerflüssig wird oder erstarrt. Heute genormt als Pourpoint; dieser ist die niedrigste Temperatur, bei welcher das Öl unter festgelegten Bedingungen1) nach DIN ISO 3016 eben noch fließt. Wichtig für die Pumpfähigkeit des Öles. Vor Erreichen des Stockpunktes treten bei mineralischen Erdölen auch Paraffin-Ausscheidungen, bei Teerölen kristalline Naphthalin-Ausscheidungen auf, die Verstopfungen verursachen können. Bei Leichtölen liegt dieser „Trübungspunkt“ meist unter –10 °C, bei den Schwerölen höher, bei etwa 45 °C. Alle Heizöle sollten daher oberhalb dieser Temperatur gelagert werden. 1.3.7-2.2.8

Schwefel und Asche

Schwefelgehalt je nach Sorte und Herkunft unterschiedlich, bei Heizöl EL 0,3 % und weniger, bei Heizöl S ≈ bis 3 %. Der Schwefelgehalt des Öles verwandelt sich in der Verbrennung überwiegend zu SO2 und nur zu einem geringen Teil zu SO3, das normalerweise in den Abgasen gasförmig und daher unschädlich ist. Erst bei Abkühlung unter den Taupunkt tritt Bildung von H2SO4 (Schwefelsäure) ein, die Umweltschäden verursacht. Durch Verordnungen zum Bundesimmissionsgesetz wurde der Schwefelgehalt von leichtem Heizöl stufenweise bis 1988 auf 0,2 % begrenzt (siehe Abschnitt 1.9). Schweröl hat höheren Schwefelgehalt als Leichtöl. Bei Abkühlung der Abgase darf der Schwefelsäure-Taupunkt (≈150 °C) nicht unterschritten werden. Asche ist der Rückstand bei der Verbrennung und bei jedem Öl in kleinen Mengen vorhanden, etwa 0,01 bis 0,15 %. Hauptanteil Vanadiumpentoxid (V2O5) und Natriumoxid (Na2O). Der Ascheanteil sollte so gering wie möglich sein, da die Asche korrosiv ist und die Wandungen der Kessel schädigt. Heizöl EL enthält fast keine Asche, Heizöl S dagegen viel. 1.3.7-2.2.9

Wasser und Sedimente

Wasser kann z. B. durch Schwitzwasserbildung ins Heizöl gelangen und setzt sich am Boden ab. Sedimente sind Spuren von Fremdstoffen, die bei kleinen Brennern evtl. Störungen verursachen können. 1)

DIN ISO 3016 „Mineralölerzeugnisse; Bestimmung des Pourpoints“, 10-1982.

1

230

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.7-3

Gasförmige Brennstoffe1)2)

1.3.7-3.1

Allgemeines

Die heute zur Verfügung stehenden technischen Heiz- und Brenngase sind in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich. Meistens sind es Gemische von brennbaren und unbrennbaren Gasen. Die brennbaren Bestandteile sind vorwiegend Kohlenwasserstoffe (Methan u.a.) und Wasserstoff, in geringerem Maße Kohlenoxid. Dazu kommen noch einige Spurengase. Infolge ungenauer Bezeichnungen entstehen häufig Irrtümer. Einteilung der Gase nach dem Vorkommen Naturgase (Erdgas und Erdölgas sowie Gruben- und Sumpfgas)technisch hergestellte Gase nach dem Brennwert Ho Schwachgase Ho < 2,5 kWh/m3 Mittelgase (Wassergase) Ho = 2,5…4,0 kWh/m3 Starkgase Ho = 4,0…6,0 kWh/m3 Reichgase Ho > 6,0 kWh/m3 oder nach DIN 13403) Gruppe I Ho < 10 MJ/m3 Gruppe II Ho = 10…30 MJ/m3 Gruppe III Ho = 30…60 MJ/m3 Gruppe IV Ho > 60 MJ/m3 nach den Brenneigenschaften (Einteilung in Familien) 1. Gasfamilie: Stadt- und Ferngase (Kurzzeichen S) Untergruppe A (Stadtgase) Untergruppe B (Ferngase) 2. Gasfamilie: Naturgase (Kurzzeichen N) Untergruppe L (low) Erdgas Untergruppe H (high) Erdölgas 3. Gasfamilie: Flüssiggase (Propan, Butan) (Kurzzeichen F) 4. Gasfamilie: Gemische aus Gasen der 2. oder 3. Familie mit Luft. Das für Heizzwecke in den Städten verwandte Stadt- oder Ferngas wurde früher in Gaswerken hauptsächlich durch Entgasung von Steinkohle hergestellt, wobei als Nebenprodukt Koks anfällt. Das gebräuchliche Stadtgas ist ein Gemisch aus Kohlengas und Wassergas oder Generatorgas, eingestellt auf einen Brennwert von Ho = rd. 5,0 kWh/m3. Heute ist an die Stelle dieses Stadtgases das Erdgas getreten, das gegenwärtig über 90 % des gesamten Gasverbrauchs deckt. Etwa 28 % aller Wohnungen wurden 1986 mit Gas beheizt. Die Heizwerte der Naturgase sind je nach Fördergebiet sehr unterschiedlich, z. B.: Bayern Oldenburg Slochteren 12,1 9,8 kWh/m3 Ho = 11,2 Hu = 10,0 10,9 8,9 kWh/m3 Im Ausland, namentlich USA und Russische Föderation, sehr großer Verbrauch an natürlichen Gasen (Erdgas). Auch in Europa und Deutschland schnell zunehmende Verwendung durch den Ausbau überregionaler Gasfernleitungen. Eine wichtige Größe bei der Kennzeichnung der Gasqualität ist der obere bzw. untere Wobbeindex (auch Wobbezahl genannt nach dem Italiener Wobbe 1926): Wo = Ho/ d v bzw. Wu = Hu/ d v in kJ/m3 oder kWh/m3 Ho = Brennwert 1)

2)

3)

Wilke, H.: H. R. (1969), S. 29–37 u. S. 153–163. Bieger, F.: Wkt (1970), S. 171–175. Loos, J.: SHT (1976), Nr. 7, S. 437–441. DIN 1871:1999-05 (Gasförmige Brennstoffe, Dichte). Beachte Hinweise im Vorwort zur internationalen Normen-Harmonisierung. Die bisher in Deutschland gebräuchlichen Formelzeichen (z. B. Ho jetzt HS, Hu jetzt Hi, Erdgas L jetzt LL (low light) bzw. H jetzt E (exelent) werden in dieser Auflage (70.) wegen der noch nicht abgeschlossenen Veränderungen mit den alten Bezeichnungen noch beibehalten. DIN 1340:1990-12 (Gasförmige Brennstoffe, Arten, Bestandteile).

1.3.7 Brennstoffe

231

Hu = Heizwert dv = Dichteverhältnis zu Luft Die Wobbezahl (Tafel 1.3.7-7 und Tafel 1.3.7-6), die dimensionsbehaftet ist und sich aus der Gleichung für Düsenausströmung errechnet, gilt bei konstantem Gasdruck als ungefährer Kennwert für die Wärmeleistung und andere Größen wie Flammtemperatur, Primärluftansaugung u. a. Gase gleicher Wobbezahl haben gleiche Brennerleistung, ähnliche Verbrennungseigenschaften und können im gleichen Brenner verbrannt werden, ohne dass eine Änderung des Brenners oder der Düse notwendig ist. Bei unterschiedlichen Gasdrücken gilt für die Wärmebelastung der „erweiterte Wobbeindex“ Woe = Wo Δ p bzw. Wue = Wu Δ p der auch den betrieblichen Gasüberdruck Δp (N/m2) berücksichtigt. Die in einer Brennerdüse je Zeiteinheit durchgesetzte Gasmenge ist nach der Durchflussformel für Düsen proportional der Wurzel aus dem Arbeitsdruck p und der Düsenfläche, also dem Quadrat des Düsendurchmessers D. Bei unterschiedlichen Gasdrücken und konstanter Düse ist die Brennerleistung konstant, wenn die „erweitere Wobbezahl“ W gleich bleibt: Woe = Wo p = konst. bzw. Wue = Wu p = konst. Die erweiterte Wobbezahl berücksichtigt also auch den Gasüberdruck p (N/m). Wenn sich auch der Düsendurchmesser D ändern kann, gilt für gleiche Brennerleistung: W · p · D2 = konst. Tafel 1.3.7-6

Brenneigenschaften von Gasen

Bezeichnung

1. Gasfamilie Stadt- u. Ferngase

2. Gasfamilie Erdgase

Gruppe A

Gruppe B

Gruppe L

Gruppe H

Wobbeindex kWh/m3

6,4…7,8

7,8…9,3

10,5…13,0

12,8…15,7

Brennwert HO in kWh/m3

4,6…5,5

5,0…5,9

8,4…13,1

8,4…13,1

4,9

5,5

9,8

11,5

8,8

Nennwert HO in

kWh/m3

Nennwert HU in

kWh/m3

Relative Dichte dv Wasserstoffgehalt Vol.-% Gasdruck mind. mbar

4,3

4,8

0,40…0,60

0,32…0,5

0,55…0,70

10,4

40…60

45…67

–

7,5…15,5

7,5…15,5

18…24

18…24

Zündgrenzen in Luft Vol.-%

5…35

5…30

5…15

Max. Zündgeschwindigkeit m/s

0,55…0,75

0,65…0,80

0,30…0,35

Zündtemperatur in Luft °C

550…570

550…570

600…670

Luftbedarf Lmin m3/kWh HU

0,86

0,90

0,94

0,97

Abgasmenge VAf m3/kWh HU

1,0

1,0

1,05

1,05

2000

2000

1950…2000

12…13

≈ 10

11,5…12,5

Verbrennungstemperatur bei λ = l in °C Max. CO2-Gehalt in %

1

Erdgas H

Ölgas

Propan C3H8

n-Butan C4H10

19

20

21

Erdgas L

16

Methan

Schwelgas (aus Steinkohle)

15

17

Steinkohlengas

18

Ölkarburiertes Kokswassergas

Propan + Luft (17 O2)

9

10

14

Stadtgas II (12+2)

8

13

Kohlenwassergas

Stadtgas (12+6)

7

Ölkarburiertes Kohlenwassergas

Kokswassergas

6

Koksofengas (Ferngas)

Mischgas (12+1)

5

12

44

Braunkohlengeneratorgas

4

11

51

Steinkohlengeneratorgas

3

–

–

20

–

–

–

25

52

45

55

37

–

50

50

19,3

15

12

12

Koksgeneratorgas

2

2

H2

Hochofengichtgas

Brenngas

–

–

5

–

–

–

5

8

35

6

28

–

12

18

35

40

22,2

27

29

28

30

CO

–

–

40

100

93

82

45

28

1

25

15

–

22

19

5

(1 auch Sauerstoff. Die theoretische Verbrennungsluftmenge ist (siehe Tafel 1.3.8-5): Tafel 1.3.8-5

Verbrennungsrechnung bei festen und flüssigen Brennstoffen Stoff

Brennstoff

c Gew.-% h Gew.-% s Gew.-% o Gew.-% n Gew.-% w Gew.-%

Luft

x kg/kg o n

Luftbedarf Lmin m3/kg

Abgasmenge Va

Verbrennungsprodukte

m3/kg

kg/kg

8,88 c 26,44 h 3,32 s 3,33 o – –

1,85 c 11,11 h 0,68 s – 0,80 n 1,24 w

3,67 c 9h+w 2s – n w

CO2 H2 O SO2 – N2 H2 O

Lmin (1 + 1,6 x) – –

λLmin · 1,6 · x

λ · Lmin · 1,28 · x

H2 O

(λ–1)0,21 · Lmin · 0,79 · Lmin

λ(0 – 3,330) λ·n

O2 N2

1

246

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen 22 ,4 c h s o Lmin = ----------  ---- + --- + ----- – ----- = 8,88 c + 26,44 h + 3,32 s–3,33 o m3/kg 0 ,21 12 4 32 32

Darin ist 22,4 = Molvolumen der Gase in m3/kg 0,21= Sauerstoffanteil der Luft. Die trockene Abgasmenge ist Va tr= 1,85 c + 0,68 s + 0,8 n + (λ–0,21) Lmin m3/kg Die feuchte Abgasmenge Vaf ist um den Betrag des Wasserdampfes in den Abgasen größer. Dabei ist zu beachten, dass Wasserdampf nicht nur durch den Wasserstoffgehalt des Brennstoffes, sondern auch durch den Wassergehalt x der Verbrennungsluft auftritt. Weitere Werte s. nachstehendes Beispiel. Beispiel: Verbrennung von 1 kg Steinkohle mit der Luftzahl λ = 1,5. Wassergehalt der Luft x =10 g/kg. Zusammensetzung des Brennstoffs: c h s o n w a 0,80 0,05 0,02 0,07 0,0 0,04 0,02kg/kg Theoretische Luftmenge: Lmin = 8,88 c + 26,44 h + 3,32 s – 3,33 o = 8,88 · 0,80 + 26,44 · 0,05 + 3,32 · 0,02 – 3,33 · 0,07 = 8,26 m3/kg Trockene Abgasmenge Vatr = 1,85 c + 0,68 s + (λ–0,21) Lmin = 1,85 · 0,80 + 0,68 s · 0,02 + 1,29 · 8,26 = 12,15 m3/kg Feuchte Abgasmenge (ohne Luftfeuchte x) Vaf = Vatr + 11,11 h + 1,24 w = 12,15 + 11,11 · 0,05 + 1,24 · 0,04 = 12,76 m3/kg Wasserdampfmenge ohne Luftfeuchte x W = 11,11 h + 1,24 w = 0,61 m3/kg Durch Luftfeuchte x = 10 g/kg zusätzlich entstehende Wasserdampfmenge W′ = λ·Lmin·1,6 x = 1,5 · 8,26 · 1,6 · 0,010 = 0,20 m3/kg Kohlendioxydmenge: 1,85 c = 1,85 · 0,80 = 1,48 m3/kg Kohlendioxydgehalt der trockenen Abgase: 1,48 : 12,15 = 12,3 % FaustformelfürdenMindesluftbedarf: Lmin ≈ 0,25 m3 für 1000 kJ oder ≈ 0,9 m3 für 1 kWh.

1.3.8-3.2

Gasförmige Brennstoffe

Theoretische Luftmenge: CO + H 1 Lmin = ----------  --------------------2- + ( n + m/4 )C n H m – O 2 2 0 ,21

m3/m3

Wirkliche Luftmenge: L = λ · Lmin m3/m3 Abgasmenge feucht (ohne Luftfeuchte): m Vaf = λ · Lmin + 1/2 (CO + H2) + ---- · CnHm + CO2 + O2 + N2 4

= Gasmenge + λ Lmin – 0,5 (CO + H2)–  1 – m ---- CnHm m3/m3 4 Wasserdampfmenge im Abgas: H2 + m/2 (CnHm) m3/m3 Volumenverminderung zwischen (Gasmenge + Luftmenge) und feuchter Abgasmenge: ΔV = 0,5 (CO + H2) + (1–m/4) CnHm m3/m3 (Dilatation). Abgas-Zusammensetzung:

1.3.8 Verbrennung

Abgasbestandteil Kohlendioxyd Wasserdampf Sauerstoff Stickstoff

247

Abgase in m3/m3

Zeichen CO2 H2 O O2 N2

CO2 + CO + n(CnHm) H2 + m/ (CnHm) 0,21 (λ–l) · Lmin 2 N2 + 0,79 λ · Lmin

Beispiel: Verbrennung von 1 m3 Erdgas H mit λ = 1,2 (s. Tafel 1.3.8-1). Zusammensetzung: C2H6 C3H8 CO2 N2 CH4 0,93 0,03 0,02 0,01 0,01 m3/m3 Heizwert Hu = 0,93 · 35880 + 0,03 · 64345 + 0,02 · 93210 = 37162 kJ/m3. Theoretische Luftmenge:

1

1 Lmin = ---------- (2 · 0,93 + 3,5 · 0,03 + 5 · 0,02) = 9,83 m3/m3 0 ,21

Wirkliche Luftmenge: L = λ·Lmin = 1,2 · 9,83 = 11,8 m3/m3 Abgasmenge feucht = Gasmenge + λ · Lmin (Dilatation vernachlässigt): Vaf = 1,0 + 11,8 = 12,8 m3/m3 Wasserdampfmenge: 2 · 0,93 + 3 · 0,03 + 4 · 0,02 = 2,03 m3/m3 Abgas-Zusammensetzung: CO2 H2 O O2 N2

0,93 + 2 · 0,03 + 3 · 0,02 + 0,01 2 · 0,93 + 3 · 0,03 + 4 · 0,02 0,21 · 0,2 · 9,83 0,01 + 0,79 · 1,2 · 9,83

Gesamte Abgasmenge VAf

1.3.8-3.3

= = = =

1,06 m3/m3 = 8,3 Vol.-% 2,03 m3/m3 = 15,8 Vol.-% 0,41 m3/m3 = 3,2 Vol.-% 9,32 m3/m3 = 72,7 Vol.-%

= 12,82 m3/m3 = 100 Vol.-%

Näherungswerte

der Luft- und Abgasmengen für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe nach Rosin und Fehling1) s. Tafel 1.3.8-6 und Bild 1.3.8-1 bis Bild 1.3.8-3 mit Beispielen. Abgasmengen bezogen auf feuchte Gase, CO2-Werte bezogen auf trockene Gase. Bei den festen und flüssigen Brennstoffen ist Hu in kJ/kg, bei den gasförmigen Brennstoffen in kJ/m3 einzusetzen. Mit der Luftzahl λ ist die Luftmenge L = λ · Lmin, die Abgasmenge VA = VAmin + (λ–1) Lmin. Tafel 1.3.8-6

Näherungswerte der Luft- und Abgasmengen Lmin m3/kg bzw. m3/m3

VA min m3/kg bzw. m3/m3

Feste Brennstoffe

0,241 H --------------------u- + 0,5 1000

0,212 H u --------------------- + 1,65 1000

Öle

0,203 H --------------------u- + 2,0 1000

0,265 H --------------------u1000

Brennstoff

1)

Rosin, P.; Fehling, R.: Das it-Diagramm der Verbrennung. VDI-Verlag, Berlin 1929.

248

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.8-6

Näherungswerte der Luft- und Abgasmengen (Forts.)

kJ Arme Gase  H u < 12500 ------3- m

(Hochofen-, Generator-, Wassergas) kJ Reiche Gase  H u > 12500 ------3- m (Leucht-, Koksofen-, Ölgas)

0,209 H u --------------------1000

0,173 H --------------------u- + 1,0 1000

0,260 H u --------------------- – 0,25 1000

0,272 H --------------------u- + 0,25 1000

Bild 1.3.8-1. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei festen Brennstoffen mit 2 Beispielen. 1. Beispiel: Verbrennung von Steinkohle mit dem Heizwert Hu = 32 MJ/kg (8,89 kWh/kg) und dem max. CO2-Gehalt der Rauchgase von 18,7% nach Tafel 1.3.8-3 ergibt bei der Luftzahl λ =1,50: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 8,25 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =1,50 · Lmin = 12,37 m3/kg Wirkliche Rauchgasmenge VA = 12,6 m3/kg = 12,4% CO2-Gehalt der Rauchgase 2. Beispiel: Verbrennung von Braunkohlebriketts mit dem Heizwert Hu = 20000 kJ/kg (5,56 kWh/kg) und dem maximalen CO2-Gehalt der Abgase von 19,5% nach Tafel 1.3.8-3 ergibt bei der Luftzahl λ =1,3: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 5,3 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =1,3 · Lmin = 6,89 m3/kg Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 5,89 m3/kg = 7,5 m3/kg Wirkliche Abgasmenge Va = 15% CO2-Gehalt der Abgase

1.3.8 Verbrennung

249

1

Bild 1.3.8-2. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei flüssigen Brennstoffen mit 2 Beispielen.

1. Beispiel: Verbrennung von Heizöl EL mit dem Heizwert Hu = 42 MJ/kg (11,67 kWh/kg) und CO2max =15,5% nach Tafel 1.3.8-4 ergibt bei einem CO2-Gehalt der Abgase von 10%: Luftzahl λ =1,55 = 10,4 m3/kg Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin Wirkliche Luftmenge L =1,55 · Lmin = 16,1 m3/kg = 16,8 m3/k Wirkliche Abgasmenge (feucht) VA

2. Beispiel:

Heizöl EL mit dem Heizwert Hu = 44,8 MJ/kg und CO2max =15,4% ergibt bei einem CO2-Gehalt der Abgase von 13%: Luftzahl λ =1,18 = 11,1 m3/kg Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin Wirkliche Luftmenge L =11,1 · 1,18 = 13,1 m3/kg = 13,8 m3/kg Wirkliche Abgasmenge (feucht) VA

250

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.8-3. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei gasförmigen Brennstoffen mit 2 Beispielen.

1. Beispiel:

Verbrennung von Stadtgas mit einem Heizwert Hu =16 MJ/m3 (4,44 kWh/kg) ergibt bei einer Luftzahl λ =1,3: = 3,9 m3/m3 Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin Wirkliche Luftmenge L =1,3 · Lmin = 5,1 m3/m3 Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 4,6 m3/m3 = 5,8 m3/m3 Wirkliche Abgasmenge VA

2. Beispiel:

Verbrennung von Erdgas mit einem Heizwert von Hu =34000 kJ/m3 (9,44 kWh/m3) ergibt bei einer Luftzahl λ =1,3: = 8,6 m3/m3 Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin Wirkliche Luftmenge L =1,3 · 8,6 = 11,2 m3/m3 Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 9,5 m3/m3 Wirkliche Abgasmenge VA = 12,1 m3/m3

1.3.8 Verbrennung

1.3.8-3.4

251

Dichte der Abgase

Die Dichte ρ der Abgase errechnet sich aus der Zusammensetzung wie folgt: ρ = ρCO2·CO2 + ρO2·O2 + ρN2·N2 + ρH2O·H2O in kg/m3 CO2 = Gehalt an CO2 in m3/m3 usw. ρ = p/RT (R = Gaskonstante). Die Dichten der einzelnen Abgasbestandteile sind O2 N2 H2O CO CO2 ρ = 1,97 1,43 1,257 0,804 1,25 kg/m3. Dichte desto größer, je höher CO2-Gehalt, und desto geringer, je größer H2O-Gehalt. Mittlere Werte der Dichte bei festen und flüssigen Brennstoffen s. Bild 1.3.8-4. Bei gasförmigen Brennstoffen sind die Werte von Fall zu Fall zu berechnen, da sehr unterschiedlich. Richtwerte bei mittleren Verhältnissen: feste Brennstoffe ρ ≈ 1,33 kg/m3 Heizöl ρ ≈ 1,32 kg/m3 Stadtgas ρ ≈ 1,25 kg/m3 Erdgas (Methan) ρ ≈ 1,25 kg/m3

Bild 1.3.8-4. Dichte der feuchten Abgase bei festen und flüssigen Brennstoffen. 1000 kJ ≈ 0,28 kWh.

1.3.8-3.5

Spezifische Wärmekapazität der Abgase

Bei Abgasen mittlerer Zusammensetzung ist die wahre spezifische Wärmekapazität Cp = 1,35 + 0,00030 t in kJ/m3 K. Bei genaueren Rechnungen sind die spezifischen Wärmekapazitäten der einzelnen Bestandteile des Abgases zu berücksichtigen. Es gilt dann bei n Einzelbestandteilen die Beziehung Cp = Σ n Cp Die meisten technischen Wärmeübertragungsprozesse verlaufen über einen größeren Temperaturbereich. In diesen Fällen ist mit mittleren Werten Cpm der Wärmekapazität zu rechnen (Tafel 1.3.8-7 und Bild 1.3.8-8). Mittelwert Cpm = 1,35 + 0,00015 t. Einige Richtwerte für Cpm bei Temperaturen zwischen 100 und 300 °C sind bei Kohlefeuerung Cpm = 1,37 kJ/m3 K bei Gasfeuerung Cpm = 1,38 kJ/m3 K bei Heizölfeuerung Cpm = 1,39 kJ/m3 K Tafel 1.3.8-7

Mittlere spezifische Wärmekapazität Cpm von Gasen zwischen 0 und t °C bezogen auf Normalvolumen in kJ/m3 K

t°C

N2

O2

CO2

H2 O

0 200 400 600 800 1000

1,30 1,31 1,33 1,35 1,37 1,40

1,31 1,34 1,38 1,42 1,45 1,48

1,61 1,80 1,94 2,06 2,15 2,20

1,49 1,52 1,56 1,61 1,66 1,72

Die spezifische Wärmekapazität cP je kg ist cP = CP / . ( = Dichte in kg/m3)

1

252

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.8-3.6

Wasserdampfgehalt und Taupunkt der Abgase

Um den Taupunkt der Abgase zu ermitteln, berechne man zunächst nach Abschnitt 1.3.8-3.1 und 1.3.8-3.2 den Wasserdampfgehalt der Abgase in Vol.-%: 11 ,20h + 1 ,24w H2O = -------------------------------------- , hieraus den dem Volumenanteil proportionalen WasserVA dampfdruck in mbar und dann aus der Wasserdampftafel die Sättigungstemperatur, die dem Taupunkt entspricht. Der Taupunkt der Abgase ist desto höher, je höher der Wasserund Wasserstoffgehalt des Brennstoffes ist. Beispiel: Wasserdampfgehalt der Steinkohle-Abgase in Beispiel Abschnitt 1.3.8-3.1: 0 ,61 0,61 m3/kg = ------------- = 4,8 Vol.-% (= 18/22,4 · 48 = 0,804 · 48 = 39 g/m3) 12 ,67 4 ,8 Dampfdruck: -------- · 1013 = 48 mbar. 100

Taupunkt = 32 °C. Um ein Nasswerden und Verschmieren der Heizflächen sowie Korrosion zu verhindern, dürfen die Abgase nicht unter den Taupunkt abgekühlt werden. Mittlere Taupunkte für verschiedene Brennstoffe in Abhängigkeit vom Luftüberschuss siehe Bild 1.3.8-6, in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Abgase in Bild 1.3.8-5. Bei schwefelhaltigen Brennstoffen kann sich in den Abgasen aus SO2 unter Umständen, besonders bei hohem Luftüberschuss, eine mehr oder weniger große Menge SO3 bilden,die sich mit dem Wasserdampf der Rauchgase zu H2SO4 (Schwefelsäure) verbindet. Bei 0,5 % Schwefelgehalt des Heizöls liegt der Säuretaupunkt bei etwa 130 °C (siehe Abschnitt 1.10.5).

Bild 1.3.8-5. Taupunkt und Wassergehalt von Abgasen bezogen auf Normzustand.

1.3.8-4

Bild 1.3.8-6. Taupunkttemperaturen für Wasserdampf bei verschiedenen Brennstoffen.

Verbrennungstemperatur

Verbrennungstemperatur tv ist diejenige Temperatur, die die Verbrennungsgase theoretisch annehmen würden, wenn keine Wärmeabgabe nach außen erfolgte (adiabate Verbrennung). Sie lässt sich aus dem Heizwert der Brennstoffe Hu und der mittleren spezifischen Wärme Cpm der Verbrennungsgase errechnen. Tafel 1.3.8-7 und Bild 1.3.8-8. Daraus erhält man mit der Abgasmenge VA die theoretische Verbrennungstemperatur Hu - in °C. tv = -------------------C pm ⋅ V A

1.3.8 Verbrennung

253

1

Bild 1.3.8-7. h,t-Diagramm für Abgase (nach Rosin und Fehling).

Theoretische Verbrennungstemperaturen für verschiedene Brennstoffe Bild 1.3.8-9. Die genaue Berechnung ist dadurch erschwert, dass bei Temperaturen oberhalb ≈1500 °C CO2 und H2O unter Bindung von Wärme zerfallen, so dass die Temperaturen geringer werden (Dissoziation). Für praktische Rechnungen genügt es jedoch häufig, eine mittlere Zusammensetzungder Abgase anzunehmen, deren spezifische Wärme dann nur von der Temperatur unddem Luftgehalt abhängt. Hierauf beruht die Konstruktion des h, t-Diagramms, das den Wärmeinhalt je m3 Abgas in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Luftgehalt angibt (Bild 1.3.8-7). Man bestimmt zunächst den Wärmeinhalt der Abgase nach der Formel Hu H - = ------u- kJ/m3 h = -----------------------------------------------V Amin + ( λ – 1 )L min VA

und den Luftgehalt der Abgase ( λ – 1 )L min ( λ – 1 )L min l = ------------------------------------------------ = --------------------------V Amin + ( λ – 1 )L min VA

und kann dann aus dem Diagramm sofort die theoretische Verbrennungstemperatur ablesen. Umgekehrt kann bei bestimmter Temperatur der Wärmeinhalt der Abgase in kJ/ m3 ermittelt werden. In den wirklichen Feuerungen ist die Flammtemperatur infolge Strahlung der Flammen und Wärmeverluste geringer als der theoretische Wert und außerdem sehr unterschiedlich (Tafel 1.3.8-8). Die Dissoziation ist in dem Diagramm bereits berücksichtigt.

254

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel: Verbrennung von Stadtgas mit Hu = 20900 kJ/m3 (5,81 kWh/m3). Anfangstemperatur t1 = 20°, λ = 1,3. Wie groß ist die theoretische Verbrennungstemperatur tv? 0 ,260 ⋅ 20000 Lmin = -------------------------------- – 0,25 = 5,18 m3/m3 (Tafel 1.3.8-6). 1000 0 ,272 ⋅ 20900 VAmin= -------------------------------- + 0,25 = 5,93 m3/m3 1000

h

20900 = --------------------------------------- = 2792 kJ/m3 5 ,93 + 0 ,3 ⋅ 5 ,18

0 ,3 ⋅ 5 ,18 l = --------------------------------------- = 0,21 5 ,93 + 0 ,3 ⋅ 5 ,18

Verbrennungstemperatur tv = 1700 + 20 = 1720 °C aus h,t-Diagramm. Die Werte für Lmin und VA können auch aus Bild 1.3.8-3 entnommen werden. Tafel 1.3.8-8

Mittlere Verbrennungstemperatur in Feuerungen

Theoretische Temperatur °C Steinkohle Braunkohle Heizöl EL Heizöl S Armgase Erdgase

≈ 2200 ≈ 1500 ≈ 2100 ≈ 2000 1000…2000 ≈ 1950

Wirkliche Temperatur °C Wanderrostfeuerung Kohlenstaubfeuerung Schmelzfeuerung Ölfeuerung Erdgasfeuerung Müllfeuerung

1200…1400 1300…1500 1400…1700 1200…1600 1200…1600 900…1000

Bild 1.3.8-8. Mittlere spez. Wärme von trockenen Abgasen und von Wasserdampf zwischen 0 und t °C.

Bild 1.3.8-9. Theoretische Verbrennungstemperaturen verschiedener Brennstoffe.

1.3.8-5

Abgasprüfung

Aus der Zusammensetzung der Abgase kann man die Güte der Verbrennung beurteilen. Daher wird in gut geleiteten Feuerungen die Zusammensetzung der Abgase durch besondere Messinstrumente laufend überwacht. Die günstigste Luftzahl ist diejenige, bei der die geringsten Wärmeverluste auftreten. Größter CO2-Gehalt der Abgase ist nicht am günstigsten, da dabei auch meist CO auftritt. Im Allgemeinen ist bei Gasgebläsefeuermengen λ = 1,1…1,3 bei atmosphärischen Gasbrennern λ = 1,25…1,5 bei Ölfeuerungen λ = 1,2…1,5

1.3.8 Verbrennung

bei Kohlenstaubfeuerungen bei mechanischen Kohlefeuerungen bei handbeschickten Kohlefeuerungen

1.3.8-5.1

255

λ = 1,2…1,3 λ = 1,3…1,5 λ = 1,5…2,0

Vollkommene Verbrennung

Bei vollkommener Verbrennung enthalten die trockenen Abgase nur CO2, SO2 und N2. Bei festen und flüssigen Brennstoffen, bei denen der Schwefeldioxid- und Stickstoffgehalt praktisch zu vernachlässigen ist, berechnet sich die Luftzahl λ aus dem Kohlendioxidgehalt CO2 der Abgase nach folgender Gleichung: tr CO 2 max  V Amin - – 1 -------------λ = 1 +  ----------------- L min CO 2 CO2= Kohlendioxidgehalt der Abgase CO2max= maximaler Kohlendioxidgehalt der Abgase VtrAmin= theoretisches trockenes Abgasvolumen m3/kg Lmin = theoretische Luftmenge m3/kg Da bei den festen Brennstoffen VAmin ≈ Lmin ist, ist annäherungsweise auch CO 2 max - . λ = -----------------CO 2 Bei Heizöl EL CO 2 max  - – 1 0,93…0,97. λ = 1 +  ----------------- CO 2

Bei Heizgasen schwankt der Wert VtrAmin/Lmin je nach Zusammensetzung des Gases zwischen 0,9 und 1,9, so dass immer mit der genauen Formel zu rechnen ist. Bei Stadt- und Erdgas kann man 0,9…1,0 annehmen. Für Gase mit Stickstoffgehalt allgemein gültig ist die Gleichung λ

O2 ⋅ VN  21 = ------------------------------------  1 + ---------------------21 – 79 O 2 ⁄ N 2 N 2 ⋅ O min

VN = Stickstoffanteil des Brenngases in m3/m3 O2 = O2-Gehalt der Abgase in m3/m3 N2 = N2-Gehalt der Abgase in m3/m3 Bildliche Darstellung in Bild 1.3.8-10.

Bild 1.3.8-10. Luftzahl λ und O2-Gehalt in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt der Abgase bei verschiedenen Brennstoffen und bei vollkommener Verbrennung.

Der maximale CO2-Gehalt CO2max der trockenen Abgase ergibt sich bei den verschiedenen Brennstoffen aus 1 ,87 c 1 ,87 c . CO2max = --------------------------------------------- = ---------------------------------------------------1 ,87 c + 0 ,79 ⋅ L min 8 ,86 c + 21 h – 2 ,6 ⋅ o

1

256

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bei reinem Kohlenstoff (c = 1, h = 0, o = 0) ist CO2max = 0,21, sonst bei festen und flüssigen Brennstoffen immer geringer (Bild 1.3.8-14). Beispiel: Die Abgase eines Heizöls haben einen Kohlendioxidgehalt von 11 %. Wie groß ist die Luftzahl λ und wie ist die Zusammensetzung der trockenen Abgase? Aus Bild 1.3.8-10 und Bild 1.3.8-14: λ = 1,40 und O2 = 6,2 %. Zusammensetzung der Abgase: 11,0 CO2 + 6,2 O2 + 82,8 N2 =100 %.

1.3.8-5.2

Unvollkommene Verbrennung

Bei unvollkommener Verbrennung, die bei Luftmangel oder schlechter Mischung der Brenngase mit Luft oder bei Unterkühlung der Brenngase eintreten kann, enthalten die Abgase auch noch unverbrannte Bestandteile, insbesondere Kohlenoxyd CO und H2 sowie Ruß. Wegen des großen Heizwertes des CO bedeutet ein auch nur geringer CO-Gehalt der Gase bereits einen erheblichen Wärmeverlust. Deshalb ist die CO- und auch H2Messung der Abgase von Feuerungen ein wichtiges Mittel zur Betriebsüberwachung. Die Gleichung für die Luftzahl λ lautet: ( CO 2 + CO ) ⋅ 100 CO 2 max – -----------------------------------------------------tr 100 – 0 ,5 CO – 1 ,5 H 2 V Amin λ = 1 + ---------------------------------------------------------------------------------- ⋅ --------------( CO 2 + CO ) ⋅ 100 L min -----------------------------------------------------100 – 0 ,5 CO – 1 ,5 H 2

Bei vollkommener Verbrennung geht sie in die dafür geltende Gleichung über.

1.3.8-5.3

Verbrennungsdreiecke

Eine übersichtliche Darstellung der Rauchgaszusammensetzung lässt sich durch Abgasdreiecke (Verbrennungsdreiecke) erreichen, von denen es mehrere Arten gibt. Aus dem Ostwald-Dreieck, das für jeden Brennstoff getrennt aufgezeichnet werden muss, lässt sich, abhängig vom CO2- und O2-Gehalt der Rauchgase, der CO-Gehalt und die Luftzahl λ ablesen. Auch zur Kontrolle der Abgasanalysen kann es verwendet werden. Auf der Ordinate ist der Betrag CO2max, auf der Abszisse der Betrag O2 = 0,21 aufgetragen. Die CO-Linien laufen parallel zur Hypotenuse. Beispiele s. Bild 1.3.8-11 bis Bild 1.3.8-13.

Bild 1.3.8-11. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Erdgas (Groningen).Bei O2 = 3,5% und CO2 = 9,8% ist λ = 1,18.

1.3.8 Verbrennung

257

1

Bild 1.3.8-12. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Heizöl EL (CO2max = 15,5%). Bei CO2 = 11% ist die Luftzahl λ = 1,43 bei vollkommener Verbrennung.

Bild 1.3.8-13. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Fett- und Gaskohle (CO2max = 18,6%).

Beispiel: Orsat-Analyse bei Steinkohle CO2 = 13 %, O2 = 6 % ergibt CO = 0,5 % Luftzahl λ = 1,38. Beim Bunte-Dreieck, das für beliebige Brennstoffe gilt, liegt der Messpunkt bei vollkommener Verbrennung auf der unter 45° durch den Nullpunkt gehenden Geraden (Bild 1.3.8-14). Bei unvollkommener Verbrennung Messpunkt links von der Geraden. Bei Messpunkten rechts von der Geraden Messfehler.

258

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel: Verbrennung von Heizöl EL. Nach Bild 1.3.8-14: CO2max = 15,5 %. Bei CO2 = 10 % ist O2 = 7,4 %. λ = CO2max/CO2 = 1,55.

1.3.8-6

Zündtemperatur und Zündgrenzen

Die Entzündung eines Gemisches von Brennstoff und Luft erfolgt nur oberhalb einer gewissen Temperatur, die man Zündtemperatur (Selbstentzündungspunkt) nennt. Sie hängt von vielen äußeren und inneren Bedingungen ab und ist daher kein konstanter Wert. Bei Gasen und Dämpfen unterscheidet man außerdem eine obere und untere Zündgrenze (Explosionsgrenze). Entzündung des Gemisches erfolgt nur innerhalb dieser Grenzen (Tafel 1.3.8-9 bis Tafel 1.3.8-11). Tafel 1.3.8-9

Zündtemperatur von Brennstoffen in Luft (Mittelwerte)

Brennstoff

Zündtemp. In °C

Benzin Benzol Butan (n) Erdgas Heizöl EL Heizöl S Holz Holzkohle Koks Propan

350…520 520…600 430 ≈ 650 230…245 Å 340 200…300 300…425 550…600 ≈ 500

Brennstoff

Zündtemp. In °C

Rohbraunkohle Ruß Stadtgas Steinkohle Staub Fettkohle Eßkohle Anthrazit Streichholz Torf, trocken

200…240 500…600 ≈ 450 150…220 ≈ 250 ≈ 260 ≈ 485 170 225

Tafel 1.3.8-10 Zündbereiche und Zündtemperaturen der wichtigsten technischen Gase und Dämpfe in Luft bei 1,013 bar Gasart

Chem. Formel

Dichteverhältnis (Luft = 1)

Zündbereich (in Luft) (Vol.-%)

Zündtemperatur (in Luft) (°C)

Ammoniak Azetylen Benzin Butan (n) Erdgas H Erdgas L Ethan Ethylen Ferngas Flüssiggas (50 % Propan/Butan) Generatorgas (Steinkohle) Gichtgas Heizöl EL Klärgas Kohlenmonoxyd Methan Propan Propylen Schwefelwasserstoff Stadtgas I Stadtgas II Wasserstoff

NH3 C 2 H2 – C4H10 – – C 2 H6 C 2 H4 – –

0,59 0,90 – 2,05 0,67 0,64 1,047 1,00 0,39 1,79

15…28 1,5…82 0,6…8 1,8…8,5 5…14 6…14 3,0…12,5 2,7…34 5…33 2…9

630 335 220 460 640 670 510 425 600 490

– – – – CO CH4 C 3 H8 C 3 H6 H2S – – H2

0,90 0,98 0,67 0,60 0,97 0,55 1,56 1,48 1,19 0,47 0,51 0,07

18…64 35…75 0,6…6,5 5…14 12,5…74 5,0…15 2,1…9,5 2…11,7 4,3…45,5 5…38 6…32 4…76

625 495 Å 230 – 605 595 470 455 270 550 550 585

Dichte kg/ dm3*) 0,79 0,90 0,71 0,80 1,26 0,90

CH3–CO–CH3 CH3–COOC2H5 C2H5–O-C2H5 C2H5–OH C2H5CI H2C–O-CH2

Aceton

Äthylacetat

Äthyläther

Äthylalkohol

Äthylchlorid

Äthyloxyd 1,11 0,87 0,87 0,81 0,70 0,88 0,81 0,88 0,81

C4H10O2 CH2 = CH - CH2–OH CH3COO(CH2)4CH3 CH3(CH2)4–OH C7H16 C6H6 CH3–CO-C2H5 CH3COO(CH2)3CH3 C4H9–OH

Äthylglykol

Allylalkohol

Amylacetat

Amylalkohol

Benzin

Benzol

Butanol

Butylacetat

Butylalkohol

Lösemittel

Chem. Formel

83

118

117

80

60…140

131

143

97

137

10,7

12,2

78,3

34,5

150

56,5

Siedepunkt °C

1,4 – 5

1,7 – 15

1,7 – 9,5/11,5

1,4 – 9,5

1,2 – 6,0

1,2 – 7,5

1–7

2,4 – 17

1,8/2,6 – 14,0/15,7

3,0 – 80

3,6 – 14,8

3,3 – 19

1,6 – 40

2,2 – 11,5

2,1 – 13

Zündbereich (in Luft) Vol.-%

Tafel 1.3.8-11 Zündbereiche, Flammpunkte und Zündtemperatur der wichtigsten Lösemittel

22

18

-1

-11

-16… +10

33

19

21

40

-30

-50

11

-40

-4

-17

Flammpunkt °C

450

420

515

730

430-550

330

380

380

240

440

519

558

175

450

450

Zündtemperatur °C

1.3.8 Verbrennung 259

1

46

0,97 0,87 1,46 0,86

C6H5–CH3 CCl2 = CHCl CH2 = CHCl CH3– C4H4–CH3

Toluol

Trichloräthylen

Vinylchlorid

*) bei 20 °C

Xylol

0,85

C10H12

Terpentin

Tetralin

CS2

1,26

Schwefelkohlenstoff

97,2

0,79

C3H7–OH

Propylalkohol

138

-13,9

87

111

206

160

69

151 – 130

0,75

41

0,97

CH2Cl2

Methylenchlorid

-23,7

C3H3O2

1,34

CH3Cl

Methylchlorid

2,7

64,5

C3H7–O-C3H7

0,92

CH3Br

Methylbromid

Propyläther

0,79 1,68

CH3–OH

Methylalkohol

58

101

48,4

Mehtylglykol

0,93

1,03

OCH2CH2 - OCH2CH2 CH3–COO-CH3

1,26

CHCl = C – Cl

Methylacetat

Dioxan

Dichloräthylen

1–7

4 – 31

11,0 – 31,0

1,3 – 7

?

0,8 - ?

1,2 – 50

2,5 – 13,5

?

2,5/3,0 – 14,0/20,0

13 – 18

8,1 – 17,2

8,6 – 20,0

6 – 36,5

3,1 – 15,5

2 – 22,2

6,2 – 12,8

Tafel 1.3.8-11 Zündbereiche, Flammpunkte und Zündtemperatur der wichtigsten Lösemittel (Forts.)

23

30

?

7

80

30…35

-30

12

21

36

-

-

-

6,5

-13

11

14

757

?

400

620

490

255

120

420

?

285

640

632

535

500

455

375

460

260 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.8 Verbrennung

261

Zündgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Verbrennung in einem Gemisch fortpflanzt. Sie ist mit der Zusammensetzung des Gemisches veränderlich und hat innerhalb der Zündgrenzen ein Maximum. Im Gemisch mit Sauerstoff ist die Zündgeschwindigkeit 5- bis 12mal größer als im Gemisch mit Luft. Zahlenwerte bei laminarer Strömung Bild 1.3.8-15. Bei hoher Zündgeschwindigkeit leicht Zurückschlagen der Flamme, z. B. bei Ferngas mit hohem H2-Gehalt. Bei geringer Zündgeschwindigkeit leicht Abheben der Flamme vom Brenner. Zwischen diesen Grenzen liegt der stabile Brennprozeß.

1

Bild 1.3.8-14. Bunte-Dreieck mit CO2max-Werten für verschiedene Brennstoffe.

Bild 1.3.8-15. Zündgeschwindigkeit von Gasen in Luft.

Erdgas enthält keinen freien Wasserstoff und hat daher eine wesentlich geringere Zündgeschwindigkeit als Stadtgas oder Ferngas. Flammpunkt einer Flüssigkeit (Tafel 1.3.8-11) ist im Gegensatz zum Zündpunkt die niedrigste Temperatur, bei der durch eine Flamme die über der Flüssigkeitsoberfläche befindlichen Dämpfe entzündet werden können. Der Dampfgehalt der Luft über der Flüssigkeit muss also die untere Zündgrenze erreichen. Die gemessenen Werte sind je nach Versuchsbedingungen sehr unterschiedlich. Flüssige Brennstoffe sind nach ihrer Feuergefährlichkeit in drei Gefahrenklassen entsprechend dem Flammpunkt eingeteilt: Gefahrenklasse I II III Flammpunkt °C < 21 21–55 55…100. (Verordnung der Bundesregierung über brennbare Flüssigkeiten – VbF – vom 27.2.80)

1.3.8-7

Katalytische Verbrennung1)2)

Bereits 1840 hat Davy eine katalytische Reaktion an der Festkörperoberfläche mit Platin beschichteter Drähte beobachtet. Dennoch fand dieses Themengebiet in der Heizungstechnik erst mit der zunehmenden NOx-Diskussion ein größeres Interesse. Der Katalysator ist ist ein Stoff, der durch seine Anwesenheit eine chemische Reaktion herbeiführt oder sie in ihrem Verlauf bestimmt, selbst aber unverändert bleibt. Bei der katalytischen Verbrennung dienen in der Regel die Elemente Palladium oder Platin als Katalysator. Um eine Vergrößerung der mikroskopischen Reaktionsfläche zu erreichen, werden diese Elemente mit speziell aufbereiteten Aluminiumoxiden, dem sogenannten Wash Coat, vermischt, bevor sie auf das eigentliche Trägermaterial aufgebracht werden. 1) 2)

Schlegel, A.: Experimentelle und numerische Untersuchung der NOx-Bildung bei der katalytisch stabilisierten, mageren Vormischverbrennung. Promotion, ETH Zürich, 1994. Lamm, A.: Modellmäßige Beschreibung und Simulation eines Heizsystems mit keramischem Strahlungsbrenner. Berichte des Forschungszentrums Jülich 3044, 1994.

262

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Die Unterschiede zwischen einer katalytischen und einer homogenen Verbrennung werden Anhand des Bild 1.3.8-16 ersichtlich.

Bild 1.3.8-16. Funktionsprinzip und energetisches Verhalten der katalytischen Verbrennung.

Bei der homogenen Verbrennung ist zur Auslösung der chemischen Reaktion eine hohe Aktivierungsenergie Ea notwendig. Erst nach der Bereitstellung dieser Energiemenge wird durch die eintretende Reaktion die Energiemenge Ea + E freigesetzt und damit ein Energieüberschuss erzeugt. Daher ist für die homogene Verbrennung eine Mindesttemperatur notwendig, um diese aufrechtzuerhalten. Bei der katalytischen Verbrennung läuft die Oberflächenreaktion vereinfacht über drei Teilschritte ab: 1. Stofftransport der Edukte zur Katalysatoroberfläche und anschließende Adsorption 2. Umwandlung der adsorbierten Edukte in Produkte (chemische Reaktion) 3. Desorption der Produkte und Stofftransport von der Katalysatoroberfläche. Beim zweiten Vorgang wird ebenfalls Aktivierungsenergie für die katalytische Umsetzung benötigt. Sie ist jedoch nicht so hoch wie bei der homogenen Verbrennung, so dass ein niedrigeres Temperaturniveau ausreicht, diese Energiemenge bereitzustellen. Geringere Verbrennungstemperaturen ermöglichen aber zugleich auch die angestrebte geringere NOx-Bildung. Die Oberflächentemperatur des Katalysators ist bestimmend für die Reaktionsgeschwindigkeit (Bild 1.3.8-17). Im niedrigen Temperaturbereich ist die Oberflächenreaktionskinetik für den Reaktionsablauf bestimmend. Dabei kann es aber zu einer unvollständigen Verbrennung der Edukte kommen. Bei der rein katalytischen Verbrennung liegt in der Praxis die Katalysatortemperatur im mittleren Temperaturbereich, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit in der Regel durch den Stofftransport und somit vom Katalysatoraufbau kontrolliert wird.

1.3.8 Verbrennung

263

1 Bild 1.3.8-17. Reaktionsgeschwind igkeit in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur.

Bei genügend hohen Temperaturen wird auch das noch nicht reagierende Restgemisch über die homogene Verbrennung in der Gasphase umgesetzt. In einem solchen Fall wird die homogene Verbrennung durch die katalytische Verbrennung stabilisiert, beide Reaktionsvorgänge laufen parallel nebeneinander ab. Die homogene Flamme kann somit auch bei hohen Inertgasanteilen (Produkte aus katalytischer Verbrennung) stabil bleiben und ermöglicht somit auch geringere Temperaturen als die reine homogene Flamme. Dennoch kann eine Null-NOx-Emission, wie bei der katalytischen Verbrennung, nicht erreicht werden. Die Funktion der Katalysatoren kann während der Betriebszeiten durch sogenannte Katalysatorgifte verringert werden. Zu diesen Giften gehören neben vielen Schwermetallen auch Schwefel, welches beispielsweise bei der Odorierung des entschwefelten Erdgases vorkommen kann. Dabei lagern sich diese Stoffe in die Reaktionszentren des Katalysators an und „verstopfen“ diese.

264

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4

Strömungstechnische Grundlagen1)2)

1.4.1

Einleitung

Von den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig sind die Bewegungsvorgänge und statischen Gleichgewichtsbeziehungen der beiden letzteren Gegenstand der Untersuchungen durch die Methoden der Strömungslehre. Dieser Abschnitt ist für Anwendungen der Strömungslehre im Maschinenbau geschrieben, denn auch viele in Maschinen ablaufende Prozesse werden von strömenden Flüssigkeiten und Gasen wesentlich beeinflusst. In Strömungsmaschinen, also in Pumpen, Verdichtern und Turbinen, wird dem strömenden Medium durch das Laufrad Energie zugeführt bzw. entzogen. Bevorzugte Anwendungen der Strömungslehre auf ingenieurtechnischem Gebiet sind der Strömungsmaschinenbau, der Flug- und Fahrzeugbau, aber auch Transportvorgänge von Flüssigkeiten und Gasen in Rohrleitungen. Den Fließvorgang in Rohren, in Krümmern und in Armaturen verlustarm zu halten, ist eine wichtige Aufgabe des Ingenieurs. Zur Darstellung der Strömungslehre wird in diesem Abschnitt im wesentlichen der Weg der Beschreibung eindimensionaler, reibungsbehafteter Strömungsvorgänge in der Hydrodynamik gewählt. Diese Art der Darstellung soll dem Leser einen leichteren Einstieg in die im Detail oft schwierige Materie ermöglichen. Als Teilgebiet der Mechanik ist die Strömungsmechanik ein Grundlagenfach wie z.B. die Festkörpermechanik oder die Thermodynamik. Es ist somit eine Querschnittswissenschaft, die ihre Anwendung in fast allen Bereichen der Technik hat, z.B. in dem für den Maschinenbau typischen Bereichen der Energiemaschinen, Pumpen, Turbinen, Verbrennungsmotoren, Wärmeübertragung, Energieumwandlung, Fördertechnik, Hydraulikanlagen, Schmierungsvorgänge, Gastechnik, Armaturen, Rohrleitungen, Lüftungstechnik, Heizungs- und Sanitärtechnik, Steuer- Mess- und Regelungstechnik.

1.4.2

Eigenschaften der Fluide

Die Strömungsmechanik befasst sich mit den Aggregatzuständen flüssig und gasförmig (Tafel 1.4.1-1). Die untersuchten Medien nennt man Fluide (beachte, dass man den Ausdruck „Fluid“ oft auch auf Flüssigkeiten beschränkt, in diesem Abschnitt werden aber auch Gase als „Fluide“ bezeichnet). Im Ruhezustand kann ein Fluid nur Druckkräfte aufnehmen. Andere Kräfte, wie Zugund Scherkräfte führen zu Deformationsbewegungen. Ihre Skala umfasst: 1. leicht deformierbare Gase, Dämpfe, tropfbare Flüssigkeiten wie Wasser, eine Reihe von Ölen, Alkohol. 2. zähflüssige Fluide wie Öl, Glyzerin, Teer. 3. schwer deformierbare wie Tone und Pasten. Die Strömung eines Gemisches von Flüssigkeiten, Gasen oder körnigen Gütern wird als Mehrphasenströmung bezeichnet. Nachfolgend werden die Haupteigenschaften der Fluide betrachtet.

1) 2)

Neu bearbeitet für die 77. Auflage von Prof. Dr.-Ing. habil. Winfried Heller, Dresden. Adams, N. A.: Technische Strömungslehre 1. Skript, TU Dresden, 2005. Albring, W.: Angewandte Strömungslehre. 6. Auflage, Akademie-Verlag, Berlin 1989. Bronstein, I. N.; Semendjajew, K. A.: Taschenbuch der Mathematik. Hering, E.; Modler, K. H.: Grundwissen des Ingenieurs. Carl Hanser Verlag, München 2007. Hucho, W.-H.: Aerodynamik des Automobils. Vieweg Verlag, 2005. Idelchik, E.: Handbook of Hydraulic Resistance. Jaico Publishing House, Mumbai 2005. Lindner, E.; Döge, K.: Strömungsmechanische Grundlagen der Turbomaschinen. 1. und 2. Studienbrief, TU Dresden, 2000. Prandtl, L.: Führer durch die Strömungslehre. 9. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag, Braunschweig 1990. Schindler, G.; Schlanzke, G.: Strömungsmechanik für TGA. Skript, TU Dresden, 1993. Schlichting, H.; Gersten, K.: Grenzschicht-Theorie. Springer-Verlag, Berlin 2006. Sigloch, H.: Strömungsmaschinen. Carl Hanser Verlag, München 1993. Spurk, J. H.: Strömungslehre. Springer-Verlag, Berlin 1996. Vollheim, R.: Strömungslehre. 3. Lehrbrief, 2. veränderte Ausgabe, TU Dresden, 1985. Zierep, J.: Vorlesungen über theoretische Gasdynamik. 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1993.

1.4.2 Eigenschaften der Fluide

Tafel 1.4.1-1

265

Definition Fluide Aggregatzustand

fest

flüssig

gasförmig

Festkörper

Flüssigkeiten

Gase Fluide

Wechselwirkung der Fluid-Moleküle dominiert durch intermolekulares Potential

1.4.2-1

Wechselwirkung der Gas-Moleküle dominiert durch mechanische Kollisionen

Verformungsgesetze

Im allgemeinen ist die Viskosität (Zähigkeit) temperaturabhängig: Für Flüssigkeiten nimmt die dynamische Viskosität η mit zunehmender Temperatur ab, da die intermolekulare Anziehungskraft reduziert wird. Für Gase nimmt η mit zunehmender Temperatur zu, da mehr Kollisionen zwischen den Gasmolekülen stattfinden können. Fluide sind sehr leicht deformierbar. Der Widerstand gegen Verformung ist der Formänderungs-Ge· schwindigkeit γ proportional. Für Flüssigkeiten (bzw. Fluide) gilt der Newtonsche Reibungsansatz dc χ τ = η ⋅ -------(2.1) dy

Bild 1.4.2-1. Newtonsche und Nicht-Newton’sche Fluide.

Während sich verschiedene Werkstoffe durch unterschiedliche Schubmodule G unterscheiden, werden verschiedene Fluide durch unterschiedliche dynamische Viskositäten (Zähigkeiten) η charakterisiert. Man unterscheidet Newtonsche · und Nicht-Newtonsche Fluide. Für Nicht-Newtonsche Fluide gilt allgemeiner τ = τ( γ ). Diese Fluide verhalten · sich nichtlinear im τ, γ -Diagramm (Bild 1.4.2-1) und werden rheologische Fluide genannt. N ⋅ -s wird in der Strömungsmechanik häufig die Neben der dynamischen Viskosität η --------2 2 m m kinematische Viskosität ν ------- benutzt. Es gilt der Zusammenhang : s η ν = --ρ

(2.2)

wobei die Stoffgrößen abhängig von der Temperatur sind (Tafel 1.4.1-2), beispielsweise:

1

266

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Tafel 1.4.1-2

Dynamische Viskositäten für Wasser und Luft 2

Fluid bei 20oC und 1bar

m ν -------

Wasser

1,01 ⋅ 10-6

Luft

15,0 ⋅ 10-6

1.4.2-2

s

Druckausbreitung

Für die Druckausbreitung gilt, dass an einem Punkt im Inneren eines Fluides der Druck in allen Richtungen gleich groß ist, d.h. der Druck ist eine skalare Größe. Alle Fluide besitzen Masse und damit Massenträgheit, auch wenn sie für Gase bei niedrigem Druck gering sind. Für bewegte Fluide gilt wie für feste Körper das Newton’sche Grundgesetz der Dynamik: dc F = m ⋅ ----dt

1.4.2-3

(2.3)

Kompressibilität

Unter Kompressibilität versteht man die Eigenschaft von Fluiden, ihr Volumen unter Einwirkung äußerer Kräfte zu verändern. Bei tropfbaren Fluiden (Flüssigkeiten) ist die Kompressibilität sehr klein, sie nehmen einen beschränkten Raum ein  inkompressible Medien. Bei Gasen ist die Kompressibilität sehr groß, sie nehmen den ganzen zur Verfügung stehenden Raum ein  kompressible Medien (Tafel 1.4.1-3). Vergleich der Kompressibilität von Wasser und Luft: J Dabei ist T[K] die Absoluttemperatur und R[ --------- ] die Gaskonstante. kgK Tafel 1.4.1-3 Kompressibilität für Wasser und Luft Fluid

Δ p-----p

Δ V------V

ρ

Wasser

1

0,44 · 10-4

konst.

Luft

1

0,50

p ---------R⋅T

ρ Aus der allgemeinen Gasgleichung ρ = ----------- lassen sich die Gleichungen für folgende R⋅T Zustandsänderungen ableiten (siehe Abschnitt 1.3.2): Tafel 1.4.1-4

Wichtige Isentropenexponenten

κ

Fluid Einatomige Gase

1,67

Zweiatomige Gase

1,4

berhitzter Wasserdampf

1,33

Sattdampf

1,135

p Isotherme Zustandsänderung: --- = konst. (Boyle - Mariotte),

ρ

1.4.2 Eigenschaften der Fluide

267

Isobare Zustandsänderung: ρ ⋅ T = konst. (Gay - Lussac), cp p Isentrope Zustandsänderung: -----κ , mit dem Isentropenexponent κ = ---- . cv ρ

1.4.2-4

Haften an festen Wänden

Aus der Experimentalphysik ist die Erfahrungstatsache bekannt, dass Fluidteilchen an des Oberfläche fester Körper haften, d.h. unmittelbar an der Grenzfläche behält eine Schicht von Fluidmolekülen ihre Lage relativ zum festen Körper unter allen Umständen bei (Bild 1.4.2-2). Bewegt sich der Körper in dem Fluid, so bewegt sich diese Schicht mit. Eine Relativbewegung findet nur zwischen den einzelnen Fluidschichten statt. Daraus folgt, dass es keine direkte Reibung zwischen Fluiden und festen Wänden gibt. Bei Strömungsvorgängen tritt ausschließlich innere Reibung im strömenden Medium auf. Haftbedingung: Unmittelbar an der Grenzfläche ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Fluid und festem Körper gleich Null. dc χ Reales Fluid : η ≠ 0  Wandschubspannung tw = η · | -------- |y=0 dy

Bild 1.4.2-2. Geschwindigkeitsprofil eines realen Fluides mit Haftbedingung.

Ideales Fluid: η = 0  Wandschubspannung τw = 0

Bild 1.4.2-3. Geschwindigkeitsprofil eines idealen Fluides.

1

268

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4.3

Statik der Fluide

Die Statik der Fluide ist die Lehre vom Kräftegleichgewicht in ruhenden Fluiden. Das Gleichgewichtsprinzip sagt aus, dass die an einem ruhenden Körper oder Fluidelement angreifenden Kräfte sich im Gleichgewicht befinden. Um den Gleichgewichtszustand im inneren eines Fluides kennenzulernen, wird das auch aus der Festkörpermechanik bekannte Schnittprinzip auf ein Volumenelement angewendet. Für das Kräftegleichgewicht am Volumenelement folgt das Hydrostatische Grundgesetz dp- = – ρ ⋅ g ----(3.1) dh

1.4.3-1

Druck in ruhenden Flüssigkeiten (Hydrostatik)

Integriert man die Gleichung (3.1) für ρ = konst., dann ergibt sich: p = p0 + ρ g(h0 – h)(3.2)

Bild 1.4.3-1. Druckverlauf in ruhenden homogenen Flüssigkeiten.

Das bedeutet, dass in ruhenden homogenen Flüssigkeiten Horizontalebenen Flächen gleichen Druckes sind. Der Druck wächst linear mit dem Abstand von der Oberfläche. Dieses Verhalten wird oft auch als Prinzip der kommunizierenden Röhren bezeichnet. In verbundenen offenen Gefäßen steht der Flüssigkeitsspiegel auf der gleichen Höhe (z.B. Schlauchwaage). Der Druck in der Flüssigkeit ist unabhängig von der Form der Gefäße.

1.4.3-2

Druck in ruhenden Gasen (Aerostatik)

Hierbei ist zu beachten, dass sich mit dem Druck auch die Dichte ändert, d.h. Gleichung (3.1) ist für ρ ≠ konst. zu integrieren.

1.4.3-2.1

Isotherme Schichtung

Für isotherme Schichtung mit T = T0 = konst. ergibt sich nach der Integration von Gleichung (3.1) die Druckverteilung in Abhängikeit von der Höhe h mit g ⋅ p0  p- = exp  – -----------⋅h ---(3.3)  p0  p 0

1.4.3-2.2

Isentrope Schichtung

ρ- κ p- =  ---Für isentrope Schichtung mit ---ergibt sich nach der Integration von Gleichung   ρ p0 0 (3.1)

1.4.4 Grundgleichungen bewegter Fluide

269

κ-----------

⋅ ρ0  κ – 1 – 1- g----------p- =  1 – κ -----------⋅h ---⋅   ρ0 κ p0

(3.4)

Schichtung der Erdatmosphäre: (1) h < 100m: Erdnahe Schicht, Berechnung wie in Hydrostatik mit Gleichung (3.2). – h ≤ 11km: Troposphäre, polytrop, Berechnung mit Gleichung (3.4) und dem Polytropenexponent n. ΔT Allgemein ist n = f( ------- ) = 1,2 … 1,3. In der Troposphäre gilt im Mittel Δh Δ T - = ------------0,57 °- . ------------100 m 100 m – h > 11km: Stratosphäre, isotherm. Eine Temperaturabnahme der Luft mit der Höhe erfolgt Messungen zu Folge nur innerhalb der Troposphäre. In der Stratosphäre bleibt die Temperatur konstant mit Ts = 223K. Infolge der Erdrotation hat die Troposphäre am Äquator eine Höhe von hT = 14km und an den Polen ist hT = 7km. In der Stratosphäre gilt die Beziehung: g ⋅ ( hs – hT ) (3.5) p s = p T ⋅ exp – --------------------------R ⋅ Ts mit: pS – Druck in der Stratosphäre in der Höhe hS, TS – absolute Temperatur in der Stratosphäre, und pT – Druck am oberen Rand hT der Troposphäre.

1.4.4

Grundgleichungen bewegter Fluide

1.4.4-1

Begriffe

Aus der Mechanik sind die 3 Erhaltungssätze bekannt: 1. Erhaltung der Masse, 2. Erhaltung der Energie, 3. Erhaltung des Impulses. Als Referenzsystem wird hier ein kartesisches Koordinatensystem mit den Koordinaten (x, y, z) benutzt. In der Lagrangeschen Beschreibung bewegt sich der Betrachter mit dem Fluidelement auf dessen Bahnlinie mit und beobachtet die Änderung dessen Eigenschaften (Dichte, Geschwindigkeit, Druck, ...). In der Eulerschen Beschreibung befindet sich der Beobachter am festen Ort. Die Änderung der Fluideigenschaften, die er am festen Ort beobachtet, resultieren sowohl aus der Änderung der Eigenschaften eines individuellen Fluidelements, als auch daher, dass sich am festen Ort des Beobachters zu verschiedenen Zeiten im allgemeinen verschiedene Fluidelemente befinden. Die Eulersche Beschreibung ist demzufolge eine raumfeste Betrachtung. Allgemein werden somit c; p; ρ; T = f (x, y, z, t). Folgende Begriffe werden im Weiteren benutzt:

Bild 1.4.4-1. Stromfaden gebildet aus Stromlinien und Stromröhre.

1

270

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Stromlinien sind Integralkurven des momentanen Geschwindigkeitsfeldes zu einem festen Zeitpunkt t, d.h. c (x, y, z, t) ist an jedem Ort tangential zur Stromlinie. Eine Stromfläche ist ein Bereich, der von einer Schar von Stromlinien aufgespannt wird, wärend die Stromröhre ein röhrenförmiges Gebilde ist, dessen Mantelfläche aus Stromlinien besteht. Der Stromfaden ist der fluide Inhalt einer Stromröhre (Bild 1.4.4-1). Bei stationärer Strömung sind alle Größen unabhängig von der Zeit t, d.h. es wird nur die Koordinate s des Stromfadens betrachtet. Eine Bahnlinie ist die Linie, die von einem bestimmtem Fluidelement im Verlauf der Zeit beschrieben wird. Die Streichlinie ist die Verbindungslinie aller Fluidelemente zu einem bestimmten Zeitpunkt, die jemals durch einen gleichen Ort geströmt sind. Für stationäre Strömung gilt: Stromlinie = Bahnlinie = Streichlinie

1.4.4-2

Kontinuitätsgleichung

Definition 1 In einem abgeschlossenen Kontrollraum kann Masse weder entstehen noch verlorengehen.

1.4.4-2.1

Stationäre Strömung

Für stationäre Strömung gilt:

ρ1 · A1 · c1 = ρ2 · A2 · c2

(4.1)

Daraus folgt die Kontinuitätsgleichung: · = m · m 1 2

(4.2)

Die Kontinuitätsgleichung gilt sowohl für die Hydro- als auch Aerodynamik. Bei hydrodynamischer Strömung ist ρ = konst. Damit vereinfacht sie sich zur Kontinuitätsgleichung der Hydrodynamik: V· 1 = V· 2

Bild 1.4.4-2. Darstellung zur Masseerhaltung.

(4.3)

1.4.4 Grundgleichungen bewegter Fluide

271

In einem Kanal ist die Geschwindigkeit c(r) parallel gerichtet und über den Querschnitt veränderlich. 1. Rotationssymmetrische Rohrströmung:

1 Bild 1.4.4-3: Rohrkanal.

Der Massenstrom durch einen Rohrquerschnitt ist R

· = m



R

(ρ · 2π) · c(r) · rdr = 2πρ

0

 c(r) · rdr = ρ · A · c

(4.4)

0

Dabei ist c die über den Rohrquerschnitt (und über die Zeit) gemittelte Geschwindigkeit. 2. Ebener Kanal:

Bild 1.4.4-4. Ebener Kanal.

Der Massenstrom durch einen Kanalquerschnitt ist: α

· =ρ·b m

 c(y) · dy = m· = ρ · a · b · c

(4.5)

0

Dabei ist c- die über den Kanalquerschnitt (und über die Zeit) gemittelte Geschwindigkeit.

1.4.4-2.2

Instationäre kompressible Strömung

Definition 2 Die Differenz zwischen den durch die Grenzen eines ortsfesten Kontrollraumes ein- und austretenden Massenströme ist gleich der Massenänderung innerhalb dieses Kontrollraumes. Für gasdynamische (kompressible) Strömungen gilt: dρ · –m · = dm m (4.6) ------- = V ⋅ -----1 2 dt dt

272

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Für hydrodynamische (inkompressible) und stationäre Strömungen gilt: · –m · = 0 bzw. dm ------- = 0 m 1 2 dt

1.4.4-3

(4.7)

Eulergleichung

c ⋅ dc + dp ----- + g ⋅ dh = 0

(4.8)

ρ

Gleichung (4.8) ist die Eulergleichung für eine stationäre, reibungsfreie Strömung. Die instationäre und reibungsfreie Eulergleichung lautet: dc ----- + c ⋅ dc + dp ----- + g ⋅ dh = 0 (4.9) dt ρ

1.4.4-4

Bernoulligleichung

--ρ- ⋅ c 2 + p + ρ · g · h = konst 2

(4.10)

Gleichung (4.10) wird als die Bernoulligleichung der Hydrodynamik bezeichnet und kann wie folgt geschrieben werden:

ρ 2 pges = --- ⋅ c + p + ρ · g · h = konst 2

mit:

pges

=

Gesamtdruck

p+ρ⋅g⋅h

=

statischer Druck

p

=

örtlicher Druck

ρ⋅g⋅h

=

Höhenglied

--ρ- ⋅ c 2 2

=

Staudruck oder dynamischer Druck

(4.11)

Gleichung (4.11) kann angewendet werden: 60 • bei Gasen bis c = 60 m/s (Ma= -------- = 0,2) 300 • bei Flüssigkeiten bis zum Erreichen des Dampfdruckes

1.4.4-4.1

Stationäres Ausflussproblem

Es der Ausfluss aus zwei großen, offenen Behältern ins Freie betrachtet (Bild 1.4.4-5): Mit Hilfe von Gleichung (4.11) ergibt sich: p ges = p ges 1

2

--ρ- ⋅ c21 + p 1 + ρ ⋅ g ⋅ h 1 = ρ --- ⋅ c22 + p 2 + ρ ⋅ g ⋅ h 2 2 2

(4.12) (4.13)

1.4.4 Grundgleichungen bewegter Fluide

273

1 Bild 1.4.4-5. Stationärer Ausfluss aus zwei Behältern.

Um die Aufgabe lösen zu können, muss eine Aussage über die Drücke in den jeweiligen Austrittsquerschnitten gemacht werden. Der folgende Satz liefert diese Aussage. Definition 3 Im Austrittsquerschnitt eines Freistrahles herrscht der Umgebungsdruck. Damit ergeben sich die nachstehenden Randbedingungen: c1 = 0 c2 =?

p1 = p2 = pb h1 - h2 = Δh

und die gesuchte Austrittsgeschwindigkeit c2 berechnet sich zu: --ρ- ⋅ c22 = ρ ⋅ g ⋅ ( h 1 – h 2 ) 2 2

c2 = 2 ⋅ g ⋅ Δ h c2 =

2 ⋅ g ⋅ Δh

Torricelli-Ausflussformel

(4.14)

Gleichung (4.14) ist die Ausflussformel von TORRICELLI (1608–1647). Achtung! Sie gilt nur, wenn im Austrittsquerschnitt der Gleiche Druck herrscht wie am Flüssigkeitsspiegel. Die Ausflussgeschwindigkeit c2 ist unabhängig von der Ausflussrichtung. Sie ist genau so groß wie die Geschwindigkeit eines festen Körpers im freien Fall.

1.4.4-4.2

Instationäres Ausflussproblem

Ausfluss aus großen, offenen Behältern ins Freie: Es gilt: s3

1 2 ∂cds + -- c 3 – gh = 0  ---2 ∂t

(4.15)

s1

Diese Gleichung kann noch nicht nach c3 aufgelöst werden. Weiterhin nimmt man an, dass der Geschwindigkeitsbetrag c zwischen s1 und s2 vernachlässigbar klein im Vergleich zu c3 ist (siehe Bild 1.4.4-6 großer Behälter, dünnes Rohr). Mit der Kontinuitätsglei∂ cchung erhält man für das Rohr c2 = c3 = c. Man erhält, dass ---≈ 0 zwischen s1 und s2 und ∂t ∂ c---≈ const zwischen s und s ist. Also ist 2 3 ∂t s3

∂c

s3

∂c

dc

- ds ≈  ----- ds ≈ ----- L  ---dt ∂t ∂t

s1

s1

(4.16)

274

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.4-6. Instationärer Ausluss aus einem Behälter.

Die daraus enstehende gewöhnliche Differentialgleichung kann man durch Separation der Variablen1) mit der Anfangsbedingung c(t = 0) = 0 lösen und erhält c3 =

1.4.4-4.3

gh t 2gh ⋅ tanh  -------------  2 L

(4.17)

Bernoulligleichung mit Verlustglied

Die im Abschnitt 4.4 abgeleitete Bernoulligleichung der Hydrodynamik, erweitert um die in Strömungen herrschenden Reibungskräfte, die Druckverluste verursachen, lautet: p ges = p ges +  Δ p V 1

(4.18)

2

2

--ρ- ⋅ c 21 + p 1 + ρ ⋅ g ⋅ h 1 = --ρ- ⋅ c 22 + p 2 + ρ ⋅ g ⋅ h 2 +  Δ p V 2 2

(4.19)

1

Allgemein gilt für den Druckverlust der Zusammenhang

ρ 2 Δ p V = ζ ⋅ --- ⋅ c

(4.20)

2

wobei mit ζ der sogenannte Verlustbeiwert bezeichnet wird (siehe Abschnitt 5.1.2). Beispiel: Überströmen Geg.: Spiegelhöhendifferenz Δh, Umgebungsdruck pb, Dichte des Fluids ρ Ges.: Strömungsgeschwindigkeit c an der Stelle=O Es soll nur der Austrittsverlust Δ p V

A

berücksichtigt werden, ansonsten soll die Strömung

reibungsfrei betrachtet werden. Hierbei gilt: Definition 4 Beim Austritt eines Freistrahles in einen unendlich großen Raum geht die gesamte kinetische Energie durch Verwirbelung verloren (sie wird in Wärme umgewandelt). Der Austrittsverlustbeiwert ζAustritt = ζA = 1. ρ 2 ρ 2 Der Austrittsverlust beträgt Δ p V = ζA · --- c A = 1 ⋅ --- c A 2 2 A

1)

.

Bronstein, N. ; Semendjajew, K. A.: Taschenbuch der Mathematik.

1.4.4 Grundgleichungen bewegter Fluide

275

1 Bild 1.4.4-7. Beispiel Überströmen.

p ges = p ges + Δ p V 1

3

ρ- 2 --ρ- ⋅ c 21 + p 1 + ρ ⋅ g ⋅ h 1 = -⋅ c + p3 + ρ ⋅ g ⋅ h3 + Δp 2 2 3 V Randbedingungen:

p1 = p3 = pb

ρ 2 ρ 2 ΔpV = ΔpV A = ζ A ⋅ --- c A = 1 ⋅ --- c 2 2

2

c1 = c3 = 0 h1 - h3 = Δh p ges – p ges = Δ p V 1

c2 =

3

2 ⋅ g ⋅ Δh

Da die Austrittsverluste sehr groß sind, können sie auch bei reibungsfreier Betrachtung nicht vernachlässigt werden (ζA = 1 !).

1.4.4-4.4

Bernoulligleichung mit Verlust und Energiezufuhr

Analog zur Betrachtung, die zur Bernoulligleichung mit Verlustglied führt, erhält man für den Fall, dass sowohl Verluste auftreten als auch eine Gesamtdruckerhöhung, beispielsweise durch eine Pumpe mit DpP oder durch einen Lüfter mit DpL, erfolgt: p ges = p ges + Δ p V – Δ p ρ

(4.21)

ρ- 2 --ρ- ⋅ c 21 + p 1 + ρ ⋅ g ⋅ h 1 = -⋅ c 2 + p2 + ρ ⋅ g ⋅ h2 + Δ pV – Δ pρ 2 2

(4.22)

1

2

Bild 1.4.4-8. Stromfaden mit Verlust und Energiezufuhr

276

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Definition 5 Der Gesamtdruck im Querschnitt N=ist gleich dem Gesamtdruck im Querschnitt O plus der Summe aller Gesamtdruckverluste minus der Summe aller Gesamtdruckerhöhung durch Pumpen oder Lüfter auf dem Weg von N nach O längs eines Stromfadens.

1.4.5

Stationäre Rohrströmung mit Reibung

1.4.5-1

Ausgebildete Strömung in geraden Rohren

1.4.5-1.1

Strömungsformen

OSBORNE REYNOLDS (1883) unterschied erstmals auf Grund experimenteller Beobachtungen zwei Strömungsformen: a) laminare Strömung b) turbulente Strömung Er beobachtete einen Farbfaden in einem wasserdurchströmten Glasrohr. Im Ergebnis des Experiments stellte er fest:

Bild 1.4.5-1. Laminare und turbulente Strömungsform

Das Kriterium für die Strömungsform ist die sogenannte Reynolds-Zahl. ⋅ DRe = c---------v D c

= =

Rohrdurchmesser [m] mittlere Geschwindigkeit [m/s]

v = η --- =

kinematische Zähigkeit [m2/s]

ρ

Re ≤ 2320 : Re = 2320 = Re ≥ 2320 :

1.4.5-1.2

(5.1)

laminare Strömung: Farbfaden bleibt lange erhalten, geringe Durchmischung, geschichtete Strömung Rekrit : Umschlag laminar/turbulent turbulente Strömung: schnelle Auflösung des Farbfadens, starke Durchmischung

Laminare Strömung in kreiszylindrischen Rohren

Es wird der Fall der stationären, voll ausgebildeten, laminaren Rohrströmung betrachtet. Dies ist das Geschwindigkeitsprofil der laminaren Rohrströmung. Es ist eine Parabel. Für den Volumenstrom ergibt sich:

Bild 1.4.5-2. Geschwindigkeitsprofil c(r) der laminaren Rohrströmung und c¯

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

277 R/R

V· =  c ⋅ dA = A

2  c ⋅ 2 π rdr = R ⋅ c max ⋅  A

0

r 1 –  ---  R

2

⋅ 2 π --- ⋅ d  --- r R

r R

(5.2)

2

π ⋅ R ⋅ c max V· = --------------------------2 Für die mittlere Geschwindigkeit folgt: · c max V· - = --------c = V ---- = -----------2 2 A π⋅R

1.4.5-1.3

(5.3)

(5.4)

Turbulente Strömung in kreiszylindrischen Rohren

Es wird wiederum den Fall einer stationären, voll ausgebildeten, rotationssymmetrischen Rohrströmung betrachtet.

Bild 1.4.5-3. Geschwindigkeitsprofil c(r) der turbulenten Rohrströmung und c¯, sowie die Darstellung der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen

Bild 1.4.5-4. Vergleich der Geschwindigkeitsprofile von laminarer und turbulenter Rohrströmung

In einer turbulenten Strömung setzt sich die Geschwindigkeit c(t) = c¯+ c´(t) zusammen aus dem zeitlichen Mittelwert c¯ und dem momentanen Schwankungswert c´(t). Für die folgenden Betrachtung ist der zeitlichen Mittelwert c¯ bedeutungsvoll. Mit c¯ soll weiterhin wie bei der laminaren Rohrströmung die über den Rohrquerschnitt gemittelte Geschwindigkeit beschrieben werden. Bild 1.4.5-4 zeigt den grundsätzlichen Unterschied zwischen den Geschwindigkeitsverteilungen bei voll ausgebildeter laminarer und turbulenter Rohrströmung. Für die turbulente Rohrströmung gilt: 1. Die Haftbedingung an der Wand, das heißt c(r = R) = 0 2. Zur Berechnung der turbulenten Reibung werden empirische Ansätze verwendet. 3. Bei gleichem Volumenstrom (d.h. bei gleicher mittlerer Geschwindigkeit c¯) ist der Druckverlust größer als in laminarer Strömung, da Wirbel den Impulsaustausch vergrößern. 4. Die Wandrauigkeit hat Einfluss auf den Druckverlust, wenn die Rauigkeitserhebungen k größer sind als die Dicke der laminaren Unterschicht. Man spricht dann von hydraulisch rauen Oberflächen. 5. Ist k kleiner als die Dicke der laminaren Unterschicht, dann ist die Wandrauigkeit ohne Einfluss auf die Reibungsverluste. Man spricht in diesem Falle von hydraulisch glatten Oberflächen.

1

278

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Für das turbulente Geschwindigkeitsprofil in Rohren gilt nach Prandtl und v. Kármán außerhalb der laminaren Unterschicht:

Bild 1.4.5-5. Einfluss der Wandrauigkeit --1-

r n c ---------- =  1 – ---  R c max

(5.5)

Für hydraulisch glatte Rohre gilt: Tafel 1.4.5-1

Turbulente Geschwindigkeitsprofile für hydraulisch glatte Rohre.

⋅ DRc = c---------v

10

n

7

8

9

10

c max --------c -

1,225

1,195

1,175

1,156

1.4.5-1.4

5

6 ⋅ 10

5

1,2 ⋅ 10

6

2 ⋅ 10

6

Druckverlust, Rohrreibungsdiagramm

Die allgemeine Definition des Druckverlustes nach Gleichung (4.20) lautet ΔpV = ρ ζ ⋅ --- ⋅ c 2 . 2 Da in geraden Rohren ζ außer vom Strömungszustand auch von der Rohrlänge L und dem Durchmesser D abhängig ist (siehe Abschnitt 3.8.2), wird zur Verallgemeinerung für gerade Rohre geschrieben: L ζ = λ ⋅ ---(5.6) D Für den Druckverlust im geraden Rohr ergibt sich somit: L ρ Δ p V = λ ⋅ ---- ⋅ --- ⋅ c 2 D 2 Für eine Anzahl i verschiedener Rohrstücke hintereinander gilt: L ρ Δ p V =  λ i ⋅ -----i ⋅ --- ⋅ c 2i Di 2

(5.7)

(5.8)

i

Bei beliebigen Leitungswiderständen (z.B. Krümmern, Ventilen, Verzweigungen usw.) schreibt man

ρ Δ p V = λ ⋅ --- ⋅ c 2 2

(siehe Gleichung (4.20)). Dabei ist der Verlustbeiwert des jeweiligen Bauteils1) Für turbulente Strömungen werden die λ-Werte und die ζ-Werte empirisch gewonnen, d.h. sie

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

279

werden aus umfangreichen Messreihen bestimmt. Der Rohrreibungswert λ ist eine Funktion der Reynoldszahl Re und dem Verhältnis des Rohrdurchmessers D zur RauigD keitserhebung k. Die für λ abhängig von Re und ---- ermittelten Werte sind im Rohrreik bungsdiagramm nach NIKURADSE zusammengestellt (Bild 1.4.5-6). Man unterteilt das Diagramm in verschiedene Bereiche:

1

Bild 1.4.5-6. Rohrreibungsdiagramm nach Nikuradse.

1 laminarer Bereich: 64 λ = ----Re

(5.9)

2. turbulenter Bereich: diesen unterteilt man wiederum in die Bereiche: 2.1 hydraulisch glatt nach Blasius: 5 0,3164 λ = --------------Re ≤ 10 (5.10) 1--

Re 4 2.2 hydraulisch glatt nach Prandtl: 1 ------- = 2,0 ⋅ log (Re ⋅ λ) – 0,8 λ

Re beliebig

(5.11)

2.3 hydraulisch rau: D D 1 ------- = 1,14 + 2,0 ⋅ log  ---- = f  ----  k  k λ

(5.12)

2.4 Übergangsbereich:

λ = f  Re ⋅ ---- k D

1)

(5.13)

Idelchik, E.: Handbook of Hydraulic Resistance. Jaico Publishing House, Mumbai 2005 — ISBN 81-7992-118-2.

280

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4.5-1.5

Rohrleitungen mit beliebigen Querschnittsformen

Die an Rohren mit kreisförmigen Querschnitten gewonnenen Reibungsbeiwerte lassen sich für turbulente Strömungen auch auf andere Querschnittsformen übertragen, wenn statt des Rohrdurchmessers D ein hydraulischer Durchmesser Dh benutzt wird. Aus dem Gleichgewicht der Druck- und Reibungskräfte ergibt sich als charakteristische Querabmessung das Verhältnis A/U . Man definiert den hydraulischen Durchmesser wie folgt: A D h = 4 ⋅ ---(5.14) U A = die durchgeströmte Fläche

Dabei ist:

U = der benetzte Umfang

Beispiel Rechteck: 4 ⋅ a ⋅ b- = ---------------2 ⋅ a ⋅ bD h = -------------------2(a + b) a+b

(5.15)

Bild 1.4.5-7. Bestimmung des hydraulischen Durchmessers aus Rechteckquerschnitt.

1.4.5-2

Durchströmteile

Allgemein gilt die Bernoulligleichung mit Berücksichtigung von Verlusten und Energiezufuhr. P ges = p ges +  Δ p V 1

2

1,2

–  Δ pp

1,2

(5.16)

 Δ p V1,2 erfasst alle Verluste in eingebauten Durchströmteilen wie z. B. Krümmern, Ventilen u. a. und in der Rohrleitung selbst

 Δ p p1,2 erfasst die Druckerhöhungen durch alle zwischen N=und O angeordneten Pumpen

Verluste in einer Rohrleitung mit hintereinander angeordneten Einbauten berechnen sich wie folgt:

 Δ pV

1,2

2 c 2j li c i = ρ  λ i ⋅ ----- ⋅ ------- + ρ  ζ j ⋅ ------Di 2 2 i

(5.17)

j

Dabei ist i die Anzahl der geraden Rohrabschnitte und j die Anzahl der Einbauten (Krümmer, Ventile, Düsen u.a.) mit

ς=

ΔpV nach Gleichung (4.20). ρ −2 c 2

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

1.4.5-2.1

281

Rohreinlaufströmung

Durch Umformung des Geschwindigkeitsprofiles in das Profil einer ausgebildeten Rohrströmung kommt es zu einem zusätzlichen Verlust. Man nennt diesen Verlust den Anlaufverlust (oder auch Einlaufverlust). Nach Gleichung (4.20) gilt

ρ ΔpVE = ς E ⋅ c−2 . 2 • laminar: ζE = 1, 16 • turbulent:

ζE = 0, 22 Re = 10

5

Tafel 1.4.5-2

1.4.5-2.2

1 0, 19 5 · 10

0, 18 5

10

6

0, 14 5 · 10

5

Einlaufverlust turbulente Rohrströmung

Krümmer

In Krümmern treten zusätzlich zu den Reibungsverlusten Verluste durch örtlich erhöhte Geschwindigkeiten und durch Verwirbelungen in Gebieten abgelöster Strömung auf. In scharfkantigen Krümmern treten Ablösegebiete auf, das Geschwindigkeitsprofil ist nach außen gedrängt. Auf der Innenseite kommt es teilweise zum Rückströmen. Durch Abrundung der Krümmerkontur sowie durch Umlenkschaufeln können beide Nachteile beseitigt werden. Umlenkschaufeln bringen nur dann Vorteile, wenn die Strömung im Rohr drallfrei ist. Die Parameter Querschnittsform, Umlenkwinkel, Krümmungsradius, Rauhigkeit der Oberfläche und Einbauten (z.B. Umlenkschaufeln) haben Einfluss auf ζKr. Weitere Angaben hierzu1) in Bild 1.4.5-8 zeigt die Abhängigkeit des Verlustbeiwertes Kr. vom Krümmungsverhältnis und der Umlenkung für Rohre mit Kreisquerschnitt. Bild 1.4.5-9 wird der Verlustbeiwert Kr. für verschiedene Krümmerformen abhängig vom Umlenkwinkel gezeigt.

Bild 1.4.5-8. Einfluss der Abrundung auf Verlustbeiwerte von Krümmern.

1)

Hering, E.; Modler, K. H.: Grundwissen des Ingenieurs. Carl Hanser Verlag, München 2007 — ISBN 978-3-446-22814-6.

282

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.5-9. Einfluss von Form und Winkel auf Verlustbeiwerte von Krümmern.

1.4.5-2.3

Verzweigungen

Während die Verlustbeiwerte von Trennungen dem jeweiligen Strang im Abstrom zugeordnet werden, gilt umgekehrt für Vereinigungen, dass diese dem jeweiligen Strang im Zustrom zugeordnet werden. Es gilt: ΔpV d = Verlustbeiwert des durchgehenden Volumenstromes ςd = ρ −2 c 2 ΔpV a = Verlustbeiwert des abgelenkten Volumenstromes ςa = ρ −2 c 2 Bezugsgeschwindigkeit ist in beiden Fällen die mittlere Geschwindigkeit des Gesamt-

V . Dabei ist V· = V· α + V· d . Die in Rohrverzweigungen auftretenden A Verluste sind im wesentlichen abhängig vom Abzweigwinkel ϑ und vom DurchsatzverV hältnis a . V Die Bild 1.4.5-10 zeigt die Abhängigkeiten der Verlustbeiwerte für abgelenkte und durchgehende Volumenströme. Dabei bedeuten negative Verlustbeiwerte eine Energiezufuhr in den betreffenden Volumenstrom auf Kosten eines Verlustes im anderen Volumenstrom.

stromes c =

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

283

1

Bild 1.4.5-10. Widerstandsbeiwerte in Rohrverzweigungen.

1.4.5-2.4

Drosselorgane

Drosselorgane wie Schieber, Ventile oder Drosselklappen werden in Rohrleitungen zum Einstellen eines gewünschten Volumenstromes benutzt. Ihr Druckverlust ist abhängig vom Öffnungszustand, wobei der Verlustbeiwert ζDr in den Grenzen ζ0 ≤ ζDr ≤ × liegt. Dabei ist ζ0 der Verlustbeiwert des vollständig geöffneten und ζDr ≈ × der Verlustbeiwert des vollständig geschlossenen Drosselorgans. Der Verlauf der Kurve wird durch die spezielle Konstruktion bestimmt. Als Beispiel sei der Verlauf für einen Schieber abhängig vom Öffnungsverhältnis h/D gezeigt. Im Allgemeinen ist c die mittlere Geschwindigkeit in der Zuströmleitung.

284

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.5-11. Drosselorgan.

1.4.5-2.5

Düsen und Einläufe

Düsen haben die Aufgabe, das durchströmende Medium durch Flächenverengung zu beschleunigen. In beschleunigten Strömungen ist die Gefahr der Strömungsablösung sehr gering. Damit sind die Druckverluste in Düsen und gut gestalteten Einläufen klein. Bei der Gestaltung dieser Bauteile sind Kanten und Krümmungssprünge in den Konturen zu vermeiden. Bei einer richtigen Gestaltung treten in diesen Bauteilen nur Reibungsverluste auf. Die Verlustbeiwerte liegen zwischen D = 0,001 bis 0,01.

1.4.5-2.6

Diffusoren

Diffusoren sind Bauteile, in denen die Strömung durch Flächenerweiterung in Strömungsrichtung verzögert wird. Durch den Einsatz eines Diffusors kann folgendes erreicht werden: Verringerung der Geschwindigkeit, Druckanstieg und Energieeinsparung. Man unterscheidet Übergangsdiffusoren und Enddiffusoren. Beim Übergangsdiffusor findet ein Druckanstieg auch noch hinter der Erweiterung statt bis zum Ausgleich des Geschwindigkeitsprofils. Folgende Festlegung wird getroffen: Der gesamte Druckanstieg wird dem Diffusor zwischen den Querschnitten w 1 und w 2 =zugeschrieben und die Rohrleitungen bis w 1 und ab w 2 wie üblich berechnet. Zwischen den Querschnitten 1 und 2 wird die Bernoulligleichung mit Verlustglied angesetzt:

ρ −2 ρ c + p1 = −c22 + p2 + ΔpVD (5.18) 2 1 2

Bild 1.4.5-12. Übergangsdiffusor.

Dabei ist:

ρ %pVD = 70 ¸ c12 2 1 und w 2. ζ0 = oberer Verlustbeiwert. Er beinhaltet alle Verluste im Diffusor zwischen w Es ergibt sich:

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

⎡ ⎛ ⎞2 ⎤ A ς0 = (1 − ηD ) ⋅ ⎢⎢1 −⎜⎜⎜ 1 ⎟⎟⎟ ⎥⎥ ⎢ ⎜⎝ A2 ⎠⎟ ⎥ ⎣ ⎦ Der Diffusorwirkungsgrad D wird aus Messungen bestimmt: ⎛A ⎞ ηD = f ⎜⎜⎜ 2 , v , Re⎟⎟⎟ ⎟⎠ ⎜⎝ A1

285

(5.19)

(5.20)

Für Kreiskegeldiffusoren gilt der Richtwert: ϑ ≤ 4° bzw. krit ϑkrit. ≈ 4°. Wird der Wert von ϑkrit. überschritten, erfolgt Ablösung an den Wänden des Diffusors und es kommt zum starken Abfall von ηD . Es wird im Allgemeinen analog zu ζ0 ein oberer Diffusorwirkungsgrad η0 definiert mit η0 = 1–ζ0. Hinter dem Enddiffusor tritt die Strömung ins Freie (unendlich großer Raum) aus. Es wird dem Diffusorverlust der Austrittsverlust dazugeschlagen. Damit kann die Bernoulligleichung einmal zwischen w 1 und w 2 und einmal zwischen w 1 und w 3 angesetzt werden.

Bild 1.4.5-13. Diffusordiagramm für Kreiskegeldiffusor.

ρ ρ p1 + c21 = p2 + 7u ¸ c22 2 2 1 und w 2 ζu = unterer Verlustbeiwert. Er beinhaltet alle Verluste im Diffusor zwischen w sowie die Austrittsverluste. Man erhält: ⎡ ⎛ ⎞2 ⎤ A (5.21) ςu = 1 − ηD ⎢⎢1 −⎜⎜⎜ 1 ⎟⎟⎟ ⎥⎥ ⎢ ⎝⎜ A2 ⎠⎟ ⎥ ⎣ ⎦ Parallel zum oberen Diffusorwirkungsgrad wird ein unterer Diffusorwirkungsgrad definiert mit ηu = 1 – ζu. Eine spezielle Bauarten ist der Radialdiffusor (Bild 1.4.5-15).

Bild 1.4.5-14. Enddiffusor.

1

286

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.5-15. Radialdiffusor und gemessener Wirkungsgradverlauf.

Beispiel: Pumpenanlage Mit einer Pumpenanlage wird aus einem Brunnen Wasser in ein höhergelegenes Becken gefördert. Dem Brunnen fließt seinerseits Wasser über einen groben Filter aus einem See durch eine Rohrleitung zu. Die Rohrreibungszahlen der hydraulisch glatten Leitungen w 2 und w 3 sind bekannt. Gegeben:

d1 = 0,2m

d2 = 0,25m

d3 = 0,2m

l1 = 2m

l2 = 10m

l3 = 20m

k1 = 1,6mm

ζF = 0,2

ζK = 0,3

λ2 = λ3 = 0,012

p× = 10 Pa

ν = 1,01 · 10 m /s

A -----*1- = 0,3 A1

ηD = 0,8; ζR = 1,0

3

–6

hP = 2m 2

ρ = 1000 kg/m

Zu berechnen sind die Ausdrücke und die Zahlenwerte für: a) die Höhendifferenz z der Wasserspiegel in See und Brunnen, b) der Druck pS unmittelbar vor der Pumpe sowie c) der Drucksprung ΔpP über die Pumpe hinweg, d) Wie groß wird zmD , wenn an die Rohrleitung A1 zusätzlich ein Enddiffusor mit dem Flächenverhältnis -----*- und A1 dem Diffusorwirkungsgrad ηD angebracht wird?

3

hB = 10m V· = 550 m3/h

1.4.5 Stationäre Rohrströmung mit Reibung

287

1

Bild 1.4.5-16.

a) Mit der Bernoulligleichung zwischen den Punkten w 0 und w 5 folgt: 2 ⎛ ⎞ c l z = 1 ⎜⎜⎜ς F + λ1 ⋅ 1 + 1⎟⎟⎟ ⎟⎠ d1 2 g ⎜⎝

d m2 , Re1 = 9, 63 · 105 und 1 = 125 folgt aus dem Rohrreibungsdiagramm k1 s2 λ1 = 0, 036 und damit ergibt sich die Wasserspiegeldifferenz: z = 1,876m. Mit c12 = 23, 7

b)Analog folgt zwischen w 5 und w S: 2

ρ ⎛ 4 ⋅ V ⎞⎟ ⎟⎟ ps =pb − ρ ⋅ g (z + hP ) − ⎜⎜⎜ 2 ⎝⎜ π⋅ d22 ⎠⎟

⎛ l ⎞ ⋅ ⎜⎜⎜1 + ς F + ς K + λ 2 ⋅ 2 ⎟⎟⎟ ⎜⎝ d2 ⎠⎟

Mit λ2 = 0, 0122 für hydraulisch glattes Rohr (gegeben siehe Aufgabenstellung) ergibt sich der Druck im Saugstutzen der Pumpe: pS = 5,235 104Pa. c) Mit der Bernoulligleichung zwischen den Punkten w 5 und w 4 folgt:

⎞ l l ⎞ ρ ⎛ ρ ⎛ ΔpP = ρ ⋅ g (z + hP + hB ) + c22 ⋅ ⎜⎜⎜ς F + ς K + λ 2 ⋅ 2 ⎟⎟⎟ + c32 ⋅ ⎜⎜⎜3 ⋅ ς K + λ 3 ⋅ 3 + 1⎟⎟⎟ 2 ⎝⎜ d2 ⎠⎟ 2 ⎝⎜ d3 ⎠⎟ Damit ergibt sich: pP = 1,771 · 105 Pa d) Mit der Bernoulligleichung zwischen den Punkten w 0 und w 5 folgt: ⎧ ⎫ ⎡ ⎛ ⎞2 ⎤⎪ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎪ l l A ⎪ ρ ρ ρ ρ ⎪ ⎪ 1 − ηD ⎢⎢1 − ⎜⎜⎜ 1* ⎟⎟⎟ ⎥⎥⎬ z mD ⋅ ρ ⋅ g = c12 ⋅ ⎜⎜⎜ς F + λ1 ⋅ 1 ⎟⎟⎟ + c12 ⋅ ς u = c12 ⋅ ⎜⎜⎜ς F + λ1 ⋅ 1 ⎟⎟⎟ + c12 ⋅ ⎪ ⎨ ⎟ ⎟ ⎟ ⎪ ⎪ ⎜ ⎜ ⎜ 2 ⎝ 2 ⎝ d1 ⎠ 2 d1 ⎠ 2 ⎪ ⎢ ⎝ A1 ⎠ ⎥⎪ ⎣ ⎦⎭ ⎪ ⎪ ⎩ bzw.: ⎡ ⎛ ⎞2 ⎤ c2 A z mD = z − 1 ⋅ ηD ⎢⎢1 −⎜⎜⎜ 1* ⎟⎟⎟ ⎥⎥ 2⋅ g ⎢ ⎝⎜ A1 ⎠⎟ ⎥ ⎣ ⎦ und das Ergebnis mit: zmD = 1,0 m

288

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4.5-3

Rohrsysteme

Einfache Systeme:

Bild 1.4.5-17. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen.

Δp13 = Δp12 + Δp23

Δp12 = Δpa12 = Δpb12

VR = Va = Vb

VP = Va + Vb

(5.22)

Zwischen dem Druckverlust ΔpV in hydraulischen bzw. in pneumatischen Anlagen und der Spannung U in elektrischen Anlagen besteht folgende Analogie: Strömungsmechanik: 2

ρ ρ ⎛V ⎞ ς⋅ ρ Δpv = ς⋅ ⋅ c 2 = ς⋅ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟⎟ = ⋅V 2 2 2 ⎜⎝ A ⎟⎠ 2 ⋅ A2 Elektrotechnik: U=R·I Es finden die folgenden Gesetzmäßigkeiten Anwendung: Elektrotechnik

R=

U I

I = konst. Uges = U1 + U2 + U3 + … Rges = R1 + R2 + R3 + …

Iges = I1 + I2 + I3 + … U = konst.

1 1 1 1 = + + + Rges R1 R 2 R 3

Strömungsmechanik

Rh =

Δpv V2

Reihenschaltung V· = konst.

ΔpV, ges = ΔpV, 1 + ΔpV, 2 + ΔpV, 3 +… Rh, ges = Rh, 1 + Rh, 2 + Rh, 3 + … Parallelschaltung V· ges = V· 1 + V· 2 + V· 3 + …

ΔpV, ges = konst. 1 Rh , ges

=

1 Rh ,1

+

1 Rh,2

+

1 Rh ,3

+

1.4.6 Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

Es gelten die KIRCHHOFF’schen Gesetze (Maschensatz und Knotensatz). Berechnungsgang: • Einzelgleichungen aufstellen: Δpi = f ( V· i) • Förderrichtungen festlegen (beliebig möglich) • Satz 1 (Α 1. KIRCHHOFF’sches Gesetz): Knotensatz Die vorzeichenbehaftete Summe aller Volumenströme an einem Knoten ist gleich Null. Definition des Vorzeichens für V· : V· ankommend: positiv V· abfließend: negativ

 V· i = 0

z.B. V· a + V· b – V· c = 0

– Satz 2 (Α 2. KIRCHHOFF’sches Gesetz): Maschensatz Die vorzeichenbehaftete Summe aller Druckdifferenzen in einer Masche ist gleich Null.

Bild 1.4.5-18. Masche mit drei Knoten.

– Umlaufsinn für Summenbildung der Druckdifferenzen in einer Masche festlegen (beliebig möglich). Definition des Vorzeichens für Δp (nach Umlaufsinn): + V· durch Widerstand: Δp positiv – V· durch Widerstand: Δp negativ + V· durch Pumpe: Δp negativ – V· durch Pumpe: Δp positiv Δ p i = 0

z.B. – Δp12 + Δp23 – Δp31 = 0

Man erhält ein Gleichungssystem mit eben so vielen Gleichungen wie unbekannte Stoffströme (siehe Abschnitt 2.6.3). Es besteht eine Analogie der hydraulischen Leitungsnetze zu den elektrischen (Kirchhoffsche Gesetze).

1.4.6

Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

1.4.6-1

Messprinzip

Die in einem Strömungsfeld zu messenden Größen sind der Bernoulligleichung zu entnehmen (Gleichung (4.10)): ρ pges = p + ρ ⋅ g ⋅ h + c 2 (6.1) 2 p stat

289

1

290

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Es sind dies die Höhe h, zu bestimmen durch Längenmessung sowie die Drücke pges und p, zu bestimmen durch Druckmessung und die Geschwindigkeit c (cx, cy, cz), zu bestimmen durch Messung von Betrag | c | = c und Richtung (α, β).

Bild 1.4.6-1. Geschwindigkeitsvektor.

Im Folgenden sollen die Möglichkeiten der direkten Druckmessung behandelt werden (siehe Abschnitt 1.6.2). Jedes Messsystem besteht aus einem Messfühler (Sonde) und einer Anzeigeeinheit. Zur Messung der einzelnen Druckanteile wurden spezielle Sonden entwickelt. Die Anzeige der aufgenommenen pneumatischen Signale kann mit den nachstehend aufgeführten Anzeigegeräten erfolgen. Dies können z.B. sein U-Rohrmanometer mit dem Anzeigewert Δh, Feder- oder Membranmanometer mit dem Anzeigewert Zeigerausschlag, Druckwaagen mit dem Anzeigewert Gewicht und Druckdosen mit dem Anzeigewert elektrische Spannung. All diese Geräte zeigen Druckdifferenzen an, entweder gegen Atmosphärendruck oder einen bekannten anderen Druck (z.B. p = 0 Α Vakuum). Der Messwert ist somit immer eine Druckdifferenz, und wird bei allen Geräten zunächst als analoger Wert angezeigt. Bei der Druckdose ist es möglich, die Spannungsanzeige zu digitalisieren (mit Digitalvolmeter). Damit kann der Messwert direkt einem Rechner zugeführt werden. Es muss gefordert werden, dass der Messfühler (Sonde) möglichst klein gehalten wird, um Störungen im Strömungsfeld zu minimieren. Weiterhin ist zu beachten, dass zu lange Messleitungen sowie zu große Volumina im Messsystem zu starken Dämpfungen führen. Die Anzeigegeräte sollen deshalb so nahe wie möglich an dem Messfühler angeordnet und über dünne Schlauchleitungen mit ihm verbunden werden. Besonders geeignet sind miniaturisierte Druckgeber.

1.4.6-2

Gesamtdruckmessung

Die Bernoulligleichung sagt aus, dass entlang eines Stromfadens der Gesamtdruck pges konstant ist, also auch im sogenannten Staupunkt (SP) eines umströmten Körpers. Als Staupunkt wird die Stelle am Körper bezeichnet, an der die Geschwindigkeit der Zuströmung auf Null abgebremst wird. Im Staupunkt gilt cSP = 0. Um den Gesamtdruck messen zu können, muss deshalb im Strömungsfeld ein Staupunkt erzeugt und dort der Gesamtdruck aufgenommen werden. Im folgenden werden zwei Möglichkeiten der Staudruckmessung kurz beschrieben.

1.4.6 Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

1.4.6-2.1

291

Stauscheibe

1 Bild 1.4.6-2. Stauscheibe.

ρ 2 pges = pSP = ¸ cd + pd 2

(6.2)

ρ Im Staupunkt herrscht der Gesamtdruck (nicht der Staudruck ⋅ c 2). 2

1.4.6-2.2

Pitotrohr

Dieses Hakenrohr wurde von PITOT (1695–1771) zum ersten Mal verwendet und wird ihm zu Ehren Pitotrohr genannt. Es verursacht durch seine geringen Abmessungen nur eine geringe Störung im Strömungsfeld.

Bild 1.4.6-3. Pitotrohr.

pges = p1 = pb + ρM ⋅ g ⋅ΔhM − ρ ⋅ g ⋅ (h1 − h2 )

(6.3)

Da im allgemeinen rM sehr viel größer ist als ρ kann das Glied ρ ⋅ g ⋅ (h1 –h2) oft vernachlässigt werden (Fehler: ( 1 ‰).

292

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Ausbildung der Sondenköpfe:

Bild 1.4.6-4. Sondenköpfe.

1.)Halbkugel nach Prandtl Zulässige Schräganblasung bei 1 % Fehler: azul = ±12° 2.)Rohr stumpf abgeschnitten αzul = ± 11° bis ± 23° 3.)angesenktes Rohr αzul = ± 30°

1.4.6-3

Messung des statischen Druckes

Die Messung des statischen (und damit des örtlichen) Druckes ist komplizierter, da hierbei unbedingt darauf geachtet werden muss, dass durch den Messfühler die örtliche Geschwindigkeit und damit der zu messende Druck nicht beeinflusst wird. Relativ einfach ist deshalb die Messung des statischen Druckes an einer umströmten Wand mit Hilfe einer Druckbohrung. An der Bohrung N liegt der örtliche Druck p1 an.

Bild 1.4.6-5. Messung des statischen Druckes.

Am Anzeigemessgerät (hier U-Rohrmanometer) wird der Druck p2 angezeigt. Es gilt:

pstat = p1 + ρ ⋅ g ⋅ (h1 − h2 ) = pb + ρM ⋅ g ⋅ΔhM

(6.4)

An die Druckbohrung müssen folgende Anforderungen gestellt werden: 1. Sie muss senkrecht zur Wand angebracht sein 2. Sie muss gratfrei, jedoch scharfkantig sein 3. Der Durchmesser soll d = 0,3 bis 1,5 mm betragen (abhängig von der Größe des um- bzw. durchströmten Körpers) Wesentlich schwieriger ist die Messung des statischen Drucks im Strömungsfeld weitab von einer festen Wand. Dann muss die Messwertaufnahme mit Hilfe einer speziellen Sonde, der sogenannten statischen Drucksonde erfolgen.

1.4.6 Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

293

Der Durchmesser der Sonde soll möglichst klein sein im Vergleich zu den Abmessungen des Strömungsfeldes. Im allgemeinen soll der Durchmesser D = 1–10 mm betragen. Diese Sonde ist sehr richtungsempfindlich. Die zulässige Winkelabweichung der Anströmung beträgt αzul = ± 2° bis ± 5°.

1 Bild 1.4.6-6. Wanddruckbohrungen.

Bild 1.4.6-7. Statische Drucksonde.

1.4.6-4

Staudruckmessung

Für den Staudruck ergibt sich aus der Bernoulligleichung (Gleichung (4.10)):

ρ 2 (6.5) c = pges − ( p + ρ ⋅ g ⋅ h) = pges − pstat 2 Der Staudruck kann somit durch Messung des Gesamtdruckes und des statischen Druckes bestimmt werden. a) Staudruckmessung im Kanal: In einem Kanal ist der örtliche Druck über den Querschnitt konstant, d.h. es ist p1 = p2. Um die Staudruckverteilung über den Querschnitt zu bestimmen, genügt es somit, die Gesamtdruckverteilung zu messen. Der statische Druck kann über die Wandbohrung 2 O ermittelt werden. Damit wird: ρ 2 c = pges1 − pstat = ( ρM − ρ) ⋅ g ⋅ΔhM 2 1

(6.6)

294

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

b) Kombination von Pitotrohr und statischer Drucksonde:

Bild 1.4.6-8. Staudruckmessung im Kanal.

Kombiniert man eine Drucksonde mit einem Pitotrohr, kann man die Differenz

ρ 2 p ges – p stat = --- c 2 direkt messen. Diesen Gedanken hatte zuerst PRANDTL (1875–1953) und entwarf das ρ 2 nach ihm benannte Prandtlrohr zur direkten Messung des Staudruckes --- c . 2 Bei einem Fehler ≤ 1% im Staudruck, ist die zulässige Winkelabweichung azul = ± 8.

Bild 1.4.6-9. Prandtlrohr.

c) Zylindersonde (Dreiloch-Zylindersonde): Die Zylindersonde besteht aus einem Kreiszylinder, dessen Achse senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Auf dem Umfang eines Radialschnittes sind drei gegeneinander versetzte Bohrungen angebracht. Die beiden äußeren Bohrungen dienen der Einstellung der Sonde in Anströmrichtung durch Kontrolle des Druckausgleiches beider Bohrungen. Der Gesamtdruck wird mit der mittleren Bohrung gemessen. Der statische Druck kann aus dem gemessenen Druck einer Außenbohrung mit Hilfe eines Eichdiagrammes bestimmt werden. Die Sonde muss aus diesem Grund vor ihrem Einsatz geeicht werden.

1.4.6 Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

295

1

Bild 1.4.6-10. Dreilochzylindersonde.

Zur Messung des statischen Druckes ergibt sich aus potentialtheoretischer (reibungsfreier) Rechnung für den Bohrungsversatz der Außenbohrungen ein Winkel von ϑ = 30°. Aus Eichversuchen erhält man einen Winkel von ϑ = 36, 4° . Beim Einsatz der Zylindersonde in Strömungen mit großen Druckgradienten senkrecht zur Strömungsrichtung besteht die Gefahr der Ausbildung einer Querströmung längs der Schaftachse, was zu Verfälschungen der Messwerte führen kann. Die Zylindersonde muss unbedingt geeicht werden!

1.4.6-5

Durchflussmengenmessung

Zur Durchflussmengenmessung in Rohrleitungen werden sowohl Düsen als auch Blenden verwendet (siehe Abschnitt 1.6.5). Es tritt eine Strahlkontraktion auf, d.h. der engste Strahlquerschnitt A´,′ ist kleiner als der kleinste geometrische Querschnitt A2. ------- . Die Kontraktionszahl lautet μ = A′ A 2

2

Somit ist für den Volumenstrom zu schreiben: 2Δp V· = ε ⋅ α ⋅ A 2 ⋅ ----------

ρ

296

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.6-11. Normdüse und Normblende.

Dabei ist α die Durchflusszahl. Sie ist abhängig von der Reynoldszahl Re ----- . dem Öffnungsverhältnis m = A A 2

⋅ D= c---------ν

und

2

Es soll sein 0,05 < m < 0,7. Die Kontraktionszahl μ ist in α berücksichtigt. Bei Strömungen mit veränderlicher Dichte ist zusätzlich die Expansionszahl ε zu berücksichtigen. Für konstante Dichte wird ε = 1. Beim Einsatz von Normdüsen und Normblenden sind besondere Einbaubedingungen zu beachten. Vor und hinter der Messstelle sollen z.B. gerade glatte Rohrstrecken der Längen L = (5–45) ⋅ D angeordnet sein. Die Länge L ist abhängig vom Öffnungsverhältnis m. Weitere Angaben hierzu sowie über die Durchflusszahl α und die Expansionszahl ε sind den VDI - Durchflussregeln DIN ENISO 5167 zu entnehmen.

1.4.6-6

Hitzdrahtmessung, Lasermessung

Eine sehr empfindliche Methode stellt das Hitzdrahtmessverfahren dar. Das Messprinzip ist folgendes: Ein geheizter dünner Draht wird der Strömung ausgesetzt. Abhängig von der Geschwindigkeit des Mediums wird der Draht mehr oder weniger stark abgekühlt. Die Abkühlung des Drahtes ist weiterhin von der Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes (z.B. Verschmutzung), dem Strömungsmedium und der Temperaturdifferenz zwischen Draht und Medium abhängig. Die abgeführte Wärmemenge ist somit eine Funktion dieser Größen. Von wesentlicher Bedeutung für die Abkühlung des Hitzdrahtes ist seine Lage gegenüber der Anströmrichtung. Die maximale Kühlwirkung wird erreicht, wenn der Draht senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Der Draht ist zwischen zwei Haltestiften gespannt.

Bild 1.4.6-12. Prinzipskizze Hitzdrahtsonde

Der Widerstand des elektrisch geheizten Drahtes ist abhängig von der Drahttemperatur. Die Widerstandsänderung ist somit ein Maß für die Wärmeabfuhr und bei entsprechender Eichung ein Maß für die Anströmgeschwindigkeit (siehe Abschnitt 1.6.4). Der Draht wird als Widerstand in einer Wheatstonschen Brücke geschalten. Der sich ändernde Widerstand wird damit gemessen. Für den Einsatz der Sonde gibt es zwei Betriebsarten: a) Konstant-Temperatur-Betrieb: Der Strom im Brückenzweig wird vom Verstärker so geregelt, dass die Temperatur des Drahtes trotz unterschiedlicher Abkühlung konstant bleibt. Meist gewählte Betriebsart.

1.4.6 Strömungstechnische Messungen in inkompressiblen Fluiden

b) Konstant-Strom-Betrieb: Der Verstärker hält den Strom im Brückenzweig auf einem konstanten Wert durch entsprechende Regelung des Widerstandes. Richtungsmessung: Da die Abkühlung des Drahtes abhängig von der Anströmrichtung ist, kann dieser Effekt auch zur Richtungsmessung benutzt werden. Sondenarten: Geraddraht-, Schrägdraht-, X-Drahtsonden Nachteil: Hitzdrahtsonden sind sehr empfindlich gegen Verschmutzung und mechanische Beschädigungen durch feinste Schmutzpartikel. Insbesondere zur Messung in Flüssigkeiten werden an Stelle von Hitzdrahtsonden Heißfilmsonden eingesetzt. Die Platinschicht des Filmes wird durch einen Quarzüberzug von der Flüssigkeit elektrisch isoliert. Lasermessung: Zur Lasermessung sollen nur einige kurze Bemerkungen zum grundsä tzlichen Messprinzip gemacht werden. Zwei sich kreuzende Laserstrahlen, die durch eine entsprechende Optik erzeugt werden und deren Kreuzungpunkt eingestellt werden kann erzeugen in ihrem Schnittpunkt ein sehr kleines Messvolumen.

Bild 1.4.6-13. Grundkomponenten eines Laser-Doppler-Systems.

Staubteilchen oder andere Partikel (Tracer) die mit der Strömung mitgeführt werden, reflektieren das Laserlicht wenn sie dieses Messvolumen passieren. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit entstehen in der Auffangoptik Interferenzbilder, aus denen die Geschwindigkeit berechnet werden kann.

Bild 1.4.6-14. Zweistrahlanordnung.

297

1

298

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.6-15. Aufbau eines 2-Komponeneten-Rückstreu-Laser-Doppler-Systems.

Mit beiden aufgeführten Messmethoden können neben den mittleren Geschwindigkeiten auch die turbulenten Schwankungswerte bestimmt werden. Damit ist es möglich Turbulenzstrukturen zu untersuchen. Beide Verfahren sind sehr trägheitsarm.

1.4.7

Impulssatz

Der Impulssatz dient der Ermittlung von Kräften in Strömungsfeldern. Er ist Voraussetzung zur konstruktiven und festigkeitsmäßigen Auslegung vieler Anlagen und Maschinen. Man erhält die Kräfte, die Fluide auf ruhende oder bewegte Körper (Bauteile) ausüben. Bei der Anwendung des Impulssatzes betrachtet man einen durchströmten Kontrollraum „KR“ und die seine Oberfläche überschreitenden Energie- und Massenströme, ohne dass genaue Kenntnis über den Strömungsvorgang im Inneren dieses Kontrollraumes verliegen muss. Der Impulssatz kann für stationäre und instationäre sowie für kompressible und inkompressible Medien angewendet werden. Für stationäre Strömung gilt: Definition 6 ·- · Die zeitliche Änderung der Bewegungsgröße (Impuls) I = m · c eines Körpers ist gleich der Summe der auf einen Körper wirkenden äußeren Kräfte  F . · · c und der Richtung. Der Impulsstrom ist ein Vektor, bestehend aus dem Betrag m

⎛ → ⎞ I 1 + ⎜⎜− I 2 ⎟⎟⎟ + ∑ F = 0 ⎜⎝ ⎠⎟

→

Impulssatz

(7.1)

Man kann die vektorielle Betrachtung vereinfachen, in dem man an den Kontrollraum die Richtung der angreifenden Kräfte anzeichnet und ihre Beträge anschreibt. Wählt man die Ein- und Austrittsflächen so, dass sie senkrecht zu den entsprechenden Geschwindigkeiten stehen, wird cn = c und damit:

I = m ⋅ c = ρ ⋅ A ⋅ c2

(7.2)

Setzt man den Impulssatz in horizontaler und vertikaler Richtung an, dann erhält man:

↑: I1 y − I 2 y − ∑ Fy = 0

(7.3)

↑: I1x − I 2x − ∑ Fx = 0

(7.4)

Die Summe der äußeren Kräfte Feldkräften (Massenkräften).

 F setzt sich zusammen aus Oberflächenkräften und

1.4.7 Impulssatz

299

Oberflächenkräfte: Zu den Oberflächenkräften zählen die Druckkräfte, die Reibungskräfte und die Haltekraft. p ⋅ n ⋅ dA Druckkraft: F p = – A p · dA = –  A KR

KR

Die Druckkraft ist die Resultierende der auf die Kontrollraumoberfläche wirkenden Druckkräfte. Sie ist dem Flächenvektor entgegengerichtet. Alle Impulskräfte und alle Druckkräfte sind immer in den Kontrollraum hinein gerichtet.

dc ⋅A dn Die Reibungskraft F τ wirkt an allen im Kontrollraum liegenden Oberflächen. Körperkraft F K : Die Körperkraft tritt auf an vom Kontrollraum geschnittenen Bauteilen (Halterungen, Flanschkräfte). Feld- oder Massenkraft: (auch Volumenkraft) ist das Integral über das Produkt aus FeldReibungskraft: Fτ = τ ⋅ A = η ⋅

stärke · Masseninhalt des Kontrollraumes. Mit f m als Feldstärke folgt: Fm =

mKR fm ⋅ dm = V

ρ ⋅ f m ⋅ dV KR

Im Gravitationsfeld ist f m = g , damit wird: F m =

m

f · dm = g ⋅ m KR

Die Wirkungslinie der Kraft geht durch den Schwerpunkt der im Kontrollraum befindlichen Masse. Für instationäre Strömungen lässt sich die Impulsgleichung in ausführlicher Form schreiben:

( )

∂I + I1 + −I 2 + Fp + Fτ + FK + Fm = 0 ∂t

(7.5)

In allgemeiner integraler Form lautet der Impulssatz:

∫ V

∂ρc dV +∫ ρc (c ⋅ n )dA = −∫ pndA +∫ τ ⋅ ndA + ∫ ρfdV + FK ∂t A A A V

Beispiel: 180°-Krümmer Gegeben: A1, c1, p1, A2, c2, p2, pu = pb, ρ, mges Gesucht: Die Körperkräfte auf den Krümmer. Anmerkung: Die Reibung ist zu vernachlässigen. Es liegt stationäre Strömung vor.

Bild 1.4.7-1.

(7.6)

1

300

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Lösung: · · →: = I 1 + Fp1 + I 2 + Fp2 – FKx = 0 ↑: = – mges · g + FKy = 0 FKx = m· (c1 + c2) + (p1 – pb) A1 + (p2 – pb) A2 FKy = mges · g

1.4.8

Körperumströmung

1.4.8-1

Widerstandskraft

In einer reibungsfreien Strömung ist die Widerstandskraft eines umströmten Körpers Null, also Fτ = 0 (siehe Potentialströmungen1)). Am Beispiel der reibungsfrei umströmten Kugel ist weiterhin zu erkennen, dass die Stromlinien symmetrisch angeordnet sind und selbst der Körperkontur ohne Ablösung folgen. Dabei bilden sich zwei Staupunkte aus, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit an der Wand von cW = 0 im vorderen Staupunkt auf cW,max = 2 c-∞ an der dicksten Stelle (Äquator) der Kugel erhöht. Die daraus resultierende Druckverteilung um die Kugel ist ebenfalls symmetrisch, so dass die resultierende Druckkraft Fp,res = 0 ist.

Bild 1.4.8-1. Geschwindigkeits- und Druckverteilung einer reibungsfrei umströmten Kugel.

Bei der realen, also reibungsbehafteten Strömung, bildet sich im vorderen Teil auf der Oberfläche der Kugel eine Reibungsschicht (Grenzschicht GS) aus welche eine Wandschubspannung tW erzeugt und damit einen Reibungswiderstand Fτ. Auch kann die Strömung der Kontur nicht folgen, was zur Ablösung der Strömung führt mit der Ausbildung eines stark verwirbelten Nachlaufgebietes. Die daraus resultierende Druckverteilung ist unsymmetrisch und allgemein zeitabhängig (instationär)und damit auch der erzeugte Druckwiderstand mit FP = f(t). Der Gesamtwiderstand eines umströmten Körpers setzt

1)

Spurk, J. H.: Strömungslehre. Springer-Verlag, Berlin 1996 — ISBN 3-540-61308-0.

1.4.8 Körperumströmung

301

sich zusammen aus dem Reibungswiderstand und dem Druckwiderstand. Es gilt: Gesamtwiderstand = Reibungswiderstand + Druckwiderstand

FW = Fτ + Fp

(8.1)

Der Reibungswiderstand ergibt sich aus der Schubspannungsverteilung auf der Oberfläche und der Größe der Oberfläche. Man nennt ihn deshalb auch Oberflächenwiderstand. Bei laminarer Grenzschicht ist der Reibungswiderstand kleiner als bei turbulenter. Der Druckwiderstand ergibt sich aus der Druckverteilung um den Körper. Da die Druckverteilung abhängig ist von der Form des Körpers, nennt man diesen Widerstand auch Formwiderstand. Bei Körpern mit abgelöster Strömung entstehen im Ablösegebiet erhöhte Unterdrücke, die zu starkem Anstieg der Druckwiderstände führen. In diesen Fällen ist der Anteil des Druckwiderstandes am Gesamtwiderstand wesentlich höher als der Anteil des Reibungswiderstandes. Bei laminarer Grenzschicht am Körper erfolgt die Strömungsablösung eher als bei turbulenter. Der Druckwiderstand ist somit bei laminaren Grenzschichten im Allgemeinen größer als bei turbulenten.

Bild 1.4.8-2. Grenzschichtentwicklung am Tragflügel

Für den Reibungswiderstand gilt: Fτ ∼ tW ⋅A mit A für die Oberfläche und mit tW für die Wandschubspannung, welche von der Strömungsform (laminar/turbulent) abhängig ist. Geringer Reibungswiderstand ist für kurze, schlanke Körper mit glatter Oberfläche bzw. laminarer Grenzschicht typisch. Für den Druckwiderstand gilt: Fp ∼ Δp ⋅ A mit A im Allgemeinen für die projezierte Stirnfläche des Körpers und mit Δp für die Druckdifferenz. Geringer Druckwiderstand ist für schlanke Körper mit stets anliegender Strömung (ohne Ablösung) typisch. Zur Charakterisierung und Vergleichbarkeit von umströmten Körpern wird eine dimensionslose Kennzahl, der Widerstandsbeiwert cW, benutzt. Die Definition des Widerstandsbeiwertes ist: FW (8.2) cW = ρ 2 ⋅ c∞ ⋅ A 2 A : - im Allgemeinen die zur Strömungsrichtung senkrechte Projektionsfläche des Körpers c∞: - Ungestörte Anströmgeschwindigkeit) Der Widerstandsbeiwert beinhaltet alle bei der Körperumströmung wirksamen Widerstandsformen (Druck- und Reibungswiderstand). Mit cW ≈ konst. gilt für die hydraulische Leistung: 3 Ph = FW ⋅ c∞ ∼ c∞

(8.3)

Beispiel: Kugelumströmung

FW p 2 π 2 c ⋅ D 2 ∞ 4 c ⋅D Re = ∞ v

cW =

coo D

1

302

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Der Widerstand wird im Bereich Re ≈ 3 ⋅ 10 … 8 ⋅ 105 drastisch verringert. Der Grund dafür ist, in diesem Reynoldszahlbereich wird die Grenzschicht vor der dicksten Stelle (Äquator) turbulent. Dies wurde entdeckt von EIFEL (1912). Man nutzt den Effekt des Umschlages laminar/turbulent zur Widerstandssenkung aus, indem man diesen Umschlag gegebenenfalls durch Stolperkanten vorzeitig bewirkt. Bei der Zylinderumströmung hingegen verringert sich der Widerstand im Bereich Re ≈ 5 · 105 … 106 drastisch. Ausführliche Beschreibungen zu Grenzschichten und Maßnahmen zu deren Beeinflussung sind in entsprechender Literatur zu finden.1)

1.4.8-2

Dynamischer Auftrieb

Bedingung für die Erzeugung einer Auftriebskraft bei der Umströmung von Körpern ist, dass die Körperform unsymmetrisch bezüglich ihrer Achse in Strömungsrichtung ist. So erzeugen das symmetrische Tropfenprofil oder die ebene Platte keinen Auftrieb. Hingegen erzeugen das gewölbte Profil der Tragfläche eines Flugzeugs, die gewölbte oder die zur Strömungsrichtung mit dem Winkel α angestellte gerade Platte eine Auftriebskraft. Allerdings wird auch bei der Umströmung einer Kugel bzw. eines quer angeströmten Zylinders dann eine Auftriebskraft erzeugt, wenn sich diese Körper zusätzlich um ihre eigene Achse drehen. Die Wirkung der Auftriebskraft FA ist normal zur Anströmung.

Bild 1.4.8-3. Dynamischer Auftrieb.

Zur Charakterisierung und Vergleichbarkeit von umströmten Körpern wird als dimensionslose Kennzahl der Auftriebsbeiwert cA benutzt. Die Definition des Auftriebsbeiwertes ist:

cA =

FA ρ 2 ⋅c ⋅ A 2 ∞

(8.4)

A : Körperoberfläche c∞ : Ungestörte Anströmgeschwindigkeit 1)

Schlichting, H.; Gersten, K.: Grenzschicht-Theorie. Springer-Verlag, Berlin 2006 — ISBN 978-3-54023004-5.

1.4.9 Turbomaschinen

303

Widerstands- und Auftriebskräfte (sowie auch Momente) werden bei Modellexperimenten gemessen, z.B. in Wind- oder Wasserkanälen.

1.4.8-3

Nachlauferscheinungen

Bei der Umströmung von Körpern kommt es im allgemeinen zur periodischen Strömungsablösung. Hierbei bilden sich auf beiden Seiten Wirbel aus, z.B. bei einem Zylinder, die sich im zeitlichen Wechsel vom Körper ablösen und nach hinten wegschwimmen. Die Wirbel bleiben über eine längere Strecke erhalten. Ihre in einem mitbewegten Koordinatensystem regelmäßige Anordnung bezeichnet man nach dem Entdecker Theodor VON KÁRMÁN (1881–1963) die Kármán’sche Wirbelstraße.

Bild 1.4.8-4. Periodische Wirbelablösung.

Durch die periodische Wirbelablösung wird das ganze Strömungsfeld grundsätzlich instationär. In einem beliebigen Punkt des Strömungsfeldes ändern sich die Strömungsgrößen mit der Frequenz f der Wirbelablösung vom Körper. Die dimensionslose Kennzahl, gebildet mit der Ablösefrequenz

Sr =

f ⋅D c∞

(8.5)

wird als Strouhalzahl bezeichnet. Sie ist für Re < 103 eine Funktion der Reynoldszahl. Für Re > 103 ist die Strouhalzahl praktisch unabhängig von der Reynoldszahl1) und hat den Zahlenwert Sr = 0,21. Während die Druckschwankungen des instationären Strömungsfeldes sich als Geräusche bemerkbar machen (Tonerzeugung), führen die daraus resultierenden periodischen Kraftwirkungen auf den Körper zu dessen dynamischer Beanspruchung was zur Schwingungsanregung führt. Wird hierbei die Eigenfrequenz des Bauteils oder auch Bauwerks angeregt, kann es zur Instabilität bis hin zur Zerstörung kommen.

1.4.9

Turbomaschinen

Das lateinische Wort turbo heißt zu deutsch Wirbel, und tatsächlich besteht das grundlegende Merkmal jeder Turbomaschine in der Wechselwirkung zwischen einer Wirbeloder (wie i.d.R. gesagt wird) Drallströmung und einem speziellen rotierenden Bauteil, dem Laufrad. Das Ziel dieser Wechselwirkung ist im engeren Sinn stets die Energieübertragung zwischen strömenden Fluid und rotierendem Laufrad. Dabei treten beide Richtungen der Energieübertragung auf. Bei Turbinen (Kraftmaschinen) geht Energie aus dem Fluid auf das Laufrad über. Bei Pumpen, Gebläsen, Verichtern, Ventilatoren und Propellern (Arbeitsmaschinen) ist es umgekehrt. Die grundsätzliche Aufgabe der Turbomaschine ist die Wandlung der Energie, die Wechselwirkung zwischen der Energieänderung eines Fluidstromes und der TM zu- bzw. abgeführter mechanischen Leistung. Die Energieübertragung erfolgt stets über eine rotierende Welle, auf der sich ein Laufrad mit vom Fluid umströmten Laufschaufeln (Rotor) befindet.

1)

Hucho, W.-H.: Aerodynamik des Automobils. Vieweg Verlag, 2005 — ISBN 3-528-03959-0.

1

304

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Tafel 1.4.9-1

Klassifizierung der Turbomaschinen Klassifizierung der Turbomaschinen 

Kriterium für Einteilung

Dichteänderung des Fluids in der TM vernachlässigbar



TM-spezifische Oberbegriffe von Fluid

Richtung der Leistungsübertragung

↓

hydraulische TM thermische TM Beispiele Wasserturbine

Dampfturbine → Kraftmaschinen

Turbine Windturbine

Gasturbine

von Rotor

Ventilator

Turbogebläse

Kreiselpumpe

Arbeits→ maschinen Turboverdichter

Strömungskupplung

Abgasturbolader

Strömungsgetriebe

Gasturbinenanlagen

Pumpe

an Fluid Turbomaschinen-Aggregate mit Pumpe und Turbine

1.4.10

wesentlich

an Rotor

↓

Maschinentyp

Netzkennlinien einfacher Anlagen mit Turbomaschinen

Turbomaschinen sind immer Bestandteile von technischen Anlagen. Auf Grund ihrer prinzipiellen Aufgabe – der Energieübertragung zwischen einem Fluidstrom und einer Maschine – sind sie immer zweiseitig mit der Anlage verbunden, auf der Fluidseite und auf der Maschinenseite:

Bild 1.4.10-1. Schema der energetischen Kopplung zwischen Turbomaschine und Anlage.

Die wesentliche Kopplungsgröße zur Anlage ist auf jeder Seite ein Energiestrom. Die Bestimmungsstücke dieser beiden Energieströme sind die fundamentalen Betriebskenngrößen der Turbomaschine. In allen Fällen mit inkompressiblem Fluid, auf die sich in diesem Abschnitt der Einfachheit halber beschränkt wird, sind das auf der Fluidseite der Volumenstrom und die Gesamtdruckdifferenz Δpges = pgesD – pgesS

(10.1)

wobei der Index S Saugstutzen und der Index D Druckstutzen der Turbomaschine bedeutet. Auf der Maschinenseite sind die Betriebskenngrößen das Drehmoment M und die Winkelgeschwindigkeit ω .

1.4.10 Netzkennlinien einfacher Anlagen mit Turbomaschinen

305

Für die Betriebseigenschaften und die konstruktive Gestaltung der Turbomaschine ist es von ausschlaggebender Bedeutung, welche Werte diese Größen sowohl absolut als auch relativ zueinander haben. In den meisten der interessierenden Fälle ist die technische Anlage auf der Fluidseite eine Rohrleitung oder ein Rohrnetz. Für ein gegebenes Rohrnetz besteht ein quantitativ festgelegter Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Gesamtdruckdifferenz an der Turbomaschine, dessen Darstellung als Netzkennlinie bezeichnet wird. Durch den Zweck der Anlage wird der Betriebspunkt oder Betriebsbereich auf dieser Kennlinie fixiert. Die Turbomaschine muss so projektiert bzw. konstruiert sein, dass dieser Betriebspunkt oder Betriebsbereich realisiert wird. Die Wahl der Winkelgeschwindigkeit spielt dabei eine wichtige Rolle. In den folgenden Unterabschnitten wird zunächst für einige typische Anlagen mit Turbomaschinen die Gleichungen der Netzkennlinien formuliert.

1.4.10-1

Pumpenanlage

Im Geräteschaltbild ist zu erkennen unterer und oberer Flüssigkeitsbehälter, Rohleitung, Krümmer, Ventile, Saugkorb, Rückschlagklappe und Kreiselpumpe. Es symbolisiert der mit ζR1 bezeichnete Widerstand die Summe aller vor der Pumpe liegenden Strömungswiderstände einschließlich der Rohrreibung und entsprechend der mit ζR2 bezeichnete die Summe aller hinter der Pumpe angeordneten Widerstände einschließlich Rohrreibung und Austrittsverlust.

Bild 1.4.10-2. Schema einer Pumpenanlage.

Die Pumpe muss in dieser Anlage den verlangten Volumenstrom gegen die Gesamtdruckdifferenz zwischen den beiden Spiegeln und gegen die Widerstände im Rohrnetz, das die beiden Spiegel verbindet, fördern (siehe Abschnitt 2.2.3). Die Ansatzgleichung für die erforderliche Gesamtdruckerhöhung lautet dementsprechend: s

OW

UW

D

Δpges = pgesD − pges s = pgesow − pgesUW + ∑ ΔpV + ∑ ΔpV

(10.2)

Mit der künstlich auf die Spiegel aufgebrachten Netzdruckdifferenz ΔpN, der mittleren Dichte des umgebenden Mediums im Bereich zwischen den beiden Spiegeln ρ- U, dem Netzverlustbeiwert ζN, der Gesamtdruckdifferenz Δpges, der Nutzförderhöhe Hn, dem

1

306

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Volumenstrom V· und der Durchströmfläche im Saugstutzen der Pumpe AD ergibt sich die Gleichung der Netzkennlinie für Pumpenanlagen in allgemeiner Form zu ⎛ ρ ⎞ ΔpN ςN (10.3) + H ⎜⎜⎜1− U ⎟⎟⎟ + ⋅V 2 Hn = ρ⋅ g ρ ⎠⎟ 2 ⋅ g ⋅ AD2 ⎝⎜ In Bild 1.4.10-3 sind die prinzipielle Form der Netzkennlinie und ihre Abhängigkeit von den Parametern H und ζN dargestellt.

Bild 1.4.10-3. Netzkennlinien einer Pumpenanlage.

1.4.10-2

Ventilatoranlage

Ventilatoranlagen unterscheiden sich von Pumpenanlagen vor allem durch das gasförmige Fördermedium, das aber wegen der geringen Druckunterschiede noch als inkompressibel angesehen werden kann. Es gibt deshalb keine prinzipiellen Unterschiede zwischen den Netzkennlinien der beiden Anlagenarten. Es kann Gleichung (10.3) übernommen werden, aber es wird wieder zur Schreibweise mit der Gesamtdruckdifferenz zurückgegangen:  ρ ¬ ρ ¸7 N 2 %pges = %pN + ρ¸ g ¸ H ¸žžž1 U ­­­ + ¸V (10.4) ρ ®­ 2 ¸ AD2 Ÿž Das ist die Gleichung der Netzkennlinie von Ventilatoranlagen. Die Größe H ist jetzt die Höhendifferenz zwischen Anfangs- und Endquerschnitt des Rohrnetzes, der Begriff Förderhöhe ist bei Ventilatoranlagen nicht üblich. Wie aus Gleichung (10.4) zu sehen ist, entfällt der Summand g · H (das Schwerkraftglied), wenn die Dichten von Fördermedium und Umgebungsmedium gleich sind. Bei den meisten Ventilatoranlagen kann mit dieser Annahme gerechnet werden. Ein Beispiel, wo das Schwerkraftglied wesentlich ist, stellt die Saugzugventilatoranlagen dar, bei der heiße Gase durch einen Schornstein gefördert werden.

1.4.10-3

Turbinenanlage

Die in Bild 1.4.10-2 gezeichnete Pumpenanlage wird zur Turbinenanlage, wenn die Fließrichtung des Fluids und die Drehrichtung der Turbomaschine umgekehrt und die Rückschlagklappe blockiert oder entfernt wird (Bild 1.4.10-5). Bei verlustloser Rohrströmung würde die nutzbare Gesamtdruckdifferenz an der Turbine gleich der Gesamtdruckdifferenz zwischen den beiden Behältern sein. Bei realer Strömung ist sie um die Gesamtdruckverluste des Rohrnetzes kleiner. Die Ansatzgleichung für die Netzkennlinie unterscheidet sich deshalb von der entsprechenden Gleichung (10.2) für Pumpenanlagen durch das Vorzeichen der Druckverlustglieder und nur dadurch. Es kann also die Gleichung der Netzkennlinie für die Turbinenanlage aus der entsprechenden Gleichung für die Pumpenanlage abgeleitet werden, indem nur das Vorzeichen des Verlustgliedes umgekehrt wird. Wird weiterhin die Umgebungsdichte als klein gegen die Fluiddichte vorausgesetzt, was bei Turbinenanlagen immer zutrifft, so ergibt sich

Hn =

ΔpN ςN +H − ⋅V 2 ρ⋅ g 2 ⋅ g ⋅ AD2

(10.5)

1.4.10 Netzkennlinien einfacher Anlagen mit Turbomaschinen

307

Hn heißt jetzt Nutzfallhöhe. Bild 1.4.10-4 zeigt die prinzipielle Form der Netzkennlinie von Turbinenanlagen.

1

Bild 1.4.10-4. Netzkennlinie einer Turbinenlage.

Bild 1.4.10-5. Schema einer Turbinenanlage.

308

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4.11

Aufbau und Wirkungsweise von Turbomaschinen

1.4.11-1

Einfache axiale Turbomaschine

Die Hauptbauteile dieser Bauart von Turbomaschinen und ihre Wirkungsweise werden am Beispiel eines Axialventilators erläutert.

Bild 1.4.11-1. Prinzipdarstellung eines Axialventilators.

Dazu wird der Weg eines Luftteilchens verfolgt, das sich auf dem sogenannten Mittelschnitt, einer koaxialen Zylinderfläche, durch den Ventilator bewegt. Diese Bewegung hat wie bei allen Turbomaschinen zwei grundsätzliche Komponenten: die Durchflusskomponente und die Dreh- oder Drallkomponente. In diesem Beispiel soll die Luft aus der ruhenden Atmosphäre angesaugt werden. Sie bewegt sich dann beim Durchfließen der Ansaugdüse bis zur Querschnittsebene N unmittelbar vor dem Laufrad drallfrei und erreicht die Geschwindigkeit c1, die parallel zur Maschinenebene gerichtet ist. Etwa beim Durchtritt durch die Ebene N gerät das betrachtete Teilchen in das rotiernde Druckfeld der am Laufrad befestigten Schaufeln, der Laufschaufeln, und erhält von den Druckkräften dieses Feldes einen Drehimpuls in Richtung der Raddrehung, der bis zur Querschnittsebene O stetig wächst. Die Geschwindigkeit c2 am Austritt aus dem Laufrad hat somit außer der Durchflusskomponente auch eine Drallkomponente. Die zwischen den Ebenen N und O bewirkte Drallerhöhung ist ein Maß für die von den Laufschaufeln an die Luft übertragene Arbeit. Ohne Drallerhöhung wäre keine Arbeitsübertragung möglich. Für den verlustarmen Transport der Luft durch das angeschlossene Rohrnetz ist der Drall jedoch schädlich. Er wird deshalb in dem nachgeschalteten Leitrad wieder auf Null reduziert. Im Querschnitt P beginnt der Diffusor, in dem die kinetische Energie (jetzt durch Vermindern der Durchflusskomponente) weiter herabgesetzt und der statische Druck weiter erhöht wird. Im vorliegenden Beispiel wird von einem Nabendiffusor gesprochen, weil die erforderliche Querschnittszunahme durch Verjüngen der Nabe bei konstantem Außendurchmesser erzielt wird. Die Leitschaufeln sind in erster Näherung so zu formen und anzuordnen wie das gekrümmte Stück der Stromlinie (Bild 1.4.11-1). Schwieriger ist es, das richtige Profil und die richtige Stellung der Laufschaufeln festzustellen, weil sie sich selbst bewegen. Das fest mit dem Laufrad verbundene und folglich mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotierende Bezugssystem heißt Relativsystem im Gegensatz zum feststehenden Absolutsystem. Irgendein Punkt des Relativsystems mit dem radialen Abstand ρ von der Drehachse bewegt sich gegenüber dem Absolutsystem mit der Geschwindigkeit (11.1) u = r ⋅w u heißt Umfangsgeschwindigkeit.

1.4.11 Aufbau und Wirkungsweise von Turbomaschinen

309

Es muss also danach gefragt werden, wie sich die Luft relativ zum rotierenden Laufrad bewegen soll, d.h., wie die Relativstromlinien aussehen sollen. Diese Aufgabe wird mit der Grundgleichung der Kinematik gelöst. Sie lautet:

c = u +w

(11.2)

in Worten: Absolutgeschwindigkeit = Umfangsgeschwindigkeit + Relativgeschwindigkeit Die Vektorgleichung (11.2) besagt, dass der Vektor als resultierende aus den Vektoren u und w aufzufassen ist. In Bild 1.4.11-1 ist die Gleichung (11.2) jeweils für einen Schnittpunkt der Ebenen N bzw. O mit einer Stromlinie im Mittelschnitt in Form der Geschwindigkeitsdreiecke grafisch ausgewertet: Vom betrachteten Punkt aus sind c und u abgetragen; w ergibt sich als dritte Seite des Dreiecks; die Pfeilrichtung ist so zu wählen, dass Gleichung (11.2) erfüllt ist. Entsprechend der allgemeingültigen Definition der Stromlinie sind die gesuchten Relativstromlinien bei N und O parallel zu den Relativgeschwindigkeiten w 1 und w 2. Zwischen N und O müssen sie stetig gekrümmt sein, denn aus den Geschwindigkeitsdreiecken in Bild 1.4.11-1 ist zu erkennen, dass der Winkel zwischen w 2 und u 2 ein wenig größer ist als der zwischen w 1 und u 1. Die Lauffschaufeln sind in erster Näherung so zu formen und anzuordnen wie das gekrümmte Stück dieser Stromlinien.

1.4.11-2

Einfache radiale Turbomaschine

Es soll nun die Wirkungs spiel der in Bild 1.4.11-3 dargestellten radialen Kreiselpumpe betrachtet werden.

Bild 1.4.11-2. Schematische Darstellung der Laufradtypen.

Bild 1.4.11-3. Prinzipieller Aufbau einer radialen Turbomaschine.

1

310

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.11-2 zeigt schematisch drei Bauarten mit: a) axial, b) radial und c) diagonal durchströmten Laufrad. In der hier erläuterten Pumpe fließt das Fluid, z.B. Wasser, zunächst drallfrei und achsparallel durch das Saugrohr bis zum Eintritt in das Laufrad. Im Laufrad wird ihm wie bei der Axialmaschine ein Drall erteilt und damit Arbeit zugeführt. Abweichend von der Axialmaschine wird außerdem die Durchflussbewegung (hauptsächlich vor, aber zum Teil noch während der Drallerhöhung) aus der axialen in die radiale Richtung umgelenkt. Im nachgeschalteten Leitschaufelkranz wird der Drall (ohne Arbeitsübertragung!) vermindert, aber nicht bis auf Null. Der Restdrall bewirkt zusammen mit der radialen Durchflusskomponente eine Bewegung des Fluids auf spiralförmigen Bahnen, denen die Form des Spiralgehäuses angepasst ist. Das Leitrad wirkt zugleich als Diffusor. Ist der Abströmdrall vom Laufrad nicht größer als der Spiralendrall, läßt man die Leitschaufeln weg; es bleibt dann nur die Diffusorwirkung bestehen. In Bild 1.4.11-4 sind die Geschwindigkeitsdreiecke für Ein- und Austrittsquerschnitt des Laufschaufelkranzes dargestellt. Wegen der unterschiedlichen Radiuswerte bei N und O sind die Umfangsgeschwindigkeiten u1 und u2 verschieden groß. Das ist das wesentliche Unterscheidungsmerkmal der Geschwindigkeitsdreiecke für axiale und radiale Maschinen. Es ist zweckmäßig, die beiden Dreiecke übereinander zu zeichnen. Dafür sind zwei Darstellungen gebräuchlich. 1. c und u gehen vom gleichen Punkt aus oder 2. c und u gehen vom gleichen Punkt aus.

Bild 1.4.11-4. Geschwindigkeitsdreiecke am Radialpumpenrad.

a) Geschwindigkeitsparallelogramme am Laufrad, b) 1. Darstellungsart, c) 2. Darstellungsart. Dieselbe Maschine, die vorstehend als Pumpe beschrieben wurde, kann auch als Turbine betrieben werden. Dazu sind sowohl Strömungs- als auch Drehrichtung umzukehren und die Indizes zu vertauschen. Es wurde bisher die Wirkungsweise von Turbomaschinen an solchen Beispielen analysiert, wo eine Strömung mit gleichbleibender Dichte vorliegt. Es könnte die Frage auftauchen, ob die abgleiteten kinematischen Beziehungen und die erläuterte Wirkungsweise auch für kompressible Strömungen mit wesentlichen Dichteänderungen innerhalb der Maschine gültig sind. Diese Frage kann uneingeschränkt mit ja beantworten werden.

1.4.12

Strömungsmechanische Grundgleichungen der Turbomaschinen

1.4.12-1

Kontinuitätsgleichung

· und einem Für ein beliebiges Durchströmteil mit einem zufließenden Massestrom m a · lautet die Massestrombilanz: abfließenden Massestrom m ϖ

mα = mω oder: ρα ⋅ cα ⋅ Aα = ρω ⋅ cω ⋅ Aω

(12.1)

Bei den Anwendungen bedeutet c in Gleichung (12.1 ) immer die mittlere Durchflussgeschwindigkeit im betrachteten Querschnitt mit der Fläche A; sie ist die senkrecht zu diesem Querschnitt gerichtete Komponente der Gesamtgeschwindigkeit. Die Indizes α

1.4.12 Strömungsmechanische Grundgleichungen der Turbomaschinen

311

1 Bild 1.4.12-1. Blockschema zur Massestrombilanz.

und ω werden dem jeweils betrachteten Bauteil entsprechend durch andere Indizes ersetzt. Ist das Durchströmteil insbesondere ein Laufschaufelkranz, dann wird 1 und 2 statt α und ω sowie cm und Am statt c bzw. A geschrieben:

ρ1 ⋅ cm1 ⋅ Am1 = ρ2 ⋅ cm2 ⋅ Am2

(12.2.)

Mit Am wird Meridianquerschnittfläche bezeichnet. Sie ist eine Rotationsfläche, die so gelegt ist, dass ihre Oberflächennormale überall parallel zur Meridiangeschwindigkeit cm ist.

1.4.12-2

Eulersche Gleichung der Turbomaschinen

Die auf den Mathematiker L. EULER (1707-1783) zurückgehende und deshalb nach ihm benannte Gleichung der Turbomaschinen beschreibt den Zusammenhang der spezifischen Arbeitsübertragung zwischen Fluid und Laufrad mit den Drehkomponenten der Absolutgeschwindigkeit vor und hinter dem Laufrad. Sie ergibt sich aus dem allgemeinen Drehimpuls der Mechanik, der für irgendeinen stationär durchströmten Kontrollraum folgendermaßen lautet: Definition 7 Die Differenz zwischen den Drallströmen am Ein- und Austritt eines durchströmten Kontrollraumes ist nach Betrag und Richtung gleich dem am Kontrollraum wirkenden äußeren Drehmoment. Es gilt:

M = m ⋅ (cu 2 ⋅ r2 − cu1 ⋅ r1 )

(12.3)

Bild 1.4.12-2. Blockschema zum Drallsatz.

Das durch diese Gleichung definierte Drehmoment M wird Laufraddrehmoment genannt. Es ist positiv, wenn es eine Erhöhung des Drallstroms bewirkt.

312

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Mit der Definition für die spezifische Laufradarbeit

M ⋅ω m und Gleichung 12.1 ergibt sich: e=

e = cu 2 ⋅ u2 − cu1 ⋅ u1

(12.4)

Das ist die Euler’sche Gleichung der Turbomaschinen. Bei Arbeitszufuhr von der Welle an das Laufrad und von diesem weiter an das Fluid ist e > 0; bei Arbeitsabfuhr aus dem Fluid an das Laufrad und weiter an die Welle gilt e < 0. Für Pumpen ist danach e positiv, für Turbinen negativ. Weil es unbequem ist, bei der einen oder der anderen Maschinenart grundsätzlich mit negativen Arbeiten rechnen zu müssen, wird ein zusätzliches Zeichen zur Kennzeichnung der Richtung der Arbeitsübertragung eingeführt. Es bedeutet

e > 0:Arbeitszufuhr e > 0:Arbeitszufuhr

}

e = −e

(12.5)

Der Pumpenbauer kann den Begriff der Arbeitszufuhr verwenden, der Turbinenbauer den für ihn zutreffenden Begriff der Arbeitsabfuhr, beide rechnen dann mit positiven Arbeitsübertragungen. Die Eulersche Gleichung kann also für Turbinen auch geschrieben werden:

e = cu1 ⋅ u1 − cu 2 ⋅ u2

1.4.13

(12.6)

Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung

Ähnlichkeitskennzahlen sind dimensionslose Größen, die für alle zueinander ähnlichen Vorgänge denselben Zahlenwert annehmen, ungeachtet aller möglicherweise vorhandenen Unterschiede in den Abmessungen und Parametern. Die Gleichheit der Kennzahlwerte ist das Kriterium der Ähnlichkeit zweier gleichartiger Objekte oder Vorgänge. Einige Ähnlichkeitskennzahlen sind schon aus dem Fach Strömungslehre bekannt; insbesondere die Reynoldszahl Re und die Machzahl M. Die Strömungsvorgänge in zwei Strömungsfeldern mit geometrisch ähnlichen Berandungen sind dann und nur dann im strengen Sinn ähnlich, wenn Reynolds- und Machzahl und alle weiteren gegebenfalls wesentlichen Kennzahlen in einander entsprechenden Punkten der beiden Felder gleiche Zahlenwerte haben. Strenge Ähnlichkeit ist allerdings in den Anwendungen nur selten realisierbar. Meist kann die Bedingung gleicher Kennzahlenwerte nur für die im jeweiligen Vorgang dominierenden Kennzahlen eingehalten werden. Viele Vorgänge können aber dann trotzdem noch mit genügender Näherung als ähnlich angesehen werden. Das gilt insbesondere auch für die Strömung in Turbomaschinen. Außer der Reynolds- und Machzahl gibt es weitere für Turbomaschinen charakteristische Ähnlichkeitskennzahlen. In diesem Abschnitt werden sie zusammengestellt und ihre Anwendung erläutert. Zuvor werden die grundlegenden Bedingungen für die mechanische Ähnlichkeit von Turbomaschinen betrachtet.

1.4.13-1

Ähnlichkeitsbedingungen

Zwei Turbomaschinen sind mechanisch ähnlich, wenn sie die folgenden drei Bedingungen erfüllen. 1 Die beiden Maschinen sind geometrisch ähnlich. Das heißt: Alle einander entsprechenden Längenabmessungen unterscheiden sich um einen einheitlichen Längenmaßstabsfaktor. Werden die Größen der einen Maschine mit dem zusätzlichen Index M ( Modell ) gekennzeichnet, so muss gelten: D2 M D1M b2 M l2 M = = = (13.1) D2 D1 b2 l2

1.4.13 Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung

313

2. Die Bewegungsvorgänge in den beiden Maschinen sind kinematisch ähnlich. Das heißt: Alle einander entsprechenden Geschwindigkeiten unterscheiden sich um einen einheitlichen Geschwindigkeitsmaßstabsfaktor. Es muss gelten: c1M u1M u2 M w2 M cu 2 M = = = = =... (13.2) c1 u1 u2 w2 cu2 Die beiden Maschinen werden dynamisch ähnlich beansprucht. Das heißt: alle einander entsprechenden Kräfte und Impulsströme unterscheiden sich um einen einheitlichen Kräftemaßstabsfaktor. Es muss gelten: FmM I M FτM FpM = = = =..., (13.3) Fm I Fτ Fp wobei Fm eine Massenkraft, Ft eine Reibungskraft, Fp eine Druckkraft und einen Impulsstrom bedeutet.

1.4.13-2

Die für Turbomaschinen charakteristischen Kennzahlen

Es wurde bereits gezeigt, dass die Energieumwandlung in Turbomaschinen von solchen physikalischen Größen wie V· , e˜, M, n usw. abhängt. Es geht jetzt darum, diesen Größen dimensionslose Ähnlichkeitskennzahlen (oder kurz Kennzahlen) zuzuordnen. Die spezifische Laufradarbeit hat die Dimension des Quadrats einer Geschwindigkeit. Das ist an der Eulerschen Gleichung (13.4 ) zu sehen. Es wird eine Ähnlichkeitskennzahl für die Arbeitsübertragung im Laufrad gewonnen, wenn durch das Quadrat einer für den Turbomaschinenprozeß wesentlichen Geschwindigkeit dividiert wird. Die übliche Definition lautet: e =υ / (13.4) u2 2

/ der Energiedifferenzzahl. (Der willkürlich hinzugenommene Faktor 2 ändert mit= υ nicht die Dimension.) Nachfolgend sind alle Kennzahlen sowie deren Umrechnungsformeln in den Tabellen zusammengestellt. Neben den allgemeinen Definitionen sind jeweils noch die Berechnungsformeln für die Anwendung bei Pumpen und Turbinen angegeben. Sie unterscheiden sich vor allem durch die Zahlenindizes der Bezugsgeschwindigkeiten; es wird nämlich stets die Umfangsgeschwindigkeit am äußeren Radumfang eingesetzt, das ist bei Radialpumpen u2, bei Radialturbinen u1 und bei Axialmaschinen ua. Weiterhin haben die Wirkungsgrade bei Pumpen und Turbinen verschiedene Stellung in den Formeln, und schließlich wird bei Pumpen die Arbeitszufuhr eingesetzt, wo bei Turbinen die Arbeitsabgabe steht.

1.4.13-3

Anwendung der Ähnlichkeitskennzahlen

1.4.13-3.1 Modellberechnung Modellversuche werden vorwiegend im Zusammenhang mit Neukonstruktion sehr großer Turbomaschinen, die nicht im Original auf Werkprüfständen vorerprobt werden können, durchgeführt. Es wird dazu ein konkretes Beispiel betrachtet. Gegeben: sei eine große Speicherpumpe (etwa für ein Pumpspeicherkraftwerk) mit den Daten V· , Hn, D2 und n. Zu dieser Pumpe soll ein Modell im Maßstab 1:5 auf dem Prüfstand bei HnM = Hn /2 untersucht werden. Gesucht: sind die einzustellenden Werte der Drehzahl nM und des Volumenstroms V· M für das Modell sowie dessen Leistungsaufnahme P˜ M. Lösung: Wie im vorigen Abschnitt erläutert, sollen die Wirkungsgrade für die große Pumpe und das Modell gleichgesetzt werden. Dann gilt wegen: g ⋅ Hn (13.5) e= ηh

1

314

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Tafel 1.4.13-1 Definitionen von Turbomaschinenkennzahlen. Name

Definition

Berechnungsformeln Pumpen, Ventilatoren, Verdichter

Energiedifferenzzahl

υ /=

2e u2

Druckzahl

υ /=

2e u2

Lieferzahl

φ* =

Durchfußzahl

σ=

34

σ P = 2,108 ⋅

spezifische Drehzahl

M ρ ⋅ D5 ⋅ w2

nq = n ⋅

V 34 Hn

λP =

e

M ρ ⋅ Da5 ⋅ w 2

nq = n ⋅

V 34 H nP

2e ua2

2e 1 = ⋅ /υ ua2 ηhT T V Q¸ ra2 ¸ u a

φT =

n⋅ V 34 e

δP = 1, 054 ⋅ Da ⋅

υ /T =

φT* =

cm 2 u2

14

λ=

υ /T =

V π⋅ ra2 ⋅ u a

φP =

φ* υ /

2e ua2

2e = ηhP ⋅ /υP ua2

φP* =

cm u

⎛ υ / ⎞ δ = ⎜⎜ *2 ⎟⎟⎟ ⎝⎜ ϕ ⎠⎟

Durchmesserzahl Leistungs- oder Drehmomentkennzahl

υ /P =

V Q¸ r 2 ¸ u

φ=

Schnelllaufzahl

υ /P =

Turbinen

14

V

cm1 u2

σ T = 2,108 ⋅

n⋅ V 34 e

δT = 1, 054 ⋅ Da ⋅

e

14

V

  = M/ M T ρ ¸ Da5 ¸ w 2 nq = n ⋅

V 34 H nT

e M H nM 1 = = 2 e Hn

(13.6)

Grundlegendes Ähnlichkeitskriterium ist die Gleichheit aller Ähnlichkeitskennzahlen für Speicherpumpe und Modell, also müssen z.B. auch die Energiedifferenzzahlen υ / und υ / M gleich sein. Damit ergibt sich:

2 u e M u22 υ 1 /M =1= ⋅ = ⋅ 2 2 e u22M 2 υ / u 2M und weiter u2 M =

(13.7)

2 u 2 2

(13.8)

Unter Beachtung der kinematischen Beziehung

u = D ⋅π⋅ n

(13.9)

und mit dem Modellmaßstab D2M : D2 = 1 : 5 wird die Modelldrehzahl berechnet:

D2 M ⋅ nM =

2 ⋅ D2 ⋅ n 2

(13.10)

1.4.13 Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung

nM =

2 D2 5⋅ 2 ⋅ ⋅n = ⋅ n = 3,536 2 D2 M 2

315

(13.11)

Ebenso wie die Energiedifferenzzahl ist auch die Lieferzahl für beide Maschinen gleich groß. Damit folgt:

φM* V D2 ⋅ u =1= 2 M ⋅ 2 2 * φ D2 M ⋅ u2 M V

(13.12)

2

⎛D ⎞ u VM = ⎜⎜⎜ 2 M ⎟⎟⎟ ⋅ 2 M ⋅V = 0,0283 ⋅V ⎜⎝ D2 ⎠⎟ u2

(13.13)

Für die Bestimmung der Leistungsaufnahme des Modells wird voraus gesetzt, dass es ebenso wie die große Maschine mit Wasser betrieben wird, also ρM = ρ ist. Daraus folgt:

PM mM ⋅ e M ρ M ⋅ VM ⋅ e M = = P m⋅ e ρ⋅ V ⋅ e PM =

2 ⋅ 0, 5 ⋅ P = 0,01414 ⋅ P 50

(13.14) (13.15)

In diesem Beispiel waren Längenmaßstab und das Verhältnis der Nutzförderhöhen vorgegeben. Es gibt viele andere Möglichkeiten der Kombination von Vorgabewerten für die Modellberechnung. Das Vorgehen bei der Lösung ist jedoch im Prinzip immer dasselbe: Es werden solche Kennzahlen ausgesucht, die gegebene und gesuchte Größen verknüpfen, und jeweils für Modell und Original gleichgesetzt.

1.4.13-3.2 Rationalisierung der Versuchsarbeit Die Ähnlichkeisgesetze gelten natürlich auch für den Sonderfall, dass der Längenmaßstab gleich eins ist. Das bedeutet ungeänderte Abmessungen oder – wie jetzt vorrausgesetzt werden soll – Identität von Original- und Modellmaschine. In diesem Fall dienen diese Gesetze zur Umrechnung, zum Vergleich oder zur Einstellung der verschiedenen Betriebszustände einer und derselben Maschine. Wird irgendein AusgangsbetriebszuI aus der Mannigfaltigkeit aller möglichen Betriebszustände heraus gegriffen, stand w dann gibt es zu diesem Zustand ähnliche und unähnliche Zustände. Die ähnlichen sind diejenigen, die ähnliche Geschwindigkeitsdreiecke, etwa gleiche Machzahl und nicht zu stark unterschiedliche Reynoldszahlen haben. In Bild 13.1 sind neben den GeschwindigI diejenigen eines ähnlichen Zustandes w II und eines unkeitsdreiecken des Zustandes w ähnlichen Zustandes w III gezeichnet.

Bild 1.4.13-1. Ähnliche und unähnliche Geschwindigkeitsdreiecke.

1

316

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

An einem Beispiel soll die Umrechnung der Zustandsgrößen für ähnliche Zustände erläutert werden. An einem Ventilator seien die Werte ΔpgesI , V· I bei der Drehzahl nI gemessen worden. Gesucht seien die Werte ΔpgesII und V· II für den ähnlichen Zustand bei der Drehzahl nII. Lösung: Die dimensionslose Kennzahl für die Gesamtdruckerhöhung ist die Druckzahl ψ. Aus ihrer Definition folgt für Pumpen und Ventilatoren: ρ (13.16) Δpges = /υ p ⋅ ⋅ u22 2 oder bei konstanten Werten von ρ, D2 und ψP, wie es der Aufgabenstellung entspricht.

Δpges ∼ n2

(13.17)

Damit ergibt sich: 2

⎛n ⎞ ΔpgesΙΙ = ΔpgesΙ ⋅⎜⎜⎜ ΙΙ ⎟⎟⎟ ⎜⎝ nI ⎠⎟

(13.18)

Auf analoge Weise kann mit Hilfe der Lieferzahl ermittelt werden:

V ∼n

(13.19)

und

VII = VI ⋅

nII nI

(13.20)

Die ähnlichen Betriebszustände sind also unter den Bedingungen, die bei hydraulischen Turbomaschinen vorliegen, leicht ineinander umzurechnen. Sie brauchen demzufolge bei Prüfstandsversuchen nicht alle gesondert ausgemessen werden. Die Versuche werden im Gegenteil so angesetzt, dass vorwiegend unähnliche Zustände eingestellt und vermessen werden (abgesehen von geplanten Kontrollmessungen).

1.4.13-3.3 Klassifizierung der Bauarten Maschinen unterschiedlicher Bauart, z.B. radiale und axiale Turbomaschinen, müssen sich im Wert mindestens einer der für Turbomaschinen charakteristischen Ähnlichkeitskennzahlen unterscheiden, denn sie sind unähnliche Maschinen. Die Frage ist, welche der verschiedenen Kennzahlen am deutlichsten und vor allem eindeutig ihren Wert bei der Variation der konstruktiven Merkmale verändert. Diese Kennzahl müßte dann am besten dazu geeignet sein, die Bauarten nach einem quantitativen Merkmal einzuteilen.

Bild 1.4.13-2. Einteilung der Bauarten nach der Schnelllaufzahl σ bzw. nach der spezifischen Drehzahl nq.

1.4.13 Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung

Die Erfahrung lehrt, dass in erster Linie die Schnelllaufzahl eine in dieser Hinsicht brauchbare Kennzahl ist. Im Wasserturbinenbau, wo diese Erfahrung zuerst gewonnen und genutzt worden ist, sind dementsprechend zur groben Klassifizierung der Bauarten die Begriffe Langsamläufer, Normalläufer, und Schnellläufer geprägt worden. Die Zuordnung der Schnelllaufzahl zur Bauart ist wegen der ersichtlichen Überschneidung nicht eindeutig, jedoch für praktische Zwecke genügend deutlich. Das wichtigste konstruktive Merkmal einer Turbomaschine ist die Anordnung des Laufschaufelkranzes am Laufrad. In Bild 1.4.13-3 ist dieses Merkmal für die heute verwendeten Wasserturbinenbauarten abhängig von σ in schematischen Zeichnungen dargestellt. Ganz oben ist das Laufrad der Peltonturbine zu sehen. Es ist mit becherförmigen Schaufeln besetzt, die von einem tangential zum Laufradumfang gerichteten Wasserstrahl hoher Geschwindigkeit getroffen werden, diesen Strahl teilen und nach beiden Seiten um etwa 170 umlenken. Diese Bauart ist für sehr kleine Wasserströme V· mit sehr hoher spezifischer Energie e, d.h. in diesem Fall mit sehr großer Nutzfallhöhe (bis etwa 2000 m), geeignet und hat demzufolge sehr kleine σ-Werte. Nach der Größe der σ-Werte geordnet, folgen auf die Peltonbauart die verschiedenen Varianten der Francisbauart. An der unteren Grenze ihres σ-Wertebereiches handelt es sich um Turbinen der radialen Bauart, wobei der Laufschaufelkranz im Abströmbereich allerdings schon diagonal durchströmt wird. Für den Bereich sehr großer Wasserströme bei kleinen Nutzfallhöhen (Hn < 70 m)hat sich die Kaplanturbine als günstigste Bauart erwiesen. Sie hat ein axial durchströmtes Laufrad, das Leitrad wird so wie bei den Francisturbinen ausgeführt. Zwischen Leit- und Laufrad muss der Wasserstrom also entsprechend umgelenkt werden. Die Kreiselpumpen, Ventilatoren, Turboverdichter und Gasturbinen weisen in ihren hauptsächlich verwendeten Bauarten dieselben grundsätzlichen konstruktiven Änderungen der Laufradform bei Variation der Schnelllaufzahl auf wie bei Wasserturbinen. In Bild 1.4.13-3 sind von links nach rechts die Längsschnitte, die Eintritts-Geschwindigkeitsdreiecke und die schematisierten Grundrisse der Leit- und Laufschaufeln gezeichnet. Die spezifische Drehzahl nq wird oft im Wasserturbinen- und Kreiselpumpenbau anstelle der Schnelllaufzahl benutzt und ist definiert:

nq = n ⋅

V 34 Hn

Anstelle von e = g ⋅ Hn steht hier nur Hn, so dass es sich nicht um eine dimensionslose Kennzahl handelt. Ihr wird die Maßeinheit U/min beigelegt, indem man V· und Hn als reine Maßzahlen (Größe/Maßeinheit) auffasst. Die Maßzahlen von σ und nq unterscheiden sich durch einen konstanten Faktor. 14

σ 2 ⋅ π = = 0, 00634 = 1 158 34 nq 60 ⋅ g Alle Kennzahlen von Turbomaschinen beziehen sich auf einzelne Stufen. Unter einer Stufe wird eine aus Laufrad und Leitrad bestehende Baugruppe verstanden. Viele Turbomaschinen enthalten mehrere hintereinander geschaltete Stufen, andere besitzen parallel geschaltete Stufen. In die Kennzahlformeln sind stets die auf eine Stufe entfallenden Werte der Arbeitsübertragung bzw. Arbeitsfähigkeitsänderung und des Volumenstroms einzusetzen.

1.4.13-3.4 Allgemeingültige Darstellung von Erfahrungswerten Beim Auslegen und Konstruieren neuer Maschinen wird stets auf die Erfahrung mit bereits ausgeführten Maschinen der gleichen Art zurückgegriffen. Solche Erfahrungen werden rationell und allgemeingültig in Form von Zahlenwerten für bestimmte dimensionslose Ähnlichkeitskennzahlen gespeichert. Als charakteristisches Beispiel aus dem Turbomaschinenbau können die im vorigen Unterabschnitt behandelte Zuordnung der Laufradform zur Schnelllaufzahl angeführt werden. Weitere Beispiele für die allgemeingültige Darstellung von Erfahrungswerten sind in Tafel 1.4.13-2. Ein wesentlicher Vorteil des Cordier-Diagramms (Bild 1.4.13-4) liegt in der Möglichkeit des Auffindens eines zur Schnellaufzahl (Bauart) passenden Laufraddurchmessers.

317

1

318

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.13-3. Laufradformen von Wasserturbinen nach der Schnelllaufzahl geordnet a) Peltonturbine, b) Francislangsamläufer, c) Francisnormalläufer, d) Francisschnellläufer, e) Kaplanturbine.

1.4.13 Kennzahlen für Turbomaschinen und ihre Anwendung

319

Tafel 1.4.13-2 Laufradformen nach der Schnelllaufzahl geordnet.

1

Bild 1.4.13-4. Cordier-Diagramm.

320

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

1.4.14

Betriebsverhalten von Turbomaschinen

1.4.14-1

Grundlegende Begriffe, Regeln und Hilfsmittel

Die physikalischen Größen, mit denen der Betriebszustand einer Turbomaschine quantitativ beschreiben werden kann, werden Betriebskenngrößen genannt (siehe Abschnitt 3.3.2).

Bild 1.4.14-1. Geräteschaltbild einer Pumpenanlage.

Bild 1.4.14-2. Signalflussbild zur Pumpenanlage.

Solche Größen sind z. B. der Volumenstrom, die Gesamtdruckdifferenz, die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit, der Wirkungsgrad, der Einstellwinkel der Schaufeln usw. Jedem Betriebszustand entspricht eine bestimmte Kombination der Zahlenwerte dieser Betriebskenngrößen. Der Betriebszustand, für den die Turbomaschine ausgelegt und berechnet wird, heißt Auslegezustand; die zugehörigen Werte der Betriebskenngrößen werden durch den zusätzlichen Index A: V· A , ΔpgesA, nA bzw. ωA, ηA, αseA usw. gekennzeichnet. Im Betrieb können alle diese Größen in weiten Grenzen von ihren Auslegewerten abweichen. Unter welchen Bedingungen und in welcher Weise das geschieht und welche besonderen Erscheinungen dabei auftreten, das ist der Inhalt des Begriffs Betriebsverhalten. In diesem Unterabschnitt werden einige grundlegende Begriffe, Regeln und Hilfsmittel erläutert, mit denen die möglichen Betriebszustände einer gegebenen Anlage quantitativ bestimmt werden können. Es werden diese Betrachtungen am Beispiel einer Kreiselpumpe durchgeführt. Die zugehörige Anlage ist in Bild 1.4.14-1 als Geräteschaltbild dargestellt. Dieses Schaltbild zeigt die gerätetechnische Struktur der Anlage; es sagt aber nichts darüber aus, wie die verschiedenen Betriebskenngrößen, die jetzt als variable Größen ansehen werden müssen, untereinander verknüpft sind. Diesen Zweck erfüllt das in der Regelungstechnik gebräuchliche Signalflussbild (Bild 1.4.14-2). Den 3 Teilsystemen Motor, Pumpe und Rohrnetz entsprechen 3 Blöcke, die durch die Kopplungsgrößen M und n bzw. V· und Δpges verbunden sind. Seine Aussagekraft und

1.4.14 Betriebsverhalten von Turbomaschinen

Nützlichkeit erhält das Signalflussbild dadurch, dass die Betriebskenngrößen jetzt als Signale mit bestimmten Wirkungsrichtungen aufgefasst werden. Damit werden nämlich die Variablen als abhängige oder unabhängige Variable oder, in der Sprache der Regelungstechnik, als Ausgangs- oder Eingangsgrößen der jeweiligen Teilsysteme (Blöcke) gekennzeichnet, was das richtige Ansetzen der funktionellen Abhängigkeit zwischen den Betriebskenngrößen erleichtert. Es können auf Grund des vorliegenden Signalflussbildes die gesuchten Beziehungen zwischen den Betriebskenngrößen der betrachteten Pumpanlage in allgemeiner Form hingeschrieben werden, indem für jedes Teilsystem jede Ausgangsgröße als Funktion aller Eingangs- und Stellgrößen des Teilsystems angesetzt wird. Das ergibt für die Pumpe Δpges = f1( V· ,n) und M = f2( V· ,n), sowie für das Rohrnetz V· = f3(Δpges, ζN) und für den Motor n = f4(M,R).

·

Bild 1.4.14-3. Δpges – V Kennfeld mit Kennlinien von Pumpe und Rohrnetz.

Die in Bild 1.4.14-3 grafische Darstellung dieser Funktionen liefert vier Scharen von Kennlinien, die unabhängig voneinander für die entsprechenden Teilsysteme ermittelt werden müssen, was in der Regel experimentell geschieht. Soll der Betriebszustand der Anlage für vorgegebene Werte der Stellgrößen bestimmt werden, so müssen diejenigen Wertepaare der Kopplungsgrößen V· und Δpges auf der Fluidseite bzw. M und n auf der Maschinenseite ermittelt werden, die gleichzeitig die beiden Kennliniengleichungen der durch sie gekoppelten Teilsysteme erfüllen. Diese Aufgabe wird grafisch gelöst, indem die entsprechenden Kennlinien in ein gemeinsames Kennfeld eingezeichnet werden; ihr Schnittpunkt bestimmt den gesuchten Betriebspunkt. In Bild 1.4.14-3 illustriert das Vorgehen zur Bestimmung von Δpges und V· zu vorgegebenen Werten von n und ζN. Außer ihnen können bei Pumpenanlagen noch vorkommen: Leitschaufelverstellung, Stellgröße αse, Laufschaufelverstellung, Stellgröße bse, Förderhöhen und/oder Netzdruckdifferenzverstellung, Stellgröße (ρgH + ΔpN). Bekommt ein Teilsystem durch solche zusätzlichen Stellgrößen mehr als zwei voneinander unabhängige Eingangsgrößen, so müssen außer einem Kennlinienparameter noch Kennfeldparameter verwendet werden.

1.4.14-2

Typische Kennfelder einiger Turbomaschinen

1.4.14-2.1 Kennfeld einer Kreiselpumpe Die wichtigsten Betriebskenngrößen einer Kreiselpumpe sind der Volumenstrom V· , die Nutzförderhöhe Hn, die Drehzahl n, die Kupplungsleistung PK und der Wirkungsgrad η. Wenn die Pumpe verstellbare Lauf- oder Leitschaufeln hat, kommen noch die entsprechenden Stellgrößen hinzu, doch diese sollen hier zunächst nicht betrachtet werden. Gegenüber dem Signalflussbild in Bild 1.4.14-2 weicht die Aufzählung formell etwas ab, aber nicht prinzipiell: an Stelle von Δpges wird Hn verwendet, PK = M ⋅ 2πν ersetzt die Größe M, und der Wirkungsgrad wird als wichtigstes Bewertungskriteritum hinzugenommen, ohne dass dafür zusätzliche Messgrößen nötig sind. Für den Wirkungsgrad gilt:

η=

V ⋅Δpges M ⋅ω

=

V ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Hn M ⋅ 2πn

321

1

322

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.14-4. Kennfeld einer radialen Kreiselpumpe.

Die Messergebnisse werden zunächst in den Diagrammen Hn = f1( V· ,n) und η = f3( V· ,n) aufgetragen, wobei n als Kennlinienparameter dient. Die Wirkungsgraddarstellung wird wesentlich übersichtlicher, wenn aus den Messwerten Linien η = const im Hn, V· -Kennlinienfeld konstruiert werden. Dazu werden im Diagramm η über V· entsprechende Geraden η = const gezeichnet und ihre Schnittpunkte mit den Kurven n = const in das Hn, V· Diagramm übertragen. In Bild 1.4.14-4 ist die Konstruktion der Linie η = 0,75 kenntlich gemacht. Die entstehenden Wirkungsgradkurven heißen ihrer charakteristischen Form wegen Muschelkurven.

1.4.14-2.2 Kennfeld einer Wasserturbine Für Wasserturbinen benützen wir im Prinzip dieselben Betriebskenngrößen wie für Kreiselpumpen. Es bestehen jedoch wesentliche Unterschiede in der Veränderlichkeit und der praktischen Bedeutung einiger dieser Größen. Vor allem haben Wasserturbinen im Gegensatz zu gewöhnlichen Kreiselpumpen immer ein verstellbares Leitrad, so dass unbedingt die Stellgröße αse variiert werden muss. Weiterhin werden Wasserturbinen in der Regel mit nahezu konstanter Nutzfallhöhe betrieben. Im Vergleich zur Pumpe entfällt also bei der Turbine die Variable Hn, und die Variable αse kommt hinzu. Dem Zweck und der Betriebsweise von Wasserturbinen entsprechend wird das Turbinenkennfeld mit Drehzahl und Volumenstrom als Koordinaten und dem Leitschaufelwinkel αse als Para-

1.4.14 Betriebsverhalten von Turbomaschinen

323

meter aufgestellt. Außerdem werden wie beim Pumpenkennfeld die Wirkungsgrad-Muschelkurven mit eingetragen. Bild 1.4.14-5 zeigt das gemessene Kennfeld des Prüfstandmodells einer Francisturbine.

1

Bild 1.4.14-5. Kennfeld einer Francisturbine.

A als KennlinienAmax parameter verwendet worden; mit A wird der freie Durchflussquerschnitt zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln bezeichnet, der durch Verändern von αse-Werte zwischen Null und einem konstruktiv festgelegten Wert Amax annehmen kann. Im Wasserkraftwerk laufen die Turbinen mit der durch die Frequenz des Drehstromnetzes und die Polpaarzahl des Generators vorgeschriebenen konstanten Drehzahl. Alle normalen Betriebspunkte liegen daher auf einer zur V· -Achse parallelen Geraden LV , die in der Regel durch den Punkt maximalen Wirkungsgrades geht. Durch die Leitradverstellung ändern sich Volumenstrom, Leistung und Wirkungsgrad. Im Schnittpunkt L mit der Linie η = 0 wird PK = 0, die Turbine arbeitet im Leerlauf; bei maximaler Leitradöffnung wird die maximale Leistung erreicht (Volllastpunkt V ). Anstelle des Leitschaufelwinkels αse ist die relative Leitradöffnung a =

1.4.14-2.3 Kennfeld eines Ventilators Ventilatoren und Kreiselpumpen gleicher Bauart haben qualitativ übereinstimmende Kennlinien (siehe Abschnitt 3.3.2). Das in Bild 1.4.14-4 wiedergegebene Kennfeld einer Radialkreiselpumpe ist deshalb (bei entsprechend geänderten Zahlenwerten an den Achsen und Umrechnung von Hn auf Δpges) auch für Radialventilatoren charakteristisch. Als Beispiel für die Kennfelder von Axialmaschinen ist in Bild 1.4.14-6 das gemessene Kennfeld eines Axialventilators mit Laufschaufelverstellung für konstante Drehzahl dargestellt. An den Kennlinien ist die Abweichung Δβse des Laufschaufelwinkels βse von seinem Auslegewert als Parameter angeschrieben:

Δßse = ßse − ßseA

(14.1)

Wie das Kennfeld zeigt, ändert sich die Druckerhöhung dieses Ventilators beim Verstellen der Laufschaufeln im gleichen Sinn wie der Winkel βse. Auf den ersten Blick scheint die Wirkung dieser Stellgröße der Wirkung einer Drehzahlverstellung zu gleichen. Tatsächlich bestehen jedoch wesentliche Unterschiede. Während sich die Kennlinie für ver-

324

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.14-6. Kennfeld eines Axialventilators mit Laufschaufelverstellung.

schiedene Drehzahlen durch eine Ähnlichkeitstransformation ineinander überführen lassen, gibt es auf irgend zwei Kennlinien mit verschiedenen βse-Werten überhaupt keine zueinander ähnlichen Betriebspunkte. Typisch für Axialmaschinen ist das meist schroffe Abbiegen oder Abbrechen der Kennlinien bei einer relativ geringen Unterschreitung des zum Punkt maximalen Wirkungsgrades auf der jeweiligen Kennlinie gehörenden Volumenstroms, das in Bild 1.4.14-6 der Übersichtlichkeit halber nur für zwei Kennlinien dargestellt ist (Δβse = 0 und −15°). Ursache ist das mit dem Bilden großer Wirbelzonen verbundene Abreißen der Strömung in den Schaufelkränzen. Die als Abreißgrenze bezeichnete Linie im Kennfeld markiert die Zustände unmittelbar vor Beginn des Abreißens. Wird die Maschine im Bereich abgerissener Strömung betrieben, so hat sie niedrigen Wirkungsgrad, und die Schaufeln werden durch starke Wechselkräfte hoch beansprucht. Dieser Betriebsbereich muss deshalb gemieden werden.

1.4.14-3

Instabile Betriebszustände

Bisher wurde vorrausgesetzt, dass jedem Kennfeldpunkt im Variationsbereich der Betriebskenngrößen ein stabiler Betriebszustand zugeordnet ist. Darunter wird verstanden, dass die Anlange bei konstant gehaltenen Stellgrößen einen Beharrungszustand annimmt und auch nach vorübergehenden Störungen von selbst wieder in diesen Zustand zurückkehrt. Die Erfahrung lehrt aber, dass es bei Anlagen mit Pumpen, Ventilatoren oder Verdichtern auch Einstellungen gibt, wo das System keinen Beharrungszustand erreicht, sondern in Form von selbsteregten Schwingungen mit oftmals großen Amplituten um den eigentlich angestrebten konstanten Zustand pendelt. Am Beispiel der in Bild 1.4.14-7dargestellten Anlage mit Kreiselpumpe soll ein solcher Fall erläutert werden. Die Gleichung der Netzkennlinie 10.3 lautet hier: ςN Hn = H + ⋅V 2 (14.2) 2 ⋅ g ⋅ AD2 wobei in ζN nur die Verluste im Rohr 1 und der Austrittsverlust bei α eingehen. Die Verluste im Rohr 2 sind maßgebend für die Spiegelhöhe H, die sich bei Beharrung so einstellt, dass Zufluss V· 1 und Abfluss V· 2 am Hochbehälter gleich sind. Als Kennlinie der Kreiselpumpe sei eine Kurve mit überall negativer Steigung angenommen

⎛⎜ dH n ⎞ < 0⎟⎟⎟ (Bild 1.4.14-8). ⎜⎜ ⎝ dV ⎠

1.4.14 Betriebsverhalten von Turbomaschinen

Die Anlage arbeite zunächst stationär im Betriebspunkt A. In irgendeinem Zeitpunkt t0 soll dann das Ventil im Rohr 2 geschlossen werden, so dass der Abfluss aus dem Behälter Null wird. Die Folge davon ist, dass die Spiegelhöhe H kontinuierlich anwächst. Die Netzkennlinie wird parallel zur Hn-Achse nach oben verschoben und der Betriebspunkt verlagert sich längs der Pumpenkennlinie in den neuen Beharrungszustand C mit V· 1 = 0. Wenn der Behälter großes Fassungsvermögen hat, vollzieht sich der Übergang langsam, die Strömung ist quasistationär. Wird das Ventil im Rohr 2 nicht vollständig, sondern nur teilweise geschlossen, so wird sich irgendein Beharrungszustand zwischen A und C mit V· 1 = V· 2 einstellen, z.B. der Zustand B in Bild 1.4.14-8. Es kann festgestellt werden, dass alle Betriebszustände auf der vorgegebenen Pumpenkennlinie stabil sind. Jetzt soll die Anlage mit einer anderen Pumpe betrieben werden, deren Kennlinie ein relatives Maximum im I.Quadranten besitzt (Bild 1.4.14-9). Aus dem statinoären Betrieb (z.B. im Punkt A) heraus wird diesmal das Ventil im Rohr 2 allmählich geschlossen. Es geschieht zunächst qualitativ dasselbe wie im eben erläuterten Fall, bis der Betriebspunkt C erreicht ist. Wenn von diesem Punkt aus V· 2 weiter vermindert werden soll und dazu das Ventil im Rohr 2 weiter geschlossen wird, so vermindert sich der Abfluss aus dem Behälter, während der Zufluss im ersten Moment noch erhalten bleibt. Der Spiegel hat somit steigende Tendenz, die Pumpe kann aber keine größere Förderhöhe liefern. Es ensteht ein Förderhöhendefizit und damit eine Druckkraft, die das im Rohr 1 fließende Wasser verzögert, also V· 1 vermindert. Jede Verminderung von V· 1bewirkt aber gemäß Kennfeld eine Vergrößerung des Förderhöhendefizits. Das bedeutet, dass die Zustände links von C auf der Pumpenkennlinie instabil sind, sie werden schnell durchlaufen. Dabei wird der Volumenstrom Null und kehrt dann seine Richtung um. Erst im Punkt D wird ein neuer quasistationärer Zustand erreicht. Das Förderhöhendefizit ist dort beseitigt, jedoch ist V· 1 < 0, d.h. der Behälter entleert sich, die Spiegelhöhe nimmt ab. Der Betriebspunkt wandert quasistationär von D nach E. Von dort an wird die Förderhöhe der Pumpe größer, als dem Spiegelstand im Behälter entspricht, die Wassermasse wird wieder beschleunigt, bis bei B ein weiterer quasistationärer Zustand erreicht ist. Der Zufluss zum Behälter ist aber größer, als der eingestellten Ventilöffnung im Rohr 2 entspricht, der Spiegel steigt also wieder. Wenn der Zustand C erreicht ist, beginnt der beschriebene Zyklus von neuem. Die Zustände links von C, d.h. mit V· < V· C , sind bei der Anordnung instabil. Wird V· < V· C eingestellt, so arbeitet die Anlage periodisch instationär. V· 1 wird abwechselnd positiv und negativ, H und V· 2 schwanken um ihre Mittelwerte (Bild 1.4.14-9). Ursache für dieses Verhalten ist die Existenz eines Abschnitts der Pumpenkennlinie im ersten Quadranten mit positiver und größerer Steigerung als die Netzkennlinie.

Bild 1.4.14-7. Vereinfachtes Geräteschaltbild einer Pumpenanlage mit offenem Hochbehälter.

325

1

326

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.14-8. Kennfeld der Pumpenanlage.

Bild 1.4.14-9. Pumpenkennfeld mit veränderter Pumpenkennlinie sowie zeitlicher Verlauf der Volumenströme.

1.4.14 Betriebsverhalten von Turbomaschinen

1.4.14-4

327

Kavitation

Wer mit hydraulischen Turbomaschinen zu tun hat, muss unbedingt über die Erscheinung der Kavitation informiert sein. Kavitation heißt Hohlraumbildung in Flüssigkeiten. Die Hohlräume (Blasen) sind mit dem Dampf der umgebenden Flüssigkeit erfüllt. Sie entstehen aus mikroskopisch kleinen Gaseinschlüssen (sog. Kavitationskeimen), wenn der Druck der Flüssigkeit auf Werte in der Nähe des zur örtlichen Temperatur gehörenden Dampfdruckes pD absinkt. Geschieht dies in einer strömenden Flüssigkeit, so werden die Blasen von der Strömung mitgenommen. Sie wachsen dabei an, solange sie sich in einem Gebiet mit p 0) bleiben unberücksichtigt. Der Wert der verschobenen Bezugskurve bei f = 500 Hz ist das bewertete Schalldämm-Maß RW. Bei diesem bewerteten Schalldämm-Maß werden keine Schallübertragungen über flankierende Bauteile berücksichtigt. Werden diese berücksichtigt, erhält man das resultierende Schalldämm-Maßes R'W (Bauschalldämm-Maß). Die Anforderungen an Prüfstände ohne bauähnliche Flankenübertragung (Messung von R) und solche mit bauähnlicher Flankenübertragung (Messung von R') sind in DIN EN ISO 10140-22) beschrieben. Ein Rechenverfahren zur Ermittlung des resultierenden Schalldämm-Maßes R'W,R ist im Beiblatt 1 zu DIN 41093) aufgeführt. Mindestanforderungen an das resultierende Schalldämm-Maßes R'W,R von Bauteilen sind in der DIN 41094) aufgelistet.

Bild 1.5.7-2. Prüfung einer Wand; Gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise muss die Bezugskurve um 11dB nach unten verschoben werden. Der Wert der verschobenen Bezugskurve bei 500Hz ergibt das bewertete Schalldämm-Maß, also Rw = 41 dB.

1.5.7-4

Einschalige Wände und Decken

bestehen aus einheitlichem Material, z. B. Beton, Ziegel usw. Sie dämmen umso besser, je schwerer sie sind. Messwerte für die mittlere Schalldämmung sind in Tafel 1.5.7-1 aufgeführt. Näherungsweise gilt für das Schalldämm-Maß R: R = 20 · lg f + 20 · lg m" – 47 f = Frequenz in [Hz] m" = flächenbezogene Masse des Bauteils in [kg/m2] Diese Gleichung sollte in der Praxis weniger dazu verwendet werden, das SchalldämmMaß einer einschaligen Wand zu berechnen sondern um Maßnahmen zur Verbesserung 1) 2) 3) 4)

DIN EN ISO 717-1 „Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen – Teil 1: Luftschalldämmung“, 06-2013. DIN EN ISO 10140-2 „Akustik – Messung der Schalldämmung von Bauteilen im Prüfstand – Teil 2: Messung der Luftschalldämmung“, 12-2010. DIN 4109 Beiblatt 1 „Schallschutz im Hochbau – Ausführungsbeispiele und Rechenverfahren“, 11-1989. DIN 4109 „Schallschutz im Hochbau; Anforderungen und Nachweise“, 11-1989.

1

344

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

des Schalldämm-Maßes zu bewerten. Verdoppelt man die flächenbezogene Masse des Bauteils, ergibt sich aus der obigen Gleichung, dass durch diese Maßnahme das Schalldämm-Maß für jede Frequenz um 6 dB (20 · lg 2) verbessert wird. Muss das SchalldämmMaß um größere Beträge verbessert werden, ist also eine sehr große flächenbezogene Masse erforderlich. Damit stößt man sehr schnell an die Grenzen der Baustatik. Um starke Verbesserungen des Schalldämm-Maßes zu erreichen, sind daher Vorsatzschalen oder mehrschalige Bauteile erforderlich. Tafel 1.5.7-1

Mittlere Luftschalldämmung einschaliger Wände, beiderseits verputzt. Masse Dämmung dB kg/m2

Wand 6 cm Bimsbeton 10 cm Gipsplatten 10 cm Porenbeton 11,5 cm Lochziegel 20 cm Porenbeton Tafel 1.5.7-2

110 105 150 200 220

35 36 41 44 45

Wand

Masse Dämmung kg/m2 dB

11,5 cm Vollziegel 12 cm Schwerbeton 24 cm Lochziegel 24 cm Vollziegel 24 cm Kalksandstein

270 330 350 460 510

47 50 51 53 54

Mittlere Luftschalldämmung von zweischaligen Wänden.

Wand

Dicke

Masse einschl. beiderseits 1,5 cm Zementputz

Luftspalt

Gesamtdicke

Mittl. Schalldämmg.

cm

kg/m2

Vollziegel

2 × 6,5

280

cm

cm

dB

1,5

17,5

56

Schwemmsteine

2 × 9,5

250

1,8

23,8

56

Schwemmsteine

2 × 6,5

280

2,1

18,1

55

Bimszementdielen

2×5

150

3,0

16

53

Gipsdielen

2×5

130

3,7

16,7

53

Leichtbauplatten

2×5

90

4,5

17,5

52

1.5.7-5

Mehrschalige Wände und Decken

Diese bestehen aus zwei oder mehreren Schalen, die nicht in starrer Verbindung miteinander stehen. Um Hohlraumresonanzen zu bedämpfen, ist der Zwischenraum lose mit einer porösen Dämmschicht ausgefüllt. Bei richtiger Ausführung ergeben sich gegenüber einschaligen Konstruktionen höhere Schalldämm-Maße bei geringerem Gewicht. Gemessene Werte für die mittlere Schalldämmung verschiedener zweischaliger Konstriktionen sind in Tafel 1.5.7-2 aufgeführt. Die Berechnung des Schalldämm-Maßes eines zweischaligen Bauteils ist sehr komplex. Für den theoretischen Fall, dass der Schall nur senkrecht auf die Wand auftrifft, gilt näherungsweise: R = 60 · lg f + 40 · lg m" + 20 · lg d – K mit f = Frequenz in Hz m" = flächenbezogene Masse des Bauteils in kg/m2 d = Abstand der zwei Wandschalen in m K = Konstante Da der Schalleinfall auf das Bauteil in der Praxis nicht senkrecht sondern vielmehr diffus ist, kann diese Gleichung nicht zur Berechnung des Schalldämm-Maßes eines zweischaligen Bauteils herangezogen werden. Jedoch kann sie dazu verwendet werden, um Maßnahmen zur Verbesserung des Schalldämm-Maßes zu bewerten. Während bei einem

1.5.7 Luftschalldämmung

345

einschaligen Bauteil die Verdoppelung der flächenbezogenen Masse zu einer Erhöhung des Schalldämm-Maßes um 6 dB führt (siehe vorherigen Abschnitt), beträgt hier die Erhöhung des Schalldämm-Maßes 12 dB (40 · lg 2). Bei der zweischaligen Wand sind verschiedene Ausführungen möglich. Beispielsweise kann vor eine Massivwand eine weiche Schale (z. B. eine Leichtbauplatte mit möglichst wenig Verbindungspunkten zur Massivwand) gesetzt werden (Bild 1.5.7-3, oder es können zwei gleich schwere Schalen in einem definierten Abstand zu einander aufgestellt werden (Bild 1.5.7-4). Auch bei zweischaligen Decken sind viele Ausführungen möglich. In Bild 1.5.7-5 ist unter der Tragdecke eine Unterdecke mit nur geringen Berührungsflächen montiert. Bild 1.5.7-6 zeigt eine Decke mit einem sog. schwimmenden Estrich. Zwischen der massiven Decke und dem Estrich befindet sich eine Dämmschicht. Die Kombination der Konstruktionen in Bild 1.5.7-5 und Bild 1.5.7-6 ergibt eine dreischalige Decke, mit der bei einer richtigen Ausführung besonders hohe Schalldämm-Maße erreicht werden.

Bild 1.5.7-3. Wand mit vorgesetzter Leichtbauplatte.

Bild 1.5.7-4. Wand mit zwei gleichen Schalen.

Bild 1.5.7-5. Decke mit untergehängter Schale. Bild 1.5.7-6. Decke mit schwimmendem Estrich.

1.5.7-6

Fenster und Türen

Die Schalldämmung von Fenstern und Türen hängt außer von der Dicke des Materials außerordentlich stark von der mehr oder weniger guten Ausführung der Dichtung an den Auflageflächen ab. Gemessene Werte streuen daher sehr (siehe Tafel 1.5.7-3). In verkehrsreichen Straßen mit einem Pegel von z. B. 75 dB sind Schallschutzfenster unerlässlich. Tafel 1.5.7-3

Mittlere Luftschalldämmung von Fenstern und Türen Die höheren Werte beziehen sich auf Türen bzw. Fenster mit zusätzlicher Dichtung.

Bauteil

Mittlere Dämmzahl dB

Übliche Doppel- EinfachEinfachtür venster tür

Isolierglas

Kastendoppelfenster

Schallschutzfenster

20…25

30…35

30…35

35…45

30…40

20…30

1

346

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

1.5.7-7

Zusammengesetzte Bauteile

Dieses sind Bauteile mit darin befindlichen Flächen anderer Schalldämmung. Ein Beispiel ist eine Wand mit Fenster und Tür (Bild 1.5.7-7). Sind die Schalldämm-Maße der einzelnen Bauteile bekannt, berechnet sich das Schalldämm-Maß des zusammengesetzten Bauteils wie folgt: n

R res

– 0 ,1 ⋅ R i    S i ⋅ 10   =1  = – 10 ⋅ lg  i-------------------------------------- n      Si   i=1

Rres = Schalldämm-Maß des zusammengesetzten Bauteils Si = Fläche des i-ten Einzelbauteils Ri = Schalldämm-Maß des i-ten Einzelbauteils n = Anzahl der Einzelbauteile Näherungsweise kann statt mit dem Terz- oder Oktav-Schalldämm-Maß R auch mit dem resultierenden Schalldämm-Maß RW gerechnet werden. Beispiel: Gegeben ist die Wandkonstruktion in Bild 1.5.7-7 mit den folgenden Daten: Wand ohne Tür und Fenster: RW = 52 dB; S = 9 m2 Fensterelement: RW = 40 dB; S = 1 m2 Türelement: RW = 35 dB; S = 2 m2 Damit ergibt sich das Schalldämm-Maß der Wandkonstruktion zu: – 0 ,1 ⋅ 52

R'W,res

=

– 0 ,1 ⋅ 40

– 0 ,1 ⋅ 35

9 ⋅ 10 + 1 ⋅ 10 + 2 ⋅ 10 – 10 lg ---------------------------------------------------------------------------------------------------- = 41,8 dB = 41 dB. 12

Hinweis: Ergebnisse für das resultierende Schalldämm-Maß von zusammengesetzten Bauteilen werden grundsätzlich auf volle dB abgerundet.

Bild 1.5.7-7. Beispiel für ein zusammengesetztes Bauteil (Bild Lindner AG).

1.5.8 Körperschalldämmung

1.5.8

Körperschalldämmung

Körperschall ist der Schall, der sich in einem festen Medium bei einer Frequenz > 15 Hz ausbreitet. Der Körperschall ist an sich nicht hörbar, wird jedoch dann hörbar, wenn er durch Abstrahlung von Flächen in Luftschall verwandelt wird, z. B. beim Trittschall. Die Weiterleitung des Schalles ist also möglichst zu dämmen, zumal sich der Schall in festen Körpern mit nur geringen Verlusten fortpflanzt (Heizungsrohre). Die Gesetzmäßigkeiten bei der Körperschalldämmung sind wegen der Kopplung verschiedener Wellen sehr komplex. Die Verminderung der Schallausbreitung erfolgt hauptsächlich durch die Zwischenschaltung einer elastischen Schicht wie Kork, Gummi u. a., an der die Schallwellen reflektiert werden. Allgemein lässt sich sagen, dass die Dämmung desto größer ist, je weicher und je stärker belastet die elastische Schicht ist. Bei langsamen Schwingungen, wie sie z. B. bei rotierenden Maschinen auftreten, spricht man von Erschütterungen. Sie werden durch sogenannte Schwingungsdämpfer verringert. Dabei ist es wichtig, die Eigenschwingzahl nei der Anordnung möglichst weit unterhalb oder oberhalb der Erregungsschwingzahl ner zu halten, damit Resonanz vermieden wird. Eigenschwingzahl ist die Schwingzahl je Sekunde, die die Maschine auf der Federung beim Auslenken aus der Ruhelage annimmt. Erregerschwingzahl ist durch den Takt der Erregerkräfte gegeben, z. B. durch die Drehzahl der Maschinen, Nutenzahl bei Motoren, Schaufelzahl bei Lüftern usw.

1.5.9

Schallabsorption

Bei porigen Stoffen wie Textilien, Mineralwolle, Filzen, Holzfaserstoffen usw. wird ein wesentlicher Teil der auftreffenden Schallenergie in den Poren absorbiert und in Wärme verwandelt. Diesen Vorgang der Schallpegelabnahme in einem Raum nennt man Schalldämpfung. Der Schallabsorptionsgrad αs1) eines Stoffes gibt an, wie viel von der auftreffenden Schallenergie absorbiert wird. Sie ist das Verhältnis der absorbierten zur auftretenden Schallintensität. Der Schallabsorptionsgrad nimmt bei fast allen Stoffen mit der Frequenz stark zu. Bei tiefen Frequenzen ist sie umso größer, je dicker die Schallschluckplatte ist. Sie ist für zahllose Stoffe gemessen worden. Einige Werte zeigt Bild 1.5.9-1. Diese Methode der Schallabsorption wird in den „Schalldämpfern“ der Lüftungstechnik in großem Maßstab benutzt. Dabei erhalten die Kanäle schallschluckende Einbauten (Kulissen) aus Glas- oder Mineralwolle. Die Stärke der Schallabsorption lässt sich annähernd berechnen.

Bild 1.5.9-1. Schallschluckzahlen verschiedener e) 1 Lage Wachstuch über 5 cm durch Glaswatte Stoffe nach Thienhaus. gedämpften Luftraum a) Glattputz f) 3 mm Sperrholz über 5 cm ungedämpften b) 2,5 cm Holzwolle-Leichtbauplatte Luftraum c) dito mit 5 cm Luftraum g) poröse und schwingfähige Stoffe kombiniert d) 3 cm Glaswatte-Matte

1)

347

DIN EN ISO 354 „Akustik – Messung der Schallabsorption in Hallräumen“, 12-2003.

1

348

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bild 1.5.9-2. Schallabsorption bei Schallschluckstoffen und mitschwingenden Platten.

Eine bessere, auch für tiefere Frequenzen geeignete Schallabsorption erhält man, wenn man hinter dünnen, mitschwingenden Platten, z. B. Sperrholz, Gipskarton u. a. Luftzwischenräume vorsieht, die ganz oder teilweise mit Schallschluckstoffen ausgefüllt werden (Bild 1.5.9-2). Die in den Zwischenräumen auftretenden Schallschwingungen werden von dem Schluckstoff mehr oder weniger stark absorbiert. Diese Anordnung ist besonders wirksam bei oder in der Nähe der Frequenz: c ρ f = ------ ----------- in Hz 2 π l m″ mit ρ = Dichte der Luft in kg/m3 l = Luftzwischenraum in m m" = Flächengewicht der Platte in kg/m2 c = Schallgeschwindigkeit der Luft in m/s. Von der Schallabsorption macht man auch Gebrauch, wenn man die Geräuschstärke in einem Raum verringern will. Dabei werden in großem Umfang gelochte Platten oder Bleche verwendet, hinter denen Mineralwolle angebracht ist. Der Prozentsatz der Lochung beeinflusst die akustische Wirkung ebenso wie die Dicke der Mineralfaserplatten (Akustikplatten). Verwendung in Büroräumen, Maschinenräumen u. a.

1.5.10

Akustik großer Räume

In geschlossenen Räumen wird der Schall an den Raumbegrenzungsflächen, vor allem an Decken und Wänden, ein- oder mehrmals zurückgeworfen. Je nach der Größe und Form der Räume sowie Schallabsorption der Flächen ist die Verständlichkeit und Klanggüte verschieden. Räume mit großen Glas- oder Betonflächen, die stark reflektieren, haben eine lange Nachhallzeit (Hallräume), evtl. sogar Echo und damit eine geringe Verständlichkeit. Räume mit sehr schallabsorbierenden Wänden, Vorhängen oder dergl. (schallweiche Räume) haben eine kurze Nachhallzeit und damit gute Verständlichkeit. Daher ist der Nachhall, der mit einem Pegelschreibgerät aufgenommen wird, ein einfaches Maß für die Klanggüte. Unter der Nachhallzeit versteht man diejenige Zeit, in der die Schallenergie auf den millionsten Teil ihres Anfangswertes herabsinkt, der Schallpegel sich also um 60 dB verringert. Nach Sabine ist die Nachhallzeit in einem Raum 24 ⋅ ln 10 V V T = --------------------- ⋅ ---- = 0 ,163 ⋅ ---c A A mit T = Nachhallzeit in s c = Schallgeschwindigkeit in Luft, c = 340 m/s V = Raumvolumen in m3 A = äquivalente Absorptionsfläche im Raum in m2 Aus der Nachhallzeit lässt sich also die äquivalente Absorptionsfläche berechnen.

1.5.10 Akustik großer Räume

Tafel 1.5.9-1

349

Übliche Nachhallzeiten von Räumen in Sekunden

Theater

0,8

Hotelzimmer

0,5

Konzertsäle

1,8

Büros

0,5

Versammlungsräume

1,0

Kirchen

2…3

Hörsäle

1,3

Schwimmbäder

2

Einen weiteren qualifizierten Maßstab für die Hörsamkeit und Klanggüte großer Räume bilden die in den ersten 50 ms nach dem Direktschall eintreffenden Reflexionsschallanteile.

1

350

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6

Messtechnische Grundlagen1)

1.6.1

Allgemeines2)

Bestandteile eines Messgerätes sind grundsätzlich: – der Aufnehmer, Fühler, Geber oder Sensor, – das Mess- oder Rechensystem zur Auswertung – das Anzeigesystem (Zeiger, Skala, Display). Bei elektronischen Messgeräten finden sich zusätzlich – das System zur Datenausgabe des Momentanwertes (analog z. B. 0–10 V oder 0–20 mA oder digital), – der Datenspeicher, – eine digitale Schnittstelle zum Auslesen der gespeicherten Daten. Da der Sensor oftmals kein lineares Signal in Abhängigkeit der Messgröße liefert, sind im Messgerät elektrische Schaltungen zur Linearisierung erforderlich. Bei modernen Messgeräten wird die Wandlungselektronik häufig in den Sondenkopf integriert, was elektrische Störeinflüsse verringert. Man spricht dann von „digitalen“ oder „digital ausgelesenen“ Sonden, wobei die Messtechnik sich grundlegend nicht von „analogen“ Sonden unterscheidet. Die für die Messtechnik grundlegende Norm ist in Deutschland die DIN 1319. Diese definiert die Begriffe zur Anwendung von Messgeräten und liefert die Grundlagen zum Umgang mit Messwerten und Messabweichungen. Messwerte geben die tatsächlichen physikalischen Größen mit begrenzter Genauigkeit und nur innerhalb des für ein Messgerät zulässigen Messbereiches wieder. Die Messabweichung ist dabei von der Genauigkeit des Messgerätes und von der Messsituation abhängig. Messwerte sind stets nur Näherungswerte für den wahren Wert einer Messgröße, daher gehört zur Angabe eines Messergebnisses immer die Angabe der Messunsicherheit. Um sicherzustellen, dass die Messabweichung innerhalb der angegeben Toleranzen liegt müssen Messgeräte regelmäßig geprüft (kalibriert) werden. Die Kalibrierung ist nach DIN EN ISO 9001:2008 für alle Messgeräte vorgeschrieben, mit denen qualitätsrelevante Produktdaten gemessen werden. Nach der ISO 9001 sind keine festen Kalibrierintervalle vorgeschrieben, sie können innerhalb einer Organisation entsprechend der Anforderungen und Nutzungshäufigkeiten festgelegt werden. Es ist zulässig, die Messmittel einer Organisation einzuteilen in solche, die den Anforderungen der ISO 9001 unterliegen, und solche, die z. B. einen nicht relevanten Indikator-Charakter haben.

1.6.2

Druckmessung

1.6.2-1

Allgemeines

Es ist stets zwischen Relativdrücken (= Differenzdrücken) und Absolutdrücken zu unterscheiden. Beim Absolutdruck ist der Bezugsdruck = Null (Barometer, Vakuummeter). Die meisten technisch gemessenen Drücke sind Relativdrücke, bei denen die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Druckniveaus gemessen wird. Drücke werden in der Klimatechnik aus verschiedenen Gründen gemessen. Eine Motivation ist der Schutz von Anlagen gegen zu hohe Innendrücke (z. B. Berstschutz an Druckleitungen). Hier wird der Innendruck gegen Atmosphäre gemessen. Druckdifferenzen werden gemessen, etwa zur Ermittlung des Filterdruckverlustes oder zur Messung abgeleiteter Größen wie der Luftgeschwindigkeit. Solche Messverfahren werden als „pneumatische Messverfahren“ bezeichnet. Bei Ihnen wirkt sich die Dichte der Luft proportional auf das Messergebnis aus. Da die Dichte der Luft sich mit der Tem-

1) 2)

Überarbeitung von der 73. bis zur 77. Auflage durch Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Herzogerath, ab der 78. Auflage durch Dr.-Ing. Eckehard Fiedler, Aachen. DIN EN 12599 „Lüftung von Gebäuden – Prüf- und Messverfahren für die Übergabe eingebauter raumlufttechnischer Anlagen“, 01-2013.

1.6.2 Druckmessung

351

peratur und dem barometrischen Druck stark ändern kann muss immer die aktuelle Dichte am Messort bestimmt werden. Auslegungsdaten werden in der Regel für Standardbedingungen angegeben (bei Atmosphärendruck 1013,25 hPa): – DIN 1343: 273 K = 0 °C → ρ = 1,293 kg/m3 oder – DIN 1945: 293 K = 20 °C → ρ = 1,204 kg/m3. In der Klimatechnik wird häufig aus Bequemlichkeit mit dem Wert ρ = 1,2 kg/m3 gerechnet, was zu erheblichen Messfehlern führen kann. In Messprotokollen ist daher immer der barometrische Druck und die Lufttemperatur anzugeben und daraus die Dichte ρ der Luft an der Messstelle zu berechnen (siehe Abschnitt 1.3.1-4). Einheiten des Druckes sind im SI-System: 1 Newton/m2 = 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa) 1 bar = 105 N/m2 = 1000 mbar. In der Vakuumtechnik wird der Druck auch in % Vakuum angegeben, wobei 0 % Vakuum = Atmosphärendruck = 1013 mbar ist, 100 % = 0 mbar. Tafel 1.6.2-1

Druckmessverfahren, Anwendungsbereich und Messbereich

Gerätetyp

typische Anwendungsbereiche

häufige Messbereiche

U-Rohr und Schrägrohrmanometer

Druckdifferenzen in Anlagenteilen (z. B. Filter, Messblenden, Ventilatoren)

100–5000 Pa

Federmanometer

Überwachung Druckleitungen, Druckluft, Wasserdruck, Gasdruck

1–100 bar

elektrische Manometer

Druckdifferenzen in Lüftungsanlagen, Geschwindigkeiten mit Prandtl-Sonde

bis 200 Pa

Mikromanometer

Druckdifferenzen zwischen Räumen

bis 50 Pa

1.6.2-2

U-Rohr-Manometer

bestehend aus einem U-förmig gebogenen Glasrohr (Bild 1.6.2-1), sind die einfachsten Druckmesser zur Messung des Über- oder Unterdruckes, Messflüssigkeit ist meist Wasser oder Alkohol. Sonstige Flüssigkeiten siehe Tafel 1.6.2-2. Messbereich ≈ 0 bis 1000 mm Flüssigkeitssäule. Messgenauigkeit ≈ 1 mm Flüssigkeitssäule. Für kleine Drücke mittels U-Rohr wird in beiden Schenkeln eine spezielle leichtere Flüssigkeit über eine spezielle schwerere Flüssigkeit eingefüllt, z. B. Benzin auf Wasser (Bild 1.6.2-2).

Bild 1.6.2-1. U-Rohr-Manometer.

Bild 1.6.2-2. Zweistoffmanometer.

Bild 1.6.2-3. Schrägrohrmanometer.

1

352

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Für sehr geringe Drücke werden Mikromanometer (Schrägrohrmanometer) verwendet, bei denen ein Schenkel schräg gelegt ist (Bild 1.6.2-3). Neigung meist 1 : 10. Messbereich ≈ 1 bis 25 mm Flüssigkeitssäule, Messgenauigkeit ≈ 0,1 mm Flüssigkeitssäule. Neigung auch verstellbar 1 : 25 bis 1 : 2 (Schwenkrohrmanometer). Sonderausführungen für kleinste Drücke (Minimeter) gestatten Ablesungen bis zu etwa 10–4 Pa. Alle U-Rohr-Manometer können auch zur Differenzdruckmessung verwendet werden, indem die zu messenden Drücke mit den beiden Messstellen verbunden werden. Sie sind auch als Messinstrumente für absoluten Druck geeignet, indem der eine Schenkel luftleer gemacht wird, wie es beim Quecksilber-Barometer geschieht. Tafel 1.6.2-2

Manometerflüssigkeit

Flüssigkeit

Wasser

Petroleum

Alkohol

Benzol

Dichte in g/cm

1

0,79 bis 0,82

0,80

0,879

Flüssigkeit

Toluol

Nitrobenzol

Chloroform

Quecksilber

0,864

1,20

1,50

13,55

3

3

Dichte in g/cm

1.6.2-3

Federmanometer

haben als druckempfindliche Organe meist metallische Federn verschiedener Bauart. Man unterscheidet (Bild 1.6.2-4): Plattenfeder-Manometer (Bild 1.6.2-4a) mit kreisförmiger, flacher Federplatte, in die ringförmige Wellen eingepresst sind, um eine lineare Charakteristik zu erhalten. Geeignet für hohe Drücke. Rohrfeder-Manometer (Bild 1.6.2-4b), bei denen die Feder in Form einer elastischen, kreisförmig gebogenen Röhre mit flachem Querschnitt (früher Bourdonröhre genannt) ausgebildet ist. Beim Einleiten des Messdruckes in das Rohr streckt es sich, wobei die Bewegung des freien Endes auf ein Zeigerwerk übertragen wird. Besonders für hohe Drücke geeignet.

Bild 1.6.2-4. Feder-Manometer

a) Plattenfeder

b) Rohrfeder

c) Kapselfeder

d) Balgfeder

Kapselfeder-Manometer mit 2 an den Rändern zusammengefügten Membranen, wodurch der Hub wesentlich vergrößert wird. Der Druck wird in den Hohlraum geleitet. Besonders geeignet für geringe Drücke oder Unterdrücke, z.B. Zugmesser bei Feuerungen. Die Instrumente können auch zur Messung des absoluten Druckes verwendet werden, indem das Innere der Membrane vollkommen luftleer gemacht wird (AneroidBarometer, Bild 1.6.2-4c). Balgfeder-Manometer verwenden metallene Balgfedern, die innen oder außen beaufschlagt sein können. Nullpunkteinstellung durch Gegenfeder (Bild 1.6.2-4d).

1.6.3 Temperaturmessung

353

Vorteile der Federmanometer sind insbesondere Unempfindlichkeit und geringe Kosten. Besonders geeignet für mittlere und hohe Drücke. Nachteilig ist, dass eine Eichung nur mit Hilfe von Flüssigkeitsmanometern möglich ist. Bei Dampfdruckmessern Rohrschleifen vor Manometer, um direkte Berührung der Federn mit Dampf zu vermeiden.

1.6.2-4

Elektrische Manometer

Digitale Mikromanometer werden sowohl für Messungen auf Baustellen als auch im Labor eingesetzt. Bild 1.6.2-5 zeigt das Messprinzip. Elektroden bilden mit einer Membran eine elektrische Luftspalt-Kapazität. Bewegt eine Druckdifferenz die Membran aus der Symmetrielage, werden die beiden Kapazitäten verschieden, so dass ein elektrisches Messsignal entsteht. Messbereich umschaltbar z.B. für Drücke 0…200 bis 0…5000 Pa. Sondergeräte auch für andere Messbereiche. Zu beachten ist die Lageabhängigkeit der meisten Geräte, deshalb sind Geräte mit automatischem Nullpunktabgleich zu bevorzugen. Eingebauter Mikrorechner für Quadratwurzel-Funktion erlaubt direkte Anzeige für Geschwindigkeit bei Druckmessung mit Pitot-Rohr. Tragbares Gerät für Baustellenmessung zeigt Bild 1.6.2-6. Gleiches System wird auch für digitale Weiterverarbeitung von Messdaten in Labor- oder Leittechnik verwendet. Siehe auch Bild 1.6.10-20.

Bild 1.6.2-5. Digitales Mikromanometer, Messprinzip: Luftspalt-Kondensator.

1.6.3

Temperaturmessung1)

1.6.3-1

Allgemeines

Bild 1.6.2-6. Digitales Mikromanometer (Fa. Testo).

Die verschiedenen Messverfahren beruhen auf solchen Eigenschaften der Körper, die sich mit der Temperatur in messbarer Weise ändern, insbesondere: 1. Ausdehnung fester, flüssiger und gasförmiger Körper, 2. Änderung des elektrischen Widerstandes, 3. Stärke der elektromotorischen Kraft, 4. Stärke der Licht- und Wärmestrahlung. Die Messbereiche der verschiedenen Thermometer sind in Tafel 1.6.3-1 angegeben.

1)

VDI/VDE 3511 Blatt 1 bis 5 „Technische Temperaturmessungen“: VDI/VDE 3511-1:1996-03, VDI/VDE 3511-2:1996-04, VDI/VDE 3511-3:1994-11, VDI/VDE 3511-4:2011-12, VDI/VDE 3511-5:1994-11.

1

354

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Tafel 1.6.3-1

Messbereiche verschiedener Thermometer

Messbereich in °C

Messgerät

– 100 bis + 50 – 35 bis + 300 – 35 bis + 500 – 35 bis + 800 bis + 300 bis + 600 – 25 bis + 500 – 40 bis + 130 – 100 bis + 150 – 200 bis + 750 – 200 bis + 600 – 200 bis + 800 0 bis + 1000 – 200 bis + 1300 0 bis + 1600 – 100 bis unbegrenzt

Alkohol-Thermometer Gewöhnliches Quecksilber-Glasthermometer Quecksilber-Glasthermometer mit Gasfüllung Quecksilber-Quarzglasthermometer Bimetall-Thermometer Stabförmige Metallthermometer Feder-Thermometer NTC Nickel-Widerstandsthermometer Platin-Widerstandsthermometer Kupfer-Konstantan-Thermoelemente Eisen-Konstantan-Thermoelemente Nickelchrom-Konstantan-Thermoelemente Nickelchrom-Nickel-Thermoelemente Platinrhodium-Platin-Thermoelemente Strahlungsthermometer

Die Schwierigkeiten der richtigen Temperaturmessung liegen häufig weniger an den Messgeräten, hier sind Genauigkeiten von ± 0,1 K möglich, als am Einbau der Fühler. Zufuhr oder Abfuhr von Wärme an der Messstelle durch Leitung oder Strahlung verändern dabei die wirkliche Temperatur, so dass die Anzeige verfälscht wird. Daher ist auf den Einbau oder die Anordnung von Thermometern große Sorgfalt zu legen. Obwohl heutzutage Temperaturen meist auf elektronischer Basis gemessen werden, sind in besonderen Anwendungsfällen mechanische Systeme weiterhin im Einsatz.

Bild 1.6.3-1. Quecksilber-Federthermometer.

1.6.3-2

Bild 1.6.3-2. DampfdruckThermometer.

Ausdehnungs-Thermometer

a) Quecksilber-Glasthermometer sind bis etwa 300 °C brauchbar. Bei Füllung mit Stickstoff erhöht sich der Verwendungsbereich bis 500 °C, bei Quarzglas an Stelle von Glas bis auf 800 °C. Die untere Messgrenze liegt wegen des Erstarrungspunktes des Quecksilbers (–39 °C) bei etwa –35 °C. Für Messungen tieferer Temperaturen müssen andere Flüssigkeiten verwendet werden, insbesondere Alkohol, Toluol und Pentan.

1.6.3 Temperaturmessung

355

Da fast nie der ganze Flüssigkeitsfaden des Thermometers die zu messende Temperatur aufnehmen kann, weil ein Teil des Fadens aus der Hülse herausragt, ist bei genauen Messungen die sogenannte Fadenkorrektur notwendig, die bei Quecksilber nach folgender Formel erfolgt: n ( ta – tf ) Δt = ---------------------- in °C 6300 n = Zahl der herausragenden Temperaturgrade ta = angezeigte Temperatur tf = Fadentemperatur, in halber Höhe des herausragenden Fadens gemessen. Die Fadenkorrektur wird der angezeigten Temperatur hinzugezählt, es sei denn, dass das Thermometer den ausdrücklichen Vermerk „Mit herausragendem Faden geeicht“ trägt. Für Betriebsmessungen Einbau in Schutzrohre, wodurch die Genauigkeit leidet. b) Ausdehnungs-Federthermometer (Bild 1.6.3-1) arbeiten ebenfalls mit Flüssigkeitsfüllung. Die Ausdehnungsflüssigkeit, z. B. Quecksilber oder Petroleum, befindet sich in einem Tauchrohr (Fühler) und ist durch eine Kapillarleitung mit dem Federrohr des Anzeige-Instrumentes verbunden (Zeigerthermometer). Die Ausdehnung des Tauchrohrinhaltes bei Erwärmung bewirkt eine Drucksteigerung, die gesetzmäßig von der Temperatur abhängt. Genauigkeit: etwa ±1 bis 3 % des Anzeigebereichs. Bei Luftmessung sehr träge. c) Dampfdruck-Thermometer (auch Tensionsthermometer genannt oder SiededruckThermometer, Bild 1.6.3-2) ähneln äußerlich den Ausdehnungs-Federthermometern. Das Tauchrohr ist jedoch mit einer verdampfenden Flüssigkeit gefüllt und durch eine Messleitung mit der Manometerfeder des Anzeige-Instrumentes verbunden. Die Wirkung beruht auf der Eigenschaft der Dämpfe, dass der Dampfdruck eindeutig mit der Temperatur zusammenhängt. Füllflüssigkeiten sind gewöhnlich Äther, Äthylchlorid, Quecksilber u.a. Genauigkeit: etwa ±1 bis 2 % des Anzeigebereichs. Empfindlich gegen Übertemperaturen. d) Metall-Ausdehnungsthermometer benutzen zur Messung den Unterschied der Ausdehnung zweier fester Körper mit verschiedenen Ausdehnungszahlen. Bei den Stabthermometern ist ein Stab mit geringer Ausdehnungszahl (z. B. Invar oder Porzellan) von einem Rohr mit hoher Ausdehnungszahl (z. B. Messing) umgeben. Verwendung besonders als Temperaturregler. Große Verstellkraft, Längenänderung < 0,01 mm/K. Bei den Bimetall-Thermometern (Bild 1.6.3-3) sind zwei Metallstreifen mit verschiedenen Ausdehnungszahlen miteinander verlötet. Bei Temperaturänderungen krümmt sich der Streifen mehr oder weniger stark, wobei die Bewegung auf einen Zeiger übertragen wird. Verwendung auch für Raumtemperaturregler und Schreibgeräte (Thermograph), siehe Bild 1.6.3-4. Bild 1.6.3-4 enthält gleichzeitig einen Feuchteschreiber. Schreibtrommel mit Federwerk oder Quarzuhr angetrieben, Registrierzeit wählbar zwischen 1 und 31 Tagen.

Bild 1.6.3-3. BimetallZeigerthermometer (Schema).

Bild 1.6.3-4. Thermograph mit Bimetall und Hygrograph mit Haarharfe (Thies).

1

356

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6.3-3

Elektrische Widerstandsthermometer

Bei diesen Geräten wird die Eigenschaft reiner Metalldrähte, dass bei steigender Temperatur ihr elektrischer Leitungswiderstand gesetzmäßig steigt, zur Fernmessung benutzt. Nickel wird im Bereich –250 bis 200 °C, Platin von –250 bis 900 °C eingesetzt. Platin hat eine sehr gute Linearität. Kostengünstige Sensoren in Dünnschicht-Technik haben einen geringeren Platin-Reinheitsgrad. Meist erfolgt der Betrieb bei Gleichspannungen von 6 bis 24 Volt, wobei das Widerstandsthermometer in einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke eingebaut ist und der Brückenstrom gemessen wird (Bild 1.6.3-5). Stattdessen kann die Schaltung auch in 4Leiter Technik nach Bild 1.6.3-6 aufgebaut werden, wobei die Spannungsmessung häufig mit Hilfe von Analog/Digital-Wandlern durchgeführt wird. Die Leitungslänge hat dabei praktisch keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Beim Normmesswiderstand Pt 1001) beträgt der Widerstand 100 Ω bei 0 °C. Widerstandsänderung bei Platin ≈ 0,4 W/K. Es gibt jedoch auch Widerstände, die mit steigender Temperatur besser leiten. Sie haben einen „Negative Temperature Coefficient“ und heißen daher NTC-Widerstände oder Heißleiter oder Thermistoren. Herstellung aus gesinterten Metalloxiden in Stab-, Scheiben- oder Perlenform. Widerstandsänderung etwa zehnmal größer als bei metallischen Widerständen, ungefähr 5 Ω/K. Er kann sich aufgrund der nichtlinearen Kennlinie bei einer Temperaturänderung von 1 K um bis zu 1000 Ω ändern, so dass sehr genaue Messungen möglich sind (Bild 1.6.3-7). Nachteilig ist allerdings die Nichtlinearität des Widerstands mit der Temperatur. Verwendung insbesondere als sogenannte Sekundenthermometer zur Anzeige innerhalb weniger Sekunden (Bild 1.6.3-8). Unterschiedliche Fühler für Wasser, Luft u. a. Bei allen Geräten geringer Fehler durch Messstromerwärmung. Tafel 1.6.3-2

Toleranz von Temperaturfühlern*)

Messwertaufnehmer

Klasse

Temperaturbereich in °C

Zulässige Toleranz in K (t Temperatur in °C)

Thermoelement Typ K (NiCr-Ni)

1

– 40 ... 375 375 ... 1000

± 1,5 ± 0,004 · t

2

– 40 ... 333 333 ... 1200

± 2,5 ± 0,0075 · t

1

– 40 ... 375 375 ... 750

± 1,5 ± 0,004 · t

2

– 40 ... 333 333 ... 750

± 2,5 ± 0,0075 · t

1

0 ... 1100 1100 ... 1600

± 1,0 ± [1 + 0,003 · (t – 1100)]

2

0 ... 600 600 ... 1600

± 1,5 ± 0,0025 · t

A

– 200 ... 650

± (0,15 + 0,002 · t)

B

– 200 ... 850

± (0,3 + 0,005 · t)

– 40 ... –25 – 25 ... 80 80 ... 30

± 0,4 ± 0,2 ± 0,8

Thermoelement Typ J (Fe-Konst.)

Thermoelement Typ S (PtRh10-Pt) Typ R (PtRh13-Pt)

Pt 100

NTC

*) Thermoelemente nach DIN EN 60584-1:1998-06 sowie DIN EN 60584:1994-10, Pt 100 nach DIN EN 60751:2009-05.

1)

DIN EN 60751 „Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Messwiderstände“, 05-2009.

1.6.3 Temperaturmessung

357

Bild 1.6.3-5 Widerstandsthermometer mit Wheatstone’scher Brücke.

Bild 1.6.3-6. Widerstandsthermometer in 4-Leiter-Schaltung mit A/D-Wandler.

Bild 1.6.3-7. Widerstandskenn-linien von Messwiderständen.

Bild 1.6.3-8. Sekundenthermometer mit verschiedenen Temperaturfühlern (Oberflächen-, Tauch-, Einstech-Lufttemperatur-Fühler), Testotherm.

1.6.3-4

Thermoelemente

Der thermoelektrische Effekt wurde von Seebeck entdeckt. In einem Leiterkreis aus zwei verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen fließt ein elektrischer Strom, wenn die Verbindungsstellen (Lötstellen) zwischen den beiden Metallen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Bei einem aufgetrennten Stromkreis kann die sogenannte Thermospannung gemessen werden, welche ein Maß für die Temperaturdifferenz ist. Umgekehrt fließt ein Strom, wenn die Verbindungsstellen auf unterschiedlicher Temperatur gehalten werden (Peltier-Effekt). Anders als häufig angenommen entsteht die Thermospannung nicht an der Kontaktstelle, sondern im Leiter an den Stellen, an denen ein Temperaturgradient vorliegt. Die Thermospannung entspricht also dem Integral der Teil-Spannungen über die Leiterlänge. Bei unterschiedlichen Materialien ist das Integral unterschiedlich, was zur messbaren Thermospannung zwischen den Leitern führt. Die gebräuchlichsten Thermoelemente und ihre Messbereiche sind in Bild 1.6.3-9 dargestellt. Die Genauigkeit von Thermoelementen ist geringer als von Widerstandsthermometern. Aufgrund ihres niedrigen Preises und der relativ linearen Kennlinie bei großem Messbereich haben sie sich aber viele Anwendungsgebiete erschlossen. Für genaue Messungen Vergleichsstelle mit konstanter Temperatur erforderlich, sogenannte Thermostate, in denen die Temperatur durch elektrische Heizelemente konstant gehalten wird. Eine andere Möglichkeit ist die Temperaturkompensation mit einem temperaturabhängigen Widerstand in einer Brückenschaltung. Schaltung Bild 1.6.3-10.

1

358

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.3-9. Thermospannungen bei verschiedenen Thermoelementen.

Bild 1.6.3-10. Schaltung von Thermoelementen. Links: Thermostat steuert Temperatur in der Vergleichsstelle; rechts: Brückenschaltung.

Den üblichen Messbereich von Widerstandsfühlern und Thermoelementen zeigt Tafel 1.6.3-2. Je größer der Messbereich, desto universeller die Anwendung. Bei kleineren Messbereichen ist jedoch die Genauigkeit höher.

1.6.3-5

Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer, Pyrometer)1)

Strahlungsthermometer messen die von einer Oberfläche ausgehende Strahlung, die proportional zu T4 (T – absolute Temperatur in K) ist. Man unterscheidet Gesamtstrahlungsthermometer (Erfassung der Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa λ = 0,2 μm bis 40 μm), Bandstrahlungsthermometer (z. B. λ = 8,0…14,0 μm) und Spektralstrahlungsthermometer (z. B. λ = 0,65 μm). Bei Quotientenpyrometern (auch Verhältnis- Zweifarben- oder 2-Kanal-Pyrometern) wird nicht die Intensität gemessen, sondern es wird das Verhältnis der Intensitäten bei zwei unterschiedlichen „Farben“ gebildet. Das bedeutet, dass die Temperatur nicht aufgrund der Helligkeit sondern aufgrund der Farbe der Strahlung bestimmt wird. Bei diesem Verfahren spielt der Emissionsgrad für die Messung keine Rolle, wenn er für das betreffende Messgut nicht stark wellenlängenabhängig ist. Strahlungsthermometer ermöglichen schnelle (Zeitkonstante < 1 s) und einfache Messungen von Oberflächentemperaturen Messbereiche ab –100 °C bis praktisch unbegrenzt (> 5000 °C). Sensoren mit Messbereich von ca. 0 °C bis 50 °C und Auflösung 0,1 K für Messung der Oberflächentemperaturverteilung bei Kühldecken. Ausführliche Beschreibung VDI/VDE 3511-4, Strahlungsthermometrie. Bild 1.6.3-11 zeigt Ausführungsformen von Handmessgeräten.

1)

VDI/VDE 3511 Blatt 4 „Technische Temperaturmessungen – Strahlungsthermometrie“, 12-2011. VDI/VDE 3511 Blatt 4.2, 01-2002, und VDI/VDE 3511 Blatt 4.3 und Blatt 4.4, 07-2005.

1.6.3 Temperaturmessung

359

1 Bild 1.6.3-11. Strahlungsthermometer, Handmessgeräte (Ahlborn).

1.6.3-6

Infrarot-Thermographie1)

Die Infrarot-Thermografie dient zur berührungslosen Messung der Wärmeverteilung auf Objekten. Mit Hilfe einer Infrarot-(IR-)Kamera wird dabei die von einer Oberfläche abgegebene Wärmestrahlung aufgenommen. Der IR-Detektor innerhalb der IR-Kamera wandelt die Infrarotstrahlung in elektrische Signale um, die auf einem Bildschirm farblich dargestellt werden. Unterschiedliche Farben entsprechen dabei bestimmten Temperaturen. IR-Systeme arbeiten je nach Gerätetyp in verschiedenen Wellenlängenbereichen: Mittelwellenband MW (Mid Wave) von 2 bis 5 μm und Langwellenband LW (Long Wave) von 8 bis 12 μm. Es wird unterschieden in gekühlte und ungekühlte IR-Detektoren, sogenannte Photonen- (bzw. Quanten)-Detektoren und Mikrobolometer-Detektoren. Photonen-Detektoren zeichnen sich durch eine deutlich höhere Bildqualität und Aufnahmegeschwindigkeit aus, müssen dafür jedoch intensiv gekühlt werden. Dies geschieht typischerweise in einem geschlossenen Kühlkreislauf mittels Stirling-Kühlung. Kameras dieser Bauart werden zumeist stationär bzw. unter Laborbedingungen eingesetzt. Für mobile Anwendungen bzw. solche mit Dauerbetriebs-Anforderungen werden Kameras mit Mikrobolometer-Detektoren verwendet. Abhängig von den integrierten Detektoren ergeben sich Messbereiche ab –10 °C (MW), –40 °C (LW) bis 2.000 °C oder höher. Hochwertige IR-Kameras erreichen dabei eine Genauigkeit von ±1 K bzw. ±1 % im gewählten Bereich. Mit einer dazugehörenden IR-Bildverarbeitung können neben der Bestimmung der Temperatur auch zeitliche und örtliche Analysen durchgeführt werden. Kombiniert man die thermografische Bildaufnahme zusätzlich mit einem gezielten Energieeintrag in das Objekt (z. B. mittels Blitzlampen, Halogenstrahlern, Induktion, Ultraschall), spricht man von aktiver bzw. Wärmefluss-Thermografie, mit welcher sich Prüfungen auf mechanische und strukturelle Fehler in Bauteilen durchführen lassen. Anwendung: Zerstörungsfreie Materialprüfung (Flug- und Fahrzeugindustrie, Entwicklung neuer Werkstoffe), Prozessüberwachung/Qualitätssicherung (Pressteilherstellung, Stahlherstellung, Elektronikfertigung), Instandhaltung (Wärmeisolation an Gebäuden, Ausmauerungsschäden von Hochöfen, Isolatorschäden an Hochspannungsleitungen, „Heiße“ Kontaktstellen in Schaltschränken, Temperaturverteilung an Kühldecken) usw.

Bild 1.6.3-12. Komponenten eines IR-Thermographiesystems (InfraTec).

1)

Lieneweg, F.: Handbuch der Technischen Wärmestrahlung.

360

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6.3-7

Globethermometer

Das Globethermometer (auch Globus-Thermometer) besteht aus einer mattschwarzen Hohlkugel mit ca. 150 mm Durchmesser, in deren Inneren die sich einstellende Temperatur mit z. B. Thermoelementen oder PT-100-Fühlern gemessen wird. Diese Temperatur liegt in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit zwischen der Lufttemperatur und der mittleren Oberflächentemperatur der Umschließungsflächen. Bei üblichen Raumluftgeschwindigkeiten (um 0,1 bis 0,2 m/s) ist die gemessene Globetemperatur in etwa das Mittel zwischen Luft- und mittlerer Oberflächentemperatur und entspricht der operativen (empfundenen) Raumtemperatur, vergleiche Abschnitt 1.2.3. Auch zur Messung der Raumbezugstemperatur bei Leistungsmessungen an Kühldecken (nach DIN EN 14240:2004-04).

1.6.3-8

Halbleiter-Temperatursensoren

Am Markt existiert eine große Zahl von Halbleitersensoren, die für die Temperaturmessung eingesetzt werden können. Typischer Einsatzbereich sind Temperaturen zwischen –50 °C und +150 °C. Neben den klassischen NTC- oder PTC-Sensoren (Abschnitt 1.6.3.3), die eine externe Linearisierung benötigen, gibt es eine Vielzahl von Sensoren, bei denen das eigentliche Sensorelement mit einer elektronischen Schaltung so kombiniert wird, dass sich die externe Beschaltung vereinfach oder dass eine digitale Auslesung möglich ist. Halbleitersensoren sind in der Regel ab Werk kalibriert. Ein typischer Vertreter „analoger“ Halbleitersensoren ist der LM355 (Texas Instruments), der innerhalb seines Messbereiches eine Ausgangsspannung von 10 mV/K relativ unabhängig von der äußeren Beschaltung liefert. Die Messgenauigkeit ist mit ±0,5 K angegeben, was für viele Messaufgaben ausreichend ist. Bei digitalen Sensoren ist die Analog-Digitalwandlung mit im Sensor integriert, so dass die Temperatur direkt als Zahlenwert ausgelesen werden kann. Beim DS18B20 (Dallas) erfolgt die Auslesung des Sensors über den so genannten One Wire Bus, durch den bis zu 100 Sensoren parallel an einer einfachen Zweidrahtleitung eingesetzt werden können. Jeder Sensor ist dabei durch eine individuelle Seriennummer identifizierbar. Mit einer Wandlungszeit von maximal 750 ms sind die eingesetzten Wandler vergleichsweise langsam. Da jeder Sensor seinen eigenen Wandler besitzt ist diese Zeit aber unabhängig von der Anzahl der Sensoren. Bei großen Sensorzahlen können sich gegenüber einer sequentiellen Messung daher erhebliche Zeitvorteile ergeben.

1.6.4

Geschwindigkeitsmessung

1.6.4-1

Staugeräte

Diese Geräte messen den Staudruck in einer Strömung. Staudruck oder dynamischer Druck ist derjenige Druck, der sich durch vollkommene Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in Druck ergibt: 1 Staudruck pd = -- ρw2 in N/m2 2 w

= Geschwindigkeit m/s = Dichte in kg/m3 Aus dieser Beziehung folgt die Geschwindigkeit

ρ

w

=

2p d ⁄ ρ in m/s.

Der Staudruck ist direkt proportional zur Dichte des Fluids. Bei der Messung mittels Staugeräten muss daher die Dichte abhängig vom barometrischen Luftdruck und der Temperatur des Mediums exakt berechnet werden, da es ansonsten zu erheblichen Messabweichungen kommt. Das einfachste Staugerät ist das Pitotrohr, das ein vorn offenes Hakenrohr ist. Am meisten verwendet wird das Staurohr von Prandtl (Bild 1.6.4-1), das auch den statischen Druck innerhalb der Strömung misst. Das Staurohr hat daher zwei Messöffnungen. Die eine am

1.6.4 Geschwindigkeitsmessung

361

vorderen Ende des Staurohres ist der Strömung entgegen gerichtet und dient zur Messung des Gesamtdruckes pg = ps + pd .

1

Bild 1.6.4-1. Bestimmung der Geschwindigkeit durch Druckmessung mit Staurohr von Prandtl.

Die andere Öffnung ist in Form eines Schlitzes senkrecht zur Strömung angeordnet und misst nur den statischen Druck ps. Der dynamische oder Staudruck ist die Differenz beider Drücke: pd = pg – ps Man erhält seine Größe, indem man nach Bild 1.6.4-1 beide Enden des Staurohrs mit den beiden Schenkeln eines Manometers verbindet. Bei Luft von atmosphärischem Druck ist angenähert mit pd in N/m2: w

=

2p d ⁄ ρ

=

2 ⋅ pd ------------ = 1 ,3 p d in m/s. 1 ,20

Bei größeren Kanälen ist zur Feststellung des Volumenstromes die Geschwindigkeit an mehreren Stellen zu messen und der Mittelwert zu bilden oder direkt mittelwertbildende Stausonden zu verwenden (s. Abschn. 1.6.5-9).

1.6.4-2

Thermische Anemometer, Hitzdraht-Anemometer

Thermische Anemometer benutzen zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit als Sensor einen elektrisch beheizten Widerstand oder Thermistor. Der Sensor wird in eine Wheatstonsche Brücke geschaltet. Je nach der Größe der Luftgeschwindigkeit kühlt sich der Sensor mehr oder weniger ab und ändert dabei seinen elektrischen Widerstand. Bei Anemometern nach dem Konstant-Strom-Prinzip wird der Sensor mit konstantem elektrischen Strom geheizt und der Widerstand gemessen. In Anemometern nach dem Konstant-Temperatur-Prinzip wird die Temperatur des Sensors konstant gehalten, und der dazu erforderliche Heizstrom ist ein Maß für die Luftgeschwindigkeit. Die Temperatur der Sensoren ist üblicherweise 10–70 K über der Raumtemperatur. Die thermischen Anemometer sind meistens mit einer Temperaturkompensation versehen, die den Einfluss der Raumtemperaturänderungen ausgleicht. Der Sensor kann die Form eines Zylinders, eines Plättchens oder einer Kugel haben. Die Form beeinflusst die Richtungsabhängigkeit. Für schnelle Anzeigen ist eine geringe Masse des Sensors notwendig. Die Geräte werden insbesondere zur Messung der Raumluftgeschwindigkeit verwendet (Abschn. 1.6.4-5). Zu beachten ist, dass bei kleinen Luftgeschwindigkeiten (unter 0,1 m/s) der thermische Auftrieb des beheizten Sensors das Messergebnis stark beeinflusst. Hitzdrahtanemometer gehören ebenfalls zu der Kategorie der thermischen Anemometer und werden vor allem in der Strömungsmechanik eingesetzt. Der Sensor besteht aus einem dünnen, beheizten Draht, der stark richtungsabhängig ist. Bei Hitzdrahtanemome-

362

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

tern mit 2 oder 3 gekreuzten Hitzdrähten kann eine zwei- oder dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung gemessen werden.

Bild 1.6.4-2. Sensorspitzen verschiedener thermischer Anemometer (Alnor, DANTEC, TSI).

1.6.4-3

Flügelradanemometer

Flügelradanemometer messen die Drehgeschwindigkeit eines durch die Luftbewegung angetriebenen Flügelrades. Dazu gehören auch die in der Meteorologie verwendeten Schalenkreuzanemometer, deren Anzeige der in einer Ebene von der Richtung der Luftbewegung unabhängig ist. Das Schalenkreuzanemometer nach Bild 1.6.4-3 enthält einen eingebauten Gleichstromgenerator der ein Geschwindigkeitsproportionales Spannungssignal liefert.

Bild 1.6.4-3. Flügelrad- und Schalenkreuzanemometer mit elektrischem Ausgang und digitalem Anzeigegerät. Messbereich Flügelrad 0,4…20 oder 0,7…50 m/s, Schalenkreuz 1,1…90 m/s (Lambrecht).

In der Klimatechnik gebräuchlich sind elektronische Anemometer mit festen oder auswechselbaren Köpfen mit Flügelraddurchmessern von 15 bis 80 mm, bei denen das Flügelrad durch ein zylindrisches Gehäuse mechanisch geschützt wird (z. B. Bild 1.6.4-4). Da die Messgenauigkeit und untere Meßgrenze wesentlich von den Reibungskräften der Lagerung abhängt erfolgt die Abtastung in der Regel berührungslos durch Impulszählung mittels Lichtschranke oder Induktivgeber. Der Messbereich elektronischer Anemometer 0,2…100 m/s.

Bild 1.6.4-4. Mini-Flügelrad-Anemometer (Schiltknecht, Gossau, Schweiz).

1.6.4-4

Optische Messverfahren zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit

Die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ist ein berührungsloses optisches Messverfahren zur punktuellen Bestimmung von Geschwindigkeitskomponenten in Fluidströmungen (Flüssigkeiten oder Gase). Laser-Doppler-Anemometer werten das Streulicht von in der Strömung schwebenden Partikeln aus. Als Lichtquelle kommt ein Laser zum Einsatz, dessen Strahl über einen Strahlteiler aufgeteilt und am Messpunkt unter flachem Winkel gekreuzt wird. Im Kreuzungsbereich entsteht ein Interferenzstreifenmuster. Ein Partikel,

1.6.4 Geschwindigkeitsmessung

363

das sich zusammen mit dem Fluid durch das Streifenmuster bewegt, generiert ein Streulichtsignal, dessen Frequenz proportional zur Geschwindigkeit ist. Da jeweils nur eine Geschwindigkeitskomponente normal zum Interferenzmuster erfasst werden kann sind in LDA-Sonden häufig zwei Strahlsysteme vorgesehen, die zueinander senkrecht stehende Interferenzmuster am gleichen Messort erzeugen können. Die Messung erfolgt zeitversetzt durch Umschalten der beiden Ebenen, so dass sich Geschwindigkeit und Richtung der Teilchen in einer Ebene bestimmen lassen. Die Auswertung von LDA-Messungen ist vergleichsweise aufwendig, da mit jeder Messung nur ein Momentanwert in einem Punkt bestimmt wird. Turbulenzgrade und Mittelwerte müssen daher durch mehrfache Messung an einem Punkt bestimmt werden. Die Particle Image Velocimetry (PIV) arbeitet ebenfalls durch Auswertung des Streulichtes von Partikeln, die Messung erfolgt aber durch Auswertung von Digitalbildern. Hierdurch können Momentaufnahmen kompletter Strömungsfelder mit quantitativer Auswertung der lokalen Geschwindigkeit erfolgen. Die Messung erfolgt in der Regel in einer Ebene, die durch eine linienförmige Lichtquelle beleuchtet wird (Lichtschnitt-Verfahren). Entsprechend der Belichtungszeit erzeugen Partikel im Bild eine Leuchtspur, deren Länge proportional zu Geschwindigkeit ist. Durch Umschaltung der Lichtfarbe während der Messung kann die Strömungsrichtung bestimmt werden. Als Partikel werden Staub oder Aerosole verwendet, bei Messung in großen Räumen kommen Helium-Blasen zum Einsatz, die durch spezielle Generatoren so erzeugt werden können, dass sich Eigengewicht und Auftriebskräfte gerade aufheben, so dass sie praktisch gewichtsfrei sind.

1.6.4-5

Messung der Raumluftgeschwindigkeit1)

Die Luftbewegung in Räumen ist durch regellose örtliche und zeitliche Schwankungen der Luftgeschwindigkeit nach Richtung und Größe gekennzeichnet (Bild 1.6.4-5).

Verlauf der Raumluftgeschwindigkeit Beispiel: Mittelwert υ50 = 0,16 m/s, Standardabweichung s = 0,06 m/s

Geschwindigkeitsverlauf im Wahrscheinlichkeitsnetz; s = Standardabweichung

υ 50 = Raumluftgeschwindigkeit, die zu 50% der Zeit unterschritten wird υ 84 = Raumluftgeschwindigkeit, die zu 84% der Zeit unterschritten wird Standardabweichung s = υ 84 – υ 50 υ 84 – υ 50 s 0,06 Turbulenzgrad Tu = ---------------------- · 100 = -------- · 100 = ---------- · 100 = 38% υ 50 υ 50 0,16 Bild 1.6.4-5. Zeitlicher Verlauf der Raumluftgeschwindigkeit. Definition von Mittelwert, Streuung und Turbulenzgrad.

1)

DIN EN 12599:2013-01.

1

364

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

In vielen Fällen entspricht die Verteilung der Schwankungen der Luftgeschwindigkeit um einen Mittelwert der Normalverteilung (Gauß’sche Verteilung). Für die Auswertung der Messungen wird das Stichprobenverfahren verwandt. In einer Zeit von mindestens 100 s werden mehr als n = 100 Messungen der momentanen Geschwindigkeit υ durchgeführt. _ 1 Der arithmetische Mittelwert ist υ = --- Σ υi n 2

Die mittlere Abweichung, die Streuung (oder Standardabweichung) ist s =

Σ ( υ – vi ) -----------------------n–1

Durch Mittelwert und Streuung ist die Raumluftgeschwindigkeit gekennzeichnet. _ Der Mittelwert υ wird oft auch mit υ50 bezeichnet, während υ50 + s = υ84 genannt wird, weil diese Geschwindigkeit zu 84% der Zeit u n t e r schritten wird. Hieraus abzuleitender Turbulenzgrad s. Bild 1.6.4-5. Entspricht die Schwankung der Luftgeschwindigkeiten nicht der Normalverteilung (z. B. bei instationären Raumluftströmungen), dann ist es sinnvoll die Häufigkeitsverteilung der auftretenden Geschwindigkeitswerte, mindestens aber die auftretenden Spitzenwerte zu bewerten. An die Messgeräte, meist thermische Anemometer, sind besondere Anforderungen zu stellen bezüglich dynamischen Verhaltens, Temperaturkompensation, Richtungsabhängigkeit u. a. Nach DIN EN 12599 muss der Geschwindigkeitsfühler eine Zeitkonstante (t 63) kleiner als 0,2 s haben. Messzeit ≥ 180 s. Messbereich 0,05 bis 1 m/s. Vollständige Temperaturkompensation im Bereich ±4 K. Weitere Anforderungen an Messsonden siehe DIN EN 13182:2002-12. Wegen der unterschiedlichen Eigenschaften der verwendeten Messsonden können die Ergebnisse der Messungen in gewissen Grenzen Unterschiede aufweisen. Moderne mikroelektronische Messgeräte mit Konstanttemperatur-Hitzdraht und Temperaturkompensation zeigen Bild 1.6.4-6 und Bild 1.6.4-7.

Bild 1.6.4-6. Tragbares Messgerät für Raumluftgeschwindigkeit (TSI).

Bild 1.6.4-7. Messgerät für Raumluftgeschwindigkeit für Labormessungen. Mit Auswertcomputer und Schnittstelle für weitere Datenverarbeitung (DANTEC).

1.6.5

Mengen- und Durchflussmessung

1.6.5-1

Wägung und Ausmessung

ist die einfachste Mengenmessmethode. Zwei Gefäße werden abwechselnd gefüllt und geleert und die benötigte Zeit festgestellt.

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

1.6.5-2

365

Gaszähler

arbeiten nach dem volumetrischen Prinzip. Sie werden als trockene und nasse Zähler gebaut (Bild 1.6.5-1). Die nassen Gaszähler enthalten im Innern des bis über die Hälfte mit Wasser gefüllten Messraumes eine mit vier Kammern versehene Trommel (Crosley-Trommel). Diese dreht sich infolge des geringen einseitigen Gasüberdruckes langsam um ihre Achse, wobei sich die einzelnen Kammern entleeren und wieder füllen. Da diese nassen Zähler wegen der Flüssigkeitsfüllung regelmäßige Wartung verlangen, sind sie im Haushalt allmählich durch die trockenen Zähler verdrängt worden. Verwendung nur noch für Versuchszwecke, sehr genau.

Bild 1.6.5-1. Gaszähler a) Nasser Gaszähler

b) Trockener Gaszähler

Die trockenen Gaszähler haben in einem viereckigen Blechgehäuse zwei als Messräume dienende Lederbälge, die sich abwechselnd füllen und entleeren. Die hin und her gehende ziehharmonikaähnliche Bewegung wird auf ein Zählwerk übertragen. Verwendung hauptsächlich als Haushaltsgasmesser. Druckverlust bei kleinen Mengen 10 bis 20 Pa, bei Vollast 80 bis 100 Pa. Größte Leistung etwa 500 m3/h. Messgenauigkeit etwa 1 % des Bereich-Endwertes.

1.6.5-3

Verdrängungszähler

sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine bewegliche Messkammer besitzen, die durch das Strömungsmedium angetrieben wird und mit einem Zählwerk verbunden ist. Hubkolbenzähler verwenden einen in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, durch den die Flüssigkeit verdrängt wird. Seltene Ausführung. Drehkolbenzähler, die besonders für Gasmessungen geeignet sind, enthalten zwei Drehkolben, die durch Zahnräder untereinander verbunden sind und durch den Gasstrom in Umdrehung versetzt werden (Bild 1.6.5-2). Schmutzempfindlich. Ovalradzähler. Hier sind in der Messkammer zwei ovalförmige, durch Zahnräder miteinander verbundene Verdrängungskörper vorhanden (Bild 1.6.5-3).

Bild 1.6.5-2. Prinzip des Drehkolbenzählers.

Bild 1.6.5-3. Prinzip des Ovalradzählers.

Bild 1.6.5-4. Prinzip des Ringkolbenzählers.

1

366

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Ringkolbenzähler enthalten in der Messkammer einen exzentrisch gelagerten Kolben, der durch den Druck des Mediums in Drehung versetzt wird (Bild 1.6.5-4). Die Verdrängungszähler, zu denen auch die Gaszähler gehören, eignen sich für Warmund Kaltwasser-Kondensat, Kraftstoffe aller Art sowie Gase. Hohe Genauigkeit, eichfähig. Auch für sehr kleine Durchflüsse, z. B. Heizöl für Kessel und Ölöfen, und für große Gasströme bis zu 60.000 m3/h. Keine Einlaufstrecke erforderlich.

1.6.5-4

Flügelradzähler

haben eine große Verbreitung zur Messung von Flüssigkeitsmengen gefunden (Bild 1.6.5-5). Messorgan ist ein senkrecht gelagertes, tangential angeströmtes Flügelrad, das durch den Flüssigkeitsstrom in Drehung gesetzt wird. Die Umdrehungen der Achse werden durch ein Räderwerk auf ein Zählwerk übertragen. Man unterscheidet Nassläufer, bei denen Getriebe und Zeigerwerk innerhalb der Flüssigkeit liegen, und heute überwiegend verwendeten Trockenläufer, bei denen nur die schnelllaufenden Räder in Hartmetall-Saphir gelagert im Wasser und die übrigen Teile (Getriebe) im trockenen Außenraum liegen. Übertragung der Drehbewegung durch Magnetkupplung. Für Heisswasserzähler temperaturbeständige Werkstoffe. Bei Einbau Druckverlustkurven beachten. Verwendung als Wasserzähler und Geber für Wärmezähler in Wohnungen und Häusern. Keine Einlaufstrecke notwendig. Messfehler ±3 bis 5 %, bei viskosen Medien (z. B. Wasser-Glycol-Gemischen) höher.

Bild 1.6.5-5. Flügelradmesser.

Bild 1.6.5-6. Turbinen-Zähler (Woltmann-Zähler).

Eine besondere Bauart der Flügelradzähler sind die Woltmann-Zähler (Turbinenzähler), bei denen das axial angeströmte Messrad mehrere steilgängige, schraubenförmige Flügel mit waagerechter Achse besitzt. Besonders als Hauptwassermesser verwendet (Bild 1.6.5-6). Derartige Turbinenzähler werden heute mit berührungslosem Messwerk hergestellt. Dabei wird in einer außen befindlichen Abtastspule durch jeden vorbeidrehenden Flügel ein Spannungsimpuls induziert. Anzahl der Impulse ergibt den Volumenstrom. Fernübertragung möglich.

1.6.5-5

Schwebekörper-Durchflussmesser

Diese Instrumente enthalten in einem besonders geformten sich nach oben erweiternden Rohr einen Schwebekörper aus Kunststoff oder metallischen Legierungen, der durch den Flüssigkeits- oder Gasstrom entgegen der Schwerkraft so weit gehoben wird, dass er schwebt. Durch geeignete Formgebung des Schwebekörpers und des Rohres lässt sich erreichen, dass der Hub proportional dem Fluidstrom ist. Die Geräte sind sowohl für Flüssigkeiten wie Gase und Dämpfe verwendbar, müssen jedoch für jeden Stoff kalibriert werden. Dazu stehen vom Hersteller Kalibrierkurven zur Verfügung. Sie werden mit induktivem Längenfühler als Anzeige- und Schreibgeräte geliefert. Bekannte Bauarten sind die Rotamesser (Bild 1.6.5-7). Neben einer örtlichen Anzeige ist auch Fernan-

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

367

zeige und Registrierung möglich. Messbereich von einigen ml/h bis etwa 600 m3/h Luft, 40 m3/h Wasser.

1 Bild 1.6.5-7. Schwebekörper-Durchflussmesser (Rota).

1.6.5-6

Bild 1.6.5-8. Druckverlauf bei einer Blende.

Drosselgeräte

Die Volumenstrommessung mittels dieser Geräte beruht auf der Messung des Druckunterschiedes, der vor und hinter einer Drosselstelle bei der Strömung in einem Rohr eintritt (siehe Abschnitt 1.4.6-5 und Bild 1.6.5-8). Dieses Messverfahren (Wirkdruckverfahren) ist für alle Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe bei beliebigen Temperaturen und Drücken verwendbar und liefert sehr genaue Ergebnisse. Für die Messung mit Blenden und Düsen als Drosselstellen sind vom VDI Regeln aufgestellt worden, in denen alles für die Ausführung Wichtige zusammengestellt ist.1) Der Volumenstrom ist

π

2 · V = α ε --- d 2 Δ p ⁄ ρ in m3/s 4

α

= Durchflusszahl (Abschnitt 1.4.6-5) = Expansionszahl (DIN EN ISO 5167-1) d = Durchmesser der Drosselstelle in m Δp = Wirkdruck in Pa ρ = Dichte in kg/m3 Zur vollständigen Messeinrichtung gehören: das Drosselgerät (Blende, Düse, Venturirohr), ein Differenzdruckmesser (Manometer) zur Messung des Druckunterschiedes, die Druckübertragungsleitung von der Messstelle zum Manometer. Als Drosselgeräte werden verwendet (siehe Abschnitt 1.4.5): Blenden sind Scheiben mit scharfer Kante an der Einlaufseite. Düsen haben abgerundete Einlaufkanten. Venturirohre bestehen aus einer konischen Verjüngung mit anschließender konischer Erweiterung. Als Differenzdruckmesser können beliebige Druckmesser mit entsprechender Genauigkeit verwendet werden. Die Auswahl der geeigneten Drosselgeräte erfolgt nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Die Blende ist am billigsten, verursacht aber den größten Druckverlust. Die Düse hat geringeren Druckverlust, noch geringeren hat das Venturirohr, das jedoch wegen des höheren Preises und größerer Einbaulänge nicht so allgemein verwendet wird wie Blenden und Düsen.

ε

1)

VDI-Durchfluss-Messregeln. DIN EN ISO 5167-1 bis -4:2004-01.

368

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Für Fernanzeige und für Regelungen werden elektrische Messwertumwandler (Transmitter) verwendet. Deren Eingangssignal ist der Wirkdruck des Drosselgerätes, während sich auf der Ausgangsseite ein elektrischer Strom einstellt. Zu beachten ist, dass alle Drosselgeräte vor und hinter der Einbaustelle gewisse geradlinige Rohrstrecken erfordern, die in DIN EN ISO 5167-1 bis -4 in Vielfachen des Durchmessers angegeben sind.

1.6.5-7

Ultraschallverfahren

Es wird die Phasen- oder Laufzeitdifferenz von Schallwellen stromaufwärts und stromabwärts gemessen. Da die Laufzeit der Schallwellen gegen die Strömungsrichtung größer ist als mit der Strömung, ergibt sich eine Zeitdifferenz, woraus sich die mittlere Geschwindigkeit und damit der Volumenstrom ergeben. Anwendung für alle Flüssigkeiten; z. B. als Volumenmessteil eines Wärmezählers. Niedrige Anlaufwerte bei Nenndurchflüssen von 0,75…3 m3/h. Hohe Messgenauigkeit. Auch als Anlegezähler erhältlich, jedoch Fehleranfällig. Ein- und Auslaufstrecke für exakte Messung notwendig. Ab DN 80 Messung auch in Zweispurtechnik. Dadurch hohe Redundanz gegeben (Bild 1.6.5-9, Danfoss). Weitere Vorteile: Digitales Durchflussprinzip ohne Nullpunktdrift, kein Druckabfall, zwei Fließrichtungen, Eichung kalt bis DN 700.

Bild 1.6.5-9. Durchflussmessung mit Ultraschall. Anordnung der Schallspuren im Bereich gleicher Fließgeschwindigkeiten bei rotationssymmetrischen laminaren und turbulenten Strömungsprofilen.

1.6.5-8

Bild 1.6.5-10. Prinzip der induktiven Durchflussmessung.

Induktionsverfahren

Die Flüssigkeit in einem nicht magnetisierbaren Rohrstück durchströmt ein senkrecht zum Rohr angeordnetes Magnetfeld und erzeugt dabei eine Spannung, die dem Durchfluss proportional ist. Flüssigkeit muss eine Mindestleitfähigkeit (ca. 200 μS/cm) besitzen, was auf die meisten Flüssigkeiten, aber meist nicht bei Heizwasser, zutrifft (Bild 1.6.5-10). Kein Druckverlust, hohe Messgenauigkeit, Mindestgeschwindigkeit in der Rohrleitung 2 m/s. Ein- und Auslaufstrecke für exakte Messung erforderlich.

1.6.5-9

Volumenstrommessung in Kanälen

1.6.5-9.1

Netzmessung

Bei dieser Methode werden die Geschwindigkeiten an mehreren, über den Querschnitt verteilten Stellen gemessen und der Mittelwert gebildet (DIN EN 12599:2011-01). Hierzu ist besonders bei kleinen Durchmessern das Staurohr, ggf. in Miniaturausführung, geeignet. Ebenfalls eignet sich ein Hitzdrahtanemometer. Beim Kreisquerschnitt (Bild 1.6.5-11) teilt man die Kreisfläche in mehrere flächengleiche Kreisringe und misst die Geschwindigkeit auf den sogenannten Schwerlinien (Schwerlinien-Verfahren). Mittlere Geschwindigkeit auf der arithmetische Mittelwert. Bei z. B.

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

369

1 Bild 1.6.5-11. Messung der mittleren Geschwindigkeit bei Kreisquerschnitten.

5 Teilflächen sind die Rohrwandabstände der Messpunkte aus Tafel 1.6.5-1 ersichtlich. Eine andere Methode ist das Log-Linear-Verfahren, das bei größerem Grenzschichtanteil am Querschnitt angewendet wird. Bei Messung im Kreisquerschnitt auf mindestens zwei zueinander senkrechten Durchmessern 3 bis 5 Messungen auf einem Radius je Kreissegment. Bei Rechteckquerschnitten teilt man die Fläche in eine angemessene Zahl von Teilflächen und misst die Geschwindigkeit in definierten Punkten. Gut geeignet ist die „Log-36 Punkt-Regel“, nach der die Geschwindigkeit an 36 Punkten gemessen wird (Bild 1.6.5-12) und danach die arithmetische mittlere Geschwindigkeit gebildet wird. Dieser Wert wird mit dem Kanalquerschnitt multipliziert, um den Volumenstrom zu ermitteln.

Bild 1.6.5-12. „Log-36 Punkt-Regel“

Tafel 1.6.5-1 x/D bei fünf Messstellen

1.6.5-9.2

Bild 1.6.5-13. Messung der mittleren Geschwindigkeit mittels Einlaufdüse.

Wandabstand der Messpunkte bei dem Schwerlinien-Verfahren x1/D 0,026

x2/D 0,082

x3/D 0,146

x4/D 0,226

x5/D 0,342

Einlaufdüse

Bei frei ansaugenden Ventilatoren misst man den Volumenstrom mit einer gut abgerundeten Einlaufdüse an der Saugseite. Geschwindigkeit w = 2 Δ p ⁄ ρ Δp = statischer Unterdruck in Pa (Bild 1.6.5-13).

1.6.5-9.3

Blenden und Düsen

siehe Abschnitt 1.6.5-6.

370

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6.5-9.4

Staukörper

Bei über den Querschnitt ungleichmäßig verteilter Geschwindigkeit kann man Stausonden verwenden, die an mehreren Stellen gleichzeitig messen und den Staudruck ausmitteln. Formen der Sonden sind: Kreis, Kreuz, Gitter, Leiste o. ä. (Bild 1.6.5-14).

Bild 1.6.5-14. Wilson-Staugitter (Airflow). a Staugitter-Druckmessrohr b Staugitter-Sammelrohre c Verbindungsschläuche d Manometer

Man ermittelt den Volumenstrom mit den vom Hersteller mitgelieferten Kurven und nicht nach der Gleichung aus Kapitel 1.6.5-9.2.

1.6.5-10

Volumenstrommessung an Luftdurchlässen

1.6.5-10.1 Netzmessung Man misst an mehreren, über den Querschnitt verteilten Stellen des Luftdurchlasses mittels Staurohr oder Anemometer. Wegen der meist wirbel- und drallreichen Strömung Messung sehr ungenau.

1.6.5-10.2 Messtrichter-Verfahren Auf den Luftdurchlass wird ein Messtrichter gesetzt, eventuell mit Gleichrichter (Bild 1.6.5-15 und Bild 1.6.5-16). Die Luftgeschwindigkeit wird an der engsten Stelle gemessen. Gute Ergebnisse, wenn der Widerstand des Luftdurchlasses groß ist im Verhältnis zu dem des Trichters. Gegebenenfalls Korrektur des Messergebnisses.

Bild 1.6.5-15. Volumenstrommessung an einer Zuluftöffnung mittels Messtrichter.

Bild 1.6.5-16. Volumenstrommessung bei einer Abluftöffnung.

1.6.5-10.3 Druckmessmethode Am Luftdurchlass wird mit speziell angepassten Messeinrichtungen (Messplättchen) ein kleiner Teil der Austrittsfläche versperrt und der Staudruck gemessen (Bild 1.6.5-17) oder es wird mit speziell geformten Sonden an definierten Stellen des Luftdurchlasses der Staudruck bestimmt. An Kalibrierkurven (vom Luftdurchlasshersteller) kann der Volumenstrom als Funktion des Messdruckes abgelesen werden. Vorteil: einfache Messung mit guter Genauigkeit vom Raum her möglich, jedoch Messeinrichtung und Kalibrierkurve fabrikats- und größenabhängig notwendig.

1.6.6 Wärmemengenmessung

371

Bild 1.6.5-17. Volumenstrommessung – Druckmessmethode (Krantz-Komponenten).

1.6.5-10.4 Nullmethode Die Luft wird mit einem regelbaren Hilfsventilator aus einer am Luftdurchlass angebrachten Messkammer so gesaugt, dass in der Messkammer Atmosphärendruck herrscht. Zwischen Messkammer und Ventilator Normblenden oder Düsen zur genauen Messung. Gute Ergebnisse, aber aufwendig.

1.6.6

Wärmemengenmessung Neu bearbeitet von Prof. Dr.-Ing. Markus Tritschler, Gerlingen

Thermische Energie kann auf zwei Arten gemessen werden: – direkt mit Wärmezähler, – indirekt mit Hilfsverfahren, wie z. B. Messung der Dampf- oder Wassermenge oder mit Heizkostenverteiler. Die Anforderungen an die Messung der Wärmemenge sind hoch: Zum einen müssen mehrere Messgrößen (z. B. Durchfluss, Eintritts- und Austrittstemperatur) mit hoher Genauigkeit verarbeitet werden und zum anderen ist der Messbereich meist sehr groß.

1.6.6-1

Heizkostenverordnung1)

In Deutschland regelt die Heizkostenverordnung (HeizkostenV) die Verteilung der Kosten des Betriebs zentraler Heizungs- und Warmwasserversorgungsanlagen sowie der eigenständigen gewerblichen Lieferung von Wärme und Warmwasser. Sie hat nach § 2 Vorrang vor rechtsgeschäftlichen Bestimmungen. Sie wurde bereits 1981 eingeführt und hat das Ziel Heizenergie einzusparen. Verschiedene Untersuchungen2) gehen davon aus, dass gegenüber einer verbrauchsunabhängigen Abrechnung im Mittel ca. 20 % an Heizenergie eingespart werden können, je nach Gebäudeart, Regelung und Wärmedämmung. Nach § 5 HeizkostenV sind zur Erfassung des anteiligen Wärmeverbrauchs nur Wärmezähler und Heizkostenverteiler zulässig; zur Erfassung des anteiligen Warmwasserverbrauchs auch Warmwasserzähler. Ab 31.12.2013 ist in verbundenen Anlagen (Anlage zur Heizwärme- und Warmwasserversorgung sind verbunden) die Wärmemenge der zentralen Warmwasserversorgungsanlage mit einem Wärmezähler zu messen. „Kann die Wärmemenge nur mit einem unzumutbar hohen Aufwand gemessen werden, kann sie nach der Gleichung Q = 2,5 kWh/(m3 K) ∙ V ∙ (tw – 10 °C) bestimmt werden“3) (V: verbrauchtes Warmwasser in m3, tw: geschätzte mittlere Temperatur des Warmwassers in °C). 1)

2)

3)

Verordnung über die Verbrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten (Verordnung über Heizkostenabrechnung – HeizkostenV) in der Fassung der Bekanntmachung vom 5.10.2009 (BGBl. I S. 3250). Übersicht in: Felsmann, C.; Schmidt, J.: Auswirkungen der verbrauchsabhängigen Abrechnung in Abhängigkeit von der energetischen Gebäudequalität. Institut für Energietechnik, TU Dresden, Januar 2013. Verordnung über die Verbrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten (Verordnung über Heizkostenabrechnung – HeizkostenV) in der Fassung der Bekanntmachung vom 5.10.2009 (BGBl. I S. 3250).

1

372

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Abrechnung von Anlagen mit Rohrwärmeabgabe (§ 7 Abs. 1) sind nach VDI 2077 Beiblatt bzw. Blatt 3.5 möglich.1) Weitere Richtlinien zur verbrauchsabhängigen Abrechnung sind: VDI 2077 Blatt 3.12) für die Abrechnung von KWK-Anlagen VDI 2077 Blatt 3.23) für die Abrechnung verbundener Anlagen VDI 2077 Blatt 3.34) für die Abrechnung von Solaranlagen VDI 2077 Blatt 3.4 für die Abrechnung von Wärmepumpenanlagen (in Vorbereitung) VDI 2077 Blatt 4 für die Abrechnung von Raumlufttechnischen Anlagen (in Vorbereitung).

1.6.6-2

Direkte Messung – Wärmezähler

1.6.6-2.1

Grundlagen

Wärmezähler messen die Wärmemenge, die in einem Wärmetauscherkreislauf durch eine Flüssigkeit (Wärmeträgerflüssigkeit) aufgenommen (kühlen) oder abgegeben (heizen) wird.5) Die Geräte sind eichpflichtig. Die Bauart muss PTB-zugelassen und das Einzelgerät geeicht sein. Zulassungsanforderungen siehe Eichordnung (EO)6), Europäische Messgeräterichtlinie (MID)7) Anhang MI-004 (Wärmezähler), Anlage 22 der EO sowie DIN EN 14348). Ein Wärmezähler besteht aus dem Durchflusssensor, dem Temperaturfühlerpaar und dem Rechenwerk (Bild 1.6.6-1). Das Prinzip aller Wärmezähler beruht auf der Integration der Leistung über eine bestimmte Zeitspanne. Die Leistung ist dabei das Produkt aus Wassermassenstrom und Enthalpiedifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf. Aus den drei Messgrößen wird heutzutage in elektronischen Rechenwerken die Wärmemenge berechnet. Die von der Temperatur abhängigen Stoffwerte gehen als Korrektur in die Gleichung mit einem Koeffizienten (k-Faktor) ein, der das spezifische Volumen und die spezifische Wärmekapazität abhängig von Vor- und Rücklauftemperatur berücksichtigt (Bild 1.6.6-2 und Bild 1.6.6-3).

Bild 1.6.6-1. Bauteile eines Wärmezählers.

1) 2) 3) 4) 5) 6)

7) 8)

VDI 2077 Beiblatt bzw. Blatt 3.5 (in Vorbereitung) „Verbrauchskostenabrechnung für die Technische Gebäudeausrüstung – Verfahren zur Berücksichtigung der Rohrwärmeabgabe“. VDI 2077 Blatt 3.1 „Verbrauchskostenabrechnung für die Technische Gebäudeausrüstung – Ermittlung der umlagefähigen Wärmeerzeugungskosten von KWK-Anlagen“. VDI 2077 Blatt 3.2 „Verbrauchskostenabrechnung für die Technische Gebäudeausrüstung – Wärme und Warmwasserversorgungsanlegen Kostenaufteilung in verbundenen Anlagen“. VDI 2077 Blatt 3.3 „Verbrauchskostenabrechnung für die Technische Gebäudeausrüstung – Wärme und Warmwasserversorgungsanlegen Kostenaufteilung bei Solaranlagen“. DIN EN 1434-1 „Wärmezähler – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 2007. Fünfte Verordnung zur Änderung der der Eichordnung vom 6.6.2011 (BGBl. I S.1035), Bezugnahme auf die Abschnitte grundlegende und messgerätespezifische Anforderungen an Wärmeund Kältezähler der Anlage 22 zur Eichordnung und 4. Änderungsverordnung zur EO. Richtlinie 2004/22/EG des Europäischen Parlaments und Rates vom 31.03.2004 über Messgeräte (Abl. L135, S. 1). DIN EN 1434-1 bis -6 „Wärmezähler“.

1.6.6 Wärmemengenmessung

375

Derzeit gibt es keine Wärmezähler, die für Wasser-Glykol Gemische eine Bauartzulassung haben. Zähler für diese Gemische unterliegen nicht der Eichpflicht in Deutschland. Die Messabweichungen der Durchflusssensoren liegen aufgrund der verwendeten Wasser-Glykol Gemische häufig außerhalb der zulässigen Fehlergrenzen1).

1

Bild 1.6.6-2. Schematischer Aufbau eines elektronischen Wärmezählers. Volumenmessteil mit rückwirkungsfreier Hochfrequenz-Flügelradabtastung (Allmess Schlumberger).

Bild 1.6.6-3. Elektronischer Wohnungs-Wärmezähler mit Flügelrad, zwei Platin-Widerstandsthermometern, Kompensation des Wärmekoeffizienten k (k-Faktor) und Batteriebetrieb über 6 Jahre (SpannerPollux).

Die Sensoren eines Wärmezählers beruhen auf verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien2): Durchflusssensoren: – Mechanisch • Turbinenzähler, Ein- und Mehrstrahlflügelrad- sowie Woltmannzähler • Stau- und Wirkdruckverfahren nach VDI/VDE 2014 Bl. 1 – Elektronisch • Magnetisch-induktive Messverfahren • Ultraschallverfahren • Wirbelzähler • Schwingstrahlzähler – Optisch • Laser-Doppler-Velozimetrie Temperaturfühlerpaar: – Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Messwiderstände, z. B. Pt 100, Pt 500 – Halbleiterfühler – Thermoelemente Einsatzgrenzen: Der Arbeitsbereich eines Wärmezählers liegt für die Temperaturen Θ, den Durchfluss q und die Leistung P bei korrekter Funktion (Einhalten der Fehlergrenzen) in den Grenzen – des Temperaturbereichs Θmin und Θmax: untere und obere Grenze der Temperatur von Θ, – der Temperaturdifferenz ΔΘmin und ΔΘmax: untere und obere Grenze der Temperaturdifferenz, – des Durchflusses qs, qp, qi : höchster Wert von q, der kurzzeitig zulässig ist; höchster Wert von q, der dauerhaft zulässig ist; niedrigster Wert von q,

1) 2)

Kreuzberg, J.; Wien, J.: Handbuch der Heizkostenabrechnung. 8. Auflage, Werner Verlag, Wien 2013. Kreuzberg, J.; Wien, J.: Handbuch der Heizkostenabrechnung. 8. Auflage, Werner Verlag, Wien 2013.

376

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

– der Wärmeleistung PS: obere Grenze von P. Nach DIN EN 14341) gilt zudem: – Temperaturdifferenz: ΔΘmax / ΔΘmin ≥ 10, ΔΘmin wird vom Lieferer festgelegt und muss 1 K, 2 K, 3 K, 5 K oder 10 K betragen. Für Heizbetrieb gilt bevorzugt 3 K. – Durchfluss: qp/qi muss 10, 25, 50, 100 oder 250 betragen. (Anmerkung: qs/qp ist bauartabhängig, typischer Wert ist 2 : 1) – Die Durchflusssensoren sind in drei Messgenauigkeitsklassen eingeteilt: Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3 (vgl. auch Abschnitt 1.6.6-2.2). Vor-/Nachteile:2) Vorteile: nur 1 Gerät je Wohnung, Abrechnung in Eigenregie ist möglich, sehr hohe Genauigkeit bei richtigem Einbau und Auslegung, Erfassung der Wärmeabgabe ungedämmter Leitungen, Zwischenablesung bei Nutzerwechsel einfach möglich, Datenfernübertragung möglich, Heizflächen müssen nicht identifiziert werden. Nachteile: Anlage muss geeignet sein (wohnungsweise Verteilung der Wärme), eichpflichtig, teuer.

1.6.6-2.2

Fehlergrenzen

Die Fehlergrenzen (MPE: Maximum Permissible Error) der DIN EN 14343) und der MID (Anhang MI-004)4) sind gleich. Es handelt sich dabei um relative Fehlergrenzen. Die MPE gelten beim ersten Inverkehrbringen EG-gekennzeichneter Messgeräte; sie sind gleich den Eichfehlergrenzen (EFG) der nachzueichenden EG-Messgeräte. Die relativen Fehlergrenze eines vollständigen Wärmezählers ist die Summe der relativen Fehlergrenzen (in %) der Teilgeräte. Nach DIN EN 14345) gilt: – Rechenwerk (Bild 1.6.6-4) EC = ±(0,5 + ΔΘmin / ΔΘ) – Temperatursensorpaar (Bild 1.6.6-4) Et = ± (0,5 + 3 ΔΘmin / ΔΘ) 4,0

Eichfehlergrenze in %

3,5

Rechenwerk Temperaturfühler

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1

1) 2) 3) 4) 5)

10 Temperaturdi
erenz in K

100

Bild 1.6.6-4. Fehlergrenzen für Rechenwerk und Temperatursensoren, Beispiel für einen Wärmezähler mit ΔΘmin = 3 K

DIN EN 1434-1 bis -6 „Wärmezähler“. Koch, H.-P.; Tritschler, M.: Erfassung des Wärmeverbrauchs in Wohnungen. Praxis Wohnungswirtschaft (2001), Nr. 2. DIN EN 1434-1 bis -6 „Wärmezähler“. Richtlinie 2004/22/EG des Europäischen Parlaments und Rates vom 31. März 2004 über Messgeräte (Abl. L135 S. 1). DIN EN 1434-1 bis -6 „Wärmezähler“.

1.6.6 Wärmemengenmessung

377

– Durchflusssensor Ef (Bild 1.6.6-5) Klasse 1: Ef = ±(1 + 0,01 qp/q), aber nicht mehr als ±3,5 % Klasse 2: Ef = ±(2 + 0,02 qp/q), aber nicht mehr als ±5 % Klasse 3: Ef = ±(3 + 0,05 qp/q), aber nicht mehr als ±5 % 6,0 Klasse 3 Klasse 2 Klasse 1

Eichfehlergrenze in %

5,0

1

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0 0,01

0,1 1 Durch
uss / Nenndurch
uss q/qp

10

Bild 1.6.6-5. Fehlergrenzen für Durchflusssensoren, Beispiel für einen Sensor mit qp/qi = 100

Die Eichfehlergrenzen liegen in einem Bereich von 4,5 % bis 10 %. Die Verkehrsfehlergrenzen betragen das Doppelte der Eichfehlergrenzen.

1.6.6-2.3

Gesetzliches Messwesen und Eichpflicht

Das gesetzliche Messwesen gehört zum Ordnungsrecht der Wirtschaft. Auch Wärmezähler, die in diesem Rahmen eingesetzt werden, unterliegen der Eichpflicht, worin folgende Schritte enthalten sind: – Bauartzulassung Konformitätsuntersuchung zur Ausgabe einer EG-Baumusterbescheinigung und Bauartzulassungsprüfungen zur Ausgabe einer innerstaatlichen Zulassung zur Eichung werden auf Antrag eines Herstellers von der PTB durchgeführt1). – Ersteichung Ersteichungen werden von Eichbehörden oder staatlich Anerkannten Prüfstellen für Messgeräte für Wärme durchgeführt. – Befundprüfung Hierdurch wird festgestellt, ob ein beglaubigter und im Gebrauch befindlicher Wärmezähler die Verkehrsfehlergrenzen einhält und den Anforderungen der Zulassung entspricht. – Nacheichung Nach 5 Jahren läuft bei Wärmezählern die Gültigkeit der Eichung ab, eine Nacheichung wird fällig.

1.6.6-2.4

Einbau und Betrieb2)

Wärmezähler werden eingesetzt, um die Wärmelieferung in bestimmte Bereich zu messen; dies können Nutzeinheiten (z. B. Wohnungen), Nutzergruppen (z. B. Warmwasser oder Teilbereich einer Anlage, vgl. Bild 1.6.6-6), oder Übergabestationen sein (vgl. Bild 1.6.6-7). Für Ein- und Zweirohrheizungen mit geschossweiser horizontaler Verteilung sind Wärmezähler besonders geeignet. Für Anlagen mit vertikaler Verteilung werden üblicherweise Heizkostenverteiler eingesetzt (siehe Abschnitt 1.6.6-3). Kommt es während des Betriebes zu schnellen Veränderungen der Temperaturen, wie z. B. bei der Messung von Wärmeübertragern zur Trinkwassererwärmung (Trinkwasserstation), so ist auf eine kleine Zeitkonstante der Fühler und auf eine kleine Abtastzeit (z. B. Messung alle 2 s) zu achten. 1) 2)

Kreuzberg, J.; Wien, J.: Handbuch der Heizkostenabrechnung. 8. Auflage, Werner Verlag, Wien 2013. DIN EN 1434-6 „Wärmezähler – Teil 6: Einbau, Inbetriebnahme, Überwachung und Wartung“, 2007.

378

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.6-6. Einbaubeispiel von Wärmezählern.

Bild 1.6.6-7. Fernheizungs-Unterstation mit Wärmezähler.

Durch ungünstigen Einbau eines Wärmezählers in seinen Messplatz können zusätzliche Messabweichungen auftreten, die unter Nennbedingungen nicht vorhanden sind. Insbesondere folgende Punkte sind beim Einbau zu beachten1): – Einbau gemäß Vorgaben des Lieferers. – Durchflusssensor: Einbaulage (vertikal, horizontal) und Fließrichtung beachten. – Ungünstige hydraulische Einflüsse verhindern, wie z. B. Kavitation, Rückströmung, Druckstöße. Ein- und Auslaufstrecken vorsehen, soweit vom Lieferer gefordert. – Temperatursensoren: auf richtige Tauchtiefe achten, Sensoren an Stellen mit hoher und gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit einsetzen, Totwasserzonen vermeiden, kurze Fühler möglichst direkt tauchend einbauen. – Leitungen vor Einbau gründlich spülen. – Wärmezähler spannungsfrei einbauen und vor Beschädigungen durch Stöße und Schwingungen schützen. – Messsignalleitungen vor Störungen und Unterbrechungen sichern, nicht in unmittelbarer Nähe von anderen Leitungen wie z. B. Niederspannungs-Versorgungsleitungen verlegen. – Wärmezähler vor elektromagnetischer Störung schützen, die z. B. durch Schalter, Elektromotoren oder Leuchtstofflampen erzeugt wird.Maßnahmen, z. B. Abstand einhalten, abgeschirmte Signalleitungen mit einseitiger Masseableitung verwenden, Einbau in Schutzschränken aus Eisenblech.

1.6.6-3

Indirekte Messung – Heizkostenverteiler2) 3)

Allgemein sind Heizkostenverteiler (HKV) nach den Normen DIN EN 8344) und DIN EN 8355). Die Normen definieren Heizkostenverteiler weiter als „registrierende Messgeräte 1) 2) 3) 4)

DIN EN 1434-6 „Wärmezähler – Teil 6: Einbau, Inbetriebnahme, Überwachung und Wartung“, 2007. DIN EN 834 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte mit elektrischer Energieversorgung“, 2013. DIN EN 835 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte ohne elektrische Energieversorgung nach dem Verdunstungsprinzip“, 1995. DIN EN 834 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte mit elektrischer Energieversorgung“, 2013.

1.6.6 Wärmemengenmessung

für die über die Zeit integrierte Temperatur. Die Temperatur dient zur Bestimmung der Wärmeabgabe der Raumheizflächen, an denen die Heizkostenverteiler oder ihre Sensoren montiert sind“1) 2). Heizkostenverteiler sind nicht eichfähig und unterliegen auch nicht eichrechtlichen Bestimmungen. Die Zulassungen erfolgt nach HeizkostenV durch Sachverständige Stellen (vgl. Abschnitt 1.6.6-1). „Die in den Normen behandelten Heizkostenverteiler werden an den Heizflächen montiert und erfassen je nach Messverfahren alle oder nur einen Teil der für die Wärmeabgabe maßgeblichen Temperaturen. Es werden zwei Gerätetypen unterschieden: 1. Geräte ohne elektrische Hilfsenergie nach dem Verdunstungsprinzip3) (HKVV). In einer Ampulle im Heizkostenverteiler befindet sich eine Messflüssigkeit, die aufgrund der Erwärmung durch die Heizfläche verdunstet. Die Verdunstungsmenge während einer bestimmten Zeit ist ein Näherungswert des Zeitintegrals der gemessenen charakteristischen Temperatur der Heizfläche und damit ein Maß für die abgegebene Wärmemenge. 2. Geräte mit elektrischer Hilfsenergie4) (HKVE). Je nach Messverfahren (vgl. unten) werden eine, zwei oder drei Temperaturen gemessen und eine Temperaturdifferenz zeitlich integriert. Der Zusammenhang zwischen Anzeigegeschwindigkeit (Striche/h beim HKVV oder Einheiten/h beim HKVE) und, je nach Messverfahren, der Temperatur bzw. der Temperaturdifferenz wird als Anzeigecharakteristik bezeichnet. Durch die zeitliche Integration erhält man aus der Anzeigegeschwindigkeit den Anzeigewert z*. Da mit den Verfahren die Wärmeabgabe von Heizflächen bestimmt werden soll, muss der Anzeigewert z* durch Multiplikation mit Bewertungsfaktoren in den Verbrauchswert z umgerechnet werden, der zur Abrechnung verwendet wird.“5) Insgesamt sind drei Bewertungsfaktoren in den Normen aufgeführt: 1. Bewertungsfaktor KQ für die Wärmeleistung des Heizkörpers 2. Bewertungsfaktor Kc für die thermische Ankopplung der Sensoren 3. Bewertungsfaktor KT für Räume mit niedrigen Auslegungs-Innentemperaturen. „Der Gesamtbewertungsfaktor K, mit dem die Anzeigewerte z* multipliziert werden, ist das Produkt der drei Bewertungsfaktoren: K = KQ · Kc · KT Beim Einsatz der Geräte müssen die jeweiligen Temperatur-Einsatzgrenzen nach Norm beachtet werden. Die obere Temperatur-Einsatzgrenze tmax (höchste mittlere Auslegungs-Heizmediumtemperatur) wird durch die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Materialien und Bauelemente bestimmt; die untere Temperatur-Einsatzgrenze tmin (niedrigste mittlere Auslegungs-Heizmediumtemperatur) wird durch das Messverfahren oder die Messflüssigkeit festgelegt. Die Heizkostenverteiler dürfen nur in Anlagen mit mittleren Auslegungs-Heizmediumtemperaturen tm,A (logarithmischer Mittelwert aus Vor- und Rücklauftemperatur im Auslegungsfall) eingesetzt werden, für die gilt: tmin ≤ tm,A ≤ tmax“6)

5) 1) 2) 3) 4) 5) 6)

DIN EN 835 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte ohne elektrische Energieversorgung nach dem Verdunstungsprinzip“, 1995. DIN EN 834 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte mit elektrischer Energieversorgung“, 2013. DIN EN 835 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte ohne elektrische Energieversorgung nach dem Verdunstungsprinzip“, 1995. DIN EN 835 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte ohne elektrische Energieversorgung nach dem Verdunstungsprinzip“, 1995. DIN EN 834 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte mit elektrischer Energieversorgung“, 2013. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999.

379

1

380

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Die Genauigkeit der Systeme wurde ausführlich von Tritschler1) untersucht. Zur Beurteilung wird die Mehranzeige M definiert. „Sie gibt an, wie stark der Anzeigeanteil vom Wärmeanteil oder die tatsächliche Anzeige von der idealen Anzeige abweicht. […] Sie ist eine universellere Beurteilungsgröße als die Verteilfehler und enthält mehr Information über die Güte eines Verteilsystems: 1. Sie gibt den größten positiven Verteilfehler an. Alle weiteren denkbaren Verteilfehler sind aus ihr berechenbar. 2- Sie ist – unabhängig vom Verteilfehler – ein Maß dafür, wie stark das tatsächliche Verbrauchsverhältnis zweier Nutzer durch das Erfassungssystem überbewertet wird.“2)

Bild 1.6.6-8. Maximaler, minimaler und mittlerer Verteilfehler für unterschiedliche Mehranzeige M *) *)

Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999.

Bild 1.6.6-8 zeigt den Zusammenhang zwischen Mehranzeige und unterschiedlichen Verteilfehlern. Die Mehranzeige hängt stark von unterschiedlichen Randbedingungen ab, wie z. B. der Auslegung und dem Betrieb der Heizungsanlage, der Nutzung oder den Heizflächen. Typische Werte sind: HKVV: 1,05 ≤ M ≤ 1,30 HKVE-1: 1,10 ≤ M ≤ 1,50 HKVE-2: 1,02 ≤ M ≤ 1,15

1.6.6-3.1

Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip3)

Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip (kurz Verdunster bzw. HKVV) bestehen aus einem Rückteil (Aluminium), einer Ampulle mit Messflüssigkeit und einem Gehäuse mit Skala zur Ablesung des Anzeige- oder Verbrauchswertes. „Die Messflüssigkeit in der Ampulle verdunstet aufgrund der Temperatureinwirkung der Heizfläche. Der dabei entstehende Messflüssigkeitsdampf diffundiert durch die über der Flüssigkeitsoberfläche stehende Luftsäule und tritt an der Öffnung in die Umgebung aus. Die Abnahme des Flüssigkeitsspiegels ist ein Näherungswert für die abgegeben Wärmemenge des Heizkörpers“4) (Bild 1.6.6-9). Als Messflüssigkeit kommt in den meisten Fällen Methylbenzoat zum Einsatz; ebenfalls Malonsäurediethylester oder Malonsäuredimethylester. „Man unterscheidet zwei unterschiedliche Skalenarten: Einheitsskale und Verbrauchsskale (Produktskale). An der Einheitsskale werden Anzeigewerte angezeigt; sie ist, wie ihr Name sagt, einheitlich für alle 1) 2) 3) 4)

Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999. DIN EN 835 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte ohne elektrische Energieversorgung nach dem Verdunstungsprinzip“, 1995. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999.

1.6.6 Wärmemengenmessung

381

1 Bild 1.6.6-9. Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip. Links: Prinzipieller Aufbau Mitte: Ansicht (Minol) Rechts: Anbauort am Heizkörper

Heizkörper. Das Ableseergebnis muss nachträglich wie oben beschrieben bewertet werden, um es zur Abrechnung verwenden zu können. Die Verbrauchsskale zeigt die Verbrauchswerte direkt an. Diese Ablesewerte können unmittelbar zur Abrechnung herangezogen werden. Jeder Heizkostenverteiler muss allerdings abhängig vom Heizkörper (Leistung und c-Wert) eine andere Skale erhalten.“1) Da die Messflüssigkeit auch bei Raumtemperatur verdunstet, wird die Ampulle über den Skalen-Nullstrich hinaus gefüllt (Kaltverdunstungsvorgabe). Die obere Temperatur-Einsatzgrenze beträgt typisch 120 °C. Für die unter TemperaturEinsatzgrenze gibt die Norm zwei Werte an: Für ein unter 12 liegendes Anzeigeverhältnis (abhängig von der Verdunstungscharakteristik) 60 °C und darüber 55 °C. Vor-/Nachteile2): Vorteile: kostengünstig, nicht eichpflichtig, da Verteilsystem, mittlere Verteilgenauigkeit, hohe Betriebssicherheit. Nachteile: Heizflächen müssen identifiziert werden, Abrechnung in Eigenregie ist nicht möglich, Wärmeabgabe ungedämmter Leitungen wird nur teilweise erfasst, Zwischenablesungen schwierig und oft ungenau, keine Zwischenwerte speicherbar (monatlich).

1.6.6-3.2

Heizkostenverteiler mit elektrischer Hilfsenergie3)

Elektronische Heizkostenverteiler (HKVE) (Bild 1.6.6-10) erfassen je nach Messverfahren werden alle oder nur einen Teil der für die Wärmeabgabe maßgeblichen Temperaturen und verarbeiten die Messwerte in einem Mikroprozessor; Energieversorgung aus einer Langzeitbatterie (Betriebszeit typisch 10 Jahre) oder Netzbetrieb. „Folgende Messverfahren sind genormt: 1. Einfühler-Messverfahren (HKVE-1): Ein Temperatursensor erfasst die Oberflächentemperatur der Raumheizfläche (Heizflächensensor) und vergleicht diese mit einem Festwert, der der Raumtemperatur entsprechen soll. 2- Zweifühler-Messverfahren (HKVE-2): Statt des Festwertes wird mit einem zusätzlichen raumseitigen Sensor (Raumsensor) eine Temperatur gemessen und verarbeitet, die mit der Raumtemperatur in definiertem Zusammenhang steht. 3- Dreifühler-Messverfahren (Messverfahren mit Anwendung der logarithmischen Übertemperatur): Mit drei Sensoren werden die Vor- und Rücklauftemperatur sowie die Lufttemperatur erfasst.

1) 2) 3)

Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999. Koch, H.-P.; Tritschler, M.: Erfassung des Wärmeverbrauchs in Wohnungen. Praxis Wohnungswirtschaft (2001), Nr. 2. DIN EN 834 „Heizkostenverteiler für die Verbrauchserfassung von Raumheizflächen – Geräte mit elektrischer Energieversorgung“, 2013.

382

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Damit bei sommerlichen Raumtemperaturen und ungenutzten Heizflächen keine Fehlmessungen auftreten, haben die Geräte eine sogenannte Messwertunterdrückung in Form einer Zählbeginntemperatur tZ bzw. einer Zählbeginnübertemperatur ΔtZ. Beim Einfühlerverfahren kann zur Verbesserung des Zählbeginns zusätzlich ein sogenannter Startsensor eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um einen Raumsensor, der ausschließlich zur Bestimmung der Übertemperatur der Heizfläche verwendet wird. Geräte mit raumseitigem Sensor (Einfühler mit Startsensor und Zweifühler) müssen laut Norm spätestens ab einer Übertemperatur der Heizfläche von 5 K (ΔtZ ≤ 5 K)1) zu zählen beginnen. Beim Einfühler ohne Startsensor, die für untere Temperatur-Einsatzgrenzen zwischen 55 °C und 60 °C zugelassen sind, beginnt die Registrierung spätestens bei mittleren Heizflächentemperaturen von 28°C (tZ ≤ 28 °C). Liegt die untere TemperaturEinsatzgrenze über 60 °C, so gilt tZ ≤ 0,3 (tmin – 20 °C) + 20 °C.“2) Die HKVE müssen gegen Beeinflussung (thermische Beeinflussung, Übertragungssysteme, EMV) geschützt werden. Bei den meisten HKVE sind die Gerätekomponenten in einem Gehäuse untergebracht (Kompaktgeräte), die, wie die Verdunster, direkt an der Heizfläche montiert werden. Es ist aber auch möglich, nur den Heizflächensensor auf der Raumheizfläche zu befestigen und den eigentlichen Heizkostenverteiler (evtl. mit Raumsensor) daneben an der Wand (Fernfühlergeräte).3) Die obere Temperatur-Einsatzgrenze richtet sich nach der Temperaturbeständigkeit der Bauteile. Die untere Temperatur-Einsatzgrenze für Geräte nach dem Einfühler-Messverfahren liegt bei 55 °C an. Bei den Geräten der übrigen Messverfahren ergibt sich die untere Temperatur-Einsatzgrenze aus den Anforderungen zum Einhalten der Fehlergrenzen (bisherige Erfahrungen führten zu 35 °C bis 40 °C je nach Gerät). Elektronische Heizkostenverteiler können mit Zusatzfunktionen ausgestattet werden, wie z. B. Stichtagsfunktionen sowie Möglichkeiten zur elektronisch unterstützten Ablesung vor Ort oder zur Fernablesung ohne Betreten der Wohnung. Bei Heizkostenverteilern zur direkten Ablesung sind optisch Schnittstellen zur Übertragung der Ablesewerte in Handheld-Computer üblich; so entfallen manuelles Notieren und spätere Dateneingabe (papierlose Ablesung). Indirekte Ablesung ohne Betreten der Wohnung ermöglichen Geräte mit drahtgebundener oder drahtloser Datenübertragung. Weiterleiten der Daten per Modem an ein Rechenzentrum; bei Geräten mit Funkstrecke auch in mobile Empfänger und Handheld-Computer. Neuere Geräte übertragen zusätzlich aktuelle Wärmekenndaten, die für eine bedarfsgeführte Vorlauftemperaturadaption verwendet werden (siehe Abschnitt 2.5.2-4.2.2). Bild 1.6.6-10 zeigt ein Zweifühlergerät zur Ablesung per Funk mit folgenden Eigenschaften: Langzeitbatterie (10 Jahre), Einsatzgrenze 35 °C Auslegungstemperatur, programmierbarer Stichtag, Übertragung von Monatsmitten- und -endwerten für nachträgliche Zwischenablesung, elektronische Manipulations- und Demontageerkennung, verschlüsseltes Funktelegramm, regelmäßiger Selbsttest, kein Betreten der Wohnung; Ablesung mittels mobilen Funkempfängern von außerhalb der Wohnung oder Datenfernübertragung per Datensammler und GSM-Modem, Übertragung von aktuellen Wärmekenndaten zur Vorlauftemperaturadaption. Dreifühlergeräte erfassen die Vor- und Rücklauftemperatur am Heizkörper sowie die Raumlufttemperatur; dadurch ist eine genauere Bestimmung der wirksamen Heizkörperübertemperatur möglich. Besondere Eignung bei Einrohr- und Niedertemperaturanlagen, Kabelmontage der Temperaturfühler. Bild 1.6.6-11 zeigt ein mehrstufiges Zentralsystem, das die Temperaturregelung im Raum mit der Heizkostenverteilung kombiniert; das Raumteil besteht aus einem DreifühlerGerät; Einsatzgrenze 30 °C Auslegungstemperatur, die Zentrale zeigt die Messwerte an und regelt zeitprogrammierbar die Raumtemperaturen über elektrothermische Ventilantriebe; die Gebäudezentrale sammelt die Messwerte der Verbraucherzentralen, überwacht die Systemkomponenten und übernimmt die Stichtagsfunktion; Datenübertragung zum Leitrechner per Modem über Fest-, Breitbandkabel- oder Mobilfunknetz für Fernauslesung und automatische Störmeldung; Koppelung mit internetbasiertem

1) 2) 3)

Wert gilt bei Montage in 75 % der Bauhöhe. Wird in 66 % montiert gilt ΔtZ ≤ 3 K. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999. Tritschler, M.: Bewertung der Genauigkeit von Heizkostenverteilern. Dissertation, Universität Stuttgart, IKE, 1999.

1.6.6 Wärmemengenmessung

383

1

Bild 1.6.6-10. Elektronischer Heizkostenverteiler (Techem).

Bild 1.6.6-11. Elektronische Einzelraum-Temperatur-Regelung mit integrierter Heizkostenverteilung (Riedel).

Dienstportal; zugelassen für Ein- und Zweirohrheizungen mit vertikaler und horizontaler Verteilung für Auslegungstemperaturen von 30 °C bis 110 °C. Vor-/Nachteile:1) Vorteile: nicht eichpflichtig, da Verteilsystem, hohe (Zweifühler) bzw. mittlere (Einfühler) Verteilgenauigkeit, Zwischenablesung bei Nutzerwechsel einfach möglich Datenfernübertragung möglich, Betreten der Wohnung nicht erforderlich. Nachteile: Heizflächen müssen identifiziert werden, Abrechnung in Eigenregie ist nicht möglich, Wärmeabgabe ungedämmter Leitungen wird nicht erfasst, teuer.

1.6.6-4

Indirekte Messung – Energiebewertende Mengenmessung

Wenn die Kaltwasser- und Warmwassertemperatur annähernd konstant sind, genügen z. B. gewöhnlich Flügelradmesser zur Verbrauchsmessung von Warmwasseranlagen. Dies trifft zu, wenn getrennte Warmwasserspeicher möglichst mit Ladepumpe und gut gedämmte Zirkulationsleitungen vorhanden sind. Bei Dampfheizungen kann man entweder die Dampfmenge oder die Kondensatmenge messen. Bei bekanntem Dampfzustand ist hieraus der Wärmestrom leicht zu berechnen. Zur Dampfmengenmessung werden Drosselgeräte (Blenden, Düsen, Venturirohre) verwendet, oder Schwimmermesser (siehe Abschnitt 1.6.5-6). Zur Kondensatmessung dienen Trommelzähler. Derartige Messgeräte gibt es als Flügelradzähler auch in sehr kleinen

1)

Koch, H.-P.; Tritschler, M.: Erfassung des Wärmeverbrauchs in Wohnungen. Praxis Wohnungswirtschaft (2001), Nr. 2.

384

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Ausführungen, die für die Kondensatmessung einzelner dampfgeheizter Wohnungen verwendet werden können.

1.6.7

Füllstandsmessung

1.6.7-1

Schauglasmethode

Wenn ein Teil des Behälters aus durchsichtigem Material besteht, kann bei sauberen Flüssigkeiten eine optische Füllstandsmessung erfolgen. In der Regel wird das Schauglas in einem Parallelgefäß (Bypass) zum Behälter aufgenommen und durch Ventile vom Behälter getrennt, so dass es zu Reinigungszwecken abgekoppelt werden kann. Anwendung z. B. bei Schmierölbehältern in Werkstätten und in Tankwagen. Die Schaugläser werden heute oft durch Magnetklappen-Anzeiger ersetzt. Dabei wird der Füllstand über einen magnetischen Schwimmer gemessen, durch den Klappen an einer Messskala umgelegt werden. Die Messskala ist somit getrennt von dem zu messenden Medium. Daher ist das Verfahren auch bei nicht sauberen Medien anwendbar. Vorteil: einfach und relativ preiswert. Nachteil: Fernablesung nur bei Magnetklappen-Anzeigern möglich.

1.6.7-2

Peilstabmethode

Einfache Handmessung über einen skalierten Stab, die sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Feststoffen anwendbar ist. Anwendung z. B. bei der Ölstandskontrolle im Auto. Vorteil: einfach und sehr preiswert. Nachteil: keine Fernablesung möglich, nur für drucklose Behälter anwendbar.

1.6.7-3

Schwimmermethode

Die einfachste Füllstandsmessung mittels Schwimmer besteht aus einem Schwimmkörper, einem Seil, zwei Rollen und einem Gewicht, das an der Außenseite eines offenen Behälters hängt. Wird am Tank eine Skala angebracht, kann am Stand des Gewichtes der Füllstand des Behälters abgelesen werden (Bild 1.6.7-1). Die industrielle Schwimmermessungen beruht auf dem gleichen Prinzip, unterscheidet sich jedoch bezüglich Einbau, Ablesung und Genauigkeit wesentlich von dieser einfachen Methode. Sie ist auch bei Druckbehältern und dichten Tanks anwendbar. Vorteil: relativ einfach, sehr genau. Nachteil: Anwendung bei Druckbehältern und dichten drucklosen Behältern relativ teuer.

1.6.7-4

Verdrängermethode

Die Verdrängermethode beruht auf der Differenz zwischen dem Gewicht eines Verdrängerkörpers und der Auftriebskraft des Mediums auf diesen Körper. Die Auftriebskraft ist abhängig vom Volumen des Verdrängers der Dichte des Mediums und der Füllhöhe. Bei gleichbleibendem Volumen und gleichbleibender Dichte ist die Auftriebskraft ein Maß für den Füllstand. Der Verdränger muss dabei schwerer sein als das zu messende Medium. Zur Fernübertragung und zur Abtrennung von der Außenluft wird die Differenzkraft über einen Torsionsstab auf einen Messwertaufnehmer mit 4–20 mA Ausgang übertragen. Einbau oft in einem Parallelgefäß. Anwendung auch zur Messung der Trennschicht zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dichte. Vorteil: genau. Nachteil: abhängig von der Dichte des Mediums.

1.6.7 Füllstandsmessung

385

1 Bild 1.6.7-1. Füllstandsmessung mit Schwimmer.

1.6.7-5

Bild 1.6.7-2. Füllstandsmessung mit Einperlrohr.

Bild 1.6.7-3. Füllstandsmessung über die hydrostatische Druckdifferenz.

Einperlrohrmethode

Der hydrostatische Druck in einem Tank wird gemessen, indem ein dünnes Rohr in die Flüssigkeit eingebracht wird und so viel Gasdruck angelegt wird, dass die Flüssigkeitssäule in dem Rohr weggedrückt wird, so dass gerade Gasbläschen entstehen und austreten. Der Druck in dem Rohr entspricht dem Druck der Flüssigkeitssäule. Dieser Druck kann mit einem Druckaufnehmer gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Als Gas wird je nach Medium meist Luft oder Stickstoff verwendet. Die Gasversorgung erfolgt über ein Reduzierventil bei einem vorhandenen Gasnetz oder bei Luft über einen kleinen Verdichter (Bild 1.6.7-2). Vorteil: einfache Montage, bei aggressiven Medien anwendbar. Nachteil: Gasanschluss notwendig, wenn Luft nicht verwendet werden kann, Gasverbrauch, Gefahr des Zusetzens des Einperlrohrs, weniger geeignet für Druckbehälter.

1.6.7-6

Hydrostatische Druckmethode

Bei dieser Methode wird über einen Druck- oder Differenzdruckaufnehmer der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule direkt gemessen. Bei Druckbehältern ist eine Differenzdruckmessung erforderlich, wobei ein Druckaufnehmer den Druck der Flüssigkeitssäule und den Druck des Behälters misst und der andere Druckaufnehmer nur den Behälterdruck in der Gasphase (Bild 1.6.7-3). Der Differenzdruck entspricht dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule. Die Differenzdruckbildung kann auch elektronisch erfolgen, indem zwei elektronische Druckaufnehmer verwendet werden und die beiden Messsignale anschließend voneinander abgezogen werden. Vorteil: einfache Montage, einfache Einstellung, relativ genau. Nachteil: abhängig von der Dichte des Mediums, für Differenzdruck relativ teuer.

1.6.7-7

Wägemethode

Bei dieser indirekten Füllstandsmessung wird der gesamte Behälter auf sogenannte Wägezellen montiert. Die Wägeaufnehmer beruhen meist auf dem Prinzip der Dehnungsmessstreifen. Auch bei Feststoffen anwendbar. Vorteil: bei Produkten mit konstanter Dichte sehr genau, da der Inhalt statt des Füllstands gemessen wird. Nachteil: erfordert viele mechanische Vorkehrungen und ist damit teuer, bei bestehenden Anlagen nicht nachrüstbar.

386

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6.7-8

Leitfähigkeitsmessmethode

Diese Methode wird ausschließlich in leitenden Medien angewandt. Dabei wird die Differenz der Leitfähigkeit einer Sonde gemessen, die durch das leitende Medium mehr oder weniger bedeckt ist. Als Gegenpotential wird die Behälterwand benutzt oder bei nicht leitenden Behältern eine zweite Sonde. Wenn das Medium die Sonde noch nicht berührt, ist der elektrische Widerstand zwischen Sonde und Behälterwand sehr hoch. Steigt der Füllstand an und stellt das leitende Produkt dadurch eine Verbindung zwischen Sonde und Behälterwand her, dann sinkt der Widerstand. Vorteil: einfach und preiswert. Nachteil: Sonde darf nicht durch Ablagerungen verschmutzt werden, beschränkt anwendbar bei Medien mit stark wechselnder Leitfähigkeit.

1.6.7-9

Kapazitive Messmethode

Durch eine Messsonde und eine Behälterwand wird nach Anlegen eines Wechselstromes ein Kondensator gebildet, dessen Kapazität von der relativen Dielektrizitätskonstanten εr des zu messenden Mediums zwischen Sonde und Wand abhängig ist. Solange der Behälter leer ist, ist die Kapazität des gebildeten Kondensators niedrig. Wird ein Teil der Sonde durch das zu messende Medium bedeckt, wird eine höhere Kapazität gemessen (Bild 1.6.7-4). Mit dieser Methode kann auch eine Trennschicht zwischen zwei Medien gemessen werden, wenn die Differenz der relativen Dielektrizitätskonstanten ausreichend groß ist. Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, geeignet für aggressive Medien. Nachteil: beschränkt anwendbar bei wechselnden Medien. Bild 1.6.7-4. Kapazitive Füllstandsmessung.

Bild 1.6.7-5. Füllstandssignalisierung mit Ultraschall bzw. Mikrowellen.

1.6.7-10

Strahlungsdämpfungsmethode

Diese Methode kann auf optischer, Ultraschall-, Mikrowellen- oder Gammastrahlungsdämpfung basieren. Die optische Methode wird wegen der Verschmutzungsmöglichkeit nur selten angewandt. Bei nicht zu kritischen Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur, Aggressivität und Viskosität des Mediums werden Ultraschall und Mikrowellen verwendet. Diese Messmethode wird im Allgemeinen nur zur Füllstandssignalisierung verwendet (Bild 1.6.7-5). Bei hohem Druck, hoher Temperatur und hochviskosen Medien kann oft nur die Gammastrahlungsmessmethode angewandt werden, da die energiereichen Gammastrahlen die Behälterwand durchdringen können und keine Messwertaufnehmer im Behälter erforderlich sind. Als Strahlungsquelle wird Kobalt 60 oder Cäsium 137 verwendet (Bild 1.6.7-6). Alle Systeme bestehen aus einem Sender und einem Empfänger. Das vom Sender abgesandte Signal gelangt bei leerem Behälter ungehindert zum Empfänger. Bei steigendem Füllstand wird das Signal mehr und mehr von dem zu messenden Medium absorbiert und gelangt nur noch gedämpft zum Empfänger.

1.6.8 Abgasprüfung

387

Bild 1.6.7-6. Füllstandsmessung mit Gammastrahlung.

1 Bild 1.6.7-7. Füllstandsmessung mit Ultraschall bzw. Mikrowellen.

Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, kontaktlos, kann ohne Einbauten montiert werden, bei Gammastrahlern ist keine Änderung am Behälter notwendig. Nachteil: Ultraschall und Mikrowellen erfordern seitlichen Einbau, bei Gammastrahlern sind spezielle Genehmigungen und Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

1.6.7-11

Reflexionsmessmethode

Die Reflexions- oder Echomethode beruht auf einer Laufzeitmessung eines durch einen Sensor ausgesandten Mikrowellen- oder Ultraschallimpulses. Dieser Impuls wird von der Oberfläche des zu messenden Mediums reflektiert und vom Sensor wieder erfasst. Die benötigte Zeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil und damit umgekehrt ein Maß für den Füllstand des Behälters (Bild 1.6.7-7). Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, kontaktlos. Nachteil: Medien dürfen nicht stark schäumen und müssen die Impulse reflektieren, Ultraschall nicht bei hohen Drücken oder im Vakuum anwendbar.

1.6.8

Abgasprüfung (s. auch Abschnitt 1.6.10-3 und 1.6.10-6)

Rauchgasuntersuchungen haben die Aufgabe, die Zusammensetzung der Rauchgase, namentlich den CO2-Gehalt, festzustellen, um daraus die Güte der Verbrennung zu beurteilen. Die Messung der Abgasverluste ist gesetzlich vorgeschrieben, um Energie einzusparen. In Zentralheizungen wird sie von den Schornsteinfegern oder anderen autorisierten Betrieben durchgeführt (Energieeinspargesetz). Die zu verwendenden Messgeräte müssen eine Eignungsprüfung bestehen. SO2- und Stickoxidmessungen werden meist nur bei Großanlagen durchgeführt. a) Orsat-Apparat. Dieser Apparat ist das bekannteste Gerät für die Untersuchung der Abgase. Ein abgemessenes Volumen von 100 cm3 Gas wird nacheinander durch mehrere Absorptionsflüssigkeiten gedrückt, die der Reihe nach CO2, O2 und CO absorbieren. Nach Absorption eines Gasbestandteils wird die Restgasmenge gemessen. Die Volumenverminderung entspricht dem Raumanteil des absorbierten Gases. Absorptionsmittel sind Kalilauge für CO2, Pyrogallussäure oder Phosphor für O2 und Kupferchlor für CO (Bild 1.6.8-1). Letztere allerdings nicht genügend empfindlich. Für betriebliche Zwecke ist der Orsat-Apparat nicht geeignet; er dient lediglich als Kontrollapparat. Für Schnellmessungen sind Messkoffer erhältlich. Beispiel das CO2Schnellmessgerät nach Bild 1.6.8-2 und Bild 1.6.8-3 mit Kalilaugegefäß, Anzeigegerät, Gummiball und Umstellhahn. Der bei der Absorption entstehende Unterdruck ist dem CO2-Gehalt proportional und wird direkt angezeigt. Messflüssigkeit muss nach Erschöpfung erneuert werden. Nachteilig ist die Trägheit der Messung.

388

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.8-1. Orsat-Apparat zur Rauchgasprüfung (Schematische Darstellung).

Bild 1.6.8-2. Funktion der CO2-Anzeige. A = Ausgleich M = Messen S = Saugen

Bild 1.6.8-3. Messkoffer für Abgasprüfung (Bacharach).

Bild 1.6.8-4. Elektrisches Rauchgasprüfgerät nach dem Wärmeleitfähigkeitsverfahren.

1.6.8 Abgasprüfung

389

1 Bild 1.6.8-5. Messgerät für CO2 mit Infrarot-Fotometer und für Kaminzug (Maihak).

b) Die selbsttätigen auf chemischer Grundlage arbeitenden Geräte ahmen die Bewegungen bei der Handanalyse nach und zeichnen den Hub der Niveaugefäße verkürzt als Maß für den absorbierten Bestandteil auf. Nachteilig ist die große Anzeigeverzögerung von etwa 2 Minuten. Bei neueren chemisch-physikalischen Verfahren verwendet man Geräte, bei denen zunächst zwar auch eine Absorption des zu messenden Gases erfolgt, anschließend jedoch eine physikalische Messung der Absorptionswärme (Thermoflux) oder der elektrischen Leitfähigkeit der Absorptionsflüssigkeit (Ionoflux und Elektroflux) oder der Verfärbung der Flüssigkeit (Chromoflux). c) Bei den auf physikalischer Grundlage arbeitenden Geräten werden zur Messung hauptsächlich die Wärmeleitfähigkeit oder die Infrarotstrahlenabsorption benutzt. Bei den Rauchgasprüfern nach Bild 1.6.8-4 wird das verschiedene Wärmeleitvermögen der Kohlensäure gegenüber der Luft zur Messung ausgenutzt. Das Gas strömt an einem auf etwa 200 °C geheizten Draht vorbei, während ein zweiter Draht im Luftstrom liegt. Beide Drähte sind zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet. Bei Änderung des CO2-Gehaltes ändert sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases, so dass sich auch die Temperatur der Heizdrähte und damit ihr Widerstand ändern. Der Widerstandsunterschied wird gemessen und umgerechnet als CO2-Gehalt angezeigt. In ähnlicher Weise wird auch der (CO + H2)-Gehalt gemessen, indem diese Gase katalytisch verbrannt werden und dadurch die Temperatur des Heizdrahtes ändern (Wärmetönungsverfahren). Bei dem thermomagnetischen Messgerät für Sauerstoff wird die Tatsache ausgenutzt, dass Sauerstoff magnetisch ist. Durch das Einströmen von Sauerstoff in ein kräftiges Magnetfeld entstehen Strömungen (magnetischer Wind) und Druckunterschiede, die messtechnisch erfasst werden. Beim Infrarotverfahren wird das unterschiedliche Absorptionsspektrum der Gase zur Messung verwendet (Bild 1.6.8-5). Die durch die Absorption entstehende Temperaturdifferenz des zu messenden Gases und des Vergleichsgases wird gemessen, verstärkt und auf Anzeigeinstrument übertragen. Geeignet für CO, CO2, SO2 und viele andere Gase (VDI 2455:1970-08). Rußmessung bei Ölfeuerungen und Kohlenwasserstoffmessung s. Abschn. 1.6.10-3 und 1.6.10-6. d) Prüfröhrchen. Ein bestimmtes Volumen, z. B. 100 cm3 Gas, wird mittels kleiner Pumpe durch ein Prüfrohr gesaugt, das mit einem spezifischen Reagenzstoff gefüllt ist. Dieser verfärbt sich, wobei sich aus der Länge der Verfärbung der Messwert ergibt. Für CO2, CO und andere Gase und Dämpfe. Fehlergrenzen ±10 %. e) Gasanalyse-Computer. Moderne Geräte arbeiten mit Computerauswertung, Datenspeicherung und Drucker für die Messwerte. Ein solches Gerät in tragbarer Form mit Batteriebetrieb oder Netzanschluss zeigt Bild 1.6.8-6 und Bild 1.6.8-7. Sensoren für Gase sind elektrochemische Zellen.

390

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.8-6. Elektronisches, tragbares Gas-Analyse-Gerät zur Messung O2, CO, (CO%, NO, NO2, SO2 als Option), T-Abgas, T-Luft, Differenzdruck, Ruß und zur Berechnung CO2, CO(U), NOx, η, Verlust, λ, Taupunkt, mg/m3, mg/kWh, O2-Bezug, Mittelwertbildung (Option) (rbr Meßtechnik, Iserlohn).

1.6.9

Bild 1.6.8-7. Elektronisches Rauchgas-Analysegerät für Temperatur, O2, CO2, CO, NOx und Abgasverlust 1-η für 13 verschiedene Brennstoffe (Testotherm). Links: Anzeige- und Bediengerät. Rechts oben: Rauchgassonde für Temperatur, Gasentnahme und Zug. Rechts unten: Analysegerät.

Feuchtemessung (siehe auch Abschnitt 3.7.2-2)

Bei der Feuchtemessung ist zwischen Feuchtegehalt, gemessen in g/cm3 oder g/kg, und der relativen Feuchte, gemessen in %, zu unterscheiden.

1.6.9-1

Absorptionsverfahren

Der Wasserdampf wird in einigen hintereinander geschalteten C h l o r k a l z i u m r ö h r c h e n absorbiert. Die absorbierte Wassermenge wird durch Wägung ermittelt und die Gasmenge durch einen Gaszähler gemessen, wodurch direkt die absolute Feuchte ermittelt wird.

1.6.9-2

Taupunktmethode

Eine glänzende Fläche wird soweit gekühlt, bis sich ein Niederschlag zeigt. Die hierbei vorhandene Temperatur ist gleich der Taupunkttemperatur der Luft. Messung sehr genau. Diese Messgeräte sind auch als Taupunkt-Spiegel bekannt. Der Spiegel wird dabei elektrisch mittels Peltier-Element gekühlt.

1.6.9-3

Haarhygrometer

Haarhygrometer benutzen die Eigenschaft entfetteter Haare, sich mit der relativen Luftfeuchte zu kürzen und zu verlängern (Bild 1.6.9-1). Dehnung etwa 2 % bei Feuchteänderung von 0 bis 100 %. Außer Haaren werden auch andere hygroskopische Stoffe verwendet wie Seide, Cellophan, Baumwolle u. a., von denen manche allerdings temperaturabhängig sind. Alle Hygrometer müssen von Zeit zu Zeit nachgeeicht werden und zur Verbesserung der Elastizität kurze Zeit in feuchte Luft gestellt werden (z. B. Nachtluft). Hysterese ±2…5 %, daher ungenau. Staubempfindlich. Arbeitsbereich 30…90 %. Die Instrumente werden auch für elektrische Fernanzeige geliefert.

1.6.9 Feuchtemessung

391

1

Bild 1.6.9-1. Haarhygrometer.

1.6.9-4

Bild 1.6.9-2. Assmannsches Aspirationspsychrometer.

Psychrometer

Psychrometer bestehen aus einem trockenen und einem mit Musselinbausch befeuchteten Thermometer. Die Differenz zwischen den Anzeigen beider Thermometer – die sogenannte psychrometrische Differenz – dient zur Messung der relativen Luftfeuchte. Grundlage der Messung ist die Sprungsche Psychrometerformel (Näherungsformel) pd = pf – k (ttr – tf) p in mbar (Sprung 1888) ttr tf pd p pf k

= Temperatur des trockenen Thermometers in °C = Temperatur des feuchten Thermometers in °C = Teildruck des Wasserdampfes in mbar = Gesamtdruck in mbar = Dampfdruck bei der Feuchtkugeltemperatur in mbar = eine Konstante = 0,61 · 10–3 für Wasser/Luft = 0,57 · 10–3 für Eis/Luft.

Die relative Feuchte ist dann p ϕ = ----d- · 100 in % ps ps = Sättigungsdruck in mbar bei der Temperatur ttr. Sie kann aus Psychrometertafeln oder Diagrammen (s. Bild 1.6.9-3) in Abhängigkeit von den Anzeigen beider Geräte abgelesen werden. Voraussetzung für richtige Messung ist, dass die zu messende Luft mit mindestens 2 m/s am feuchten Thermometer vorbeiströmt. Bei unbelüfteten Thermometern ist die Messung sehr ungenau. Für praktische Messungen am meisten verwendet ist das Aspirationspsychrometer nach Assmann (Bild 1.6.9-2), bei dem der künstliche Luftstrom durch einen kleinen uhrwerkgetriebenen Ventilator erzeugt wird. Das Instrument dient auch als Eichgerät. Auch Geräte mit elektrischem Ventilator erhältlich. Neuere Ausführungen verwenden Halbleiterfühler (NCElement), wobei der Messwertgeber durch Kabel mit einem Anzeigegerät verbunden ist. Stromversorgung durch Batterie.

392

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.9-3. Psychrometrisches Diagramm zur Bestimmung der Luftfeuchte aus den Anzeigen des trockenen und feuchten Thermometers.

Rechnerisch ergibt sich aus der Psychrometer-Ablesung der Feuchtegehalt x der Luft: h – cL t h – 1 ,01 ⋅ t - = ------------------------------x = ---------------in kg/kg. r + cD t 2501 + 1 ,86 t Siehe auch Abschnitt 1.3.4-5. Für höhere Temperaturen bis 300 °C ist der GS-Psychromat verwendbar, bei dem dem feuchten Thermometer das Befeuchtungswasser unter geringem Druck zugeführt wird (Öguna, Wien). Eine einfachere Ausführung ist das Schleuderpsychrometer, wobei vor der Ablesung die beiden Thermometer in der Luft herumgeschleudert werden. Für Fernanzeigen werden statt der Quecksilberthermometer belüftete Widerstandsthermometer in Brückenschaltung oder auch Thermoelemente verwendet. Sekunden-Psychrometer Eine Neuentwicklung sind Geräte mit Thermistoren (NTC-Widerständen) zur Messung der Feuchte. Es wird dabei jedoch nicht die Verdunstung, sondern die Wärmeableitung als Messgröße verwendet, so dass die künstliche Luftbewegung erspart wird. Für die Benetzung der Messzelle werden die physikalischen Zusammenhänge zwischen Kapillarkraft und osmotischem Druck ausgenutzt.

1.6.9 Feuchtemessung

1.6.9-5

393

Lithiumchlorid-Feuchtemesser

Das hygroskopische Salz Lithiumchlorid saugt Wasser aus der Luft auf, bis ein Gleichgewicht zwischen Dampfdruck der Lösung und der Luft besteht. Feuchtemesser besteht aus Metallhülse mit Glasgewebe, das mit Lithiumchloridlösung getränkt ist (Bild 1.6.9-4). Von zwei silbernen, spiralig aufgewickelten Drähten fließt Strom durch die Lösung, erwärmt sie und verdampft das Wasser, bis am Umwandlungspunkt Tu Lösung/Salz die Leitfähigkeit abnimmt, Strom und Temperatur sinken. Dabei wieder Wasserdampfaufnahme, zunehmende Leitfähigkeit und Stromstärke. Gleichgewichtstemperatur ist Maß für den Wassergehalt der Luft bzw. den Taupunkt. Temperatur durch Widerstandsthermometer gemessen. Anzeige in °C Taupunkt oder g/m3. Für Anzeige der relativen Feuchte weiteres Thermometer für die Lufttemperatur T erforderlich, Bild 1.6.9-5. Messfehler 2…3 % Bild 1.6.9-6. Luftfeuchtemesser mit Elektrolyt (Barth u. Stöcklein).

Bild 1.6.9-4. Lithiumchlorid-Feuchtemesser.

Bild 1.6.9-5. Schaltbild des LithiumchloridFeuchtemessers für relative Feuchte Kr = Kreuzspulmesswerk, T = Lufttemperaturfühler, Tu = Fühler für Umwandlungstemp.

1.6.9-6

Leitfilm-Hygrometer

Leitfilm-Hygrometer bestehen aus einem Kunststoffplättchen mit draht- oder kammförmigen Elektroden und mit einer hygroskopischen Schicht, deren Leitfähigkeit sich mit der relativen Luftfeuchte ändert. Stromstärke der aufgewickelten Elektroden ist ein Maß der Luftfeuchte. Strom liefert eine Batterie. Beispiel Bild 1.6.9-6.

1.6.9-7

Kapazitäts-Hygrometer

Kapazitäts-Hygrometer verwenden eine feuchteempfindliche Folie zwischen zwei Elektroden. Je nach Umgebungsfeuchte ändert sich die Kapazität, die mit Hilfe eines Spannungswandlers gemessen wird (kapazitiver Dünnfilmsensor). Handliche Geräte mit Batterieversorgung für Baustellenmessung (Sekunden-Hygrometer, Bild 1.6.9-7).

Bild 1.6.9-7. Digitales Sekunden-Hygrometer (Klimatherm).

1

394

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6.9-8

Taupunktsensoren

Taupunktsensoren werden zur direkten Überwachung des Kondensationsrisikos an kalten Oberflächen (z. B. Wasservorlaufleitungen für Kühldecken) eingesetzt. Die Sensoren sind ähnlich wie Leitfilm- oder Kapazitäts-Hygrometer aufgebaut und werden direkt auf der kalten Oberfläche fest montiert. Nähert sich die Oberflächentemperatur der Taupunkttemperatur der Luft, so wird das Kondensationsrisiko bei Überschreitung eines Grenzwertes (relative Feuchtigkeit in der Grenzschicht um 95 % r. F.) meist durch Schalten eines Relaisausganges angezeigt und an die Regelung gemeldet, wo entsprechend z. B. die Vorlauftemperatur angehoben wird. Preiswerte und einfache Lösung für permanente Taupunktüberwachung.

1.6.10

Sonstige Messgeräte

1.6.10-1

Kalorimeter

Kalorimeter sind Geräte zur Bestimmung des Heizwertes von Brennstoffen. Für feste und flüssige Brennstoffe Berthelot-Mahler-Bombe. Für flüssige und gasförmige Brennstoffe gibt es eine Anzahl von Messgeräten, von denen das erste und bekannteste das Junkers-Kalorimeter ist. Andere Gräte sind das Union-Kalorimeter, Ados-Kalorimeter und Reineke-Gaskalorimeter. Für betriebliche Zwecke, z. B. Heizwertüberwachung bei Gasanstalten, werden auch selbsttätig schreibende Kalorimeter verwendet.

1.6.10-2

pH-Wert-Messung

Der pH-Wert (pondus hydrogenii) ist ein Maß dafür, wie stark sauer oder basisch eine Flüssigkeit ist. In reinem Wasser sind je Liter 10–7 g H-Ionen und ebenso viel OH-Ionen vorhanden. Reines Wasser ist neutral und hat den pH-Wert 7. Sind mehr WasserstoffIonen vorhanden, z. B. 10–5 g je Liter, so ist der pH-Wert 5, und das Wasser ist sauer. Säuren haben pH-Werte zwischen 0 und 7, Laugen zwischen 7 und 14. Zur Messung des pH-Wertes verwendet man galvanische Elemente, bei denen die Spannung der Messelektrode nur von der H-Ionenzahl abhängt, während die Bezugselektrode davon ganz unabhängig ist (Bild 1.6.10-1). Allgemeine Begriffe s. DIN 19260:2005-06. Die heutige pH-Messtechnik beruht darauf, nach der Art galvanischer Elemente zwei Elektroden zu verwenden. Die Bezugselektrode befindet sich in einer Lösung mit bekannter Konzentration, die Messelektrode in der zu messenden Lösung, wobei beide Lösungen durch ein Diaphragma miteinander in leitender Verbindung stehen. Die Spannungsdifferenz zwischen beiden Elektroden ist ein Maß für den pH-Wert der Lösung.

Bild 1.6.10-1. Schema eines pH-Messgerätes.

Als Messelektrode wird meist eine sog. Glaselektrode verwendet. An den beiden Flächen einer aus Spezialglas bestehenden Glasmembran entsteht beim Eintauchen in eine Lösung eine Spannungsdifferenz. Für betriebliche Zwecke Unterbringung der Elektroden in geeigneten Armaturen. Auch ein Taschen-pH-Messer ist auf dem Markt. Eine weitere, jedoch weniger genaue Messung ist durch „Farbindikatoren“ möglich (Lakmuspapier u. a.), deren Farbe bei gewissen pH-Werten umschlägt.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

1.6.10-3

395

Rußmessung

Hierfür wird bei Ölfeuerungen das Rußprüfgerät nach Bacharach verwendet (DIN 51402-1:1986-10 und DIN 51402-2:1979-03). Filterpapiermethode. Im Immissionsschutz-Gesetz vorgeschrieben. Fahrradpumpenähnliches Gerät, mit dem durch eine bestimmte Anzahl von Pumpenhüben eine bestimmte Abgasmenge durch ein Filterpapier gesaugt wird, das sich dabei verfärbt, Schwärzungsgrad wird mit einer Farbskala verglichen. Rußziffern nach Bacharach von 0 bis 9. Sichtbare Rauchgrenze am Schornstein bei der Rußzahl 5…6 (siehe Bild 1.6.8-3). Bei Gasbrennern nicht verwendbar. Bei mangelhafter Zerstäubung in Ölfeuerungen treten auch Kohlenwasserstoffverbindungen auf, die beim Acetontest eine Gelb- oder Braunfärbung des Filterpapiers bewirken. In DIN 51402-2:1979-03 ist diese Art der Bestimmung der Ölderivate für Heizöle im Einzelnen beschrieben. Die für Abgase von Feuerungen zulässigen Auswurfmengen sind durch das Immissionsschutzgesetz und seine Verordnungen begrenzt. Z. B. darf das Abgas ölbefeuerter Kessel eine Rußzahl 1 bzw. 2 nicht überschreiten. Für schnelle Messungen gibt es automatische Prüfgeräte mit elektrischem Antrieb und gleichzeitiger Temperaturanzeige.

1.6.10-4

Schallpegelmesser

Schallpegelmesser dienen zur Messung des Schalldruckpegels im Raum. Sie bestehen aus einem Mikrophon, einem Verstärker mit Bereichumschalter und einem Messinstrument, das in dB (Dezibel) geeicht ist. Ansicht eines Gerätes Bild 1.6.10-2

Bild 1.6.10-2. Schallpegelmesser mit Oktavfilter (Brüel u. Kjaer).

Schallpegelmesser müssen einerseits das Hörempfinden des menschlichen Ohres berücksichtigen, andererseits aber objektive und reproduzierbare Messwerte liefern. Sie sind in allen wichtigen Eigenschaften, einschließlich Messtoleranzen, durch Normen festgelegt DIN EN 61672-1: 2010-12 und DIN EN 61672-2: 2004-08. Der physikalisch gemessene Schalldruck wird entsprechend der Definition als Schalldruckpegel in dB angegeben. Technische Geräusche setzen sich aus vielen Einzeltönen verschiedener Frequenzen zusammen. Einzelne Frequenzbereiche werden in Frequenzbändern zusammengefasst. Je nach Art der Frequenzaufteilung unterscheidet man Oktav- und Terzbänder (Oktave = Frequenzverhältnis 1 : 2, Terz = 1/3 Oktave). Die Geräte verwenden Filter mit Terzoder Oktavbandbreiten. Das menschliche Ohr ist nicht für alle Frequenzen gleichermaßen empfindlich (vgl. Bild 1.5.5-1). Darum verfügen Schallpegelmesser im Allgemeinen über eine Frequenzbewertung. Nach internationaler Normung unterscheidet man drei Bewertungskurven, A, B, C, von denen in der technischen Gebäudeausrüstung A benutzt wird (siehe Tafel 1.6.10-1). Frequenz Hz

Kurve A[dB]

Kurve C[dB]

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

–26,1 –16,1 – 8,6 – 3,2 0,0 1,2 1,0 – 1,1

–0,7 –0,2 0,0 0,0 0,0 –0,2 –0,8 –3,0

Tafel 1.6.10-1 Bewertungskurven für Schallpegelmesser (DIN EN 61672-1: 2010-12 und DIN EN 61672-2: 2004-08).

1

396

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bildet der Schallpegelmesser z. B. den Mittelwert aller Frequenzbänder nach der A-Bewertung, so erhält man den dB(A)-Wert. Der Mittelwert aller Frequenzbänder ohne Bewertung wird als linearer Schalldruckpegel bezeichnet. Bei einer Frequenzanalyse wird der Schalldruckpegel bei den einzelnen Oktav- oder Terzmittelfrequenzen ohne Bewertung angegeben. Frequenzabhängige Schallbewertungen sind in den NR-Kurven (Noise Rating nach ISO) enthalten. Für den Rundfunk- und Fernsehbereich1) sind hieraus Grenzkurven (GKKurven) abgeleitet worden (siehe auch Abschnitt 1.5.5-3). Für die Beurteilung von Schallschutzmaßnahmen ist stets das Frequenzspektrum aufzunehmen. Bei Messungen außerhalb von Gebäuden ist gegebenenfalls ein Windschirm notwendig. Wichtig ist ferner, immer auch der Grundpegel ohne die zu messende Anlage aufzunehmen, da dieser bei einem Abstand von < 10 dB den gemessenen Anlagenpegel beeinflusst. Messungen an Komponenten (Ventilatoren, Luftdurchlässe etc.) werden in Hallräumen2) durchgeführt. Dabei wird der Schallleistungspegel ermittelt. Herstellerangaben sind somit vergleichbar. Angaben zum Schalldruckpegel von Komponenten in nicht definierter Meßumgebung sind hierzu nicht geeignet.

1.6.10-5

Staubmessung Neubearbeitet von Dr. Stephan Ester, Bad Wünnenberg

In den 1990er Jahren lieferten Untersuchungen der Weltgesundheitsbehörde (WHO) Richtwerte für eine tolerierbare Feinstaubbelastung. In Europa wurden diese Werte in vielen Fällen deutlich überschritten. Kallweit und Wintermeier3) ermittelten 2013 jährlich ca. 47.000 vorzeitige Todesfälle in Deutschland, die auf Feinstaubbelastung zurückzuführen sind, was einem Verlust von ca. 10 Lebensjahren je 1000 Einwohner entspricht. Diese Ergebnisse bilden in den nachfolgenden Jahren die Basismotivation für zahlreiche Novellierungen und Überarbeitungen von Richtlinien und Verordnungen, die das Thema „Staub“ behandeln. Unter anderem wurde auch die für die „Heizungstechnik“ wichtige erste 1. BImSchV im November 2010 mit verschärften Staubgrenzwerten und erhöhter Überwachungshäufigkeit novelliert. Da zunächst keine praxistauglichen Messgeräte zur Umsetzung am Markt vorhanden waren, hat die Staubmesstechnik seit dieser Zeit einen enormen Innovationsschub erfahren.

1.6.10-5.1 Klassifikation von Staubpartikeln Die Größe von Staubpartikeln steht in einem direkten Zusammenhang mit dem gesundheitlichen Gefährdungspotenzial. Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von mehr als 10 μm werden in der Regel als Grobstaub betrachtet, der im Vergleich zu Feinstaub relativ schnell sedimentiert und nur eine geringe Belastung der Atemwege darstellt. Von Feinstaub spricht man häufig bei inhalierbaren Partikeln kleiner 10 μm, PM10 (PM, Particulate Matter) (Bild 1.6.10-3). Partikel mit einer Größe zwischen 2,5 μm und 10 μm, die nicht im menschlichen Nasen- und Rachenraum abgefangen werden, erreichen die oberen Teile der Atemwege. Partikel kleiner 2,5 μm, PM2,5, sind lungengängig und besitzen damit ein größeres Gefährdungspotenzial. Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 0,1 μm, PM0,1, können sogar in die Lungenbläschen gelangen und sich dort ansammeln. Laut WHO ist neben einer Konzentrationsangabe eine Klassifizierung des Gefährdungspotenziales über die Partikelgröße sinnvoll, da diese den Transportmechanismus, das Sedimentationsverhalten in freier Luft und auch das Eindringpotenzial in das Atemsystem bestimmt. Eine routinemäßige gesundheitliche Bewertung der Stäube aufgrund ihrer toxischen Komponenten ist häufig schwieriger und erfordert eine besondere Probenahme, wie z. B. besondere Filtermaterialen, um die chemische Analyse nicht zu verfälschen. Auf der Elektronenmikroskopischen Aufnahme von Staubpartikeln auf einer Filteroberfläche 1) 2) 3)

DIN 15996:2008-05. DIN EN ISO 5135:1999-02, DIN EN ISO 3741: 2011-01. Kallweit, D.; Wintermeyer, D.: Berechnung der gesundheitlichen Belastung der Bevölkerung in Deutschland durch Feinstaub (PM10). UMID Umwelt und Mensch – Informationsdienst (2013), Nr. 4 — ISSN 2190-1120, Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), Robert Koch-Institut (RKI), Umweltbundesamt (UBA), Berlin 2013.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

397

in Bild 1.6.10-3 erkennt man die Vielfalt unterschiedlicher Staubpartikel in Bezug auf die Form, Farbe und Größe.

1 Bild 1.6.10-3. Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Sammelfilters. Beprobung in der Nähe eines Verkehrsweges. *) *)

WHO Air Quality Guidelines for Europe. WHO Regional Publications, European Series (2000) Nr. 91 — http://www.euro.who.int/document/e71922.pdf (letzter Zugriff am 11.09.2015).

1.6.10-5.2 Überwachung In Deutschland wird die Einhaltung der Staubgrenzwerte nach den Luftreinhaltevorschriften sowohl in der Umgebungsluft (Immission) als auch am Ort der Entstehung (Emission) durch zugelassene Messgeräte überwacht. Man unterscheidet daher hauptsächlich zwei praktische Anwendungsbereiche der Staubmessung. Der erste Anwendungsbereich ist die Partikelmessung im Immissionsbereich. Wegen der Verdünnung mit der Umgebungsluft müssen die Immissions-Staubmessgeräte eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die zu überwachenden Staubgrenzwerte liegen typischerweise im Bereich von einigen μg/m3. Die häufig automatisch kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Erfassung erfolgt sowohl im Außen- aber auch im Innenbereich, z. B. am Arbeitsplatz. Den zweiten Anwendungsbereich stellen Emissionsmessungen am Ort der Entstehung direkt im Abgaskanal dar. Sie bilden den wichtigsten Anwendungsschwerpunkt in der Heizungstechnik. Hier sind die Anforderungen an die Nachweisgrenze der Messgeräte geringer. Typische Grenzwerte liegen im Bereich von mg/m3. Die Probenahme im strömenden Abgas bei höheren Temperaturen und mit teilweise aggressiven Komponenten erfordert im Vergleich zu Immissionsmessungen jedoch eine aufwendigere Messgasaufbereitung, um den Messkanal nicht zu zerstören oder das Messergebnis zu verfälschen. Bei der Staubmesstechnik wird sowohl für Immissions- als auch Emissionsmessungen im Wesentlichen zwischen Zählverfahren und Verfahren zur Bestimmung der Partikelmasse unterschieden. Wird die Partikelanzahl eines Zählverfahrens oder eine gravimetrisch ermittelte Partikelmasse auf das beprobte Teilvolumen (i.N.: Volumen in der Norm) bezogen, so erhält man eine Staubkonzentration z. B. in Teilchen/m3 i.N. oder g/m3 i.N. Da die gesetzlichen Grenzwerte der zulässigen Staubemission in der physikalischen Einheit g/m3 angegeben sind, wird im Weiteren nur Messtechnik dargestellt, deren Ergebnisse eine Massenkonzentration liefern.

1.6.10-5.3 Immissionsgrenzwerte Bei Schwebstaub PM10 in der Umgebungsluft beträgt der maximal zulässige Jahresmittelwert an den einzelnen Messstationen 40 μg/m3. Dabei darf ein jeweiliger maximaler 24Stunden-Wert von 50 μg/m3 in einem Jahr maximal 35 Mal überschritten werden. Die Graphen in Bild 1.6.10-4 zeigen die PM10-Entwicklung im Zeitraum 2000 bis 2013 für drei Klassen von Messstation-Standorten, hier jedoch als jeweilige deutschlandweite Jahresmittelwerte. Bundesweit wurde der PM10-Grenzwert von 40 μg/m3 im Mittel eingehalten. 51 % aller Messstationen lagen im Jahr 2013 jedoch oberhalb des von der WHO vorgeschlagenen Luftgüteleitwertes von 20 μg/m3 im Jahresmittel.1) 1)

Dauert, U.; Feigenspan, S.; Minkos, A.; Langner, M.: Hintergrund//Januar 2015 – Luftqualität 2014 – Vorläufige Auswertung, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau 2015 — Broschüre, ISSN 2363-829X.

398

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

45 40 35

μg/m³

30 25 20 15 10 5 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 ländlicher Hintergrund

städtischer Hintergrund

städtisch verkehrsnah

Bild 1.6.10-4. Entwicklung der PM10-Jahresmittelwerte im Mittel über die Stationsklassen „ländlicher Hintergrund“, „städtischer Hintergrund“ und „städtisch verkehrsnah“ im Zeitraum 2000 bis 2014. *) *)

Dauert, U.; Feigenspan, S.; Minkos, A.; Langner, M.: Hintergrund//Januar 2015 – Luftqualität 2014 – Vorläufige Auswertung, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau 2015 — Broschüre, ISSN 2363-829X.

Für die noch kleineren Partikel PM2,5 gilt seit 2008 europaweit ein Zielwert von 25 μg/m3 im Jahresmittel, der bereits seit dem 1. Januar 2010 eingehalten werden soll. Ab 1. Januar 2015 ist dieser Wert verbindlich einzuhalten und ab dem 1. Januar 2020 dürfen die PM2,5Jahresmittelwerte den Wert von 20 μg/m3 nicht mehr überschreiten.1)

1.6.10-5.4 Emissionsgrenzwerte für genehmigungsbedürftige Anlagen Emissionsgrenzwerte im Anwendungsbereich der TA-Luft für feste Brennstoffe liegen für Gesamtstaub einschließlich Feinstaub bei einem Massenstrom von 0,20 kg/h oder einer Massenkonzentration von 20 mg/m3. Wird der Staubmassenstrom von 0,20 kg/h eingehalten, so darf die Massenkonzentration 0,15 g/m3 nicht überschreiten. Für Stäube mit besonderen chemischen Komponenten gelten teilweise schärfere Anforderungen.2)

1.6.10-5.5 Emissionsgrenzwerte für nicht genehmigungsbedürftige Anlagen Tafel 1.6.10-2 und Tafel 1.6.10-3 zeigen Emissionsgrenzwerte aus der im Jahr 2010 novellierten 1. BImSchV für nicht genehmigungsbedürftige Feststofffeuerungen3). Die Grenzwerte in Tafel 1.6.10-2 werden wiederkehrend alle zwei Jahre von einem Schornsteinfeger überwacht. Für die Zulassung von Einzelraumfeuerungen für feste Brennstoffe sind erstmals CO- und Staubgrenzwerte in der Anlage 4 der 1. BImSchV festgelegt worden.

1) 2) 3)

EU-RICHTLINIE 2008/50/EG vom 21. Mai 2008 über Luftqualität und saubere Luft für Europa, Amtsblatt der Europäischen Union. Umweltbundesamt Berlin: Luftreinhaltung – Leitfaden zur Emissionsüberwachung. UBA Texte 05/08, Forschungsbericht 360 16 004 UBA-FB 001090, 2. überarbeitete Auflage, August 2008. Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen vom 26. Januar 2010 (BGBl. I S. 38), die durch Artikel 77 der Verordnung vom 31. August 2015 (BGBl. I S. 1474) geändert worden ist.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

399

Tafel 1.6.10-2 Grenzwerte nach § 5 der 1. BImSchV vom 26. Januar 2010 für Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe mit Ausnahme von Einzelraumfeuerungsanlagen; die Brennstoffnummern sind wie folgt zugeordnet: 1 – Steinkohle, 2 – Braunkohle, 3 – Torf, 3a – Holzkohle, 4 – naturbelassenes stückiges Holz, 5 – naturbelassene Späne, Sägemehl und Rinde, 5a – Pellet, 6 – behandeltes Holz, 7 – Sperrholz und Spanplatten, 8 – Stroh, 13 – sonstige nachwachsende Rohstoffe mit spez. Anforderungen. Kohlenmonoxid-Konzentration (CO) und Staub sind auf 13 Vol.-% O2 bezogen. *)

Stufe 1: Anlagen, die ab dem 22.03.2010 errichtet werden

Brennstoff nach § 3 Absatz 1

Nennwärmeleistung (kW)

Staub (g/m3)

CO (g/m3)

Nummer 1 bis 3a

≥ 4 ≤ 500

0,09

1,0

> 500

0,09

0,5

≥ 4 ≤ 500

0,10

1,0

> 500

0,10

0,5

≥ 4 ≤ 500

0,06

0,8

> 500

0,06

0,5

≥ 30 ≤ 100

0,10

0,8

> 100 ≤ 500

0,10

0,5

> 500

0,10

0,3

Nummer 8 und 13

≥ 4 < 100

0,10

1,0

Nummer 1 bis 5a

≥4

0,02

0,4

Nummer 6 bis 7

≥ 30 ≤ 500

0,02

0,4

> 500

0,02

0,3

≥ 4 < 100

0,02

0,4

Nummer 4 bis 5

Nummer 5a

Nummer 6 bis 7

Stufe 2: Anlagen, die nach dem 31.12.2014 errichtet werden

Nummer 8 und 13 *)

Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen vom 26. Januar 2010 (BGBl. I S. 38), die durch Artikel 77 der Verordnung vom 31. August 2015 (BGBl. I S. 1474) geändert worden ist.

Die Einhaltung dieser Grenzwerte in Tafel 1.6.10-3 wird einmalig im Rahmen einer Typprüfung der Einzelraumfeuerungsanlage von einem Prüfinstitut ermittelt.

1

400

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Tafel 1.6.10-3 Grenzwerte nach Anlage 4 der 1. BImSchV vom 26. Januar 2010 für die Typprüfung von Einzelraumfeuerungsanlagen für feste Brennstoffe; Kohlenmonoxid-Konzentration (CO) und Staub sind auf 13 Vol.-% O2 bezogen. *) Stufe 1: Errichtung ab dem 22.03.2010

Stufe 2: Errichtung nach dem 31.12.2014

Errichtung ab dem 22.03.2010

Feuerstättenart

Technische Regeln

CO [g/m3]

Staub [g/m3]

CO [g/m3]

Staub [g/m3]

Mindestwirkungsgrad [%]

Raumheizer mit Flachfeuerung

DIN EN 13240 (Ausgabe 10-2005) Zeitbrand

2,0

0,075

1,25

0,04

73

Raumheizer mit Füllfeuerung

DIN EN 13240 (Ausgabe 10-2005) Dauerbrand

2,5

0,075

1,25

0,04

70

Speichereinzelfeuerstätten

DIN EN 15250/A1 (Ausgabe Juni 2007)

2,0

0,075

1,25

0,04

75

Kamineinsätze (geschlossene Betriebsweise)

DIN EN 13229 (Ausgabe Oktober 2005)

2,0

0,075

1,25

0,04

75

Kachelofeneinsätze mit Flachfeuerung

DIN EN 13229/A1 (Ausgabe Oktober 2005)

2,0

0,075

1,25

0,04

80

Kachelofeneinsätze mit Füllfeuerung

DIN EN 13229/A1 (Ausgabe Oktober 2005)

2,5

0,075

1,25

0,04

80

Herde

DIN EN 12815 (Ausgabe September 2005)

3,0

0,075

1,50

0,04

70

Heizungsherde

DIN EN 12815 (Ausgabe September 2005)

3,5

0,075

1,50

0,04

75

Pelletöfen ohne Wassertasche

DIN EN 14785 (Ausgabe September 2006)

0,40

0,05

0,25

0,03

85

Pelletöfen mit Wassertasche

DIN EN 14785 (Ausgabe September 2006)

0,40

0,03

0,25

0,02

90

*)

Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen vom 26. Januar 2010 (BGBl. I S. 38), die durch Artikel 77 der Verordnung vom 31. August 2015 (BGBl. I S. 1474) geändert worden ist.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

401

1.6.10-5.6 Zulassungsverfahren für Staubmessgeräte Es gibt zahlreiche unterschiedliche Messverfahren zur direkten aber auch indirekten Ermittlung der Massenkonzentrationen zur Überwachung im täglichen Anlagenbetrieb. Die Anlagenbetreiber haben bei verbindlichen Messungen einen Anspruch auf Gleichbehandlung und wollen vor ungerechtfertigten Folgen geschützt sein. Daher ist die Zuverlässigkeit und Robustheit sowie die rechtssichere Richtigkeit der Ergebnisse dieser unterschiedlichen Messprinzipien und -geräte von großer Bedeutung. In den letzten Jahren wurden neue Anforderungen zur Qualitätssicherung der Messungen entwickelt, erprobt und in die Praxis eingeführt. Die Emissionsüberwachung genehmigungsbedürftiger Anlagen, wie Großfeuerungsanlagen, Abfallverbrennung etc., wird in den Texten „05/08 Luftreinhaltung, Leitfaden zur Emissionsüberwachung“1) des Umweltbundesamtes, zusammengefasst. Dort werden auch die Eignungsprüfung der Messeinrichtung und das Bekanntgabeverfahren für die Großanlagen erläutert. Je nach Anwendungsbereich gibt es vorgegebene Prüfpläne zur Durchführung der Prüfung. Für kontinuierliche Emissionsmessgeräte sind diese in den Richtlinien VDI 4203 dargestellt2). Mindestanforderungen und Prüfpläne für neue mobile Staubmessgeräte im Anwendungsbereich nicht genehmigungsbedürftiger Kleinfeuerungsanlagen der 1. BImSchV sind in der Richtlinie VDI 4206 Blatt 2 definiert.3) In der Regel beauftragt ein Messgerätehersteller ein zugelassenes Prüfinstitut mit der Durchführung einer Eignungsprüfung für ein neues Emissionsmessgerät. Wird der Prüfbericht des Prüfinstituts dann von einer Expertengruppe positiv bewertet, so veranlasst das Umweltbundesamt eine entsprechende Bekanntgabe im amtlichen Teil des Bundesanzeigers. Um nicht innovationshemmend zu sein, schreibt der Verordnungsgeber in den Prüfplänen und -vorschriften bewusst kein bestimmtes physikalisches Messprinzip in den Mindestanforderungen exakt vor. Es wird ein Nachweis der Gleichwertigkeit der Messwertanzeige mit einem anerkannten Standardreferenzverfahren verlangt. Bei fast allen zugelassenen Staubmessverfahren für Emissionsmessungen bildet die manuelle Staubmessung nach der Richtlinie VDI 2066 Blatt 1 das grundlegende Standardreferenzverfahren SRV in den Prüfplänen. Eventuelle Abweichungen davon, z. B. bei der Filterbehandlung oder der Probenahmedauer zur Anpassung an das zu prüfende Verfahren, sind in den Prüfplänen beschrieben.

1.6.10-5.7 Staubmessung mit dem Standardreferenzverfahren nach VDI 2066 Die Richtlinie VDI 2066 Blatt 1 in der Ausgabe 2006 beschreibt ein diskontinuierliches manuelles Staubmessverfahren zur Bestimmung der Staubmassenkonzentration in strömenden Abgasen.4) Dabei wird in vier Einsatzbereiche unterschieden: – Einsatzbereich A: Reingas mit Konzentrationen bis 50 mg/m3 – Einsatzbereich B: Reingas mit Konzentrationen bis 150 mg/m3 – Einsatzbereich C: Zwischengas mit Konzentrationen bis 2 g/m3 – Einsatzbereich D: Rohgas, z. B. bis 100 g/m3 Der Einsatzbereich A ist konform zur DIN EN 13284-1, die für europäische Grenzwerte zwingend angewendet werden muss.5) Die Probenahmedauer einer Einzelmessung beträgt in der Regel eine halbe Stunde. Abweichungen von dieser Messvorschrift werden in den Prüfplänen zur Eignungsprüfung neuer Staubmessgeräte beschrieben. Das grundsätzliche Verfahren beruht auf einer isokinetischen Probenahme von Staubpartikeln entweder im Kernstrom oder als Netzmessung im Abgas. Der partikelbeladene Teilstrom wird anschließend auf ein Filterelement geleitet, auf dem sich die Partikel ab1) 2) 3)

4) 5)

Umweltbundesamt Berlin: Luftreinhaltung – Leitfaden zur Emissionsüberwachung. UBA Texte 05/08, Forschungsbericht 360 16 004 UBA-FB 001090, 2. überarbeitete Auflage, August 2008. VDI 4203 Blatt 1 bis 4 „Prüfpläne für automatische Messeinrichtungen“. VDI 4206 Blatt 2 „Mindestanforderungen und Prüfpläne für Messgeräte zur Überwachung der Emissionen an Kleinfeuerungsanlagen – Messgeräte zur Ermittlung von partikelförmigen Emissionen“, 02-2015. VDI 2066 Blatt 1 „Messen von Partikeln – Staubmessungen in strömenden Gasen – Gravimetrische Bestimmung der Staubbeladung“, 11-2006. DIN EN 13284-1 „Emissionen aus stationären Quellen – Ermittlung der Staubmassenkonzentration bei geringen Staubgehalten – Teil 1: Manuelles gravimetrisches Verfahren“, 04-2002.

1

402

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

scheiden. Zur Vermeidung von Kondensat muss bei einer Out-Stack-Messung die Probenahmevorrichtung bis zum Filter über den Taupunkt beheizt werden. Liegt die Abgastemperatur oberhalb des Taupunkts und hat der Abgaskanal einen ausreichenden Querschnitt, so kann der Filter in Form einer In-Stack-Messung auch direkt im heißen Abgas beaufschlagt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Abscheidetemperatur nicht getrennt konstant eingestellt werden kann, sondern von einer eventuell schwankenden Abgastemperatur abhängt. Besonders bei größeren Partikeln ist eine isokinetische Probenahme notwendig, um eine Entmischung an der Sondenöffnung und damit eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden. Kleinere Partikel können den Stromlinien mit annähernd gasförmigem Verhalten folgen. Das Bild 1.6.10-5 verdeutlicht, dass nur bei der isokinetischen Probenahme im Fall A große und kleine Partikel ausgewogen in die Sondenöffnung gelangen. Im Fall B wird unterkinetisch abgesaugt, wobei die großen Partikel den Stromlinien vor der Sondenspitze nicht mehr folgen können und so zu einem Mehrbefund führen können. Im Fall C begründet der Vorbeiflug der großen Partikel an der Sonde einen Minderbefund.1) Fall A

Fall B

Fall C

Absauggeschwindigkeit richtig

Absauggeschwindigkeit zu klein

Absauggeschwindigkeit zu groß

kleine Partikel

Strömungsrichtung

große Partikel

Bild 1.6.10-5. Fehlerprinzipien unterschiedlicher Absauggeschwindigkeiten; Fall A: isokinetisch (ausgewogen), Fall B: unterkinetisch (Mehrbefund), Fall C: überkinetisch (Minderbefund). *) *)

Umweltbundesamt Berlin: Luftreinhaltung – Leitfaden zur Emissionsüberwachung. UBA Texte 05/08, Forschungsbericht 360 16 004 UBA-FB 001090, 2. überarbeitete Auflage, August 2008.

Die Einstellung einer isokinetischen Absauggeschwindigkeit an der Sondenöffnung erfolgt manuell oder mit Hilfe einer automatischen Volumenstromregelung. Als Sensor zur Messung der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit im Abgaskanal kann z. B. eine temperaturkorrigierte Staudrucksonde verwendet werden, siehe auch Komponente 3 in Bild 1.6.10-6. Als Abscheideeinrichtung für Partikel wird für die Messung geringer Staubgehalte nach DIN EN 13284-1 ein Planfilter verwendet. Die Filterdurchmesser für die In-Stack-Probenahme liegen bei ca. 50 mm und für die Out-Stack-Probenahme zwischen 50 und 150 mm. Für die Messung höherer Staubgehalte wird ein Filterkopfgerät verwendet. Es enthält als Abscheideeinrichtung eine mit Quarzwatte gestopfte Filterhülse. Die Nachweisgrenze des Verfahrens kann durch Nachschalten eines Planfilters zusätzlich verbessert werden. Das partikelfreie Gas des Teilstroms wird dann getrocknet und anschließend das abgesaugte Probengasvolumen z. B. mit einer Gasuhr bestimmt. Zur späteren Normierung des Volumens werden Temperatur und Druck am Gasmengenmesser erfasst. Zur Einstellung des für die isokinetische Absaugung erforderlichen Volumenstromes ist eine ent1)

Umweltbundesamt Berlin: Luftreinhaltung – Leitfaden zur Emissionsüberwachung. UBA Texte 05/08, Forschungsbericht 360 16 004 UBA-FB 001090, 2. überarbeitete Auflage, August 2008.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

403

sprechende Regeleinrichtung des Volumenstroms notwendig. Die im Filterelement abgeschiedene Partikelmasse wird dann ins Verhältnis zur abgesaugten Teilstrommenge gesetzt.

4

5

2

6

3

7

9

1

1 8

1 Entnahmesonde 2 Filtergehäuse 3 Staudrucksonde 4 Temperatursonde 5 Temperaturanzeige 6 Messgerät für stat. Druck 7 Messgerät für dyn. Druck 8 Absaugrohr 9 Trocknungseinrichtung 10 Absaugaggregat (ITES) 11 Druckmessgerät

10

11

Bild 1.6.10-6. Beispiel einer Out-Stack-Probenahme mit Planfilterkopf nach VDI 2066 Blatt 1 *). *)

VDI 2066 Blatt 1 „Messen von Partikeln – Staubmessungen in strömenden Gasen – Gravimetrische Bestimmung der Staubbeladung“, 11-2006.

Bei diesem Standardreferenzverfahren nach VDI 2066 hat eine sorgfältige Vor- und Nachbehandlung der Filter eine hohe Auswirkung auf die Qualität des Messergebnisses. Bei der Vorbehandlung müssen die Messfilter bis zur Gewichtskonstanz ausgeheizt werden. Dazu befinden sich die Filter typischerweise mindestens 1 h bei 180 °C im Trockenschrank. Je nach Maximaltemperatur des Filtermaterials bzw. nach Vorgaben im jeweiligen Prüfplan bei einer Eignungsprüfung kann davon abgewichen werden. Vor der Wägung soll das Filtermaterial mindestens 8 h auf Raumtemperatur abkühlen. Damit dabei nicht Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufgenommen wird, geschieht dies im Exsikkator mit einem Trockenmittel. Dann erfolgt das Einwiegen des Filters mit einer Laborwaage, die eine Auflösung zwischen 0,01 mg und 0,1 mg aufweisen soll. Nach der Probenahme wird der Filter vor dem Auswiegen erneut ausgeheizt (typisch bei 160 °C) und abgekühlt. Nach der folgenden Gleichung kann dann die entsprechende Staubmassenkonzentration ermittelt werden. m Filter,Aus – m Filter,Ein C Gesamtstaub = ------------------------------------------------V Teilstrom,tr.N mit CGesamtstaub mFilter,Aus mFilter,Ein VTeilstrom,tr.N

Gesamtstaubkonzentration Masse des Filters beim Auswiegen Masse des Filters beim Einwiegen abgesaugtes Gasvolumen im Normzustand, trocken

Zur Steigerung der Messgenauigkeit werden in der VDI 2066 zusätzlich ein Spülverfahren und der Einsatz von Kontrollfiltern (Blindwerte) beschrieben. Das Spülverfahren erfasst die an den inneren Oberflächen der Sonde vor dem Filter abgeschiedenen Aerosole durch das Wiegen einer eingedampften Spülflüssigkeit. Masseverluste am Filter durch Vor- und Nachkonditionierung werden durch die Ein- und Auswägung unbeprobter Kontrollfilter bestimmt und entsprechend berücksichtigt. Wird zeitgleich zur Staubprobenahme auch die mittlere Sauerstoffkonzentration im Abgas ermittelt, so kann das Ergebnis noch auf einen Bezugssauerstoffwert (z. B. 13 Vol.-%) nach folgender Gleichung bezogen werden.

404

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

21 – C O2,Bezug C Gesamtstaub,13% O2 = C Gesamtstaub,realO2 ⋅ --------------------------------21 – C O2,real mit CGesamtstaub,13% O2 CGesamtstaub,realO2 CO2,Bezug CO2,real

Gesamtstaubkonzentration bei 13 % O2 Gesamtstaubkonzentration bei nat. O2 Bezugssauerstoffkonzentration (z. B. 13 %) Sauerstoffkonzentration im Abgas

Die nachfolgende Tafel 1.6.10-4 zeigt typische Verfahrenskenngrößen wie Standardabweichung, interne Unsicherheit und Reproduzierbarkeit aus zeitgleichen, aufeinander folgenden Doppelbestimmungen mit zwei baugleichen Geräten. Tafel 1.6.10-4 Typische Verfahrenskenngrößen für Filtertyp A (Planfilter mit 50 mm Durchmesser) aus Halbstundenmittelwerten. *) Anlagen- Filter- StaubAnzahl Mitttyp typ gehalts- der lerer bereich MessStaubwerte- gehalt c c paare in in n mg/m3 mg/m3

Standardabweichung SD in mg/m3

Interne Unsicherheit u0,95 in mg/m3

Reproduzierbarkeit RD bezogen auf

Staubtest- A kanal

w) während des Übergangs von einem Beharrungszustand nach einer Änderung der Stör- oder Führungsgröße. – Die Unterschwingweite der Regelgröße ist die größte vorübergehende positive Sollwertabweichung (x < w) während des Übergangs von einem Beharrungszustand nach einer Änderung der Stör- oder Führungsgröße nach der Anregelzeit.

1.7.3-3

Analoge Regelsysteme

Konventionelle Automatisierungssysteme verarbeiten analoge Signale in fest verdrahteten Geräten wie Steuergeräten, Reglern, Grenzwertmeldern, Schutzschaltern, Zeitprogrammschaltern oder Anzeigeinstrumenten. Jedes dieser Geräte oder Hardwareeinheiten kann normalerweise nur eine Aufgabe (Funktion) ausführen. Es handelt sich dabei um völlig dezentrale Systemstrukturen mit einem hohen Planungsaufwand und hohen Kabelkosten. Nach der Installation ist man relativ unflexibel, da eine Änderung oder Ergänzung einer Funktion meist mit einer Hardwareänderung verbunden ist (Bild 1.7.3-2). Eine Klassifizierung der Reglerarten erfolgt üblicherweise anhand der Ausgangsgröße des Reglers (= Stellgrößenverlauf). Man unterscheidet dabei 3 Gruppen: – Unstetige Regler – Stetige Regler – Quasi-stetige Regler Jede dieser Reglerarten unterteilt sich wiederum in Regler ohne Hilfsenergie und Regler mit Hilfsenergie (s. Abschn.1.7.3-1.1 und 1.7.3-1.2).

1.7.3 Regeleinrichtungen

433

1 Bild 1.7.3-2. Analoges Regelsystem.

1.7.3-3.1

Unstetige Regler1)

Schaltende Regler ändern ihre Ausgangsgröße stufenweise. Sie werden daher auch in der Literatur als „unstetige Regler“ oder „Stufenregler“ bezeichnet. Eine Einteilungsmöglichkeit bei unstetigen Reglern ist durch die unterschiedliche Anzahl der Schaltpunkte gegeben. Es gibt Zweipunkt-, Dreipunkt- und Mehrpunktregler. Das Verhalten von schaltenden Elementen wird mit Hilfe von Kennlinien beschrieben. 1.7.3-3.1.1 Zweipunktregler Bei einem Zweipunktregler kann die Stellgröße y nur zwei Zustände einnehmen, aus (0) oder ein (1). Diese Regler bestehen aus Fühler, Schalter und Sollwertsteller. Die Fühler für die Temperatur sind in der Regel Bimetalle oder Federrohre mit Flüssigkeitsfüllung (z.B. Petroleum) oder Flüssiggasfüllung (z.B. Butan) oder Kontaktthermometer. Bild 1.7.3-3 zeigt die Kennlinie eines Zweipunktreglers ohne (a) und mit Schalthysterese (b). Als Schalthysterese (kurz Hysterese) oder Schaltdifferenz XSd bezeichnet man die Differenz zwischen Ausschaltpunkt x2 und Einschaltpunkt x1.

Bild 1.7.3-3. a) Zweipunktregler ohne Hysterese, b) Zweipunktregler mit Hysterese.

Ein Zweipunktregler ohne Hysterese schaltet exakt beim vorgegebenen Sollwert w. Das Stellglied kann nur zwei Stellungen einnehmen, z.B. bei einer elektrischen Heizung Strom „ein“ oder „aus“, so dass die Regelgröße dauernd zwischen zwei Werten pendelt. Bei kleinen Abweichungen der Regelgröße x vom Sollwert würde das Stellglied beim Zweipunktregler ohne Hysterese ständig ein- und ausgeschaltet. Eine Regelung mit solch einem Regler würde zwar die Regelgenauigkeit erhöhen, hätte aber eine große Belastung der Stelleinrichtungen zur Folge. Daher verwendet man Zweipunktregler mit Hysterese. Genau entgegengesetzt verhält es sich dann mit einer sehr großen Schaltdifferenz. Diese „schont“ zwar das Stellglied, aber das Regelergebnis verschlechtert sich.

1)

Pfannstiel, D.: Aufbau und Funktionsweise adaptiver Zweipunktregler – Teil I. MSR-Magazin, (1991), Nr. 3/4. Pfannstiel, D.: Aufbau und Funktionsweise adaptiver Zweipunktregler – Teil II. MSR-Magazin, (1991), Nr. 5/6. Zeitz, K. H.: Regelung mit Zwei- und Dreipunktreglern. Oldenbourg Verlag, München 1986.

434

1. Grundlagen / 1.7 Regelungstechnische Grundlagen

Beispiele für Zweipunktregler sind die in der Heizungstechnik eingesetzten Thermostate. Diese Zweipunktregler sind Regler ohne Hilfsenergie und man unterscheidet hierbei entsprechend der Ausführung zwischen Temperaturregler (TR), Temperaturwächter (TW) und Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB). Beispiel: Zweipunktregler mit Kapillarrohrfühler (Bild 1.7.3-4). Das dazugehörige zeitliche Regelverhalten im Regelkreis ist in Bild 1.7.3-5 dargestellt. Das bei Thermostaten für die Wärmetechnik am häufigsten verwendete Fühlerprinzip ist der Kapillarrohrfühler. Die große Anwendungsbreite des Kapillarrohrfühlers begründet sich darin, dass die biegsame Kapillare eine ortsgetrennte Montage von Fühler und Schaltwerk erlaubt. Dies trifft z.B. bei der Heizungsregelung zu, wo das Schaltwerk in der Regelung angeordnet ist und die Kapillare in der Kesseltauchhülse zur Temperaturerfassung montiert ist. Fühler, Kapillare und Membrandose bilden dabei ein geschlossenes System, das ein Ausdehnungsmedium enthält. Als Ausdehnungsmedien für Kapillarrohrfühler werden meist verwendet: – Öl, – Wasser-Alkohol-Verbindungen, – Wasser-Aceton-Verbindungen, – Wasser-Glykol-Verbindungen, – Verdampfungsflüssigkeiten. Bei steigender Fühlertemperatur erhöht sich das Volumen der Ausdehnungsflüssigkeit. Die temperaturbedingten Volumenänderungen des Ausdehnungsmediums bewirken über eine Membrane den notwendigen Hub. Die Membrane wiederum wirkt als Betätigungselement für den Schalter. In der Mitte der Membrane befindet sich der Stürzel, der auf das Schaltwerk wirkt. Der zur Schaltung notwendige Membranhub hängt dabei von der Sollwerteinstellung ab. Bemerkenswert ist dabei, dass eine Temperaturänderung von 100 K (z.B. von 20 °C auf 120 °C) über die Volumenänderung des Ausdehnungsmediums zu einem Hub der Membrane um ca. 400 μm (= 0,4 mm) führt. Das heißt, eine Temperaturänderung von 1 K bewegt die Membrane nur um ca. 4 μm (= 0,004 mm). Bild 1.7.3-4. Schema eines mechanischen Temperaturreglers.

Bild 1.7.3-5. Zeitverhalten des Zweipunktreglers im Regelkreis.

Im Regelkreis führt die unstetige Arbeitsweise des Zweipunktreglers zu Schwankungen der Regelgröße x um einen Mittelwert. Bei der Temperaturregelung ergibt sich bei mittlerer Belastung (Einschaltzeit = Ausschaltzeit) und konstanter Schaltdifferenz (xd 80% leistung stark abhängig vom Filtermedium > 90% > 99% > 99,9% > 99%

Taschenfilter < 100000 Patronenfilter Kassettenfilter Lamellenfilter

ElektriTrockener sche E-Filter Abscheider VDI 3678 Nass-E-Filter Blatt 1

*)

< 20 g/m3 < 5 g/m3 < 5 g/m3 < 20 g/m3

< 500000 90%

Gute Abschei- 90–98% dung von Feinstäuben < 5μm, Reingaskonzentration stark von der Rohgaskonzentration abhängig

VDI 3802 Blatt 2 „Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten“, 1998-12 — auditiert 07.2003, letzte Überarbeitung Juli 2010.

1.9.3-3

473

Abgasbehandlung

In den meisten europäischen Ländern gehören Abscheider für Staub, NOx und SO2 zur Standardausrüstung von Kohlekraftwerken. Beim Einsatz fester Brennstoffe müssen zur Gewährleistung der Grenzwerte für staubförmige Luftverunreinigungen Gewebe- und Elektrofilter eingesetzt werden; in Ausnahmefällen, wie bei der Verbrennung pflanzlicher Abfälle (Zuckerrohr, Nussschalen u. ä.), kann durch Zyklone die gewünschte Entstaubungsleistung erreicht werden. Die Entwicklung der Entstaubungstechnik tendiert zur gleichzeitigen Abscheidung von gas- und staubförmigen Verunreinigungen, zur Reinigung bei hohen Temperaturen und

474

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

zur selektiven Abscheidung, um eine Verwertung des abgeschiedenen Materials zu ermöglichen. In letzter Zeit werden auch Gasreinigungsanlagen mit integrierter Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen installiert und damit eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erreicht. Eine Reduzierung des umbauten Raumes wurde mit der Konstruktion von sogenannten Kompaktfiltern mit plissierten Filtermaterialien möglich. Mit filternden Abscheidern können Reingasstaubgehalte von 1,0 mg/m3 bei Abgastemperaturen von ca. 250 °C erreicht werden; bei hohen Rohgasstaubkonzentrationen sollte in den filternden Abscheidern ein Vorabscheider eingebaut werden (Kroh = 15 g/m3). Einen Systemvergleich von verschiedenen Staubabscheidern gibt Tafel 1.9.3-3. Die Steigerung der Energieeffizienz der filternden Abscheider erfolgt einerseits durch die Entwicklung von neuen Filtermaterialien mit angepassten Abreinigungszyklen, durch Weiterentwicklung des Abreinigungsprozesses durch höhere Abreinigungsintensitäten und angepassten Abreinigungsgasdruck sowie durch Schaffung von Abscheidern für höhere Betriebsdrücke.1), 2) Durch Einbringung von Hilfsstoffen lassen sich Schwefeldioxid, Chlorverbindungen und Schwermetalle gemeinsam mit dem Staub abscheiden. Ähnlich günstige Abscheideleistungen werden mit Schüttschichtfiltern erreicht; diese Abscheider werden mit einer Temperaturbeständigkeit von 1000 °C angeboten. Für die Rauchgasentschwefelung haben sich in den letzten Jahren drei Verfahren durchgesetzt, die in nahezu 90 % der Kraftwerke eingesetzt sind und Abscheidegrade von über 95 % ermöglichen. – Bei trockenen Verfahren wird die Abscheidung von SO2 durch die Durchströmung einer Aktivkohleschicht erreicht. Die nachfolgende Regenerierung der Aktivkohle ermöglicht eine Wiedergewinnung des Schwefeldioxids und Weiterverarbeitung zu Schwefel oder Schwefelsäure (Bergbau-Forschungs-Verfahren). Werden nur geringe Abscheideleistungen gewünscht, kann auch das trockene Kalkstein-Additiv-Verfahren eingesetzt werden (Prinzipskizze Bild 1.9.3-1).

Bild 1.9.3-1. Prinzip der trockenen Rauchgasentschwefelung mit Kalkstein.

– Bei halbtrockenen Verfahren wird die aufbereitete Waschflüssigkeit in den Rauchgasstrom vor dem Abscheider eingedüst und der Gesamtstaub mit filternden Abscheidern abgeschieden. Bei dem sogenannten Walther-Verfahren wird durch den Einsatz von Ammoniak Düngemittel gewonnen. – Bei Nassverfahren werden die Rauchgase mit kalkhaltigen Umlaufflüssigkeiten in Wäschern in Berührung gebracht und Gips (CaSO4) gewonnen, der Baustoffqualität besitzt (Saarberg-Hölter- oder Bischoff-Verfahren). Der in Steinkohlekraftwerken erzeugte Entschwefelungsgips entspricht in der chemischen Zusammensetzung und dem Gehalt an Spurenelementen dem Naturgips.3) Der in Braunkohlekraftwerken anfallende Gips wird wegen störender Beimengungen häufig noch auf Deponien (Tage1) 2)

3)

Neuhaus, T. et al.: Steigerung der Energieeffizienz in der industriellen Gasreinigung durch optimierte Oberflächenfiltration. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 70 (2010), Nr. 6, S. 231–236. Heidenreich, S. et al.: Untersuchungen zur Leistung der Abreinigung durch Coupled Pressure Puls (CPP) für Oberflächenfilter bei hohen Betriebsdrücken. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 70 (2010), Nr. 6, S. 237–241. Thien, P.; Wirsching, F.: Veredelung von Rückständen der Rauchgasentschwefelung. Glückauf 127 (1991), Nr. 19/20, S. 849–905.

1.9.3 Maßnahmen zur Begrenzung von Schadstoffemissionen im Energiesektor

baurestlöchern) abgelagert. Eine Intensivierung der Oxidation von Kalziumsulfid zu Gips wird durch ein Rührwerk mit zusätzlicher Luftverteilung im Wäschersumpf erreicht.1) Im Gegensatz zu den erstgenannten Verfahren müssen beim Einsatz von Nassverfahren die gereinigten Rauchgase überwiegend wieder aufgeheizt werden. Die Alternative dazu ist der „nasse“ Schornstein.2) Der notwendige Korrosionsschutz erfordert erhebliche Mehraufwendungen.3) Ein Schema der nassen Rauchgasentschwefelung zeigt Bild 1.9.3-3. Bei den Waschverfahren werden als Waschmedien Aminlösungen oder Ammoniaklösungen eingesetzt.1), 2), 3) Für die Abscheidung von Fluor und Chlor aus Rauchgasen haben sich Nassabscheider ebenfalls bewährt, es werden nahezu gleiche Abscheideleistungen wie für Schwefeldioxid erreicht. Zur Entstickung von Rauchgasen können als preisgünstige Lösung das nichtkatalytische Verfahren (SNCR-Verfahren) mit NH3-Zugaben bei mittleren Rauchgastemperaturen von 800…950°C oder das katalytische Verfahren (SCR-Verfahren) mit Ammoniakzugaben bei Rauchgastemperaturen von 250…350 °C eingesetzt werden. Alternativ zur Ammoniakdosierung wird auch Harnstoff oder Gülle genutzt. Das Prinzip eines SCRReaktors zeigt Bild 1.9.3-2.

Bild 1.9.3-2. Prinzip des SCR-Reaktors mit integriertem regenerativen Wärmetauscher (System Linde).

Anstelle von Katalysatoren können auch Aktivkohlefestbettfilter benutzt werden. Diese Filter werden bei niedrigen Temperaturen betrieben (Selbstentzündungsgefahr) und ermöglichen gleichzeitig die Abscheidung von sauren und organischen Schadstoffen. Abgasreinigungen unter 200 mg/m3 sind üblich.

Bild 1.9.3-3. Prinzip der nassen Rauchgasentschwefelung.

1) 2) 3)

Himmelsbach, W.: Steigerung der Effizienz von Rauchgasentschwefelungsanlagen. Wasser-LuftBetrieb (2010), Nr. 3, S. 90–91. Fenner, J.: Korrosionsschutz in Rauchgasentschwefelungsanlagen. VGB PowerTech (2008), Nr. 12, S. 115–119. Schwarz, G.; Müller, S.: 20 Jahre REA-Betrieb in Braunkohlenkraftwerken. VGB PowerTech (2008), Nr. 6, S. 80–83.

475

1

476

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Aufgrund der internationalen Vereinbarungen ist die Verringerung der CO2-Emission erforderlich. Im Bereich der Energieerzeugung kann diese Absenkung durch Verbesserung des Wirkungsgrades oder durch Abtrennung von CO2 aus den Rauchgasen erfolgen. Die Verwertung oder Lagerung des abgeschiedenen CO2 ist in den Folgejahren nutzungsreif zu entwickeln. Als aussichtsreiche Technologien der CO2-Reduzierung im Kraftwerksbereich werden genannt: CO2-Abscheidung aus Rauchgasen mittels Absorption, Brennstoffcarbonisierung und CO2-Anreicherung und -Abscheidung bei Verbrennung in Sauerstoff und rezirkuliertem CO2-Rauchgas (Oxyfuel-Verfahren).1) 2) 3)

1.9.3-4

Einsatz von regenerativen Energien

Zu diesen Energieträgern werden insbesondere die Wasserkraft, Geothermie, Biomasse, Wind- und Sonnenenergie gerechnet. Die Nutzung dieser regenerativen Energien ist in den letzten Jahren deutlich erhöht worden (s. Tafel 1.9.3-2 Primärenergieverbrauch). Mit der am 01.08.2014 in Kraft getretenen Überarbeitung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) beabsichtigt die Bundesregierung den Ausbau der erneuerbaren Energien deutlich zu steigern. Beim Bruttostromverbrauch soll der Anteil der erneuerbaren Energien von 25,3 % im Jahr 2013 auf 40–45 % im Jahr 2025, auf 55–60 % im Jahr 2035 und im Jahr 2050 auf ca. 100 % gesteigert werden. Gleichzeitig soll der gesamte Stromverbrauch bis 2020 um 10 % und bis 2050 um 25 % gesenkt werden. Zur Umsetzung dieses Energiekonzepts sollen bis 2020 • die verstärkte Nutzung biogener Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle, • die Erneuerung veralteter Windenergieanlagen (Repowering) sowie die Planungssicherheit für offshore-Projekte, • die Installation von 2 CCS-Modellanlagen für die Abscheidung und Speicherung von CO2 realisiert werden. Der Einsatz von Wasserkraftanlagen im Kleinbereich ist insgesamt deutlich gestiegen, da deren Installation durch die Stromeinspeisungsvergütung gefördert wurde, stagniert aber in den letzten Jahren. Geothermische Anlagen zur Stromerzeugung besitzen in Deutschland ein großes Potenzial. Bis 2013 wurde eine Kraftwerksleistung von 24 MW installiert. Schätzungen gehen von einer Neuinstallation von 100 MW4) oder von 530 MW5) bis 2020 aus. 2013 waren in Deutschland insgesamt Windkraftwerke (landgebunden) mit einer Leistung von 33.757 MW installiert. Die Zielstellung der Bundesregierung mit der Neufassung der EEG ist ein jährlicher Netto-Zubau von 2500 MW. Einen deutlichen Anteil an dieser Zielstellung wird sicherlich durch Anlagenaustausch von veralteten Anlagen erreicht werden. Bei den Offshore-Windenergieanlagen ist derzeit eine Kapazität von 903 MW verfügbar, entsprechend der Zielstellung von der Bundesregierung soll eine Neuinstallation von 6500 MW bis 2020 und von 15000 MW bis 2030 erfolgen. Bei der Nutzung der Sonnenenergie ist 2013 36.337 MW Leistung zur Stromerzeugung installiert. Die Zielstellung der Bundesregierung geht von einem jährlichen Brutto-Zubau von 2500 MW aus. Bei der Nutzung von Biomasse (fest oder gasförmig) werden von der Bundesregierung offensichtlich keine großen Steigerungsraten gesehen, denn bei einer installierten Leistung von 8.153 MW im Jahr 2013 wird die Zielstellung von einem Zuwachs von 100 MW (brutto) pro Jahr vorgegeben.6) 1) 2) 3) 4) 5)

Göttlicher, G.: Entwicklungsmöglichkeiten der CO2-Rückhaltung in Kraftwerken aus thermodynamischer Sicht. Chemie Ingenieur Technik 78 (2006), Nr. 4, S. 407–412. Rolker, J.; Arlt, W.: Abtrennung von Kohlendioxid aus Rauchgasen mittels Absorption. Chemie Ingenieur Technik 78 (2006), Nr. 4, S. 416–424. Hassa, R.: Stand der Abtrennung von CO2 aus fossil befeuerten Kraftwerken. VGB PowerTech (2008), Nr. 6, S. 28–30. Elektrische Energieversorgung 2020. VDE/ETG Studie 03/2005 oder VDE/ETG Arbeitsgebiet V1 Erzeugung, Geothermische Kraftwerke, Frankfurt, 21.02.2007. Nitsch; Staiß; Wenzel; Fischedick: Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor bis 2020. Untersuchung im Auftrag des BMU, 12/2005.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

Kostengünstige Energieträger aus Biomasse stellen Holzhackschnitzel dar, wenn diese als Holzabfälle aus der Industrie und aus Restholz von Baumkronen anfallen. Bei BiomasseHeizwerken kann die anfallende Asche als hochwertiger Mineraldünger in Kompostieranlagen eingesetzt werden. Durch die relativ geringe Energiedichte der Biomasse erfolgt die Verwertung in dezentralen Klein- oder Mittelanlagen, bei größeren Kraftwerkseinheiten wird derzeit die Erhöhung der Energiedichte durch eine in Entwicklung befindliche Schnellpyrolyse erprobt. Für die Rauchgasreinigung werden überwiegend einstufige konditionierte Trockensorptionsverfahren eingesetzt.1) Bei Müllverbrennungsanlagen sind durch die hohen Schadstofffrachten im Rauchgas zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte mehrstufige Rauchgasreinigungsanlagen – mehrstufige nasse Reinigungsstufen oder eine Kombination von nassen und trockenen Reinigungsstufen – erforderlich. Bei Einsatz von nassen Systemen ist zu berücksichtigen, dass in Deutschland thermische Abfallbehandlungsanlagen abwasserfrei betrieben werden müssen.2) Für die trockene Rauchgasreinigung wird die Trockensorption am Filterkuchen oder die konditionierte Trockensorption mit einem integrierten Flugstromreaktor eingesetzt.3) Bei der energetischen Verwertung von Biomassen spielt die Kombination von Rauchgasreinigung und Wärmerückgewinnung eine zunehmende Rolle und wird bereits großtechnisch erprobt. Für die Abgasreinigung wird die mehrstufige Nassreinigung (Nasselektrofilter oder Wäsche) einer mehrstufigen Trockengasreinigung nachgeschaltet. Die durch die Kondensation zurückgewonnene Nutzwärme kann bis zu 40% betragen und kann zur Vortrocknung des Verbrennungsproduktes oder mit externen Verfahrensschritten (z. B. Spänetrocknung für die Pelletierung) genutzt werden.4) Intensive experimentelle Untersuchungen und Umsetzung in großtechnischen Pilotanlagen erfolgen auf dem Gebiet des Einsatzes der Holzvergasung und von Biodiesel (Pflanzenölmethylester). Hinweise für die Planung, die Ausführung und den Betrieb von Biogasanlagen können aus VDMA 4330:2006-02 entnommen werden. Für die Rauchgasreinigung hinter holzbetriebenen Kaminöfen zur Abscheidung von Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen und Ruß wurden für einen Prototyp eines kompakten Katalysatorsystems auf der Basis von edelmetalldotierten Metallspänen die Leistungsparameter experimentell ermittelt.5) Ein besonderes Erfordernis bei der Schaffung von Energieerzeugungsanlagen aus regenerativen Energieträgern besteht in der Notwendigkeit der Installation von sogenannten Schattenkraftwerken, die kurzfristig auf die veränderten Bedingungen der Einspeisung in das Netz reagieren können, bzw. die Vorhaltung entsprechender Wärmespeicherkapazitäten. (Zusammenfassung zur Speichermöglichkeiten siehe Marx, R. u. a. „Saisonale Wärmespeicher – Bauarten, Betriebsweise und Anwendung“ Chem.-Ing.-Technik 83 (2011) 11, 1994–2001).

1.9.4

Rechtsgrundlagen

Eine Vielzahl derzeit geltender gesetzlicher Regelungen wurden in Folge der Harmonisierung innerhalb der Europäischen Gemeinschaft in den letzten Jahren neu erlassen bzw. verändert. In Zukunft ist durch entsprechende Verordnungen und Richtlinien der Europäischen Kommission zu erwarten, dass zu den gesetzlichen Regelungen der Gefahrenabwehr auch entsprechende Regelungen für Vorsorgeleistungen verabschiedet werden. Für Feuerungsanlagen und Brennstoffe gelten die nachstehend erläuterten Durchführungsverordnungen, die nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) der Luftreinhaltung dienen.

6) 1) 2) 3) 4) 5)

BMWi: Erneuerbare Energien in Zahlen. 10/2014. Karpf, R.: Welches Rauchgasreinigungsverfahren ist das richtige? VGB PowerTech (2008), Nr. 12, S. 107–114. Binnig, J.: Stand der Technik bei der Entstaubung von Müllverbrennungsanlagen. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 69 (2009), Nr. 5, S. 175–179. Epple, B.: Dampferzeuger und Kraftwerke. BWK 61 (2009), Nr. 4, S. 156–168. Rawe, R. et al.: Abgaswäsche – Wärmetauscher Für Brennwertnutzung und Entstaubung. HLH 58 (2007), Nr. 2, S. 32–38. Erich, E.; Brüning, F.: Minderung der Emission holzbetriebener Kleinfeuerungsstätten durch katalytische Nachverbrennung. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 68 (2008), Nr. 5, S. 183–188.

477

1

478

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

1.9.4-1

Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG – Gesetz zum Schutz vor Schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge vom 17.05.2013 (BGBl. I, S. 1274), zuletzt geändert durch Artikel 1 am 20.11.2014 (BGBl. I, S. 1740))

Das Gesetz ist ein Rahmengesetz und verfolgt das Ziel Menschen, Tiere und Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur- und sonstige Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu schützen und dem Entstehen schädlicher Umwelteinwirkungen vorzubeugen. Das Gesetz wurde seit seinem Inkrafttreten bis August 2015 mit 41 Durchführungsverordnungen untersetzt, wobei bis zum oben genannten Termin 6 Verordnungen zurückgezogen wurden.

1.9.4-2

Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes (1. BImSchV) vom 26.01.2010 – BGBl. I, S. 38)

Diese Verordnung gilt für die Errichtung, die Beschaffenheit und den Betrieb von Feuerungsanlagen, die keiner Genehmigung nach § 4 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes bedürfen. In § 3 werden die zugelassenen festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffe aufgelistet, dazu werden u. a. genannt: Stein- und Braunkohle mit einem Schwefelgehalt unter 1 %, Torf, Holz, Holzabfälle, Stroh und pflanzliche Stoffe, sowie Öle und Gase. Bei naturbelassenem Holz, Stroh und anderen nachwachsenden Rohstoffen soll der Feuchtigkeitsgehalt unter 20 % liegen. Bei Feuerungsanlagen einer Nennwärmeleistung von 4,0 kW und mehr schwanken die Emissionsgrenzwerte in Abhängigkeit des eingesetzten Brennstoffes und beziehen sich bei festen Brennstoffen auf ein Abgas mit einem Volumengehalt von Sauerstoff von 13 %. – Für feste Brennstoffe gilt: Anlagen, die nach dem • 22.03.2010 errichtet wurden Staub 0,06…0,10 g/m3 CO 0,3…1,0 g/m3 • 31.12.2014 errichtet wurden Staub 0,02 g/m3 CO 0,3…0,4 g/m3 – Für Öl- und Gasfeuerungsanlagen gilt: Heizöl EL nach DIN 51603-1 Heizwärmeleistung (kW) Emissionsgrenzwert NO2 mg/kWh kleiner 120 110 120…400 120 größer 400 185 – Für Gas aus dem öffentlichen Netz gilt: Heizwärmeleistung (kW) Emissionsgrenzwert NO2 mg/kWh kleiner 100 60 120…400 80 größer 400 120 Öl- und Gasfeuerungsanlagen mit einer Leistung von 10…20 MW dürfen nur errichtet und betrieben werden, wenn die nachfolgenden Emissionsgrenzwerte eingehalten werden: • Brennstoff: flüssig CO 80 mg/m3 Abgas NO2 180…250 mg/m3 je nach Betriebstemperatur • Brennstoff: gasförmig CO 80 mg/m3 Abgas NO2 100…150 mg/m3 je nach Betriebstemperatur Einzelraumfeuerungsanlagen für feste Brennstoffe dürfen nur betrieben werden, wenn für die Feuerstättenart vom Hersteller eine Typprüfung nachgewiesen werden kann und in dieser die Einhaltung des Emissionsgrenzwertes und des Mindestwirkungsgrades nach der Anlage 4 der Verordnung nachgewiesen wird.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

479

Weitere Festlegungen in dieser Verordnung beziehen sich auf – die messtechnische Überwachung der Anlage – die Ableitbedingungen der Abgase – die Anforderungen an die Durchführung der Messung im Betrieb – die Anforderungen für die Typprüfung.

1.9.4-3

Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV) vom 02.05.2013 (BGBl. I, S. 3756), zuletzt geändert durch Artikel 3 am 28.04.2015 (BGBl. I, S. 670)

Die Errichtung und der Betrieb der im Anhang dieser Verordnung aufgeführten Anlagen bedürfen einer Genehmigung. Das Genehmigungserfordernis erstreckt sich auf die zum Betrieb erforderlichen Anlagenteile und Verfahrenschritte sowie auf Nebeneinrichtungen, die für das Entstehen schädlicher Umwelteinwirkungen, die Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen oder das Entstehen sonstiger Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen von Bedeutung sein können.

1.9.4-4

Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen (17. BImSchV vom 02.05.2013 – BGBl. I, S. 1021, 1044)

Die Verordnung gilt für die Errichtung, die Beschaffenheit und den Betrieb von Abfallverbrennungs- und Abfallmitverbrennungsanlagen, die nach § 4 des Bundesimmissionsschutzgesetzes genehmigungsbedürftig sind und in denen folgende Abfälle und Stoffe eingesetzt werden: – feste, flüssige und in Behälter gefasste gasförmige Abfälle – ähnliche feste oder flüssige brennbare Stoffe, die nicht im Anhang 1 der 4. BImSchV vom 02.05.2013 (BGBl. I, S. 973) unter den Nummern 1.2.1, 1.2.2. und 1.2.3 genannt sind. Die Verordnung gilt nicht für den Einsatz von Biobrennstoffen oder zur Verbrennung – von Tierkörpern – von Abfällen – die beim Aufsuchen von Erdöl- oder Erdgasvorkommen und deren Förderung auf Bohrinseln erfolgt. Die Verordnung ist nicht anzuwenden für Verbrennungslinien in der Forschung, Entwicklung und bei Prüfzwecken mit einem Abfalleinsatz von weniger als 50 Megagramm/ Jahr. In der Verordnung werden Randbedingungen für – die Errichtung, die Beschaffenheit und den Betrieb einschließlich der • Verbrennungsbedingungen • einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte • Abgas-Ableitbedingungen • Behandlung der anfallenden Rückstände – die Messungen und Überwachungen – die Veröffentlichungspflichten genannt.

1.9.4-5

Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft – (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BundesImmissionsschutzgesetz) vom 24.07.2002 (GMBl. 2002, S. 511–605)

Die TA Luft gilt für genehmigungsbedürftige Anlagen nach der 4. BImSchV und enthält Vorschriften zur Reinhaltung der Luft, die bei der Prüfung von Anträgen auf Erteilung einer Genehmigung zum Errichten einer Anlage (§ 6, BImSchG), zu wesentlichen Ände-

1

480

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

rungen einer Anlage (§§ 15, 16, BImSchG), einer Teilgenehmigung oder eines Vorbescheides (§§ 8, 9, BImSchG) oder einer nachträglichen Anordnung (§ 17, BImSchG) zu berücksichtigen sind. Die Anleitung gliedert sich in folgende Hauptkomplexe: – Rechtliche Grundsätze für Genehmigung, Vorbescheid und Zulassung des vorzeitigen Beginns – Anforderungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen (Immissionswerte) – Anforderungen zur Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen (Emissionswerte) Allgemeine Anforderungen zur Emissionsbegrenzung Besondere Regelungen für bestimmte Anlagenarten Messung und Überwachung der Emissionen. Der Immissionsteil der TA Luft enthält Vorschriften zum Schutz der Nachbarn vor unvertretbar hohen Schadstoffbelastungen. Immissionen sind hier definiert als die auf Menschen, Tiere, Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre oder Kultur- und Sachgüter einwirkenden Luftverunreinigungen. Immissionen werden als Massenkonzentrationen bzw. als Deposition (zeitbezogene Flächenbedeckung durch die Masse der luftverunreinigenden Stoffe) angegeben. Immissionskenngrößen bezeichnen die Höhe der Vorbelastung, der Zusatzbelastung oder der Gesamtbelastung durch einen Schadstoff. Der Schutz vor Gefahren für die menschliche Gesundheit ist sichergestellt, wenn die im Hauptkomplex „Anforderungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen“ zusammengefassten Immissionswerte an keinem Beurteilungspunkt überschritten werden. Im Punkt 4.2.1. der TA Luft werden Immissionswerte für Schwebstaub, Blei und seine anorganischen Verbindungen als Bestandteil des Schwebstaubes, SO2, NO2, Tetrachlorethen sowie Cadmium angegeben und auf EG-Grenzwerte und deren nationale Umsetzungen verwiesen. Zum Schutz der Ökosysteme bzw. der Vegetation sind Grenzwerte zu SO2, NOx (als NO2), HF, gasförmigen anorganischen Fluorverbindungen und Immissionswerte für Schadstoffdepositionen (As, Pb, Cd, Ni, Hg, Th) angeführt (siehe auch VDI 2310). In dem Emissionsteil der TA Luft werden u.a. Emissionswerte als Massenstrom und Massenkonzentration für staubförmige und gasförmige anorganische Stoffe, organische und Krebs erzeugende Stoffe, gasförmige Emissionen sowie erbgutverändernde oder reproduktionstoxische Stoffe und für schwer abbaubare, leicht anreicherbare und hochtoxische organische Stoffe genannt, die im Abgas nicht überschritten werden dürfen. Zusätzlich zu diesen allgemein gültigen Emissionswerten werden für bestimmte Anlagenarten, entsprechend der Anlagenauflistung im Anhang der Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV), spezielle Emissionswerte festgelegt. Bei Feuerungsanlagen sind die Emissionswerte von den eingesetzten Brennstoffen und von der Feuerungswärmeleistung abhängig; in Tafel 1.9.4-1 sind die Werte zusammengefasst. Darüber hinaus werden Emissionswerte für Feuerungsanlagen mit Mischfeuerungen, Mehrstofffeuerungen, nicht in Tafel 1.9.4-1 aufgeführten festen oder flüssigen Brennstoffen und für Trocknungsanlagen formuliert. Bei der Festlegung der Emissionsgrenzwerte für Feuerungsanlagen über 50 MW werden die EG-Richtlinie 2008/1/EG über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung – kodifizierte Fassung – vom 29.01.2008 (Amtsblatt der EU – L24/8) und das Merkblatt über die besten verfügbaren Techniken für Großfeuerungsanlagen vom Juli 2006 (628 Seiten) berücksichtigt (siehe www.bvt.Umweltbundesamt.de/ kurzne.htm). Die Emissionen sind in der Regel über Schornsteine abzuleiten. Zur Bestimmung der Mindestschornsteinhöhe bei idealisierten Ausbreitungsverhältnissen dient ein Nomogramm.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

481

Emissionswerte für Feuerungsanlagen nach TA Luft in mg/m3

Tafel 1.9.4-1 Schadstoff

Brennstoff Kohle a)

Staub

5,0 MW 210 °C p > 1,8 MPa 250

1300

850

7 bei Kohle, Koks, Kohlebriketts 11 bei Torf, naturbelassenem Holz

3

850 (kein Immissionswert)

50 80

öffentliches Netz t < 110 °C p < 0,05 MPa 100 t = 110–210 °C p = 0,05–1,8 MPa 110 t > 210 °C p > 1,8 MPa 150 sonstige Gase

sonstige 1000 Brennstoffe

a)

180

Wirbelschicht 350 Steinkohle

O2-Gehalt im Abgas (Vol.-%)

Gas d)

Heiz- Heizöl nach öl b) DIN 51603 c)

200

Flüssiggas 5 öffentliches Netz 10 Kokereigas 50 Biogas, Klärgas 350 Hochofengas 200 Koksofengas 350 sonstige Gase 35

3

3

sowie Koks einschließlich Petrolkoks, Kohlebriketts, Torfbriketts, Brenntorf und naturbelassenes Holz sowie emulgiertes Naturbitumen sowie Methanol, Ethanol, naturbelassene Pflanzenöle oder Pflanzenölethylester Koksofengas, Stahlgas, Raffineriegas, Synthesegas, Erdölgas, Klärgas, Biogas, naturbelassenes Erdgas, Flüssiggas, Gase der öffentlichen Gasversorgung oder Wasserstoff einschließlich Flüssiggas, Wasserstoff, Raffineriegas, Klärgas, Biogas

1.9.4-6

Verordnung über Großfeuerungs-, Gasturbinen- und Verbrennungsmotorenanlagen (13. BImSchV vom 02.05.2013 - BGBl. I, S. 1021, 1023, 3754 zuletzt geändert durch Artikel 6 am 28.04.2015 (BGBl. I, S. 670) und durch Artikel 80 am 31.08.2015 (BGBl. I, S. 1474 Nr. 35) derzeit noch nicht dokumentarisch abschließend bearbeitet)

Gilt für die Errichtung, die Beschaffenheit und den Betrieb von Feuerungsanlagen einschließlich Gasturbinenanlagen sowie Gasturbinenanlagen zum Antrieb von Arbeitsmaschinen mit einer Feuerungsleistung von ≤ 50 MW unabhängig davon, welche Brennstoffe oder welche Art von Brennstoffen eingesetzt werden. Sie gilt u. a. nicht – für Nachverbrennungsanlagen – für den Claus-Prozess – für Feuerungsanlagen in der Chemischen Industrie – zur Beheizung von • Reaktoren

1

482

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

• Koksöfen • Winderhitzern • Gasturbinen Die Anforderungen der 13. BImSchV gelten für Neuanlagen grundsätzlich seit Inkrafttreten der Verordnung. Bei bestehenden Anlagen sowie bei Neuanlagen, die bis April 2013 genehmigt wurden, gelten die unten genannten Emissionsgrenzwerte erst ab 01.01.2019. Wurde eine Anlage nur bis zum 31.12.2013 betrieben und soll sie ab 01.01.2016 mit einer maximalen Laufzeit von 17500 Stunden betrieben werden, so kann der Anlagenbetreiber einen Ausnahmestatus von der Geltung der 13. BImSchV beantragen. Die genannten Emissionsgrenzwerte sind für den Normalbetrieb mit der Best Verfügbaren Technik (BVT) abgeleitet worden. Da die Europäische Kommission derzeit die Datensammlung zur Best Verfügbaren Technik organisiert und durchführt ist zu erwarten, dass im Jahr 2015 neue BVT-Schlussfolgerungen vorgelegt werden. Tafel 1.9.4-2

Emissionsgrenzwerte bei Großfeuerungsanlagen*) in mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Großfeuerungsanlagen bei Einsatz von festen Brennstoffen (ausgenommen Biobrennstoffe) a) Gesamtstaub

1,0 mg/m3

b) Quecksilber und seine Verbindungen (angegeben als Quecksilber)

0,03 mg/m3

c) Kohlenmonoxid bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 … 300 MW größer als 300 MW d) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 … 100 MW Braunkohlestaubfeuerung sonstige Feuerungen bei einer Feuerungswärmeleistung von 100 … 300 MW bei einer Feuerungswärmeleistung von über 300 MW Braunkohlestaubfeuerung sonstige Feuerungen e) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 100 MW Wirbelschichtfeuerung (Schwefelabscheidegrad ≥ 75 %) sonstige Feuerungen bei einer Feuerungswärmeleistung von 100 ... 300 MW (Schwefelabscheidegrad ≥ 85 %) bei einer Feuerungswärmeleistung von über 300 MW zirkulierende druckaufgeladene Wirbelschicht (Schwefelabscheidegrad ≥ 85 %) sonstige Feuerungen (Schwefelabscheidegrad ≥ 85 %) *)

150 mg/m3 200 mg/m3

400 mg/m3 300 mg/m3 200 mg/m3 200 mg/m3 150 mg/m3

350 mg/m3 400 mg/m3 200 mg/m3 200 mg/m3 150 mg/m3

Allgemeines: Die genannten Emissionsgrenzwerte sind Tagesmittelwerte. Die Halbstundenmittelwerte dürfen maximal das Doppelte der o. g. Emissionsgrenzwerte betragen. Zusätzlich werden Emissionsgrenzmittelwerte bei Feuerungsanlagen mit festen Brennstoffen für Cadmium, Thallium, Antimon, Arsen, Blei, Chrom, Cobalt, Kupfer, Mangan, Nickel, Vanadium, Zinn und ihre Verbindungen sowie Benz(a)pyren, Dioxine und Furane festgelegt. Dabei darf kein Mittelwert, der über die jeweilige Probenahmezeit gebildet wird, die zusätzlich angegebenen Emissionsgrenzwerte überschreiten. Darüber hinaus werden eine Vielzahl von Ausnahmegenehmigungen bzw. zusätzliche Emissionsbegrenzungen für die genannten Brennstoffarten, deren Herkunft, spezielle Kesselkonstruktionen und zusätzliche Schadstoffarten aufgeführt.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

483

Emissionsgrenzwerte für Großfeuerungsanlagen bei Einsatz von Biobrennstoffen (Tagesmittelwerte) a) Gesamtstaub b) Quecksilber und Quecksilberverbindungen c) Kohlenmonoxid bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 … 100 MW naturbelassenes Holz sonstige Biobrennstoffe bei einer Feuerungswärmeleistung von über 100 MW naturbelassenes Holz sonstige Biobrennstoffe

10 mg/m3 0,03 mg/m3

150 mg/m3 250 mg/m3 200 mg/m3 250 mg/m3

c) Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 …100 MW 100 ... 300 MW ≥ 300 MW

250 mg/m3 200 mg/m3 150 mg/m3

d) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 300 MW ≥ 300 MW

200 mg/m3 150 mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Großfeuerungsanlagen bei Einsatz von flüssigen Brennstoffen (Tagesmittelwerte) a) Gesamtstaub

10 mg/m3

b) Kohlenmonoxid

80 mg/m3

c) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 … 100 MW leichtes Heizöl je nach Druck und Temperatur andere flüssige Brennstoffe bei einer Feuerungswärmeleistung von 100 … 300 MW bei einer Feuerungswärmeleistung von über 300 MW

180–250 mg/m3 300 mg/m3 150 mg/m3 100 mg/m3

d) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 …100 MW 100 ... 300 MW ≥ 300 MW

350 mg/m3 200 mg/m3 150 mg/m3

1

484

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Emissionsgrenzwerte für Großfeuerungsanlagen bei Einsatz von gasfömigen Brennstoffen (Tagesmittelwerte) a) Staub Hochofengas, Koksofengas Sonstige gasförmige Brennstoffe

10 mg/m3 5 mg/m3

b) Kohlenmonoxid Erdgas Hochofengas, Koksofengas Sonstige gasförmige Brennstoffe

50 mg/m3 100 mg/m3 80 mg/m3

c) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 … 300 MW Erdgas sonstige gasförmige Brennstoffe bei einer Feuerungswärmeleistung von über 300 MW

100 mg/m3 200 mg/m3 100 mg/m3

d) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von Flüssiggas Koksofengas Hochofengas Sonstige gasförmige Brennstoffe

5 mg/m3 350 mg/m3 200 mg/m3 35 mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Gasturbinenanlagen (Tagesmittelwerte) a) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) b) Kohlenmonoxid

50 mg/m3 100 mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Gasmotorenanlagen (Tagesmittelwerte) a) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid mit gasförmigen Brennstoffen (angegeben als Stickstoffdioxid)

200 mg/m3

b) Kohlenmonoxid

250 mg/m3

In der Verordnung sind zahlreiche Verschärfungen und Einschränkungen für die Emissionsgrenzwerte u. a. bei abweichenden Betriebsbedingungen, für Altanlagen, bei mehreren Brennstoffen, bei Wärme-Kraft-Kopplung, bei Ableitbedingungen, bei Abgasreinigungseinrichtungen, für die Messverfahren und Messeinrichtungen und die Berichterstattung festgelegt.

1.9.4-7

Verordnung über Anlagen zur Feuerbestattung (27. BImSchV vom 19.03.1997 – BGBl. I, S. 545 –, zuletzt geändert durch Artikel 10 am 02.05.2013 – BGBl. I, S. 923 –)

Die Verordnung regelt Errichtung, Beschaffenheit und Betrieb von Anlagen zur Feuerbestattung. Als Brennstoff bei Brenneranlagen dürfen nur Gase der öffentlichen Gasversorgung, Flüssiggas, Wasserstoff oder Heizöl EL eingesetzt werden; die Temperatur der Verbrennungsluft muss mindestens 850 °C betragen.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

485

Als Emissionsgrenzwerte sind vorgeschrieben: – Staub als Stundenmittelwert • Gesamtstaub 10 mg/m3 • Gesamtkohlenstoff 20 mg/m3 – CO als Stundenmittelwert 50 mg/m3 Abgas – Dioxine und Furane 0,1 ng/m3 Abgas

1.9.4-8

Smog-Verordnung

Einige Landesregierungen haben zur Verhinderung schädlicher Umwelteinwirkungen Verordnungen erlassen. Es gibt je nach der Höhe der auftretenden Schadstoffkonzentrationen drei Alarmstufen, denen bestimmte Maßnahmen zugeordnet sind, z. B. Verkehrsverbot, Stilllegung bestimmter Anlagen.

1.9.4-9

Gesetze zur Nutzung Erneuerbarer Energien

Die derzeitigen gesetzlichen Regelungen zum Einsatz von erneuerbaren Energien sind (siehe Abschnitt 1.9.3): – Energieneinsparungsgesetz (EnEG) – Energieneinsparungsverordnung (EnEV) – Biomasseverordnung (BiomasseV) – Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) – Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

1.9.4-10

Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz vom 19.03.2002, zuletzt geändert durch Artikel 331 am 31.08.2015 – BGBl. I, S. 1474 –) textlich nachgewiesen, aber noch nicht abschließend bearbeitet)

regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung auf der Basis von Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Öl und Abfällen. Durch Förderung der Modernisierung und des Neubaus von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen), die Unterstützung der Markteinführung von Brennstoffzellen und die Förderung des Neu- und Ausbaus der Wärme- und Kältenetze und der entsprechenden Speicher soll die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen auf 25 % bis 2020 gewährleistet werden. Kraft-Wärme-Kopplung im Sinne des Gesetzes ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in mechanische und elektrische Energie und Nutzwärme. Dazu regelt das Gesetz die Abnahme und Vergütung von Strom aus Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung auf der Basis von Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Öl und Abfällen.

1.9.4-11

Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes (Wasserhaushaltsgesetz – WHG –) vom 19.08. 2002, zuletzt geändert durch Artikel 1 am 06.10.2011 (BGBl. I, S. 1986)

Dient dem Gewässerschutz (oberirdische Gewässer, Küstengewässer, Grundwasser) und regelt den Umgang mit wassergefährdenden Stoffen. Nach § 62 des WHG dürfen Arbeiten an Anlagen zum Lagern, Abfüllen, Herstellen, Behandeln wassergefährdender Stoffe nur noch von Fachbetrieben ausgeführt werden. Fachbetriebe im Sinne dieses Gesetzes müssen berechtigt sein ein Gütezeichen einer baurechtlich anerkannten Überwachungs- oder Gütegemeinschaft zu führen und Personal beschäftigen, das sachkundig im Umgang mit wassergefährdenden Stoffen ist. Vom WHG werden Anlagen zum Lagern, Herstellen und Behandeln wassergefährdender Stoffe sowie Anlagen zum Verwenden wassergefährdender Stoffe im Bereich der gewerblichen Wirtschaft und im Bereich öffentlicher Einrichtungen betroffen. Wassergefähr-

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486

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

dende Stoffe sind u.a. Säuren, Laugen, Mineralöle, Teeröle, flüssige und wasserlösliche Kohlenwasserstoffe. Derartige Anlagen müssen entsprechend den allgemein anerkannten Regeln der Technik beschaffen sein und entsprechend eingebaut, aufgestellt, unterhalten und betrieben werden. Sie bedürfen einer Eignungsfeststellung oder einer Bauartzulassung, sofern sie nicht einfacher, herkömmlicher Art sind (WHG § 63). Das Bundesumweltministerium hat einen Katalog wassergefährdender Stoffe mit deren Wassergefährdungsklassen (WGK = 0 bis 3) herausgegeben, der laufend fortgeschrieben wird.

1.9.4-12

Umwelthaftung

Aus dem Umwelthaftungsrecht ergibt sich für Unternehmen jeder Größe ein zunehmendes Betriebsrisiko. Die gesetzlichen Grundlagen sind in einer Vielzahl von Gesetzestexten formuliert, von denen hier nur das Bürgerliche Gesetzbuch, Umwelthaftungsgesetz, Produkthaftungsgesetz und ergänzend das Wasserhaushaltgesetz angeführt werden sollen. Durch die Anpassung des Umwelthaftungsrechtes an die entsprechenden Richtlinien der Europäischen Kommission werden sich deutliche Veränderungen im Gesetzestext ergeben. a) Umwelthaftung gemäß § 823 Bürgerliches Gesetzbuch (BGB) Im § 823 (1) wird zur Schadensersatzpflicht formuliert: „Wer vorsätzlich oder fahrlässig das Leben, den Körper, die Gesundheit, die Freiheit, das Eigentum oder ein sonstiges Recht eines anderen widerrechtlich verletzt, ist dem anderen zum Ersatz des daraus entstehenden Schadens verpflichtet.“ Diese Normierung betrifft auch umweltschädigende Emissionen. Voraussetzung für einen Haftungsanspruch eines Dritten ist, dass dieser in ursächlicher Weise durch die Emissionen betroffen wurde, der Schaden rechtswidrig ist und das emittierende Unternehmen sich vorsätzlich oder fahrlässig verhalten hat. Voraussetzung für eine Anspruchsverfolgung gemäß § 823 BGB ist, dass der Geschädigte (Kläger) beweist, dass die Schadensursache aus dem Unternehmen des Schädigers stammt. Die Frage des Verschuldens stellt bei der Prüfung des Haftungsanspruchs oftmals eine große Schwierigkeit dar. Das emittierende Unternehmen hat den Beweis zu liefern, dass es sorgfältig gearbeitet hat; für das Unternehmen wird somit eine „Entlastungsbeweisprophylaxe“ in Form von Dokumentation und Archivierung von Unterlagen notwendig. b) Umwelthaftungsgesetz (UmweltHG) Das Umwelthaftungsgesetz trat am 10.12.1990 (BGBl. I, S. 2634) in Kraft und wurde zuletzt durch Artikel 9 am 23.11.2007 (BGBl. I, S. 2631) geändert und soll die Betreiber ausgewählter Anlagen zu einer besonders vorsichtigen Handhabung bewegen. Hauptinhalte dieses Umwelthaftungsgesetzes, das sich im Wesentlichen auf die genehmigungspflichtigen Anlagen i. S. der 4. BImSchV bezieht, sind folgende: Wird durch eine Umwelteinwirkung, die von einer in einem Anhang des Gesetzes genannten Anlage ausgeht, jemand getötet, sein Körper oder seine Gesundheit verletzt oder eine Sache beschädigt, so ist der Inhaber der Anlage verpflichtet, dem Geschädigten den daraus entstehenden Schaden zu ersetzen (§ 1). Im Gegensatz zu § 823 BGB fehlen die Begriffe „fahrlässig“ oder „vorsätzlich“; die Norm des UHG wird als eine Gefährdungshaftungsnorm ausgewiesen, d.h., nicht die Frage des Verschuldens ist maßgeblich für den Erfolg einer Schadensersatzklage, sondern die Ursachensetzung durch den beklagten Anlageninhaber. Der Emittent haftet auch dann, wenn eine schädigende Wirkung der bis dahin als schadensfrei geltenden Emissionen erst zu einem späteren Zeitpunkt erkennbar wird. Für Umwelteinwirkungen, die von einer nicht mehr betriebenen Anlage ausgegangen sind und einen Schaden verursacht haben, haftet derjenige, der zum Zeitpunkt der Einstellung des Betriebes Inhaber der Anlage war. Unter Umwelteinwirkungen sind Einwirkungen durch Stoffe, Erschütterungen, Geräusche, Druck, Strahlen, Gas, Wärme, Dämpfe oder sonstige Erscheinungen, die sich im Boden, in der Luft oder im Wasser ausbreiten, zu verstehen.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

Zu einer Anlage gehören auch Maschinen, Geräte, Fahrzeuge und sonstige ortsveränderliche technische Einrichtungen, die mit der Anlage in einem räumlichen Zusammenhang stehen. Zur Ursachenvermutung ist formuliert: „Ist eine Anlage nach den Gegebenheiten des Einzelfalls geeignet, den entstandenen Schaden zu verursachen, so wird vermutet, dass der Schaden durch diese Anlage verursacht ist ...“. Dieser Ursachenvermutung kann der Anlagenbesitzer durch den Nachweis eines bestimmungsgemäßen Betriebes der Anlage entgegentreten. Ein bestimmungsgemäßer Betrieb liegt dann vor, wenn die besonderen Betriebspflichten eingehalten worden sind und auch keine Betriebsstörungen vorliegen. Vorsorge für die Beweisführung ist eine Pflicht des Anlagenbesitzers, da er den Beweis im Falle einer konkreten Vermutung liefern muss. Der Geschädigte hat Anspruch auf Auskunft. Die Haftungshöchstgrenze beträgt für Personen- und Sachschäden jeweils ca. 82 Millionen € (bei Ansprüchen nach § 823 BGB ist die Höhe unbegrenzt). c) Umweltschadensgesetz (USchadG) Das Gesetz zur Umsetzung der Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über Umwelthaftung zur Vermeidung und Sanierung von Umweltschäden (UschadG) vom 10.05.2007, zuletzt geändert durch Artikel 14 am 31.07.2009 (BGBl. I, S. 2585) kommt zur Geltung, wenn ein Schadensfall oder bereits die Gefahr eines Schadens an den Schutzgütern Wasser, Boden, Flora und Fauna durch eine „berufliche Tätigkeit“ eintritt. Die beruflichen Tätigkeiten werden in der Anlage 1 zum Gesetz aufgelistet und umfassen u.a. das Betreiben von Anlagen, für die eine Genehmigung gemäß IVU-Richtlinie 96/61/EG der Europäischen Union erforderlich ist, oder die Beförderung umweltschädlicher Güter oder ausgewählte Tätigkeiten in der Abfallwirtschaft. Der Verursacher eines Schadens ist verpflichtet, die zuständigen Behörden unverzüglich zu informieren, erforderliche Schadensbegrenzungsmaßnahmen vorzunehmen und die erforderlichen Sanierungsmaßnahmen zu ergreifen. Das Gesetz findet keine Anwendung, wenn die Ereignisse, die zu den Schäden geführt haben, vor dem 30.04.2007 stattgefunden haben. d) Produkthaftung § 823 BGB betrifft nicht nur Schäden durch Umwelteinwirkungen, sondern auch durch fehlerhafte Produkte. Fehlerhaft ist ein Produkt dann, wenn es nicht die zu erwartende Sicherheit bietet. Entlastung des Produzenten erfolgt durch den Nachweis, dass weder fahrlässig noch nachlässig oder vorsätzlich ein Fehler des Produktes herbeigeführt wurde. Der Produzent hat entsprechende Beweise zu erbringen (Nachweis der Qualitätssicherung). Das Gesetz über die Haftung für fehlerhafte Produkte (Produkthaftungsgesetz – ProdHaftG) vom 15.12.1989, zuletzt geändert durch § 1, Abs. 1 am 19.04.2006 (BGBl. I, S. 866, 891 f) behandelt den Sachverhalt, dass durch den Fehler eines Produktes jemand getötet, sein Körper oder seine Gesundheit verletzt oder eine Sache beschädigt wird. Der Produkthersteller ist verpflichtet, den entstehenden Schaden zu ersetzen. Die Produkthaftung ist ebenfalls eine Gefährdungshaftung, bei der die Frage der Fahrlässigkeit oder des Vorsatzes nicht angesprochen wird. Ein Ausschluss der Haftung des Produzenten ist in § 1 (2) für eine Reihe von Sachverhalten aufgeführt. Ersatzpflicht entfällt u.a., wenn nach dem Stand von Wissenschaft und Technik der Fehler in dem Zeitpunkt, in dem der Hersteller das Produkt in den Verkehr brachte, nicht erkennbar war. Durch Vereinbarungen kann die Haftung von vornherein nicht eingeschränkt oder ausgeschlossen werden. e) Wasserhaushaltgesetz (WHG) Gemäß § 22 des WHG (vom 19.08. 2002, zuletzt geändert durch Artikel 2 am 22.12.2011 (BGBl. I, S. 3044, 3061) als zivilrechtliche Norm haftet sowohl derjenige, der auf ein Gewässer einwirkt, als auch derjenige, der Inhaber einer Anlage ist. Wer in ein Gewässer Stoffe einbringt, einleitet oder die physikalische, chemische oder biologische Beschaffenheit des Wassers verändert, haftet für den daraus entstehenden Schaden. Gelangen aus einer Anlage, die bestimmt ist, Stoffe herzustellen, zu verarbeiten, zu lagern, abzulagern, zu befördern oder wegzuleiten, derartige Stoffe in ein Gewässer, ohne in dieses eingebracht oder eingeleitet zu sein, so ist der Anlageninhaber zum Ersatz des entstehenden Schadens verpflichtet (die Ersatzpflicht tritt nicht ein, wenn der Schaden durch höhere Gewalt verursacht ist).

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488

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Damit ist das WHG ebenfalls eine Gefährdungshaftungsnorm. Der Tatbestand des Einleitens in das Grundwasser wird z.B. auch durch in der betrieblichen Praxis häufig vorkommende fehlerhafte Einleitung in den Vorfluter oder durch „Versickernlassen“ erfüllt. Der Begriff der Anlage ist weit gefasst, da auch Kleingebinde, sowie Anhäufung von gewässerschädigenden Stoffen auf einer Halde als Anlage betrachtet werden.

1.9.4-13

Weitere gesetzliche Regelungen

Das Wasserhaushaltgesetz wird durch das Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserabgabegesetz – AbwAG) in der Fassung vom 18.01.2005 (BGBl. I, S. 114), geändert durch Artikel 1 am 11.08.2010 (BGBl. I, S. 1163) ergänzt. Die Vermeidung, Sammlung und Entsorgung von Abfällen wird durch das Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – KrW-/AbfG) vom 27.09.1994, zuletzt geändert durch Artikel 5 am 06.10.2011 (BGBl. I, S. 1986, 1991) geregelt. Für die Ablagerung von Siedlungs- und Sonderabfällen gelten die Verordnung über Deponien und Langzeitlager (Deponieverordnung – DepV –) vom 27.04.2009 (BGBl. I, S. 900, zuletzt geändert durch Überarbeitung am 20.07.2011(BGBl. I, S. 2066) und die Gewinnungsabfallverordnung (GewinnungsAbfV) vom 27.04.2009 (BGBl. I, S. 900, 947). Beide Verordnungen gelten ab 16.07.2009; mit gleichem Datum wurden die TA Abfall und die TA Siedlungsabfälle gelöscht. Für die grenzüberschreitende Verbringung von Abfällen und ihre Entsorgung gilt das Abfallverbringungsgesetz (AbfVerbrG) in der Fassung vom 28.07.2007 (BGBl. I, S. 1462). Der Schutz und die Wiederherstellung des Bodens wird durch das Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten (Bundes-Bodenschutzgesetz – BBodSchG) vom 17.03.1998, zuletzt geändert durch Artikel 3 am 09.12.2004 (BGBl. I, S. 3214), sowie die Bundes- Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) vom 12.07.1999 (BGBl. I, S. 1554), zuletzt geändert durch Artikel 16 am 31.07.2009 (BGBl. I, S. 2585) geregelt. Bei der Durchführung einer Umweltbetriebsprüfung und bei der Beteiligung an einem Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement sind folgende Gesetze und Verordnungen zu berücksichtigen: Verordnung (EG) Nr. 1221/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 25.11.2009 über die freiwillige Beteiligung von Organisationen an einem Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement und die Umweltbetriebsprüfung (EMAS) und daraus abgeleitet das Umweltauditgesetz (UAG) vom 04.09.2002 (BGBl. I, S. 3490), zuletzt geändert durch Artikel 2, Absatz 43 am 07.08.2013 (BGBl. I, S. 3154).

1.10.1 Grundlagen der Korrosion

1.10

Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes1)

1.10.1

Grundlagen der Korrosion

1.10.1-1

Begriffe

Nach den Definitionen in der DIN EN ISO 80442) ist zwischen den Begriffen Korrosion, Korrosionssystem, Korrosionserscheinung, Korrosionsschaden und Korrosionsversagen zu unterscheiden: Korrosion Physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalles, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann. ANMERKUNG: Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur. Korrosionssystem System, das aus einem oder mehreren Metallen und jenen Teilen der Umgebung besteht, die die Korrosion beeinflussen. Korrosionserscheinung Durch Korrosion verursachte Veränderung in einem beliebigen Teil des Korrosionssystems. Korrosionsschaden Korrosionserscheinung, die eine Beeinträchtigung der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, verursacht. Korrosionsversagen Korrosionsschaden, gekennzeichnet durch den vollständigen Verlust der Funktionsfähigkeit des technischen Systems. Nach diesen Definitionen sind Korrosion (der Vorgang) und Korrosionserscheinung (das Ergebnis) zunächst wertneutral. Negativ zu bewerten ist nur der Korrosionsschaden (die mögliche Konsequenz). Korrosion kann zu einem Korrosionsschaden führen, muss es aber nicht. Deckschichten, die sich auf Metallen in Berührung mit Wasser bilden, stellen eine Korrosionserscheinung dar, führen aber nicht zu einem Korrosionsschaden, sondern verhindern diesen sogar. Ob Korrosion zu einem Korrosionsschaden führt, wird häufig nicht so sehr vom Ausmaß der Korrosionserscheinungen bestimmt, sondern vielmehr von der Funktion des Bauteils.3) So können z.B. die aus den Korrosionsprodukten gebildeten Beläge im Bereich der Führungshülse für die bewegliche Achse einer Regelarmatur bereits bei geringfügiger Korrosion zum Blockieren und damit zu einem Korrosionsschaden führen, während ein Metallabtrag in der Größenordnung von 1 mm bei dickwandigen Rohren noch unkritisch sein kann. Wenn Korrosion nicht zwangsläufig schädlich ist, muss sie auch nicht immer vermieden werden. Dementsprechend ist der Korrosionsschutz wie folgt definiert: Korrosionsschutz Veränderung eines Korrosionssystems derart, dass Korrosionsschäden verringert werden. Im Zusammenhang mit dem Korrosionsschutz sind noch drei weitere wichtige Definitionen zu sehen:

1)

2) 3)

Ergänzungen von Dr. rer.nat. Wilhelm Erning, Berlin, seit der 72. Auflage. Die Erstbearbeitung erfolgte durch Dr. Carl-Ludwig Kruse, Dortmund, für die 67. Auflage. Kruse, C.-L.: Korrosion in der Sanitär- und Heizungstechnik. Krammer-Verlag, Düsseldorf 1991. DIN EN ISO 8044 „Korrosion von Metallen und Legierungen, Grundlegende Begriffe und Definitionen“, 1999. Adrian, H.,; Kruse, C.-L.: Der Begriff Korrosionsschaden in technisch wissenschaftlichen Regelwerken. gwf-wasser/abwasser 124 (1983), S. 453–458.

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Funktionsfähigkeit Fähigkeit eines Korrosionssystems, seine Funktion ohne Beeinträchtigung durch Korrosion zu erfüllen. Dauerhaftigkeit Fähigkeit eines Korrosionssystems, die Funktionsfähigkeit über eine vorgegebene Nutzungsdauer beizubehalten, wenn die Anforderungen an Verwendung und Instandhaltung erfüllt worden sind. Nutzungsdauer Zeitabschnitt, in dem das Korrosionssystem die Anforderungen an die Funktionsfähigkeit erfüllt. Abgesehen davon, dass Korrosion in den meisten Fällen nicht vollständig zu vermeiden ist, ist dies in der Regel auch nicht erforderlich. Entscheidend ist, dass es innerhalb der vorgesehenen Nutzungsdauer eines Bauteils nicht zu einer Beeinträchtigung der Funktion durch Korrosion kommt. Ein gutes Beispiel dafür, dass diese Denkweise in der Praxis durchaus üblich ist, bietet die Deutsche Bundesbahn, die vernünftigerweise darauf verzichtet, die Eisenbahnschienen aus ungeschütztem Stahl, die der freien Atmosphäre ausgesetzt ungehindert rosten, durch Anstreichen vor Korrosion zu schützen. Durch die Korrosion wird die Funktion der Eisenbahnschiene nicht beeinträchtigt, folglich ist auch kein Korrosionsschutz erforderlich. Ähnlich wie Korrosionsschutz nicht gleichbedeutend ist mit Vermeiden von Korrosion, ist die Korrosionsbeständigkeit eines Werkstoffs nicht die Eigenschaft, Korrosion zu widerstehen: Korrosionsbeständigkeit Fähigkeit eines Metalls, die Funktionsfähigkeit in einem gegebenen Korrosionsystem beizubehalten. Wie stark diese Eigenschaft von der Funktion des Bauteils bestimmt wird, zeigt das Beispiel eines Stahlheizkörpers. Für die stärkere Korrosionsbelastung von der Wasserseite ist die Korrosionsbeständigkeit des ungeschützten Stahls ausreichend, nicht jedoch für die viel schwächere Belastung von der Innenatmosphäre eines Raumes. Ein Korrosionsschutz durch eine Beschichtung ist erforderlich, weil der Heizkörper auf der Außenseite auch eine dekorative Funktion zu erfüllen hat, die ohne Korrosionsschutz bereits durch den geringsten Rostanflug beeinträchtigt wäre. Zusammenfassend ist an dieser Stelle festzuhalten, dass Korrosion nur dann allgemeines Interesse finden kann, wenn es sich um Vorgänge handelt, die zumindest zu einer Funktionsbeeinträchtigung (Korrosionsschaden) oder zum vollständigen Verlust der Funktionsfähigkeit (Korrosionsversagen) eines technischen Systems führen. Dabei kann sich die Funktionbeeinträchtigung sowohl auf den – Werkstoff (z.B. in Form einer durch Lochkorrosion verursachten Undichtigkeit) als auch das – angreifende Medium (z.B. in Form einer Wasserverunreinigung durch suspendierte Korrosionsprodukte) als auch auf das – technische System (z.B. in Form von Durchflussblockaden durch abgelagerte Korrosionsprodukte) beziehen.

1.10.1-2

Elektrochemische Grundlagen

Die in der Heizungs- und Klimatechnik stattfindende Korrosion ist stets elektrochemischer Natur. Zu ihrem Verständnis ist deshalb die Kenntnis einiger elektrochemischer Grundlagen erforderlich. Jede elektrochemische Reaktion, also auch die primäre Reaktion bei der Korrosion von Eisen, Fe + H2O + 1/2 O2 → Fe(OH)2 bei der Eisen mit Wasser und Sauerstoff zu Eisen(2)hydroxid reagiert, kann in zwei Teilreaktionen aufgespalten werden, die anodische Teilreaktion (Oxidation) Fe → Fe2+ + 2e–

1.10.1 Grundlagen der Korrosion

und die kathodische Teilreaktion (Reduktion) 1 /2 O2 + H2O + 2e– → 2 OH– bei der Sauerstoff mit Wasser unter Aufnahme von Elektronen Hydroxyl-Ionen bildet. Wenn die beiden Teilreaktionen am selben Ort ablaufen, was bei homogenen Oberflächen der Fall ist, findet gleichmäßige Flächenkorrosion statt. Wenn die beiden Teilreaktionen jedoch örtlich getrennt ablaufen, was bei heterogenen Oberflächen der Fall ist, findet ungleichmäßige Korrosion statt. Eine örtliche Trennung der beiden Teilreaktionen ist immer dann möglich, wenn – Oberflächenbereiche mit unterschiedlichem Elektrodenpotential vorliegen und – die Oberflächenbereiche über einen metallenen Leiter und – über einen Elektrolyten (Ionenleiter) elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Erfüllt sind diese Bedingungen bei einem galvanischen Element, wenn z.B. zwei verschiedene Metalle wie Zink und Kupfer über einen Metalldraht und einen Elektrolyten (Salzlösung, Säure) elektrisch leitenden Kontakt haben. Bei der Betrachtung von galvanischen Elementen im Zusammenhang mit Korrosion spricht man von einem Korrosionselement. Den Begriff des Elektrodenpotentials kann man sich nach den obigen Gleichungen wie folgt verständlich machen. Von einem Eisenstab, der in einen Elektrolyten eintaucht, gehen 2fach positiv geladene Eisen-Ionen durch die Phasengrenze in den Elektrolyten, während negativ geladene Elektronen auf dem Stab zurückbleiben. Je größer die Neigung des Metalles ist, sich aufzulösen, je größer der Betrag der negativen Ladungen wird, die auf dem Stab zurückbleiben, um so negativer wird das Elektrodenpotential, das durch Messung der elektrischen Spannung zwischen dem Metallstab und einer Bezugselektrode ermittelt werden kann. Bei einem Platindraht, der in eine sauerstoffhaltige Lösung eintaucht, kann man sich vorstellen, dass Elektronen den Draht verlassen und von dem Sauerstoff aufgenommen werden. In diesem Fall entsteht auf dem Draht ein Defizit an negativen Ladungen, er erhält ein positives Elektrodenpotential. Das Elektrodenpotential wird umso positiver, je stärker das Oxidationsmittel ist. Bei Anwesenheit von Reduktionsmitteln, die dazu neigen, Elektronen abzugeben, erhält der Platindraht ein negatives Elektrodenpotential. Das am Platindraht zu messende Elektrodenpotential, das die Eigenschaften der Lösung in Bezug auf seine oxidierenden oder reduzierenden Eigenschaften kennzeichnet, wird auch als Redoxpotential bezeichnet. Bei dem Elektrodenpotential eines korrodierenden Metalls, dem Korrosionspotential, das an einem in eine Lösung eingetauchten Metall gegen eine Bezugselektrode gemessen werden kann, handelt es sich stets um ein Mischpotential, das sich aus den beiden Teilreaktionen ergibt. Eine Veränderung des Korrosionspotentials ermöglicht deshalb normalerweise keine eindeutigen Aussagen darüber, ob sie auf die Änderung der Bedingungen bei der Metallauflösung oder bei der Reduktion des Oxidationsmittels zurückzuführen ist. Informationen hierüber können nur durch Aufnahme von StromdichtePotential-Kurven erhalten werden. Örtliche Unterschiede im Elektrodenpotential können allein schon dadurch zustande kommen, dass einzelne Bereiche der Oberfläche mit Ablagerungen bedeckt sind. Unter den abgedeckten Bereichen, bei denen der Zutritt von Sauerstoff aus dem Lösungsinnern behindert ist, wird das Redoxpotential (und damit auch das Korrosionspotential) negativer. Derartige Bereiche können dann zu Anoden von Korrosionselementen werden. Diese durch unterschiedlichen Sauerstoffzutritt (unterschiedliche Belüftung) verursachten Korrosionselemente bezeichnet man allgemein als Belüftungselemente. Korrosionselemente, die durch Kontakt von zwei Metallen mit von Haus aus unterschiedlichem Elektrodenpotential gebildet werden (z. B. an Berührungsstellen zwischen einem feuerverzinkten Stahlrohr und einer Messingarmatur), bezeichnet man als Kontaktelemente. Die neben dem unterschiedlichen Elektrodenpotential weitere notwendige Voraussetzung für ein Korrosionselement, die elektrisch leitende Verbindung zwischen Anode und Kathode über einen metallischen und einen elektrolytischen Leiter, ist zwar von der Leitfähigkeit der Metalle immer und von der Leitfähigkeit der Elektrolyte meistens (nicht z.B. bei vollentsalztem Wasser) erfüllt. Wenn sich als Folge der Korrosion auf der Metalloberfläche nichtleitende Deckschichten ausbilden, oder wenn zum Korrosionsschutz nichtleitende Überzüge (z.B. Email) aufgebracht werden, sind Korrosionselemente nicht möglich. Ausgeprägt örtliche Korrosion kann deshalb nur auftreten, wenn eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit an der Phasengrenze zum Elektrolyten vorliegt.

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1

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

1.10.1-3

Wasserbeschaffenheit

Das häufigste Angriffsmittel in der Heizungs- und Klimatechnik ist das Wasser. Hierbei handelt es sich in der Regel nicht um reines Wasser entsprechend der chemischen Formel H2O, sondern um eine verdünnte Lösung mehrerer gasförmiger und fester Stoffe. Das Ausmaß der korrosionsfördernden Eigenschaften eines Wassers wird durch seine Korrosivität beschrieben. Die Korrosivität ist eine sehr komplexe Wassereigenschaft, die nur im Zusammenhang mit einem bestimmten Werkstoff unter bestimmten Betriebsbedingungen abgeschätzt werden kann. Sie kann außerdem, je nach der für das Auftreten von Schäden ausschlaggebenden Korrosionsart, sehr unterschiedlich sein. Die Korrosivität eines Wassers kann deshalb nicht auf einfache Weise quantitativ beschrieben werden. Je nach Werkstoff, Betriebsbedingungen und Korrosionsart können die Gehalte an Sauerstoff, Neutralsalzen oder freier Kohlensäure für die Korrosivität bestimmend sein. Bei Warmwasserheizungen ohne ständige Erneuerung des Heizwassers, bei denen der im Wasser gelöste Sauerstoff durch Korrosion verhältnismäßig schnell verbraucht ist, ohne dass dadurch nennenswerter Materialabtrag auftritt, hängt die noch verbleibende Korrosivität des Wassers allein davon ab, in welchem Maße Sauerstoff aus der Atmosphäre in das Innere der Anlage gelangen kann. Bei vollständig geschlossenen Anlagen kommt die Korrosion praktisch vollständig zum Stillstand, von einer Korrosivität des Wassers kann dann nicht mehr gesprochen werden. Bei Anlagen mit durchströmten offenen Ausdehnungsgefäßen oder mit gasdurchlässigen Bauteilen, bei denen ständig Sauerstoff in das Heizwasser gelangt, hängt die Korrosivität des Wassers nahezu ausschließlich von seinem Sauerstoffgehalt ab. Da sich dieser sehr schnell durch Korrosion mit den Bauteilen der Heizanlage verringert, wird die Korrosivität des Wassers ortsabhängig. Am größten ist sie unmittelbar hinter der Sauerstoffeintrittsstelle, mit zunehmender Entfernung davon nimmt sie stetig ab. Bei Trinkwasseranlagen, bei denen bestimmungsgemäß häufige Erneuerung des Wassers auftritt, ist der Sauerstoffgehalt zwar ebenfalls eine für die Beurteilung der Korrosivität wichtige Größe. Da die Wässer jedoch zumeist luftgesättigt sind, d.h. Sauerstoffgehalte in der Größenordnung von 10 mg/L vorliegen, sind weitere Kriterien heranzuziehen. Die Korrosivität im Hinblick auf ungleichmäßige Korrosion wird durch die Konzentration oder Konzentrationsverhältnisse bestimmter Anionen gekennzeichnet. Bei der Korrosion von nichtrostenden Stählen wird die Korrosivität im Wesentlichen durch die Konzentration an Chlorid-Ionen bestimmt. Bei der Muldenkorrosion von unlegiertem und feuerverzinktem Stahl ist es das Konzentrationsverhältnis von Chlorid-, Sulfat- und Nitrat-Ionen zu Hydrogencarbonat-Ionen. Bei der Lochkorrosion von Kupfer in Kaltwasserleitungen ist es das Konzentrationsverhältnis von Sulfat- und Nitrat-Ionen zu Chlorid- und Hydrogencarbonat-Ionen. Für die Löslichkeit der Korrosionsprodukte, die bei einzelnen Metallen das Ausmaß der gleichmäßigen Korrosion bestimmt, ist die Menge der die saure Reaktion eines Wassers verursachenden Wasserstoff-Ionen entscheidend. Deren Konzentration wird im Gegensatz zu der der sonstigen Wasserinhaltsstoffe nicht in mol/m3 oder mg/L angegeben, sondern durch den negativen Logarithmus der molaren Konzentration gekennzeichnet. Diese Größe bezeichnet man als den pH-Wert: pH-Wert = –log cmol(H+) Während der pH-Wert bei den starken Säuren und Laugen ein direktes Maß für deren Konzentration ist und damit auch als Maß für deren Korrosivität gegenüber Säure- bzw. Lauge-empfindlichen Werkstoffen dienen kann, ist dies bei schwachen Säuren und Laugen nicht der Fall. Bei Trinkwasser, dessen Korrosivität gegenüber Säure-empfindlichen Werkstoffen auf dem Gehalt an Kohlenstoffdioxid (Kohlensäure) beruht, ist deshalb der pH-Wert nur eingeschränkt zur Beurteilung der Korrosivität geeignet. Zur Beurteilung der Korrosivität im Hinblick auf einen möglichen Stoffumsatz muss statt dessen die Konzentration an Kohlenstoffdioxid (Basekapazität bis pH 8,2 (KB8,2), früher als -p-Wert bezeichnet) herangezogen werden. Auch bei Kesselwasser von Dampferzeugern, dem zur Erzielung der Passivität von Eisenwerkstoffen alkalisierende Stoffe zugesetzt werden, kann deren Konzentration nur unzureichend durch den pH-Wert gekennzeichnet werden. Daneben ist deshalb stets die Angabe einer Konzentration (Säurekapazität bis pH 8,2 (KS 8,2), früher als p-Wert bezeichnet) erforderlich.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

1.10.2

493

Korrosion in Warmwasserheizungen1)

Korrosionsschäden in Warmwasserheizungen sind normalerweise nur bei Zutritt von Sauerstoff zum Heizwasser möglich. Lediglich Aluminium kann Korrosion auch bei Abwesenheit von Sauerstoff erleiden. Der Zutritt von Sauerstoff kann erfolgen – mit dem Füll- und Ergänzungswasser – über durchströmte offene Ausdehnungsgefäße – bei Auftreten von Unterdruck in der Anlage – über gasdurchlässige Bauteile Ausschlaggebend für das Risiko eines Korrosionsschadens ist die in das Heizwasser der Anlage gelangende Sauerstoffmenge, die in einzelnen Fällen abgeschätzt (s. Abschn. 1.10.2-3) werden kann. Größere Sauerstoffkonzentrationen im Heizwasser über 0,1 mg/L weisen normalerweise auf ein erhöhtes Korrosionsrisiko hin. Niedrige Sauerstoffkonzentrationen im Heizwasser sind zur Risikoabschätzung nur von begrenztem Aussagewert, weil die Sauerstoffkonzentration als Folge der Korrosion mit zunehmender Entfernung von der Eintrittstelle des Sauerstoffs u.U. bis auf Werte unter 10 μg/L abnehmen kann. Im Gegenzug ist eine Messung des Sauerstoffgehalts wenig hilfreich, weil nur die Konzentrationswerte an der Messstelle, nicht aber die Zustände im Gesamtsystem erfasst werden können. Während die Möglichkeit des Auftretens von Korrosion durch den Sauerstoffzutritt bestimmt wird, wird die Art der Korrosionserscheinungen hauptsächlich von der Wasserbeschaffenheit und von den Betriebsbedingungen beeinflusst.

1.10.2-1

Wanddurchbruch bei Eisenwerkstoffen

Als Werkstoff für Warmwasserheizungen werden überwiegend unlegierte Eisenwerkstoffe (Stahl, Gusseisen) eingesetzt. Bei Berührung mit sauerstoffhaltigem Wasser reagiert Eisen zunächst nach Fe + 1/2 O2 + H2O → Fe(OH)2 unter Bildung von Eisen(2)hydroxid, das sich nach 3 Fe(OH)2 + 1/2O2 → Fe3O4 + 3 H2O unter Bedingungen begrenzten Sauerstoffzutritts normalerweise in das unter dem Namen Magnetit bekannte Eisen(2,3)oxid umwandelt. Wenn man davon ausgeht, dass Wasser bei Luftsättigung an der Atmosphäre einen Sauerstoffgehalt von etwa 10 mg/L hat, dann kann man aus den obigen Gleichungen ableiten, dass 1 m3 Wasser etwa 26 g Eisen umsetzen kann. Für die Verhältnisse in einem Rohr DN 25, das bei einer Länge von 1 m ein Wasservolumen von etwa 0,5 L umhüllt und eine Innenfläche von etwa 800 cm2 hat, bedeutet dies bei gleichmäßiger Korrosion eine Wanddickenschwächung von etwa 0,00002 mm. Daraus ergibt sich, dass der Sauerstoffgehalt des Füllwassers bei der Abschätzung der Korrosionsgefährdung einer Warmwasserheizung außer Betracht bleiben kann und dass hier normalerweise keine Korrosionsprobleme in Form von Wanddurchbrüchen auftreten. An Rohrleitungen oder Heizkörpern kann es nur dann zu Wanddurchbrüchen kommen, wenn ständig Sauerstoff in den Kreislauf gelangt. Dies kann z.B. bei Anlagen mit offenem Ausdehnungsgefäß und zwei Sicherheitsleitungen geschehen, wenn die Verbindung zwischen Sicherheitsvorlauf und Sicherheitsrücklauf über das offene Ausdehnungsgefäß erfolgt. Bild 1.10.2-1 zeigt das Aussehen einer Rohrleitung aus dem Sicherheitsrücklauf unmittelbar hinter einem durchströmten Ausdehnungsgefäß nach einer Betriebszeit von 5 Jahren nach Entfernung der Korrosionsprodukte.

Bild 1.10.2-1. Stahlrohr aus dem Sicherheitsrücklauf unmittelbar hinter einem durchströmten offenen Ausdehnungsgefäß. 1)

VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

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494

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.2-2 zeigt das typische Aussehen einer Durchbruchstelle in der unteren Schale eines Stahlradiators aus einer Anlage mit durchströmtem offenem Ausdehnungsgefäß nach einer Betriebszeit von 7 Jahren, ebenfalls nach Entfernung der Korrosionsprodukte.

Bild 1.10.2-2. Untere Schale aus einem Stahlblechradiator aus einer Anlage mit einem offenen durchströmten Ausdehnungsgefäß.

Charakteristisch für diese Korrosionserscheinungen ist der Metallabtrag auf der gesamten Oberfläche. In Anlagen ohne Sauerstoffaufnahme über ein offenes Ausdehnungsgefäß kann es bei den dann sehr geringen Sauerstoffgehalten unter 10 μg/L nur ausnahmsweise im Zusammenhang mit Besonderheiten bei der Inbetriebnahme zu Durchrostungen kommen. Eine Warmwasserheizung wird in der Regel nach der Fertigstellung einer WasserdruckPrüfung unterzogen. Wird das System anschließend wieder entleert, verbleiben in der Regel Wasserreste in Heizkörpern und Teilen der Rohrleitungen, eine vollständige Entleerung gelingt nicht. Im Bereich dieser Wasserreste kommt es an der Dreiphasengrenze Wasser/Luft/Werkstoff zu verstärkter Korrosion, die in Extremfällen zu Wanddurchbrüchen in relativ kurzer Zeit führen kann. Insbesondere für Flachheizkörper aus relativ dünnwandigen Blechen kann dies relativ schnell eintreten. Daneben können die Korrosionsprodukte im Falle des Eintrags in Ventile oder Thermostaten zu Funktionsstörungen führen. Die Entleerung sollte daher nach Möglichkeit vermieden werden. Unter ungünstigen Bedingungen kann es jedoch zur Ausbildung von Korrosionselementen kommen, die einen muldenförmigen oder lochartigen Angriff verursachen. Derartige Verhältnisse sind z.B. gegeben, wenn das Heizwasser Korrosions-Inhibitoren enthält oder der Heizkörper noch Reste von Verarbeitungshilfsmitteln mit rostschützender Wirkung aufweist. Korrosions-Inhibitoren, deren Eigenschaften im Übrigen in Abschn. 1.10.2-12 näher beschrieben sind, haben vielfach die Eigenschaft, dass sie, wenn sie nicht in ausreichender Menge an die Metalloberfläche gelangen, nicht nur nicht mehr schützend wirken, sondern im Gegenteil sogar ausgeprägt örtliche Korrosion verursachen können. Daher ist die Zugabe von Inhibitoren in geschlossenen Heizkreisläufen stets kritisch zu prüfen, bei ordnungsgemäß betriebenen Anlagen mit den beschriebenen sehr geringen Sauerstoffkonzentrationen wird regelmäßig keine Zugabe von Korrosions-Inhibitoren notwendig sein. Kommt es zu Störungen, die Sauerstoffzutritt verursachen, so ist es angeraten, diese Störungen zu beseitigen und nicht einfach einen Inhibitor zu zugeben. Bild 1.10.2-3 zeigt einen Wanddurchbruch, der in Verbindung mit einem Korrosions-Inhibitoren enthaltenden Fernheizwasser im Spaltbereich einer Punktschweißstelle entstanden ist. Wenn das zur Wasserdruckprobe verwendete Fernheizwasser wieder abgelassen wird, bleibt hier aufgrund von Kapillarkräften Wasser zurück. Begünstigt durch den ungehinderten Zutritt von Sauerstoff aus der Luft, die Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe durch Verdunstung von Wasser und den Verbrauch der Inhibitoren stellen sich im Spaltbereich der Punktschweißstelle verhältnismäßig schnell Bedingungen ein, unter denen die Entstehung von Korrosionselementen begünstigt ist. Der geringe Restsauerstoffgehalt des Fernheizwassers, der für sich allein keinen Schaden verursachen konnte, war unter diesen Bedingungen in der Lage, das Korrosionselement bis zum Wanddurchbruch aktiv zu halten.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

495

Bild 1.10.2-3. Wanddurchbruch im Spaltbereich einer Punktschweißstelle durch Korrosion bei behindertem Inhibitorzutritt.

Bild 1.10.2-4 zeigt eine Durchbruchstelle in dem Rohr eines Röhrenradiators, bei der die örtliche Korrosion von der Längsschweißnaht des Rohres ausgeht. Der Schadensfall stammt aus einer Anlage mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung, in der es aufgrund der Sauerstoffdurchlässigkeit der Kunststoffrohre zu Schäden durch Schlammbildung gekommen war (s. Abschn. 1.10.2-3). Als Abhilfemaßnahme wurden dem Heizwasser Korrosions-Inhibitoren zugesetzt. Die Wirksamkeit des verwendeten Inhibitors ist offensichtlich im Bereich der um die Schweißnaht vorhandenen Zunderschichten nicht ausreichend gewesen und hat zu Lochkorrosion geführt (s. Abschn. 1.10.2-12). Bild 1.10.2-4. Wanddurchbruch im Bereich der Längsschweißnaht eines Röhrenradiators durch Korrosion bei behindertem Inhibitorzutritt.

Bild 1.10.2-5. Wanddurchbruch im Bodenbereich eines Plattenheizkörpers als Folge von örtlicher Korrosion, ausgelöst durch Korrosionsschutzöl.

Ähnlich kritische Verhältnisse liegen bei Heizkörpern vor, die auf ihrer Oberfläche noch Reste von Verarbeitungshilfsmitteln mit korrosionsschützender Wirkung aufweisen. Der zur Vermeidung von Anrostungen bei der Lagerung an der Atmosphäre auf die Blechoberfläche aufgebrachte sog. temporäre Korrosionsschutz ist unter den Bedingungen mit Wasserresten bei ungehindertem Luftzutritt zwar zunächst noch ausreichend wirksam, um Korrosion zu unterbinden. Wenn der Korrosionsschutz jedoch an einer Stelle zusammenbricht, wird diese in gleicher Weise zur Anode in einem Korrosionselement, wie dies bei einer Stelle mit unzureichendem Inhibitorzutritt geschieht. Bild 1.10.2-5 zeigt das typische Aussehen einer hierdurch bedingten Korrosionsstelle im unteren Bereich eines Plattenheizkörpers. Auffällig ist der nahezu punktförmige Angriff inmitten einer im Übrigen praktisch nicht angegriffenen Oberfläche. Das Bild zeigt die Oberfläche im Originalzustand, d.h., es sind keine Korrosionspunkte entfernt worden.

Bild 1.10.2-6. Wasserseitige örtliche Korrosionserscheinungen am Rauchrohr eines Heizkessels.

Besondere Bedingungen liegen bei Warmwasserheizungen mit Fußbodenheizungsrohren aus nicht sauerstoffdichtem Kunststoff vor. Bei diesen Anlagen gelangt zwangsläufig ständig Sauerstoff durch die Kunststoffrohre hindurch in das Heizwasser. Außer der in Abschn. 1.10.2-3 näher beschriebenen Schlammbildung werden auch vereinzelt Wand-

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496

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

durchbrüche beobachtet. Bild 1.10.2-6 zeigt das Aussehen eines Rauchrohres aus einem Heizkessel, das durch örtliche Korrosion von der Wasserseite nach einer Betriebszeit von 11/2 Jahren undicht geworden ist. Die örtliche Korrosion ist in diesem Fall offensichtlich durch Luftblasen ausgelöst worden, die sich beim ersten Aufheizen des Heizkessels auf der Unterseite des Rauchrohres festgesetzt haben. Wegen der sehr ungünstigen Verhältnisse in dieser Anlage mit etwa 20000 m Kunststoffrohr und nur etwa 15 m2 Stahloberfläche wäre selbst bei gleichmäßiger Korrosion mit einem Abtrag von etwa 0,2 mm/a zu rechnen gewesen. In anderen Fällen sind in Verbindung mit Kunststoffrohren Durchrostungen an Kesselblechen und Temperaturfühlern von Heizkesseln sowie an Wärmetauschern und Speicherbehältern von Wärmepumpenanlagen beobachtet worden. Abhilfe schafft bei solchen Anlagen eine Systemtrennung mit einem Wärmeübertrager, der das nicht Diffusionsdichte Netz der Fußbodenheizung von der restlichen Anlage trennt und so den Eintrag von Sauerstoff in gefährdete Bereiche verhindern kann. Während Korrosionsschäden, die bereits in der ersten Heizperiode auftreten, häufig nicht durch eine besondere Korrosivität des Heizwassers bedingt sind, sondern durch Korrosion vor der Inbetriebnahme, ist dies bei Schäden nach Betriebszeiten von mehreren Jahren nicht mehr so eindeutig erkennbar. Die in den Heizwässern festgestellten Sauerstoffgehalte von 5–20 μg/L reichen nicht aus, um stabile Korrosionselemente zu erzeugen. Sie sind aber offensichtlich in der Lage, vor der Inbetriebnahme in Gang gekommene Korrosionselemente aktiv zu erhalten. Aufgrund der heute vorliegenden Kenntnisse müssen ältere Vorstellungen, wonach ein Sauerstoffgehalt von 0,1 mg/L für das Auftreten von Korrosionsschäden erforderlich sein soll, korrigiert werden. Dieser Wert basiert auf der Erfahrung aus der Untersuchung von Schäden in Anlagen mit durchströmten offenen Ausdehnungsgefäßen. Er ist insofern nach wie vor gültig, als ausschließlich durch die Betriebsweise bedingte Schäden wahrscheinlich bei geringeren Sauerstoffgehalten nicht auftreten. Er kann jedoch nicht in dem Sinne interpretiert werden, dass bei geringeren Sauerstoffgehalten keine Korrosion mehr ablaufen kann. Bei Korrosionselementen, die vor der Inbetriebnahme unter den nach einer Entleerung vorliegenden Bedingungen in Gang gekommen sind, liegt der Sauerstoffgehalt, der notwendig ist, um die Elemente in Gang zu halten, wahrscheinlich 2 Zehnerpotenzen niedriger. Zudem ist es, wie bereits beschrieben, messtechnisch nicht einfach möglich, die Sauerstoffgehalte in den einzelnen Bereichen einer Anlage zu bestimmen.

1.10.2-2

Gasbildung

Funktionsstörungen in Form von störenden Fließgeräuschen und mangelnder Heizleistung an den höchstgelegenen Heizkörpern, die durch Entlüften der Anlage kurzfristig beseitigt werden können, jedoch stets erneut wieder auftreten, werden nur bei geschlossenen Warmwasserheizungen beobachtet. Sie sind auf die Bildung von Gaspolstern zurückzuführen, die brennbaren Wasserstoff enthalten, der nach 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 der sog. „Schikorr“-Reaktion gebildet wird. Voraussetzung für das Ablaufen dieser Reaktion, deren Geschwindigkeit mit zunehmender Temperatur zunimmt, ist einerseits die Anwesenheit hinreichender Sauerstoffmengen, um Eisen unter Bildung von Eisen(2)hydroxid zur Reaktion zu bringen und andererseits die Abwesenheit zu großer Sauerstoffmengen, die nach 3 Fe(OH)2 + 1/2 O2 → Fe3O4 + 3 H2O die Bildung von Magnetit ohne Wasserstoffentwicklung begünstigen würden. Bei der chemischen Analyse des beim Entlüften anfallenden Gases wird neben Wasserstoff stets auch Stickstoff in größeren Mengen festgestellt. Dies zeigt, dass der für die primäre Reaktion erforderliche Sauerstoff durch Einsaugen von Luft in die Anlage gelangt ist. Dies ist nur bei geschlossenen Anlagen nur bei Auftreten von Unterdruck möglich. Unterdruck kann in einer geschlossenen Anlage nur auftreten, wenn das Druckausdehnungsgefäß seine Funktion nicht erfüllt. Dies ist z.B. dann gegeben, wenn der eigentliche Heizkreis bei Absenkung der Temperatur durch einen dichtschließenden Vierwegemischer vom Ausdehnungsgefäß getrennt wird. Aufgrund der beim Abkühlen des Wassers auftretenden Volumenkontraktion kommt es dann zu Unterdruck an der höchstgelege-

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

497

nen Stelle der Anlage und als Folge davon zum Einsaugen von Luft (z.B. über Stopfbuchspackungen oder O-Ring-Dichtungen von Armaturen). Häufiger ist der Grund für das Auftreten von Unterdruck jedoch beim Druckausdehnungsgefäß selbst zu suchen. Unterdruck tritt bei Absenkung der Temperatur stets dann auf, wenn das vom Ausdehnungsgefäß nachzuspeisende Wasservolumen kleiner ist als die durch die Temperaturabsenkung bewirkte Volumenkontraktion. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass – das Ausdehnungsgefäß von Anfang an in seinem Volumen zu klein bemessen war – der Vordruck auf der Gasseite des Druckausdehnungsgefäßes zu klein oder zu groß war – der Vordruck durch Gasverluste abgesunken ist – das Ausdehnungsgefäß durch Zerstörung der Gummimembran defekt geworden ist.

Bild 1.10.2-8. Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG) Bild 1.10.2-7 Schema einer Anlage mit Vierwegemischer (modifiziert)*). –––––––– *) ZVH 12-02 „Richtlinie zur Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen nach DIN 4802“, 07-1986. VDM Industrieverband Membran-Druckausdehnungsgefäße der ZVH im Fachverband Stahlblechverarbeitung e.V., Verbandshaus, Hochstraße 113–115, 58095 Hagen.

Unterdruck kann schließlich auch dadurch entstehen, dass der Betriebsdruck aufgrund von Leckverlusten so weit absinkt, dass sich die Gummimembran des Ausdehnungsgefäßes bereits während des Betriebs in Endstellung (Bild 1.10.2-8) befindet und deshalb bei Volumenkontraktion kein Wasser mehr nachgespeist werden kann. Die Menge der eingesaugten Luft entspricht maximal der durch die Abkühlung bewirkten Volumenkontraktion. Bei einer angenommenen Abkühlung des Wassers von 40 °C auf 20 °C errechnet sich für eine Anlage mit einem Gesamtwasserinhalt von 260 L eine Volumenkontraktion von 1,6 L. Das eingesaugte Luftvolumen bringt 0,32 L Sauerstoff ins Wasser, der nach der Schikorr-Reaktion durch Korrosion von 1,1 g Eisen 0,21 L Wasserstoff erzeugen kann. Wenn dies bei Anlagen mit Nachtabsenkung der Temperatur täglich auftritt, sind es bei 200 Heiztagen 42 L Wasserstoff, die durch Korrosion von 220 g Eisen entstehen. Aus der praktischen Erfahrung mit Anlagen, in denen Gasbildung aufgetreten ist, kann in Übereinstimmung mit der oben durchgeführten Überschlagsrechnung gesagt werden, dass die bei dieser Korrosionsart umgesetzten Eisenmengen so gering sind, dass Durchrostungen nicht zu befürchten sind. Das Volumen des bei der Korrosion gebildeten Wasserstoffs lässt Störungen durch Gaspolster verständlich erscheinen. Der bei dieser Korrosionsart durch die entstehenden festen Korrosionsprodukte gebildete Schlamm führt nur ausnahmsweise zu Korrosionsschäden, da er meistens in den Tiefpunkten von Heizkörpern abgelagert wird. Störungen sind aber z. B. an Wärmemengen-

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498

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

zählern beobachtet worden, bei denen sich die magnetischen Korrosionsprodukte auf den Magneten der Flügelräder angesammelt und diese schließlich zum Blockieren gebracht haben. Störungen durch Gasbildung können durch regelmäßige Kontrolle des Betriebsdrucks und der Funktion des Ausdehnungsgefäßes vermieden werden. Näheres hierzu ist in Abschn. 1.10.2-11 ausgeführt.

1.10.2-3

Schlammbildung

Zu den Korrosionsschäden durch Schlammbildung gehören neben den bereits erwähnten Funktionsstörungen an Wärmemengenzählern vor allem Zirkulationsblockierungen ganzer Heizkreise und das Festsitzen von Umwälzpumpen. Abgesehen von vereinzelten Schäden, die in Anlagen mit ungewöhnlich großen Wasserinhalten durch den Sauerstoffgehalt des Füllwassers ausgelöst worden sind, werden derartige Schäden vorzugsweise in Warmwasserheizungen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren für Fußbodenheizung bzw. Heizkörperanbindeleitungen beobachtet. Bei dem Schlamm handelt es sich zunächst im Wesentlichen um Eisen(2)hydroxid. Wenn sich der Schlamm auf den Innenflächen von Kunststoffrohren ablagert, kann er sich nach 2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 → 2 FeOOH + H2O als Folge des Sauerstoffdurchtritts durch die Kunststoffrohre in das als Rost bekannte Eisen(3)oxidhydrat umwandeln, das ansonsten im Innern von geschlossenen Anlagen nicht auftritt. Derartige Rostprodukte, wie sie in Bild 1.10.2-9 wiedergegeben sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der ursprünglich der Kunststoffrohrwandung zugewandten Seite glänzend und glatt sind, während die ursprünglich dem Heizwasser zugewandte Seite matt erscheint.

Bild 1.10.2-9. Rostprodukte aus einer Anlage mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung.

Der für die Korrosion erforderliche Zutritt von Sauerstoff zum Heizwasser erfolgt über Diffusion durch die Wandungen der nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohre hindurch. Bei 40 °C liegt die Sauerstoffdurchlässigkeit von (sperrschichtfreien) Rohren aus Vernetztem Polyethylen (PE-X), Polypropylen-Copolymerisat (PP-C) und Polybuten (PB) im Mittel bei 5,3 mg/(L · d), d.h., es liegen hinsichtlich des Sauerstoffzutritts Verhältnisse vor, als ob alle 2 Tage eine Neubefüllung der Kunststoffrohre mit luftgesättigtem Wasser mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 10 mg/L erfolgen würde.1) In einer Anlage mit 1000 m 20/2 Kunststoffrohr können auf diese Weise bei 40 °C an 200 Heiztagen pro Jahr etwa 212 g Sauerstoff in das Heizwasser gelangen und 555 g Eisen unter Bildung von 767 g Magnetitschlamm (bzw. bei zur 3wertigen Stufe weitergehender Oxidation 492 g Eisen unter Bildung von 785 g Rostschlamm) zur Korrosion bringen. Dies sind zweifellos Mengen, die zu Korrosionsschäden durch Schlammbildung führen können. Bei den heute für Fußbodenheizungen verwendeten Kunststoffrohren handelt es sich überwiegend um Rohre, die nach DIN 47262) als sauerstoffdicht bezeichnet werden können, weil die Sauerstoffdurchlässigkeit mit Hilfe von außen aufgebrachten Sperrschichten auf Werte unter 0,1 mg/(L · d) reduziert worden sind.

1) 2)

Kruse, C.-L.: Korrosion in Warmwasserheizungsanlagen als Folge von Sauerstoffdiffusion durch Kunststoffrohre. schadenprisma 11 (1982), Nr. 2, S. 17–21. DIN 4726 „Warmwasser-Flächenheizungen und Heizkörperanbindungen – Kunststoffrohr- und Verbundrohrsysteme“, 10-2008.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

499

Zur Sanierung von Heizungen, die noch mit nicht sauerstoffdichten Rohren erstellt worden sind, kommt praktisch nur eine Systemtrennung1) in Frage, wie sie in Bild 1.10.2-10 schematisch dargestellt ist (vgl. Abschn. 1.10.2-10). Wenn diese Maßnahme nicht möglich ist, bleiben nur die in Abschn. 1.10.2-12 beschriebenen Maßnahmen des Korrosionsschutzes durch Wasserbehandlung.

1

Bild 1.10.2-10. Systemtrennung bei Anlagen mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung.

1.10.2-4

Eisenoxid-Beläge

Als Folge der mit abnehmendem pH-Wert (zunehmender Konzentration an WasserstoffIonen) zunehmenden Löslichkeit des primären Korrosionsproduktes Eisen(2)hydroxid können größere Konzentrationen an Eisen(2)-Ionen vorliegen, wenn das Umlaufwasser einen relativ niedrigen pH-Wert (unter 8) aufweist. Dies ist zumeist dann der Fall, wenn als Füllwasser unbehandeltes Leitungswasser verwendet wird und eine geschlossene Anlage vorliegt, aus der das im Wasser gelöste Kohlenstoffdioxid nicht entweichen kann. Wegen der mit zunehmender Konzentration an Eisen(2)-Ionen und zunehmender Temperatur verstärkt ablaufenden Schikorr-Reaktion (s. Abschn. 1.10.2-2) kommt es dann vorzugsweise an den heißesten Stellen der Wärmeübertragungsflächen zur Bildung von harten Belägen aus schwarzen Eisen(2,3)oxid (Magnetit). In gleicher Weise wie bei der Bildung von Calciumcarbonat-Belägen (s. Abschn. 1.10.6) vergrößern die Eisenoxid-Beläge den Wärmeübergangswiderstand und beeinträchtigen dadurch (unabhängig vom Material des Wärmeübertragers) den Wärmetransport und verschlechtern den Wirkungsgrad. Dies kann besonders ausgeprägt bei Brennwertgeräten in Erscheinung treten, bei denen unter diesen Bedingungen wegen der höheren Wandtemperatur keine Kondensation mehr auftritt. Unter besonders kritischen Bedingungen kann es durch die Beläge zu thermischer Überbelastung mit der Folge von Rissbildung an Heizkesseln kommen. Die für die Bildung von Eisenoxid-Belägen erforderliche erhöhte Konzentration an Eisen(2)-Ionen kann zuverlässig durch Anhebung des pH-Wertes durch Zugabe alkalisierender Stoffe (s. Abschn. 1.10.2-12) vermieden werden.

1.10.2-5

Korrosion von Kupfer-Werkstoffen

An Kupferbauteilen treten auch bei Anwesenheit von Sauerstoff im Heizwasser praktisch keine Korrosionsschäden auf. Nur vereinzelt können die nachfolgend beschriebenen Erscheinungen beobachtet werden. Speziell in großen Fernheizsystemen sind bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff vereinzelt Schäden in Form von Wanddurchbrüchen als Folge von Korrosion unter Bildung von dicken Kupfer(1)sulfid-Schichten aufgetreten. Eine der möglichen Ursachen für die Bildung von Schwefelwasserstoff ist die Anwesenheit von sulfatreduzierenden Bakterien 1)

VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

im Heizungswasser, die bei Abwesenheit von Sauerstoff (z.B. unter Schlammablagerungen) gute Lebensbedingungen vorfinden. Die Bakterien können zum Teil auch noch bei Temperaturen um 60°C die praktisch in jedem Trinkwasser enthaltenen Sulfat-Ionen zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Der direkte Nachweis dieser im Übrigen völlig harmlosen Bakterien ist recht schwierig. Hinweise auf ihre Tätigkeit erhält man durch Bestimmung des Gehaltes an Sulfat-Ionen. Wenn dieser im Heizungswasser wesentlich niedriger liegt als im Füllwasser, kann dies nur auf die Tätigkeit der sulfatreduzierenden Bakterien zurückzuführen sein, da eine Reduktion von Sulfat-Ionen auf chemischem Wege unter den in einer Fernwärme-Heizungsanlage vorliegenden Bedingungen nicht möglich ist. Bei Anlagen, bei denen Sauerstoffbindung mit Natriumsulfit vorgenommen wird, kann sich Schwefelwasserstoff nach Na2SO3 + 6 H → 2 NaOH + H2O + H2S durch Reaktion mit Wasserstoff bilden, der bei geringen Sauerstoffgehalten aus dem primären Korrosionsprodukt Eisen(2)hydroxid in der sog. Schikorr-Reaktion (vgl. Abschn. 1.10.2-2) entstehen kann. Eine andere Möglichkeit zur Bildung von Schwefelwasserstoff wäre in der Disproportionierung von Natriumsulfit 4 Na2SO3 + H2O → 4 Na2SO4 + H2S zu sehen. Schwefelwasserstoff reagiert mit Kupfer(1)oxid, dem primären Korrosionsprodukt von Kupfer, nach Cu2O + H2S → Cu2S + H2O zu Kupfer(1)sulfid, das zwar schwerer löslich ist als das Kupfer(1)oxid, im Gegensatz zu diesem jedoch keine korrosionshemmende Deckschicht bildet. Bei erneutem Sauerstoffzutritt kommt es dann an den mit Kupfer(1)sulfid bedeckten Bereichen sofort zur Bildung von Kupfer(1)oxid. Die Bildung von Kupfer(1)sulfidschichten muss nicht, wie in Einzelfällen geschehen, zu Wanddurchbrüchen führen. Sie kann jedoch wegen der mit der Korrosion verbundenen Volumenzunahme zu Störungen anderer Art führen. So sind z.B. umfangreiche Schäden an Präzisions-Regelventilen von Induktions-Klimageräten aufgetreten, die darauf zurückzuführen waren, dass die Ventilkegel im Ventilsitz durch etwa 20 μm dicke Kupfer(1)sulfidschichten blockiert worden sind. Von den Kupfer-Legierungen sind vorzugsweise die Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) zu nennen, die sich bei Abwesenheit von Sauerstoff genauso unproblematisch verhalten wie das Kupfer selbst. Bei Anwesenheit von Sauerstoff kann eine spezielle Korrosionsart, die Entzinkung, auftreten. Die entzinkten Bereiche zeichnen sich von der übrigen Oberfläche dadurch ab, dass sie nicht die gelbliche Färbung des Messings, sondern die rötliche Färbung des Kupfers aufweisen, das zurückbleibt, während das Zink durch Korrosion in Lösung geht oder in Form von Korrosionsprodukten auf der Oberfläche abgelagert wird. Während die Form des Bauteils bei der Entzinkung erhalten bleibt, findet in den entzinkten Bereichen eine erhebliche Abnahme der Festigkeit statt, die bei Druckbelastung zum Herausbrechen dieser Bereiche führen kann. Eine weitere spezielle Korrosionsart bei Anwesenheit von Sauerstoff, die Erosionskorrosion, wird nur bei örtlich sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit beobachtet, wie sie z.B. zwischen Dichtungssitz und Dichtungskörper von Feinregulierventilen auftreten kann. Sie ist gekennzeichnet durch das Fehlen von Korrosionsprodukten, die durch die Einwirkung der Strömung abgetragen werden. Die Erosionskorrosion bei Messing wird durch eine erhöhte Alkalität des Heizwassers (wie sie z.B. bei Zugabe stärker alkalisch reagierender Korrosionsschutz-Additive möglich ist) begünstigt, da die Zink-Korrosionsprodukte unter diesen Bedingungen unter Bildung von Zinkat-Ionen aufgelöst werden.

1.10.2-6

Korrosion von Aluminium-Werkstoffen

Aluminium und dessen Aluminiumlegierungen werden z.B. auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit und der geringen Dichte für Heizkörper und im Kesselbereich verwendet. Das Korrosionsverhalten der Aluminiumwerkstoffe wird hauptsächlich durch den ph-Wert des Heizungswassers bestimmt. Korrosionsschäden können deshalb sowohl in sauerstoffhaltigen als auch sauerstofffreien Heizungswässern auftreten. In sauerstofffrei-

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

en Wässern ist die Korrosion meist stärker, da sich die Oberflächen nicht repassivieren können. Aluminium und Aluminiumlegierungen bilden in Wasser Aluminiumoxidschichten, die im pH-Wert-Bereich von 4,5 bis 8,5 stabile Schutzschichten darstellen können. 2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2 Kommt es zur Auflösung oder Zerstörung der Schutzschichten kann die Flächenkorrosion von Aluminium ungehindert fortschreiten. Gleichzeitig treten Korrosionserscheinungen bzw. -schäden durch die einhergehende Wasserstoffbildung auf. Bei pH-Werten > 8,5 kommt es selbst bei völliger Abwesenheit von Sauerstoff zur Aluminatbildung. 2 Al + 6 H2O + 2 OH– → 2 [Al(OH)4]– + 3 H2 Gelangt Luft und damit CO2 in das Heizungswasser, so wird das Aluminat zu Aluminiumhydroxid umgebildet, das dann als Schlamm ausfallen kann. [Al(OH)4]– + CO2 → Al(OH)3 + HCO3– An Aluminiumwerkstoffen ist Lochkorrosion bei Anwesenheit von bestimmten Neutralsalzen (z.B. Chlorid) oder bei der Ablagerung von Schwermetallen (z.B. Cu) auf der Oberfläche möglich. Interkristalline Korrosion findet praktisch nur bei Aluminiumlegierungen statt (z.B. AlMg- und AlCuMg-Legierungen). Voraussetzung ist ein selektiver Angriff des unedleren Gefügebestandteils (z.B. Mg). Spannungsrisskorrosion hat praktische Bedeutung nur bei hochfesten, aushärtbaren AlZnMg-Legierungen und bei AlMg-Legierungen mit >4% Mg. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch entsprechende Legierungszusätze erhöht werden. Konstruktionsbedingt ist Bimetallkorrosion beim Zusammenbau von Aluminiumlegierungen mit anderen metallischen Werkstoffen wie z.B. Stählen und Kupferlegierungen möglich. Wesentlichen Einfluss hat das Flächenverhältnis zwischen Anode und Kathode und die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers. Erosionskorrosion wird bei Aluminiumlegierungen erst ab Geschwindigkeiten über 3 m/s beobachtet und ist daher in Heizungsanlagen von geringer Bedeutung.

1.10.2-7

Korrosion von feuerverzinktem Stahl

Aufgrund der Temperaturen in Warmwasser-Heizungsanlagen dürfen wasserseitig feuerverzinkte Bauteile wegen der Blasenbildung im Bereich des Zinküberzuges und der möglichen Folge von Abplatzungen nicht zum Einsatz kommen. Fittings und Verbindungsstücke, die aus Korrosionsschutzgründen außen galvanisch verzinkt sind und bei denen technisch unvermeidbar ein gewisser Zinkeintrag auf die Innenoberflächen erfolgt, dürfen zur Verbindung von innen nicht beschichteten Rohren aus unlegiertem Stahl eingesetzt werden.

1.10.2-8

Korrosion von nichtrostenden Stählen

Wasserseitige Korrosion tritt bei nichtrostenden Stählen in Heizwasser nicht auf. Funktionsstörungen an Regelarmaturen, die durch Blockieren einer Achse aus nichtrostendem Stahl in einer O-Ring-Dichtung oder einer Messing-Buchse verursacht werden, sind auf – verdunstete Wasserinhaltsstoffe in Verbindung mit einer Versprödung der Gummidichtung – Bildung von Korrosionsprodukten auf der Messing-Buchse oder – kathodische Abscheidung von Calciumcarbonat, Eisen(2)carbonat oder (aus Messing stammenden) Zink-Korrosionsprodukten zurückzuführen.

1.10.2-9

Bimetallkorrosion, Mischinstallation

Bimetallkorrosion, bei der unedlere Werkstoffe (Eisen, Zink, Aluminium) in metallen leitendem Kontakt mit edleren Werkstoffen (Kupfer-Legierungen, nichtrostende Stähle) verstärkt angegriffen werden, tritt in Heizwasser deshalb nicht auf, weil bei den geringen Sauerstoffkonzentrationen in Heizwasser der Sauerstoffzutritt geschwindigkeitsbestimmend wird. Die Geschwindigkeit der Sauerstoffreduktion, die ansonsten durch den Kon-

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

takt mit den edleren Werkstoffen erhöht wird, spielt dann keine wesentliche Rolle mehr. Auch die in der Sanitärtechnik beobachtete Beeinflussung der Korrosion von feuerverzinktem und unlegiertem Stahl durch in Lösung gegangene Kupfer-Ionen spielt in der Heizungstechnik deshalb keine Rolle.

1.10.2-10 Korrosionsschutz bei Planung und Inbetriebnahme Der Korrosionsschutz beginnt üblicherweise bei der Planung mit der Vorgabe der Werkstoffe und der Konstruktionsprinzipien. Die Werkstoffwahl für Warmwasserheizungen bereitet keine Probleme, sofern es sich tatsächlich um geschlossene Systeme handelt. In diesen Fällen können uneingeschränkt unlegierte Eisenwerkstoffe (Stahl, Guss) zum Einsatz kommen. Der mit dem Füllwasser eingebrachte Sauerstoff kann nur in so geringem Ausmaß Korrosion verursachen (vgl. Abschn. 1.10.2-1), dass Korrosionsschäden normalerweise nicht zu befürchten sind. Der Einsatz korrosionsbeständigerer Werkstoffe ist deshalb nicht gerechtfertigt. Anders liegen die Dinge, wenn es sich um Anlagen handelt, in die ständig Sauerstoff gelangen kann, wie dies z.B. bei Anlagen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren der Fall ist. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden müssen hier korrosionsbeständigere Werkstoffe verwendet werden, z.B. nichtrostender Stahl, Kupfer, Rotguss oder Kunststoff. Als konstruktive Lösung empfiehlt sich bei Anlagen dieser Art die Trennung in zwei Kreise mit Hilfe eines Wärmeübertragers (Bild 1.10.2-10). Der Einsatz korrosionsbeständigerer Werkstoffe ist dann nur in dem Kreis mit den Kunststoffrohren für den Verteiler, die Umwälzpumpe, das Ausdehnungsgefäß und den Wärmeaustauscher einschließlich der Leitungen zu und von den Verteilern erforderlich. Im geschlossenen Kreis auf der Primärseite des Wärmeübertragers können dann für die Rohre, Pumpen, zusätzliche Heizkörper und vor allem für den Heizkessel unlegierte Eisenwerkstoffe verwendet werden. Bei Anlagen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren sind auch die üblicherweise für Armaturen und Verschraubungen verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen nicht immer ausreichend korrosionsbeständig, da sie unter diesen Bedingungen verstärkt zu Entzinkung (vgl. Abschn. 1.10.2-5) neigen. Für kritische Teile wie z.B. Verschraubungen für Kunststoffrohre im Estrich sollte deshalb auf die Kupfer-Zinn-Legierungen (Rotguss) ausgewichen werden. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden in Anlagen mit Kunststoffrohren empfiehlt sich vor allem die Verwendung von sauerstoffdichten Rohren nach DIN 4726,1) die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie weniger als 0,1 mg/(l · d) Sauerstoff durchlassen. Durch Multiplikation mit dem auf 1 m Rohrlänge bezogenen Volumen (Metervolumen) Durchmesser/Wanddicke Metervolumen [mm] [L/m] 20/2 0,201 19/2 0,177 18/2 0,154 17/2 0,133 16/2 0,113 ergibt sich z. B. für ein 20/2-Rohr eine maximale längenbezogene Sauerstoffdurchlässigkeit von 0,02 mg/(m · d). Bei einer Anlage mit 1000 m Rohrlänge würde dies bei 200 Heiztagen pro Jahr (unter der Annahme einer Heizungswassertemperatur von 40 °C) einer Sauerstoffaufnahme von maximal 4 g entsprechen, womit etwa 10 g Eisen unter Bildung von 14,5 g Magnetit zur Korrosion gebracht werden können. Korrosion in dieser Größenordnung wird normalerweise keine Funktionsbeeinträchtigungen verursachen können. Abgesehen davon ist darauf hinzuweisen, dass die heute handelsüblich erhältlichen Rohre zum Teil Sperrwirkungen aufweisen, die noch eine Zehnerpotenz besser sind als der in der Norm geforderte Wert. Fragen der Konstruktion beeinflussen die Korrosion vor allem bei Anlagen mit offenem Ausdehnungsgefäß, über das grundsätzlich immer Sauerstoff in das Heizwasser gelangen kann. Die Menge des eingetragenen Sauerstoffs ist besonders groß, wenn das Gefäß vom Heizwasser durchströmt wird. Für den Anschluss mit zwei Sicherheitsleitungen wird in

1)

DIN 4726 „Warmwasser-Flächenheizungen und Heizkörperanbindungen – Kunststoffrohr- und Verbundrohrsysteme“, 10-2008.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

503

der VDI 20351) eine Schaltung nach Bild 1.10.2-11 empfohlen, bei der ebenfalls keine nennenswerte Zirkulation von Heizwasser durch das Ausdehnungsgefäß stattfindet.

1 Bild 1.10.2-11. Empfohlene Anordnung eines offenen Ausdehnungsgefäßes.

Bild 1.10.2-12. Schaltungen zur Vermeidung von Unterdruck bei dichtschließendem Vierwegemischer.

Bei größeren Anlagen mit Membranausdehnungsgefäßen, bei denen die Druckhaltung mit Hilfe von Luft-Kompressoren erfolgt, ist darauf hinzuweisen, dass auch die Gummimembran dieser Behälter derart durchlässig für Sauerstoff ist, dass es als Folge davon zu Korrosionsschäden kommen kann. In Verbindung mit kompressorgesteuerten Membranausdehnungsgefäßen müssen deshalb besondere Maßnahmen zu Korrosionsschutz getroffen werden. Sauerstoffdurchlässig sind auch die zu Anbindung von Heizkesseln und Kleinklimageräten in steigendem Maße verwendeten stahlarmierten Gummischläuche. Bei Kenntnis der Sauerstoffdurchlässigkeit (in Abhängigkeit von der Temperatur) und der zum Einsatz kommenden Längen kann die auf diese Weise in die Anlage kommende Sauerstoffmenge abgeschätzt werden. In vielen Fällen wird sie hinreichend klein sein, so dass keine besonderen Maßnahmen zum Korrosionsschutz erforderlich sind. Sauerstoffzutritt zum Heizwasser erfolgt zwangsläufig in Anlagen, bei denen die Druckhaltung mit Druckdiktierpumpen vorgenommen und das Pendelwasservolumen in einem zur Atmosphäre hin offenen Behälter gespeichert wird. Dies ist vielfach bei älteren Fernheizanlagen der Fall, neuerdings jedoch auch in Verbindung mit speziellen Anlagen zur Entfernung von Luft aus dem Heizwasser. Korrosionsschäden an Stahlheizkörpern als Folge örtlicher Korrosion in Anlagen mit verhältnismäßig geringem Sauerstoffzutritt stehen häufig im Zusammenhang mit Vorgängen vor der eigentlichen Inbetriebnahme (vgl. Abschn. 1.10.2-1). Die einfachste und wichtigste Maßnahme zur Vermeidung derartiger Schäden besteht darin, die Heizkörper 1)

VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Blatt 2: Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

504

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

nach der ersten Befüllung nicht so zu entleeren, dass sie mit Wasserresten gefüllt längere Zeit unkontrollierter Korrosion ausgesetzt sind. Wenn, durch das Baugeschehen bedingt, Heizkörper wieder demontiert und dazu entleert werden müssen, dann ist unbedingt darauf zu achten, dass sie vollständig entleert werden.

1.10.2-11 Korrosionsschutz durch Vermeidung von Unterdruck Unterdruck als Folge dichtschließender Vierwegemischer, wie in Abschn. 1.10.2-2 beschrieben, kann durch Anordnung der Druckausdehnungsgefäße entsprechend Bild 1.10.2-12 verhindert werden.1) Wichtigste Voraussetzung dafür, dass Unterdruck nicht als Folge unzureichender Funktion des Druckausdehnungsgefäßes auftritt, ist zunächst die richtige Bemessung der Größe des Gefäßes.2) Wenn das Gefäß zu klein bemessen ist und deshalb das beim Aufheizen durch Wärmeausdehnung anfallende Wasservolumen nicht aufnehmen kann, wird beim Erreichen des Ansprechdruckes am Sicherheitsventil Heizungswasser abgelassen. Beim Abkühlen erreicht dann die Gummimembran des Ausdehnungsgefäßes vorzeitig ihre Endstellung (Bild 1.10.2-8), weshalb dann nicht genug Wasser vom Gefäß nachgespeist werden kann. Als Folge davon tritt im höchstgelegenen Bereich der Anlage Unterdruck mit den in Abschn. 1.10.2-2 und 1.10.2-3 beschriebenen Auswirkungen auf. Für Anlagen mit maximalen Betriebstemperaturen unter 100 °C kann die erforderliche Größe des Ausdehnungsgefäßes mit dem in Bild 1.10.2-13 dargestellten Nomogramm3) bestimmt werden. Die ermittelte Wassermenge wird oben auf der Ordinate aufgetragen. Von diesem Punkt wird eine Parallele zur Abszisse gezeichnet. Der sich aus der statischen Höhe ergebende Vordruck wird unten auf die Ordinate eingetragen. Auch von hier wird eine Parallele zur Abszisse gezeichnet. Vom Schnittpunkt mit der Kurve für einen Enddruck von 2,0 bar (bei einem Sicherheitsventil mit einem Einstelldruck von 2,5 bar) oder für einen Enddruck von 2,5 bar (bei einem Sicherheitsventil mit einem Einstelldruck von 3,0 bar) wird eine Parallele zur Ordinate gezeichnet. Die erste Kurve über dem Schnittpunkt mit der eingezeichneten Geraden im oberen Feld charakterisiert das erforderliche Ausdehnungsgefäß. Bei der Inbetriebnahme von Anlagen mit Druckausdehnungsgefäßen ist es wichtig, zunächst den Vordruck des Gefäßes auf den statischen Druck der Anlage einzustellen. Nur bei Anpassung des Vordrucks an den statischen Druck der Anlage ist sichergestellt, dass das Gefäß sein maximales Füllvolumen aufnehmen kann. Bei zu niedrigem Vordruck ist es schon bei Anstehen nur des statischen Drucks zu einem Teil mit Wasser gefüllt, das jedoch gegen den statischen Druck der Anlage nicht wieder in die Anlage eingespeist werden kann. Bei zu großem Vordruck ist die mögliche Wasseraufnahme des Gefäßes geringer, weil der Ansprechdruck des Sicherheitsventils bereits bei einem geringeren aufgenommenen Wasservolumen erreicht wird. Der Vordruck ist ausschließlich für den möglichen Füllzustand des Gefäßes von Bedeutung. Im Übrigen werden die Druckverhältnisse der Anlage ausschließlich durch die beim Befüllen eingebrachte Wassermenge bestimmt. Die einfachste Methode, das an den statischen Druck der Anlage angepasste Druckausdehnungsgefäß optimal zu Befüllen und damit die größte Sicherheit gegen Unterdruckzustände zu erzielen, besteht darin, die Anlage nach einem ersten Befüllen und Entlüften auf maximale Betriebstemperatur aufzuheizen und anschließend bis zum Erreichen des Enddrucks bis zum Ansprechen des Sicherheitsventils aufzufüllen. Die wichtigste Wartungsmaßnahme besteht nun darin, die Druckverhältnisse in regelmäßigen Zeitabständen zu überprüfen und gegebenenfalls Wasser nachzufüllen. Der bei den üblichen Wasserverlusten mit dem nachgefüllten Wasser in die Anlage gelangende Sauerstoff kann nach den Abschätzungen in Abschn. 1.10.2-1 als unkritisch angesehen werden. Als Hilfsmittel für die Druckkontrolle kann ein Diagramm entsprechend Bild

1)

2) 3)

ZVH 12-02 „Richtlinie zur Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen nach DIN 4802“, 07-1986. — VDM Industrieverband Membran-Druckausdehnungsgefäße der ZVH im Fachverband Stahlblechverarbeitung e.V., Verbandshaus, Hochstraße 113–115, 58095 Hagen. DIN EN 13831 „Ausdehnungsgefäße mit eingebauter Membrane für den Einbau in Wassersystemen“, 12-2007. VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

505

1

Bild 1.10.2-13. Diagramm für die Bemessung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen.

1.10.2-141) dienen. Die untere Kurve zeigt hier den Betriebsüberdruck, der in keinem Fall unterschritten werden darf. Die obere Kurve zeigt den Betriebsüberdruck, der nicht überschritten werden sollte, damit bei der maximalen Betriebstemperatur der Ansprechruck des Sicherheitsventils nicht überschritten wird. Die Kontrolle des Vordrucks im Druckausdehnungsgefäß ist verhältnismäßig einfach mit Hilfe eines Reifendruckprüfers durchzuführen, wenn die Leitung zwischen Gefäß und Anlage durch ein nach DIN 4751 zulässiges Kappenventil zum Zwecke der Überprüfung abgesperrt werden kann. In allen anderen Fällen kann der Vordruck nur nach Absenken des Betriebsdrucks am Ausdehnungsgefäß durch Ablassen von Heizungswasser ermittelt werden.

1)

VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.2-14. Betriebsüberdruck/Temperatur-Kurven. Die untere Kurve zeigt den minimal erforderlichen, die obere Kurve den maximal empfehlenswerten Betriebsdruck (Beispiel für eine Anlage mit pvor = 1,0 bar, VAnlage = 720 L und VAG = 80 L).

1.10.2-12 Korrosionsschutz durch Wasserbehandlung Unter Beachtung der Vorgaben des Regelwerks (insbesondere VDI 2035-1 und -2) ist in der überwiegenden Zahl von Anlagen eine Behandlung des Füllwassers zum Korrosionsschutz nicht erforderlich. Durch die anfängliche Korrosionsreaktion der Werkstoffe mit dem Sauerstoff aus dem Füllwasser tritt zudem eine für die verwendeten Werkstoffe günstige Alkalisierung ein (Ausnahme: Aluminium, s. Abschn. 1.10.2-6). Für den Fall größerer Anlagen ist der Zutritt von Sauerstoff im Betrieb nicht immer sicher dauerhaft zu verhindern. Hier sollte bei Bedarf der Einsatz von chemischen Sauerstoffbindemitteln geprüft werden. Ein schon länger verwendetes Produkt ist das Natriumsulfit, das nach Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4 mit dem Sauerstoff unter Bildung von Natriumsulfat reagiert. Die vielfach geäußerten Bedenken wegen der bei Anwendung dieser Chemikalie auftretenden Erhöhung des Gesamtsalzgehaltes des Wassers sind zumindest solange nicht gerechtfertigt, wie sichergestellt ist, dass die Sauerstoffkonzentration im Heizwasser hinreichend klein ist. Wenn dies nicht der Fall ist, muss in erster Linie an Störungen durch die bei Kupferwerkstoffen beobachtete Bildung von Kupfer(I)sulfid-Korrosionsprodukten gerechnet werden. Aus der Stoffgruppe der organischen Reduktionsmittel stammen die Hydrazin-Ersatzstoffe, deren Eigenschaften in1) zusammengestellt sind. Neben seit Jahrzehnten angewendeten Stoffen wie den Tanninen gehören hierzu auch Stoffe wie die als Vitamin C bekanntere Ascorbinsäure, die besonders wegen ihrer Ungiftigkeit bei der Handhabung und bei einem gegebenenfalls erforderlich werdenden Ablassen des behandelten Heizwassers in die Kanalisation Vorteile aufweist. Im Gegensatz zum Korrosionsschutz durch Sauerstoffbindung, bei dem die Korrosion durch Entfernen des erforderlichen Oxidationsmittels unmöglich gemacht wird, erfolgt beim Korrosionsschutz durch Zugabe von Inhibitoren zum Heizwasser lediglich eine Behinderung einer grundsätzlich nach wie vor möglichen Korrosion. Zum Verständnis der hierbei zu beachtenden Probleme muss auf die Ausführungen in Abschn. 1.10.1-2 zum Korrosionselement verwiesen werden. Je nachdem, ob ein Inhibitor überwiegend die anodische Teilreaktion (der Metallauflösung) oder die kathodische Teilreaktion (der Reduktion eines Oxidationsmittels) beeinflusst, spricht man von einem kathodischen oder anodischen Inhibitor. Als kathodischer Inhibitor ist z.B. das in nahezu allen Leitungswässern enthaltene Calciumhydrogencarbonat anzusehen, das im Bereich der durch die entstehenden Hydroxyl-Ionen alkalisch reagierenden Kathodenflächen Calciumcarbonat-Deckschichten bildet, die dann die ka-

1)

Höhenberger, L.: Alternativen zum Einsatz von Hydrazin in Dampf- und Heißwasseranlagen. Akademie TÜV Bayern GmbH, Beiträge zur Kesselwasserbetriebstechnik 87 (1988), S. 3–23.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

thodische Sauerstoffreduktion hemmen, weil sie als Nichtleiter den Durchtritt von Elektronen behindern. Die im Handel erhältlichen Inhibitormischungen enthalten überwiegend anodische Inhibitoren, die die Korrosion durch Bildung von Deckschichten mit dem korrodierenden Metall hemmen. Diese Deckschichten behindern jedoch normalerweise nicht die kathodische Reaktion. Wenn der Schutz mit anodischen Inhibitoren nicht vollständig ist, so führt dies dazu, dass u.U. sehr kleine nichtgeschützte anodische Bereiche relativ großen kathodischen Flächen gegenüberstehen. Unter diesen Bedingungen kann es dann zu stark ausgeprägter örtlicher Korrosion kommen, die sich in Form von Lochkorrosion bemerkbar macht. Aufgrund dieses Effektes werden anodische Inhibitoren auch als gefährliche Inhibitoren bezeichnet. Bereiche, in denen der Schutz durch anodische Inhibitoren erschwert ist, sind Stellen, an denen der Zutritt der Inhibitoren geometrisch behindert ist, z.B. in Spalten, unter zerklüfteten Schweißnähten, unter Ablagerungen und Korrosionsprodukten. Die beste Wirksamkeit ist deshalb bei metallisch blanken Oberflächen zu erwarten. Dies ist jedoch auch bei neu erstellten Anlagen praktisch nie gegeben. Bei Anlagen, die bereits längere Zeit in Betrieb gewesen sind und Korrosionsprodukte gebildet haben, müssten die Innenflächen vor der Zugabe von Inhibitoren mit Säuren metallisch blank gebeizt werden, was jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden wäre und deshalb kaum praktiziert wird. Speziell bei Fußbodenheizungen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren sind zur Vermeidung von Schlammbildung vielfach Inhibitoren eingesetzt worden. Während die Schlammbildung auf diese Weise unterbunden werden kann, besteht ein erhöhtes Risiko für örtliche Korrosion. Ein hierfür typischer Schaden an einem Röhrenradiator ist in Bild 1.10.2-4 wiedergegeben. Da sich die Inhibitoren in unterschiedlichem Ausmaß mit der Zeit verbrauchen, ist es erforderlich, die Konzentration der Wirkstoffe in regelmäßigen Abständen zu kontrollieren. Hierzu empfiehlt es sich, Proben des Heizwassers zur Kontrolle an die jeweilige Lieferfirma einzusenden. In Anlagen mit Kunststoffrohren dürfen grundsätzlich nur vom Rohrhersteller zugelassene Inhibitoren unter Beachtung der Angaben in dem bei jeder Rohrlieferung nach DIN 4726 vorgeschriebenen Beipackzettel verwendet werden.

1.10.2-13 Frostschutzmittel Frostschutzmittel werden erforderlich, wenn eine bereits fertiggestellte aber noch nicht in Betrieb genommene Warmwasserheizung eine Winterperiode in frostgefährdeten Räumen schadensfrei überstehen soll (Kurzzeitanwendung). Ein weiterer Einsatzbereich für Frostschutzmittel sind nicht durchgehend betriebene Warmwasserheizungen in Wochenend- bzw. Ferienwohnanlagen (Daueranwendung). Bei den im Heizungsbereich eingesetzten Frostschutzmitteln handelt es sich überwiegend um Glykol/Wasser-Gemische, denen Puffersubstanzen und Korrosionsinhibitoren beigemischt sind. Bei der Daueranwendung von Frostschutzmitteln im Heizungsbereich sind der pH-Wert, die Pufferung, der Inhibitorgehalt und der Frostschutz (Dichtemessung) zu Beginn der Heizperiode bzw. nach Angaben des Herstellers zu überprüfen. Bei Zutritt von Sauerstoff werden die Glykole zu organischen Säuren oxidiert. Durch die Zugabe der Pufferstoffe wird verhindert, dass der pH-Wert des Heizwassers durch die organischen Säuren in den sauren Bereich absinkt und es zu Säurekorrosion an den metallischen Bauteilen kommt. In geschlossenen Anlagen ohne ständigen Sauerstoffzutritt tritt die Oxidation von Glykol praktisch nicht auf. Außer Pufferstoffen enthalten die handelsüblichen Frostschutzmittel noch Korrosionsinhibitoren. Da diese Inhibitoren überwiegend anodisch wirksam sind (s. Abschn. 1.10.212), besteht die Gefahr von Lochkorrosion bei Unterkonzentration. Für die Praxis bedeutet dies, dass auch dann, wenn nicht so hohe Anforderungen an den Frostschutz gestellt werden, eine vom Hersteller anzugebende Mindestkonzentration eingehalten werden muss. Beim Fehlen dieser Angabe ist ein Gehalt von 30% (Volumen-%) anzuwenden. Auf eine mögliche Unterkonzentration ist auch bei der Zugabe von Ergänzungswasser zu achten. Als Ergänzungswasser sollte deshalb das gleiche Frostschutzmittel/Wasser-Gemisch verwendet werden. Im Kurzzeiteinsatz von Frostschutzmitteln ohne Heizbetrieb können auch reine Glykol/ Wasser-Gemische ohne Pufferstoffe und Inhibitoren verwendet werden. Bei Umstellung

507

1

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

auf frostschutzmittelfreien Betrieb ist die Anlage nach Entleerung mit Wasser zu spülen, damit das Glykol möglichst vollständig entfernt wird. Wegen einer gegenüber Wasser erhöhten Kriechfähigkeit von Glykol/Wasser-Gemischen muss mit einer Begünstigung von Undichtigkeiten im Bereich von Dichtstellen gerechnet werden. Die Auswahl geeigneter Dichtmittel und die Beachtung der Verarbeitungsvorschriften sind deshalb bei mit Frostschutzmittel zu befüllenden Anlagen von besonderer Bedeutung. Bei der Entleerung von mit Frostschutzmitteln befüllten Warmwasserheizungen sind die bestehenden Abfall- und Entsorgungs-Vorschriften zu beachten.

1.10.3

Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

Korrosionsschäden an Niederdruck-Dampfanlagen sind verhältnismäßig selten, weil das Ausmaß von Korrosion in diesen Anlagen durch sachgerechte Konstruktion, Wasseraufbereitung und Betriebsweise recht gut unter Kontrolle gehalten werden kann. Sie sind nur möglich, wenn Sauerstoffzutritt gegeben ist oder wenn bei Anlagen mit Dampfentnahme eine auf diese Betriebsweise nicht ausreichend abgestimmte Wasseraufbereitung erfolgt.

1.10.3-1

Korrosionsschäden

Wanddurchbrüche bei Dampferzeugern entstehen praktisch ausschließlich von der Seite des Kesselwassers, kaum jedoch von der Feuerraumseite oder der Primärseite von Wärmeübertragern aus. Ein Wanddurchbruch ist hier nicht nur als Schaden an der Anlage zu betrachten, sondern vor allem unter dem Gesichtspunkt möglicher Gefahren für Leib und Leben des Bedienungspersonals. Hieraus ergibt sich die Rechtfertigung von gesetzlichen Vorschriften, wie der Dampfkesselverordnung und Regelwerken wie den Technischen Regeln Dampf (TRD). Notwendige Voraussetzung für das Ablaufen von Korrosion, die zum Wanddurchbruch führen kann, ist die Anwesenheit von Sauerstoff im Kesselwasser. Sauerstoff im Kesselwasser muss jedoch nicht zwangsläufig zu Korrosionsschäden führen. Bei unlegiertem Stahl kann sich in salzfreiem Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit unter 0,2 μS/cm eine aus Eisenoxiden bestehende Schutzschicht ausbilden. In salzhaltigem Wasser ist dies nicht möglich, weil insbesondere die im Wasser enthaltenen Chlorid-Ionen befähigt sind, die Oxidschicht zu durchdringen und örtliche Korrosion auszulösen. Durch Erhöhung der Konzentration an Hydroxyl-Ionen (Anhebung des pH-Wertes durch Zugabe alkalisierender Stoffe) kann die Bildung der Oxidschicht in einem solchen Maß begünstigt werden, dass geringere Salzgehalte unschädlich sind. Dies ist der Grund für die Forderung eines Mindest-pH-Wertes bzw. einer Mindest-Alkalität in den einschlägigen Richtlinien.1) Im Innern eines Dampferzeugers unterliegt die Zusammensetzung des Kesselwassers wegen des Zurückbleibens der Wasserinhaltsstoffe beim Verdampfungsvorgang laufenden Änderungen. Ob Korrosion möglich ist oder nicht, hängt von den jeweiligen Konzentrationen an Alkalien, Salzen und Sauerstoff ab. Schäden werden praktisch ausschließlich im Bereich der Dreiphasengrenze Metall/Wasser/Dampfraum beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Schäden nicht durch die Bedingungen beim Betrieb des Dampferzeugers, sondern auf die Bedingungen in Stillstandszeiten zurückzuführen sind, in denen beim Abkühlen des Kesselwassers auf Temperaturen unter 100 °C Unterdruck entsteht, der zum Eindringen von Luft in den Dampfraum führt. In solchen Fällen spricht man von Stillstandskorrosion. Bei Wärmeübertragern mit Heizbündeln aus Kupferrohr sind vereinzelt auftretende Schäden auf eine Wechselwirkung von mechanischer und korrosiver Belastung zurückzuführen. Wenn, durch die Konstruktion oder Betriebsweise bedingt, von Dampf mitgerissene Wassertröpfchen auf die Kupferoberfläche prallen, verursachen sie hier eine örtliche Zerstörung der schützenden Oxidschicht. An diesen Stellen kann es dann zu einem verstärkten Korrosionsabtrag kommen, wenn das Speisewasser sauerstoffhaltig ist. Ähnlich kritische Verhältnisse liegen in Bereichen vor, in denen Heizrohre durch Haltebleche durchgeführt sind. Hier kann es beim Auf- und Abheizen als Folge der thermi1)

TRD 6112001-08 „Speisewasser und Kesselwasser von Dampferzeugern der Gruppe IV“.

1.10.3 Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

509

schen Längenänderung des Rohres zu einer mechanischen Belastung der Metalloberfläche durch Reiben an dem feststehenden Halteblech kommen, was ebenfalls zu einer Zerstörung der Oxidschicht mit anschließend verstärkter Korrosion führen kann. Schäden dieser Art können sowohl bei Stahl- als auch bei Kupferrohren auftreten. Bild 1.10.3-1 zeigt ein undicht gewordenes Stahlrohr.

Bild 1.10.3-1. Durch Reibkorrosion an einem Halteblech undicht gewordenes Stahlrohr.

Bei Wärmeübertragern aus nichtrostenden Stählen (austenitische Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle) werden hin und wieder Schäden durch Spannungskorrosion beobachtet. Ursache für diese Korrosionsart ist stets das Vorliegen konstruktions-, fertigungs- oder betriebsbedingter Zugspannungen im Werkstoff und die Anwesenheit erhöhter Gehalte an Chlorid-Ionen im Wasser. Während die Zugspannungen praktisch nicht vermieden werden können, ist die Anwesenheit erhöhter Chlorid-IonenGehalte zumeist auf Fehler bei der Betriebsweise zurückzuführen. Häufigere Fehler sind die unzureichende Funktionskontrolle der Entsalzungsanlage oder die unzureichende Absalzung des Kesselwassers. Besonders gefährdet sind die Wärmeübertragungsflächen, die sich im Bereich einer Dreiphasengrenze Werkstoff/Wasser/Dampfraum befinden, da es hier beim Betrieb zwangsläufig zur Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe kommt. Unter diesen Bedingungen ist dann auch der im Speisewasser für Dampferzeuger aus nichtrostendem Stahl zumeist nicht entfernte Sauerstoff zu berücksichtigen. In erster Näherung kann man davon ausgehen, dass die Korrosionswahrscheinlichkeit mit dem Produkt aus Chlorid-Ionen- und Sauerstoffkonzentration des Wassers zunimmt. Die häufigsten Schäden an Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl treten dort auf, wo das erste Kondensat anfällt. Ursache für den im Bereich einer Kondensatrinne zumeist gleichförmig erfolgenden Abtrag ist ein erhöhter Gehalt des Kondensats an Kohlenstoffdioxid. Derartige Korrosionsschäden werden praktisch ausschließlich in Anlagen mit Dampfentnahme beobachtet, in denen wegen der Dampfentnahme größere Mengen an Zusatzspeisewasser erforderlich sind. Üblicherweise wird das Zusatzspeisewasser von Niederdruck-Dampfanlagen nur enthärtet und entgast. Es enthält somit Natriumhydrogencarbonat, das beim Erhitzen Kohlenstoffdioxid abspaltet, welches mit dem Dampf ausgetrieben in das Kondensat gelangt. Auch bei dieser Korrosionsart spielt der Sauerstoff eine wesentliche Rolle. Das Ausmaß der Korrosion ist in belüfteten Kondensatleitungen erheblich größer als in geschlossenen Anlagen, bei denen auch die Kondensatleitungen unter einem geringen Überdruck stehen.

1.10.3-2

Korrosionsschutz

Vorrangiges Ziel des Korrosionsschutzes in Niederdruck-Dampfanlagen ist es, ein geschlossenes System zu schaffen, in das kein Luftsauerstoff eindringen kann. Zum Schutz der Kondensatleitungen muss die Bildung von Kohlenstoffdioxid-haltigem Kondensat verhindert werden. Am wenigsten Probleme bereiten geschlossene Anlagen mit vollständiger Kondensatrückführung. Als Speisewasser kann sauerstoffhaltiges Wasser verwendet werden, das zur Vermeidung von Steinbildung lediglich enthärtet sein muss. Der mit dem Füllwasser eingebrachte Sauerstoff und das beim Erhitzen freiwerdende Kohlenstoffdioxid reichen nicht aus, um Korrosionsschäden zu verursachen. Bei nicht geschlossenen Anlagen (mit vollständiger Kondensatrückführung), in denen das Kondensat in den Kondensatleitungen oder in einem offenen Kondensatsammelbehälter belüftet wird, kann auf eine Entfernung des Sauerstoffs aus dem Speisewasser nicht verzichtet werden. Anlagen, bei denen Dampf entnommen wird, z.B. für Luftbefeuchtung in Klimaanlagen oder für Sterilisationszwecke in Krankenhäusern, sind zwangsläufig Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung. Korrosionsprobleme an Heizkesseln oder Wärmeübertragern aus unlegiertem Stahl gibt es auch hier nicht, wenn die Anlage mit sauerstofffreiem Wasser betrieben und ständig unter Überdruck gehalten wird. Für einen störungsfreien Betrieb der Kondensatleitungen müsste bei den Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung als Speisewasser entcarbonisiertes und sauer-

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1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

stofffreies Wasser verwendet werden. In der Regel wird jedoch auch in solchen Anlagen lediglich enthärtetes Wasser eingesetzt, bei dem dann beim Erhitzen aus dem Natriumhydrogencarbonat Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, das Korrosion in den Kondensatleitungen bewirkt. Der bei dieser Betriebsweise im Prinzip mögliche Korrosionsschutz der Kondensatleitungen mit dampfflüchtigen Alkalisierungsmitteln wie z. B. Hydrazin oder Ammoniak wird vor allem bei der Entnahme von Dampf zur Luftbefeuchtung vielfach als problematisch angesehen. Eine andere Möglichkeit des Korrosionsschutzes besteht darin, die gefährdeten Kondensatleitungen in Kupfer oder nichtrostendem Stahl auszuführen. Bei nichtrostendem Stahl ist lediglich darauf zu achten, dass die Kondensatleitungen gegen Zutritt von Wasser zur heißen Außenwandung geschützt ist, da es hier sonst als Folge der Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe durch Verdunstung schnell zu Schäden durch Spannungskorrosion kommen kann. Wesentlich vorteilhafter als Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung erscheinen Anlagen ohne Kondensatrückführung, wie sie z. B. zur Erzeugung von Dampf für Sterilisationszwecke oder Luftbefeuchtung einzusetzen wären. Der schwerwiegendste Nachteil der Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung, die Korrosionsgefährdung der Kondensatleitungen, entfällt hier. Als Speisewasser für den Dampferzeuger ist enthärtetes und sauerstofffreies Wasser erforderlich. Bei größeren Anlagen, die ohnehin aus mehreren Dampfkesseln bestehen, würde es sich anbieten, einen der Kessel von dem übrigen Dampfnetz abzutrennen und separate Leitungen zu den Dampfverbrauchsstellen zu führen. Besondere Probleme treten auf, wenn man meint, die Forderung nach einer besonderen Reinheit des Dampfes für Sterilisationszwecke nur bei Verwendung von Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl erfüllen zu können, wofür im Übrigen kein plausibler Grund zu erkennen ist, da die bei unlegiertem Stahl entstehenden Korrosionsprodukte nicht dampfflüchtig sind. In Verbindung mit nichtrostendem Stahl muss vollentsalztes Wasser mit einer Leitfähigkeit von unter 20 μS/cm verwendet werden. Die zulässige Eindickung des Kesselwassers ist dadurch begrenzt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kesselwassers den Wert von 200 μS/cm nicht überschreiten soll. Das verhältnismäßig große Risiko von Schäden durch Spannungskorrosion an der Dreiphasengrenze Werkstoff/Wasser/Dampfraum und die hohen Kosten für die Wasseraufbereitung lassen die Verwendung von nichtrostenden Stählen für Dampferzeuger nicht als empfehlenswert erscheinen. Auch bei Verwendung von im Durchlaufverfahren arbeitenden Schnelldampferzeugern muss im Hinblick auf die für Sterilisationszwecke geforderte Dampfreinheit in jedem Fall vollentsalztes Wasser eingesetzt werden.

1.10.3-3

Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers

Nicht aufbereitetes Leitungswasser ist als Speisewasser für Dampferzeuger nicht geeignet. Wegen der Wasserhärte, die zur Steinbildung an den Wärmeübertragungsflächen führen würde, muss zumindest enthärtetes Wasser verwendet werden. Enthärtetes Wasser wird mit Hilfe von Ionenaustauschern hergestellt, in denen die Calcium- und Magnesium-Ionen des Wassers gegen Natrium-Ionen ausgetauscht werden. Je nach Austauscherkapazität müssen die Ionenaustauscher mehr oder weniger häufig regeneriert werden, was mit Natriumchlorid (Kochsalz) erfolgt. Wenn, wie z.B. bei Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung, mit Schäden an Kondensatleitungen durch das als Folge der Zersetzung von Hydrogencarbonat-Ionen 2 HCO3– → CO2 + H2O + CO32– gebildete Kohlenstoffdioxid zu rechnen ist, muss das Wasser einer Entcarbonisierung unterzogen werden. Auch dies geschieht überwiegend mit Hilfe von Ionenaustauschern, in denen entsprechend der Hydrogencarbonat-Ionen-Konzentration im Wasser Calcium-, Magnesium- und Natrium-Ionen gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden.

1.10.3 Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

511

Das nach 2 H+ + 2 HCO3– → CO2 + H2O entstehende Kohlenstoffdioxid muss entweder durch Verrieseln oder in einem thermischen Entgaser entfernt werden. Die Regenerierung des Ionenaustauschers erfolgt vorzugsweise mit verdünnter Salzsäure. Alle wasserberührten Teile der Ionenaustauscheranlage müssen deshalb aus korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen. Wenn z.B. bei Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl mit Korrosion durch ChloridIonen zu rechnen ist, muss das Wasser einer Vollentsalzung unterzogen werden. Hierzu werden zwei Ionenaustauscherstoffe benötigt, ein Kationenaustauscher, in dem die Metall-Ionen (Kationen) gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden und ein Anionenaustauscher, in dem negativ geladene Ionen wie z.B. die Chlorid-Ionen (Anionen) gegen Hydroxyl-Ionen ausgetauscht werden. Aus den Wasserstoff- und Hydroxyl-Ionen bildet sich Wasser. Der Kationenaustauscher muss mit Säure, der Anionenaustauscher mit Lauge regeneriert werden. Entsalztes Wasser wird in zunehmendem Maße durch Umkehrosmose hergestellt. In allen nicht geschlossenen Anlagen muss mit Korrosion durch den im Speisewasser enthaltenen Sauerstoff gerechnet werden. Dementsprechend muss in diesen Fällen eine Sauerstoffentfernung vorgenommen werden. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe der thermischen Entgasung, einem Verfahren, das sich die mit zunehmender Temperatur abnehmende Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten zunutze macht. Die Entfernung von Sauerstoff kann grundsätzlich auch durch Sauerstoffbindung erfolgen. Von den bisher üblichen Sauerstoffbindemitteln Hydrazin und Natriumsulfit kann das Hydrazin wegen seiner gesundheitsgefährdenden Wirkung praktisch nicht mehr eingesetzt werden (vgl. Abschn. 1.10.2-12). Wie aus den vorangehenden Ausführungen erkennbar geworden ist, werden die Anforderungen an die Beschaffenheit des Kesselspeisewassers im Wesentlichen durch die Gesamtkonzeption der Anlage bestimmt. Die im Folgenden nochmals zusammengefassten Empfehlungen gelten selbstverständlich nur für solche Anlagen, bei denen nicht wie z.B. im Geltungsbereich der Dampfkesselverordnung unter Umständen weitergehende Anforderungen nach dem TRD-Regelwerk gestellt werden. Anforderungsstufe 1 Die geringsten Anforderungen sind bei Anlagen zu stellen, die mit vollständiger Kondensatrückführung (> 95%) und einem geschlossenen Kondensatsystem betrieben werden. In Anlagen dieser Art, in denen sowohl die Dampferzeuger als auch die Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl bestehen können, reicht die Verwendung von lediglich enthärtetem Wasser aus. Anforderungsstufe 2 Etwas höhere Anforderungen sind bei Anlagen zu stellen, bei denen zwar ebenfalls vollständige Kondensatrückführung vorliegt, die aber mit einem offenen Kondensatsystem betrieben werden. Wegen der hier zwangsläufig erfolgenden Belüftung des Kondensats müssen Maßnahmen zur Sauerstoffentfernung aus dem Speisewasser getroffen werden. Im Übrigen reicht auch hier die Verwendung von enthärtetem Wasser aus. Die gleichen Anforderungen gelten für – Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung und Kondensatleitungen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl. – Anlagen ohne Kondensatrückführung mit Dampferzeugern aus unlegiertem Stahl. Anforderungsstufe 3 Sehr viel höhere Anforderungen an die Beschaffenheit des Kesselspeisewassers sind bei Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung und geschlossenem oder offenem Kondensatsystem zu stellen, bei denen die Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl bestehen. Hier muss zur Vermeidung der durch die Kohlensäure bedingten Korrosion der Kondensatleitungen entcarbonisiertes Wasser als Zusatzspeisewasser verwendet werden. Außerdem müssen in gleicher Weise wie bei Anforderungsstufe 2 Maßnahmen zu Sauerstoffentfernung aus dem Speisewasser getroffen werden.

1

512

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Anforderungsstufe 4 Die höchsten Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers sind bei Anlagen mit Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl und bei Anlagen mit Schnelldampferzeugern zu stellen. Hier muss vollentsalztes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit unter 20 μS/cm verwendet werden.

1.10.3-4

Betriebsweise

Die wichtigste Maßnahme zur Vermeidung von Korrosionsschäden in Dampferzeugern besteht darin, in Stillstandszeiten den Zutritt von Sauerstoff zu unterbinden. Die einfachste Möglichkeit, dies sicherzustellen, besteht darin, den Dampferzeuger auch in Stillstandszeiten unter einem minimalen Überdruck stehen zu lassen. Wenn dies bei längeren Stillständen nicht möglich ist, muss der Dampferzeuger entweder vollständig mit Speisewasser gefüllt (geflutet) oder vollständig entleert werden. Wenn eine Anlage in Betrieb genommen wird, ist es zweckmäßig, nach Vorliegen eines hinreichenden Vorrats im Kondensatsammelbehälter, den Dampferzeuger mit dem eingedickten Kesselwasser vollständig zu entleeren. Beim Betrieb eines thermischen Entgasers ist darauf zu achten, dass das Wasser im Speisewasserbehälter unterhalb des Entgasers auf einer Temperatur über 100 °C gehalten wird, damit ein Überdruck vorliegt und kein Sauerstoffzutritt möglich ist. Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung haben einen regelmäßigen Bedarf an größeren Mengen von Zusatzspeisewasser. Der Kontrolle der Eindickung des Kesselwassers und der dementsprechend erforderlichen Absalzung kommt besonders bei Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl große Bedeutung zu. Als Indikator wird zweckmäßigerweise die elektrische Leitfähigkeit genommen, die direkt als Regelgröße für die Steuerung des Absalzvorganges dienen kann. Die Absalzrate kann nach der Beziehung L SW ⋅ 100 υAbs = ------------------------L KW – L SW

υAbs = Absalzrate in %, bezogen auf die Menge an Speisewasser LSW = Leitfähigkeit des Speisewassers LKW = zulässige Leitfähigkeit des Kesselwassers errechnet werden. Mit einer Leitfähigkeit des (vollentsalzten) Speisewassers von 20 μS/cm und einer als zulässig angenommenen Leitfähigkeit des Kesselwassers von 200 μS/cm ergibt sich ohne Kondensatrückführung eine erforderliche Absalzrate von 11%. Bei den mit enthärtetem Wasser gespeisten Dampferzeugern ist die Begrenzung der Eindickung im Kesselwasser weniger aus Gründen des Korrosionsschutzes als aus Gründen der geforderten Dampfreinheit notwendig. Durch Zugabe von Alkalisierungsmitteln wie z.B. Trinatriumphosphat oder salzartigen Sauerstoffbindemitteln wie z.B. Natriumsulfit wird die Leitfähigkeit des Speisewassers und damit die erforderliche Absalzrate noch erhöht. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Ursachen von Korrosionsschäden oder anderen Betriebsstörungen ist es besonders wichtig, die Betriebsweise der Dampferzeugungsanlage rekonstruieren zu können. Deshalb ist es unbedingt erforderlich, dass ein Betriebstagebuch geführt wird, in das alle Daten über Wassermengen und Qualitätskriterien eingetragen werden. Wie die vorstehenden Ausführungen gezeigt haben, ist ein korrosionssicherer Betrieb bei entsprechender Planung und Betriebsweise ohne besonders großen Aufwand für Wasseraufbereitung mit Anlagen aus unlegiertem Stahl möglich. Die Beschaffenheit des metallischen Werkstoffs selbst ist für die Korrosionssicherheit von untergeordneter Bedeutung. Ausschlaggebend sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsweise. Die Verwendung von nichtrostendem Stahl für Dampferzeuger bereitet vielfach mehr Probleme, als gemeinhin angenommen wird. Der Einsatz von nichtrostendem Stahl sollte deshalb auf solche Anlagen beschränkt werden, in denen er aus besonderen Gründen tatsächlich notwendig ist. Die Forderung nach einer besonderen Dampfreinheit ist kein Argument für die Notwendigkeit von Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl.

1.10.4 Korrosion in Wassererwärmern

1.10.4

Korrosion in Wassererwärmern

Im Gegensatz zu der Korrosion in Heizanlagen, die im Wesentlichen durch den begrenzten Zutritt von Sauerstoff bestimmt wird, ist die Korrosionsbelastung von Wassererwärmern dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu erwärmenden Wasser stets um Trinkwasser handelt, das normalerweise einen Sauerstoffgehalt im Bereich der Sauerstoffsättigung aufweist. Ungeschützte unlegierte Eisenwerkstoffe kommen deshalb als Material für Wassererwärmer nur in Verbindung mit dem kathodischen Behälterschutz (s. Abschn. 1.10.4-4) in Betracht. Auch bei Behältern aus feuerverzinktem Stahl, wie sie noch vor etwa 20 Jahren häufig benutzt worden sind, ist das Schadensrisiko (durch Lochkorrosion) so groß, dass sie in Neuanlagen praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Bei den heute vorzugsweise für Wassererwärmer verwendeten Werkstoffen handelt es sich um emaillierten und kunststoffbeschichteten Stahl sowie um nichtrostende Stähle. Hinweise zum Einsatz der Werkstoffe für Trinkwassererwärmer finden sich im DVGW-Arbeitsblatt W 517.1)

1.10.4-1

Wassererwärmer aus emailliertem Stahl

Die Emaillierung wird in großem Umfang bei Speicher-Wassererwärmern und Warmwasserspeichern als Korrosionsschutz angewendet. Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen der DIN 4753-32) hinsichtlich des Qualitätsniveaus der Emaillierung und der Bemessung des kathodischen Schutzes erfüllt sind, können Korrosionsprobleme bei Abwesenheit größerer metallischer Einbauten aus edleren Werkstoffen wie z.B. Kupfer und nichtrostendem Stahl nur dann auftreten, wenn die zum Schutz vor Korrosion an den unvermeidlichen kleinen Fehl- und Schwachstellen eingebauten galvanischen Anoden nicht rechtzeitig im Rahmen einer Wartung erneuert werden und gleichzeitig ein Wasser vorliegt, das sehr wenig Calciumhydrogencarbonat enthält (wie z.B. Talsperrenwasser). Bei Wässern mit größeren Gehalten an Calciumhydrogencarbonat kommt es in dem Korrosionselement mit dem Magnesium als Anode und dem im Vergleich dazu edleren Eisen (das an den Fehlstellen freiliegt) als Kathode aufgrund der bei der kathodischen Sauerstoffreduktion erfolgenden Bildung von Hydroxyl-Ionen zur Ausfällung von Calciumcarbonat und dadurch zu einer Abdeckung der ursprünglich vorhandenen Fehlstellen. Dies ist der Grund dafür, warum in den meisten Fällen auch ohne Erneuerung der Magnesiumanoden keine Korrosionsschäden auftreten. Anders sieht es aus bei Behältern mit größeren Wärmeübertragerflächen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl, sofern diese nicht gegen den Behälter elektrisch isoliert sind.3) Der kathodische Schutz wirkt in diesen Fällen hauptsächlich auf die Edelmetallflächen. Vor allem die im Schatten der Edelmetallflächen befindlichen Fehlstellen in der Emaillierung sind dann nicht ausreichend geschützt. Nach Abzehrung der Anode kann es durch Ausbildung eines Korrosionselementes zwischen einer dann die Anode bildenden Fehlstelle und der als Kathode wirkenden Edelmetallfläche zu beschleunigter örtlicher Korrosion an der Fehlstelle kommen. Abhilfemaßnahme ist in jedem Fall die elektrische Trennung der Edelmetallfläche von der Behälterwandung. Bei von Heizwasser durchströmten Wärmetauschern muss zusätzlich eine elektrische Trennung in der Vor- und Rücklaufleitung erfolgen, damit ein Kurzschluss über die Erdung vermieden wird, wie dies in dem aus DIN 509274) entnommenen Bild 1.10.4-1 zu erkennen ist. Bei kleineren Elektro-Heizeinsätzen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl kann der erforderliche kathodische Schutz u.U. auch mit Hilfe von fremdstromgespeisten und geregelten Inertanoden erreicht werden. Derartige Anoden sind auch in den beschriebenen Problemfällen mit weichen Talsperrenwässern, wo eine ständige Wirksamkeit des kathodischen Schutzes notwendig ist, zu empfehlen.

1) 2)

3) 4)

513

DVGW W 517 „Trinkwassererwärmer – Anforderungen und Prüfungen“, 07-2012. DIN 4753-3 „Trinkwassererwärmer, Trinkwassererwärmungsanlagen und Speicher-Trinkwassererwärmer – Teil 3: Wasserseitiger Korrosionsschutz durch Emaillierung und kathodischer Korrosionsschutz – Anforderungen und Prüfung“, 11-2011. Kruse, C.-L.; Hitzblech, G.: Kathodischer Korrosionsschutz von emaillierten Wassererwärmern. IKZ-Haustechnik (1980), Nr. 10, S. 42–50. DIN 50927 „Planung und Anwendung des elektrochemischen Korrosionsschutzes für die Innenflächen von Apparaten, Behältern und Rohren“, 08-1985.

1

514

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.4-1. Wege des Schutzstromes bei kathodisch geschütztem Objekt mit Elektrolyt-führendem Rohrsystem, Lage der Isolierstücke und des gefährdeten Bereiches.

1.10.4-2

Wassererwärmer aus kunststoffbeschichtetem Stahl

Kunststoffbeschichtungen stellen nur bei Wärmeübertragungsflächen einen verhältnismäßig unproblematischen Korrosionsschutz dar, da bei diesen die Wandung wärmer ist als das umgebende Wasser. Bei allen Flächen, die kälter sind als das Wasser, z.B. an den Wandungen von Wasserspeichern, liegen sehr kritische Verhältnisse vor. Ursache für diesen zunächst nicht einzusehenden Unterschied ist die Tatsache, dass die Kunststoffe zwar undurchlässig für Wasser, aber durchlässig für Wasserdampf sind. An die kältere Metallwandung diffundierender Wasserdampf kondensiert hier zu Wasser und kann Blasen zwischen dem Metall und der Kunststoffbeschichtung bilden. Aufgeplatzte Blasen werden zu Korrosionsstellen, an denen es zur Abgabe von Korrosionsprodukten an das Wasser und zu Wanddurchbrüchen kommen kann. Letzteres ist besonders dann zu befürchten, wenn die Kunststoffbeschichtung als Folge von Quellvorgängen eine elektrische Leitfähigkeit erhält und dann als Kathodenfläche in einem Korrosionselement wirken kann. Neben der Freiheit von Fehlstellen ist die Beständigkeit gegen Blasenbildung die wichtigste Eigenschaft, die im Rahmen der Normen DIN 4753-41) und DIN EN 128972) zu prüfen ist. Wegen der Gefahr der Blasenbildung müssen an Kunststoffbeschichtungen für Wandungen von Wasserspeichern sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Beschichtungen müssen außerdem absolut porenfrei sein, da kathodischer Schutz deshalb nicht angewendet werden kann, weil dadurch aufgrund von elektroosmotischen Vorgängen eine andere (aber ebenfalls schädliche) Art von Blasen erzeugt wird. Eine dritte Art von Blasen bildet sich in Verbindung mit edleren Metallflächen. Deshalb müssen metallische Einbauten auch bei kunststoffbeschichteten Wandungen in gleicher Weise wie bei emaillierten Behältern elektrisch abgetrennt werden.

1)

2)

DIN 4753-4 „Trinkwassererwärmer, Trinkwassererwärmungsanlagen und Speicher-Trinkwassererwärmer – Teil 4: Wasserseitiger Korrosionsschutz durch wärmehärtende, kunstharzgebundene Beschichtungsstoffe“, 11-2011. DIN EN 12897 „Wasserversorgung – Bestimmung für mittelbar beheizte, unbelüftete (geschlossene) Speicher-Wassererwärmer“, 09-2006.

1.10.4 Korrosion in Wassererwärmern

1.10.4-3

Wassererwärmer aus nichtrostendem Stahl

Eine Zusammenfassung des derzeitigen Kenntnisstandes zum Korrosionsverhalten von nichtrostenden Stählen gegenüber Wasser bietet DIN 12502-41). Speziell im Hinblick auf die Korrosionssicherheit von Wassererwärmern wird in DIN 4753-72) gefordert, dass der Hersteller Werkstoffwahl und Verarbeitung so vornimmt, dass innerhalb der von ihm angegebenen Einsatzgrenzen (hinsichtlich Gehalt an Chlorid-Ionen und Temperatur) keine Schäden durch Lochkorrosion auftreten. Nichtrostende Stähle sind bei Einwirkung Chloridionen-haltiger Medien stets mehr oder weniger anfällig für Lochkorrosion. Die durch die chemische Zusammensetzung bedingten Unterschiede in der Beständigkeit der verschiedenen Werkstoffe (die üblicherweise durch Werkstoffnummern wie z.B. 1.4301 bezeichnet werden) werden durch die sog. Lochkorrosionspotentiale charakterisiert. Je positiver das Lochkorrosionspotential ist, desto beständiger ist der jeweilige Werkstoff in dem betreffenden Angriffsmittel. Mit zunehmender Konzentration an Chlorid-Ionen und mit zunehmender Temperatur verschiebt sich das Lochkorrosionspotential in negativer Richtung, d.h. nimmt die Anfälligkeit für Lochkorrosion zu. Von den Legierungselementen ist vor allem das Molybdän zu nennen, das die Beständigkeit gegen Lochkorrosion beträchtlich erhöht. Zu den weniger beständigen molybdänfreien Qualitäten (früher als V2A-Stahl bezeichnet) gehören die nichtrostenden Stähle der Werkstoff-Nr. 1.4301 und 1.4541, zu den beständigeren molybdänhaltigen Qualitäten (früher als V4A-Stahl bezeichnet) die der Werkstoff-Nr. 1.4401 und 1.4571. Lochkorrosion ist immer dann möglich, wenn das Lochkorrosionspotential negativer ist als das durch den Gehalt an Oxidationsmittel in der Lösung bestimmte Redoxpotential. Die Beobachtung, wonach Lochkorrosion hin und wieder auch dann auftritt, wenn dies aufgrund der Lage des Lochkorrosionspotentials und des Redoxpotentials nicht zu erwarten wäre, hängt damit zusammen, dass z.B. bei nicht einwandfreien Schweißnähten (z.B. als Folge von örtlicher Chromverarmung im Metall durch Bildung chromreicher Zunderschichten) kleine Bereiche mit örtlich negativerem Lochkorrosionspotential vorliegen können, ebenso wie in Spalten, in denen Anreicherung von Chlorid-Ionen stattfindet. Grundsätzlich besteht bei der Verwendung molybdänfreier nichtrostender Stähle im erwärmten Trinkwasser ein Risiko, da bei den aus hygienischen Gründen erforderlichen Temperaturen auch bei deutlich geringeren als nach Trinkwasserverordnung zulässigen Chloridkonzentrationen das Risiko von Lochkorrosion erheblich ist. Von den nichtrostenden Stählen werden daher vorzugsweise die austenitischen ChromNickel-Molybdän-Stähle der Werkstoffnummern 1.4571 bzw. 1.4401 für Wassererwärmer und Warmwasserspeicher eingesetzt. Auch bei diesem Werkstoff ist jedoch wie bei anderen nichtrostenden Stählen eine Anfälligkeit für Lochkorrosion nicht völlig auszuschließen. Erhöhte Gefahr für Lochkorrosion besteht – in Oberflächenbereichen in und neben nicht einwandfreien Schweißnähten – bei Bauteilen mit Wandtemperaturen über 90 °C – bei Bauteilen in Berührung mit wasserdampfdurchlässigen Dichtungen. Als nicht einwandfreie Schweißnähte sind solche anzusehen, bei denen Poren in der Schweißraupe, Zunderschichten oder Schlackenreste vorliegen. Hier kann Lochkorrosion praktisch in jedem Leitungswasser auftreten. Die Gefährdung nimmt mit zunehmender Temperatur und zunehmender Chlorid-Ionen-Konzentration zu. Wasserdurchbrüche als Folge von Spannungsrisskorrosion können von der Außenseite der Behälterwandung ausgehend auftreten, wenn von außen Wasser zutritt, das sich auf der heißen Wandung durch Verdunsten des Wassers aufkonzentriert. Nach Erreichen einer kritischen Chlorid-Ionen-Konzentration kommt es zunächst zu Lochkorrosion und dann vom Lochgrund ausgehend zu Spannungsrisskorrosion. Besondere Korrosionserscheinungen werden bei mit Kupfer gelöteten Plattenwärmeaustauschern aus nichtrostendem Stahl beobachtet. Durch Kontaktkorrosion mit dem edleren nichtrostenden Stahl kann es zu einer bevorzugten Auflösung des Kupferlots kommen. Dabei kann es sowohl zu Undichtigkeiten zur Außenseite als auch zur Seite des Primär-Heiz1)

2)

515

DIN EN 12502-4 „Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe – Hinweise zur Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit in Wasserverteilungs- und speichersystemen – Teil 4: Einflussfaktoren für nichtrostende Stähle“, 04-2005. DIN 4753-7 „Trinkwassererwärmer, Trinkwassererwärmungsanlagen und Speicher-Trinkwassererwärmer – Teil 7: Behälter mit einem Volumen bis 1000 l, Anforderungen an die Herstellung, Wärmedämmung und den Korrosionsschutz“, 11-2011.

1

516

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

mediums kommen. In Verbindung mit Warmwasser-Rohrleitungen aus feuerverzinktem Stahl sind schwere Schäden durch Lochkorrosion beobachtet worden, die durch die bei der Korrosion des Kupferlotes in Lösung gehenden Kupfer-Ionen verursacht worden sind. Verzinkter Stahl ist aber mangels ausreichender Beständigkeit bei höheren Temperaturen (Potentialumkehr der Zinkschicht) für erwärmtes Trinkwasser prinzipiell ungeeignet.

1.10.4-4

Kathodischer Schutz

Das Prinzip dieses Schutzverfahrens beruht auf der Bildung eines Korrosionselementes, bei dem als Anode ein Metall eingebracht wird, das unedler sein muss als das zu schützende Metall (galvanische Anode, Opferanode). Im einfachsten Fall des kathodischen Schutzes von Behältern aus emailliertem Stahl werden hierfür Stäbe aus speziellen Magnesiumlegierungen verwendet. Der an Fehlstellen im Emailüberzug freiliegende Stahl wird zur Kathode in dem Korrosionselement mit dem Magnesium. Ein Nebeneffekt des kathodischen Schutzes besteht darin, dass es als Folge der Bildung von Hydroxyl-Ionen im Bereich der Kathoden zur Ausfällung von Calciumcarbonat kommen kann, wodurch die ursprünglich vorhandenen Fehlstellen abgedeckt werden. Dies ist jedoch nur bei Wässern mit ausreichendem Gehalt an Calciumhydrogencarbonat möglich. Bei anderen Wässern muss die sich durch Korrosion verbrauchende Anode regelmäßig erneuert werden. Dieses Verfahren des kathodischen Korrosionsschutzes ist deshalb nicht wartungsfrei. In dieser Beziehung ist der kathodische Schutz mit Inertanoden aus nichtangreifbarem Material (z.B. Mischoxid-beschichtetes Titan, Magnetit) vorteilhafter. Die Inertanoden müssen jedoch mit Hilfe von Gleichstrom als Anode geschaltet werden. Hier findet dann nach 2 H2O + 4 e– → 4 H+ + O2 die Bildung von Sauerstoff statt. Insgesamt wird dadurch genau so viel Sauerstoff erzeugt, wie nach bei der kathodischen Sauerstoffreduktion an der Behälterwand verbraucht wird. Eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes, wie sie bei der Verwendung von Magnesiumanoden zwangsläufig auftritt, ist bei der Verwendung von Inertanoden somit nicht gegeben. Abgesehen von dem Einsatz in emaillierten Wassererwärmern spielt der kathodische Schutz mit Inertanoden vorzugsweise bei größeren Behältern aus ansonsten nicht geschütztem Stahl eine Rolle. Nach DIN 4753-101) wird auch diese Lösung als korrosionsbeständige Ausführung eingestuft.

1.10.5

Abgasseitige Korrosion

Bei den Korrosionsschäden durch Abgas-Kondensat2) ist eine ähnliche Abhängigkeit von der technischen Entwicklung zu beobachten wie bei den wasserseitigen Durchrostungen. Eine Vielzahl von Schäden trat nach der Umstellung von Kohle-befeuerten Kesseln auf Heizölbetrieb auf, und zwar in Form von Durchrostungen im Bereich des Rücklaufwassereintritts, d.h. an der kältesten Stelle des Kessels. Durch Anhebung der Rücklaufwassertemperatur bzw. Änderung der Kesselkonstruktion wurden derartige Schäden extrem selten. Mit der Entwicklung von Kesseln für niedrigere Kesselwassertemperaturen ist diese Korrosionsart in den letzten Jahren wieder aktuell geworden.

1.10.5-1

Korrosionsursachen

Korrosion auf der Abgasseite eines Heizkessels und auf der Abgas-berührten metallischen Innenschale eines Schornsteines kann nur bei Anwesenheit eines Elektrolyten stattfinden. Diese Voraussetzung ist immer dann erfüllt, wenn es als Folge der Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Abgases zur Bildung von Abgas-Kondensat kommt, was wegen des Wasserdampfgehaltes im Abgas möglich ist.

1)

2)

DIN 4753-10 „Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser – Kathodischer Korrosionsschutz für nicht beschichtete Stahlbehälter – Anforderungen und Prüfung“, 05-1989. VDI 2035 Blatt 3 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen – Abgasseitige Korrosion“, 09-2000.

1.10.5 Abgasseitige Korrosion

Solange die Temperatur der Abgase, der Kesselwandung oder der Schornsteinwandung nicht unter die Taupunkttemperatur absinkt, sollte es nicht zu Kondensation von Wasser und damit nicht zu Korrosion kommen können. Tatsächlich wird jedoch Korrosion bei der Verbrennung von Kohle und Heizöl bereits bei erheblich höheren Temperaturen beobachtet. Dies ist auf den Schwefelgehalt dieser Brennstoffe zurückzuführen. Aus dem bei der Verbrennung entstehenden Schwefeldioxid bildet sich in einer nachgelagerten Reaktion mit Sauerstoff und Wasser in geringen Mengen Schwefelsäure, deren Taupunkt stets deutlich über dem Wassertaupunkt liegt. Die Betrachtungen über die Lage des Säuretaupunktes sind für die Verhältnisse in den zur Beheizung von Wohngebäuden normalerweise verwendeten Kleinanlagen noch durch einen weiteren Gesichtspunkt zu ergänzen. Bei dem hier üblichen intermittierenden Betrieb kühlt ein erheblicher Teil der Abgas-beaufschlagten Wandungsflächen auf Temperaturen unterhalb des Säuretaupunktes ab. Bei jedem Aufheizen findet dann hier bis zum Überschreiten des Taupunktes erneut Kondensation von Schwefelsäure statt. Bei weiterem Aufheizen kommt es lediglich zu einer Aufkonzentrierung der Schwefelsäure, nicht aber zu einer Verdampfung, da Schwefelsäure erst bei einer Temperatur von 338 °C siedet. Da diese Temperatur üblicherweise nicht erreicht wird, bleibt die Schwefelsäure auf der Wandung. In Stillstandszeiten wirkt sich besonders ungünstig aus, dass konzentrierte Schwefelsäure sehr hygroskopisch ist. Vor allem in den Sommermonaten mit häufig erhöhter relativer Luftfeuchtigkeit gelangt das für die Korrosion erforderliche Wasser als Folge der Hygroskopie der Schwefelsäure aus dem Wasserdampf der Luft in die Schwefelsäure auf der Wandungsfläche. Die besondere Korrosivität der Schwefelsäure gegenüber Eisenwerkstoffen ist dadurch bedingt, dass sie bei der Korrosion nur zum Teil verbraucht wird. Bei der Reaktion von Eisen mit Schwefelsäure und Sauerstoff entsteht nach 2 Fe + 3 H2SO4 + 3/2 O2 → Fe2(SO4)3 + 3 H2O Eisen(3)sulfat, das mit Wasser nach Fe2(SO4)3 + 4 H2O → 2 FeOOH + 3 H2SO4 durch Hydrolyse die Schwefelsäure wieder freisetzt. Die Schwefelsäure wirkt nach diesem Mechanismus überwiegend als Katalysator der Korrosion von Eisen, ohne sich dabei zu verbrauchen. Neben der Korrosionsbelastung der Abgas-beaufschlagten Bauteile durch Schwefelsäure kann auch eine Belastung durch Salzsäure auftreten. Bei der Verbrennung von Kohle muss damit regelmäßig gerechnet werden, da die Kohle Chloride in der Größenordnung von 0,1% enthält, aus denen sich bei der Verbrennung Chlorwasserstoff bilden kann, der mit Wasser zu Salzsäure reagiert. Bei der Verbrennung von Heizöl und Gas ist das Auftreten von Chlorwasserstoff im Abgas als Ausnahme anzusehen. Gas ist stets frei von Chlorverbindungen. Heizöl selbst enthält ebenfalls keine nennenswerten Mengen an Chlorverbindungen. Ein bei Heizöl vereinzelt festgestellter höherer Gehalt an Chlorverbindungen war auf die Verunreinigung mit Altöl zurückzuführen. Schäden durch Chlorwasserstoff im Abgas bei der Verbrennung von Heizöl oder Gas sind meist auf Verunreinigungen der Verbrennungsluft mit Chlorverbindungen zurückzuführen. In Frisiersalons sind es die aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen bestehenden Treibgase von Spraydosen, die bei der Verbrennung Chlorwasserstoff bilden. In diesen Fällen kann in den Korrosionsprodukten regelmäßig auch Fluorid nachgewiesen werden. In anderen Fällen sind es die flüchtigen Chlorverbindungen, die bei der chemischen Reinigung verwendet werden, oder chlorhaltige Lösungsmittel von Kleb- bzw. Anstrichstoffen, die als Ursache für die Bildung von Chlorwasserstoff erkannt werden können. Die Mengen an Salzsäure, die auf diese Weise gebildet werden, sind normalerweise sehr viel geringer als die bei der Verbrennung von Kohle oder Heizöl anfallenden Mengen an Schwefelsäure. Ein spezieller Salzsäure-Taupunkt wird nicht beobachtet, er fällt praktisch mit dem Wassertaupunkt zusammen. Ausgesprochen kritisch ist die Anwesenheit von Salzsäure bei der Verwendung von Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, bei denen dann Lochkorrosion auftritt.

1.10.5-2

Korrosionsschäden

Korrosionsschäden durch Abgaskondensat werden vor allem bei Heizkesseln und bei metallischen Innenschalen von Schornsteinen und Abgasleitungen beobachtet.

517

1

518

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Schäden an Heizkesseln aus unlegiertem Stahl oder Guss als Folge mehr oder weniger gleichmäßig abtragender Korrosion treten überwiegend bei mit Heizöl betriebenen Anlagen auf. Ein typisches Beispiel hierfür ist in Bild 1.10.5-1 wiedergegeben. In den korrodierten Bereichen befinden sich Korrosionsprodukte, die entsprechend aufgrund der Hydrolyse des entstehenden Eisen(3)sulfats sehr stark sauer reagieren und bis zu 50% Sulfat-Ionen enthalten können. Da es sich bei der durch Schwefelsäure verursachten Korrosion um mehr oder weniger gleichmäßig abtragende Korrosion handelt, werden derartige Schäden meist erst nach längerer Betriebszeit beobachtet. Grundsätzlich sind Stahlund Gusskessel in gleicher Weise gefährdet. Wegen der im Regelfall geringeren Wanddicke bei Stahlkesseln entsteht jedoch manchmal der Eindruck, als ob diese korrosionsanfälliger seien.

Bild 1.10.5-1. Wanddurchbruch auf der Abgasseite eines Heizkessels durch Korrosion als Folge der Unterschreitung des Schwefelsäuretaupunktes.

Bei Schornsteineinsatzrohren aus nichtrostendem Stahl sind Wanddurchbrüche als Folge gleichmäßig abtragender Korrosion bisher ausschließlich bei den dünnwandigen flexiblen Einsatzrohren von mit Heizöl betriebenen Anlagen aufgetreten, und zwar vorzugsweise auf den dem Abgas zugewandten Seiten der gewellten Rohre in Bereichen stärkerer Auskühlung und bei ungünstiger Regelung des Ölbrenners (häufiger kurzer Betrieb). Diese Schadensfälle waren zunächst insofern überraschend, als man von einer besseren Beständigkeit von nichtrostendem Stahl bei Korrosionsbelastung durch Schwefelsäure ausgegangen ist. Offensichtlich wird unter den im Schornstein herrschenden Bedingungen die Passivität des nichtrostenden Stahls aufgehoben. Dies ist wahrscheinlich auf die Wirkung des im Abgas enthaltenen Schwefeldioxids zurückzuführen. Im Aktivzustand erfolgt dann ein verhältnismäßig schneller Abtrag durch die Schwefelsäure. Bei den dickwandigeren starren Einsatzrohren sind vergleichbare Korrosionsschäden bisher nicht beobachtet worden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch hier ähnliche Vorgänge ablaufen, die jedoch wegen der größeren Wanddicke und des auf die gesamte Fläche verteilten Angriffs wesentlich längere Zeiten bis zu einem Wanddurchbruch erfordern. Schäden durch Lochkorrosion bei Anwesenheit von Chlorwasserstoff im Abgas sind sowohl bei flexiblen wie auch bei starren Einsatzrohren in mit Heizöl und in mit Gas betriebenen Anlagen aufgetreten. Ein typisches Beispiel hierfür zeigt Bild 1.10.5-2. Praktisch schadensfrei sind bisher die werksseitig wärmegedämmten Schornsteinbauelemente aus nichtrostendem Stahl geblieben.

Bild 1.10.5-2. Lochkorrosion an einem Schornsteineinsatzrohr aus nichtrostendem Stahl, verursacht durch Chlorwasserstoff im Abgas.

1.10.5-3

Korrosionsschutz

Die Notwendigkeit eines Korrosionsschutzes für die Abgas-berührten metallischen Teile hängt in starkem Maße von der Beschaffenheit des Abgases ab. Das Abgas von mit Gas betriebenen Anlagen ist wegen des Fehlens von Schwefeldioxid wesentlich weniger korrosiv als das Abgas von mit Heizöl betriebenen Anlagen. Das Abgas in mit Kohle betriebenen Anlagen enthält zwar neben Schwefeldioxid stets auch einen gewissen Anteil an

1.10.5 Abgasseitige Korrosion

Salzsäure bzw. Chlorid-Ionen, andererseits ist hier der Anteil von Wasserdampf sehr viel geringer, so dass eine Unterschreitung des Wassertaupunktes praktisch nicht auftreten kann. Sofern die Abgastemperatur über dem Säuretaupunkt liegt, ist ein praktisch vollständiger Korrosionsschutz der metallischen Innenschale eines Schornsteins durch entsprechende Wärmedämmung zu erzielen. Im stationären Zustand, in dem die Wandungstemperatur praktisch gleich der Abgastemperatur ist, ist dann keine Bildung von Kondensat als Folge von Taupunktunterschreitung möglich. Im instationären Zustand des Aufheizens nach einer Stillstandszeit wirkt sich die geringe Wärmekapazität, die eine wärmegedämmte dünne Metallschale besitzt, insofern positiv aus, als sich die Wandung schnell auf die Abgastemperatur aufheizt. Die Zeitspanne, in der sich Kondensat als Folge von Taupunktunterschreitung bilden kann, ist deshalb gering. Die Wärmedämmung muss allerdings gut gegen den Zutritt von Regenwasser geschützt sein, da sie sonst das Gegenteil, eine verstärkte Kondensatbildung, bewirkt. Bei Abgastemperatur über dem Taupunkt und guter Wärmedämmung ist die Korrosionsbelastung so gering, dass als Werkstoff für die Innenschale unlegierter Stahl verwendet werden kann. Beispiele hierfür finden sich in einer Vielzahl von Industrie-Schornsteinen. Eine deutlich größere Korrosionsbelastung liegt vor, wenn die Abgastemperatur im stationären Zustand unter dem Säuretaupunkt liegt. Auch unter diesen Bedingungen kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit von unlegierten Eisenwerkstoffen völlig ausreichend sein, wie das Beispiel der Abgas-beaufschlagten Flächen von Heizkesseln mit zwangsläufig niedrigerer Wandungstemperatur zeigt. Die Korrosionsbelastung nimmt verständlicherweise mit abnehmender Wandungstemperatur zu. Dementsprechend ist es nicht verwunderlich, dass bei Niedertemperatur-Heizungsanlagen häufiger abgasseitige Kesselschäden beobachtet werden als bei 90/70-Anlagen, die zudem häufig aufgrund regelungstechnischer Maßnahmen mit einer Anhebung der Rücklauftemperatur arbeiten. Zunehmend kritischer werden die Verhältnisse, – wenn die Häufigkeit instationärer Zustände mit stärkerer Unterschreitung des Säuretaupunkts zunimmt, – wenn zeitweilige Unterschreitung des Wassertaupunkts auftritt – oder wenn gar mit ständiger Unterschreitung des Wassertaupunktes (wie dies bei den Brennwertkesseln angestrebt wird) zu rechnen ist. In diesen Fällen können unlegierte Eisenwerkstoffe nicht mehr ohne Korrosionsschutz eingesetzt werden, bzw. es müssen korrosionsbeständigere Werkstoffe zum Einsatz kommen. Wenn, wie bei mit Gas betriebenen Anlagen, nur mit dem Auftreten von Kohlenstoffdioxid-haltigem Abgaskondensat zu rechnen ist, kann das Auftreten von Korrosionsschäden durch Verwendung von nichtrostenden Stählen mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Dies gilt auch noch bei mit Heizöl betriebenen Anlagen für Anlagenteile, die mehr oder weniger ständig mit Kondensat beaufschlagt werden, da bei der dann vorliegenden Konzentration an Schwefelsäure bzw. Schwefliger Säure eine ausreichende Beständigkeit von nichtrostenden Stählen gegeben ist. Bei mit Heizöl betriebenen Anlagen mit häufigerem Anfall von Kondensat und Aufkonzentrierung der auskondensierten Säure bei anschließendem Anstieg der Wandungstemperatur kann die Korrosionsbeständigkeit der üblicherweise verwendeten nichtrostenden Stähle (wie aus den Schäden an dünnwandigen flexiblen Einsatzrohren erkennbar) u.U. nicht mehr ausreichend sein. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass bei Aufkonzentrierung von Schwefelsäure und gleichzeitiger Anwesenheit von Schwefeldioxid die Passivität von nichtrostendem Stahl aufgehoben wird. Unter diesen Bedingungen unterscheiden sich die üblicherweise verwendeten Stähle in ihrer Beständigkeit nur unwesentlich. Bei Anlagen, bei denen mit Salzsäure oder Chlorid-Ionen im Kondensat zu rechnen ist, kann das Risiko von Korrosionsschäden durch Auswahl von nichtrostenden Stählen mit erhöhter Beständigkeit gegen Lochkorrosion in gewissen Grenzen verringert werden. Für die Unterschiede in der Beständigkeit der nichtrostenden Stähle in bezug auf ihre Anfälligkeit für Lochkorrosion ist hier bei vergleichbarem Chromgehalt der Gehalt an Molybdän von besonderer Bedeutung. Die Beständigkeit ist am geringsten bei den Molybdän-freien Qualitäten (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4301 und 1.4541). Deutlich besser ist sie bei den Qualitäten mit Molybdängehalten zwischen 2,0 und 2,5% (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4401 und 1.4571). Mit steigenden Molybdängehalten (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4436 mit 2,5 bis 3,0%) nimmt sie weiter zu. Die unterschiedlichen Kohlen-

519

1

520

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

stoffgehalte sind für die Korrosionsbeständigkeit nur mittelbar von Bedeutung, nämlich nur dann, wenn es bei der Verarbeitung (z.B. beim Schweißen) oder während des Betriebes (z.B. durch einen Schornsteinausbrand) zu einer Wärmebeeinflussung kommt, die durch Ausscheidung von Chromcarbiden zu einer Sensibilisierung für interkristalline Korrosion führen kann. Diese Gefahr ist bei hinreichend niedrigen Kohlenstoffgehalten nicht gegeben. Bei höheren Kohlenstoffgehalten kann die Bildung von Chromcarbiden durch Zugabe von stabilisierenden Elementen (z.B. Titan bei Werkstoff-Nr. 1.4541 und 1.4571) vermieden werden. Da die Korrosionsbelastung von Abgas-beaufschlagten Bauteilen in vielen Fällen durch die Ansammlung und Aufkonzentrierung der aus dem Schwefeldioxid gebildeten Schwefelsäure zurückzuführen ist, besteht eine einfache Möglichkeit des Korrosionsschutzes in der Reinigung der Teile. Aus diesem Grund ist es z.B. sehr zu empfehlen, einen mit Heizöl betriebenen Heizkessel am Ende der Heizperiode zu reinigen, damit nicht in den feuchten Sommermonaten verstärkte Korrosion unter den Schwefelsäure-haltigen Belägen ablaufen kann.

1.10.6

Steinbildung1)

Unter Steinbildung versteht man die Bildung festhaftender Beläge aus Calciumcarbonat auf wasserberührten Wandungen von Wassererwärmungs- und Warmwasserheizungsanlagen bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Von einem Schaden durch Steinbildung spricht man, wenn eine Beeinträchtigung der Funktion von Wassererwärmungs- und Warmwasserheizungsanlagen durch Steinbildung aufgetreten ist. Im Gegensatz zur Korrosion spielen bei der Steinbildung die Eigenschaften des Werkstoffes nur eine untergeordnete Rolle. Entscheidend für das Ausmaß der Steinbildung sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsweise. Zur Steinbildung (Ausfällung von Calciumcarbonat) kann es aufgrund der Reaktion Ca2+ + 2 HCO3– → CaCO3 + CO2 + H2O immer dann kommen, wenn Calciumhydrogencarbonat-haltiges Wasser erwärmt wird. Schäden durch Steinbildung können auftreten, wenn Auslegung, Betriebsbedingungen und Wasserbeschaffenheit nicht aufeinander abgestimmt sind. Die Kalkabscheidung wird in erster Linie durch die Menge des im Wasser gelösten Calciumhydrogencarbonats bestimmt, die normalerweise durch die sog. „Karbonathärte“ charakterisiert werden kann. Als Karbonathärte bezeichnet man den Anteil der „Gesamthärte“ (Gehalt an Calcium- und Magnesium-Ionen), der an Hydrogencarbonat-Ionen gebunden ist. Im Normalfall, wenn die Konzentration an Calcium- und MagnesiumIonen größer ist als die äquivalente Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen, dient letztere, die durch die sog. „Säurekapazität bis pH = 4,3“ (KS 4,3 früher als m-Wert bezeichnet) bestimmt wird, –

c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) K S 4,3 c ( HCO 3 ) - = 0 ,5 ⋅ ------------------------------------------------------- = 0 ,5 ⋅ ---------------------–3 –3 –3 mol m mol m mol m als Maß für die Karbonathärte. Außer der Einheit mol/m3 werden zur Angabe der Konzentration der Härtebildner national und international noch andere Einheiten verwendet: 1 °d = Grad deutscher Härte = 10 mg CaO/L entspr. 17,9 mgCaCO3/L 1 mval CaCO3/L = 50 mgCaCO3/L 1 mgCaCO3/L 1 ppm CaCO3/L = 1 °f = Grad französischer Härte = 10 mgCaCO3/L 1 °e = Grad englischer Härte = 1 grain/Imp.gal. = 14,3 mgCaCO3/L 64,8 mg CaCO3/4,546 L = 1 gpg = grain CaCO3/per US gal. = 64,8 mg CaCO3/3,785 L = 17,1 mgCaCO3/L

1)

VDI 2035 Blatt 1 „Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen – Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen“, 12-2005.

1.10.6 Steinbildung

521

Mit 1 mol/m3 = 1 mmol/L = 100 mg CaCO3/L können die verschiedenen Einheiten leicht umgerechnet werden. Beispiel: Die Angaben 15 °d bedeutet 15 × 17,9 mg CaCO3/L = 268,5 mg CaCO3/L 268,5 mg CaCO3/L : (100 mg CaCO3/L : 1 mol/m3) = 2,7 mol/m3.

1.10.6-1

Steinbildung in Wassererwärmungsanlagen1)

Mit zunehmender Steinbildung kommt es zur Behinderung der Wärmeübertragung und zu unerwünschten Temperaturdifferenzen an den Wärmeaustauschflächen. Dies hat je nach Anlagenart unterschiedliche Folgen: – Bei (nichtelektrisch) direkt und indirekt beheizten Anlagen tritt eine Abnahme der Wärmeleistung auf. – Bei (nichtelektrisch) direkt beheizten Anlagen kommt es darüber hinaus zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und damit zu einer Abnahme des Wirkungsgrades. Unter kritischen Bedingungen kann es hier zu Materialschäden durch Überhitzung kommen. – Bei elektrisch beheizten Wassererwärmern nehmen zwar mit zunehmender Steinbildung Wirkungsgrad und Wärmeleistung nicht ab, es kommt aber wegen der konstant bleibenden elektrischen Leistung zu erhöhter Temperaturdifferenz an den Heizelementen, was zum Ausfall der Heizelemente führen kann. – Bei Durchfluss-Wassererwärmern kann es als Folge der Steinbildung zu einer Verringerung des Strömungsquerschnittes und damit zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes kommen, was zu einer Durchflussreduzierung und damit (bei nicht elektrisch beheizten Durchfluss-Wassererwärmern) zu einer Abnahme der Wärmeleistung führt. Das Ausmaß der Kalkabscheidung kann durch zwei Faktoren verstärkt werden, durch Entfernung von Kohlenstoffdioxid und durch Erhöhung der Temperatur. Beides wird entscheidend durch die Konstruktion und Betriebsweise des Wassererwärmers beeinflusst. Bei offenen Wassererwärmern (z.B. Kochendwassergeräten und kleinen drucklosen Elektrospeichern), bei denen ständig Kohlenstoffdioxid entweichen kann, kann es schnell zu einer Steinbildung auf den Elektro-Heizelementen kommen. Geschlossene Wassererwärmer, bei denen kein Kohlenstoffdioxid entweichen kann, sind weniger anfällig. Die Steinbildung auf den Wärmeübertragungsflächen ist hier allein darauf zurückzuführen, dass die Löslichkeit von Calciumcarbonat mit zunehmender Temperatur abnimmt. Entscheidend ist nicht die Wassertemperatur im Innern des Wassererwärmers, sondern die Wandtemperatur an der Wärmeübertragungsfläche. Mit zunehmender Wandtemperatur steigt die Neigung zur Steinbildung. Von wesentlichem Einfluss auf die Wandtemperatur ist auch die zum Teil konstruktionsbedingte Betriebsweise. Bei einem Speicher, bei dem die Zufuhr von Heizwasser abhängig von der Temperatur des erwärmten Wassers über eine Ladepumpe erfolgt, sind die Verhältnisse weniger kritisch als bei einem (nicht elektrisch beheizten) ungeregelten Durchfluss-Wassererwärmer. Im ersten Fall erreicht die Wandtemperatur praktisch nie die maximal mögliche Temperatur des Heizwassers. Vor allem in den langen Stillstandszeiten über Nacht kühlt sich das Heizregister schnell auf die eingestellte Wassertemperatur ab. Im zweiten Fall des ungeregelten Durchfluss-Wassererwärmers wird zwangsläufig bei jedem Stillstand schnell die Temperatur des Heizwassers erreicht. Eine spezielle Art der Steinbildung wird in Zusammenhang mit dem kathodischen Schutz von Behältern beobachtet. Als Folge der an der Kathode ablaufenden Sauerstoffreduktion 1/2 O2 + H2O + 2 e– → 2 OH–

1)

DIN 1988-200 „Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe“, 06-2012 — Technische Regel des DVGW.

1

522

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

kommt es hier zu einer Erhöhung der Konzentration an Hydroxyl-Ionen, der sog. Wandalkalisierung, wodurch die Dissoziationsgleichgewichte der Kohlensäure in Richtung auf eine Erhöhung der Carbonat-Ionen-Konzentration verschoben werden. Als Folge der dadurch bewirkten Kalkübersättigung kommt es zur Kalkabscheidung auf der Kathodenfläche. Nützlich ist diese Kalkabscheidung im Hinblick auf den Korrosionsschutz von emaillierten Behältern. An den ursprünglich in der Emaillierung vorhandenen Fehlstellen, die die Kathoden im Korrosionselement mit der Magnesiumanode bilden, kommt es auf diese Weise zu einer Abdeckung mit Kalk, wodurch der Schutzstrombedarf erheblich reduziert wird. Außerdem kann in hinreichend harten Wässern dadurch eine Nichterneuerung der nach einiger Zeit aufgezehrten Anode ohne schädliche Auswirkungen bleiben. Schädlich kann diese Kalkabscheidung sein, wenn sie zum Zuwachsen von nichtemaillierten metallischen Abgangsstutzen führt. Dies ist möglich, wenn sich der Abgangsstutzen im „Sichtbereich“ der Anode befindet und das Wasser Kupfer-Ionen enthält, die sich ebenfalls an der Kathode abscheiden. Der auf diese Weise elektrisch leitend werdende Belag kann dann bis zum Verschluss ständig weiter wachsen. Schädlich ist diese Art von Kalkabscheidung natürlich auch dann, wenn sie auf elektrisch mit dem Behälter kurzgeschlossenen Heizflächen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl zu einer Behinderung des Wärmeübergangs führt.

1.10.6-2

Steinbildung in Warmwasserheizungsanlagen

Als Folge von Steinbildung auf direkt beheizten Wärmeübertragungsflächen kann es zu örtlicher Überhitzung und dadurch bedingter Rissbildung kommen. Im Übrigen wird durch den Steinbelag der Wärmedurchgang herabgesetzt, was zu einer Verringerung der Wärmeleistung führt. In Warmwasserheizungsanlagen ist die Gefahr von Schäden durch Steinbildung zunächst nicht sehr groß, weil die zur Verfügung stehende Menge an Calciumcarbonat begrenzt ist. Sie ergibt sich nach V Anl c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) m ( CaCO 3 ) -------------------------- = 100 ⋅ ---------⋅ -----------------------------------3 –3 g mol m m aus dem Anlagenvolumen VAnl und der Konzentration an Calciumhydrogencarbonat c(Ca(HCO3)2). Bei Wässern, bei denen nach einer Enthärtung c(Ca2+) < 0,5 c(HCO3–) ist, kann die Karbonathärte nicht aus der Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen(mWert, Säurekapazität bis pH 4,3 KS 4,3) berechnet werden. In diesen Fällen muss stattdessen die tatsächlich noch vorhandene Konzentration an Calcium-Ionen zugrunde gelegt werden. Die Ausscheidung von Kalk erfolgt hauptsächlich an den heißesten Stellen der Anlage, d.h. an den Wärmeübertragungsflächen im Heizkessel. Die Wandungstemperatur liegt zwar hier zunächst nur wenig höher als die Wassertemperatur, da der Wärmeübergang vom Abgas auf die Kesselwandung erheblich stärker gehemmt ist als der Wärmeübergang von der Kesselwandung auf das Wasser. Wenn es hier jedoch zur Bildung von Kalkablagerungen kommt, deren Wärmeleitfähigkeit sehr viel schlechter ist, steigt hier die Wandungstemperatur. Der Befund, wonach sich häufig die gesamte Kalkmenge nur auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche ablagert, hängt damit zusammen, dass die Kalkabscheidung auf einer metallisch blanken Fläche sehr stark gehemmt ist und sehr viel leichter auf einer Fläche erfolgt, auf der bereits Kalk abgeschieden worden ist. Dies führt dann dazu, dass sich u.U. die gesamte Kalkausscheidung auf den Bereich konzentriert, in dem es zuerst zur Kalkausscheidung gekommen ist. Dies sind erfahrungsgemäß die Bereiche mit der höchsten Heizflächentemperatur oder solche, bei denen strömungsbedingt der geringste Wärmeabtransport erfolgt.

1.10.6-3

Maßnahmen gegen Steinbildung

Entscheidenden Einfluss auf die Steinbildung hat die Konstruktion des Wassererwärmers bzw. Heizkessels, da sie die maximalen Wandungstemperaturen bestimmt. Als Faustregel kann gelten, dass die Intensität der Kalkausscheidung bei gegebener Wasserbeschaffenheit mit zunehmender Wandungstemperatur zunimmt. Um eine möglichst niedrige

1.10.6 Steinbildung

523

Wandungstemperatur zu erreichen, muss die Heizleistung deshalb möglichst gleichmäßig auf große Flächen verteilt werden. Die Möglichkeiten der Begrenzung der Steinbildung durch Werkstoffwahl sind begrenzt. Ein Einfluss des Werkstoffes ist nur insofern gegeben, als die Steinbildung auf glatten Oberflächen erschwert ist. Dementsprechend neigen korrosionsbeständigere Werkstoffe (wie z.B. nichtrostende Stähle), weniger zu Steinbildung als Werkstoffe (wie z.B. feuerverzinkter Stahl), bei denen Korrosionsprodukte die Oberfläche vergrößern und Ansatzpunkte für die Steinbildung liefern. In Warmwasserbereitungsanlagen kann die Steinbildung vor allem durch die Wahl einer möglichst niedrigen Wassertemperatur beeinflusst werden. Dieser Möglichkeit stehen allerdings in zunehmendem Maße Bedenken wegen einer damit verbundenen Erhöhung eines Legionella-Infektionsrisikos gegenüber.1) In Abhängigkeit von den konstruktions- und betriebsbedingten Faktoren lassen sich drei Gruppen von Wassererwärmern unterscheiden: Wassererwärmer-Gruppe I Wassererwärmer mit Wassertemperatur bis 60 °C wie z.B.: – Indirekt beheizte Speicher-Wassererwärmer – Indirekt beheizte Durchfluss-Wassererwärmer mit geregelter Heizwasserzufuhr – Gasbeheizte Speicher-Wassererwärmer – Elektrisch (Heizdraht) beheizte Durchfluss-Wassererwärmer – Elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer Wassererwärmer-Gruppe II Wassererwärmer mit Wassertemperatur bis 70 °C wie z.B.: – Indirekt beheizte Wassererwärmer – Gasbeheizte Durchfluss-Wassererwärmer – Geschlossene elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer Wassererwärmer-Gruppe III Wassererwärmer mit Wassertemperatur über 70 °C bzw. besondere Bauarten wie z.B.: – Indirekt beheizte Durchfluss-Wassererwärmer mit ungeregelter Heizwasserzufuhr – Offene elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer In Abhängigkeit von der Konzentration an Calciumhydrogencarbonat c(Ca(HCO3)2) lassen sich den Wassererwärmergruppen unterschiedliche Anfälligkeiten für Schäden durch Steinbildung zuordnen: c(Ca(HCO3)2) mol/m3

bis 1,5

über 1,5 bis 2,5

über 2,5

WassererwärmerGruppe I

gering

gering

gering

WassererwärmerGruppe II

gering

gering

mittel

WassererwärmerGruppe III

gering

mittel

hoch

Als wasserseitige Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden durch Steinbildung werden in DIN 1988-2002) die Härtestabilisierung und die Enthärtung genannt. Unter Härtestabilisierung versteht man die Zugabe von Chemikalien zum Wasser, durch welche die Kalkabscheidung derart beeinflusst wird, dass es nicht zur Steinbildung

1)

2)

DVGW-Arbeitsblatt W551 „Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen – Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums – Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen“, 04-2004. DIN 1988-200 „Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 200: Installation Typ A (geschlossenes System) – Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe“, 06-2012 — Technische Regel des DVGW.

1

524

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

kommt. Der Kalk kann dabei jedoch in Schlammform ausfallen. Im Trinkwasserbereich erfolgt die Härtestabilisierung ausschließlich mit den in der Trinkwasser-AufbereitungsVerordnung zugelassenen Polyphosphaten. Diese behindern das Aufwachsen von Steinbelägen, indem sie die zunächst gebildeten Kristallkeime blockieren und auf diese Weise am Wachsen hindern. Bei längeren Standzeiten bildet sich durch Hydrolyse aus den Polyphosphaten das monomere Phosphat, das dann zeitlich verzögert zur Ausfällung von Calciumphosphat in Schlammform führt. Schlammbildung ohne Steinansatz auf den Wandungen würde vermutlich auch dann auftreten, wenn in dem kalten Wasser vor der Erwärmung gezielt Calciumcarbonatkeime erzeugt werden könnten, an denen dann beim Erwärmen des Wassers die Anlagerung von Kalk erfolgen könnte. Auf diesen Effekt wird von einzelnen Herstellerfirmen die Wirkung ihrer auf physikalischer Basis arbeitender Geräte zur Vermeidung von Steinbildung zurückgeführt. Bei den Geräten, die sich bei einer Prüfung nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 5121) als wirksam erwiesen haben, ist davon auszugehen, dass die Wirkung auf elektrochemischen Vorgängen beruht. Vom Einsatz von Geräten, die den Nachweis der Wirksamkeit nicht erbracht haben, ist abzuraten. Das sicherste Verfahren zur Vermeidung von Steinbildung ist die Enthärtung, bei der die im Wasser enthaltenen Calcium- und Magnesium-Ionen entfernt werden (s. Abschn. 1.10.3-3). Ein im Ionenaustauscherverfahren enthärtetes Wasser enthält nur noch Spuren von Calcium- und Magnesium-Ionen. Im Bereich der Trinkwasser-Installation ist ein derart vollenthärtetes Wasser nicht zulässig. Das Wasser wird deshalb üblicherweise hinter dem Ionenaustauscher durch Vermischen mit nicht enthärtetem Wasser auf eine Härte von etwa 1 mol/m3 eingestellt. Bei Wässern im Härtebereich 1 und 2 werden wasserseitige Maßnahmen nicht als notwendig angesehen. Bei Wässern im Härtebereich 3 kann Steinbildung durch Härtestabilisierung zumindest vermindert werden. Durch Enthärtung kann Steinbildung in jedem Fall verhindert werden. Anstelle von Wasserbehandlungsmaßnahmen zur Verringerung der Anfälligkeit für Schäden durch Steinbildung kann auch eine in regelmäßigen Abständen durchzuführende Steinentfernung vorgesehen werden. Abgesehen von einer mechanischen Entfernung bei leicht zugänglichen Teilen kommt hier vor allem die chemische Auflösung mit Säuren zur Anwendung. Hierfür können dieselben Kesselsteinlösemittel verwendet werden, wie sie auch für die Behandlung von Dampfkesseln zugelassen sind.2) Bei Warmwasserheizungsanlagen kann die Steinbildung vor allem durch die Art und Weise der Inbetriebnahme beeinflusst werden. Wenn die Anlage mit geringster Leistung oder langsam stufenweise aufgeheizt wird, besteht die Möglichkeit, dass sich der Kalk nicht nur an den heißesten Stellen, sondern über die ganze Anlage verteilt u.U. sogar in Schlammform ausscheidet. Bei Mehrkesselanlagen empfiehlt es sich, alle Kessel gleichzeitig in Betrieb zu nehmen, damit sich die gesamte Kalkmenge nicht auf die Wärmeübertragungsfläche eines einzelnen Kessels konzentrieren kann. Durch Einbau von Strangabsperrventilen kann die Menge des erforderlichen Ergänzungswassers erheblich verringert werden, da dann nicht in jedem Reparaturfall das gesamte Heizwasser abgelassen werden muss. Die Notwendigkeit von wasserseitigen Maßnahmen ergibt sich aus Annahmen hinsichtlich der zulässigen mittleren Dicke der Kalkschicht. Wenn man z.B. bei größeren Anlagen annimmt, dass lediglich eine mittlere Dicke der Kalkschicht von 0,05 mm toleriert werden kann, weil bereits bei dieser geringen mittleren Dicke in den Bereichen mit der höchsten Wandtemperatur Kalkbeläge mit einer Dicke bis zu 0,5 mm entstehen können, dann errechnet sich die maximale Menge an Wasser Vmax, die in Abhängigkeit von der Konzentration an Calciumhydrogenkarbonat und der Kesselleistung eingespeist werden kann, auf einen in der VDI 2035-13) beschriebenen Rechenweg zu V max Q· K 1 ⁄ c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) ------------ = 0 ,0313 ⋅ -------- ⋅ ------------------------------------------–1 3 3 kW mol m m 1) 2) 3)

DVGW-Arbeitsblatt W 512 „Verfahren zur Beurteilung der Wirksamkeit von Wasserbehandlungsanlagen zur Verminderung von Steinbildung“, 09-1996. VdTÜV-Richtlinien für die Untersuchung von Kesselsteinlösemittel und Kesselbeizmitteln. Technische Überwachung 14 (1973), Nr. 11, S. 332–333. VDI 2035 Blatt 1 „Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen – Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen“, 12-2005.

1.10.6 Steinbildung

Wenn das zulässige Wasservolumen erreicht ist, darf entweder nur noch enthärtetes Wasser nachgespeist werden, oder es muss eine Entfernung des Steinbelages im Kessel vorgenommen werden. Um im Garantiefall die Erfüllung dieser Anforderung kontrollieren zu können, muss bei größeren Anlagen ein Wasserzähler in die Füllleitung eingebaut sein. Außerdem sind Aufschreibungen darüber vorzulegen, zu welchem Zeitpunkt welche Mengen Wasser einer bestimmten Konzentration an Calciumhydrogencarbonat nachgespeist worden sind. Eine Sicherheit vor Belagbildung erreicht man, indem man stets aufbereitetes, also enthärtetes Wasser zur Füllung der Heizkreisläufe verwendet, auch wenn dies nach dem regelwerk nicht unmittelbar gefordert ist. Durch diese einfache Maßnahme kann man die Betriebssicherheit der Heizungsanlage deutlich erhöhen, weil alle Probleme durch Steinbildung vermieden werden.

525

1

526

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

1.11

Planerische Grundlagen

1.11.1

Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

1.11.1-1

Begriffsabgrenzungen und Definitionen

Bei der Entscheidung für technische Anlagen der Heizungs- und Klimatechnik spielen Aspekte der Kostenstruktur und der Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Die Entscheidungsgrundlagen für beide Aspekte entstammen je nach betriebswirtschaftlicher Fragestellung des investierenden Unternehmens (oder anderer Institutionen) – dem Bereich der Finanz-(/Liquiditäts-)Rechnung. – dem Bereich der Gewinn- und Verlustrechnung – dem Bereich der betrieblichen Erfolgsrechnung In der technischen Literatur werden die betriebswirtschaftlich eindeutig definierten Begriffe1) Kosten, Aufwand, Ausgaben, Auszahlungen häufig unscharf oder doppeldeutig verwendet. Deshalb sind für die nachfolgende Behandlung der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung die hierzu notwendigen Begriffe ausführlich definiert. Ihre gegenseitige Abgrenzung ist aus Bild 1.11.1-1 ersichtlich. a) Definitionen zur Abgrenzung des Kostenbegriffs Auszahlung: Jeder Vorgang, der den Bestand an liquiden Mitteln (Kassenbestände und verfügbare Bankguthaben) vermindert. Die entsprechende Position auf der Leistungsseite ist die Einzahlung (oder auch Einsparung). Ausgabe: Auszahlung + Forderungsabnahme + Schuldenzunahme (d. h. Einbeziehung von Kreditvorgängen). Die hierzu adäquate Position auf der Leistungsseite ist die Einnahme. Aufwand: Gesamter Werteverzehr von Sachgütern, Arbeits- und Dienstleistungen sowie Rechten in einer Abrechnungsperiode. Die Position auf der Leistungsseite ist der Ertrag. Kosten: In Geldeinheiten bewerteter Verbrauch von Sachgütern, Arbeits- und Dienstleistungen zur Erstellung von marktlich verwertbaren betrieblichen Leistungen (Betriebshauptzweck) in der Abrechnungsperiode. Die Gegenposition hierzu ist die betriebliche Leistung. Die Kosten wiederum werden untergliedert nach Aufwandskosten: Diejenigen Aufwandsbestandteile, die ausschließlich und direkt dem Betriebshauptzweck zuzurechnen sind und keine kalkulatorischen Bestandteile enthalten. (In der Kostenrechnung auch Grundkosten genannt) Kalkulatorische Kosten: Über die Grundkosten hinaus anzusetzender Werteverzehr wie – Abschreibungen zur Erfassung des Werteverzehrs von Wirtschaftsgütern des Anlagevermögens über die betriebliche Nutzungszeit (kalkulatorische Abschreibung) – Verrechnung von Zinsen auf das Eigenkapital – Verrechnung von Mieten bei eigengenutzten Immobilien (kalkulatorische Miete) b) Definitionen zur Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnung Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnung: Rechenverfahren, mit denen die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit von Investitionsvorhaben ermittelt wird.

1)

Hörschgen, H.: Grundbegriffe der Betriebswirtschaftslehre. Sammlung Poeschel, Schaeffer-Poeschel-Verlag, Stuttgart 1992.

1.11.1 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

527

1

Bild 1.11.1-1. Abgrenzung der Begriffe, Kosten, Aufwand, Ausgaben und Auszahlungen.

Statische Verfahren: Einfache pragmatische Vergleichsverfahren, die zeitliche Unterschiede im Auftreten von Einnahmen und Ausgaben nicht berücksichtigen. In der Regel wird nur ein verkürzter

528

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Betrachtungszeitraum zugrunde gelegt, mit der Annahme, dass dieser für die gesamte Nutzungsdauer repräsentativ sei. Dynamische Verfahren: Komplexere Rechenverfahren, die dem zeitlichen Ablauf der Investitionsvorgänge Rechnung tragen. Der Zeitaspekt wird durch Abzinsen von Zahlungsreihen mit einem Kalkulationszinsfuß auf einen Betrachtungszeitpunkt (meist gleich Investitionszeitpunkt) berücksichtigt. Kalkulationszinsfuß: Der Kalkulationszinsfuß macht die zeitlich unterschiedlichen Auswirkungen der durch die Investition verursachten Zahlungsreihen (Ein- und Auszahlungen) deutlich. Für die Höhe des Zinsfußes sind je nach betrieblicher Zielsetzung verschiedene Ansätze üblich. Ansatz bei Kalkulationszinsfuß: – Marktzins für langfristiges Fremdkapital (bei Annahme unbegrenzter Kapitalbeschaffungsmöglichkeit) – Branchenüblicher Zinssatz – Durchschnittsrendite des im Betrieb eingesetzten Kapitals – Struktur der Finanzierung aus Eigen- und Fremdkapital.

1.11.1-2

Grundlagen der Kostenrechnung

1.11.1-2.1 Aufgaben der Kostenrechnung Als Kostenrechnung eines Unternehmens wird die kurzfristig (z. B. monatliche, quartalsweise) verfügbare innerbetriebliche Bewertung der für den betrieblichen Hauptzweck eingesetzten Sachgüter sowie Arbeits- und Dienstleistungen bezeichnet. Unter Einbeziehung der dadurch erbrachten betrieblichen Leistungen spricht man von kalkulatorischer Erfolgsrechnung. Aufgaben der Kostenrechnung sind 1. Rechnerische Aufgliederung des betrieblichen Kostengefüges nach • Kostenarten (Typologie der Kosten), • Kostenstellen (Ort des Kostenanfalls), • Kostenträgern (anteilige Belastung der Unternehmensprodukte). 2. Überwachung der Wirtschaftlichkeit der betrieblichen Abläufe. 3. Bereitstellung von Zahlenmaterial für unternehmerische Entscheidungen wie • Kalkulation von Preisen, • Planung des Produktionsablaufs, • Planung der Anteile Eigenfertigung und Fremdbezug, • Planungsgrundlagen für Investitionen und Finanzierung. 4. Bereitstellung von Unterlagen für die Bewertung halbfertiger Arbeiten in der Bilanz des Unternehmens. 5. Ermittlung von kostenorientierten Angebotspreisen bei öffentlichen Aufträgen.

1.11.1-2.2 Kostenrechnungssysteme Um die Kostenrechnung dem betrieblichen Prozess der Leistungserstellung zweckmäßig anzupassen sind folgende Kostenrechnungssysteme1) in Gebrauch: – Istkostenrechnung – Normalkostenrechnung auf Vollkosten- oder Teilkostenbasis – Plankostenrechnung Istkostenrechnung: Verrechnung effektiv angefallener Kosten. Vorteil: Präzise Erfassung der Kostenströme möglich. Nachteil: Hoher Aufwand und schwerfälliges Verfahren.

}

1)

Schierenbeck, H.: Grundzüge der Betriebswirtschaftslehre. R. Oldenbourg Verlag, München 1989.

1.11.1 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

Anwendung:

529

Nachkalkulation betrieblicher Leistungen zur Feststellung des Betriebsergebnisses.

Normalkosten: Verrechnung von Durchschnittskosten aus Istkosten vergangener Perioden. Vorteil: Einfache Handhabung von Kostenelementen sowie Erhöhung der Vergleichbarkeit von Kostenrechnungsergebnissen. Nachteil: Beeinträchtigung der Genauigkeit der Kostenrechnung. Anwendung: Vorkalkulation bei der Erarbeitung von Angeboten. Plankostenrechnung: Zukunftsorientierte Verrechnung von Kostenelementen als Sollvorgabe für den Prozeß der Leistungserstellung. Vorteil: Lenkungsfunktion der Kostenrechnung durch Vorgabe von Sollwerten. Nachteil: Plankostenrechnung kann sinnvoll nur auf Teilkostenbasis durchgeführt werden. Anwendung: Wirtschaftlichkeitskontrolle und Budgetierung von Kostenstellen. Vollkostenbasis: Es werden grundsätzlich sämtliche Periodenkosten verrechnet und den Leistungen oder Produkten des Unternehmens zugeordnet. Anwendung: Vorwiegend bei Istkostenrechnung. Teilkostenbasis: Es werden in der Regel nur die dispositionsabhängigen, d. h. variablen Kosten verrechnet, da nur diese durch die Kostenstellen beeinflusst werden können. Anwendung: Vorwiegend bei Normal- und Plankostenrechnung. Die in die Kostenrechnungssysteme eingehenden Kosten werden wiederum unterteilt – hinsichtlich ihrer Zurechenbarkeit zu den Produkten und Dienstleistungen in • Einzelkosten vorwiegend bei Vollkostenrechnung • Gemeinkosten relevant – hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von der Auslastung (Beschäftigung) des Unternehmens • variable Kosten vorwiegend bei Teilkostenrechnung • fixe Kosten relevant Der Zusammenhang dieser Unterteilungen wird aus Tafel 1.11.1-1 deutlich.

}

}

1.11.1-2.3 Aufbau der betrieblichen Kostenrechnung Für die innerbetriebliche Kostenrechnung werden die Kosten aufgeteilt nach – Art der verbrauchten Güter und Dienstleistungen (Kostenartenrechnung) in z. B. Materialkosten, Personalkosten, Betriebsmittelkosten usw. – Betriebsbereich, in dem sie anfallen (Kostenstellenrechnung) (Beschaffungs-, Produktions-, Absatz-, Finanzierungskosten usw.) Der Ablauf der betrieblichen Istkostenrechnung auf Vollkostenbasis ist in Bild 1.11.1-2 dargestellt. Folgende Arbeitsschritte sind hierzu durchzuführen: 1. Erfassung sämtlicher Kosten des betrieblichen Leistungs- und Finanzierungsprozesses in der Abrechnungsperiode nach Kostenarten. Gliederungskriterium: Systematik der Kostenarten nach branchenüblichen Kostenrahmen. 2. Aufspaltung der Gesamtkosten in Einzel- und Gemeinkosten. Verteilung der Gemeinkosten auf die Kostenstellen direkt oder über mengen-/wertmäßige Schlüsselgrößen. 3. Kostenstellenumlage der Kosten der Hilfskostenstellen auf die Hauptkostenstellen verursachungsgerecht oder gemäß einem Aufteilungsschlüssel. 4. Übernahme der Einzelkosten direkt aus der Kostenartenrechnung in die Kostenträgerrechnung sowie der bereits aufbereiteten Gemeinkosten aus den Hauptkostenstellen nach einem möglichst verursachungsgerechten Schlüssel.

1

530

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.1-1 Zusammenhang Einzel-/Gemeinkosten sowie fixe und variable Kosten Zurechenbarkeit Einzelkosten auf Produkte (direkt zuzuordnen)

Abhängigkeit von der Auslastung

Gemeinkosten (über Verteilungsschlüssel zuzuordnen) Unechte Gemeinkosten

Variable Kosten

Echte Gemeinkosten Fixe Kosten

Echte Gemeinkosten: Können objektiv nicht verursachungsgerecht zugeordnet werden. Unechte Gemeinkosten: Werden aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht verursachungsgerecht zugeordnet. Beispiele

Kosten für – Instandhal- – Kosten – Material tungskosKoppel– Hilfs- und ten produktion Betriebsstoffe – Energie– Energie– Fremdund und produkte MedienMedienkosten (bei kosten (bei dezentraler zentraler Erfassung) Erfassung) – Entwicklungskosten

– – – – – –

Verwaltung Abschreibungen Bürokosten Mieten (Personalkosten) Kalkulatorische Kosten – Steuern, Gebühren, Beiträge – Zinsen

5. Ermittlung der Kosten je Produkteinheit (Stückkosten) durch Division der Anzahl der in der Abrechnungsperiode erzeugten Produkte oder Verrechnungseinheiten.

Bild 1.11.1-2. Schema der betrieblichen Istkostenrechnung auf Vollkostenbasis.

1.11.1 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

531

1.11.1-2.4 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen nach VDI 2067 1.11.1-2.4.1

Übersicht

Der Berechnungsgang für die Ermittlung von Kosten und Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen nach VDI 2067, Ausgabe 2000-09, bezieht die Aktivitäten im Bereich der Richtlinienerstellung auf europäischer Ebene mit ein. Die VDI 2067 trägt den Haupttitel „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen“, der jedem Blatt der auf insgesamt 21 Blätter angelegten Richtlinie vorausgestellt ist; der jeweils spezifische Titel jedes Blattes ist dem Haupttitel nachgestellt. Der Gesamtaufbau der aktuellen VDI 2067 umfasst folgende 5 Gruppen: Gruppe 0: Grundlagen (Blatt 1) Gruppe 1: Energiebedarf (Blatt 10–14) Gruppe 2: Energieaufwand der Nutzenübergabe (Blatt 20–27) Gruppe 3: Energieaufwand der Verteilung (Blatt 30) Gruppe 4: Energieaufwand der Erzeugung (Blatt 40–45) Ziel der VDI 2067 in der vorliegenden Fassung ist die Bewertung gebäudetechnischer Anlagen in energetischer, ökologischer und wirtschaftlicher Hinsicht. Die Richtlinie berücksichtigt in Gruppe 4 auch neuere Techniken der Wärmeversorgung wie zum Beispiel Solaranlagen, Abwärmenutzungsanlagen usw. 1.11.1-2.4.2

Kosten von Wärmeversorgungsanlagen

Die Grundlagen der Kostenberechnung gebäudetechnischer Anlagen sind in Blatt 1, Ausgabe 2000-09, der VDI-Richtlinie 2067 unter dem Titel „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen- und Kostenberechnung“ zusammengefasst. Die Ausgabe 2000-09 von Blatt 1 der VDI 2067 ist wie folgt gegliedert: – Geltungsbereich – Zugehörige Normen und Richtlinien – Verwendete Begriffe und Definitionen – Grundlagen – Voraussetzungen für die Berechnung der Kosten – Ermittlung der Kosten – Wirtschaftlichkeitsrechnung nach Annuitätsmethode – Schrifttum – Anhang Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit der vorliegenden Fassung der VDI 2067 eine Anzahl von Unzulänglichkeiten vorheriger Versionen beseitigt werden konnten. VDI 2067 ist allerdings keine Auslegungsrichtlinie. Sie soll helfen, in der Konzeptionsphase eine sachgerechte Entscheidung zwischen verschiedenen Varianten für eine definierte Nutzung gebäudetechnischer Anlagen treffen zu können. Die Kostenrechnung nach Blatt 1, Ausgabe 2000-09, der VDI-Richtlinie 2067 entspricht einer Normalkostenrechnung, da die Kosten der jährlichen Instandhaltung als prozentualer Anteil der Investitionsausgaben angesetzt werden. Eine Ist-Kostenrechnung ist mit diesen pauschalierten Daten nicht möglich und auch nicht beabsichtigt. Ein praxisorientierter Überblick über die Methodik der Vollkostenermittlung auf Normalkostenbasis wird in der Veröffentlichung einer Vergleichskostenrechnung1) gegeben, die im Internet unter dem Link www.fernwaerme-info.com/fileadmin/Redakteure/dokumente/ HKV_07_ 2009_Versand.pdf aufgerufen werden kann.

1)

AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V.: Heizkostenvergleich nach VDI 2067 — Internet: http://www.fernwaerme-info.com/foerderung-kosten/heizkostenvergleichnach-vdi-2067 (letzer Zugriff am 31.10.2009).

1

532

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

1.11.1-3

Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung

1.11.1-3.1 Aufgaben der Wirtschaftlichkeitsrechnung Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnungen werden zur Vorbereitung oder Überprüfung von Investitionsentscheidungen eingesetzt, um Fehlinvestitionen soweit wie möglich zu vermeiden. Bei der Berechnung der Vorteilhaftigkeit lassen sich drei Problemkreise unterscheiden 1. Prüfung der Vorteilhaftigkeit einer einzelnen Investition (Wirtschaftlichkeitsproblem) 2. Wahl zwischen zwei oder mehr sich gegenseitig ausschließenden Investitionen (Wahlproblem) 3. Entscheidung, ob eine bereits realisierte Investition durch eine andere ersetzt werden soll und Frage nach dem günstigsten Ersatzzeitpunkt (Ersatzproblem) Aus der Vielzahl der verwendeten Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnungsverfahren zeigt Bild 1.11.1-3 einen Überblick über die gebräuchlichsten Methoden. a) Charakteristik der statischen Verfahren – Kostenvergleichs-/Gewinnvergleichs-/Rentabilitätsrechnung • Nur eine Periode (in der Regel ein Jahr) wird als repräsentativ für die gesamte Lebensdauer angesehen. • Zinsen und Zinseszinsen aufgrund des zeitlichen Anfalls von Wertbewegungen werden nicht berücksichtigt. • Berücksichtigung von Durchschnittsgrößen in einer fiktiven Teilperiode – Amortisationsrechnung • Berechnung des Zeitraumes, in dem die durch die Investition ausgelösten kumulierten Erlöse gleich der Summe der Anschaffungskosten und laufenden Betriebskosten ist. • Zinsen und Zinseszinsen werden nicht berücksichtigt. Anwendung: Wahlproblem, bei Amortisationsrechnung auch Ersatzproblem. Vorteil: Einfache Verfahren, daher übersichtliche schnelle Lösungen. Nachteile: Nur anwendbar, wenn mit nahezu konstanten Werten der relevanten Einflussgrößen für die gesamte Lebensdauer des Investitionsobjekes gerechnet werden kann.

Bild 1.11.1-3. Gebräuchlichste Methoden der Wirtschaftlichkeitsrechnungsverfahren.

1.11.1 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

b) Charakteristik der dynamischen Verfahren – Traditionelle Verfahren • Als Rechengröße werden ausschließlich reine Zahlungsvorgänge (Einzahlungen und Auszahlungen) verwendet. • Die zeitliche Struktur von Wertbewegungen wird durch Abzinsung oder Aufzinsung mit einem Kalkulationszinsfluss berücksichtigt. • Preissteigerungen können in den Rechengang einbezogen werden. • Es wird eine zeitraumbezogene Berechnung über alle Teilperioden der Lebensdauer der Investition durchgeführt. – Operation-Research-Verfahren • Investitionsproblem wird nicht isoliert, sondern im Rahmen eines mathematischen Modells des Unternehmens betrachtet. • Interdependenzen mit Finanzierungsplanung, Absatz- und Produktionsplanung werden berücksichtigt. • Änderungen relevanter Parameter im Zeitverlauf können berücksichtigt werden. Anwendung: Wirtschaftlichkeitsproblem, Wahlproblem, Ersatzproblem. Vorteile: Verfahren sind universaler und mit größerer Aussageschärfe anwendbar als statische Verfahren. Nachteile: Aufwendigere Verfahren bei Berücksichtigung von Kapitalwert-, Annuitäten- und Interne-Zinsfuß-Methode. Operation-Research-Verfahren bedingen eine mathematische Modellierung des gesamten Unternehmensprozesses. Verfahren des Operation-Research werden hier nicht weiter behandelt. Es wird auf die hierzu erschienene Literatur (siehe z. B. 1)) hingewiesen.

1.11.1-3.2 Entscheidungskriterien und Randbedingungen der Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechenverfahren 1.11.1-3.2.1

Statische Verfahren

a) Kostenvergleichsrechnung Kriterium für die Bewertung sind die durchschnittlichen Kosten, die durch die Investition in einer Periode verursacht werden (Periodenkosten oder Stückkosten). K = KB + KD KA – R P ( KA + R ) - + -------- ⋅ ---------------------K D = --------------2 100 t K = Gesamtkosten je Periode als Durchschnittswert KB = Betriebskosten je Periode KD = Kapitaldienst je Periode KA = Investitionsausgabe P = Zinssatz R = Restwert des Investitionsgutes nach Nutzungsdauer t = Abschreibungs-/Nutzungszeitraum Anwendung: Wahlproblem und Ersatzproblem b) Gewinnvergleichsverfahren Kriterium für die Bewertung ist der durchschnittliche Periodengewinn, der durch die Investitionen verursacht wird.

1)

Hannsmann, F.: Einführung in die Systemforschung – Methodik der modellgestützten Entscheidungsvorbereitung. 2. Auflage, München 1985. Koch, H.: Neuere Entwicklungen in der Unternehmenstheorie. Wiesbaden 1983. Schmidt, R. H.: Grundzüge der Investitions- und Finanzierungstheorie. Wiesbaden 1983. Müller-Merbach, H.: Operations Research, München 1973.

533

1

534

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

G =E–K G = Durchschnittsgewinn je Periode E = Durchschnittserlös je Periode K = Durchschnittskosten je Periode Anwendung: Wahlproblem und Ersatzproblem c) Rentabilitätsrechnung Kriterium für die Bewertung ist die zeitliche Durchschnittsverzinsung des eingesetzten Kapitals für eine Investition. Eine betrachtete Investition ist immer dann vorteilhaft, wenn ihre Rentabilität über einer geforderten Mindestrentabilität liegt. G R = ------- ⋅ 100% > R min KA R = Rentabilität G = Durchschnittsgewinn je Periode KA = Durchschnittlich gebundenes Kapital Rmin = geforderte Mindestrentabilität Anwendung: Wirtschaftlichkeits-, Wahl- und Ersatzprobleme. d) Amortisationsrechnung Kriterium für Vorteilhaftigkeit einer Investition ist der Zeitraum, in dem das für eine Investition eingesetzte Kapital wiedergewonnen wird. Ki t A = -------------G+A tA Ki G A

= = = =

Amortisationszeitpunkt Investitionskapital Durchschnittsgewinn je Periode Durchschnittliche Abschreibungen je Periode

1.11.1-3.2.2

Dynamische Verfahren

a) Kapitalwertmethode Kriterium für die Bewertung der Vorteilhaftigkeit der Investition ist der Kapitalwert als Summe aller mit dem Kalkulationszinsfuß auf den Investitionszeitpunkt abgezinsten Einzahlungen und Auszahlungen. Statt Einzahlungen können auch Einsparungen angesetzt werden. Der Kalkulationszinsfuß wird vom Investor bestimmt und drückt dessen Erwartungen bezüglich der Mindestverzinsung des eingesetzten Kapitals aus. T

C0 = – A0 +

1  ( Et – A t ) ⋅ ------------------t t=1

A0 C0 Et At i t T

(1 + i)

= = = =

Investitionsausgabe Kapitalwert Einzahlungen zum Zeitpunkt t Auszahlungen zum Zeitpunkt t P ------= - Kalkulationszinsfuß 100 = Periodenindex (t = 1, … T) = letzte zu berücksichtigende Periode

1 BF = -----------------t =Abzinsungsfaktor der Periode (auch Barwertfaktor) (1 + i) In Tafel 1.11.1-3 sind die Barwertfaktoren für einen Zeitraum bis 30 Jahren und für Kalkulationszinsfüßen von 3 % bis 15 % dargestellt.

1.11.1 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

535

b) Annuitätenmethode Kriterium der Vorteilhaftigkeit ist hier die Annuität d. h. die dem Kapitalwert einer Investition äquivalente Jahresrente. Das Annuitätenverfahren ist damit nur eine Variante der Kapitalwertmethode. T

(1 + i) ⋅ i AN = C 0 ⋅ -------------------------T (1 + i) – 1 AN = ANE – ANA AN = Annuität des Kapitalwertes C0 ANE= Annuität der Einzahlungsreihe ANA= Annuität der Auszahlungsreihe

1

T

(1 + i) ⋅ i - = Wiedergewinnungsfaktor (Annuitätsfaktor) WF = -------------------------T (1 + i) – 1 In Tafel 1.11.1-3 sind die Wiedergewinnungsfakten für einen Zeitraum bis 30 Jahren und Kalkulationszinsfüße von 3 % bis 15 % dargestellt. Tafel 1.11.1-2 Abzinsungsfaktoren BF = 1/(1+i) t Betrachtungszeitraum Jahre

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

1 2 3 4 5

0,962 0,925 0,889 0,855 0,822

0,952 0,907 0,864 0,823 0,784

0,943 0,890 0,840 0,792 0,747

0,935 0,873 0,816 0,763 0,713

0,926 0,857 0,794 0,735 0,681

0,917 0,842 0,772 0,708 0,650

0,909 0,826 0,751 0,683 0,621

0,901 0,812 0,731 0,659 0,593

0,893 0,797 0,712 0,636 0,567

0,885 0,783 0,693 0,613 0,543

6 7 8 9 10

0,790 0,760 0,731 0,703 0,676

0,746 0,711 0,677 0,645 0,614

0,705 0,665 0,627 0,592 0,558

0,666 0,623 0,582 0,544 0,508

0,630 0,583 0,540 0,500 0,463

0,596 0,547 0,502 0,450 0,422

0,564 0,513 0,467 0,424 0,386

0,535 0,482 0,434 0,391 0,352

0,507 0,452 0,404 0,361 0,322

0,480 0,425 0,376 0,333 0,295

11 12 13 14 15

0,650 0,625 0,601 0,577 0,555

0,585 0,557 0,530 0,505 0,481

0,527 0,497 0,496 0,442 0,417

0,475 0,444 0,415 0,388 0,362

0,429 0,397 0,368 0,340 0,315

0,388 0,356 0,326 0,299 0,275

0,350 0,319 0,290 0,263 0,239

0,317 0,286 0,258 0,232 0,209

0,287 0,257 0,229 0,205 0,183

0,261 0,231 0,204 0,181 0,160

16 17 18 19 20

0,534 0,513 0,494 0,475 0,456

0,458 0,436 0,416 0,396 0,377

0,394 0,371 0,350 0,331 0,312

0,339 0,317 0,296 0,277 0,258

0,292 0,270 0,250 0,232 0,215

0,252 0,231 0,212 0,194 0,178

0,218 0,198 0,180 0,164 0,149

0,188 0,170 0,153 0,138 0,124

0,163 0,146 0,130 0,116 0,104

0,141 0,125 0,111 0,098 0,087

21 22 23 24 25

0,439 0,422 0,406 0,390 0,375

0,359 0,342 0,326 0,310 0,295

0,294 0,278 0,262 0,247 0,233

0,242 0,226 0,211 0,197 0,184

0,199 0,184 0,170 0,158 0,146

0,164 0,150 0,138 0,126 0,016

0,135 0,123 0,112 0,102 0,092

0,112 0,101 0,091 0,082 0,074

0,093 0,083 0,074 0,066 0,059

0,077 0,068 0,060 0,053 0,047

26 27 28 29 30

0,361 0,347 0,333 0,321 0,308

0,281 0,268 0,255 0,243 0,231

0,220 0,207 0,196 0,185 0,174

0,172 0,161 0,150 0,141 0,131

0,135 0,125 0,116 0,107 0,099

0,106 0,098 0,090 0,082 0,075

0,084 0,076 0,069 0,063 0,057

0,066 0,060 0,054 0,048 0,044

0,053 0,047 0,042 0,037 0,033

0,042 0,037 0,033 0,029 0,026

536

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

c) Interne-Zinsfuß-Methode Kriterium der Vorteilhaftigkeit einer Investition ist die effektive Verzinsung r (interner Zinsfuß), die die Investition erbringt. Beim internen Zinsfuß r wird der Kapitalwert aller der Investition zuzurechnenden Auszahlungen und Einzahlungen gleich 0. Die Ermittlung des internen Zinsfußes entspricht der Berechnung der Nullstelle eines Polynoms T-ten Grades und ist analytisch ab T > 3 nicht mehr lösbar. In der Praxis wird der interne Zinsfuß deshalb durch iterative Interpolation ermittelt. Eine Investition ist nach dieser Methode dann wirtschaftlich, wenn der interne Zinssatz größer oder gleich dem Kalkulationszinssatz ist. Tafel 1.11.1-3 Wiedergewinnungsfaktoren WF = (1+i) T · i/((1+i) T–1) Betrachtungszeitraum Jahre

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

1 2 3 4 5

1,040 0,530 0,360 0,275 0,225

1,050 0,538 0,367 0,282 0,231

1,060 0,545 0,374 0,289 0,237

1,070 0,553 0,381 0,295 0,244

1,080 0,561 0,388 0,302 0,250

1,090 0,568 0,395 0,309 0,257

1,100 0,576 0,402 0,315 0,264

1,110 0,584 0,409 0,322 0,271

1,120 0,592 0,416 0,329 0,277

1,130 0,599 0,424 0,336 0,284

6 7 8 9 10

0,191 0,167 0,149 0,134 0,123

0,197 0,173 0,155 0,141 0,130

0,203 0,179 0,161 0,147 0,136

0,210 0,186 0,167 0,153 0,142

0,216 0,192 0,174 0,160 0,149

0,223 0,199 0,181 0,167 0,156

0,230 0,205 0,187 0,174 0,163

0,236 0,212 0,194 0,181 0,170

0,243 0,219 0,201 0,188 0,177

0,250 0,226 0,208 0,195 0,184

11 12 13 14 15

0,114 0,107 0,100 0,095 0,090

0,120 0,113 0,106 0,101 0,096

0,127 0,119 0,113 0,108 0,103

0,133 0,126 0,120 0,114 0,110

0,140 0,133 0,127 0,121 0,117

0,147 0,140 0,134 0,128 0,124

0,154 0,147 0,141 0,136 0,131

0,161 0,154 0,148 0,143 0,139

0,168 0,161 0,156 0,151 0,147

0,176 0,169 0,163 0,159 0,155

16 17 18 19 20

0,086 0,082 0,079 0,076 0,074

0,092 0,089 0,086 0,083 0,080

0,099 0,095 0,092 0,090 0,087

0,106 0,102 0,099 0,097 0,094

0,113 0,110 0,107 0,104 0,102

0,120 0,117 0,114 0,112 0,110

0,128 0,125 0,122 0,120 0,117

0,136 0,132 0,130 0,128 0,126

0,143 0,140 0,138 0,136 0,134

0,151 0,149 0,146 0,144 0,142

21 22 23 24 25

0,071 0,069 0,067 0,066 0,064

0,078 0,076 0,074 0,072 0,071

0,085 0,083 0,081 0,080 0,078

0,092 0,090 0,089 0,087 0,086

0,100 0,098 0,096 0,095 0,094

0,108 0,106 0,104 0,103 0,102

0,116 0,114 0,113 0,111 0,110

0,124 0,122 0,121 0,120 0,119

0,132 0,131 0,130 0,128 0,127

0,141 0,139 0,138 0,137 0,136

26 27 28 29 30

0,063 0,061 0,060 0,059 0,058

0,070 0,068 0,067 0,066 0,065

0,077 0,076 0,075 0,074 0,073

0,085 0,083 0,082 0,081 0,081

0,093 0,091 0,090 0,090 0,089

0,101 0,100 0,099 0,098 0,097

0,109 0,108 0,107 0,107 0,106

0,118 0,117 0,116 0,116 0,115

0,127 0,126 0,125 0,125 0,124

0,136 0,135 0,134 0,134 0,133

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

537

1.11.1-3.3 Wirtschaftlichkeitsberechnungsverfahren nach VDI 2067, Blatt 1, und VDI 60251) In Blatt 1 der VDI-Richtlinie 20672), wird eine vereinfachte Methodik zur Ermittlung der Annuitäten von Investitionsalternativen vorgestellt. Es werden hier unter Anderem konstante jährliche Veränderungsraten von Kosten – und Zahlungsarten über die gesamte Laufzeit der betrachteten Investitionsalternativen angenommen. Für die Parameter Nutzungsdauer sowie Instandhaltung, Wartung und Bedienungsaufwand werden pauschale Ansätze in vier Tabellen erfasst. Die vier Tabellen sind jeweils unterschiedlichen gebäudetechnischen Komponenten zugeordnet. In Blatt 10 der VDI-Richtlinie 20763) werden die Grundlagen für die Berechnung des Energiebedarfs beschrieben (Eingabedaten, Berechnungsgrundlagen und Rechenergebnisse). Die Richtlinie VDI 6025 4) beinhaltet hingegen alle üblichen dynamischen Verfahren der Wirtschaftlichkeitsrechnung wie Kapitalwertmethode, Annuitätsmethode und InterneZinsfuß-Methode sowie auch die Ermittlung der dynamischen Amortisationszeit. Mit diesen Berechnungsverfahren können auch periodisch unterschiedlich anfallende Änderungen von Kosten- bzw. Zahlungsgrößen explizit berücksichtigt werden. Des Weiteren sind Ansätze zur Berücksichtigung der Unsicherheit und des Risikos zukünftiger Kosten- bzw. Zahlungsgrößen einbezogen. Es wird empfohlen, bei konkreten Investitionsentscheidungen die entsprechenden VDIRichtlinien direkt einzusehen.

1.11.2

Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung5)

1.11.2-1

Allgemeines

Die klassische Gewaltenteilung beim Bauen – Bauherr, Architekt, Fachingenieur, Ausführender – hat in den letzten Jahren eine grundlegende Veränderung erfahren. Neben den bereits fest etablierten Geschäftsfeldern des Projektsteuerers sind zunehmend Projektbeteiligte wie Generalübernehmer, Generalplaner, Facility Manager in das Geschehen eingetreten. Aus diesem Grund werden zunächst mögliche Konstellationen, Aufgabenverteilungen und Zusammenwirken von Beteiligten durch Kurzdefinitionen umrissen.

1.11.2-2

Definitionen

1.11.2-2.1 Bauherr6) Der Bauherr ist der Veranlasser einer Baumaßnahme. Nach den Landesbauordnungen ist er dafür verantwortlich, dass die von ihm initiierte Baumaßnahme dem öffentlichen Baurecht entspricht. Darüber hinaus hat er für genehmigungsbedürftige Maßnahmen einen Entwurfsverfasser und einen Unternehmer zu bestellen, teilweise auch noch einen Bauleiter. In der Sprachregelung der VOB wird der Bauherr als Auftraggeber bezeichnet, wenn er die Bauleistung nicht selber ausführt. Nicht jede in der VOB als Auftraggeber bezeichnete Person oder Institution ist jedoch Bauherr, da auch ein Auftragnehmer Bauleistungen an Nachunternehmer vergeben kann und damit zum Auftraggeber des Nachunternehmers wird.

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Aktualisiert für die 78. Auflage: Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden VDI 2067 Blatt 1 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung“, 09-2012. VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013. VDI 2025 „Betriebswirtschaftliche Berechnung für Investitionsgüter und Anlagen“, 11-2012. Aktualisiert und ergänzt für die 78. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden Brüssel, W.: Baubetrieb von A bis Z. Werner-Verlag, Düsseldorf 1993.

1

538

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

1.11.2-2.2 Architekt1) Architekt ist der Auftragnehmer in erster Linie für Objektplanungen für Gebäude, Freianlagen und raumbildende Ausbauten. Dazu gehören Neubauten, Neuanlagen, Wiederauf-, Erweiterungs-, Umbauten, Modernisierungen, raumbildende Ausbauten, Instandhaltungen und Instandsetzungen. Darüber hinaus kann zum Leistungsbild gehören oder eine Spezialisierung (→ Fachplaner) erfolgt sein für die Erarbeitung von Flächennutzungsplänen, Bebauungsplänen, landschafts- und verkehrsplanerischen Anlagen.

1.11.2-2.3 Projektsteuerung2) Die Projektsteuerung übernimmt die Funktion des Auftraggebers bei der Steuerung von Projekten mit mehreren Fachbereichen. Projektsteuerung ist die neutrale und unabhängige Wahrnehmung von Auftraggeberfunktionen in technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Hinsicht im Sinne § 31 HOAI3).

1.11.2-2.4 Fachplaner4) Der Fachplaner wird in direktem Vertragsverhältnis mit dem Auftraggeber zur Erbringung von Fachplanungsleistungen beauftragt, z. B. der Tragwerksplanung, der Planung der Technischen Anlagen und der Baugrundbeurteilung. Verantwortung, Haftung und Gewährleistung der Fachplaner erstrecken sich jeweils nur auf ihren begrenzten Aufgabenbereich.

1.11.2-2.5 Generalplaner Bei Einschaltung eines Generalplaners liegt die gesamte Verantwortung einschließlich Haftung und Gewährleistung für alle Planungsleistungen sowie für die Überwachung der Bauausführung in einer Hand. Dem Generalplaner steht es frei, alle Planungsleistungen mit eigenen Mitarbeitern zu erfüllen. Fallweise kann er Fachplaner im Nachunternehmerverhältnis einschalten, wobei sich der Auftraggeber in der Regel ein Mitspracherecht vorbehält.

1.11.2-2.6 Generalfachplaner Der Generalfachplaner entspricht einem Generalplaner, allerdings in der Regel ohne Beauftragung mit allen Leistungsphasen der Architekten-/Objektplanung, da Architekten daneben einzelvertraglich gebunden werden.

1.11.2-2.7 Fachunternehmer Einem Fachunternehmer werden vom Auftraggeber die Bauleistungen eines Gewerbezweiges (Fach, Gewerk) übertragen. Er führt die beauftragten Teile der Leistung im Wesentlichen selbständig und eigenverantwortlich aus.

1.11.2-2.8 Generalunternehmer Einem Generalunternehmer werden vom Auftraggeber die Bauleistungen aller Gewerbezweige für ein Bauwerk übertragen. Dabei hat er gegebenenfalls auch Teile der Ausführungsplanung zu erbringen. In diesem Fall spricht man von einem „qualifizierten Generalunternehmer“. Er führt wesentliche Teile der Bauleistung selbst aus, z. B. die Rohbauarbeiten. Die übrigen Bauleistungen vergibt er an Nachunternehmer, die ihre Leistungen selbständig und eigenverantwortlich auch im Rahmen von Werkverträgen erfüllen.

1.11.2-2.9 Generalübernehmer Der Generalübernehmer unterscheidet sich vom Generalunternehmer dadurch, dass er die Ausführung der Bauleistungen aller Gewerbezweige für ein Bauwerk übernimmt, jedoch selbst keinerlei Bauleistungen im eigenen Betrieb ausführt. Generalübernehmer 1) 2) 3) 4)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. Projektmanagementleistungen in der Bau- und Immobilienwirtschaft. Schriftenreihe des AHO, Nr. 9, 4. überarbeitete Auflage, Bundesanzeiger (2014), Nr. 5. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

539

haben für den Auftraggeber den Nachteil, dass ihr Betriebsvermögen durch das Fehlen eines eigenen Baubetriebes meistens niedriger ist als das eines Generalunternehmers.

1.11.2-2.10

Hauptunternehmer1)

Ein Rohbauunternehmer wird bei der Vergabe nach Fachlosen/Gewerken gemäß § 4 Nr. 3 VOB/A3) als Hauptunternehmer bezeichnet. Für die weiteren Teilleistungen, wie z. B. die Technischen Anlagen und den Ausbau, werden dann weitere Nebenunternehmer eingeschaltet.

1.11.2-2.11

Nebenunternehmer2)

Für nachrangige Bauleistungen schließt der Auftraggeber neben dem Bauwerkvertrag mit einem Hauptunternehmer für die maßgeblichen Bauleistungen Verträge mit Nebenunternehmern ab. Zwischen Hauptunternehmer und Nebenunternehmer bestehen keine direkten Vertragsverhältnisse.

1.11.2-2.12

Nachunternehmer3)

Er wird von einem Generalunter-, Generalüber- oder Totalunternehmer im Werkvertragverhältnis beauftragt. Es besteht kein direktes Vertragsverhältnis zu deren Auftraggeber.

1.11.2-3

Planung und Ausschreibung4)

1.11.2-3.1 Allgemeines In den meisten Fällen wird in einer sehr frühen Projektphase bereits die Art der Ausschreibung, unabhängig vom Ausschreibungsverfahren, festgelegt. Dies hat unmittelbaren Einfluss auf den Planungsablauf und die Planungsanteile der jeweiligen Auftragnehmer. Daher soll hier neben dem a) klassischen Planungsverfahren mit „konventioneller“ Leistungsbeschreibung nach HOAI b) ein gewandelter Planungsablauf mit sogenannter Funktionalausschreibung, bei den Planungsleistungen im Regelfall auf einen Generalunternehmer verlagert werden, eine Darstellung erfahren. In der VDI 6028-15) „Bewertungskriterien für die Technische Ausrüstung“ wird hier erheblich mehr Transparenz geschaffen und in VDI 6028 Blatt 1.16) Aspekte des nachhaltigen Bauens betrachtet.

1.11.2-3.2 Leistungsbild nach § 73 HOAI7) (Diese auszugsweise Darstellung ist Basis zur transparenten Abgrenzung der unterschiedlichen Ausschreibungsarten) 1.11.2-3.2.1

Grundlagenermittlung

Klären der Aufgabenstellung der Technischen Ausrüstung insbesondere in technischen und wirtschaftlichen Grundsatzfragen. 1.11.2-3.2.2

Vorplanung

Analyse der Grundlagen. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

Projektmanagementleistungen in der Bau- und Immobilienwirtschaft. Schriftenreihe des AHO, Nr. 9, 4. überarbeitete Auflage, Bundesanzeiger (2014), Nr. 5. DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012. DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012. Projektmanagementleistungen in der Bau- und Immobilienwirtschaft. Schriftenreihe des AHO, Nr. 9, 4. überarbeitete Auflage, Bundesanzeiger (2014), Nr. 5. VDI 6028 Blatt 1 „Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Grundlagen“, 022002. VDI 6028 Blatt 1.1 „Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Technische Qualität für nachhaltiges Bauen“, 11-2013. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013.

1

540

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Erarbeiten eines Planungskonzepts mit überschlägiger Auslegung der wichtigen Systeme und Anlagenteile. Aufstellen eines Funktionsschemas beziehungsweise Prinzipschaltbildes für jede Anlage Klären und Erläutern der wesentlichen fachspezifischen Zusammenhänge, Vorgänge und Bedingungen. Mitwirken bei der Kostenschätzung nach DIN 276.1) 1.11.2-3.2.3

Entwurfsplanung

Durcharbeiten des Planungskonzepts unter Berücksichtigung aller fachspezifischen Anforderungen sowie unter Beachtung der durch die Objektplanung integrierten Fachplanungen bis zum vollständigen Entwurf. Festlegen aller Systeme und Anlagenteile. Berechnung und Bemessung sowie zeichnerische Darstellung und Anlagenbeschreibung Mitwirken bei der Kostenberechnung, bei Anlagen in Gebäuden: nach DIN 276.2) 1.11.2-3.2.4

Genehmigungsplanung

Erarbeiten der Vorlagen für die nach den öffentlich-rechtlichen Vorschriften erforderlichen Genehmigungen oder Zustimmungen einschließlich der Anträge auf Ausnahmen und Befreiungen sowie noch notwendige Verhandlungen mit Behörden. Vervollständigen und Anpassen der Planungsunterlagen, Beschreibungen und Berechnungen. 1.11.2-3.2.5

Ausführungsplanung

Durcharbeiten der Ergebnisse der Leistungsphasen 3 und 4 (stufenweise Erarbeitung und Darstellung der Lösung) unter Berücksichtigung aller fachspezifischen Anforderungen sowie unter Beachtung der durch die Objektplanung integrierten Fachleistungen bis zur ausführungsreifen Lösung. Zeichnerische Darstellung der Anlagen mit Dimensionen (keine Montage- und Werkstattzeichnungen). 1.11.2-3.2.6

Vorbereitung der Vergabe

Ermitteln von Mengen als Grundlage für das Aufstellen von Leistungsverzeichnissen in Abstimmung mit Beiträgen anderer an der Planung fachlich Beteiligter. Aufstellen von Leistungsbeschreibungen mit Leistungsverzeichnissen nach Leistungsbereichen. 1) Konventionelle Leistungsbeschreibung Die Leistungsbeschreibung mit Leistungsverzeichnis (LV) ist allgemein bekannt und stellte langjährig die Regelausschreibung dar. Voraussetzung dafür ist das klassische Planungsverfahren bis zum Vorliegen der Ausführungszeichnungen und der Mengenermittlung. Der Aufbruch der einzelnen Phasen der Projektbearbeitung gemäß § 73 HOAI3) trägt dieser Sinnfälligkeit Rechnung. Die Planung ist frei von Hersteller-, Lieferanten- und Handelsinteressen. Planung und Ausschreibung sind grundsätzlich getrennt; es besteht das bewährte „Vier-Augen-Prinzip“.4) Das Leistungsverzeichnis mit eindeutiger Beschreibung aller Positionen, nach Standardleistungsbuch5) und/oder mit frei gestalteten Texten, wird vom Auftragnehmer für die Ingenieurleistungen erstellt und den potentiellen Auftragnehmern zur Kalkulation übergeben. Des Weiteren enthält dieses LV im Regelfall einen Erläuterungsbericht und zusätzliche Vertragsbedingungen als Kalkulationshilfen.

1) 2) 3) 4)

5)

DIN 276-1 „Kosten im Bauwesen – Teil 1: Hochbau“, 12-2008. Ebd. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. HOAI – Leistungsbilder von Anlagen der Technischen Ausrüstung nach Teil IX bei der funktionalen Leistungsvergabe inkl. komplementärem Leistungsbild des Generalunternehmers. Schriftenreihe des AHO, Nr. 11, 2. ergänzte Auflage, Bundesanzeiger (2002), Nr. 10. Deutscher Normenausschuss (DNV) (Hrsg.): Standardleistungsbücher. Beuth-Verlag, Berlin.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

541

In Tafel 1.11.2-1 ist als Beispiel die Beschreibung einer Rohrverschraubung aufgeführt. Es handelt sich dabei um: Rohrverschraubung in Eckform, aus Stahl, Nenndruck 10 bar, flach dichtend mit Anschweißenden, Nennweite DN 8. 2) Funktionale Leistungsbeschreibung Ebenso wie die konventionelle Leistungsbeschreibung ist die Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm – in der Praxis als Funktionale Leistungsbeschreibung – in der VOB1) geregelt. Es gelten dieselben Anforderungen, insbesondere – Die Leistung ist eindeutig und so erschöpfend zu beschreiben, dass alle Bewerber die Beschreibung im gleichen Sinn verstehen müssen und ihre Preise sicher und ohne umfangreiche Vorarbeiten berechnen können. – Dem Auftragnehmer darf kein ungewöhnliches Wagnis aufgebürdet werden. – Der Zweck der fertigen Leistung sowie die an sie gestellten technischen, wirtschaftlichen, gestalterischen und funktionsbedingten Anforderungen sind klar festzulegen; dabei dürfen aber bestimmte Erzeugnisse oder Verfahren sowie bestimmte Ursprungsorte und Bezugsquellen nur ausnahmsweise vorgeschrieben werden. – Die eingehenden Angebote müssen miteinander verglichen werden können. Die funktionale Leistungsbeschreibung ermöglicht durch den Wettbewerb verschiedener technischer Systeme und Bauverfahren, durch die verstärkte Ausnutzung der unternehmerischen Kompetenz, Einsparungen, die sich für den AG kostenmindernd auswirken. Allerdings besteht immer die Gefahr, dass bei zu groß bemessenen Spielräumen niedrigere Standards und Qualitäten in Kauf genommen werden müssen. Diese stellen zwar keine Baumängel dar, können aber zu minderer Lebensdauer und Nutzungsqualität führen.2) Tafel 1.11.2-1 Beispiel für die Beschreibung von Rohrverschraubungen im Standardleistungsbuch 040 T1 T2 T3 T4 T5 Einh 300 301 01 02 03 04 05 11 01 02 03 04 05 01 02 03 04 St St St

12

St

01 02 03 21

…

01 02 03

…

3.5 Rohrverschraubungen Rohrverschraubung in Durchgangsform ——————————— in Eckform aus Temperguss schwarz ————————— verzinkt aus Stahl aus Messing, aus Rotguss aus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PN 6 PN 10 PN 16 PN 25 PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . flach dichtend, mit Gewindeanschluss konisch dichtend, mit Gewindeanschluss als Klemmverbindung .................................... R⅛ R¾ R⅜

K-Nr.

Kurztext Rohrverschraubung

21

31

41

Gewindeanschluss Gewindeanschluss Klemmverbindung .................. R⅛ R¾ R⅜

51

St St St

R.................................. flach dichtend, mit Anschweißenden DN 6 DN 8 DN 10

.................. Anschweißende DN 6 DN 8 DN 10

St

DN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

..................

05

1) 2)

Langtext

DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012 VDI 6028 Blatt 1 „Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Grundlagen“, 02/2002.

1

542

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.2-1 Beispiel für die Beschreibung von Rohrverschraubungen im Standardleistungsbuch 040 (Forts.) Pos.

Text

Menge

AE

Preis je Einheit

Betrag

€

€

ct

ct

301 03 02 05 02 Rohrverschraubung in Eckform aus Stahl usw. Dem gegenüber steht aber ein Preiszuschlag von ca. 15 % bis 30 %, den GUs für die Koordinierung von Nachunternehmungen und die Übernahme des Gesamtgewährleistungsrisikos einkalkulieren. Grundsätzlich haben sich zwischenzeitlich eine Reihe von Modellvarianten funktionaler Ausschreibung herauskristallisiert, die sich wie folgt untergliedern lassen: a) Bauvorhaben ohne Bauherrnplanung (Funktional und technisch einfache Bauvorhaben) Bauherr erbringt keinerlei Planungsleistungen, stellt lediglich eine Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm auf und benötigt nur wenig eigene Verwaltungskraft. b) Bauvorhaben mit geringer Vorplanung des Bauherrn (Funktional und technisch einfache Bauvorhaben mit höheren Anforderungen) Bauherr erbringt die Vorentwurfsplanung im Maßstab 1:200 und erstellt eine Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm; dadurch gibt der Bauherr die städtebaulich-architektonischen und funktionalen Anforderungen der Bauaufgabe vor. c) Bauvorhaben mit vom Bauherrn erbrachter Genehmigungsplanung (Bauvorhaben mittleren Schwierigkeitsgrades) Bauherr erbringt Entwurfs- und Genehmigungsplanung im Maßstab 1:100 inkl. Leitdetails und erstellt funktionale Ausschreibung. d) Bauvorhaben mit vom Bauherrn erbrachter Ausführungsplanung (Bauvorhaben mittleren Schwierigkeitsgrades mit höheren Anforderungen) Bauherr plant bis zur Ausführungsreife, hält sich jedoch offen gegenüber Ausführungsalternativen. e) Bauvorhaben mit parallel zur Bauausführung erfolgender Planung (Funktional und technisch schwierige und/oder städtebaulich-architektonisch anspruchsvolle, gegebenenfalls denkmalgeschützte Bauvorhaben) Bauherr plant parallel zur Bauausführung je nach Erfordernis der Bauausführung (Trennung von Planung und Bauausführung). f) Bauvorhaben, welche erst nach vollständiger Planung und Vergabe ausgeführt werden (Funktional und technisch schwierige und/oder städtebaulich-architektonisch anspruchsvolle, gegebenenfalls denkmalgeschützte Bauvorhaben mit höchsten Anforderungen) Bauherr plant bis Ausführungsreife fertig und veranstaltet zur wirtschaftlichen Erstellung und zum Betrieb des schlüsselfertigen Gebäudes einen Preis-Leistungs-Wettbewerb verschiedener Unternehmensformen durch sog. Parallelausschreibung. Dabei haben sich eigentlich die Varianten c) und d) als durchaus tragfähig erwiesen, insbesondere zur Sicherung von Qualität und Standard. Bei schwierigeren Objekten [e) und f)] entspricht das Vorgehen im Wesentlichen dem klassischen Verfahren. Ergänzungen zur Nr. 11 der Schriftenreihe der AHO sind in der VDI 6028-11) enthalten.

1)

VDI 6028 Blatt 1 „Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Grundlagen“, 02-2002.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

543

1.11.2-3.3 Ausschreibungsverfahren Grundsätzlich unterscheidet man hier nach VOB1) a) Öffentliche Ausschreibung Bekanntmachung in Tageszeitungen, amtlichen Veröffentlichungsblättern oder Fachzeitschriften; Jeder (Fach)Unternehmer kann teilnehmen. Prüfung der Leistungsfähigkeit parallel zur Angebotsauswertung nach Submission. b) Beschränkte Ausschreibung Bekanntmachung des öffentlichen Teilnahmewettbewerbes in Tageszeitungen, amtlichen Veröffentlichungsblättern oder Fachzeitschriften; Jeder (Fach)Unternehmer kann seine Teilnahme am Wettbewerb beantragen. Prüfung der Eignung und Leistungsfähigkeit führt zu beschränktem Teilnehmerkreis qualitativ hochwertiges Verfahren. c) Freie Vergabe Zum Beispiel durch Angebotsherbeiziehung, geeignet nur für kleinere Bauvorhaben, bei Dringlichkeit und genauer Preisprüfungsmöglichkeit.

1.11.2-4

Vergabe, Ausführung und Abnahme

1.11.2-4.1 Allgemeines Um eine möglichst umfassende Darstellung des kompletten Leistungsbildes nach § 73 HOAI zu erreichen, wurden auch hier die entsprechenden Abschnitte aufgenommen, obwohl das notwendigerweise nicht erforderlich ist.

1.11.2-4.2 Leistungsbild nach § 73 HOAI2) 1.11.2-4.2.1

Mitwirkung bei der Vergabe

Prüfen und Werten der Angebote einschließlich Aufstellen eines Preisspiegels nach Teilleistungen. Mitwirken bei der Verhandlung mit Bietern und Erstellen eines Vergabevorschlages Mitwirken beim Kostenanschlag aus Einheits- oder Pauschalpreisen der Angebote nach DIN 276.3) Mitwirken bei der Kostenkontrolle durch Vergleich des Kostenanschlages mit der Kostenberechnung. Mitwirken bei der Auftragserteilung. 1.11.2-4.2.2

Objektüberwachung

Überwachen der Ausführung des Objektes auf Übereinstimmung mit der Baugenehmigung oder Zustimmung, den Ausführungsplänen, den Leistungsbeschreibungen oder Leistungsverzeichnissen sowie mit den allgemein anerkannten Regeln der Technik und den einschlägigen Vorschriften. Mitwirken bei dem Aufstellen und Überwachen eines Zeitplanes (Balkendiagramm). Mitwirken bei dem Führen eines Bautagebuches. Mitwirken beim Aufmaß mit den ausführenden Unternehmen. Fachtechnische Abnahme der Leistungen und Feststellen der Mängel. Rechnungsprüfung.

1.11.2-4.3 Vergabeunterlagen Zusätzlich zu den im vorhergehenden Kapitel dargestellten Leistungsbeschreibungen bestehen die den Firmen zur Kalkulation übergebenen Unterlagen noch aus

1) 2) 3)

DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. DIN 276-1 „Kosten im Bauwesen – Teil 1: Hochbau“, 12-2008.

1

544

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

a) der Aufforderung zur Abgabe eines Angebotes, eventuell mit Bewerbungsbedingungen b) Allgemeine Vertragsbedingungen VOB/B1) c) Allgemeine Technische Vertragsbedingungen VOB/C2) d) etwaigen zusätzlichen Vertragsbedingungen e) etwaigen zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen. Alle Teile enthalten Hinweise, die bei der Kalkulation von Angeboten relevant sind.

1.11.2-4.4 Prüfen und Werten der Angebote Insbesondere für öffentliche Auftraggeber sind in den Vergabehandbüchern3) weiterführende bzw. detailliertere Regelungen zur VOB/A4) enthalten. Festgeschrieben sind neben der Beachtung formaler Kriterien, wie z. B. – pünktliches Einreichen der Angebote – Vollständigkeit der Angebote – Eindeutigkeit der Eintragungen auch die Kriterien für Prüfung und Bewertung – rechnerisch – fachtechnisch – wirtschaftlich. Leider wird sehr häufig das Kriterium wirtschaftlich durch billig ersetzt, da aufgrund knapper Investitionsmittel die Betrachtung der Folge- und Nutzungskosten in den Hintergrund gedrängt wird. Die Unterlagen mit Vergabevorschlag durch den Prüfenden (im Regelfall der Fachplaner) sind so aufzubereiten, dass ein hohes Maß an Transparenz und Vergleichbarkeit (gegebenenfalls durch Bietergespräche) hergestellt wird. Insbesondere von Bedeutung, wenn Nebenangebote auch mit technischen Änderungsvorschlägen eingereicht werden.4)

1.11.2-4.5 Vergabearten5) Die Arten der Vergabe sind unmittelbar mit der Art des Ausschreibungsverfahrens verbunden und werden unterteilt a) offenes Verfahren b) nichtoffenes Verfahren c) Verhandlungsverfahren

1.11.2-4.6 Vertragsinhalte6) Unabhängig von der Vertragskonstellation sind in den Bauverträgen geregelt: a) Art und Umfang der Leistung Charakterisiert durch die übergebene Leistungsbeschreibung und weitere Kalkulationsunterlagen. b) Vergütung Einheitspreisbasis mit Abrechnung nach Aufmaß, Pauschalpreisbasis nach Kalkulation mit Planbasis, Stundenlohnsätzen auf Nachweis. c) vom AG (oder dessen Beauftragen) bereitgestellte Planunterlagen Hier unterscheidet sich im Wesentlichen die klassische zur funktionalen Leistungsbeschreibung erheblich. d) Hinweise zur Ausführung e) Fristen der Ausführung mit Regelungen zur Unterbrechung und Behinderung. f) Kündigung durch Vertragsparteien 1) 2) 3) 4) 5) 6)

DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012. DIN 18299 „VOB/C“, 09-2012. Vergabehandbücher Bund, Länder, Kommunen. DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012. DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012. DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

545

g) Haftung und Verjährung h) Vertragsstrafen i) Abnahme und Gewährleistung j) Abrechnung und Zahlung, incl. Stundenlohnarbeiten k) Zahlungsmodalitäten und Sicherheitsleistungen und nicht zuletzt l) Gerichtsstand oder Schiedsgutachterverfahren.

1.11.2-4.7 Objektüberwachung Im Rahmen der Objektüberwachung hat der im Regelfall vom Bauherrn (AG) beauftragte Architekt und Fachingenieur für die Ausführung der Bauleistungen auf Übereinstimmung mit der Planung – dem in Form von Plänen und Leistungsbeschreibungen dokumentierten Willen des Bauherrn – den Regeln der Technik und den entsprechenden gesetzlichen Grundlagen zu achten.1) Darüber hinaus hat er wie dargestellt eine Mitwirkungspflicht bei – Aufstellen und Überwachen eines Zeitplanes – Führen eines Bautagebuches – Aufmaß mit den ausführenden Unternehmen. Fachtechnische Abnahme, Feststellen der Mängel und Rechnungsprüfung gehören zum Aufgabenprofil. Aufgrund der vorher dargestellten Varianten der Auftragsvergabe – Einzelvergaben bis Komplettleistung – hat sich auch das Aufgabenprofil im Rahmen der Objektüberwachung verändert. Bei Vergabe der Leistungen an einen GU insbesondere z. B. einen GU für die Technischen Gewerke hat sich das Modell – Oberleitung mit Qualitätskontrolle – sehr gut bewährt. Dabei entfallen im Regelfall die administrativen Maßnahmen und es erfolgt eine Reduktion der Kontrollfunktion auf Inhalte und Qualitäten. In der VDI 6028-12) sind dazu weiterführende Aussagen enthalten.

1.11.2-4.8 Abnahmen Nach Fertigstellung der Montage, Inbetriebnahme und Funktionsprobe meldet der Unternehmer die Abnahme seiner Leistung an. VOB/B3) § 12 regelt das Recht auf Abnahme, die Pflicht zur Abnahme, das zeitliche Prozedere. Wichtig ist dies insbesondere deshalb, weil mit der Abnahme die Gefahr auf den Auftraggeber über geht und damit eine Umkehr der Beweislast eintritt. Das Abnahmeverfahren besteht im Einzelnen aus drei wesentlichen Teilen: a) fachtechnische Abnahme Die fachtechnische Abnahme liegt im Aufgabenbereich des vom Auftraggeber beauftragten Fachingenieurs. Bestimmte Teile der Leistungen müssen bereits während der Bauphase geprüft und abgenommen werden, z. B. Druck- und Dichtigkeitsproben bei wasserführenden Netzen, die später eingebaut oder isoliert werden. Des Weiteren sind ständige Zwischenprüfungen für bereits fertiggestellte Leistungsteile sinnvoll. Zur Vorbereitung der fachtechnischen Abnahme muss die Funktionsprüfung erfolgt sein, das Bedienpersonal unterwiesen sein, und alle erforderlichen Unterlagen einschließlich der Protokolle, Prüfbescheinigungen, die von Externen wie z. B. Sachverständigen u. a. erarbeiten werden, müssen vorliegen. Für die Abnahme einer Heizungsanlage sollten in Abhängigkeit des beauftragten Leistungsumfanges nach VDI 38094) folgende Unterlagen vorliegen:

1) 2) 3) 4)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. VDI 6028 Blatt 1 „Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Grundlagen“, 02-2002. DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012. VDI 3809 Blatt 1 „Prüfung gebäudetechnischer Anlagen – Heizungstechnik“, 09-2011.

1

546

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.2-2 Muster für die Zusammenstellung der im Rahmen des Leistungsumfanges vorzulegenden Bescheinigungen und Unterlagen (nach VDI 3809) Unterlagen

vorhanden

nicht vor- Bemerhanden kungen

Zeichnungen 1 Bestandsunterlagen mit Angaben über Spülmöglichkeiten, Füllmöglichkeiten und Entlüftungstabellen, z. B. Lageplan, Kellergeschoss 2 Verlegepläne, z. B. bei Fußbodenheizung*) 3 Strangschema, Schnitte 4 Detailpläne 5 Anlagenschema, Strangschema usw. 6 elektr. Schalt- und Regelpläne Berechnungen 7 Wärmebedarfsberechnung nach DIN 4701 8 Schornsteinauslegung nach DIN 4705 9 Rohrnetzberechnung mit Ventilauslegung 10 Heizflächenauslegung *)

Bei Fußbodenheizungen einschließlich Schnittzeichnung des Bodenaufbaus mit Wärme- und Trittschalldämmung und Angaben der Dehnungsfugen.

11 sonstige Berechnungsunterlagen von Anlagenteilen, z.B. Ausdehnungsgefäße Datenblätter und Beschreibungen 12 Anlagenbeschreibungen 13 Gerätebeschreibungen der Anlagenteile 14 Hinweise auf Wasserbehandlung/Entsorgung/ Nachfüllung/Neutralisation 15 Bedienungsanweisungen 16 Wartungsanweisungen 17 Beschreibung der Regelung, z. B. GLT/DDC Protokolle, Prüfbescheinigungen, Verträge 18 Protokolle über Dichtheitsprüfung nach VOB Teil C DIN 18380, 3.4**) 19 Protokoll über Erstinbetriebnahme einschl. Verbrennungsergebnisse/Brennereinstellung/ Kesseltemperatur- und Raumtemperaturverlauf/hydraulischer Abgleich 20 Unternehmerbescheinigungen 21 Überprüfungen durch Sachverständige 22 Schornsteinfegerbescheinigung 23 Wartungsvertrag 24 Energieliefervertrag 25 Liste wiederkehrender Prüfungen **)

Anlagenteile, die durch immobile Bauteile verdeckt sind, müssen geprüft sein, solange sie zugänglich sind; Gasleitungen müssen vor dem Anstrich geprüft sein.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

547

b) behördliche Abnahme Unter der behördlichen Abnahme wird im Regelfall die baurechtliche Abnahme durch die Baugenehmigung ausreichende Behörde – Baurechtsamt – verstanden. Dabei wird die Übereinstimmung der Ausführung mit dem Baurecht überprüft. Eine Beauftragung der Baurechtsabnahme erfolgt vom Auftraggeber gemeinsam mit dem bauleitenden Architekten. c) förmliche Abnahme Eine förmliche Abnahme muss dann stattfinden, wenn eine der Vertragsparteien dies verlangt. Voraussetzung dafür ist das Vorliegen der fachtechnischen und behördlichen Abnahmen. Der Befund dieser Abnahmeverhandlung ist schriftlich niederzulegen. Etwaige Vorbehalte wegen bekannter Mängel und wegen Vertragsstrafen sind aufzunehmen, ebenso etwaige Einwendungen des Auftragnehmers. VOB/B1) § 12 enthält dazu Detailierungen.

1.11.2-5

Mängelansprüche

Der Auftragnehmer schuldet durch den geschlossenen Bauvertrag – Werkvertrag – ein mängelfreies Werk. Dafür hat er Gewähr zu leisten. Der Werkvertrag hat eine entsprechende Regelung in §§ 631 ff des BGB2) gefunden. § 13 der VOB/B3) kann bei entsprechender vertraglicher Regelung an dessen Stelle treten, jedoch nur insoweit, als die VOB/B für den Bauvertrag eine spezielle Regelung vorsieht. Für die Mängelanspruchshaftung sind zwei Kriterien von Bedeutung: – zum einen der Verantwortungsbereich des Auftragnehmers, – zum anderen der Zeitpunkt, zu dem sich die Ordnungsgemäßheit der Leistung bestimmt. Im Rahmen der Mängelanspruchshaftung trägt der Auftragnehmer nicht schlechthin eine Einstandspflicht für die Mangelfreiheit des Werks während der Dauer der Mängelhaftung. Diese erstreckt sich nur auf solche Mängel, in denen sich die Verletzung einer Vertragspflicht niederschlägt. Dem Auftragnehmer können Mängel nur dann zugerechnet und damit seiner Verpflichtung unterstellt werden, wenn der Mangel im Verantwortungsbereich des Auftragnehmers liegt. Für diese Verpflichtung spielt es keine Rolle, ob der Mangel durch fehlerhafte Bauausführung verursacht worden oder aber auf die Verwendung von für den Auftragnehmer nicht erkennbaren minderwertigen Materialien zurückzuführen ist. Entscheidender Zeitpunkt für die Beurteilung, ob die Bauleistung mangelfrei oder mit Mängeln behaftet ist, ist die Abnahme. Der Auftragnehmer hat auch für alle die Mängel Haftung zu übernehmen, die im Laufe der für die Ansprüche geltenden Verjährungsfrist hervortreten; die Frage ist nur, ob sie ihm auch zugerechnet werden können, also auf einer Verletzung der Vertragspflicht beruhen. Grundsätzlich unterscheidet die VOB folgende Ansprüche für den Auftraggeber. Vor der Abnahme der Bauleistung kann der Auftraggeber gemäß § 4 VOB/B2) – die Entfernung von Stoffen und Bauteilen, die dem Vertrag nicht entsprechen, von der Baustelle verlangen, – die Beseitigung des Mangels verlangen, – Ersatz des durch den Mangel entstandenen Schadens verlangen, wenn der Auftragnehmer den Mangel und die Vertragswidrigkeit zu vertreten hat, – den Vertrag kündigen, wenn er dem Auftragnehmer zuvor vergeblich eine angemessene Frist zur Beseitigung des Mangels gesetzt und erklärt hat, dass er ihm nach fruchtlosem Ablauf der Frist den Auftrag entziehen werde, und die Frist auch abgelaufen ist. Nach der Abnahme der Bauleistung stehen dem Auftraggeber gemäß § 13 VOB/B2) zu: – Nachbesserung durch den Auftragnehmer, – Leistungsverweigerungsrecht hinsichtlich der Vergütung bis zur Durchführung der Nachbesserung, 1) 2) 3)

DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012. Bürgerliches Gesetzbuch. DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012.

1

548

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

– Eigennachbesserung durch den Auftraggeber nach erfolgter Aufforderung zur Mängelbeseitigung und Fristsetzung sowie Kostenerstattungsanspruch nach erfolgter Eigennachbesserung, – Nachbesserung durch Drittunternehmer nach erfolgter Aufforderung zur Mängelbeseitigung und Fristsetzung sowie Kostenerstattungsanspruch nach erfolgter und abgerechneter Mängelbeseitigung, – Vorschussanspruch in Höhe der zu erwartenden Mängelbeseitigungskosten nach fruchtloser Aufforderung zur Mängelbeseitigung unter Fristsetzung, – Minderungsanspruch (Herabsetzung), wenn die Beseitigung des Mangels unmöglich ist oder sie einen unverhältnismäßig hohen Aufwand erfordern würde und sie deshalb vom Auftragnehmer verweigert wird oder wenn die Beseitigung des Mangels für den Auftraggeber unzumutbar ist, – Schadensersatzanspruch neben den übrigen Ansprüchen, wenn ein wesentlicher, die Gebrauchsfähigkeit erheblich beeinträchtigender Mangel vorliegt und dieser Mangel auf ein Verschulden des Auftragnehmers zurückzuführen ist, – Schadensersatzanspruch hinsichtlich des darüber hinausgehenden Schadens, wenn • der Mangel auf Vorsatz oder grober Fahrlässigkeit beruht, • der Mangel auf einem Verstoß gegen die anerkannten Regeln der Technik beruht, • der Mangel in dem Fehlen einer vertraglich zugesicherten Eigenschaft besteht oder • soweit der Auftragnehmer den Schaden durch Versicherung seiner gesetzlichen Haftpflicht gedeckt hat oder hätte decken können. Die Mängelanspruchszeiten nach § 13 Nr. 4 VOB/B1) betragen, wenn keine Verjährungsfrist im Vertrag vereinbart wurde: – für Bauwerke 2 Jahre – abweichend davon für maschinelle und elektrotechnische/elektronische Anlagen 2 Jahre, wenn keine Wartung für die Dauer der Verjährungsfrist an den Auftragnehmer beauftragt ist – für Arbeiten an einem Grundstück 2 Jahre – für feuerberührte Teile von Feuerungsanlagen 2 Jahre. Die Frist beginnt mit der Abnahme der gesamten Leistung, für in sich abgeschlossene Teile mit der Teilabnahme. Der Ablauf einer Frist wird gehindert, wenn eine Hemmung oder Unterbrechung der Verjährung eintritt. Im Falle einer Hemmung tritt ein Stillstand des Fristablaufes ein, der so lange dauert, bis der Zustand, welcher die Hemmung bewirkt hat (Stundungs- und Leistungsverweigerungsrecht, Höhere Gewalt, Hemmung durch Prüfung und/oder Beseitigung des Mangels), weggefallen ist. Nach Wegfall läuft die restliche Verjährungsfrist weiter. Die Unterbrechung bewirkt, dass die bis zur Unterbrechung verstrichene Zeit nicht berücksichtigt wird und eine neue Verjährungsfrist zu laufen beginnt. Die Unterbrechung tritt in folgenden Fällen ein: – Anerkenntnis des Mängelbeseitigungsanspruches – Durch gerichtliche Geltendmachung von Mängelbeseitigungsansprüchen – Unterbrechung durch Beweissicherung – Unterbrechung durch schriftliche Mängelrüge.1)

1.11.2-6

Investitionskosten

1.11.2-6.1 Allgemeines Investitionskosten (auch als Herstell- oder Gestehungskosten bezeichnet) von Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung werden zunächst geschätzt, im Sinne eines Kostenüberschlages. Dieser wird je nach Tiefe der Projektbearbeitung in eine Kostenberechnung überführt. In jedem Fall ermöglicht die Gliederung der Kostenermittlung nach DIN 2762) äußerste Transparenz und gute Vergleichbarkeit zu adäquaten Gebäuden. Die inhaltliche Strukturierung für die Heizungs-, Klima-, Kälte- und Regelungstechnik sei hier als Auszug dargestellt. 1) 2)

DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012. DIN 276-1 „Kosten im Bauwesen – Teil 1: Hochbau“, 12-2008.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

549

Während für die Kostenschätzung z. B. die spezifischen Ansätze auf die Brutto-Grundfläche (m2 BGF) als „Mengen- und Bezugseinheit“ oder Ansätze auf installierte Leistung (kW) völlig ausreichend sind, müssen für tiefergreifende Kostenermittlungen weitere Grundlagen herangezogen werden.1) In den nachfolgenden Abschnitten sind als erste Orientierungshilfe daher nur überschlägige Anlagenkosten zusammengestellt.

1.11.2-6.2 Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung Die Investitionskosten für eine Heizungsanlage sind von der Art der Heizung, ihrem Umfang und vielen Faktoren abhängig. Die für ausgeführte Anlagen angegebenen Kosten schwanken daher auch in starkem Maße. Anhaltszahlen für eine überschlägige Schätzung der Kosten für Öl- und Gasheizung sind in Bild 1.11.2-1 und Bild 1.11.2-2 enthalten.

Bild 1.11.2-1. Durchschnittliche Verbrauchspreise von Einzel-Heizgeräten in Abhängigkeit von der Heizleistung.

Bild 1.11.2-2. Ungefähre Investitionskosten von Zentralheizungsanlagen mit Radiatoren für Wohngebäude (ohne Baukosten).

Folgende Richtpreise für Heizungen in Neubauten ohne Nebenkosten sind für Schätzungen verwendbar (bezogen auf die installierte Leistung): Elektrische Heizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 … 35 €/kW Eiserne Öfen mit automatischer Regelung . . . . . 75 … 100 €/kW Gasheizöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 … 200 €/kW Öleinzelöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 … 350 €/kW Kachelgrundöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 … 200 €/kW Elektrische Fußbodenspeicherheizung . . . . . . . . 350 … 400 €/kW Elektrische Speicheröfen mit Verdrahtung . . . . 300 … 400 €/kW Umlaufgaswasserheizung mit Heizkörpern . . . . 450 … 600 €/kW Bei Sanierung von Altbauten sind die Kosten wesentlich höher. Tafel 1.11.2-3 Auszug aus DIN 276*) Kostengruppen

Anmerkungen

420 Wärmeversorgungsanlagen 421 Wärmeerzeugungsanlagen

Brennstoffversorgung, Wärmeübergabestationen, Wärmeerzeugung auf der Grundlage von Brennstoffen oder unerschöpflichen Energiequellen einschließlich Schornsteinanschlüsse, zentrale Wassererwärmungsanlagen

422 Wärmeverteilnetze

Pumpen, Verteiler; Rohrleitungen für Raumheizflächen, raumlufttechnische Anlagen und sonstige Wärmeverbraucher

423 Raumheizflächen

Heizkörper, Flächenheizsysteme

1)

ZBWB/TIB: TGA-KO – Kosten technischer Gebäudeausrüstung. Stuttgart 1998.

1

550

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.2-3 Auszug aus DIN 276*) (Forts.) Kostengruppen

Anmerkungen

429 Wärmeversorgungsanlagen, Sonstiges

Schornsteine, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

430 Lufttechnische Anlagen

Anlagen mit und ohne Lüftungsfunktion

431 Lüftungsanlagen

Abluftanlagen, Zuluftanlagen, Zu- und Abluftanlagen ohne oder mit einer thermodynamischen Luftbehandlungsfunktion, mechanische Entrauchungsanlagen

432 Teilklimaanlagen

Anlagen mit zwei oder drei thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen

433 Klimaanlagen

Anlagen mit vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen

434 Kälteanlagen

Kälteanlagen für lufttechnische Anlagen: Kälteerzeugungs- und Rückkühlanlagen einschließlich Pumpen, Verteiler und Rohrleitungen

439 Lufttechnische Anlagen, Sonstiges

Lüftungsdecken, Kühldecken, Abluftfenster; Installationsdoppelböden, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

480 Gebäudeautomation

Kosten der anlagenübergreifenden Automation

481 Automationssysteme

Automationsstationen, mit Bedien- und Beobachtungseinrichtungen, GA-Funktionen, Anwendungssoftware, Lizenzen, Sensoren und Aktoren, Schnittstellen zu Feldgeräten und anderen Automatisationseinrichtungen

482 Schaltschränke

Schaltschränke zur Aufnahme von Automationssystemen (KG 481) mit Leistungs-, Steuerungsund Sicherungsbaugruppen einschließlich zugehöriger Kabel und Leitungen, Verlegesysteme soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

483 Management- und Bedieneinrichtungen

Übergeordnete Einrichtungen für Gebäudeautomation und Gebäudemanagement mit Bedienstationen, Programmiereinrichtungen, Anwendungssoftware, Lizenzen, Servern, Schnittstellen zu Automationseinrichtungen und externen Einrichtungen

484 Raumautomationssysteme

Raumautomationsstationen mit Bedien- und Anzeigeeinrichtungen, Schnittstellen zu Feldgeräten und andere Automationseinrichtungen

485 Übertragungsnetze

Netze zur Datenübertragung, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

489 Gebäudeautomation, Sonstiges *) DIN 276 „Kosten im Bauwesen – Teil 1: Hochbau“, 11-2006.

Die zusätzlichen baulichen Nebenkosten (Maurer-, Maler-, Tischler-, Elektrikerarbeiten usw.) sind bei den einzelnen Heizungsarten sehr unterschiedlich und betragen etwa bei Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 … 15 % bei Einzelöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 … 30 %

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

Anteil der gesamten Einrichtungskosten der Heizung an den Baukosten von Geschossbauten etwa bei Einzelöfen mit Kohle, Öl oder Gas . . . . . . . . . . 4 … 8 % bei Kachelöfen oder Warmluftkachelöfen . . . . . . . 6 … 8 % bei Stockwerkheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 … 10 % bei Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 … 12 % Bei Warmwasserzentralheizungen mit Ölfeuerung sind die anteiligen Kosten etwa: Kessel mit Brenner, Tank, Regelung und sonstigem Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 55 … 35 % Rohrnetz mit Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 25 … 30 % Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 30 … 35 % Bei den Niedertemperaturheizungen mit max. Vorlauftemperaturen von ca. 55 °C sind die Kosten für Heizkörper und Kessel geringfügig höher. Kompensation durch Energieeinsparung. Im Vergleich der Heizsysteme sind die Investitionskosten für die Heizung von Ein- und Zweifamilienhäusern etwa folgende (Stand 1998, einschl. MWSt): Fernheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 €/kW Gasheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600 €/kW Ölheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 €/kW Nachtstromspeicher (Einzelofen) . . . . . . . . . . . . . . 450 €/kW Bivalente Wärmepumpe mit Gas- oder Ölkessel . . 950 €/kW Bivalente Gasmotor-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . 1350 €/kW Wesentlich schwieriger lassen sich die Investitionskosten für Wasser-Erwärmungssysteme fassen. Es lassen sich folgende ungefähre Ansätze machen: Dabei ist ein Einfamilienhaus mit 4 bis 5 Zimmer, Küche und Bad zugrunde gelegt. Die Preise verstehen sich einschließlich Installation der Rohrleitungen, Armaturen, Wärmedämmung usw., bei den Öl- und Gaskesseln anteilig. Sie sind natürlich großen Unterschieden unterworfen. El. Durchflusserwärmer (21 kW) . . . . . . . . . . . . . . . 750 … 1250 € El. Speicher 400 l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 … 1500 € Gasbeheizter Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 … 1250 € Gasdurchflusserwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 … 1000 € Durchflusserwärmer im Öl- oder Gaskessel . . . . . 750 … 1000 € Speicher im Öl- oder Gaskessel . . . . . . . . . . . . . . . . 1750 … 2000 € Wärmepumpenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2000 … 2250 € Fernwärme einschließlich Übergabestation . . . . . . 750 … 1250 € Bei Mehrfamilienhäusern mit zentraler Wärmeversorgung reduzieren sich die Preise wesentlich. Für Büro- und Verwaltungsgebäude sind daraus Ansätze ableitbar.

1.11.2-6.3 Raumlufttechnik und Kälteanlagen Bei der großen Zahl der Ausführungsmöglichkeiten von RLT-Anlagen ist es außerordentlich schwer, annähernd zutreffende Angaben über die Investitionskosten einer Anlage zu machen. Bild 1.11.2-3 zeigt annähernd zu erwartende Investitionskosten an. Die angegebenen Zahlen beziehen sich auf fertig montierte RLT-Anlagen, jedoch ohne den auf die Heizung und Kaltwasserverrohrung des Gebäudes anfallenden Anteil, der bei Klimaanlagen etwa 20 … 30 % betragen kann und ohne die baulichen Nebenarbeiten wie elektrische Anschlüsse, Maurer- und Verputzarbeiten usw. Wesentliche Abweichungen in einer Größenordnung von ±15–20 % sind durchaus möglich (s. auch Tafel 1.11.2-4, Tafel 1.11.2-5, Tafel 1.11.2-61).

1)

Trogisch, A.: Planungshilfen Lüftungstechnik. 5., überarb. u. erw. Auflage, VDE-Verlag, Berlin 2015.

551

1

552

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.2-4 Kostenkennzahlen für TGA (Nettowerte) für die Kostenschätzung bezogen auf die Nettogeschossfläche (Nutzfläche), Volumenstrom oder Bezugseinheiten von ausgewählten Gebäuden Anlagen-/Objektbezeichnung

Kostenkennzahlen €/m2

€/(m3/h)

(Nutzfläche)

€/Bezugseinheit

1. Wohn- u. Geschäftshäuser bis 90 % Läden und Büros, Rest Wohnungen einfach bis mittel 60 bis 80 gehoben 95 bis 100 bis 65 % Läden und Büros, Rest Wohnungen einfach bis mittel 25 bis 30 gehoben 35 bis 40 bis 35 % Läden und Büros, Rest Wohnungen einfach bis mittel 3,5 bis 4 gehoben 4,5 bis 5 2. Bankgebäude/Sparkassen kl. Nebenstellen(EG; EG+OG)

50 bis 78

große Filialen

118 bis 140

3. Parkhäuser (Einheit = Stellplatz) 200 - 500 Stellplätze

35 bis 43

4. Lagergebäude (beheizt)

7,5 bis 60

5. Bürogebäude (Einheit = Arbeitsplatz) einfach bis mittel

52 bis 110

gehoben

142 bis 165

6. RLT-Anlagen Lüftungsanlagen

3,0 bis 6,5

Klimaanlagen

6,5 bis 17,5

7. Anlagenteile Zu- und Abluftgeräte bis 5 Tm3/h 3

Zu- und Abluftgeräte bis 10 Tm /h

6,3 5,0

Luftkanal (Einheit = lfd. m) rechteckig

73

rund

36

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

553

Tafel 1.11.2-5 Spezifische Kosten – raumlufttechnische Anlagen – als Funktion des Luftvolumenstromes bzw. Luftwechsels n – Genauigkeit: 10 … 15 % Luftvolumenstrom in m3/h

Kosten in €/(m3/h)

Kosten in €/m2(Bodenfläche) als Funktion des Luftwechsels n in (1/h) 2

3

5

8

Abluftanlagen bis 10.000

3

36

60

bis 20.000

3,5

31

52

6

27

45

über 20.000

1

Be- und Entlüftungsanlagen bis 10.000

6

36

54

90

144

bis 20.000

5,5

33

50

83

123

5

30

45

75

120

über 20.000

Klimaanlagen (Niederdruckanlagen, Konstantvolumenstrom) bis 10.000

11

66

99

165

264

bis 20.000

10

60

90

150

240

über 20.000

9

54

81

135

216

Hochdruckanlagen (Konstantvolumenstrom) bis 10.000

12

72

108

180

288

bis 20.000

11

66

99

165

164

über 20.000

9

54

81

135

216

Hochdruckanlagen (VVS-Einkanalanlage) bis 10.000

17

105

158

262

420

bis 20.000

16

96

144

240

384

über 20.000

15

90

135

225

360

Tafel 1.11.2-6 Spezifische Kosten – raumlufttechnische Anlagen – als Funktion des Luftvolumenstromes und anderer Bezugsgrößen – Genauigkeit: 10 … 15 % WC-Abluftanlagen Luftvolumenstrom in m3/h

€/(m3/h)

€/Ablufterfasser

bis 1.000

5

250

bis 3.000

4

200

3,5

125

über 3.000

554

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.2-6 Spezifische Kosten – raumlufttechnische Anlagen – als Funktion des Luftvolumenstromes und anderer Bezugsgrößen – Genauigkeit: 10 … 15 % (Forts.) Garagenabluft (12 m3/h je m2 Garagenfläche) Garagenfläche in m2 bis 1.000 Garagenbe- und -entlüftung (12 Garagenfläche in

m3/h

je

m2

m2

bis 1.000

€/(m3/h)

€/m2

2

24

Garagenfläche) €/ (m3/h)

€/m2

3

36

Beispiel: Verwaltungsgebäude mit 1000 m2 Büro und 100 m2 Sitzungsraum (Versammlungsraum) mit Klimaanlage. Dazu 150 m2 Flure und Treppenhäuser sowie öffentliche Garage mit 500 m2, ausgeführt als Abluftanlage. Berechnung der Anschaffungskosten:

·

Nutzung

Fläche A m2

spez.Vol.Strom V m3/h je m2

Volumenstrom· A·V

spez. Kosten nach Bild 1.11.2-3 € je m3/h

Kosten der RLTAnlage A

Büro Sitzungsraum Garagen Flure

1000 100 500 150

12 20 12 5

12000 2000 6000 750

11,– 17,– 4,– 10,–

132000,– 34000,– 24000,– 7500,–

Gesamtkosten für die RLT-Anlagen (ohne Heizung) Gesamtanschaffungskosten einschließlich Heizung

ca.

197500,– 258000,–

Das Verwaltungsgebäude entspricht ungefähr einer Besetzung mit 100 Mitarbeitern, s0 dass pro Arbeitsplatz etwa € 2000 ... 2500 für Klima- und Heizungsanlage zu investieren sind. Prozentuale Aufteilung der Kosten einer Klimaanlage in etwa: Lufttechnische Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 25 % Luftkanäle, Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 30 % Kältemaschinen, Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 30 % Rohrleitungen, Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 ... 15 % Regelung, Schalttafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ... 20 % Für größere Kälteanlagen kann man überschlägig als Investitionskosten ansehen: Kälteanlage, Rückkühlwerk Kalt- und Kühlwassernetz 400 €/kW ... 300 €/kW Die Investitionskosten werden neben der Anlagengröße maßgeblich auch durch die Erzeugungsart beeinflusst. Detailliertere Angaben zu spezifischen Investitionskosten liegen im Allgemeinen fachspezifischen Planungsunternehmen vor, die jedoch oft intern sind.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

555

1 Bild 1.11.2-3. Ungefähre Investitionskosten von zentralen Lüftungs- und Klimaanlagen je m3/h Volumenstrom, mit Wärmerückgewinnung und mit Kälteanlage, jedoch ohne Heizung und ohne bauliche Nebenarbeiten (Stand 1998).

1.11.2-7

Monitoring1)

1.11.2-7.1 Allgemeines Ein wichtiger Aspekt ist bei der Realisierung einer Anlagenlösung das sogenannte „Monitoring“. Unter Monitoring wird im Allgemeinen verstanden:“ ein Überbegriff für alle Arten der unmittelbaren systematischen Erfassung, Beobachtung oder Überwachung eines Vorgangs oder Prozesses mittels technischer Hilfsmittel oder anderer Beobachtungssysteme“ bzw. „die Funktion des Monitorings besteht darin, bei einem beobachteten Ablauf bzw. Prozess steuernd einzugreifen, sofern dieser nicht den gewünschten Verlauf nimmt bzw. bestimmte Schwellwerte unter- bzw. überschritten sind. Monitoring ist deshalb ein Sondertyp des Protokollierens“. Dies bedeutet, dass eine Anlage mindestens 2 bis 3 Jahre überwachend eingefahren bzw. optimiert werden sollte bzw. muss, um vor allem in Zeiträumen außerhalb der Auslegungskriterien (Winterfall und Sommerfall) zu gewährleisten, dass sowohl die vertraglich zu gewährleistenden Behaglichkeitsparameter bzw. technologischen lüftungstechnischen Randbedingungen als auch ein möglichst minimaler energetischer Aufwand nachgewiesen werden. Häufig findet man während des späteren Gebäudebetriebs nicht die während der Planung vorhergesagten Energie- und Kosteneinsparungen wieder. Die Erwartungen von Eigentümern, Betreibern und Nutzern werden in solchen Fällen enttäuscht und können zu einer gewissen Technologieskepsis führen. Ebenso werden nicht alle energieeffizienten Maßnahmen von den Nutzern akzeptiert und den Anforderungen entsprechend umgesetzt. Daher ist die Einführung längerer Phasen der Einregelung der Gebäudetechnik bei und nach Inbetriebnahme des Gebäudes empfehlenswert.

1.11.2-7.2 Verfahrensbetrachtungen Die Abnahme einer technischen Anlage erfolgt im Allgemeinen kaum unter den Bedingungen der Auslegung (Sommer- oder Winterfall, maximaler Betrieb der technischen Einrichtungen, volle Belegung der Räume). Die Leistungen der Abnahme sind sowohl in der HOAI2) in den Leistungsphasen LP 8 und LP 9 zu finden. In der LP 8 gehören zu den Grundleistungen u. a. fachtechnische 1) 2)

Ergänzt für die 78. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch, Dresden. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013.

556

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Abnahme und Mängelbeseitigung und Überwachung der Beseitigung der bei der Abnahme der Leistungen festgestellten Mängel und zu den besonderen Leistungen die Durchführung von Funktions- und Leistungsmessungen. Die rechtlichen Regelungen der . Abnahme sind in der Vergabe und Vertragsordnung (VOB) Teil A bis C geregelt1) Die einzelnen gewerkespezifischen Regelungen sind ergänzend geregelt, so z. B. für die Abnahme einer RLT-Anlage in DIN EN 125992) [3] oder der hygienischen Abnahme in der VDI 60223). In der LP 9 (Objektbetreuung) beinhaltet als Grundleistung u. a. die Objektbegehung zur Mängelfeststellung vor Ablauf der Verjährungsfristen von Gewährleistungsansprüchen gegenüber ausführenden Firmen, Mitwirkung bei der schematischen Zusammenfassung der zeichnerischen Darstellung und der rechnerischen Ergebnisse des Objektes und als besondere Leistungen in die ingenieurtechnische Kontrolle des Energieverbrauches und der Schadstoffemission sowie der Wartungsplanung und -organisation. Oft wird jedoch aus abrechnungstechnischen Gründen nur bis LP 8 beauftragt und die LP 9 gesondert. Im Gegensatz zum deutschen Planungsablauf, der in der HOAI4) dokumentiert und nach der LP 8 bzw. LP 9 einer Anlage für den Planer als abgeschlossen zu sehen ist, ist beim amerikanischen Planungsablauf (sogenannte Commissioning)5) ein längerer Zeitraum (nicht eindeutig spezifiziert) für die Betriebsphase und Nutzungsphase (Bild 1.11.2-4) im Planungsprozess implementiert. Diesen Zeitraum sollte man als Monitoring einer technischen Anlage oder des Zusammenspiels aller technischen Anlagen zur Gewährleistung des vorgegebenen Nutzungsziels betrachten. Unter dem Aspekt des nachhaltigen Bauens und der Bewertung einer technischen Anlage6) wird auf die Notwendigkeit des Monitorings verwiesen. Die VDI 60127) weist nachdrücklich auf die Notwendigkeit des Monitorings hin. Die Richtlinienreihe der VDI 6012 wurde überarbeitet und neu strukturiert. Diese Neustrukturierung umfasst neben Blatt 1.1 (Bild 1.11.2-5) die Blätter 1.2 (Grundlagen, Systemwahl), 1.3 (Grundlagen, Energiespeicher), 1.4 (Grundlagen, Befestigung von Solarmodulen und -kollektoren auf Gebäuden), 2 (Thermische Systeme), 2.1 (BiomasseFeuerungsanlagen), 3 (Elektrische Systeme), 4 (gekoppelte Systeme) und 5 (Systemkombinationen). Blatt 1.1. befasst sich mit der Integration regenerativer und dezentraler Energiesysteme in Gebäuden, angefangen von der Planung bis zur Entsorgung. Dezentrale Energiesysteme dienen der Erzeugung von elektrischem Strom und/oder Wärme in Anlagen in räumlicher Nähe direkt zum Verbraucher. Diese Richtlinie kann für Wohn- und Nichtwohngebäude Anwendung finden und richtet sich vor allem an Anlagenersteller, Architekten und Fachplaner, Bauherren, Betreiber, Genehmigungsbehörden, Komponenten und Anlagenhersteller. Sie behandelt Systeme, die eine Nähe zwischen Verbraucher und Gebäude beinhalten und findet keine Anwendung für „Großanlagen“. Wesentliche Aspekte der Richtlinie sind – Integration energieerzeugender Systeme in das Gebäude, – Betrachtung der Kombination von unterschiedlichen energieerzeugenden Systemen und

1)

2) 3)

4) 5) 6) 7)

DIN 1960 „VOB/A“, 09-2012; DIN 1961 „VOB/B“, 09-2012; DIN 18299 „VOB/C“, 09-2012. DIN EN 12599 „Lüftung von Gebäuden – Prüf- und Messverfahren für die Übergabe raumlufttechnischer Anlagen“, 01-2013. VDI 6022 Blatt 1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität, Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln)“, 07-2011; VDI 6022 Blatt 1.1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte – Prüfung von Raumlufttechnischen Anlagen (VDI-Lüftungsregeln)“, 08-2012. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013. Trogisch; Dose; Käppler: Planungs- und Qualitätsmanagement von RLT-Anlagen. VDE-Verlag, 2010. Leitfaden für Nachhaltiges Bauen. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), 2011. VDI 6012 Blatt 1.1 „Regenerative und dezentrale Energiesysteme für Gebäude – Grundlagen – Projektplanung und -durchführung“, 04-2014.

1.11.2 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

557

Prozessgegenüberstellung Planungsprozess nach VDI 6028 und HOAI

Cx Prozess nach ASHRAE

0. Strategische Vorplanung 1. Grundlagenermittlung 2. Vorplanung (Projekt- und Planungsvorbereitung)

1. Vorplanungsphase

3. Entwurfsplanung (System- und Integrationsplanung) 4. Genehmigungsplanung 5. Ausführungsplanung 6. Vorbereitung der Vergabe

2. Planungsphase

7. Mitwirkung bei der Vergabe 8. Objektüberwachung (Bauüberwachung)

3. Ausführungsphase

9. Objektbetreuung und Dokumentation 4. Betriebs- und Nutzungsphase 10. keine langfristige Phase für Betrieb/Nutzung

Bild 1.11.2-4. ASHREA

Gegenüberstellung Planungsprozess VDI 6028 und HOAI bzw. Cx-Prozess nach

– Betrachtung der Kombination mit anderen TGA-Systemen (z. B. Gebäudeautomation). Den Planungsablauf verdeutlichen exemplarisch ein umfangreiches Lebenszyklus-/ Flussdiagramm und eine Verantwortlichenmatrix. Neben den üblichen Planungsschritten nach HOAI enthält die Richtlinie auch Aussagen zum Monitoring und der Wartung bzw. Instandhaltung. Die Ursachen für das Negieren des Montorings liegen nach Auffassung des Autors eindeutig in der Kostenproblematik und der Verantwortlichkeit. Bis zur Planungsphase 9 ist die Vergütung der Planungsleistung eindeutig, oft jedoch materiell kaum zufriedenstellend, in der HOAI1) geregelt. Eine Honorierung einer „Phase 10“ bzw. des Monitoring, die neben der Hauptverantwortlichkeit des Betreibers auch noch in der Mitverantwortung des Planers liegen sollte, ist nicht geregelt (s. auch Bild 1.11.2-5) Neben der Honorierung gilt es aber auch sowohl organisatorische Fragen wie z. B. wer sollte das Monitoring vornehmen (Planer, Anlagenerrichter, unabhängiger Dritter), Umgang mit Problemen der Gewährleistungsfristen und der Nachbesserung, wer ist der Auftraggeber für das Monitoring (Anlagenerrichter, Investor), wem sollten die Ergebnisse zur Verfügung gestellt werden als auch technische Aspekte wie z. B. zusätzlich notwendige Datenpunkte (Sensoren), Datenauswertung (automatisch, regelmäßige Kontrolle der Daten), Kontrolle der Genauigkeit der Sensoren, regelmäßige Analyse der Nutzungsbedingungen und Vergleich mit den Vorgaben zu regeln. Die Sinnhaftigkeit und die Notwendigkeit des Monitorings sollte sowohl aus energetischer Sicht als auch Sicht des Nutzers nach Meinung des Autors als unbestritten gewertet werden, was u. a. an einigen durchgeführten Monitoring belegbar ist. Nicht zu unterschätzen ist der zeitliche Aufwand, der bei diesen Beispielen nur mit Unterstützung studentischer Kräfte trotz umfangreicher Messtechnik und Automatisierungstechnik (z. B. Datenfernübertragung) realisierbar gewesen ist.

1)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure 7/2013.

1

558

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Projektplanung und -durchführung (VDI 6012 Bl.1.1)

Architekt

Fachplaner

Verantworlich

Fachplaner

Architekt

Auftraggeber

HOAI

Initiierung

Leistungsphase

Grundlagenermttlung

LP 1

Vorplanung

LP 2

Leitfaden für Nachhaltiges Bauen: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), 2011

ES-Bau (Entscheidungsunterlage Bau) LP 1 und teilweise LP 2

Entscheidung für eine Variante der Vorplanung

Entwurfsplanung

LP 3

Genehmigungsplanung

LP 4

Ausführungsplanung

LP 5

EW-Bau (Entwurfsunterlage Bau) LP 2, 3, 4 und teilweise LP 5

Ausführungsplanung LP 5 und LP 6 Vorbereitung der Vergabe Mitwirkung bei der Vergabe/ Auftragserteilung Objektsteuerung/überwachung bei Errichtung/Umbau

LP 6

LP 7 Bauausführung LP 7 und LP 8 LP 8

Ausführendes Unternehmen

Auftraggeber

Abnahme oder Teilabnahme

Inbetriebnahme/ Einweisung

Kosten und Honorar geregelt nach HOAI

Einregulierung/ Nachjustierung

Abnahme nach vollständiger Mängelbeseitigung

Betreiber

LP 9

Betrieb/Monitoring

Wartung/ Instandhaltung

Bauübergabe und Baubestandsdokumentation LP 9

Betriebsoptimierung (zusätzlich zur RBBau und HOAI) Funktionsoptimierung der TGA-Anlagen, Inbetriebnahmemanagement, Einregulierung

Kosten und Honorar nicht geregelt

Bild 1.11.2-5. Gegenüberstellung von Planungsphasen und Einordnung des Monitorings in unterschiedlichen Regularien.

Ein Vorteil eines Monitorings durch Dritte, wie z. B. Universitäten und Hochschulen, könnten einerseits in der Unabhängigkeit von Betreiber bzw. Nutzer als auch Planer und andererseits in der Möglichkeit eines praxisbezogenen Studiums liegen. Das Fehlen eines Monitorings nach Fertigstellung und Inbetriebnahme einer TGA-Anlage wird und wurde u. a. mit dem sogenannten „Contracting“ genutzt, um z. B. durch Minimierung des Energieverbrauches und der Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung im Fall des Modells der Nutzungsüberlassung die jährlichen Betriebskos-

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

ten für den Nutzer bzw. Betreiber zu minimieren und einen zu vereinbarenden Anteil der eingesparten Kosten für den Contractor als Gewinn zu erwirtschaften. Ein durchgeführtes Monitoring würde für den Betreiber bzw. Nutzer einen weiteren, nicht zu unterschätzenden Vorteil bringen, in dem nach Abschluss des Monitorings eine aktuelle komplette, den tatsächlichen Nutzungs- und Betriebsbedingungen angepasste Dokumentation über die TGA-Anlage vorliegen würde. Diese Planungsdokumentation würde dann auch sowohl der nach der europäischen Effizienzrichtlinie 20101) bzw. EnEV 20142) vorgeschriebenen Inspektion3) nutzen und den damit verbundenen Aufwand erheblich reduzieren als auch eindeutige Maßnahmen und vertragliche Regelungen für eine Wartung und Instandhaltung ermöglichen.

1.11.2-7.3 Schlussfolgerungen Ein Monitoring des Zusammenwirkens aller TGA-Anlagen in einem Gebäude einschließlich der Gebäudeautomation ist auf Grund der im Allgemeinen heute vorliegenden Komplexität eine unabdingbare Notwendigkeit. Für das Monitoring sollte bzw. muss es, wenn möglich unabhängig von den Modalitäten der HOAI, eindeutige, möglich verbindliche Regelungen u. a. für die Voraussetzungen, den Leistungsumfang und die Kostenermittlung geben. Im Monitoring besteht sowohl für den Betreiber durch Optimierung der Nutzungsbedingungen als auch für die Minimierung des Energieverbrauchs ein kaum zu unterschätzendes Potential.

1.11.3

Technisches Gebäudemanagement

1.11.3-1

Allgemeines

Bei den Leistungen des Gebäudemanagement werden im Allgemeinen die Leistungen für das technische, infrastrukturelle und kaufmännische Gebäudemanagement unterschieden. Nach DIN 32736 wird das Gebäudemanagement als Gesamtheit aller Leistungen zum Betreiben und Bewirtschaften von Gebäuden, einschließlich der baulichen und technischen Anlagen, auf der Grundlage ganzheitlicher Strategien definiert. Dabei beinhaltet das technische Gebäudemanagement alle Leistungen, die zum Betreiben und Bewirtschaften der baulichen und technischen Anlagen eines Gebäudes erforderlich sind. Lebensdauer, Betriebsqualität und Wirtschaftlichkeit von Heizungs- und Klimaanlagen hängen darum neben der Konstruktion und Auslegung entscheidend auch von der Qualität des technischen Gebäudemanagements ab. Grundsätzlich bestimmt werden Qualität und Lebensdauer von Heizungs- und Klimaanlagen durch – die Konzeption und Auslegung, – die Qualität bei der Errichtung, – die Beanspruchung (Betriebsstunden, Grad der Belastung), – den sachgemäßen Betrieb und – die Instandhaltung. Das technische Gebäudemanagement stellt durch einen sachgemäßen Betrieb und durch einen wirtschaftlich vertretbaren Aufwand bei der Instandhaltung sicher, dass die konstruktive Lebensdauer einer technischen Anlage, bei der vorgesehenen Verfügbarkeit, Betriebsqualität und Wirtschaftlichkeit, erreicht wird. Eine unbegrenzte Lebensdauer ist allerdings grundsätzlich mit keiner wirtschaftlich vertretbaren Instandhaltung erreichbar. In VDMA 24186 sind die Tätigkeiten bzw. Leistungen festgelegt, die im Rahmen der Wartung von Aggregaten, Baugruppen und Bauelementen an technischen Anlagen und 1)

2)

3)

Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Neufassung). Amtsblatt der Europäischen Union L 153/13 v. 18.6.2010. Verordnung der Bundesregierung zur Änderung der Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden – Energieeinsparverordnung (EnEV) 2014. 1.5.2014, Beuth-Verlag GmbH, Berlin. Schädlich, S.; Trogisch, A.: Energetische Inspektion von Klimaanlagen. 1. Auflage, cci Dialog GmbH, Karlsruhe 2011.

559

1

560

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Ausrüstungen in Gebäuden durchgeführt werden sollten, um den Sollzustand zu bewahren. Es ist zu beachten, dass auf jeden Fall alle Maßnahmen, die auf Grund von rechtlichen Bestimmungen, Normen sowie Bedienungs- bzw. Wartungsanleitungen der jeweiligen Hersteller und/oder Errichter beachtet werden müssen. Die Durchführung der Wartung wird unterschieden in: – Periodisch durchzuführende Tätigkeiten, die in regelmäßigen Zeitabständen notwendig sind. An die Stelle der periodischen Wartung kann im Einzelfall eine zustandsabhängige Wartung treten, sofern dies technisch möglich und sinnvoll ist. – Bei Bedarf durchzuführende Tätigkeiten, wobei der Bedarf zur Durchführung von dem Ergebnis der jeweils vorausgegangenen periodischen Prüfung abhängig ist. Zeitabstände für periodische Tätigkeiten sind nicht festgelegt. Sie richten sich insbesondere nach • der jeweiligen Einrichtung, den Betriebsbedingungen und dem Standort; • den herstellerspezifischen Vorgaben (Wartungs- und Betriebsanleitungen); • den rechtlichen Festlegungen; • Ergebnissen aus Gefährdungsbeurteilungen; • sonstigen anlagenbezogenen Regelungen (z. B. VdS-Bestimmungen). Bei Erstellung eines detaillierten Wartungsplanes sind die Zeitintervalle entsprechend den Bedingungen des jeweiligen Einzelfalles zu ergänzen. Sollen Materialien und Stoffe vom Auftragnehmer beigestellt werden, ist dies gesondert zu vereinbaren. Eine Bezugnahme auf DIN 31051 allein ist nicht ausreichend, weil die Gewerke und Betriebsbedingungen der technischen Gebäudeausrüstung damit nicht hinreichend erfasst sind. Das technische Gebäudemanagement mit der Instandhaltung liefert einen wesentlichen Beitrag zur Funktionsfähigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen. Es werden korrekte und genaue Definitionen wie z. B. in DIN EN 13306 benötigt, die den Benutzern der einschlägigen Instandhaltungsnormen ein besseres Verständnis der Instandhaltungs-Anforderungen bieten sollen. Diese Anforderungen können bei der Abfassung von Instandhaltungsverträgen von besonderer Wichtigkeit sein.

1.11.3-2

Relevante Vorschriften, Normen und Richtlinien

Für den Betrieb und die Instandhaltung von Anlagen der Heizung und Klimatechnik sind zahlreiche Vorschriften, Normen und Richtlinien relevant, wobei die wichtigsten nachfolgend in ihrer derzeit aktuellen Fassung aufgeführt sind. Vorschriften (siehe auch Abschnitt 7.1): – BauO Bauordnungen der Länder inkl. Gaststätten-/Gaststättenbau-Verordnungen, Geschäftshaus-/Warenhaus-/Verkaufsstätten-Verordnungen, Versammlungsstättenverordnungen und Garagenordnungen der Länder – BGV Berufsgenossenschaftliche Verordnungen (früher UVV Unfallverhütungsvorschriften) z. B. BGV A3 – Elektrische Anlagen und Betriebsmittel – ArbStättV Arbeitsstättenverordnungen mit den zugehörigen Arbeitsstättenrichtlinien ASR – BlmSchV Bundesimmissionsschutzverordnung mit Technischer Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) und Technischer Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) – EnEV Energieeinsparverordnung – TPrüfVO Technische Prüfverordnung der Länder – TRBS 2131 Technische Regeln für Betriebssicherheit „Elektrische Gefährdung“ – TRGS 900 Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz – Luftgrenzwerte – MAK und TRK – TRGS 905 Verzeichnis krebserzeugender, erbgutverändernder oder fortpflanzungsgefährdender Stoffe – 2. Betriebskostenabrechnungsverordung Normen und Richtlinien DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 09-2007 DIN 31051 „Grundlagen der Instandhaltung“, 06-2003

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

DIN 31052 „Instandhaltung; Inhalt und Aufbau von Instandhaltungsanleitungen“, 06-1981 DIN 31054 „Instandhaltung, Grundsätze zur Festlegung von Zeiten und zum Aufbau von Zeitsystemen“, 09-1987 DIN 32541 „Betreiben von Maschinen und vergleichbaren technischen Arbeitsmitteln“, 05-1977 DIN 32736 „Gebäudemanagement Begriffe und Leistungen“, 08-2000 DIN 33403-2 bis DIN 33403-5 „Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung“ (Teil 1 zurückgezogen) DIN EN 13306 „Begriffe der Instandhaltung“, 2001-09 VDI 2067 „Wirtschaftlichkeit Gebäudetechnischer Anlagen“, 09-2000 VDI 2067 Blatt 1 „Wirtschaftlichkeit Gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung“, 09-2000 VDI 2074 „Recycling in der Technischen Gebäudeausrüstung“, 03-2000 VDI 2081 Blatt 1 „Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen“, 07-2001 VDI 2890 „Planmässige Instandhaltung, Anleitung zur Erstellung von Wartungs- und Inspektionsplänen“, 11-1986 VDI 2891 „Instandhaltungskriterien bei der Beschaffung von Investitionsgütern“, 07-2005 VDI 2893 „Bildung von Kennzahlen für die Instandhaltung“, 05-2006 VDI 2895 „Organisation der Instandhaltung, Instandhaltung als Unternehmensaufgabe“, 12-1996 VDI 2896 „Instandhaltungscontrolling innerhalb der Anlagenwirtschaft“, 10-1994 VDI 2898 „DV-Einsatz in der Instandhaltung; Anforderungen und Kriterien“, 10-1996 VDI 3801 „Betreiben von Raumlufttechnischen Anlagen“, 06-2000 VDI 3807 Blatt 2 „Verbrauchskennwerte für Gebäude – Verbrauchskennwerte für Heizenergie, Strom und Wasser“, 11-2014 VDI 3810 „Betreiben von heiztechnischen Anlagen“, 06-1997 VDI 3814 Blatt 3 „Gebäudeautomation, Hinweise für das Gebäudemanagement – Blatt 3: Planung, Betrieb und Instandhaltung“, 06-2007 VDI 6022 Blatt 1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln)“, 07-2011 VDI 6022 Blatt 2 „Hygiene Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte – Blatt 2: Messverfahren und Untersuchungen bei Hygienekontrollen und Hygieneinspektionen“, 07-2007 VDI 6025 „Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen“, 11-1996 VDMA 24186 „Leistungsprogramm für die Wartung von technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden“, 09-2002 Teil 0 Übersicht und Gliederung, Nummernsystem, Allgemeine Anwendungshinweise Teil 1 Lufttechnische Geräte und Anlagen Teil 2 Heiztechnische Geräte und Anlagen Teil 3 Kältetechnische Geräte und Anlagen zu Kühl- und Heizzwecken Teil 4 MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme Teil 5 Elektrotechnische Geräte und Anlagen Teil 6 Sanitärtechnische Geräte und Anlagen Teil 7 Brandschutztechnische Geräte und Anlagen

1.11.3-3

Definitionen im technischen Gebäudemanagement

1. Instandhaltung Nach DIN EN 13306 wird die Instandhaltung als Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Anlage (Betrachtungseinheit) zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann,

561

1

562

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

beschrieben. Sie ist als Oberbegriff für alle Leistungen, die zum Bewahren und Wiederherstellen des Sollzustandes bzw. zum Feststellen und Beurteilen des Istzustandes einer technischen Anlage erforderlich sind, definiert. Instandhaltung in Anlehnung an DIN 31051, DIN 31052, VDMA 24186 Bestandteile Wartung

Inspektion

Instandsetzung

Verbesserung

Ziele Bewahrung des Sollzustandes

Feststellung und Beurteilung des Istzustandes

Wiederherstellung des Sollzustandes

Anlagenoptimierung zur Sicherstellung der geforderten Verfügbarkeit

Einzelmaßnahmen Prüfen Nachstellen Auswechseln Ergänzen Schmieren Konservieren Reinigung Funktionsprüfung

Prüfen Messen Beurteilen Fehleranalyse Ableiten von Maßnahmen und Konsequenzen

Schadensanalyse und -dokumentation Vorbereitung Vorwegmaßnahmen Durchführung Funktionsprüfung und Abnahme Auswertung

Fehleranalyse Aufzeigen, Bewerten, Entscheiden und Durchführen von Optimierungsmöglichkeiten Funktionsprüfung und Abnahme Auswertung

Bild 1.11.3-1. Leistungsinhalte der Instandhaltung.

2. Instandhaltungsstrategie Gewichtung und Vorgehensweise zum Erreichen von vorgegebenen Instandhaltungszielen wie z. B. Verfügbarkeit, Nutzungsdauer, optimale Instandhaltungskosten, Sicherheit und Umweltschutz. Je nach Gewichtung der Instandhaltungsziele ist die geeignete Instandhaltungsart anzuwenden. Die präventiven Instandhaltungsarten werden in festgelegten Abständen oder nach vorgegebenen Kriterien zur Verminderung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder der Wahrscheinlichkeit einer eingeschränkten Funktion durchgeführt, während korrektive Instandhaltungsarten erst nach dem Erkennen eines Fehlers, mit dem Ziel, die Anlage wieder in einen Zustand zu bringen, in dem sie die geforderte Funktion erfüllen kann, ausgeführt werden. Bild 1.11.3-2 soll den Unterschied verdeutlichen.

Bild 1.11.3-2. Instandhaltungsstrategien nach DIN 31051.

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

3. Betreiben Das Betreiben beinhaltet nach DIN 32541 die Gesamtheit aller Tätigkeiten, die an Anlagen der Heizung und Klimatechnik, vom Beginn der Nutzung (Inbetriebnahme) bis zum dauerhaften Beenden der Nutzung (endgültige Außerbetriebnahme, Verschrottung), ausgeübt werden. Die wichtigsten dieser Tätigkeiten sind – Bedienen (Stellen, Zuführen von Betriebs- und Verbrauchsstoffen, Überwachen, Prüfen und Beheben von Störungen), – Instandhalten und – das zwischenzeitliche und endgültige Außerbetriebnehmen. 4. Stellen Oberbegriff für das Handhaben von Stellteilen und Stelleinrichtungen hierzu gehören das Schalten und Steuern 5. Überwachung Beobachten von Betriebsvorgängen auf ordnungsgemäßen und vorgesehenen Ablauf und Veranlassen geeigneter Maßnahmen bei Abweichungen. 6. Prüfung Prüfung ist ein „technischer Vorgang, der aus dem Ermitteln eines oder mehrerer Merkmale eines Produktes, eines Prozesses oder einer Dienstleistung, nach einem festgelegten Verfahren besteht“. 7. Störung und Beheben von Störungen Eine Störung ist eine im Sinne der Instandhaltung unbeabsichtigte Unterbrechung oder starke Beeinträchtigung der unter definierten Bedingungen vorgesehenen Funktion einer Anlage. Sie ist gekennzeichnet durch die Unfähigkeit der Anlage, aus beliebigem Grund, eine geforderte und vorgesehene Funktion zu erfüllen. Das Beheben von Störungen ist begrenzt auf unmittelbar ausführbare Tätigkeiten mit dem Ziel, die bestimmungsgemäße Funktion wiederherzustellen. Beheben von Störungen beinhaltet im Sinne der technischen Richtlinien alle Maßnahmen, die von der ersten augenscheinlichen Ermittlung der Ursache (grobe Fehleranalyse, die zur Entscheidung führt, ob eine Störung ohne eine Instandsetzung behoben werden kann oder nicht) über unmittelbares Schaffen von Interimslösungen (soweit diese bei der vorhandenen Anlage möglich sind) bis zum Abstellen von mechanischen Störungen oder elektrischen Unterbrechungen (soweit hierzu keine Instandsetzung erforderlich ist). Es ist weiterhin mit unmittelbar möglichen Maßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass keine weiteren Schäden in Folge der Störung oder ihrer Behebung entstehen. Lässt sich mit diesen Maßnahmen die Unterbrechung oder Beeinträchtigung der Funktionalität dauerhaft nicht wieder herstellen, ist eine Instandsetzung der Anlage erforderlich. 8. Fehleranalyse Tätigkeiten zur Fehlererkennung, Fehlerortung und Ursachenfeststellung mit anschließender Prüfung, ob eine Verbesserung technisch machbar und wirtschaftlich vertretbar ist. Eine detaillierte Fehleranalyse ist Teil der Instandsetzung. 9. Verbrauchsmaterial Einheit oder Material, die oder das einer Anlage zugeordnet ist und nur für eine einmalige, zeitlich begrenzte Verwendung vorgesehen ist. 10. Ersatzteil Teil (Einheit) zum Ersatz einer entsprechenden Einheit, um die ursprüngliche Funktion der Anlage wiederherzustellen. Ein Teil (Einheit), das für eine ganz bestimmte Ausrüstung vorgesehen und/oder austauschbar ist, wird oft auch als Reserveteil bezeichnet. 11. Verbrauchsmaterial (Verbrauchsteil) Einheit oder Material, die oder das nicht nur einer Anlage zugeordnet und für eine einmalige Verwendung vorgesehen ist. 12. Verfügbarkeit Fähigkeit einer Anlage, zu einem gegebenen Zeitpunkt oder während eines gegebenen Zeitintervalles in einem Zustand zu sein, dass sie eine geforderte Funktion unter gegebenen Bedingungen unter der Annahme erfüllen kann, dass die erforderlichen äußeren Hilfsmittel bereitgestellt sind.

563

1

564

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Bild 1.11.3-3. Flussdiagramm zur Fehleranalyse nach DIN 31051.

13. Abnutzungsvorrat Nach DIN 31051 der Vorrat der möglichen Funktionserfüllung unter festgelegten Bedingungen, der einer Anlage (Betrachtungseinheit) aufgrund der Herstellung, Instandsetzung oder Verbesserung gegeben ist. Die Abnutzungsgrenze ist der vereinbarte oder festgelegte Mindestwert des Abnutzungsvorrates, s. Bild 1.11.3-4

Bild 1.11.3-4. Typischer Abbau des Abnutzungsvorrates einer technischen Anlage und seine „Auffüllung“ nach einer Instandsetzung nach DIN 31051.

Der technische Zustand und damit prinzipiell auch Abnutzungsvorrat, kann aufgrund der immer vorhandenen Abnutzung der Gesamtanlage auch durch eine optimale Instandsetzung nicht beliebig oft auf ein dem Ausgangszustand nach der Herstellung entsprechendes Niveau gebracht werden. Das heißt, alle technischen Anlagen unterliegen einer inhärenten Abnutzung und haben als System eine begrenzte Lebens- und Nutzungsdauer.

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

1.11.3-4

565

Ausschreibung, Vergabe, Steuerung und Überwachung von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement

1. Allgemeines Grundsätzlich gelten für die Ausschreibung und Vergabe von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement die Vorgaben des BGB oder der VOB und VOL. Beratende Dienstleistungen können z. B. auf der Grundlage nach den Leistungsinhalten und den Honorarsätzen der HOAI § 73 erbracht werden. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu den Bauleistungen besteht im permanten Charakter der technischen Gebäudemanagement-Dienstleistungen und der damit verbundenen Problematik, eine dem ausgeschriebenen Leistungsbild entsprechende Qualität der Dienstleistung, während und nach ihrer Erbringung zu gewährleisten. Die Kriterien und der erforderliche Aufwand für die Steuerung und die Überwachung der vom Dienstleister geschuldeten Qualität hängt entscheidend von der Art der Ausschreibung und der grundsätzlichen Zusammenarbeit von Auftraggeber und Auftragnehmer ab. 2. Betreiberkonzept Das Betreiberkonzept legt die grundsätzliche Strategie und weitergehende Details zur Nutzung eines Gebäudes und damit auch der zugehörigen technischen Anlagen fest. 3. Leistungsbeschreibungen Üblicherweise wird die angefragte Leistung im Rahmen einer Ausschreibung entweder in Form eines Leistungsverzeichnisses, einer Funktionsbeschreibung oder mit SLAs (Service Level Agreements) beschrieben und angefragt. 4. Leistungsverzeichnis Detaillierte, tabellenartige Beschreibung aller geschuldeten Leistungsdetails unterteilt in Titel, Gewerk und Leistungsposition mit Abfrage von Menge, Intervall, Einheitspreis und Gesamtpreis. Bei einigen Leistungsverzeichnissen werden die Preise unterteilt in Lohn und Materialanteil abgefragt. 5. Funktionsbeschreibung Schriftlich fixierte Beschreibung der gewünschten und geschuldeten Dienstleistung und Dienstleistungsqualität. Im Unterschied zum Service Level Agreement sind zu jeder Leistungseinheit Mengen und Intervalle nicht explizit vorgegeben. 6. Service Level Agreements und Key Performance Indicators (SLA und KPI) Service Level Agreements sind schriftlich fixierte Vereinbarungen über ein zu erreichendes und nachzuweisendes Dienstleistungsniveau, das sich im Allgemeinen auf die entscheidenden Ausgangsgrößen bezieht. Die geschuldete Leistung bezieht sich dabei im Allgemeinen auf die Verfügbarkeit bzw. Bereitstellung der im SLA vereinbarten Leistungen. Alle Maßnahmen, die zum Erreichen und Einhalten des vereinbarten Service-Levels erforderlich sind, werden dabei in die alleinige Verantwortung des Erbringers der Dienstleistung gelegt. Hierdurch wird der Nachweis, ob die geforderte Dienstleistung korrekt erbracht wurde oder nicht, sehr vereinfacht. Ein Service Level Agreement in der Klimatechnik gibt z. B. für einen Raum eine Solltemperatur und -feuchte bei einer vorgegebenen Luftwechselrate in einem entsprechenden Toleranzbereich bei einer geforderten Verfügbarkeit vor. Der Key Performance Indicator entspräche dann der zahlenmäßig festgelegten Soll-Temperatur und/oder -Feuchte mit festgelegtem Toleranzbereich und Verfügbarkeit (z. B. 22 °C ± 3 °C an 365 Tagen im Jahr). 7. Prüfen und Werten der Angebote Das Werten und Vergleichen von Angeboten im Dienstleistungsbereich erfolgt formal nach den gleichen Kriterien wie bei den Bauleistungen. Die Bewertung und der Vergleich der angebotenen Leistungsqualität setzt aber ein ungleich höheres Maß an Vertrauen in die Dienstleistungsqualität des Anbieters voraus. Es ist darum umso wichtiger, sich sehr intensiv von der Leistungsfähigkeit, dem Qualitätsmanagement, dem ProzessKnow-how und -management und der Fähigkeit der Anbieter, diese Kriterien praktisch umzusetzen, zu überzeugen. Diese Kriterien sollten dann bei der Wertung und dem Vergleich der Angebote, je nach Erwartungshaltung und Anspruch an die Dienstleistung, entsprechend berücksichtigt werden.

1

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1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

8. Vertragsinhalte Verträge über das Betreiben und die Instandhaltung von Anlagen der Heizung und Klimatechnik im Rahmen von Facility Management- oder Gebäudemanagement-Verträgen haben typische Laufzeiten von 3 bis 5 Jahren und sind damit deutlich länger als typische Wartungsverträge, die typischerweise jährliche Kündigungsfristen haben. Mit der Übertragung der Verantwortungen für das Betreiben und die Instandhaltung an einen Dienstleister ist der Punkt der Haftung und Gewährleistung besonders zu beachten. Je nach Vertragsleistung, gesetzlichen Bestimmungen, Versicherungssituation, Branche und Nutzung der Immobilien und der darin betriebenen technischen Anlagen, bestehen sehr unterschiedliche Risiken, die zwischen Auftraggeber und Dienstleister im Detail individuell abgestimmt und entsprechend vertraglich vereinbart werden sollten. Die Vorgehensweise bei Instandsetzungen, die im Rahmen der Instandhaltung erkannt werden, sollte vertraglich geregelt werden. Es ist zu empfehlen Instandsetzungen von geringem Wert in den Vertrag mit einzuschließen, ohne dass vorher eine gesonderte Beauftragung durch den Auftraggeber erfolgen muss. Instandsetzungsarbeiten bis zu einer vereinbarten Höhe von z. B. 150 bis 500 € pro Einzelfall, können pauschal in den Vertrag eingeschlossen werden. Eine gesonderte Abrechnung kann nach Material- und Lohnkostennachweis bis zur einer vertraglich vereinbarten Jahressumme erfolgen oder nach Angebot durch den Auftraggeber beauftragt werden. 9. Steuerung, Überwachung und Abnahme der Dienstleistung Der erforderliche Steuerungs- und Überwachungsaufwand des Auftraggebers für Vertragsleistungen des technischen Gebäudemanagements hängt maßgeblich von der Art der Leistungsbeschreibung und des Vertrages ab. Der Steuerungs- und Überwachungsaufwand für einen auf SLAs basierenden Vertrag ist im Allgemeinen wesentlich geringer als bei einem auf Leistungspositionen basierenden Vertrag. Die Voraussetzung wird aber in beiden Fällen gleichermaßen durch ein geeignet vereinbartes Berichts- und Dokumentationswesen geschaffen. Die Abnahme der Dienstleistungen bei Vertragsbeendigung oder während der Vertragslaufzeit bedingt im Allgemeinen die gemeinsame Feststellung des Ist-Zustandes der technischen Gebäudeausrüstung.

1.11.3-5

Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik

1. Allgemeines Anlagen der Heizung und Klimatechnik müssen so betrieben werden, dass die Auflagen aus den gesetzlichen Vorschriften und die darin eingebundenen Richtlinien eingehalten werden. Die Beachtung und Einhaltung der relevanten Richtlinien ist für einen Betrieb nach dem „Stand der Technik“ ebenfalls erforderlich und vereinfacht die Beweisführung bei Streitigkeiten um die Qualität der Betreiberleistungen. Die wichtigsten ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind: – Innenraumklima – Sicherheit – Immission Zum sicheren und wirtschaftlichen Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik ist heute grundsätzlich eine Anlagenautomation und für größere Gebäudekomplexe eine gewerkeübergreifende Gebäudeautomation erforderlich. Für das Betreiben von Heizung und Klimaanlagen sind technische Unterlagen erforderlich. Bei der Abnahme von errichteten Anlagen ist unbedingt darauf zu achten, dass die erforderlichen technischen Unterlagen im Leistungsumfang bei der Errichtung mit eingeschlossen werden und bei der Abnahme vollständig vorgelegt und übergeben werden. In der Betriebsphase sind die Unterlagen vom Betreiber stetig zu aktualisieren. Die wichtigsten technischen Unterlagen für das Betreiben sind: – Zusammenfassung der wichtigsten technischen Spezifikationen der Anlage – Anlagenschemata für Luft- und Wasserseite – Hydraulische Berechnungen – Elektrischer Übersichts-, Anschluss- und Stromlaufplan – Betriebs- und Wartungsanleitungen – Ausführungsplanung bzw. Werkstatt- und Montageplanung

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

Stücklisten, Ersatzteillisten mit Entsorgungshinweisen Diagramme und Kennlinienfelder z. B. für Ventilatoren, Pumpen und Kühltürme Funktionsbeschreibung mit Regeldiagrammen Informationslisten bzw. Datenpunktliste Abnahme- und Inbetriebnahmeprotokolle mit allen detailliert dokumentierten Einstellparametern und Messwerten Der Betreiber ist grundsätzlich für den ordnungsgemässen und sicheren Zustand der heiz- und klimatechnischen Anlagen verantwortlich, weil er die tatsächliche Sachherrschaft über die Anlagen hat und ausübt.

567

– – – – –

1.11.3-6

Inspektion, Prüfung und Wartung an Anlagen der Heizung und Klimatechnik

1. Allgemeines Inspektions-, Prüfungs- und Wartungstätigkeiten an heiz- und klimatechnischen Geräten und Anlagen erfolgen nach den gültigen gesetzlichen Auflagen, den Errichtervorgaben bzw. nach Richtlinien wie z. B. VDMA 24186, VDI, AMEV usw. Inspektions- und Wartungstätigkeiten sind grundsätzlich von fachkundigem Personal auszuführen. Für einfache Tätigkeiten wie z. B. einfache Reinigungsarbeiten oder Filterwechsel können auch Hilfskräfte eingesetzt werden, wenn diese fachlich entsprechend eingewiesen sind oder von Fachpersonal beaufsichtigt und kontrolliert werden. Die Tätigkeiten sind im Rahmen des technischen Gebäudemanagement zu planen (siehe z. B. VDI 2890) und in entsprechenden Inspektions-, Prüfungs- und Wartungsberichten zu dokumentieren. Die Details wie, wann und welche Arbeiten und Leistungen an den jeweiligen heiztechnischen Geräten und Anlagen durchzuführen sind, entscheidet im Allgemeinen der fachlich verantwortliche Betreiber unter Berücksichtigung der Herstellerangaben und der Gefährdungsbeurteilung. Richtlinien wie z. B. die VDMA 24186, VDI 3801 oder VDI 3810 geben an, welche Arbeiten und Leistungen entsprechend dem Stand der Technik und nach den Erfahrungen an den Geräten und Anlagen durchzuführen sind. Eine Inspektion beinhaltet die Zustands- und Funktionsprüfung und legt, falls erforderlich, notwendige Wartungs- oder Instandsetzungsmaßnahmen fest. Dabei ist – der äußere und mechanische Zustand sowie die Funktion und die technischen Daten durch Messen und Vergleich mit den vorgegebenen Soll-Werten zu prüfen und – die Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und die Leistungsfähigkeit zu beurteilen. 2. Heiztechnische Geräte und Anlagen Bei heiztechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 2 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an denen bei der Instandhaltung, nach Erforderung oder regelmäßig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungsarbeiten durchzuführen sind. – Wärmeerzeuger (Wasserkessel, Solarkollektoren, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke (BHKW)) – Feuerungseinrichtungen (einschließlich Brennwerttechnik) (Ölbrenner, Gasbrenner mit und ohne Gebläse, Brenner für Feststoffe (Holz, Hackschnitzel, Pellets, Koks, Kohle, Briketts), Brenner für Staubfeuerungen, Hell- und Dunkelstrahler) – Abgasanlagen (Abgasverbindungsstück bis zum Schacht (Schornstein) einschließlich Kompensatoren, Dehnungsausgleichstücke und Reinigungsdeckel, Schalldämpfer, Abgaswärmeübertrager, Abgasklappen, Nebenlufteinrichtungen (Zugbegrenzer), Abgasventilatoren, Abgasleitungen (Schornsteine), Entwässerer, Neutralisationseinrichtungen, Betriebsmesseinrichtungen) – Wassererwärmungsanlagen (für Trink- und Betriebswasser sowie für Heizwasser (Gegenstromapparate)) – Druckhalteeinrichtungen (Druckerhöhung, Druckminderung, Druckbehälter) – Rohrnetze (Pumpen, Absperr-, Abgleich-, Sicherheits- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen) – Druckausgleichsgefäße – Dosieranlagen

1

568

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

– Heizflächen (Heizkörper (Radiatoren, Plattenheizkörper, Konvektoren)) – Schaltschränke, MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Kettentriebe, Getriebe) – Heizraum und Brennstofflager (Heizraum, Brennstofflager) – Dokumentation und Kennzeichnung (Wartungsrelevante Unterlagen (z. B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen)) 3. Raumlufttechnik Bei raumlufttechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 1 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an denen bei der Instandhaltung, nach Erforderung oder regelmäßig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungsarbeiten durchzuführen sind. – Luftfördereinrichtung (Ventilatoren) – Wärmeübertrager (Lufterhitzer (Luft/Flüssigkeit), Elektro-Lufterhitzer, Luftkühler (Luft/Flüssigkeit)/Entfeuchter, Verdampfer (Luft/Kältemittel), Rotations- und Kreuzstrom-Wärmeübertrager, Kühldecken) – Luftfilter (Rollbandfilter, Trockenschichtfilter, Elektrofilter, Sorptionsfilter, Schwebstofffilter, Wrasenfilter) – Luftbefeuchter (Umlaufsprüh- und Verdunstungsbefeuchter, Tropfenabscheider/ Gleichrichter, Dampfbefeuchter mit und ohne eigenen Dampferzeuger, Ultraschall-, Zerstäubungs- und Hybridbefeuchter) – Bauelemente des Luftverteilungssystems (Wetterschutzgitter und sonstige Gitter, Jalousieklappen, Kammern, Brandschutzklappen und -ventile, Luftkanäle, Luftdurchlässe, Schalldämpfer, Misch-/Entspannungskästen und Volumenstromregler, Absperr- und Abgleichelemente, Induktionsgeräte und vergleichbare Nachbehandlungsgeräte) – Maschinelle Entrauchungsanlagen (MRA) und Rauchschutz-Druckanlagen (RDA) (Ventilatoren, Luftkanäle, Jalousieklappen, Gitter und Nachströmeinrichtungen) – Wärmeabzug (WA)/Maschinelle Wärmeabzugsanlage – Rohrnetz (Pumpen, Absperr-, Abgleich- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen und Ausdehnungsgefäße) – Schaltschränke, MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Getriebe) – Dokumentation und Kennzeichnung (Wartungsrelevante Unterlagen (z. B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen)) 4. Kälteanlagen Bei kältetechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 3 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an den bei der Instandhaltung, nach Erforderung ((Erfordernis oder Anforderung?)) oder regelmäßig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungsarbeiten durchzuführen sind. – Verdrängungs- und Strömungsmaschinen (Hubkolben- und Rotationsverdichter) – Wärmeaustauscher (wassergekühlte -, Verdunstungs- und luftgekühlte Verflüssiger, Verdampfer (Flüssigkeit/Kältemittel), Verdampfer (Luft/Kältemittel)) – Anlagenteile im Kältekreislauf (Rohrleitungen, Armaturen, MSR- und Sicherheitseinrichtungen, Mess- und Anzeigegeräte) – Rückkühlanlagen (Verdunstungsrückkühlanlagen (Kühltürme), Trockenrückkühlanlagen) – Luftfördereinrichtungen (Ventilatoren, Luftkanäle und Filter) – Rohrnetz (Sekundärkreislauf) (Pumpen, Absperr-, Abgleich- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen und Ausdehnungsgefäße) – Absorber (Absorber-Wärmeaustauscher, Pumpen, Antriebselemente, AbsorberKreislauf (Lithium-Wasser)) – Elektrische Einrichtungen (Schalt- und Steuerschränke, Sicherheitseinrichtungen) – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Getriebe)

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

569

– Dokumentation und Kennzeichnung (wartungsrelevante Unterlagen (z. B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen))

1.11.3-7

Prüfpflicht an Anlagen der Heizungs, Kälte- und Klimatechnik

1.11.3-7.1 Pflichten für Bauherren bzw. Anlagenbetreiber Technische Anlagen und Einrichtungen sowie deren brandschutztechnische Maßnahmen müssen regelmäßig auf Wirksamkeit und Betriebssicherheit geprüft werden. Bauherren bzw. Betreiber der Anlagen haben die bei einer Prüfung festgestellten Mängel, welche eine konkrete Gefahr für die Sicherheit darstellen, unverzüglich zu beseitigen. Alle weiteren festgestellten Mängel sind mit einer angemessenen Frist zu beseitigen. Die Prüfung erfolgt durch Sachkundige oder Sachverständige auf Kosten der Bauherren oder Betreiber. 1.11.3-7.1.1

Sachverständige (anerkannt nach Baurecht des Bundeslandes)

Sachverständige sind Ingenieure entsprechender Fachrichtung, die aufgrund ihrer fachlichen Ausbildung, Kenntnisse, Erfahrungen und Tätigkeiten, die ihnen übertragenen Prüfungen sachgerecht durchführen und mögliche Gefahren erkennen und beurteilen können. Sie müssen neben den persönlichen Voraussetzungen auch über die zur Prüftätigkeit notwendigen Prüfgeräte, Hilfsmittel und Einrichtungen verfügen. Zum Nachweis der erforderlichen Kenntnisse wird von der zuständigen Bauaufsichtsbehörde ein Fachgutachten eingeholt. 1.11.3-7.1.2

Sachkundige

Sachkundige sind Personen, die aufgrund ihrer fachlichen Ausbildung, Kenntnisse, Erfahrungen und Tätigkeiten, die ihnen übertragenen Prüfungen sachgerecht durchführen und mögliche Gefahren erkennen und beurteilen können (z. B. Ingenieure entsprechender Fachrichtung, Personen mit abgeschlossener handwerklicher Ausbildung).

1.11.3-7.2 Lüftungsanlagen Ein Arbeitgeber hat nach der Betriebssicherheitsverordnung vom 27.9.2002 Art, Umfang und Fristen der erforderlichen Prüfungen von Arbeitsmitteln zu ermitteln und festzulegen. In der Arbeitsstättenverordnung (12.8.2004) ist eine Prüfpflicht von raumlufttechnischen Anlagen nicht mehr beschrieben (früher § 53). Jedoch gelten weiterhin die Arbeitsstättenrichtlinien (Oktober 1979) der ArbeitsstättenVO. Nach ASR 5 sind weiterhin Prüfintervalle von maximal 2 Jahren vorgeschrieben. In den Bauordnungen der Länder ist die Prüfung von raumlufttechnischen Anlagen und Einrichtungen für bestimmte Gebäude gesondert geregelt. So sind z. B. in Nordrhein-Westfalen die Prüfungen von technischen Anlagen und Einrichtungen und deren brandschutztechnischen Maßnahmen in der Prüfverordnung (PrüfVO NRW) vom 24.11.2009 festgelegt. Diese Verordnung gilt für Prüfungen in: – Verkaufsstätten im Sinne der VerkaufsstättenVO vom 22.1.1969, zuletzt geändert durch Verordnung vom 8.9.2000 (> 2000 m2) – Gast- und Versammlungsstätten im Sinne der Versammlungs- und BeherbergungsstättenVO vom 20.9.2002 – Krankenhäusern im Sinne der KrankenhausbauVO vom 21.2.1978, geändert durch Verordnung vom 5.12.1995 – Hochhäusern im Sinne HochhausVO vom 11.6.1986, geändert durch Verordnung vom 05.12.1995 (> 22 m) – Mittel- und Großgaragen im Sinne des § 2 Abs. 1 der GaragenVO vom 2.11.1990, geändert durch Verordnung vom 5.12.1995 (> 100 m2) – Heimen, im Sinne des § 1 Abs. 1 des Heimgesetzes vom 23.4.1990, geändert durch Gesetz vom 26.5.1994 – allgemein- und berufsbildende Schulen – Hallenbauten für gewerbliche und industrielle Betriebe (> 2000 m2/Geschoss)

1

570

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

– Messebauten, Abfertigungsgebäuden von Flughäfen und Bahnhöfen (> 2000 m2/Geschoss) – und in Gebäuden auf Anordnung der zuständigen Bauaufsichtsbehörde Die Prüfungen von lüftungstechnischen Anlagen in Gebäuden nach Prüfverordnung NRW sind erstmalig vor Inbetriebnahme, nach wesentlichen Änderungen und wiederkehrend mit einer Prüffrist von 3 Jahren durch einen staatlich anerkannten Prüfsachverständigen durchzuführen. Für Lüftungsanlagen, die durch feuerwiderstandsfähige Decken oder Wände, ausgenommen solche in Gebäuden geringer Höhe, oder durch Gebäudetrennwände geführt werden, muss in NRW, aber auch in vielen anderen Bundesländern, mit dem Bauantrag ein Lüftungsgesuch (schematische Darstellungen, Beschreibungen der Lüftungsanlagen etc.) gestellt werden. Oft fordert die zuständige Bauaufsichtsbehörde dieses Lüftungsgesuch von einem baurechtlich anerkannten Sachverständigen prüfen zu lassen. Ferner muss in einem Gutachten geprüft werden, ob die Bedingungen für eine natürliche Lüftung von Tiefgaragen eingehalten werden. Die Durchführung dieser Prüfungen und Gutachten erfolgt ebenfalls durch anerkannte Sachverständige nach Baurecht (in NRW staatliche anerkannte Prüfsachverständige). Die Prüfungen von maschinellen Rauchabzugsanlagen sowie Überdruckanlagen zur Rauchfreihaltung von Rettungswegen in den Gebäuden nach Prüfverordnung NRW sind erstmalig vor Inbetriebnahme, nach wesentlichen Änderungen und wiederkehrend mit einer Prüffrist von 3 Jahren durch einen staatlich anerkannten Prüfsachverständigen durchzuführen. Für die Prüfungen von natürlich wirkenden Rauchabzugsanlagen gilt eine Prüffrist von 6 Jahren durch einen staatlich anerkannten Prüfsachverständigen. Tafel 1.11.3-1 PrüfVO NRW ab 2010: Prüfung durch staatlich anerkannte Prüfsachverständige Technische Anlage in Gebäuden

Erstprüfung

wiederkehrende Prüfung

Prüffrist in Jahren

CO-Warnanlagen in geschlossenen Großgaragen

X

X

3

Ortsfeste, selbsttätige Feuerlöschanlagen

X

X

3

Lüftungstechnische Anlagen

X

X

3

Maschinelle Lüftunganlagen in Garagen

X

X

3

Druckbelüftungsanlagen

X

X

3

Maschinelle Rauchabzugsanlagen

X

X

3

Natürliche Rauchabzugsanlagen

X

X

6

Ortsfeste, nicht-selbsttätige Feuerlöschanlagen

X

X

6

In den meisten anderen Bundesländern ist die Prüfung in bestimmten Gebäuden ähnlich geregelt, wobei die Arten der Gebäude und die Prüffristen variieren können. In Bayern ist dies in der Sicherheitsanlagen-Prüfverordnung, in Sachsen und Sachsen-Anhalt in der Technischen Prüfverordnung, in Brandenburg in der Technische Anlagen-Prüfverordnung, in Hamburg in der Haustechnische Überwachungsverordnung, in Thüringen, Hessen und Rheinland-Pfalz in der Hausprüfverordnung, in Mecklenburg-Vorpommern in der Anlagenprüfverordnung und in Schleswig-Holstein in der Prüfverordnung festgelegt. Die Prüfung von raumlufttechnischen Anlagen und deren brandschutztechnischen Maßnahmen in Gebäuden enthält folgende Punkte, die in einem Prüfbericht festgehalten werden müssen: – Sichtprüfung des Zustandes der Bauteile (Ventilatoren, Wärmetauscher, Gerätekammern, Filter, etc.)

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

– Funktionsprüfung Ventilatoren, Klappensteuerung, Reparaturschalter, Strömungsüberwachung, Filterüberwachung, Frostschutz, Rauchmelder, Steuer- und Regeltechnik einschließlich der Betriebs- und Störanzeigen – Messung des für den jeweiligen Nutzbereich bauordnungsrechtlich vorgeschriebenen Volumenstromes – Prüfung der Lüftungsleitungen bzgl. Ausführung der vorgeschriebenen Feuerwiderstandsdauer – Prüfung von Brandschutzklappen und Rauchschutzklappen auf Einbau und Funktion gemäß Verwendbarkeitsnachweis (Zulassungsbescheid) der Klappen – Kontrolle der nach Verwendbarkeitsnachweis vorgeschriebenen Wartung der Brandschutzklappen und Rauchschutzklappen – Prüfung auf Übereinstimmung der getroffenen brandschutztechnischen Maßnahmen mit den aus dem Brandschutzkonzept geforderten brandschutztechnischen Maßnahmen – Prüfung der Außenluft- und Fortluftöffnungen auf Einhaltung der brandschutztechnischen, hygienischen und schallschutztechnischen Anforderungen – Prüfung der Druckverhältnisse, Luftführung, Luftgeschwindigkeiten und Wirksamkeit der Zu- und Abluftöffnungen im Nutzbereich und Messung der Temperatur im Nutzbereich.

1.11.3-7.3 Heizungsanlagen Die Prüfpflicht von Warmwasserheizungsanlagen ergibt sich aus der DIN EN 12828: 2003-12 „Heizungssysteme in Gebäuden“. Vor der erstmaligen Inbetriebnahme ist die Wärmeerzeugungsanlage auf den ordnungsgemäßen Zustand der Wärmeerzeuger und der Beheizung sowie der sicherheitstechnischen Ausrüstung auf Übereinstimmung mit den Anforderungen der gültigen Normen zu prüfen. Diese Prüfung erfolgt bei Warmwassererzeugungsanlagen durch Sachkundige der Erstellerfirma oder falls gefordert oder gewünscht, durch Sachverständige nach § 24 c, Absatz 1 der Gewerbeordnung. Im Rahmen der ersten Inbetriebnahme hat der Sachkundige die ordnungsgemäße Funktion der gesamten sicherheitstechnischen Ausrüstung zu prüfen und in einem Prüfbericht festzuhalten: – Sichtprüfung des Zustandes und der Anordnung der sicherheitstechnischen Bauteile (Ausdehnungsleitung- und -gefäße, Fülleinrichtung, Temperaturregeleinrichtung, Sicherheitstemperaturwächter bzw. Sicherheitstemperaturbegrenzer, Sicherheitsventile, Sicherheitsdruckbegrenzer, Wassermangelsicherung, Anzeigeeinrichtungen, etc.) – Funktionsprüfung der Temperaturregeleinrichtung – Funktionsprüfung des Sicherheitstemperaturwächters bzw. Sicherheitstemperaturbegrenzers – Funktionsprüfung der Sicherheitsventile – Funktionsprüfung der Sicherheitsdruckbegrenzer (min./max.) – Funktionsprüfung der Wassermangelsicherung – Funktionsprüfung der Flammenüberwachung, der Gasmangelsicherung, des Gasnothahns, des Gasdruckwächters und des Verbrennungsluftwächters – Funktionsprüfung des Not-Aus-Tasters – Prüfung des Aufstellortes bzgl. ausreichender Be- und Entlüftung – Prüfung der Funktion und Lage der Notausgangstüren.

1.11.3-7.4 Kälteanlagen Die Prüfpflicht von Kälteanlagen ergibt sich aus der Unfallverhütungsvorschrift VBG 20 (vom 1.4.1987 in der Fassung vom 1.10.1997) „Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kühleinrichtungen“.1)

1)

Heute BGV D4.

571

1

572

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Dabei hat der Betreiber dafür zu sorgen, dass Kälteanlagen und Kühleinrichtungen vor ihrer Inbetriebnahme durch einen Sachkundigen einer Dichtigkeitsprüfung unterzogen und auf ihren ordnungsgemäßen Zustand geprüft werden. Das Ergebnis dieser Prüfung ist von einem Sachkundigen zu bescheinigen. Diese Prüfungen sind auch dann erforderlich, wenn Kälteanlagen oder Kühleinrichtungen geändert worden sind, oder wenn sie länger als 2 Jahre außer Betrieb waren. Ferner sind flexible Kälteleitungen, die aktiv bewegt werden, mindestens alle 6 Monate von einem Sachkundigen auf Dichtheit prüfen zu lassen (nicht bei Leitungen mit Kältemittel der Gruppe 1 mit Füllgewicht der Anlage bis 10 kg). Eine wiederkehrende Prüfung ist nur nach Überholung bzw. Änderungen erforderlich. Die Prüfung der Kälteanlage setzt sich wie folgt zusammen: – Sichtprüfung des Zustandes und der Anordnung der sicherheitstechnischen Bauteile (Ausdehnungsleitung und -gefäße, Fülleinrichtung, Temperaturregeleinrichtung, Sicherheitstemperaturbegrenzer, Sicherheitsdruckbegrenzer, Anzeigeeinrichtungen, etc.) – Funktionsprüfung der Temperaturregeleinrichtung – Funktionsprüfung des Strömungswächters Kühlwasser und Kaltwasser – Funktionsprüfung des Sicherheitstemperaturbegrenzers – Funktionsprüfung des Sicherheitsdruckbegrenzers – Funktionsprüfung der Flammenüberwachung, der Gasmangelsicherung, des Gasnothahns, des Gasdruckwächters und des Verbrennungsluftwächters – Funktionsprüfung des Not-Aus-Tasters – Prüfung des Aufstellungsortes bzgl. ausreichender Be- und Entlüftung – Prüfung der Funktion und Lage der Notausgangstüren – Funktionsprüfung der Kältemitteldetektoren der Gaswarnanlage.

1.11.3-8

Instandsetzung

Die Instandsetzung oder allgemein auch als Reparatur bezeichnet, beinhaltet Maßnahmen zur Rückführung einer Anlage in den bestimmungsgemäßen, funktionsfähigen Zustand, mit Ausnahme von Modernisierungen, Optimierungen und Verbesserungen. Eine Instandsetzung beinhaltet je nach Erfordernis Maßnahmen wie – Auftrag, Auftragsdokumentation, Analyse des Instandsetzungsbedarfes, Angebotskalkulation und Angebot. Zur Analyse des Instandsetzungsbedarfs ist oft eine detaillierte Fehleranalyse erforderlich. – Vorbereitung der Durchführung, Terminplanung, Abstimmung, Bereitstellung von Personal, Mitteln und Material, Erstellung von Arbeitsplänen – Vorwegmaßnahmen wie Arbeitsplatzausrüstung, Schutz- und Sicherheitseinrichtungen usw. – Überprüfung der Vorbereitung und der Vorwegmaßnahmen einschließlich der Freigabe zur Durchführung – Durchführung der Instandsetzung – Funktionsprüfung, Fertigmeldung und Abnahme – Auswertung einschließlich Dokumentation, Kostenaufschreibung, Aufzeigen der Möglichkeit von Verbesserungen.

1.11.3-9

Informationsmanagement

Für den Leistungsnachweis, die stetige Bewertung des technischen Anlagenzustandes zur Optimierung und zur betriebswirtschaftlichen Entscheidung über den geeigneten Zeitpunkt für Instandsetzungsmaßnahmen sowie für das Energiemanagement ist im technischen Gebäudemanagement ein entsprechendes Berichts- und Dokumentationswesen erforderlich. Nach den Empfehlungen der VDI 3801 besteht das Berichtswesen aus – Objektlisten mit Angaben von Bauteilen und Geräten, Anzahl, Fabrikat, Typ und Standort der Anlage sowie der Erfassung der Tätigkeiten und der Ausführungsperiode, – Ersatzteillisten (anlagenbezogen) mit Angaben zu den wesentlichen Ersatz- und Verbrauchsteilen wie z. B. Keilriemen und Filter,

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

573

– Wartungsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, dem eingesetzten Material, den Mängeln, Mess- und Prüfergebnissen und Hinweisen zu gegebenenfalls erforderlichen Instandsetzungen, – Inspektionsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, Mängeln, Hinweisen zur Instandsetzung, Mess- und Prüfergebnissen, Beurteilung von Zustand und Funktion sowie Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebes, – Instandsetzungsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, Materialeinsatz und Messergebnissen. Instandhaltungsdaten und -berichte des technischen Gebäudemanagement werden mit anderen Betriebsparametern heutzutage elektronisch mit CAFM-System verarbeitet und archiviert. Folgende Beispiele für Wartungs- und Inspektionslisten zeigen beispielhaft typischer Weise für ein Berichts- und Dokumentationswesen erhobene Daten. Die 4 Beispiele unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Darstellung der Häufigkeit. Bei den Beispielen 1 und 2 wird die Häufigkeit in der zutreffenden Spalte angekreuzt bzw. eingetragen, bei Beispiel 3 steht sie für jede Seite einheitlich im Tabellenkopf. Dieses Beispiel ist für eine Gliederung der Wartungs- bzw. Inspektionsliste nach Häufigkeit vorgesehen. In Beispiel 4 wird bei der Häufigkeit zwischen Einsatzklassen unterschieden. Zusätzlich ist eine Spalte „Ausführender“ vorgesehen, in der in Sonderfällen dessen erforderliche Qualifikation angegeben wird. Hinweis: Die in den Beispiellisten gemachten Angaben dienen nur der Veranschaulichung. Beispiel 1 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

1

E-Motor

1.1

Lagertemperatur prüfen

1.2

Zustand der Kohlebürsten prüfen

2

Getriebe

2.1

Ölstand prüfen

2.2

Öl wechseln

1)

2)

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Häufigkeit Bemerkungen Betriebs- und Hilfsm 3m 6m a stoffe

60 °C max.

x x

x Schmieröl DIN 51517 – C 100

x

3)

4)

5)

Beispiel 2 Hersteller Lfd. Nr.

Auszuführende Arbeiten

1

E-Motor

1.1

Lagertemperatur prüfen

Wartungsliste/Inspektionsliste Mess- und Prüfgröße Betriebsund Hilfsstoffe

60 °C max.

Erzeugnis Liste Nr.

Häufigkeit

3m

Bemerkungen

1

574

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

1.2

Zustand der Kohlebürsten prüfen

2

Getriebe

2.1

Ölstand prüfen

2.2

Öl wechseln

1)

Mess- und Prüfgröße Betriebsund Hilfsstoffe

Erzeugnis Liste Nr.

Häufigkeit

Bemerkungen

6m

m Schmieröl DIN 51517 – C 100

a

3)

4)

2)

5)

Beispiel 3 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste Häufigkeit: Jährlich 4)

Auszuführende Arbeiten

1

Feuerlöschanlage

1.1

Zustand Löschmittelbehälter prüfen

2

Bremsanlage

2.1

Zustand Bremsbeläge prüfen

2.2

Bremsölfilter reinigen

1)

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Betriebs- und Hilfsstoffe

Bemerkungen

3)

5)

2)

Beispiel 4 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Häufigkeit AusBetriebsEinsatzfühund Hilfsstoffe klasse render A

B

C

1

Antrieb

1.1

Motor: Laufruhe prüfen

2m m 2w

Temperatur prüfen

2m m 2w

Sauberkeit prüfen 1)

2)

a 3)

a 4)

Bemerkungen

a 6)

5)

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

Hinweise 1) Bezifferung nach DIN 1421-1 (siehe Beispiel) 2) Wartungs- bzw. Inspektionsarbeiten entsprechend dem gewählten Gliederungsschema angeben. 3) Bei Betriebs- und Hilfsstoffen firmenneutrale Bezeichnungen, z. B. nach DIN, SAE usw. angeben. 4) Unter Häufigkeiten können Zeitintervalle (stündlich, täglich, wöchentlich usw.), Betriebsstunden, Einschalthäufigkeiten u. ä. verstanden werden. Werden zur Angabe von Häufigkeiten Abkürzungen verwendet, so sind diese zu erläutern, wie z. B. h = stündlich w = wöchentlich a = jährlich d = täglich m = monatlich Solche Häufigkeiten werden durch vorangestellte Zahlen gekennzeichnet, z. B. 6 m = alle 6 Monate Spalte Einsatzklasse: Einsatzklassen können unterschieden werden, wenn die Häufigkeit der Wartungsarbeiten oder Inspektionsarbeiten z. B. von der Einsatzdauer abhängig gemacht wird. Einsatzklasse A: gelegentliche Benutzung bei langen Ruhezeiten Einsatzklasse B: regelmäßige Benutzung bei unterbrochenem Betrieb Einsatzklasse C: regelmäßige Benutzung im Dauerbetrieb Hier können folgende Angaben erscheinen: • Sonderwerkzeuge, Mess- und Prüfgeräte, Anschlagmittel, Hilfsmittel, Vorrichtungen • Prüfung bei einem bestimmten Betriebszustand • Verweis auf ergänzende Instandhaltungsunterlagen • Hinweis auf besondere Gefahren • Sicherheitseinrichtungen und -maßnahmen, persönliche Schutzausrüstung • notwendige Zusammenarbeit mit Sachkundigen Falls erforderlich, ist die Qualifikation zu nennen, die ein Ausführender erfüllen muss. Die gewählten Abkürzungen sind zu erläutern. Darüber hinaus sind in der VDMA 24186 1) die Leistungsprogramme für die Wartung spezieller technischer Ausrüstungen zusammengestellt. VDMA 24186 Leistungsprogramm für die Wartung von lufttechnischen und anderen technischen Ausrüstungen in Gebäuden Teil 0 Übersicht und Gliederung, Nummernsystem, Allgemeine Anwendungshinweise Teil 1 Lufttechnische Geräte und Anlagen Teil 2 Heiztechnische Anlagen Teil 3 Kältetechnische Anlagen Teil 4 MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme Diese VDMA-Einheitsblätter empfehlen Leistungsaufgliederungen und Kontrollzyklen, die im Regelfall als Basis zur Erarbeitung eines Wartungsvertrages dienen. Weitere Grundlagen bieten AMEV sowie Herstellerangaben.

1.11.3-10 Nutzungskosten 1.11.3-10.1

Allgemeines

Die wesentlichen Grundzüge und Berechnungsverfahren sind im Kapitel 1.11.1-2 „Grundlagen der Kostenrechnung“ enthalten. Aus diesem Grund sollen in diesem Abschnitt nur ergänzende fachbezogene Hinweise zur überschlägigen Ermittlung dargestellt werden. Nach VDI 20671) werden unterschieden:

1)

VDI 2067 Blatt 1 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung“, 09-2000. VDI 6025 „Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen“, 11-1996.

575

1

576

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

a) kapitalgebundene Kosten (Kapitalkosten) für Amortisation und Verzinsung des Kapitals, einschließlich Instandhaltung und Erneuerung b) verbrauchsgebundene Kosten (Energiekosten) für Brennstoffe, Hilfsenergie, Wasser, Betriebsstoffe u. a. c) betriebsgebundene Kosten (Betriebskosten) für Reinigung u. ä., Bedienung mit Wartung und Inspektion d) sonstige Kosten für Steuern, Versicherungen u. ä. Anmerkung: In den nachfolgenden Kapiteln sei auch mit Rücksicht auf die Quellen auf die konsequente sprachliche Trennung, insbesondere da die Darstellung der Berechnungsverfahren gleichermaßen für die – Vorausberechnung von Kosten auf den jeweiligen Bedarfgrößen wie auch für die – Feststellung der tatsächlichen Kosten anhand der jeweiligen Verbrauchsgrößen gilt, verzichtet.

1.11.3-10.2

Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung

1.11.3-10.2.1 Kapitalkosten Vgl. Kapitel 1.11.1-2 und VDI 20671) (s. Tafel 1.11.3-2). Tafel 1.11.3-2 Nutzungsdauer von Anlagenteilen der Raumheizung Gusseiserne Gliederkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gussradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezialkessel für Gas oder Öl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrodenkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umlaufgaswasserheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaskessel ohne Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbrenner ohne Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas- und Ölbrenner mit Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Membran-Ausdehnungsgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen für Warmwasser-Heizung . . . . . . . . . Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahltanks, doppelwandig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schornstein im Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20 Jahre 15 Jahre 30 Jahre 20 Jahre 20 Jahre 25 Jahre 18 Jahre 20 Jahre 20 Jahre 12 Jahre 10 Jahre 15 Jahre 40 Jahre 8 Jahre 15 Jahre 50 Jahre

1.11.3-10.2.2 Energiekosten Anmerkung: Die in Abschnitt 1.11.3-10.3.2 dargestellte Problematik zur Genauigkeit der statistischen Berechnungsverfahren treffen sowohl für den Heiz- als auch Kühlfall zu. Aus diesem Grund sollte mit der VDI E 2067-11 – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Dynamischer Rechenverfahren – ein entsprechendes Instrument geschaffen werden.1)

1)

Hirschmann, R.: HLH 48 (1997), Nr. 8, S. 24 ff. VDI 2067 Blatt 11 (Entwurf) „Rechenverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude“, 06-1998 (07-2008 zurückgezogen, ersetzt durch VDI 6007 Blatt 1 „Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von Räumen und Gebäuden – Raummodell“).

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

577

Bild 1.11.3-5. Durchschnittlic he spezifische Heizlast von Gebäuden je m2 Nutzfläche in Abhängigkeit von Gebäudealter und des A/V-Verhältnisses (äußere Umhüllungsfläche zu umbauten Volumen)*). *)

Ihle; Bacher; Golla: Taschenbuch Sanitär, Heizung, Klima, Lüftung. 5. Auflage, 2005.

Bild 1.11.3-6. Durchschnittlichespezifische Heizlast von Fabrikbauten je m3 umbauter Raum.

Bild 1.11.3-7. Richtwerte für den spezifischen Heizwärme-/Heizenergiebedarf in Abhängigkeit von Gebäudeerstellungs-Zeitraum und A/V.Verhältnis (äußere Umhüllungsfläche zu umbauten Volumen).*) *) Hegner, H.-D.: Die Energieeinsparverordnung 2002. Symposium Energiesparendes Bauen, Berlin 1999.

1

578

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.3-3 Wasser- und Wärmebedarf für erwärmtes Trinkwasser, Gesamtbedarf*) 1 Gesamtbedarf

Dusche, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet Wanne normal, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet Wanne groß, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet Wanne normal und Dusche, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet

2

3

Personenbezogener Gesamt-Nutzwarmwasserbedarf bei der Nutztemperatur δN**) vN, ges, a vN, ges, d

4

5

Personenbezogener GesamtNutzenergiebedarf qN, ges, d

qN, ges, a

l/d m3/a kWh/d kWh/a 15 bis 47 5,2 bis 16,2 0,5 bis 1,6 190 bis 570 31

10,7

1,1

380

4 1,3 0,2 60 3 bis 6 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2 40 bis 70 33 bis 56 11,4 bis 19,3 1,1 bis 1,9 400 bis 680 44

15,7

1,5

540

4 1,3 0,2 60 3 bis 6 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2 40 bis 70 48 bis 71 16,6 bis 24,5 1,7 bis 2,5 580 bis 860 59

20,7

2,1

720

4 1,3 0,2 60 3 bis 6 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2 40 bis 70 22 bis 54 7,5 bis 18,6 0,7 bis 1,9 270 bis 650 38

12,7

1,3

460

4 3 bis 6

3 1,0 bis 2,1

0,2 0,1 bis 0,2

60 40 bis 70

*)

VDI 2067 Blatt 12 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung“, 06-2000. **) Siehe VDI 2067 Blatt 12 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung“, 06-2000, Tafel 1. ***) Der Rest wird von Hand gespült.

Zur Ermittlung der Energiekosten ist folgende Vorgehensweise erforderlich a) Ermittlung des Jahres-Heizwärme- und Warmwasserbedarfes Berechnungsgrundlagen stellen DIN 47011) und VDI 20672) 3) dar, die objektbezogen exakte Ergebnisse liefern. 1) 2) 3)

DIN V 4701-10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung“, 08-2003. VDI 2067 Blatt 12 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung“, 06-2000. VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013.

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

579

Näherungsweise können folgende Ansätze gewählt werden: b) Ermittlung des Brennstoffbedarfes Der jährliche Energie- und Brennstoffbedarf ist wegen der Wärmeverluste bei der Erzeugung und beim Transport größer als der jährliche Nutzwärmebedarf.1) BHa:Jahresbrennstoffbedarf QHa:Jahresheizwärmebedarf QHa = bVH . QN,Geb (Überschlagsverfahren) · Q N,Geb:Wärmebedarf bVK: Vollbetriebsstunden ηa: Kesselnutzungsgradηα = ηK . ηB ηK: mittl. Kesselwirkungsgrad ηB: Bereitschaftgrad ηV: Verteilungsgrad

Bild 1.11.3-8. Nutzwärme und Verluste einer Heizanlage.

Sinngemäß ist dies auf die Warmwasserbereitung anwendbar. Berechnungsgrundlagen sind VDI E 2067-102), VDI 38083) und VDI 2067/124) enthalten. Näherungsweise kann zum Ansatz gebracht werden, für die Heizenergie: Der Beiwert ϕ = 300 entspricht der Näherungsformel, die von Recknagel 1915 für Koksheizungen angegeben wurde: · BHa = 300 Q N · (Q N = max. Wärmebedarf in kW) Früher üblicher jährlicher Heizölverbrauch in Einfamilienhäusern BHa = 30 … 35 l/m2a, in Mietwohnungen BHa = 20 … 25 l/m2a. Durch die Auswirkungen des Energieeinspargesetzes werden sich diese Zahlen weiterhin stark verringern, in Einfamilienhäusern auf 15 … 20 l/m2a, bei Gebäuden nach der ab 2002 gültigen EnEV5) auf 5 … 10 l/m2a im Jahr und weniger (Niedrigenergiehäuser), bei sogenannten Passivhäusern sind 1,5 l/m2a möglich.

1) 2) 3) 4) 5)

VDI 3808 „Energiewirtschaftliche Beurteilungskriterien bei Heizungsanlagen“, 01-1993. VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013. VDI 3808 „Energiewirtschaftliche Beurteilungskriterien bei Heizungsanlagen“, 01-1993. VDI 2067 Blatt 12 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung“, 06-2000. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (EnEV), 2009.

1

580

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.3-4 Statistische Belegungszahl np von Wohnungen

*)

Anzahl an Räumen

Belegungzahl np

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

2,0 2,0 2,0 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 4,3 4,6 5,0 5,4 5,6

DIN 4708-2:1994-04 Zentrale Warmwassererwärmung (Wohngebäude).

· Tafel 1.11.3-5 Jährlicher Brennstoffverbrauch BHa = ϕ · QN in älteren Heizungsanlagen Brennstoff

Heizöl El Heizöl S Ferngas Erdgas H Erdgas L Elektrischer Strom (ηges = 0,95)

Heizwert Hu MJ/kg MJ/m3n

kWh/kg kWh/m3n

42,7 41,0 17,3 37,5 31,7 3,6

11,86 11,40 4,80 10,40 8,80 1,0

Dimensionen

kg/a kg/a m3/a m3/a m3/a kWh/a

Brennstoffverbrauch Ba allgemein

·

0,105 · bv · Q· N 0,110 · bv · Q· N 0,260 · bv · Q· N 0,120 · bv · Q· N 0,142 · bv · Q· N 1,05 · bv · Q N

bei bv = 1600 St

·

168 · Q· N 176 · Q· N 416 · Q· N 192 · Q· N 227 · Q· N 1680 · Q N

Tafel 1.11.3-6 Richtwerte des ·Brennstoffverbrauchswerts ϕ je kW maximaler Wärmebedarf QN bei älteren Wohngebäuden Gebäudeart Wohnhäuser Bürogebäude Schulen, einschichtig

Koks kg/a

Heizöl EL kg/a

Ferngas m3/a

Erdgas H m3/a

270 … 320 270 … 320 215 … 250

170 … 205 170 … 205 120 … 150

400 … 450 400 … 450 300 … 350

180 … 220 180 … 220 140 … 180

Für Trinkwasser liegen folgende Erfahrungswerte bei mittleren Ansprüchen, bezogen auf die Wohnungsgrundfläche bei Miethäusern vor: bei Koksfeuerung q= 8 ... 12 kg/m2a bei Ölfeuerung q= 4 ... 6 l/m2a bei Stadtgasfeuerung q = 10 ... 14 m3/m2a bei Erdgasfeuerung q= 5 ... 7 m3/m2a bei Elektrospeichern q = 30 ... 40 kWh/m2a

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

581

Genauere Berechnungsgrundlagen, insbesondere auch für den Fall, dass die Warmwasserbereitung Bestandteil der zentralen Heizungsanlage ist, sind in VDI E 2067-10:1998061) und VDI 2067-12:2000-062) enthalten. Nach der Heizkostenverordnung3) ist die Zählung des Warmwasserverbrauches vorgeschrieben, jedoch ein vereinfachtes Verfahren zur Berechnung des Brennstoffverbrauch B der Warmwasserbereitung in bestehenden Gebäuden zulässig: B=

2 ,5 ⋅ V ⋅ Δ t V ⋅ 4200 ⋅ Δ t ----------------------------------------------------- = -------------------------- in kg oder m3 Hu 3600 ⋅ H u ⋅ η a ( = 0,47 )

1

V = Wasserverbrauch m3 Δt =Wassererwärmung K Hu =Heizwert kWh/Einheit c)Ermittlung der Brennstoffkosten Aus dem genauen Jahresbrennstoffbedarf lassen sich problemlos die Kosten ermitteln: €/a K = BHa . P P = Energiepreis in €/kg oder €/m3 In einem vereinfachten Verfahren kann diese auch aus dem Jahreswärmebedarf QHa ermittelt werden. Q Ha ⋅ P K = --------------------H u ⋅ η ges Um die verbrauchsgebundenen Kosten (Energiekosten) zu komplettieren sind Zuschläge für Hilfsenergie z. B. Pumpen und Betriebsstoffe erforderlich (vgl. Abschnitt 1.11.3-10.3.1). Tafel 1.11.3-7 Spezifische Brennstoffkosten je MWh Nutzwärme*) Brennstoff

Heizöl El (1l = 0,86 kg) Heizöl S Stadtgas Erdgas H Fernwärme Nachtstrom Tagstrom Luft-Wasser-Wärmepumpe *)

Einheit Heizwert Hu Einheits- Nutzungs- Kosten kWh/ preis grad €/MWh Einheit € ηges 1 kg m3 m3 kWh kWh kWh kWh

10,00 11,40 4,80 10,40 1,0 1,0 1,0 1,0

0,20 0,20 0,12 0,25 0,04 0,07 0,13 0,09

0,80 0,80 0,80 0,95 0,95 0,95 g = 2,50

22,– 25,– 30,– 30,– 37,– 69,– 132– 38,–

Objektbezogene Preise sind für jeden Anwendungsfall einzeln zu erfassen.

1.11.3-10.2.3 Betriebskosten Sie umfassen im Wesentlichen: Bedienung, Wartung, Schornsteinreinigung, Kundendienst, Tankreinigung, Verrechnung u. ä. Sie lassen sich bei nicht ständig gewarteten Anlagen als Zuschläge zu den Brennstoffkosten etwa wie folgt bei mittelgroßen Anlagen angeben: bei Koksheizung 10 … 15 % bei Gasheizung 7 … 10 % bei Ölheizung 8 … 12 % bei Elektroheizung 3 … 5 %

1) 2) 3)

VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013. VDI 2067 Blatt 12 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergie für die Trinkwassererwärmung“, 06-2000. Heizkostenverordnung (1/89).

582

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Weitere Anhaltswerte für die jährlichen Nebenkosten sind bei öl- oder gasbefeuerten Anlagen Kesselleistung 100 kW 4 … 5 €/kW Kesselleistung 1000 kW 4 … 3 €/kW Bei großen Anlagen sind sie am besten gesondert zu berechnen. Zuschlag für Brauchwasserbereitung etwa 10 … 15 %. Präzisierte Werte für einzelne Komponenten sind in der VDI 2067-1:2000-09 enthalten.1)

1.11.3-10.3

Raumlufttechnik und Kälteanlagen

1.11.3-10.3.1 Kapitalkosten Vgl. Abschn. 1.11 und VDI 20672) Tafel 1.11.3-8 Nutzungsdauer von Anlagenteilen der Klimatechnik Klimazentralen Kältemaschinen Kühltürme verzinkt Kühltürme Kunststoff Kanäle, Gitter u.ä. Regelanlagen

10 … 15 Jahre 15 Jahre 10 Jahre 15 Jahre 30 … 40 Jahre 12 Jahre

1.11.3-10.3.2 Energiekosten Eine genaue Berechnung der Energiekosten einer Klimaanlage ist sehr umfangreich, da für jeden Einzelfall eine große Anzahl von Daten bekannt sein muss, z. B. das Klimasystem, die äußeren Klimadaten, Betriebszeit, eventuelle Betriebspausen, Lichtschaltung, Jalousiebedienung, Wärme- und Kältequellen u. a. Alle meteorologischen und KühllastDaten müssen Stunde für Stunde über ein ganzes Jahr vollständig vorhanden sein. Die Wetterdaten sind in DIN 47103) stündlich für je einen Tag im Monat für heitere, bewölkte und gemischt bewölkte Tage angegeben. Der Energieverbrauch einer Klimaanlage setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Luftaufbereitungsenergie; sie fällt an, um die Außenluft vom jeweiligen Zustand auf den gewünschten Zuluftzustand zu bringen (Heizen, Kühlen, Be- oder Entfeuchten). Thermische Raumlasten; sie fallen an durch Transmission, Strahlung, innere Lasten (Heizung oder Kühlung). Beide Anteile ändern sich von Stunde zu Stunde und natürlich auch von Monat zu Monat. Wegen der Vielzahl der erforderlichen Rechengänge sind sinnvolle Ergebnisse nur mit EDV-Rechenprogrammen zu erzielen. Es haben sich zwei dynamische Rechenverfahren durchgesetzt: Tagesgangverfahren; für jeden Monat werden stündlich – also 24-mal pro Tag – zwei (oder drei) wettertypische Tage gerechnet. Bei zwei Tagen pro Monat werden heitere und bewölkte Tage entsprechend ihrer Häufigkeit gewichtet. Bei dem Rechenverfahren mit drei Tagen je Monat wird zusätzlich auch noch ein gemischt bewölkter Tag berücksichtigt. Die meteorologischen Daten stehen bei diesen Verfahren aus DIN 47103) für deutsche Städte zur Verfügung. Pro Jahr fällt folgende Zahl von Berechnungen an: 2 (3) Tage je Monat × 24 h/Tag × 12 Monate = 576 (864) Rechnungen. Referenzjahrverfahren (TRY); hier wird für jeden Tag des Jahres jede Stunde gerechnet. Es fallen also an: 24 h/Tag × 365 Tage/a = 8760 Rechnungen. Der Rechenaufwand ist hier auch bei EDV-Anwendung recht erheblich. Das Test-Referenzjahr ist für 12 klimatische Regionen der BRD ermittelt worden vom Deutschen Wet1) 2) 3)

VDI 2067 Blatt 1 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung“, 09-2000. VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013. DIN 4710 „Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland“, 01-2003.

1.11.3 Technisches Gebäudemanagement

terdienst, Offenbach. Die Daten können für EDV-Berechnung auch online im Dialog über Datex-P abgerufen oder als Magnetband bzw. Diskette bezogen werden.1) Durch eine IEA-Studie konnte die Gleichwertigkeit beider Verfahren festgestellt werden.2) Inzwischen auch durch Messung bestätigt.3) Aus USA kommt das Berechnungsprogramm BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics).4) Richtwerte fürden Energieverbrauch von klimatisierten Bürogebäuden. Die noch von Hand durchführbaren Energieverbrauchsberechnungen nach VDI 2067-3: 1983-12 ermitteln Luftaufbereitungsenergien mit Jahres-Luftgrad-, -Enthalpie-, Feuchte-Stunden und mit Summenhäufigkeiten für Luft-Enthalpie und -Feuchte. Für etwas genauere Berechnungen gab es auch entsprechende Monatsstunden in VDI 2067. Statische Berechnungsverfahren versagen insbesondere bei VVS-Systemen, wo ständig eine Veränderung der Luftmenge mit der Last stattfindet. Aus diesem Grund wurde o. g. DIN 2067/3 zurückgezogen und durch VDI E 2067-115) – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – ersetzt. Nachstehende Rechnungen, die auf den Gradtagen und Gradstunden für Erwärmung, Kühlung, Be- und Entfeuchtung beruhen, sind daher nur als Näherung zu betrachten, da sie den dynamischen Verlauf des Energiebedarfs nicht berücksichtigen. Richtwerte aus dynamischen EDV-Berechnungen. a)Ermittlung des Energiebedarfes Elektrische Energie Der jährliche Verbrauch der Ventilatoren an elektrischer Energie E ist bei konstantem Volumenstrom leicht zu errechnen: E = 365 · z · P in kWh/Jahr z = Zahl der täglichen Betriebsstunden P= Leistung der Ventilatoren [kW] Bei regulierbaren Antrieben ist der zeitweise verringerte Energiebedarf zu beachten. Wärmeenergie Bei der Ermittlung des jährlichen Wärmebedarfs Qw zur Erwärmung der Außenluft benutzt man am besten die Lüftungsgradstunden GL, bezogen auf die verschiedenen Tageszeiten nach Tafel 1.1.2-7. · Qw = GL · V · c · ρ · 10–6 GJ/a · = Volumenstrom m3/h V c = spez. Wärmekapazität der Luft =1,0 kJ/kgK GL = Lüftungsgradstunden in hK/a nach Tafel 1.1.2-7 Befeuchtung Wird die Luft auch befeuchtet, so ist der dazu erforderliche zusätzliche Wärmebedarf Qf: · Qf = Gf · r · V · ρ · 10–6 GJ/a Gf = Befeuchtungsgrammstunden in h/a · g/kg nach Bild 1.1.3-4 ρ = Dichte der Luft =1,2 kg/m3 r = Verdampfungswärme = 2,5 kJ/g Wasserbedarf · m· w = Gf · ρ · V · 10–6 kg/a Berechnung nach Abschnitt 1.1.3. Der praktisch auftretende Wasserverbrauch beträgt etwa das 3- bis 4-Fache des theoretisch errechneten Wertes bei Befeuchtung durch Düsenkammern. Richtwert bei durchlaufendem Betrieb ca. 100 kg/a je m3/h Luft.

1) 2) 3) 4) 5)

METDATA. Softwareprogramm, Fachinformationszentrum Karlsruhe, Eggenstein Abschlussbericht ET 5238. Internationale Energie-Agentur (IEA), Brüssel 1980. Fox; Hönmann; Steinbach: Ges.-Ing. (1987), Nr. 2, S. 61–66. US Army Corps of Engineers, Construction Engineering Research Laboratory (CERL), Champaign, Illinois, USA. VDI 2067-11 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Rechnerverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude“, 06-1998.

583

1

584

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Kälteenergie zur trockenen Luftkühlung Hier errechnet man den jährlichen Kältebedarf QK mittels der Kühlgradstunden nach Tafel 1.1.2-8: · QK = GK · V · c · ρ · 10–6 GJ/a GK = Kühlgradstunden in hK/a nach Tafel 1.1.2-8 Kälteenergie zur Entfeuchtung (Trocknung) Sinngemäß ist die hierfür erforderliche zusätzliche Kühlleistung · Qtr = Gtr · r · V · ρ · 10–6 GJ/a Gtr = Entfeuchtungsgrammstunden in h/a · g/kg nach Bild 1.1.3-4. Nicht enthalten sind in den obigen Zahlen die thermischen Raumlasten (Heizlast) für die Heizung im Winter sowie der Kühlbedarf (die Kühllast) für die Raumkühlung im Sommer. b)Ermittlung der Energiekosten Durch Multiplikation des ermittelten Energie- oder Wasserbedarfes mit den Einheitspreisen errechnen sich die jährlichen Energiekosten. Durch die Liberalisierung des Strommarktes und den regional sehr verschiedenen Kosten für Trinkwasser, sowie der oft vorhandenen Nutzung von Niedertarifwärme (Rücklauf von Fernheiznetzen) für die Lufterhitzung lassen sich äußerst schwer spezifische Ansätze formulieren. Für Überschlags-Berechnungen können angesetzt werden: Elektrischer Strom: 0,08 … 0,13 €/kWh Trinkwasser ohne Abwasser: 1,80 … 2,45 €/m3 (nicht aufbereitet) Kälteenergie 38 … 43 €/MWh Wärmeenergie 23 … 38 €/MWh (nach Tafel 1.11.3-7) Zuschläge für Hilfsenergie, wie Pumpen u. a. sowie Betriebsstoffe erforderlich. 1.11.3-10.3.3 Betriebskosten Sie umfassen im Wesentlichen Bedienung, Wartung und Instandhaltung, Reinigung u. a. Sie liegen in folgender Größenordnung: bei einfachen Anlagen 2 … 4 % bei mittleren Anlagen 4 … 6 % bei techn. hochwertigen Anlagen 6,5 … 8,5 % Abhängig sind diese im Wesentlichen von Qualität des Materials und Nutzungsdauer. Präzisierte Werte für Einzelkomponenten sind in der VDI 2067-1:2000-09 enthalten.1) Ausführliche Beispielrechnungen für unterschiedliche Klimaprozesse enthält VDI 2067-10.2)

1.11.4

Simulation

1.11.4-1

Simulation als planerisches Hilfsmittel

Gebäude hinsichtlich ihres Energiebedarfs, Komforts und ihrer Baukosten zu optimieren, erfordert den Einsatz entsprechender Auslegungshilfen. Mit Einführung computergestützter Hilfsmittel setzt sich die Simulation von technischen Vorgängen als Ergänzung und teilweise schon als Ersatz von klassischen Norm-Rechenvorschriften durch. Ein Gebäudesimulationsprogramm erlaubt es die Komplexität der Wechselwirkungen der inneren und äußeren Einflüsse auf ein Gebäude wie Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind, Verschattung, Nutzerverhalten, innere Wärmequellen, Lüftung usw. realitätsnah mathematisch zu beschreiben und vorherzusagen. Durch Auswertung der Simulationsergebnisse wird es dem Planer ermöglicht, ein Gebäude sowohl in energetischer als auch ökonomischer Sicht zu optimieren. Dies gilt nicht nur für den Entwurf von Neubauten, sondern auch für die Analyse und Optimierung von Bestandsbauten. 1) 2)

VDI 2067 Blatt 1 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung“, 09-2000. VDI 2067 Blatt 10 „Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten“, 09-2013.

1.11.4 Simulation

1.11.4-2

585

Systemtheoretische Grundlagen

Simulation ist die wirklichkeitsnahe Prognose realer zeitdynamischer, technischer Vorgänge mit Hilfe von mathematischen Rechenmodellen und Lösungsverfahren auf einem Computer. Wenn man sich mit Simulation beschäftigt, so ist das Verständnis und die klare Unterscheidung von grundlegenden Begriffen der Systemtheorie Voraussetzung dafür, dass man Simulationswerkzeuge verstehen und für Aufgaben der gebäudetechnischen Planungspraxis Ziel gerichtet und vor allem richtig anwenden kann. Tafel 1.11.4-1 Begriffe der Systemtheorie Begriff

Definition mit Beispiel

Komponente

ist die kleinste geschlossene Einheit als Bestandteil eines Systems. Sie ist durch ein bestimmtes Verhalten charakterisiert, das beispielsweise durch eine Kennlinie zwischen Eingang und Ausgang der Komponente beschrieben werden kann. Die Komponente reagiert auf den Systemzustand und beeinflusst wiederum durch sein Wirken das System.

System

beschreibt eine Menge von Komponenten, zwischen denen bestimmte Beziehungen bestehen. Das System ist dadurch charakterisiert, dass es zwischen den darin zusammengefassten Komponenten Wechselwirkungen gibt. Beispielsweise führt der elektrische Stromverbrauch von Lampen zu einer Erwärmung der Räume und damit zu einer Drosselung der thermostatisch geregelten Heizwärmezufuhr über die Heizkörper. Ein System setzt sich aus einer Vielzahl von Komponenten zusammen. Jede Komponente ist für sich gesprochen wiederum ein eigenständiges Subsystem. Beispielsweise besteht ein Lüftungsgerät aus mehreren Komponenten wie Motor, Ventilator, oder Wärmetauscher. Diese Einzelkomponenten können beliebig in Subsysteme zerlegt werden.

Systemzustand

ist eine Momentaufnahme des messbaren Zustandes des Systems. Abhängig vom Wetter und den Einflüssen von Gebäudenutzern und -technik stellt sich im Gebäudeinneren ein Systemzustand ein, welcher durch messbare physikalische Größen wie Temperatur oder Feuchte der Raumluft beschrieben werden kann. Das Wetter stellt eine Randbedingung dar, der das System „Gebäude“ unterworfen ist.

Systemgrenze

ist die Schnittstelle zwischen dem System und seiner Umgebung. Systemgrenze eines Gebäudes kann die Oberfläche der Außenbauteile sein. Hier erfolgt ein thermischer und hygroskopischer Austausch zwischen dem System „Gebäude“ und dem Wetter. Sie ist oft gleichzeitig die ökonomische Bilanzgrenze beispielsweise zur Bestimmung der Energiekosten.

Zone

ist ein Gebäudeabschnitt, für den homogene Raumzustände gelten. Die Zone kann einen einzelnen Raum, mehrere Räume oder sogar das ganze Gebäude umfassen. Die Zone ist also ein Subsystem des Systems „Gebäude“.

Modell

ist eine mathematische Formulierung zur reproduzierbaren Beschreibung von Prozessen in technischen und natürlichen Systemen. Mathematische Modelle erlauben es, das Verhalten des vom Modell beschriebenen Ausschnittes der Realität und Systemzustände aus vorgegebenen Anfangsbedingungen vorherzusagen. Die Beschreibung erfolgt mit Differentialgleichungen oder Übertragungsfunktionen. Darin fließen Parameter ein, welche die physikalischen Materialeigenschaften in Zahlen fassen, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität oder Dichte eines Baumaterials.

1

586

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

1.11.4-3

Modellierung physikalischer Prozesse

Das Verständnis des Menschen von seiner Umwelt beruht in weiten Bereichen auf Modellen. In den Naturwissenschaften, insbesondere der Physik, wurde die Modellbildung als entscheidender Teil der Gewinnung von Erkenntnissen kultiviert. Für eine Modellierung durchschreitet der Physiker einen Iterationsprozess mit 5 Phasen: – Beobachten eines zeitabhängigen Vorgangs in der Natur, – Nachdenken über das Beobachtete, – Erinnern an ähnliche, schon bekannte Vorgänge, – Bündeln der Erkenntnisse in Form eines Modells des Beobachteten, – Überprüfen des Modells durch Messungen am beobachteten natürlichen Prozess. Träger der naturwissenschaftlichen Erkenntnis sind somit mathematische Modelle, die sich durch Messergebnisse überprüfen lassen. Neben dem Wissen über die verfügbare Technik muss ein Ingenieur das Wirken technischer Komponenten einschätzen und zu einem funktionstüchtigen System komponieren können. Um solche technischen Vorgänge einerseits möglichst genau, andererseits möglichst ökonomisch, d. h. zeitsparend zu modellieren, sind – bezogen auf die Aufgabenstellung – folgende Grundsätze der Modellierung zu beachten: – Gewichtung: Klären, welche Komponenten und Komponenteneigenschaften starken Einfluss auf die Ergebnisse haben und deshalb genügend genau modelliert werden müssen. – Reduktion: Arbeitsumfang durch Entkopplung nicht dringend nötiger Teilaufgaben soweit wie möglich reduzieren. – Entkopplung: So weit betreiben, wie eine getrennte Untersuchung der Teilaufgaben die Gesamtlösung nur unwesentlich verschlechtert.

1.11.4-4

Analogien zur Modellerstellung

Gebäudesimulation beruht darauf, die Geometrie und die physikalische Beschaffenheit eines Gebäudes in ein mathematisches Modell zu übertragen. Einzelne Räume werden als ein räumliches Gitter aufgefasst, dessen einzelne Gitterpunkte Systemkomponenten wie Wände, Fenster, Heizkörper etc. mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (Temperatur, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit usw.) beschreiben. Das thermodynamische Verhalten eines Gebäudes, d. h. die zeitliche Veränderung seiner Leistungsflüsse und Zustände wird durch eine Art elektrisches Netzwerk dargestellt. Tafel 1.11.4-2 Analogien zwischen der Thermodynamik und Elektrodynamik Thermodynamik Systemgröße Temperatur Temperaturdifferenz Wärmestrom Wärme Wärmewiderstand Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Länge Zeit

Elektrodynamik

Symbol Dimension T ΔT dQ/dt Q R

λ

C l t

°C K W Ws K/W W/mK Ws/K m s

Systemgröße Elektrisches Potenzial Spannung Strom Ladung Widerstand Leitfähigkeit Kapazität Länge Zeit

Symbol Dimension

φ

U = Δφ I Q R σ C l t

V V A As Ω 1/m Ω F = As/V m s

Tafel 1.11.4-2 zeigt die Analogien zwischen thermodynamischen Größen der Bauphysik und den Größen eines elektrischen Netzwerkes. So werden beispielsweise der u-Wert einer Wand und die Wärmeübergänge (Konvektion, Strahlung) durch Widerstände, die Wärmekapazität des Wandaufbaus durch Kondensatoren und die Einspeisung von Heiz- oder Kühlleistung durch Stromquellen modelliert. In Bild 1.11.4-1 ist dies am Beispiel des so genannten „Beuken-Modells“ dargestellt, mit dem das thermodynamische Verhalten von Wandaufbauten eines Gebäudes exakt berechnet werden kann.

1.11.4 Simulation

587

1

Bild 1.11.4-1. Elektrisches Ersatzschaltbild der Wände eines Gebäudes (Beuken-Modell).

1.11.4-5

Merkmale von Simulationsprogrammen

Simulationsprogramme unterscheiden sich nicht nur in der Komplexität ihrer verwendeten mathematischen Modelle, sondern auch in der Art, wie beispielsweise die Energiebilanz eines Gebäudes berechnet wird. Man unterscheidet statische Simulation und dynamische Simulation. Statische Simulation berechnet den Energiehaushalt oder die mittlere Innenraumtemperatur eines Gebäudes für den Gleichgewichtszustand zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die DIN- oder VDI-Richtlinien beinhalten solche Berechnungsvorschriften. Die Folge der statischen Betrachtung ist allerdings, dass wegen unzureichender Berücksichtigung von Speichereffekten Anschlussleistungen für Heizung und Kühlung von Gebäuden überdimensioniert und zeitdynamische Überhitzungsprobleme im Sommer nicht erkannt werden. Statisch rechnende Programme sind aber hervorragend geeignet schnell und preiswert eine überschlägige Aussage beispielsweise zu den jährlichen Energiekosten zu treffen. Zur Erschließung von Betriebskosten-Einsparpotenzialen in der zeitabhängigen Betriebsweise technischer Anlagen sind sie jedoch völlig ungeeignet. Dynamische Simulation berücksichtigt hingegen alle zeitlich veränderlichen, d. h. instationären Vorgänge und Zustände eines Zeitraumes, wie z. B. Aufheiz- und Abkühlphasen, wechselnde Wetterbedingungen, unterschiedliche Nutzungsprofile oder das Betriebsverhalten der Anlagentechnik. Sie sind zur Betriebsoptimierung prädestiniert. Hauptunterscheidungsmerkmale der Programme sind neben der Unterscheidung nach statischer und dynamischer Rechenmethode die Art der Gebäudemodellierung und damit die Anzahl der modellierbaren Zonen (Multi-Zonen-Modell). Im einfachsten Fall arbeitet das Programm mit einem Ein-Zonen-Modell, bei dem nur die Gebäudehülle als Wärme übertragende Fläche berücksichtigt und eine mittlere Gebäudetemperatur berechnet wird. Solche Instrumente sind preiswert, schnell zu erfassen und sind für überschlägige Berechnungen wie Wärmebedarfsnachweise vollkommen ausreichend.

588

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Tafel 1.11.4-3 Leistungsfähigkeit statischer und dynamischer Simulationsprogramme Kriterium

Statische DynamiSimulation sche Simulation

Relevant für

Einfluss von Wetter und Nutzung

–

+

Erschließung von Einstellparameter bedingten Potenzialen

Leistungsanschlusswerte

o

+

Dimensionierung, Anschlusskosten

Jahresenergiebedarf

+

+

Arbeitskosten, Amortisation

Investitions- und Betriebskosten

o

+

Systemwahl, Dimensionierung, Energieeinspar-Contracting

Raumtemperaturen

–

+

Grenzsituationen (z.B. Sommerfall), Mitarbeiterproduktivität

Licht- und Luftqualität

–

+

Behaglichkeit, Gesundheit, Mitarbeiterproduktivität

Systemanalysen und -optimierung

o

+

Erschließung von Einstellparameter bedingten Potenzialen

Betriebsoptimierung

–

+

Ermittlung von Reglerparametern zur optimalen Anlagensteuerung

Einarbeitungszeit, Ergonomie, Expertenwissen

+

–/o

Kauf des Programms, Engagement von Experten

Kosten (Anschaffung und Pflege)

+

–

Kauf des Programms, Engagement von Experten

+ gut

o ausreichend

– ungünstig, nicht geeignet

Programme mit Multi-Zonen-Modellen rechnen nicht nur den Energiefluss durch die Außenhülle, sondern beziehen auch interzonale Energieflüsse, d. h. energetische Kopplung einzelner Räume oder Etagen untereinander in die Berechnung ein. Hochwertige Programme erlauben sogar die Berechnung von Luftströmungen und die Luftqualität in jeder Zone. Dazu wird modelltechnisch das Gebäudevolumen in viele kleine Würfel zerlegt, die thermodynamisch und strömungstechnisch untereinander wechselwirken. Jeder Würfel hat eine endliche räumliche Ausdehnung – man spricht von „finiten Elementen“ – und einen homogenen Zustand (Temperatur, Luftfeuchte etc.), der mit einer Differentialgleichung beschrieben werden kann. Benachbarte Würfel können unterschiedliche Zustände einnehmen, so dass man richtungsabhängige Veränderungen, beispielsweise eine 3D-Luftströmung berechnen kann. Solche Modelle sind sehr rechenzeitintensiv: Je geringer die Größe der finiten Elemente desto höher die Präzision der Modellrechnung, desto höher aber auch die Anzahl der zu berechnenden Zustände und damit desto höher die Rechenzeit.

1.11.4-6

Belastbarkeit und Validation von Simulation

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen ist nur insoweit vorteilhaft wie die Berechnungen belastbare, d. h. realitätsnahe Ergebnisse liefern. Die Genauigkeit hängt von einer Vielzahl von Einflüssen ab. Dazu zählen die gewählten Rechenmodelle, der Wetterdatensatz, die Bauteildaten und natürlich die korrekte Bedienung des Programms durch den Ingenieur. Mit heutigen dynamisch rechnenden Gebäudesimulationsprogrammen ist es möglich zwischen Simulationsergebnissen und gemessener Realität eine Deckung von weit über

1.11.4 Simulation

589

90 % zu erzielen. Das schafft Planungssicherheit und Minderung von Investitionsrisiken. In Bild 1.11.4-2 ist exemplarisch der Vergleich von Simulationsergebnissen eines Solarkollektor-Modells mit Messwerten des realen Kollektors illustriert. Für den Temperaturverlauf des Kollektorfluids über einen Tag ist hier die Abweichung kleiner 3 %.

1

Bild 1.11.4-2. Beispiel: Validierung eines Solarkollektor-Modells.

Zur Validation werden international anerkannte Testverfahren (z. B. BESTEST) herangezogen, in denen die Rechenergebnisse verschiedener Programme relativ zueinander, d. h. ohne Messdaten als Bezugspunkt dargestellt werden. Integrale Größen wie z. B. Monats- oder Jahresheizenergie werden bei allen Programmen mehr oder minder genau und nahezu deckungsgleich berechnet. Hingegen offenbart erst die Berechnung von zeitdynamischen Zuständen wie z. B. die Raumtemperatur oder momentane Heizleistung die echte Qualität der verwendeten Rechenmodelle. Je nach Modellierungstiefe und -güte streuen die Ergebnisse von dynamisch rechnenden Simulationsprogrammen untereinander (Bild 1.11.4-3). Diese Tatsache ist relevant für Prognosen in der Planungsphase wie auch zur Betriebsoptimierung mit vorausschauender Wettervorhersage-Steuerung (Abschnitt 1.11.4-10).

Bild 1.11.4-3. Relativer Vergleich von Gebäudesimulationsprogrammen nach BESTEST (hier: Temperatur frei schwingender Raum unter Einfluss solarer Einstrahlung)

590

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

1.11.4-7

Simulation im Planungsablauf

Der Bearbeitungsaufwand ist direkt abhängig von der Wahl der Rechenmethode (statisch, dynamisch, siehe 1.11.4-5) und des Gebäudemodells. Je detaillierter ein Gebäude beschrieben wird (Mehr-Zonen-Modelle) desto größer ist die hierfür einzukalkulierende Bearbeitungszeit. In der Planungspraxis wird man kaum versuchen das gesamte Gebäude mit einer großen Anzahl von Zonen in einem einzigen komplexen Modell abzubilden, da der Eingabeaufwand wirtschaftlich kaum zu vertreten ist und die Rechenzeit exponentiell mit der Anzahl der Zonen ansteigt. Stattdessen empfiehlt es sich das Gebäude in wenige Musterzonen zu zerlegen und für jede Zone ein eigenes Rechenmodell zu erstellen. Dabei gelten die Grundsätze der Modellierung gemäß Abschnitt 1.11.4-3.

Bild 1.11.4-4. Simulation im Planungsprozess

Das Planen gebäudetechnischer Anlagen unter Einsatz von Simulationswerkzeugen gliedert sich gemäß Bild 1.11.4-4 in 4 Phasen: 1. Datenerhebung trägt Baupläne, Bauphysik von Standardbauteilen, typische oder gemessene Lastprofile und Wetterdatensätze zusammen. Ein gutes Simulationsprogramm verfügt über umfangreiche, „per Mausklick“ abrufbare Datensätze. 2. Potenzialdiagnose und Lastermittlung Aus den Bauplänen wird ein Rechenmodell des Gebäudes zunächst ohne technische Gebäudeausrüstung, aber mit internen, nutzungsbedingten Lasten erstellt. Per Simulation werden damit die Anschlusswerte und der theoretische Energiebedarf für Kühlung, Heizung und Lüftung für ein Standard-Betriebsjahr von 365 Tagen ermittelt. Im Falle von Altbauten kann daraus durch Vergleich mit Abrechnungen vergangener Jahre auf das Betriebskosten-Einsparpotenzial geschlossen werden. Die Ergebnisse dieser Simulation spiegeln das theoretische Potenzial bzgl. Anschlusswerte, Energiebedarf und Qualität des Raumklimas wieder, was das Gebäude aufgrund seines Standortes, seiner Nutzung und Bauphysik und einer ideal arbeitenden HLK-Technik im Idealfall zu leisten vermag. 3. Anlagendesign Nach der vorangegangenen Lastbestimmung folgt nun die eigentliche Anlagenplanung. Dazu ergänzt der Ingenieur das Gebäudemodell mit den entsprechenden Modellen von Anlagenkomponenten und der Regelung gemäß seinem favorisierten gebäudetechnischen Konzept.

1.11.4 Simulation

4. Optimierung In einem iterativen Prozess werden die Einstellparameter der Anlagenkomponenten und der Regelung im Rechenmodell optimiert. Mit den per Simulation gefundenen Parameterwerten kann später die reale Anlage gezielt einmalig eingestellt oder sogar mit dem selben Rechenmodell kontinuierlich im Betrieb optimiert werden (Wettervorhersage-Steuerung, siehe Abschnitt Betriebsoptimierung mit WettervorhersageSteuerung (WVS)). Optimierungskriterien sind a. Minimierung der Abweichung der gewünschten Raumzustände von einem SollKlima-Profil, das der Nutzer des Gebäudes für jede Gebäudezone vorgibt, b. Minimierung von Arbeit und Anschlussleistung durch Berücksichtigung der Arbeits- und Leistungspreise des Energieliefervertrages. Die Auswertung aller Simulationsergebnisse führt zu einer Bewertung der verschiedenen Baumaßnahmen und ermöglicht es dem Planer, ein Optimum zwischen Betriebskosten-Einsparung und Kostenaufwand zur Installation und Parametrierung der Anlage zu finden.

1.11.4-8

Simulation zur Betriebsoptimierung

Die Erfahrung lehrt, dass die oft nur einmal, nämlich bei Abnahme der Anlage eingestellten Betriebszeiten, Luftmengen und Wassermassenströme nur selten mit dem tatsächlichen Bedarf korrelieren. Die Folge sind Beschwerden der Gebäudenutzer und teils dramatisch hohe Betriebskosten, die durch korrekte Justierung der Anlagenparameter mit geringem Aufwand spürbar gesenkt werden könnten, ohne sofort Komponenten austauschen und damit große Investitionen tätigen zu müssen. Nach der Philosophie „Optimieren statt investieren“ kann mit Hilfe dynamischer Simulation das in der vorhandenen Technik oft beträchtliche Optimierungspotenzial erschlossen werden, bevor daran gedacht werden muss in Material zu investieren. Dieser eigentlich naheliegenden Arbeitsweise steht leider heute immer noch eine sich am Materialwert orientierende Bezahlung des planenden gebäudetechnischen Ingenieurs nach HOAI kontraproduktiv entgegen.

1.11.4-9

Vorgehensweise zur Betriebsoptimierung mit Simulation

Ähnlich der Anwendung von Simulation im Planungsprozess gemäß Abschnitt 1.11.5.7 durchläuft das Prozedere der Betriebsoptimierung mehrere Schritte: 1. Datenerhebung (siehe Abschnitt 1.11.5.7) 2. Potenzialdiagnose und Lastermittlung (siehe Abschnitt 1.11.5.7) 3. Erweiterung des Rechenmodells um die real vorhandene Anlagentechnik zur mathematischen Abbildung des IST-Zustandes des Gebäudes mit TGA. 4. Kalibrierung des Rechenmodells bedeutet Abgleich der Simulationsergebnisse mit der Realität anhand • Messung der Leistungs-, Massenströme und Raumzustände • Ermittlung der tatsächlichen Nutzungszeiten des Gebäudes und • der aktuell eingestellten Betriebszeiten und Arbeitspunkte der TGA • Energiekostenabrechnungen der vergangenen 2–3 Jahre Dazu werden der modellierte Grundluftwechsel und die thermischen Speichermassen manuell angepasst, bis dass die simulierten mit den gemessenen Werten nach Betrag und zeitlicher Dynamik übereinstimmen. Dies ist das Referenzmodell auf das sich alle weiteren Optimierungsmaßnahmen beziehen. Es spiegelt den tatsächlichen Ist-Zustand des Gebäudes wieder.

591

1

592

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

5. Optimierung Anpassung der im Simulationsmodell verstellbaren Parameter der einzelnen Komponenten, sodass Bedarf und Angebot im Sinne minimaler Betriebskosten aufeinander abgestimmt sind. Dazu werden aus dem Referenzmodell eine oder mehrere Varianten mit veränderten Modellparametern (z. B. veränderte Betriebszeiten, angepasste Luftmengen) abgeleitet. Durch Vergleich der neuen Ergebnisse mit denen des Referenzmodells wird die Wirkung der Maßnahme bewertet. Die Optimierung kann mit praktischer Erfahrung manuell oder mit Hilfe mathematischer Optimierungsverfahren maschinell erfolgen. 6. Betriebsoptimierung des Betriebes Was der Ingenieur in der Planungsphase einmalig per Simulation optimiert hat soll in die reale TGA übertragen werden, so dass der reale Betrieb dem zuvor per Simulation idealisierten Betrieb möglichst nahe kommt. Dazu sind zwei Ansätze zu unterscheiden: • Einmalige Optimierung von fixen Einstellparametern bestehender Anlagen (z. B. hydraulischer Abgleich einer Heizkörperanlage) • Kontinuierliche Optimierung der zeitlich variablen Betriebsweise gebäudetechnischer Anlagen (z. B. tägliche Vorausberechnung der optimalen Betriebsweise mit Wettervorhersage-Steuerung gemäß 1.11.4-10) Idealerweise wird das Simulationsmodell „1 zu 1“ in die Gebäudeautomation übertragen, so dass im logischen Schluss angewandter Simulation die Optimierung im täglichen Betrieb vollautomatisch kontinuierlich wiederholt wird („kontinuierliche Betriebsoptimierung“). Ein solches Verfahren ist zentraler Bestandteil der Wettervorhersage-Steuerung.

1.11.4-10 Betriebsoptimierung mit Wettervorhersage-Steuerung (WVS) Eine konventionelle Regelungstechnik liefert „Wärme auf Vorrat bzw. Bereitschaft“. Nach dem Prinzip „Reaktion“ wird nach momentan gemessenen Zustandswerten (Außen-, Innentemperatur, Luftfeuchte etc.) über geschlossene Regelkreise Wärme, Kälte und Frischluft bereitgestellt. Charakteristik der Regler und Betriebszeiten sind auf den „worst case“ (z. B. kältester Tag im Jahr) statisch eingestellt. Durch harten Preiswettbewerb leidet die Gründlichkeit der korrekten Einstellung der Anlagenparameter im praktischen Betrieb. Konsequenz: die Optimierung sollte automatisiert und im Betrieb kontinuierlich fortgesetzt werden. Mit Wissen der Hauptstörgrößen (Wetter, interne Lasten, Nutzerverhalten) und des thermodynamischen Verhaltens des Gebäudes inklusive seiner TGA können von vorneherein optimale Steuersignale berechnet werden, so dass nicht mehr vor Ort geregelt werden muss. Statt zu „regeln“ wird nur noch „gesteuert“. Regelungstechnik kann in weiten Teilen durch ein dynamisch rechnendes Simulationsmodell ersetzt (Neubau) oder ergänzt werden (Nachrüstung im Bestand). Eine Wettervorhersage-Steuerung (WVS) erlaubt eine energieeffiziente, komfortable Betriebsweise unter Bereitstellung von „Wärme nach Bedarf“. Nach dem Prinzip der „Aktion“ wird aktiv nach vorausberechneten optimalen Steuerwerten nur so viel Wärme, Kälte und Frischluft bereitgestellt wie der Bedarf im Gebäudeinneren verlangt. Eine synchrone Steuerung nach lokal gemessener Außentemperatur oder Raumtemperatur entfällt. Ein solches Konzept ist erst durch die hohe Güte heutiger Wettervorhersagen für 2– 3 Tage im Voraus und die hohe Präzision dynamischer Simulation möglich geworden. Mit einem System gemäß Bild 1.11.4-5 wird täglich für die nächsten 2–3 Tage auf Basis von Wettervorhersagedaten, einem detaillierten Simulationsmodell und vom Nutzer vorgegebenen Randbedingungen eine optimale Steuermatrix vorausberechnet, welche in die TGA des Gebäudes eingekoppelt wird. Die Simulationsmodelle der Wettervorhersage-Steuerung sind idealerweise identisch mit denen, die der Ingenieur in der Planungsphase in seinem Gebäudesimulationsprogramm verwendet hat. Reibungs- und Genauigkeitsverluste zwischen Planung und Realisierung werden somit minimiert. Mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens werden in einer Iterationsschleife für jeden Zeitschritt (z. B. 15 min) Steuersignale ermittelt. Die Iterationsschleife wird abgebrochen, sobald die Abweichung zwischen dem simulierten IST-Zustandswert (z. B. voraussichtliche Raumtemperatur) und dem vorgegebenen SOLL-Zustandswert (z. B. gewünschte Raumtemperatur) unter eine vorgegebene Schwelle (z. B. 2/10 Kelvin) sinkt

1.11.4 Simulation

593

Tafel 1.11.4-4 Vergleich konventionelle MSR-Technik zu WettervorhersageSteuerung Konventionelle MSR-Technik

Wettervorhersage-Steuerung

Wärme auf Bereitschaft

Wärme nach Bedarf

System reagiert auf Basis von Messwerten

System agiert auf Basis Vorausberechnung

Betriebszeiten der HLK-Technik sind statisch eingestellt und stimmen selten mit den tatsächlichen Nutzungszeiten überein

Betriebszeiten der HLK-Technik werden täglich neu berechnet und stimmen somit optimal mit den Nutzungszeiten überein

Unkomfortable Raumzustände durch Überheizung oder Unterkühlung

Stets komfortable Raumzustände durch bedarfsgerechte Konditionierung

Pumpen und Ventilatoren müssen permanent laufen um anhand von Messwerten den Bedarf erkennen zu können.

Pumpen und Ventilatoren laufen nur wenn die Simulation Bedarf voraussagt

erhöhte Arbeits- und Leistungskosten

Reduktion der Arbeits- und Leistungskosten bis > 40 %

reduzierte Lebensdauer der Anlagentechnik durch taktenden Betrieb

erhöhte Lebensdauer der Anlagentechnik durch vorausschauenden Teillastbetrieb

hoher und teurer Aufwand in Installation und Pflege der MSR-Technik

geringer finanzieller Aufwand in Installation und Pflege der MSR-Technik (Simulationsmodell ersetzt Regelungstechnik)

Fehlererkennung in TGA durch Vergleich von Messwerten mit statisch programmierten Grenzwerten

Fehlererkennung in TGA durch Vergleich von Messwerten mit zeitdynamisch simulierten Referenzwerten (Prognosen)

und dies – optional – zusätzlich mit einer minimalen Summe aus Arbeits- und Leistungskosten erzielt wird. Die Iteration wird für jeden Zeitschritt eines in der Zukunft liegenden Zeitintervalls (z. B. die kommenden 2–3 Tage) durchgeführt. Auf diese Weise entsteht je nach Anzahl der zu optimierenden Zonen mittels einiger tausend Simulationen sowohl eine Zeitreihe optimierter Steuersignale (Zuluft-/Vorlauftemperatur, Ventilator-/Pumpenbetrieb) als auch eine Zeitreihe optimierter Zustandssignale des zu erwartenden Raumzustandes (Raumtemperatur, Luftqualität). Ergibt die Vorausberechnung, dass zu bestimmten Zeiten keine Heiz- oder Kühlleistung erforderlich ist, können Hilfsaggregate wie Pumpen oder Ventilatoren gedrosselt oder sogar ganz ausgeschaltet werden. Eine WVS senkt somit nicht nur die Kosten für thermische Energie, sondern zusätzlich auch die Kosten für elektrische Hilfsenergie. Dieser Aspekt ist insbesondere für den elektrisch energieintensiven Transport von Wärme und Kälte über Lüftungsanlagen attraktiv. Wegen der Rechenintensität einer kontinuierlichen Betriebsoptimierung mittels WVS ist die Bündelung der Rechenleistung in einem Rechenzentrum sinnvoll. Somit sind die spezifischen Kosten pro gesteuerte Zone minimal, eine Wartung vor Ort entfällt und die Bedienung kann ohne herstellerspezifische Software auf einem beliebigen internetfähigen PC via Internet-Browser erfolgen. Der Aufwand vor Ort reduziert sich auf die Installa-

1

594

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

Bild 1.11.4-5. Betriebsoptimierung mit Wettervorhersage-Steuerung (WVS)

tion eines Koppelgerätes. Die im Rechenzentrum berechneten Steuersignale werden asynchron zum laufenden Betrieb per Modem- oder DSL-Kommunikation zum Interface vor Ort übertragen. Im 15-min-Raster erhält die örtliche Gebäudeleittechnik aus dem Koppelgerät die berechneten Sollwerte der einzelnen HLK-Kreise. In umgekehrter Richtung werden die Messwerte der zuvor berechneten Zustände im laufenden Betrieb von dem Koppelgerät protokolliert und zwecks Visualisierung und Fehlerkorrektur beim nächsten Anruf zum Rechenzentrum übertragen. Nicht nur im Betrieb hat eine Wettervorhersage-Steuerung Kostenvorteile, sondern auch in den Investitionskosten: die Anzahl der konventionellen Regler in Schaltschränken kann reduziert werden, da sie in weiten Teilen durch Simulationsmodelle im Optimierungsprozess ersetzt werden. Eine WVS ist prädestiniert für – alle wetterabhängigen Energieprozesse (Gebäude, Industrie), – Fernwärme- und Fernkältesysteme mit hohen Anschlusskosten (Lastspitzen werden durch vorausschauende Fahrweise gekappt), – Anlagenbetrieb im Rahmen von Contracting-Verträgen (Begrenzung der freigegebenen Heiz- oder Kühlleistung, damit Reduktion des Nutzereinflusses auf die Energiekosten, deutliche Senkung des Betriebskostenrisikos für den Betreiber), – Bauteilaktivierung moderner Bürogebäude (Komfortsteigerung durch Kompensation der Trägheit bei Wetterwechseln) – Aktivierung der Bausubstanz als thermischer und elektrischer Energiespeicher (z. B. für Abwärme von BHKW mit elektrischer Netzeinspeisung als sogenannte „Minutenreserve“)

1.11.4-11 Hemmnisse zum Einsatz von Simulation Für den breiten Einsatz von Simulationsprogrammen zur Gebäudeoptimierung ergeben sich mehrere Hemmnisse: – Kosten: Leistungsfähige Programme sind teuer, da sie von Spezialisten für Spezialisten in kleinen Stückzahlen entwickelt und vertrieben werden. Somit kommen sie oft nur in größeren Planungsbüros oder speziellen Beratungsbüros zum Einsatz. Aufgrund ihrer Komplexität müssen sie intensiv studiert werden, bevor sie durch Experten angewandt werden können. Somit lohnt sich nicht an jedem Objekt der Einsatz einer detaillierten Gebäudeanalyse per Simulation. – Honorarordnung Die Optimierung eines Gebäudes und seiner technischen Ausrüstung mit Hilfe von dynamischer Simulation kann daran scheitern, dass ein Konflikt zwischen den Interessen des Investors bzw. Bauherrn und denen des planenden, gebäudetechnischen In-

1.11.5 Raufmlufthygiene und Hygiene-Anforderungen an Rauflufttechnische Anlagen und Geräte

595

genieurs entsteht. Der Investor strebt geringe Investitions- und Betriebskosten an, der planende Ingenieur favorisiert die Installation aufwändiger Technik, sofern seine Bezahlung sich nach HOAI und damit am Umsatz orientiert. – Akzeptanz des Bauherrn Beispielhaft dafür ist die wohl am häufigsten gestellte Frage bei Beratungsgesprächen: „Stimmt das denn auch alles, was da berechnet wird?“ Hier lehrt die Praxis, dass die Fehler, die durch Einsatz dynamischer Simulation gemacht werden, wesentlich geringer sind, als solche, die ohne den Einsatz der Gebäudesimulation entstünden. Grund dafür ist die realitätsnahe zeitdynamische Betrachtung. – Akzeptanz des Architekten Architekten sehen sich oftmals durch Einsatz dynamischer Simulation in ihrer künstlerischen Gestaltungsfreiheit eingeengt, da die Simulation beispielsweise extreme sommerliche Raumtemperaturen für eine aus der Sicht des Architekten ästhetisch gelungenen Glasarchitektur voraussagt. Dass dies nicht der Fall sein muss, zeigen realisierte Objekte, die nach Optimierung mittels dynamischer Simulation Ästhetik und Funktionalität miteinander verbinden. Hierzu ist aber „Teamwork“ erforderlich: statt klassisch sequenziell hintereinander zu arbeiten müssen alle an der Planung des Bauobjektes beteiligten Fachdisziplinen von Anfang an vernetzt, d. h. parallel und gleichberechtigt in einem Team zusammenarbeiten. – Ergonomie Die Bedienung und der Arbeitskomfort der Simulationsprogramme ist oftmals selbst für den erfahrenen Anwender mit großen Problemen behaftet. Hierzu zählt der hohe Zeitaufwand für die Eingabe der Gebäudedaten, fehlende oder komplizierte Schnittstellen für den Datenaustausch (z. B. zum Einspielen von Messdaten) oder die fehlende Möglichkeit einer auch für den Laien verständlichen Visualisierung der berechneten Ergebnisse. Allerdings hat sich in den vergangenen 15 Jahren eine rasante Entwicklung zu intuitiven grafischen Programmoberflächen vollzogen.

1.11.5

Raumlufthygiene und Hygiene-Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte nach VDI 60221)

Raumluft ist Umgebung und Lebensmittel für Menschen in Räumen zugleich. Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) für Aufenthaltsräume dienen in erster Linie dem Hygiene-Bedürfnis nach Sicherung einer gesundheitlich zuträglichen Raumluft2), der Atemluft für die Raumnutzer. Die Sicherung der thermischen Behaglichkeit steht an zweiter Stelle, da diese in vielen Fällen durch andere Maßnahmen effektiver erreicht werden kann. Allein die Anwesenheit von Personen im Raum führt zu steigenden CO2Konzentrationen, zu steigenden Luftfeuchten und Lufttemperaturen im Raum und bei Raucherlaubnis zur Zunahme der Feinstaub-Konzentration PM2,5. Möbel, Fußbodenbeläge oder bestimmte Prozesse im Raum können die Raumluft neben weiteren inneren und äußeren Lasten zusätzlich mit Schadstoffen/-gasen belasten. Nicht immer entspricht die vorhandene Außenluft den Anforderungen nach gesundheitlich zuträglicher Atemluft (z. B. ODA 3 nach DIN EN 137793)). Deshalb wurde erstmals in der VDI 6022 Blatt 1 Ausgabe 2006 als Ziel-Qualität für die Zuluft an Stelle der bisher verwendeten Außenluft eine Vergleichsluft definiert und eingeführt. Bei zentralen RLT-Anlagen wird damit eine gesundheitlich zuträgliche Außenluft (ODA 1) als Zuluft gefordert. Wie viele Untersuchungen und Veröffentlichungen (siehe Keune4)) gezeigt haben, garantiert nicht jede RLT-Anlage, dass die von der Anlage angesaugte Luft mit gleicher oder ausreichender Hygiene-Qualität als Zuluft im Raum ankommt. Ungeeignete Luftfilter, Befeuchtungseinrichtungen, Schalldämpfer und Luftleitungen und/oder deren unsachgemäßer Betrieb bzw. mangelnde Wartung stellen die Hauptquellen möglicher Luftverschlechterungen dar. Deshalb musste eine hygienebewusste Planung, Errichtung, Instandsetzung 1) 2) 3) 4)

Bearbeitet für die 77. Auflage von Dr. Ing. Achim Keune, Hamburg Siehe ArbStättV und Technische Regeln für Arbeitsstätten ASR A3.5 vom Juni 2010 und ASR A3.6 vom Januar 2012. DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“, 09-2007 — Ersatz der DIN 1946-2. Achim Keune: Innenraumluftqualität und Hygiene-Anforderungen an die Raumlufttechnik – Kommentar zu VDI 6022 und VDI 6032. Beuth Verlag, Berlin 2008.

1

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1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

und ein hygienebewusster Betrieb aller RLT-Anlagen für Aufenthaltsräume (gleichgültig ob in Wohn-, Nichtwohngebäude oder Fahrzeugen zur Personenbeförderung) eingeführt und durchgesetzt werden. Die VDI 6022 Blatt 11) formuliert die Forderungen für RLT-Anlagen in Gebäuden, dagegen die VDI 6022 Blatt 22) gleiches für Fahrzeuge zur Personenbeförderung (früher VDI 6032). Diese Richtlinien sind seit dem erstmaligen Erscheinen zum allgemein anerkannten Stand der Technik geworden. Auf die Einhaltung der VDI 6022 verweist auch die VOB Teil C. Um alle Hygiene-Richtlinien für die Raumlufttechnik zu bündeln, erscheinen seit wenigen Jahren diese alle als Blätter der VDI 6022. Derzeitig sind folgende Blätter der VDI 6022 erschienen: VDI 6022 Blatt 1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln)“, 07-2011 VDI 6022 Blatt 1.1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte – Prüfung von Raumlufttechnischen Anlagen“, 08-2012 VDI 6022 Blatt 1.2 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte – Hinweise zu erdverlegten Komponenten (VDI-Lüftungsregeln)“, 06-2014 VDI 6022 Blatt 1.3 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte – Sauberkeit von luftführenden Oberflächen (VDI-Lüftungsregeln)“, 08-2015 VDI 6022 Blatt 2 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Lüftungstechnik in Fahrzeugen“, 04-2014 (Entwurf) VDI 6022 Blatt 3 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Beurteilung der Raumluftqualität“, 07-2011 VDI 6022 Blatt 4 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Qualifizierung von Personal für Hygienekontrollen, Hygieneinspektionen und die Beurteilung der Raumluftqualität“, 08-2012 VDI 6022 Blatt 4.1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Qualifizierung von Personal für Hygienekontrollen, Hygieneinspektionen und die Beurteilung der Raumluftqualität – Nachweis der Qualifizierung in Schulungskategorie A und B“, 03-2014 VDI 6022 Blatt 6 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Luftbefeuchtung über dezentrale Geräte – Planung, Bau, Betrieb, Instandhaltung“, 12-2013 VDI 6022 Blatt 7.1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Branchenspezifische Leitfäden – Abfallbehandlungsanlagen“, 10-2013. In aktueller Bearbeitung ist noch: VDI 6022 Blatt 5 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Vermeidung allergener Belastungen – Anforderungen an die Prüfung, Bewertung und Zertifizierung von technischen Geräten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluft“ (früher die VDI 60333)). Das Hygienemanagement in der Gebäudetechnik setzt Hygiene-Forderungen effektiv um. Dabei muss das Hygienemanagement ebenso wie das Energiemanagement als kontinuierlicher Prozess beginnend mit der Planung berücksichtigt werden. Schon in der Planung ist darauf zu achten, dass nur Anordnungen und Verfahren gewählt werden, die später, gegebenenfalls im Zusammenhang mit den zu wählenden Wartungs- bzw. Reinigungsverfahren, eine kontinuierliche hygienegerechte Nutzung der RLT-Anlage ermöglichen. Die gesundheitliche Unbedenklichkeit muss stets gewahrt bleiben. Die Beachtung der Hygiene-Aspekte beginnt bei der richtigen Anordnung und Dimensionierung der Außenluftansaugung und des Fortluftauslasses bis hin zur Fest-

1) 2) 3)

VDI 6022 Blatt 1 „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln)“, 07-2011. VDI 6022 Blatt 2 (Entwurf) „Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygiene Anforderungen an Lüftungstechnik in Fahrzeugen“, 04-2014. VDI 6033 „Vermeidung allergener Belastungen; Anforderungen an die Prüfung, Bewertung und Zertifizierung von technischen Produkten und Komponenten mit Einfluss auf die Atemluftqualität“, 10-2007.

1.11.5 Raufmlufthygiene und Hygiene-Anforderungen an Rauflufttechnische Anlagen und Geräte

legung der Wartungs- bzw. Reinigungsverfahren. Die Überlegungen in der Planung, warum aus hygienegerechter Sicht diese oder jene Festlegung getroffen wurde, sind in jedem Fall zu dokumentieren. Bei der Konstruktion und Herstellung der Bauteile einer RLT-Anlage ist schwerpunktmäßig auf die Luftdichtheit der verwendeten Komponenten und die Verwendung von Materialien und Strömungsprofilen zu achten, welche die Ansiedelung von Schmutz oder Keimen vermeiden und nicht selbst Quelle einer Luftverschlechterung werden können. Die Zugänglichkeit zu den Einbauteilen der einzelnen Komponenten sowie deren Reinigung muss möglichst leicht und vollständig möglich sein. Die Bedeutung einer zweckmäßig ausgewählten und angeordneten Luftfilterung, die Auswahl und Anordnung einer geeigneten Luftbefeuchtung sowie die Zugänglichkeit aller luftführenden Flächen muss den richtigen Stellenwert schon in der Planungsphase erhalten. Dabei sind die Qualität und der Verwendungszweck der Luft von entscheidender Bedeutung. Sekundärluft (Definition und Abgrenzung zur Umluft siehe EN 127921)) bedarf z. B. nur dann einer Luftfilterung, wenn die Luftreinheit verbessert werden soll. Umluft dagegen muss mindestens M 5 und Mischluft aus Außen- und Umluft mindestens F 7, besser F 9 gefiltert sein. In Doppelböden geführte Außenluft muss z. B. zwingend mit F 9 gefiltert sein. Stark verunreinigte Abluft, wie aus einigen Gewerbe- und Produktionsbetrieben, muss, soweit deren Verwendung überhaupt zulässig ist, mit entsprechenden speziellen Abscheidetechniken gereinigt werden. Detaillierte Angaben zur Luftfilterung sind in VDI 38032) zu finden. In der Ausführungs- bzw. Errichterphase beginnt das Hygienemanagement mit einem hygienegerechten Baustellenmanagement. Die Anlieferung und Lagerung aller Komponenten einer RLT-Anlage (hier sollen beispielhaft die Luftleitungen genannt werden) muss so erfolgen, dass die luftführenden Oberflächen nicht verschmutzen, andernfalls müssen sie vor der Einbringung gründlichst gereinigt werden. Die Abnahme muss die Kontrolle zur Einhaltung der Forderungen nach VDI 6022 einschließen. Die Ausführungen der VDI-Richtlinien zur Planung und Errichtung gelten als allgemein anerkannte Regeln der Technik für Anlagen im Bestand (Altanlagen vor dem Erscheinen der zutreffenden VDI). Häufig lassen sich jedoch alle Forderungen nachträglich nicht oder schwer realisieren. In solchen Fällen sind nach einer Risikoanalyse gegebenenfalls die Maßstäbe für die Betreiber-/Wartungsphase zu erhöhen und/oder ein Stufenplan zur Umsetzung notwendiger Maßnahmen durchzusetzen, um trotz der noch vorhandenen Mängel für eine hygienegerechte Nutzung Vorsorge treffen zu können. Gesundheitliche Beschwerden führen zur Aufhebung eines Bestandschutzes. Die DIN EN ISO 7730, die DIN EN 15251 und die DIN EN 13779 definieren jeweils nach ihren Inhalten verschiedene Raumluftqualitäten, dort als Raumluftkategorie bezeichnet. So berücksichtigt die DIN EN ISO 7730 nur die thermische Behaglichkeit, die DIN EN 13779 nur die Größe des Außenluftvolumenstromes (ohne Rücksicht auf deren Qualität) und die DIN EN 15251 kombiniert diese beiden Maßstäbe. Die VDI 6022 Blatt 3 (07/2011) bewertet die Raumluftqualität nach den im Raum erreichten Luftinhaltsstoffen und berücksichtigt damit alle Einflussfaktoren wie Zuluftqualität, Zuluftvolumenstrom und Raumluftströmung. Die Messergebnisse sind mit den in der genannten VDI definierten Beurteilungswerten zu vergleichen. Zur Durchsetzung der Forderung der ArbStättV und der Technischen Regeln für Arbeitsstätten wurde die Ausbildung zum „VDI-geprüften Fachingenieur RLQ“ in VDI 6022 Blatt 4 konzipiert, die erstmals im Herbst 2012 durchgeführt wurde. Details zur Ausbildung und Zertifizierung zum „VDI-geprüften Fachingenieur RLQ“ können beim VDI-GBG erfragt werden. Für die Betreiber-/Wartungsphase enthält die VDI 6022 sowie der Kommentar3) zu diesen Richtlinien umfangreiche Checklisten mit den wichtigsten durchzuführenden Kontroll-, Inspektions- und Wartungsarbeiten und deren konkreten Zyklen. Dabei unterscheidet man zwischen in kurzen Zeitabständen durchzuführenden Hygienekontrollen und den Hygieneinspektionen. Die Hygiene-Erstinspektion ist fällig mit der Abnahme und wird von gewissenhaften Gebäudemanagementfirmen bzw. Serviceunternehmen 1) 2) 3)

DIN EN 12792 „Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und grafische Symbole“, 01-2004 — Ersatz der DIN 1946-1. VDI 3803 Blatt 4 „Raumlufttechnik, Geräteanforderungen – Luftfiltersysteme (VDI-Lüftungsregeln)“, 09-2012. Keune, A.: Innenraumluftqualität und Hygiene-Anforderungen an die Raumlufttechnik – Kommentar zu VDI 6022 und VDI 6032. Beuth Verlag, Berlin 2008.

597

1

598

1. Grundlagen / 1.11 Planerische Grundlagen

spätestens bei Auftragsbeginn durchgeführt. Die Hygiene-Erstinspektion kann erstmals nach VDI 6022 Blatt 1.1 freiwillig zur „Zertifizierung der RLT-Anlage nach VDI 6022“ genutzt werden, wenn diese von einem „VDI-geprüften Fachingenieur RLQ“ durchgeführt wird. Diese Prüfung/Zertifizierung ist qualitativ nicht vergleichbar mit den vorher in der Praxis leider üblichen Baumusterprüfungen der einzelnen Komponenten. Die Prüfung erfolgt stets an der realisierten RLT-Anlage und erfordert vom Prüfer die Mindest-Qualifizierung zum „VDI-geprüften Fachingenieur RLQ“. Die Wiederholungs-Hygieneinspektionen werden bei RLT-Anlagen für Gebäude in 2- bzw. 3-jährigem Abstand durchgeführt. Der 2-jährige Zyklus gilt dabei für RLT-Anlagen mit Luftbefeuchtung. Seit dem erstmaligen Erscheinen der VDI 6022 wurden über 20.000 Ingenieure, Techniker, Meister und Facharbeiter nach VDI 6022 in Hygiene-Fragen der Lufttechnik geschult. Die Hygiene-Qualität vieler RLT-Anlagen konnte so entscheidend verbessert werden. Die VDI 6022 formuliert, welche Qualifikationen und Erfahrungen die Referenten/Trainer und der zu Schulende haben muss sowie welche Themen mit welchem Inhalt und Zeitumfang abzuhandeln sind. Nunmehr unterscheidet man je nach Einsatz des Personals vier verschiedene Qualifikationsarten (VDI-geprüfter Fachingenieur RLQ, A- oder B-Urkunde sowie die C-Unterweisung). Eine Teilnahmebescheinigung berechtigt nicht zur Durchführung von Hygienekontrollen oder -inspektionen.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

1.12

599

Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz1)

1.12.1

Winterlicher Wärmeschutz

1.12.1-1

Allgemeines

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Der winterliche Wärmeschutz hat die Aufgabe – die Wärmeverluste eines Gebäudes in der kalten Jahreszeit und damit dessen Energieverbrauch und die damit verbundenen Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten – die Grundlage für behagliche Verhältnisse in Gebäuden zu schaffen – die Baukonstruktion vor Schäden zu bewahren. Die Wärmeverluste setzen sich aus Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten zusammen. Durch die Nutzung von Solarenergie durch bauliche Maßnahmen (passive Solarenergienutzung) können insbesondere die Transmissionswärmeverluste, aber auch Lüftungswärmeverluste gemindert werden. Durch die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlungsintensität, der Außenluft- und Innenlufttemperatur stellen sich stets instationäre Temperatur- und Wärmestromverhältnisse in Bauteilen ein, so dass auch die Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile zur Wirkung gelangt.

1.12.1-2

Transmissionswärmeverluste

Die Transmissionswärmeverluste eines ebenen Außenbauteils betragen pro K Temperaturdifferenz HT =

 Fi ⋅ Ui ⋅ Ai +  Fj ⋅ Ψj ⋅ lj +  Fk ⋅ χk i

j

k

mit F U A l

– Temperatur-Korrekturfaktor des Bauteils oder der Wärmebrücke W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils m2 Fläche des Bauteils m Länge der linearen Wärmebrücke ψ W/(mK) längenbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizient χ W/K punktförmiger Wärmebrückenverlustkoeffizient Die gem. DIN 4108-62) anzusetzenden Temperatur-Korrekturfaktoren F bzw. Fx sind in Tafel 1.12.1-1 wiedergegeben. Tafel 1.12.1-1 Rechenwerte für Temperatur-Korrekturfaktoren Fa) 1

2

3

Fx

Temperatur-Korrekturfaktor Fx b)

1 Außenwand, Fenster, Decke über Außenluft

Fe

1,0

2 Dach (als Systemgrenze)

FD

1,0

3 Dachgeschossdecke (Dachraum nicht ausgebaut)

FD

0,8

4 Wände und Decken zu Abseiten (Drempel)

Fu

0,8

Wärmestrom nach außen über

1) 2)

Ergänzungen für die 78. Auflage von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel. DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2004.

1

600

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Tafel 1.12.1-1 Rechenwerte für Temperatur-Korrekturfaktoren Fa) (Forts.) 1

2

3

Fx

Temperatur-Korrekturfaktor Fx b)

5 Wände und Decken zu unbeheizten Räumen

Fu

0,5

6 Wände u. Decken zu niedrig beheizten Räumen c)

Fnb

0,35

Fu Fu Fu

0,8 0,7 0,5

Wärmestrom nach außen über

Wände und Fenster zu unbeheiztem Glasvorbau bei einer Verglasung des Glasvorbaus mit: 7 – Einfachverglasung 8 – Zweischeibenverglasung 9 – Wärmeschutzverglasung

B’ d) [m]

Bauteile des unteren Gebäudeabschlusses

10

Rf bzw. Rwe)

Rf bzw. Rwe)

Rf bzw. Rwe)

≤1

>1

≤1

>1

≤1

>1

Flächen des beheizten Kellers 10 – Fußboden des beheizten Kellers FG = Fbf 0,30 0,45 0,25 0,40 0,20 0,35 11 – Wand des beheizten Kellers FG = Fbw 0,40 0,60 0,40 0,60 0,40 0,60 12 Fußboden f) auf dem Erdreich ohne Randdämmung Fußboden f) auf dem Erdreich mit Randdämmung g) 13 – 5 m breit, waagerecht 14 – 2 m tief, senkrecht

FG = Fbf 0,45 0,60 0,40 0,50 0,25 0,35

FG = Fbf FG = Fbf

0,3 0,25

0,25 0,20

0,20 0,15

15 – zum unbeheizten Keller mit Perimeterdämmung 16 – zum unbeheizten Keller ohne Perimeterdämmung

FG

0,55

0,50

0,45

FG

0,70

0,65

0,55

17 Aufgeständerter Fußboden

FG

0,9

18 Bodenplatte von niedrig beheizten Räumen c)

FG

0,20 0,55 0,15 0,50 0,10 0,35

Kellerdecke und Kellerinnenwand:

a

) DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 03-2004. Die Werte (außer Zeile 6 und 12–14) gelten analog auch für Flächen niedrig beheizter Räume. Räume mit Innentemperaturen zwischen 12 °C und 19 °C; B’ = AG / (0,5 P) nach Gleichung (E.3 in DIN V 4108-6); ) Rf: Wärmedurchlasswiderstand der Bodenplatte (betrifft Zeile 10, 12, 18) bzw. Rw: Wärmedurchlasswiderstand der Kellerwand (betrifft Zeile 11); ggf. flächengewichtete Mittelung von Rf und Rw (betrifft Zeile 10,11); f ) Bei fließendem Grundwasser erhöhen sich die Temperatur-Korrekturfaktoren um 15 %; g ) Bei einem Wärmedurchlasswiderstand der Randdämmung > 2 m2K/W; Bodenplatte ungedämmt, siehe auch Bild B.1 bis B.3 in DIN EN ISO 13370:2008-04. b ) c ) d) e

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

601

Der Wärmedurchgangskoeffizient U (früher k-Wert) rechnet sich aus 1 U = -------------------------------------d R si +  ----j + R se j

λj

mit Rsi (m2 K/W) Wärmeübergangswiderstand innen Rse (m2 K/W) Wärmeübergangswiderstand außen d m Dicke der Schicht j λ W/(mK) Wärmeleitfähigkeit der Schicht j Die Wärmeübergangswiderstände werden im Zuge der europäischen Normung mit R bezeichnet und können für Bauteile gegen Außenluft Tafel 1.12.1-2 entnommen werden. Die Wärmeleitfähigkeit λ von Baustoffen ist primär von deren Rohdichte, aber auch von deren Feuchtegehalt und Temperatur abhängig, wie es in Bild 1.12.1-1 bis Bild 1.12.1-4 gezeigt wird. Berechnungen zum wärmeschutztechnischen Nachweis sind die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit gem. DIN V 4108-4 zugrundezulegen.1) Tafel 1.12.1-2 Wärmeübergangswiderstände R*) Wärmeübergangswiderstand

Richtung des Wärmestroms aufwärts

horizontal

abwärts

0,10

0,13

0,17

0,04

0,04

0,04

2

innen Rsi = 1/hi [m K/W] 2

außen Rse = 1/he [m K/W] *)

DIN EN ISO 6946: 2008-04: Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient.

Bild 1.12.1-1. Wärmeleitfähigkeit λ lufttrockener Baustoffe (Durchschnittswerte), abhängig von der Rohdichte.

Bild 1.12.1-2. Wärmeleitfähigkeit λ von Faserdämmstoffen in Abhängigkeit von der Rohdichte.

*) Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

*) Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

1)

DIN V 4108-4 „Wärmeschutz im Hochbau. Wärme- und feuchteschutztechnische Kennwerte“, 02-2013.

1

602

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Bild 1.12.1-3. Wärmeleitfähigkeit λ von Schaumstoffen in Abhängigkeit von der Materialtemperatur. Schaumglas: ρ = 156 kg/m3; Polystyrol-Hartschaum: ρ = 20 kg/m3.

Bild 1.12.1-4 Wärmeleitfähigkeit λ verschiedener Baustoffe, abhängig vom volumenbezogenen Feuchtegehalt.

*)

*)

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

Die Definition der Wärmebrückenverlustkoeffizienten Ψ (auch längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient genannt) sowie deren Umrechnung von Innen- auf Außenmaßbezug geht aus Bild 1.12.1-5 hervor. Die dort genannte Gleichung aufgelöst führt zu dem Ergebnis

Ψa = Ψo + Ψu – U · s Die detaillierte Bestimmung von HT ist für den in Bild 1.12.1-6 dargestellten Raum mit den Bauteilanschlüssen gem. Bild 1.12.1-7 in Tafel 1.12.1-3 vorgenommen. Ψ- und χWerte siehe 1)2)3), wobei dort für Ψ die Abkürzung WBV und für χ die Abkürzung WBVp Verwendung findet. Ψ-Werte für umfangreiche Parametervariationen aller Musterlösungen gem. Beiblatt 2 zu DIN 41084) siehe 5). Aus den temperaturspezifischen Transmissionswärmeverlusten lassen sich, je nach Bilanzierungszeitraum, entweder über Gradtagzahlen die jährlich, oder über die anliegenden Temperaturdifferenzen und Zeiträume monatlich auftretenden Transmissionswärmeverluste bestimmen.

1) 2) 3) 4) 5)

Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. 3., durchgesehene Auflage, Bauverlag, Wiesbaden 1996. Hauser, G.: Auskragende Balkonplatten bei wärmeschutztechnischen Sanierungen. Bauphysik 13 (1991), Nr. 9, S. 144–150. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992. DIN 4108 Beiblatt 2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele“, 03-2006. Hauser, G.; Stiegel, H.; Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. 1. überarbeitete Fassung, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal 2002.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

603

1

Bild 1.12.1-5. Definition der Wärmebrückenverlustkoeffizienten Ψ.

Bild 1.12.1-6. Gebäudeschnitt mit den in Bild 1.12.1-7 dargestellten Anschlussdetails mit Angabe der Ψ- und χ-Werte (linke Bildhälfte) und der f-Werte (rechte Bildhälfte). Rechengang; s. Tafel 1.12.1-3.*) *)

Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992.

604

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Tafel 1.12.1-3 Berechnung der spezifischen Transmissionswärmeverluste HT des in Bild 1.12.1-6 dargestellten Raums; Bauteilanschlüsse gemäß Bild 1.12.1-7*) Rechengang Eindimensionelle Betrachtung

W/K

%

 ( Ui ⋅ Ai ) i

0,30 W/(m2K) · 5,77 m2+2,6 W/(m2K) · 3,28 W/m2

10,26

89,9

1,16

10,2

–0,002

–0,02

11,42

100,0

 ( Ψi ⋅ li ) i

Linienförmige Wärmebrücken

+0,070 W/(mK) · 3,62 m+0,162 W/(mK) · 3,62 m +2 · 0,026 W/(mK) · 2,5 m+0,034 W/(mK) · 2,42 m +0,027 W/(mK) · 2,42 m+2 · 0,016 W/(mK) · 1,355 m

 ( x p, i ) i

Punktförmige Wärmebrücken

+2 · (0,009) W/K+2 · (0,021 W/K +2 · (–0,018) W/K+2 · (–0,013 W/K

Summe *)

Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992.

Tafel 1.12.1-4 Luftwechselzahlen in Abhängigkeit von der Fensterstellung*) Fensterstellung Fenster zu, Türen zu Fenster gekippt, Rolladen zu Fenster gekippt, kein Rolladen Fenster halb offen Fenster ganz offen Fenster und Fenstertüren ganz offen (gegenüberliegend)

Luftwechsel n (h–1) 0 bis 0,5 0,3 bis 1,5 0,8 bis 4,0 5 bis 10 9 bis 15 etwa 40

*) Gertis, K.; Hauser, G.: Energieeinsparung durch Stoßlüftung? HLH 30 (1979), Nr. 3, S. 89–93.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

605

1

Bild 1.12.1-7. Darstellung der Anschlussdetails, welche dem Gebäudeschnitt in Bild 1.12.1-6 zugrunde liegen. *)

Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992.

1.12.1-3

Lüftungswärmeverluste

Die spezifischen Lüftungswärmeverluste eines Raumes betragen pro K Temperaturdifferenz · Hv = V · c · ρLuft mit · (m3/h) Luftvolumenstrom V (c · ρ)Luft Wh/(m3K)) volumenbezogene Wärmekapazität der Luft · Statt des Volumenstroms V wird zur Kennzeichnung meist der Luftwechsel n · n = V /V mit V m3 belüftetes Volumen

606

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

herangezogen. n variiert je nach Nutzerverhalten, meteorologischen und raumklimatischen Randbedingungen und Gebäudedichtheit. Häufig wird der Gesamtluftwechsel in einen –Ventilationsanteil nV und einen –Infiltrationsanteil ni aufgesplittet. Größenordnungen für den Gesamtluftwechsel bei unterschiedlichen Fensterstellungen enthält Tafel 1.12.1-4. Der Luftvolumenstrom über ein Fenster lässt sich für den Fall der einseitigen Lüftung mit 1 2 · V = 3600 ⋅ -- ⋅ A l ⋅ Φ ⋅ C 1 ⋅ u + C 2 ⋅ H ⋅ Δθ + C 3 2 mit Al

Φ

C1,C2,C3 u H

Δθ

m2 die lichte Öffnungsfläche des Fensters – das Durchflussverhältnis –, m/(s2K), m2/s2 Koeffizienten m/S Windgeschwindigkeit m Höhe der lichten Fensteröffnung K Temperaturdifferenz innen/außen

berechnen.1) Für übliche Dreh-/Kippfenster können als Koeffizienten folgende Werte in Ansatz gebracht werden: C1 = 0,0056; C2 = 0,0037 m/s2K; C3 = 0,012 m2/s2. Das Durchflussverhältnis ist abhängig der Fensteröffnungsweite und nimmt Werte gemäß Tafel 1.12.1-5 an. Tafel 1.12.1-5 Durchflussverhältnisse Φ in Abhängigkeit von der Fensteröffnungsweite*) Kippfenster

*)

Drehfenster

Öffnungsweite (cm)

Φ [–]

Öffnungsweite

Φ [–]

2 4 6 8 10 12 14

0,0715 0,0943 0,1204 0,1426 0,1752 0,2036 0,2172

5 cm 10 cm 15 cm 45 ° 90 °

0,1948 0,2890 0,3850 0,8208 1

Maas, A.: Experimentelle Quantifizierung des Luftwechsels bei Fensterlüftung. Dissertation, Universität Gesamthochschule Kassel, 1995.

Ist aus einer Dichtheitsprüfung der n50-Wert bekannt, kann bei reiner Fensterlüftung (ohne Außenluftdurchlässe) für die Heizperiode ein mittlerer Infiltrations-Luftwechsel aus folgender Gleichung gewonnen werden2)

·

Vx = n50 · e

1) 2)

Maas, A.: Experimentelle Quantifizierung des Luftwechsels bei Fensterlüftung. Dissertation, Universität Gesamthochschule Kassel, 1995. DIN V 18599-2 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen“, 12-2011.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

607

mit h–1 Luftwechsel bei 50 Pa Druckdifferenz n50 e – Volumenstromkoeffizient, Standardwert e = 0,07 Für die Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs gem. DIN V 4108-61) wird n = 0,7 bzw. bei nachgewiesener Dichtheit mit 0,6 h–1 angesetzt. Die Bestimmung der jährlich bzw. während der Heizzeit auftretenden Lüftungswärmeverluste erfolgt analog zu der Vorgehensweise bei den Transmissionswärmeverlusten.

1.12.1-4

Passive Solarenergiegewinne

1.12.1-4.1 Gesamtenergiedurchlassgrad Infolge der auf Außenbauteile auftreffen Sonneneinstrahlung können die Wärmeverluste vermindert oder Wärmegewinne erzielt werden. Bei Verglasungen wird zur Kennzeichnung üblicherweise der Gesamtenergiedurchlassgrad g2) benutzt, wie er in Bild 1.12.1-8 definiert ist. Die Wärmestromdichte q durch die Verglasung ergibt sich dann zu q = Ug · (θi – θe) – g · I

αa + αi - + α i ⋅ R g = τ + U ·  --------------- h  e mit g – wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Lufttemperatur innen und außen θi, θe °C I W/m2 Strahlungsintensität Ug W/m2K Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung τ – Transmissionsgrad Absorptionsgrad der äußeren und inneren Scheibe αa, αi – he W/(m2K)Wärmeübergangskoeffizient außen R m2K/W Wärmedurchlasswiderstand der Verglasung

Bild 1.12.1-8. Sonneneinstrahlung bei Verglasungen und Definition des Gesamtenergiedurchlassgrades.

Bild 1.12.1-9. Sonneneinstrahlung bei opaken Bauteilen.

Der g-Wert von Zweischeibenklarglas-Isolierverglasungen liegt bei ca. 0,75 und bei Wärmeschutzverglasungen bei ca. 0,6. Bei opaken Bauteilen, wie üblichen Außenwänden und Dächern kann nach gleichem Ansatz ein g-Wert definiert werden (vgl. Bild 1.12.1-9). 1) 2)

DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2003. DIN EN 410 „Glas im Bauwesen – Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen“, 04-2011.

1

608

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

g = U · αs/he mit αs – Absorptionsgrad für Sonneneinstrahlung Wärmeübergangskoeffizient außen he W/(m2K) Die bei opaken gegenüber transparenten Bauteilen wesentlich geringere Nutzungsmöglichkeit von Sonneneinstrahlung wird offenkundig. Die Quantifizierung der passiven Solarenergiegewinne über Fenster und opake Außenbauteile kann alternativ getrennt von den Verlusten, oder bei der Bestimmung der Verluste erfolgen.

1.12.1-4.2 Getrennte Bilanzierung Die Wärmeströme Φs, die durch Fenster und opake Außenbauteile in das Gebäude gelangen, werden gem. DIN V 4108-6 bestimmt. Bei opaken Außenbauteilen wird die langwellige Abstrahlung mit berücksichtigt. transparent: Φs = opak: mit I Fs, Fc FF g A U Re αs Ff hr

Δθer

 I i ⋅ F s, i ⋅ F C, i ⋅ F F, i ⋅ g i ⋅ Ai

Φs =  A i ⋅ U i ⋅ R e ⋅ ( α s, i ⋅ I i – F f, i ⋅ h r, i ⋅ Δθ er ) W/m2 – – – m2 W/(m2K) m2K/W – – W/(m2K) K

Strahlungsintensität Minderungsfaktor infolge Verschattung und Sonnenschutz Minderungsfaktor infolge Rahmenanteil wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Fläche des Bauteils Wärmedurchgangskoeffizient Wärmeübergangswiderstand außen Absorptionsgrad des opaken Bauteils Formfaktor äußerer Abstrahlungskoeffizient Temperaturdifferenz Außenluft/Himmel

1.12.1-4.3 Äquivalente U-Werte Dabei wird ein U-Wert definiert, der über die Heizperiode gemittelt, zu den gleichen Verlusten wie eine detaillierte Bilanzierung führt.1)2) a) Fenster Uw,eq = Uw – g · Sw mit Wärmedurchgangskoeffizient Fenster (window) Uw W/(m2K) g – wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Strahlungsgewinnkoeffizient Sw W/(m2K) Sw ist primär von der Orientierung, aber auch vom Verhältnis der Wärmegewinne zu den Wärmeverlusten abhängig. Für die meteorologischen Randbedingungen Deutschlands enthält3) eine Approximationsfunktion. Für das Wärmeschutzniveau gem. Wärmeschutzverordnung ’954) gelten folgende Werte

1) 2)

3) 4)

Gertis, K., Hauser, G., Künzel, H., Nikolic, V., Rouvel, L. und Werner, H.: Energetische Beurteilung von Fenstern während der Heizperiode. DAB 12 (1980), Nr. 2, S. 201–202. Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), Nr. 3, S. 111–112; Nr. 4, S. 144–153, Nr. 5, S. 200–204, Nr. 6, S. 259–265. Hauser, G.: Näherungsformel zur einfachen Berechnung von Strahlungsgewinnkoeffizienten. Bauphysik 10 (1988), Nr. 2, S. 43–45. Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung – WärmeschutzV) vom 16.08.1994.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

609

Sw = 1,6 W/(m2K) bei Einfamilien- und 1,3 W/(m2K) bei Mehrfamilienhäusern Ost/West Sw = 2,6 W/(m2K) bei Einfamilien- und 2,2 W/(m2K) bei Mehrfamilienhäusern Süd Sw = 3,4 W/(m2K) bei Einfamilien- und 3,2 W/(m2K) bei Mehrfamilienhäusern b) Außenwände und Dächer UAW,eq = UAW · SAW mit W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient Wand UAW – Strahlungsgewinnfaktor SAW Für übliche Wände mit einem Absorptionsgrad von 0,7 sind je nach Orientierung folgende Werte anzusetzen Nord SAW = 0,96 Ost/West SAW = 0,95 Süd SAW = 0,92 Nord

1.12.1-4.4 Systeme zur passiven Solarenergiegewinnung Ergänzungen oder Kombinationen der beschriebenen Elemente führen zu mannigfaltigen Systemen.1) 1.12.1-4.4.1

Transluzente Wärmedämmung TWD

Durch die Verwendung einer außen angeordneten, für Sonneneinstrahlung weitgehend durchlässigen Dämmschicht wird die Stelle, wo die Strahlung in Wärme umgewandelt wird, in den gedämmten Gebäudebereich verlagert und stärker nutzbar. Die Wirkungsweise ist in Bild 1.12.1-10 dargestellt. I q ρ·I αs · I

Bild 1.12.1-10. Prinzipskizze der Wirkungsweise einer transluzenten Wärmedämmung.

Die Quantifizierung der Solarenergiegewinne bzw. der Minderung der Transmissionswärmeverluste erfolgt gem. a) DIN V 4108-6

Φs =  A i ⋅ U i ⋅  F s, i ⋅ F F, i ⋅ α s, i ⋅ g Ti, i ⋅ --------- ⋅ I s, i – R e, TWD, i ⋅ F F, i ⋅ h r, i ⋅ Δθ er U 1

e, i

mit Ue gTi Re,TWD

1)

W/(m2K) – m2K/W

U-Wert aller Schichten außen vor absorbierender Oberfläche wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad TWD Wärmedurchlasswiderstand außen (inkl. TWD)

Bansal, N. K.; Hauser, G.; Minke, G.: Passiv Building Design – A Handbook of Natural Climatic Control. Elsevier Science, Amsterdam 1994.

1

610

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

b) Ueq-Methode1) UAW,eq = UAW · STWD mit W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient Wand inkl. TWD UAW – Strahlungsgewinnfaktor1) STWD Nord STWD = 0,20 Ost/West STWD = 0,10 Süd STWD = –0,10 1.12.1-4.4.2

Wintergarten/Verglaste Anbauten

Durch die Anordnung eines nicht beheizten verglasten Anbaus an das beheizte Gebäude werden die Wärmeverluste und -gewinne beeinflusst – Die direkt in das beheizte Gebäude gelangende Strahlungsenergie wird geschwächt entsprechend dem Strahlungstransmissionsgrad τe der Wintergartenverglasung und dem Konstruktionsflächenanteil FF. – Im Wintergarten entsteht ein Zwischenklima mit höheren Temperaturen als in der Außenluft (Pufferzoneneffekt), wodurch die Transmissions- und, wenn über dieses System gelüftet wird, auch die Lüftungswärmeverluste sinken. – Die strahlungsenergieaufnehmende Fläche wird vergrößert. Beispielsweise ergibt sich für das in Bild 1.12.1-11 dargestellte Gebäude die Wirkung des Wintergartens aus Bild 1.12.1-12.

Bild 1.12.1-11. Schematische Darstellung des untersuchten Einfamilienhauses mit Vermaßung. In der seitlich und der rückwärtigen (dem Wintergarten abgewandten) Fassade befinden sich Fenster mit einem Fensterflächenanteil, bezogen auf die Hausfassadenfläche ohne Wintergarten, von jeweils 5 %.*) *)

Hauser, G.: Bauphysikalische Aspekte bei Wintergärten. Glaswelt 39 (1986), Nr. 5, S. 10–21.

1.12.1-4.4.3

Temporärer Wärmeschutz

Die Wärmeverluste von Fenstern während der strahlungslosen Zeit in der Nacht können durch temporäre Wärmeschutzmaßnahmen abgesenkt werden. Hierzu gehören Klappund Rolläden sowie Vorhänge und Foliensysteme. Die Wirkung einer derartigen Maßnahme kann ebenfalls mit Hilfe des äquivalenten U-Wertes gem. Bild 1.12.1-13 quantifiziert werden. Dabei ist zu beachten, dass durch die Verbesserung des Uw-Wertes die Bedeutung temporärer Wärmeschutzmaßnahmen abnimmt.

1)

Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), Nr. 3, S. 111–112; Nr. 4, S. 144–153, Nr. 5, S. 200–204, Nr. 6, S. 259–265.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

611

1

Bild 1.12.1-12. Jahresheizwärmebedarf des Einfamilienhauses (schematisch dargestellt in Bild 1.12.1-11) mit und ohne Wintergarten in Abhängigkeit der Gebäudeorientierung. Die Gebäudeorientierung wird durch die Ausrichtung des Wintergartens bzw. des großen Fensters gekennzeichnet.*) *)

Hauser, G.: Bauphysikalische Aspekte bei Wintergärten. Glaswelt 39 (1986), Nr. 5, S. 10–21.

Bild 1.12.1-13 „Deckelfaktor“ D, der sich aus Uw,eq = Uw – g · Sw – D · Uw ergibt, in Abhängigkeit von Verhältnis kF+tW/kF und der Raumnutzung (Wärmedurchgangskoeffizient U wurde früher mit k bezeichnet, Index F+tW: Fenster plus temporärer Wärmeschutz). Zugrunde gelegte Daten: siehe *) *)

1.12.1-5

Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), Nr. 3, S. 111–112; Nr. 4, S. 144–153, Nr. 5, S. 200–204, Nr. 6, S. 259–265.

Wärmespeicherung

Wegen der auch während der Heizperiode vorhandenen Temperaturschwankungen in Gebäuden wird deren Heizwärmebedarf auch von der Wärmespeicherfähigkeit und der Schichtanordnung der eingesetzten Materialien, d. h. von der thermisch wirksamen Wärmespeicherfähigkeit, beeinflusst. Dabei sind zwei Vorgänge zu beachten:1)

1)

Hauser, G.: Vergleich des jährlichen Wärme- und Energieverbrauchs von Einfamilienhäusern in Leicht- und Schwerbauweise. Bundesbaublatt 33 (1984), Nr. 2, S. 120–124.

612

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Die auf ein Gebäude auftreffende und durch die Fenster in die einzelnen Räume gelangende Sonneneinstrahlung kann im Allgemeinen von der Schwerbauart besser ausgenutzt werden als von der Leichtbauart, da bei der Schwerbauart eine Überheizung der Räume entweder überhaupt nicht auftritt oder wesentlich geringer ausfällt. Somit bleiben zusätzliche Energieverluste durch ansteigende Raumlufttemperaturen, die eine Erhöhung der Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste zur Folge haben, bei der Schwerbauart kleiner als bei der Leichtbauart. Bezüglich des Heizbetriebes erweist sich jedoch eine trägheitslosere, weniger wärmespeichernde Bauweise als günstiger, weil die Raumlufttemperaturen während jener Zeiten, zu denen die Räume nicht genutzt werden, stärker absinken können, wodurch die Wärmeverluste verringert werden (Nacht-, Wochenendabsenkung). Beim Heizwärmebedarf von Gebäuden liegen somit bezüglich des Einflusses der Bauart zwei einander gegenläufige Phänomene vor. Allgemeingültige Aussagen, welche Bauart bezüglich des Heizwärmebedarfs günstiger ist, sind deshalb nicht möglich, sehr wohl jedoch Tendenzen:1) a) Bei milden, kurzen Heizperioden, die durch relativ hohe Außenlufttemperaturen und damit kleinen Gradtagzahlen sowie durch relativ hohe Sonneneinstrahlungsintensitäten gekennzeichnet sind, ist eine schwere Bauart von Vorteil; bei langen, „grimmigen“ Heizperioden eine leichte. Die meteorologischen Verhältnisse Deutschlands entsprechen etwa einem Übergangsbereich. b) Eine hohe Wärmespeicherfähigkeit weist sich unter den klimatischen Verhältnissen Deutschlands positiv aus, wenn • aus nutzungsbedingten Gründen ein Dauerheizbetrieb nötig ist, • das Heizsystem nur sehr träge reagiert, • schwankende hohe äußere und innere Wärmelasten, wie Sonneneinstrahlung oder interne Wärmequellen vorhanden sind. c) Eine geringe Wärmespeicherfähigkeit ist von Vorteil, wenn • lange Heizunterbrechungen, wie Nacht- oder Wochenendabsenkung möglich sind, • eine seltene Nutzung vorliegt (Gästezimmer, Hobbyraum), • hohe spezifische Wärmeverluste auftreten. Unter den meteorologischen Daten Deutschlands ist bei wohnähnlicher Nutzung der Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit von praktisch vernachlässigbarer Bedeutung.2) Sobald im Rahmen der Energiewende der Anteil der sehr volatilen erneuerbaren Energie in Form von Strom ansteigt, können Gebäude einen erheblichen Beitrag zur Energiespeicherung leisten, wobei dann eine hohe Wärmespeicherfähigkeit von großem Vorteil ist.

1.12.2

Sommerlicher Wärmeschutz

1.12.2-1

Beurteilungsgrößen

Der sommerliche Wärmeschutz hat die Aufgabe, auch unter hochsommerlichen Randbedingungen, möglichst behagliche Raumverhältnisse sicherzustellen. Mit baulichen Mitteln soll sichergestellt werden, dass die Außenlufttemperaturen in ihrem Maximalwert im Gebäudeinneren nicht überschritten werden. Deshalb wird zur Beurteilung des sommerlichen Wärmeverhaltens die sich einstellende Innenlufttemperatur herangezogen. Eine detailliertere Kennzeichnung kann jedoch durch die sogenannte operative Temperatur erfolgen, die neben der Lufttemperatur auch die Oberflächentemperatur berücksichtigt. Daneben wird die Übertemperaturgradstundenzahl Ghb verwendet, die nicht nur eine Momentaufnahme an einem besonders warmen bzw. strahlungsreichen Tag wiedergibt, sondern die sich während eines gesamten Jahres einstellenden Verhältnisse beschreibt. DIN 4108-2 verwendet für die Bezugstemperatur b die Zuordnung 25 °C für

1)

2)

Hauser, G.: Einfluss des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen auf den Heizenergieverbrauch von Gebäuden. Literaturstudie, Bauphysik 6 (1984), Nr. 5, S. 180–186, Nr. 6, S. 207–213. Hauser, G.; Otto, F.: Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf und sommerliches Wärmeverhalten. db 134 (2000), Nr. 4, S. 113–118. DIN 4108-2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“, 02-2013.

1.12.2 Sommerlicher Wärmeschutz

613

die Sommerklimaregion A, 26 °C für die Region B und 27 °C für die Region C. Die Übertemperaturgradstundenzahl ist für die Bezugstemperatur von 26 °C beispielhaft wie folgt definiert: 8760 h

Gh26 = mit

 (θempf – 26 °C)pos. · 1 h i=1

θempf °C empfundene Temperatur Gemäß DIN 4108-2 soll Ghb bei Wohngebäuden 1200 und bei Nichtwohngebäuden 500 Kh/a nicht überschreiten.

1.12.2-2

Einflussparameter

Das sommerliche Wärmeverhalten eines Gebäudes wird im Wesentlichen geprägt durch – die äußeren Lasten in Form der Fenstergröße, des Gesamtenergiedurchlassgrades der Verglasung, eventuell des Abminderungsfaktors von Sonnenschutzvorrichtungen sowie des Absorptionsgrades der Außenbauteile und gegebenenfalls des Transmissionsgrades von transluzenten Wärmedämmsystemen sowie der Fassadenorientierung – die internen Lasten, konvektiv und radiativ – die Lüftungsmöglichkeiten des Gebäudes, insbesondere zu Zeiten mit tiefen Außenlufttemperaturen, d.h. während der Nacht und in diesem Zusammenhang durch die Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion. Beide Größen sind eng miteinander verknüpft. So wird eine hohe Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion insbesondere bei der Möglichkeit einer intensiven Nachtlüftung wirksam. – den baulichen Wärmeschutz. Ein guter baulicher Wärmeschutz mit kleinen Wärmedurchgangskoeffizienten führt bei sinnvollem Nutzerverhalten und üblichen Randbedingungen ebenfalls zu einer Verbesserung der Behaglichkeit im Sommer.1)

1.12.2-3

Planungsgröße

Neben der für detaillierte Aussagen wohl am aussagefähigsten Größe Gh26, die ausschließlich über dynamische Simulationsberechnungen gewonnen werden kann, bietet sich für überschlägige Beurteilungen der sogenannte Sonneneintragskennwert (f · gtotal ) an.2)3) Dieser Wert sollte möglichst klein sein. Dabei sind für den Abminderungsfaktor FC, aus dessen Multiplikation mit dem Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung sich der Totalwert ergibt, Werte aus Tafel 1.12.2-1 zu entnehmen. DIN 4108-2 legt den Höchstwert des Sonneneintragskennwertes wie folgt fest: Σ j ( A w ,j ⋅ g total ,j ) S = --------------------------------------- ≤ Σ Sx AG mit Aw – Fensterfläche des Raumes gtotal – Gesamtenergiedurchlassgrad Verglasung inkl. Sonnenschutz (gtotal = g·FC) AG – Nettogrundfläche des Raumes oder Raumbereiches – Anteilige Sonneneintragskennwerte Sx Der zulässige Sonneneintragskennwert ( Sx) wird als Summe der anteiligen Sonneneintragskennwerte in DIN V 4108-2 nach dem Bonus-Malus-Prinzip ermittelt. Hierbei finden die Klimaregion, die Bauart, eine mögliche Nachtlüftung, der grundflächenbezogene Fensterflächenanteil, ein ggf. vorhandenes Sonnenschutzglas, die Einbausituation des Fensters und der möglicherweise vorgesehene Einsatz passiver Kühlung Berücksichtigung. 1) 2) 3)

Hauser, G.; Otto, F.: Auswirkungen eines erhöhten Wärmeschutzes auf die Behaglichkeitim Sommer. Bauphysik 19 (1997), Nr. 6, S. 169–176; 21. Internationaler Velta Kongreß ’99, S. 39–53. Hauser, G.; Gertis, K.: Der sommerliche Wärmeschutz von Gebäuden (Normungsvorschlag). KI 8 (1980), Nr. 2, S. 71–82. DIN 4108-2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“, 02-2013.

1

614

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Tafel 1.12.2-1 Anhaltswerte für Abminderungsfaktoren FC von fest installierten Sonnenschutzvorrichtungen in Abhängigkeit vom Glaserzeugnis Fc Zeile

1

Sonnenschutzvorrichtung

a)

ohne Sonnenschutzvorrichtung

2

Innenliegend oder zwischen den Scheiben

g ≤ 0,40 (Sonnenschutzglas) zweifach

dreifach

zweifach

1,00

1,00

1,00

0,65

0,70

0,65

g > 0,40

b)

2.1

weiß oder reflektierende Oberfläche mit geringer Transparenzc)

2.2

helle Farben oder geringe Transparenzd)

0,75

0,80

0,75

2.3

dunkle Farben oder höhere Transparenz

0,90

0,90

0,85

3.1

Fensterläden, Rollläden

3

Außenliegend 3.1.1 Fensterläden, Rollläden, 3/4 geschlossen

0,35

0,30

0,30

3.1.2 Fensterläden, Rollläden, geschlossene)

0,15e)

0,10e)

0,10e)

3.2.1 Jalousien und Raffstore, drehbare Lamellen, 45° Lamelleneinstellung

0,30

0,25

0,25

3.2.2 Jalousien und Raffstore, drehbare Lamellen, 10° Lamelleneinstellunge)

0,20e)

0,15e)

0,15e)

3.2

Jalousien und Raffstore, drehbare Lamellen

3.3

Markise, paralell zur Verglasungd)

0,30

0,25

0,25

3.4

Vordächer, Markisen allgemein, freistehende Lamellenf)

0,55

0,50

0,50

a) Die Sonnenschutzvorrichtung muss fest installiert sein. Übliche dekorative Vorhänge gelten nicht als Sonnenschutzvorrichtung. b) Für innen und zwischen den Scheiben liegende Sonnenschutzvorrichtungen ist eine genauere Ermittlung zu empfehlen. c)Hoch reflektierende Oberflächen mit geringer Transparenz, Transparenz ≤ 10 %, Reflexion ≥ 60 %. d) Geringe Transparenz, Transparenz < 15 %. e) FC-Werte für geschlossenen Sonnenschutz dienen der Information und sollten für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes nicht verwendet werden. Ein geschlossener Sonnenschutz verdunkelt den dahinterliegenden Raum stark und kann zu einem erhöhten Energiebedarf für Kunstlicht führen, da nur ein sehr geringer bis kein Einfall des natürlichen Tageslichts vorhanden ist. f)Dabei muss sichergestellt sein, dass keine direkte Besonnung des Fensters erfolgt. Dies ist näherungsweise der Fall, wenn – bei Südorientierung der Abdeckwinkel β ≥ 50° ist; – bei Ost- und Westorientierung der Abdeckwinkel β ≥ 85° oder γ ≥ 115° ist. Der FC-Wert darf auch für beschattete Teilflächen des Fensters angesetzt werden. Dabei darf FS nach DIN V 18599-2:2011-12, A.2, nicht angesetzt werden. Zu den jeweiligen Orientierungen gehören Winkelbereiche von ± 22,5°. Bei Zwischenorientierungen ist der Abdeckwinkel β ≥ 80° erforderlich.

Vertikalschnitt durch Fassade

Horizontalschnitt durch Fassade

1.12.3 Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

1.12.3

Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

Wasserdampf befindet sich als Bestandteil des Luftgemisches in der Atmosphäre und wird im Inneren von Gebäuden durch die Menschen und Tiere sowie durch Kochen, Waschen, Baden usw. erzeugt. Da die Luft mit sinkender Temperatur weniger Wasserdampf binden kann, erhöht sich ihre relative Feuchte bei Berührung von kälteren Bauteiloberflächen bis hin zu 100%, Tauwasser fällt aus. Da aufgrund des Temperaturgefälles zwischen innen und außen während der kalten Jahreszeit bei Außenbauteilen immer tiefere raumseitige Oberflächentemperaturen als Lufttemperaturen vorliegen, besteht bei diesen Bauteilen die Gefahr des Tauwasserausfalls, oder, was wesentlich häufiger und schneller eintritt, der Schimmelpilzbildung. Die Temperatur, bei deren Erreichung mit Tauwasserausfall zu rechnen ist, heißt Taupunkttemperatur und ist in Bild 1.12.3-1 in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchte wiedergegeben. Zur Erläuterung des Phänomens dient Bild 1.12.3-2, wo für den Eckbereich eines Außenbauteils die jeweiligen Oberflächentemperaturen in °C und die dazugehörige maximal zulässige Raumluftfeuchte angegeben ist, damit keine Tauwasserbildung entsteht. Dabei ist die Fixierung der Randbedingungen, nämlich der Außen- und Innenlufttemperatur, notwendig. Deshalb ist es praktischer, die raumseitigen Oberflächentemperaturen von Außenbauteilen mit Hilfe eines Temperaturfaktors f 1) (früher im deutschsprachigen Raum mit θ bezeichnet)2) 3) 4) zu kennzeichnen.

Bild 1.12.3-1. Taupunkttemperatur in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchte

1) 2)

3) 4)

615

DIN EN ISO 10211 „Wärmebrücken im Hochbau. Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren“, 04-2008. Hauser, G.; Schulze, H.; Wolfseher, U.: Wärmebrücken im Holzbau. Bauphysik 5 (1983), Nr. 1, S.17–21; Nr. 2, S. 42–51; Bauen mit Holz 86 (1984), Nr. 2, S. 81–92; Schweizerische Schreinerzeitung 98 (1987), Nr. 39, S. 936–946. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. 3. durchgesehene Auflage, Bauverlag, Wiesbaden 1996. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992.

1

616

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Bild 1.12.3-2. Eckbereich eines Außenbauteils mit Kennzeichnung der jeweiligen Oberflächentemperaturen in °C und maximal zulässigen Raumluftfeuchten zur Vermeidung von Tauwasserbildung.

Der Temperaturfaktor f ergibt sich aus folgender Definitionsgleichung θ si – θ e f = ----------------θi – θe mit

θsi °C θe °C θi °C

Oberflächentemperatur innen Lufttemperatur außen Lufttemperatur innen Eine eventuelle Berechnung der raumseitigen Oberflächentemperatur in °C kann gem. folgender Gleichung erfolgen θsi = f · (θi – θe) + θe Ein f-Wert von 0,7 entspricht somit bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C und einer Außenlufttemperatur von –5 °C einer Oberflächentemperatur von 12,5 °C. Zur Vermeidung von Tauwasserbildung auf raumseitigen Oberflächentemperaturen muss die relative Luftfeuchte im Innern eines Gebäudes folgender Bedingungen genügen 109 ,8 + f ⋅ ( θ i – θ e ) + θ e 8, 02 ϕ ≤  --------------------------------------------------------⋅ 100%  109 ,8 + θ i mit ϕ

%

relative Feuchte der Raumluft

Da Schimmelpilzbildung bereits vor Tauwasserbildung aufgrund der Porösität der meisten Baustoffe einsetzt – in Wirklichkeit wird es bei diesen Baustoffen praktisch niemals zur reinen Tauwasserbildung kommen, da der Kapillartransport sehr wirksam ist und große Mengen an Wasser abtransportiert werden – muss zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung nach heutigem Kenntnisstand1)2)3) folgende Bedingung eingehalten werden 109 ,8 + f ⋅ ( θ Li – θ La ) + θ La 8, 02 ϕ ≤ 0 ,8 ⋅  -----------------------------------------------------------------⋅ 100%  109 ,8 + θ Li 1) 2)

3)

Balázs, K.; Zöld, A.: Monitoring in Wohnungen in Kecskemet von 1987 bis 1989 (Ungarisch). TU und ETI Budapest, 1989. Balázs, K.; Zöld, A.: Mindestluftwechsel im praktischen Test. Ermittlung der Bedingungen für die Schimmelpilzbildung in Räumen anhand der Kapillarkondensation. HLH 41 (1990), Nr. 7, S. 620–622. Erhorn, H.: Schimmelpilzanfälligkeiten von Baumaterialien. Fraunhofer-Institut für Bauphysik. Neue Forschungsergebnisse 17 (1990), Mitteilungen 196.

1.12.3 Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

617

Die Temperaturfaktoren f können aus verschiedenen Nachschlagewerken entnommen werden,1)2)3)4) bzw. einem neuen Planungsinstrument, welches die Musterlösungen der DIN 4108 Beiblatt 2 enthält und auch die Temperaturfaktoren beinhaltet sowie die Grenzwerte für Schimmelpilz- und Tauwasserbildung5) ausweist (vgl. Bild 1.12.3-3).

1

Bild 1.12.3-3. Beispiel für die Darstellung der Temperaturfaktoren sowie der Grenzwerte für Schimmelpilz- und Tauwasserbildung.*) *)

1) 2) 3)

4) 5)

Hauser, G.; Stiegel, H.; Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. 1. überarbeitete Fassung, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal 2002.

Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. 3. durchgesehene Auflage, Bauverlag, Wiesbaden 1996. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992. Hauser, G.; Stiegel, H.: Quantitative Darstellung der Wirkung von Wärmebrücken. In: Bauforschung für die Praxis, Band 31: Niedrigenergiehäuser unter Verwendung des Dämmstoffes Styropor. IRB-Verlag, 1997. Hauser, G.; Schulze, H.; Stiegel, H.: Wärmetechnische Optimierung von Anschlussdetails bei Niedrigenergiehäusern und Erarbeitung von Standardlösungen. IRB-Verlag Stuttgart, 1996. Hauser, G.; Stiegel, H.; Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. 1. überarbeitete Fassung, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal 2002.

618

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

KÖPFE

1.13

Energieeinsparverordnung EnEV 2014 1)2)3)

recknagel-online.de

Die Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 16.11.2001, novelliert mit VO vom 25. 11. 2003 wurde am 24.07.2007 wiederum novelliert. Eine weitere Novelle erfolgte mit VO vom 29.04.2009 am 1. Oktober 2009. Die EnEV 2014 ist am 1. Mai 2014 in Kraft getreten. Am 1. Januar 2016 wurde das erhöhte Anforderungsniveau wirksam.

1.13.1

Einführung

Die ambitionierte Erhöhung der Effizienzstandards von Gebäuden unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen Vertretbarkeit gegenüber Hauseigentümern und Mieter ist einer der Eckpunkte der von der Bundesregierung 2011 beschlossenen Energiewende. Gleichzeitig galt es, die im Jahr 2010 novellierte EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizient von Gebäuden (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD Recast) in nationales Recht zu überführen. Auf Basis des fortgeschriebenen Energieeinsparungsgesetzes wurde parallel die Energieeinsparverordnung novelliert. Ein weiterer Anlass für die Neufassung der Energieeinsparverordnung war die Einbeziehung der fortgeschriebenen Normen für die energetische Bilanzierung von Gebäuden (DIN V 18599) und für die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz (DIN 4108-2). Der Referentenentwurf vom Oktober 2012 wurde unter Berücksichtigung der Eingaben des Bundes und der Länder am 16.Oktober 2013 verabschiedet. Die Verordnung4) trat am 1. Mai 2014 in Kraft. Kern der Änderungen ist die Verschärfung des Anforderungsniveaus durch Senkung des Primärenergiebedarfs um 25 % bei der Neuerrichtung von Gebäuden und durch Erhöhung des baulichen Wärmeschutzes zur Senkung der Transmissionswärmeverluste um 20 % zum 1.1.2016. (Ausnahmen gelten bei Nichtwohngebäuden mit niedrigen Innentemperaturen.) Bei den Energieausweisen wird die zusätzliche Angabe einer Energieeffizienzklasse (A+ bis H) eingeführt. Für Gebäude, deren Energieausweis eine solche Effizienzklasse aufweist, ist diese künftig in Immobilienanzeigen aufzunehmen; bei bereits vorliegenden Energieausweisen (ab EnEV 2007) darf die Klasse freiwillig angegeben werden. Die Anwendung der Energieeinsparverordnung wird flankiert von den Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) in der fortgeschriebenen Fassung vom 1. Mai 20115). Über dieses Gesetz ist der verpflichtende Einsatz erneuerbarer Energien zur Energiebedarfsdeckung der Wärme- und Kälteversorgung bzw. die Umsetzung -geeigneter Ersatzmaßnahmen vorgesehen. Im Zuge der zur Erreichung der Klimaschutzziele erforderlichen Maßnahmen ist davon auszugehen, dass weitergehende Anforderungen an die Energieeffizienz im Rahmen der EnEV und des EEWärmeG im Zeitraum bis 2020 gestellt werden. Die Ankündigung der Einführung des sog. Niedrigstenergiegebäudes in 2021 (bzw. 2019 bei Gebäuden im Eigentum von Behörden) im Energieeinsparungsgesetz vom Juli 2013 macht die Novellierung der EnEV spätestens in 2017 erforderlich. Mit der EnEV 2014 wird das Anforderungsmodell der EnEV 2009 weitergeführt. Die Vorgabe einer Referenzbautechnik in Verbindung mit einer Referenzanlagentechnik führt zu einem Referenzgebäude, aus dem der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes resultiert. Bis Ende 2015 wird der Jahres-Primärenergiebedarf unter Zugrundelegung der Elemente des Referenzgebäudes – die im Wesentlichen unverändert aus der EnEV 20096) übernommen werden – berechnet und es resultiert der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf. Ab dem 1. Januar 2016 ist der so ermit1) 2) 3) 4) 5)

6)

Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung, Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2013, Teil I, Nr. 67, Bundesanzeiger Verlag, 21.11.2013, S. 3951–3990. Für die 78. Auflage überarbeitet von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel, Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Kassel. Normensammlung zur EnEV, siehe www.enev-normen.de. Bundesgesetzblatt, Teil I, 21.11.2001, S. 3085–3102, 25.11.2003, S. 2304 und 24.07.2007, S. 1519– 1563 (zu beziehen bei der Bundesanzeiger-Verlagsgesellschaft mbH, Postfach 1320, 53003 Bonn. Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) vom 7. August 2008, Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2011, Teil I, Nr. 17, 15.04.2011, S. 619–635. Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung, 29.04.2009, Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2009, Teil I, Nr. 23, Bundesanzeiger Verlag, 30. April 2009, S. 945–989.

1.13.1 Einführung

619

telte Wert um 25 % zu reduzieren und es ergibt sich dadurch das neue Anforderungsniveau (Bild 1). Diese Methode und auch die Anforderungshöhe ergeben sich sowohl für Wohngebäude als auch für Nichtwohngebäude. Auch die Formulierung und Höhe der Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz (Nebenanforderung) bleibt bis Ende 2015 unverändert. Ab 2016 wird für Wohngebäude ein neuer Ansatz für die Vorgabe der Anforderungen eingeführt. Dieses orientiert sich an der Methode, die bereits jetzt von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) im Rahmen von Fördermaßnahmen verwendet wird. Analog zum Verfahren der Bestimmung des maximal zulässigen Jahres-Primärenergiebedarfs resultiert künftig der Maximalwert des spezifischen Transmissionswärmeverlusts aus der baulichen Qualität des Referenzgebäudes. Dieser Schritt war notwendig und sinnvoll, da mit einer festen Vorgabe eines Zahlenwerts, abhängig von der Art des Gebäudes (bisheriges Verfahren), durchaus strenge Limitierungen des Fensterflächenanteils bei Wohngebäuden resultierten. Diese Problematik wird künftig dadurch gelöst, dass der Fensterflächenanteil praktisch zum „durchlaufenden Posten“ wird. Eine Deckelung resultiert daraus, dass die gemäß EnEV 2009 gültigen Höchstwerte nicht überschritten werden dürfen. Mit der konkreten Anforderungsformulierung, dass der bauliche Wärmeschutz ab 2016 nicht schlechter sein darf als der spezifische Transmissionswärmeverlust, der aus dem Referenzgebäude gemäß EnEV 2009 resultiert, wird die Höhe des Anforderungsniveaus deutlich. Als Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarfs dienen für die Kategorie Wohngebäude die bislang eingeführten und im Nachweisverfahren der EnEV 2009 verwendeten Normen DIN V 4108-61) und DIN V 4701-102) 3). Alternativ ist die Anwendung der DIN V 185994) möglich. Bei Nichtwohngebäuden ergeben sich hinsichtlich der Anforderungsformulierung und des Nachweisverfahrens praktisch keine Änderungen. Eine Gegenüberstellung der Anforderungen und Nachweismethoden von EnEV 2009 und EnEV 2014 ist für Wohn- und Nichtwohngebäude in Tafel 1.13.1-1 aufgenommen. Tafel 1.13.1-1 Anforderungen und Nachweismethodik für Wohn- und Nichtwohngebäude Inhalte

EnEV 2009

EnEV 2014

Anforderungen Neubau

maximal zulässiger Jahres-Primärenergiebedarf entsprechend einer Referenzausführung mit Referenzbau- und -anlagentechnik ab 1. Januar 2016 Reduktion des zulässigen Jahres-Primärenergiebedarfs um 25 %

Nachweisverfahren Neubau

Berechnung mit Referenzstandort Würzburg; Primärenergiefaktor Strom 2,6

Berechnung mit Referenzstandort Potsdam; Primärenergiefaktor Strom 2,4, ab 1. Januar 2016 1,8

Dokumentation Neubau

Energieausweis mit Angabe der energetischen Qualität in kWh/ (m2a) zusätzlich Einführung von Energieeffizienzklassen (A+ bis H)

1) 2) 3) 4)

DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2003. DIN V 4701-10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung“, 08-2003. DIN SPEC 4701-10/A1 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlangen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung; Änderung A1“, 12-2006. DIN V 18599 „Energetische Bewertung von Gebäuden. Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung“, 12-2011.

1

620

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Tafel 1.13.1-1 Anforderungen und Nachweismethodik für Wohn- und Nichtwohngebäude Anforderungen Bestand

Einhaltung zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten bei baulichen Maßnahmen und Einzelanforderungen an die Anlagentechnik; bei umfangreichen Maßnahmen Nachweis wie bei Neubauten

Dokumentation Bestand

Energieausweis mit Angabe der energetischen Qualität in kWh/ (m2a) zusätzlich Einführung von Energieeffizienzklassen (A+ bis H)

1.13.1-1

Die EnEV für Wohngebäude

1.13.1-1.1 Neuerungen Im Rahmen der EnEV 2014 werden für Wohngebäude Anforderungen an die Größen Jahres-Primärenergiebedarf und spezifischer Transmissionswärmeverlust gestellt. Dies sind die aus der EnEV 2009 bekannten Anforderungsgrößen. Sowohl bezüglich der Höhe der Anforderungen, der Ermittlung der maximal zulässigen Werte und des Nachweisverfahrens haben sich Änderungen ergeben. – Anforderungswerte des Jahres-Primärenergiebedarfs: Die Anforderungswerte des Jahres-Primärenergiebedarfs der EnEV 2009 bleiben bis zum 31. Dezember 2015 unverändert bestehen (das Referenzgebäude ist identisch aus EnEV 2009 übernommen). Ab dem 1. Januar 2016 sind diese Anforderungswerte aus dem Referenzgebäude um 25 % abzusenken. – Anforderungswerte des spezifischen Transmissionswärmeverlustes: Auch die Anforderungen an den spezifischen Transmissionswärmeverlust bleiben zunächst bis zum 31. Dezember 2015 unverändert aus der EnEV 2009 bestehen. Ab dem 1. Januar 2016 resultiert der Maximalwert des spezifischen Transmissionswärmeverlusts aus der baulichen Qualität des Referenzgebäudes. Dies entspricht der Vorgehensweise beim Nachweis der KfW-Effizienzhäuser. – Berücksichtigung einer Raumluftkühlung: Gebäude mit Anlagen zur Kühlung sind mit dem Verfahren der DIN V 18599 nachzuweisen. Der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf wird ohne Berücksichtigung einer Kühlung ermittelt. – Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien: Strom aus erneuerbaren Energien darf im Nachweisverfahren angerechnet werden, wenn er unmittelbar am Gebäude erzeugt wird und vorrangig im Gebäude unmittelbar nach der Erzeugung oder nach vorrübergehender Speicherung vorwiegend selbst genutzt wird. Die Berechnung des Stromertrags aus Photovoltaik oder über Windräder hat mit den Verfahren der DIN V 18599 zu erfolgen. – Nachweisverfahren: Abweichend von den Berechnungsrandbedingungen der EnEV 2009 ist als Referenzklima die Region Potsdam zu berücksichtigen. Bis zum 31. Dezember 2015 ist der Primärenergiefaktor für Strom mit dem Wert fP = 2,4, ab dem 1. Januar 2016 mit dem Wert fP = 1,8 anzusetzen.

1.13.1-1.2 Begriffe 1.13.1-1.2.1

Heizwärmebedarf (auch: Nutzenergiebedarf für Heizen)

Die Wärmemenge, die dem Raum bzw. dem Gebäude vom Heizsystem (Heizkörper) zur Verfügung gestellt werden muss, um die entsprechende Raumtemperatur aufrecht zu erhalten. Die Größe wird durch die Bilanzierung von Wärmeverlusten (Transmission und Lüftung) und Wärmegewinnen (solare und interne) ermittelt und kennzeichnet – unter Berücksichtigung definierter Nutzungsbedingungen – die wärmeschutztechnische Qualität der Gebäudehülle.

1.13.1 Einführung

1.13.1-1.2.2

621

Heizenergiebedarf (auch: Endenergiebedarf für das Heizsystem)

Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems aufgebracht werden muss. Verluste des Heizungssystems treten bei der Wärmeübergabe, der Wärmeverteilung, der Wärmespeicherung und der Wärmeerzeugung auf. Diese Verluste werden in einer Anlagenaufwandszahl zusammengefasst. Eine kleine Aufwandszahl kennzeichnet ein energetisch günstiges Heizungssystem. 1.13.1-1.2.3

Endenergiebedarf

Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems sowie des Warmwasserwärmebedarfs und der Verluste des Warmwasserbereitungssystems aufgebracht werden muss. Die Endenergie bezieht die für den Betrieb der Anlagentechnik (Pumpen, Regelung usw.) benötigte Hilfsenergie mit ein. Die Endenergie wird an der „Schnittstelle“ Gebäudehülle übergeben und stellt somit die Energiemenge dar, die vom Verbraucher bezahlt werden muss. 1.13.1-1.2.4

Primärenergiebedarf

Energiemenge, die zur Deckung des Endenergiebedarfs benötigt wird – unter Berücksichtigung der zusätzlichen Energiemenge, die durch vorgelagerte Prozessketten außerhalb der Systemgrenze „Gebäude“ entsteht. Zusätzlicher Energieaufwand entsteht bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung der jeweils eingesetzten Brennstoffe. Die Primärenergie kann als Beurteilungsgröße für ökologische Kriterien, wie z.B. CO2-Emission, herangezogen werden, da der gesamte Energieaufwand für die Gebäudebeheizung einbezogen wird.

1.13.1-1.3 Haupt-Anforderungsgröße Primärenergiebedarf Bei Wohngebäuden wird unter Berücksichtigung des Heizwärmebedarfs und des Warmwasserwärmebedarfs sowie der Einbeziehung der Anlagentechnik für Heizung und Warmwasserbereitung der Endenergiebedarf ausgewiesen. Diese Größe kann mit dem tatsächlichen Energieverbrauch verglichen werden. Sie stellt somit eine Kennzeichnung für die energetische Qualität des Gebäudes dar. Über diese für den Endverbraucher interessante Kenngröße hinaus wird die eigentliche Anforderung der EnEV an einen zulässigen Primärenergiebedarf gestellt. Dieser berücksichtigt auch die Verluste, die bei Erzeugung und Transport eines Energieträgers entstehen. Die Einflussgrößen auf die Bilanzierung des Jahres-Primärenergiebedarfs sind in Bild 1.13.1-1 dargestellt.

Bild 1.13.1-1. Schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Bilanzierung des Primärenergiebedarfs (Qh Heizwärmebedarf; Qw Warmwasserwärmebedarf; HT Transmissionswärmeverlust; HV Lüftungswärmeverlust; Qs solare Wärmegewinne; Qi interne Wärmegewinne)

1

622

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

1.13.1-1.4 Übersicht über Anforderungen 1.13.1-1.4.1 – – – – – – –

Neu zu errichtende Wohngebäude

flächenbezogener Primärenergiebedarf hüllflächenbezogener Transmissionswärmeverlust sommerlicher Wärmeschutz dauerhafte Luftundurchlässigkeit der Gebäudehülle Sicherstellung eines Mindestluftwechsels Verringerung von Wärmebrückeneinflüssen Berücksichtigung von Wärmebrücken im Rechenverfahren

1.13.1-1.4.2

Wohngebäude- und Anlagenbestand

– Änderung, Ersatz und Erneuerung von Außenbauteilen: Begrenzung des Wärmedurchgangskoeffizienten; alternativ: Qp, max, Bestand = 1,4 · Qp, max, Neubau und HT‘, max, Bestand = 1,4 · HT‘, max, Neubau – Erweiterung um mehr als 50 m2 zusammenhängende Nutzfläche: Anforderung fallweise unterschiedlich, abhängig vom Einbau eines neuen Wärmeerzeugers – Austausch von Heizkesseln: Nachrüstfristen – Dämmung von Rohrleitungen und Armaturen: Nachrüstfristen – Regelungstechnik: Steuerung des Heizkessels und Raumtemperaturregelung – Dämmung von obersten Geschossdecken: Nachrüstfristen 1.13.1-1.4.3

Anlagentechnik

– Anforderungen an die Anlagentechnik Neubau: CE-Kennzeichnung – Qualität der einzubauenden Anlagentechnik Bestand: Niedertemperatur oder Brennwertkessel – Regelungstechnik: Steuerung des Heizkessels und Raumtemperaturregelung – Umwälzpumpen in Heizanlagen mit mehr als 25 kW Nennleistung: selbsttätige stufenweise Steuerung – Dämmung von Rohrleitungen und Armaturen: Vorgabe von Mindestdämmdicken

1.13.1-1.5 Gegenüberstellung der Berechnungsverfahren Für das Nachweisverfahren der EnEV 2009 können alternativ DIN V 4108-6/DIN V 4701-10 oder DIN V 18599 verwendet werden. Der Vergleichbarkeit der Berechnungsergebnisse beider Verfahren sind Grenzen gesetzt. Zwar basiert die Wärmebilanz beider Ansätze auf einer monatlichen Betrachtung, darüber hinaus sind jedoch in allen Prozessbereichen verschiedene Änderungen/Neuerungen im Ansatz der DIN V 18599 zu finden. In der Regel handelt es sich hierbei jedoch nicht um völlige Neudefinitionen von Ansätzen, sondern eher um Verschiebungen von Bilanzanteilen. Unabhängig von den Abweichungen bieten beide Verfahren für sich genommen innerhalb ihrer Bilanzgrenzen plausible Ergebnisse.

1.13.1 Einführung

623

Tafel 1.13.1-2 Gegenüberstellung der Berechnungsverfahren DIN V 4108 / DIN V 4701

DIN V 18599

Monatsbilanzverfahren (baulich)

Monatsbilanzverfahren (baulich und anlagentechnisch)

„Trennung der Gewerke“ Qh und ep

Keine Trennung

Nutzenergie Trinkwarmwasser pauschal 12,5 kWh/(m2a) (Bezug: Gebäudenutzfläche AN)

Nutzenergie Trinkwarmwasser nach Nutzung (EFH und MFH) differenziert 12 / 16 kWh/(m2a) (Bezug: Wohnfläche)

Interne Wärmeeinträge pauschal 5 W/m (Bezug: Gebäudenutzfläche AN)

2

Interne Wärmeeinträge nach Nutzung (EFH und MFH) differenziert 2,1 / 4,2 W/m2 (Bezug: Wohnfläche)

Pauschale Annahme von Wärmeeinträgen aus Anlagentechnik

Iterative Bestimmung der Wärmeeinträge aus Anlagentechnik

Heizwertbezug

Brennwertbezug

Bestandsanlagen in anderen Normenteilen/ PAS (Publicly Available Specification)

Bestandsanlagen integriert

Hinsichtlich der Berechnung des Heizwärmebedarfs erfolgt eine wesentliche Neuerung infolge der schrittweise erfolgenden Bilanzierung (Iteration) der internen Wärmeeinträge. Die Wärmeeinträge (solar, intern, Anlagentechnik) werden im Verfahren der DIN V 4108-6 vereinfacht pauschal angenommen und sind in einem Wert zusammengefasst. Im Ansatz der DIN V 18599 erfolgt die explizite Berechnung des Energiebedarfs für Beleuchtung (bei Nichtwohngebäuden) und der Wärmeabgabe von anlagentechnischen Komponenten, letztere in der Regel abhängig von den Umgebungstemperaturen. Diese berechneten Größen gehen nachfolgend schrittweise in die Bedarfsermittlung ein. Eine Gegenüberstellung weiterer Unterschiede in den Berechnungsverfahren ist in Tafel 1.13.1-2 aufgeführt.

1.13.1-1.6 Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz Seit dem 1. Januar 2009 muss bei Gebäuden, die unter den Anwendungsbereich des Gesetzes (mit aktuellem Datum vom 1. Mai 20111)) fallen – das sind praktisch alle Gebäude, für die auch Anforderungen gemäß Energieeinsparverordnung gelten – der Wärmeenergiebedarf anteilig mit erneuerbaren Energien gedeckt werden. Der Wärmeenergiebedarf stellt die Energiemenge (ohne Hilfsenergie) dar, die vom Wärmeerzeuger zu Heizzwecken und zur Warmwasserbereitung bereitgestellt werden muss (Bild 1.13.1-2). Im Falle der Gebäudekühlung zählt auch die Energiemenge für Kühlzwecke dazu.

1)

Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) vom 07.08.2008, Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2011, Teil I, Nr. 17, 15.04.2011, S. 619–635.

1

624

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Bild 1.13.1-2. Definition des Wärmeenergiebedarfs für Heizung und Warmwasserbereitung. Im Falle der Gebäudekühlung ist der dazu erforderliche Energieanteil zusätzlich einzubeziehen.

Bei Verwendung fester Biomasse (z.B. Holzpellets oder Holzhackschnitzel), Erdwärme oder Umweltwärme (z.B. unter Einsatz von Wärmepumpen) muss der Wärmeenergiebedarf zu mindestens 50 % daraus gedeckt werden. Zusätzlich gelten bestimmte Anforderungen an die technischen Komponenten, wie z.B. Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen. Eine Deckung des Wärmeenergiebedarfs zu mindestens 30 % ist bei Einsatz von Biogas erforderlich. Wird solare Strahlungsenergie genutzt, beträgt der Deckungsanteil am Wärmeenergiebedarf mindestens 15 %. Eine Pauschalisierung sieht das Gesetz vor, wenn die Warmwasserbereitung durch eine Solaranlage unterstützt wird. Bei Ein- und Zweifamilienhäusern müssen 4 m2 Kollektorfläche pro 100 m2 beheizter Nutzfläche (gem. EnEV) installiert werden. Bei größeren Gebäuden sind es 3 m2 pro 100 m2 beheizter Nutzfläche. Diese Maßnahmen können auch kombiniert werden (z.B. 25 % über eine Wärmepumpe und 15 % über Nutzung von Biogas). Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Ersatzmaßnahmen zu ergreifen. Hierzu zählen die Nutzung von Abwärme, beispielsweise aus Produktionsprozessen, oder die Nutzung von Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit einem Deckungsanteil des Wärmeenergiebedarfs von mind. 50 % sowie der Anschluss an ein Netz der Nah- oder Fernwärmeversorgung, das auf Basis erneuerbarer Energien über Kraft-Wärme-Kopplung oder Abwärme betrieben wird. Auch mit verbessertem Wärmeschutz, der zu einer Unterschreitung der (jeweils gültigen) EnEV-Anforderungen um mindestens 15 % führt, werden die Anforderungen des Gesetzes im Sinne einer Ersatzmaßnahme erfüllt. Wer weder erneuerbare Energien nutzen noch Ersatzmaßnahmen ergreifen kann, ist von der Nutzungspflicht befreit. Führen Maßnahmen im Einzelfall zu einer unbilligen Härte, kann die zuständige Landesbehörde eine Befreiung von der Nutzungspflicht gewähren. Grundsätzlich muss das Gesetz seit Inkrafttreten am 1. Januar 2009 beachtet werden. Die Anforderung gilt nicht für Vorhaben, bei denen der Bauantrag vor diesem Datum gestellt oder die Bauanzeige vorher erstattet wurde. Gleiches gilt für die nicht genehmigungsbedürftige Errichtung eines Gebäudes, wenn die erforderliche Kenntnisgabe vor dem 1. Januar 2009 erfolgt ist bzw. bei verfahrensfreien Vorhaben, wenn mit der Ausführung vor dem 1. Januar 2009 begonnen werden durfte oder rechtmäßig begonnen wurde.

1.13.1 Einführung

1.13.1-2

625

Anforderungen für Wohngebäude

1.13.1-2.1 Jahres-Primärenergiebedarf und spezifischer Transmissionswärmeverlust Die wesentlichen Anforderungen der Energieeinsparverordnung werden bei Wohngebäuden über den Jahres-Primärenergiebedarf formuliert. Zusätzlich wird eine Anforderung an den spezifischen, auf die Wärme übertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlust (mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient) gestellt. Mit der Energieeinsparverordnung 2014 wird das Anforderungsmodell der EnEV 2009 fortgeschrieben. Die Vorgabe einer Referenzbautechnik in Verbindung mit einer Referenzanlagentechnik führt zu einem Referenzgebäude, aus dem der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes resultiert. Die Formulierung der Anforderungen über das Referenzgebäudeverfahren geschieht wie folgt: Unter Zugrundelegung der geplanten Gebäudegeometrie (Gebäudevolumen und Hüllfläche), der geplanten Gebäudeausrichtung und der Fenstergrößen wird die Gebäudehülle mit einer bestimmten Ausführung des baulichen Wärmeschutzes und mit einer bestimmten vorgegebenen Anlagentechnik ausgestattet. Berechnet man den Jahres-Primärenergiebedarf dieses Referenzgebäudes, so resultiert ein spezifischer Anforderungswert – der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf. Dieser zulässige JahresPrimärenergiebedarf ist von dem tatsächlich zu errichtenden Gebäude mit der tatsächlich geplanten baulichen Ausführung und der tatsächlich geplanten Anlagentechnik einzuhalten bzw. zu unterschreiten. Ab dem 1. Januar 2016 ist der so ermittelte Wert um 25 % zu reduzieren. Die bauliche Ausführung des Referenzgebäudes „Wohngebäude“ ist in Tafel 1.13.1-3 aufgeführt. Eine grafische Darstellung aller wesentlichen Komponenten des Referenzgebäudes – auch die anlagentechnischen Elemente – zeigt Bild 1.13.1-3. Zusätzlich zu den genannten Anforderungen an den Jahres-Primärenergiebedarf Qp wird der spezifische Transmissionswärmeverlust HT‘ begrenzt. Diese Größe, die eine Mindestqualität des baulichen Wärmeschutzes sicherstellen soll, wird abhängig von Gebäudetyp und -größe vorgegeben (Tafel 1.13.1-4). Tafel 1.13.1-3 Bauliche Ausführung des Referenzgebäudes „Wohngebäude“ gemäß EnEV 2014 Zeile

Bauteil/System

Referenzausführung bzw. Wert (Maßeinheit)

1.1

Außenwand, Geschossdecke gegen Außenluft

U = 0,28 W/(m2 K)

1.2

Außenwand gegen Erdreich, Bodenplatte, Wände und Decken zu unbeheizten Räumen (außer solche nach Zeile 1.1)

U = 0,35 W/(m2 K)

1.3

Dach, oberste Geschossdecke, Wände zu Abseiten

U = 0,20 W/(m2 K)

1.4

Fenster, Fenstertüren

Uw = 1,3 W/(m2 K); g = 0,60

1.5

Dachflächenfenster

U = 1,4 W/(m2 K); g = 0,60

1.6

Lichtkuppeln

U = 2,7 W/(m2 K); g = 0,64

1.7

Außentüren

U = 1,8 W/(m2 K)

2

Wärmebrückenzuschlag (Bauteile nach 1.1 bis 1.7)

ΔUWB = 0,05 W/(m2 K)

3

Luftdichtheit der Gebäudehülle

Bei Berechnung nach • DIN V 4108-6: 2003-06: mit Dichtheitsprüfung • DIN V 18599-2: 2007-02: nach Kategorie I

1

626

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Bild 1.13.1-3. Referenzausführung für Wohngebäude (schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten)

Tafel 1.13.1-4 Höchstwerte des spezifischen, auf die Wärme übertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlusts gemäß EnEV 2014 Zeile

Gebäudetyp

1

Freistehendes Wohngebäude

Höchstwert des spezifischen Transmissionswärmeverlusts mit AN ≤ 350 m2

H'T = 0,40 W/(m2 · K)

mit AN > 350 m2

H'T = 0,50 W/(m2 · K)

2

Einseitig angebautes Wohngebäude (z.B. Reihenendhaus)

H'T = 0,45 W/(m2 · K)

3

alle anderen Wohngebäude (z.B. Reihenmittelhaus)

H'T = 0,65 W/(m2 · K)

4

Erweiterungen und Ausbauten von Wohngebäuden gemäß § 9 Abs. 5

H'T = 0,65 W/(m2 · K)

1.13.1-2.2 Sommerlicher Wärmeschutz Damit zu Wohn- und ähnlichen Zwecken dienende Räume (allgem. Aufenthaltsräume) im Sommer möglichst ohne Anlagentechnik zur Kühlung auskommen und zumutbare Temperaturen nur selten überschritten werden, darf der raumbezogene Sonneneintragskennwert gemäß DIN 4108-21) den Höchstwert Szul nicht überschreiten.

1.13.1-2.3 Gebäudebestand Bei bestehenden Gebäuden sieht die EnEV vor: – Anforderungen bei baulichen Veränderungen an bestehenden Gebäuden, – anlagentechnische und bauliche Nachrüstungsverpflichtungen sowie – Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der energetischen Qualität.

1)

DIN 4108-2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“, 02-2013.

1.13.1 Einführung

627

Bei Änderungen von bestehenden Gebäuden greifen die Anforderungen, wenn der erstmalige Einbau, der Ersatz oder die Erneuerung einzelner Bauteile einen Anteil von 10 % der gesamten jeweiligen Bauteilfläche des Gebäudes übersteigt. Es dürfen die in Tafel 1.13.1-5 aufgeführten maximalen Wärmedurchgangskoeffizienten nicht überschritten werden. Der Wärmedurchgangskoeffizient für das erneuerte Bauteil kann dabei unter Berücksichtigung vorhandener Bauteilschichten ermittelt werden. Die Anforderungen gelten auch als erfüllt, wenn für das gesamte Gebäude – unter Berücksichtigung der baulichen Änderungen – der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf für Neubauten (Qp, max, Neubau) um nicht mehr als 40 % überschritten wird. Nachrüstverpflichtungen bei bestehenden Gebäuden und Anlagen aus der EnEV 2007 wurden fortgeschrieben und teilweise verschärft. Die Wärmedurchgangskoeffizienten der obersten Geschossdecke müssen den Wert von 0,24 W/(m2·K) einhalten. Für begehbare oberste Geschossdecken gilt eine Übergangsfrist bis zum 31. Dezember 2011. Heizkessel, die vor dem 1. Oktober 1978 aufgestellt wurden, sind außer Betrieb zu nehmen. Diese Regelung gilt nicht für bestehende Niedertemperatur- oder Brennwertkessel und Anlagen, deren Nennleistung weniger als 4 kW oder mehr als 400 kW beträgt. Eigentümer von Gebäuden müssen bei heizungstechnischen Anlagen ungedämmte, zugängliche Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen, die sich nicht in beheizten Räumen befinden, zur Begrenzung der Wärmeabgabe dämmen. Die Anforderungen an die einzuhaltenden Dämmdicken sind in Tafel 1.13.1-6 zusammengefasst. Für Wohngebäude mit nicht mehr als zwei Wohnungen, die vom Eigentümer bewohnt werden, gelten in Abhängigkeit vom Datum des Eigentumsübergangs spezielle Anforderungen bzw. Übergangsfristen für die zuvor genannten Nachrüstverpflichtungen. Darüber hinaus werden Festlegungen zur Aufrechterhaltung der energetischen Qualität getroffen. Der bestehende Wärmeschutz der Bauteile darf nicht verringert werden, energiebedarfssenkende Einrichtungen sind betriebsbereit zu halten. Tafel 1.13.1-5 Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenbauteile bei Änderungen im Gebäudebestand Bauteil

Gebäude mit normalen Innentemperaturen

Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen

Umax [W/(m2K)] Außenwände

UAW ≤ 0,24 – 0,35

UAW ≤ 0,35

Fenster, Fenstertüren

UW ≤ 1,3 – 1,4

UW ≤ 1,9

Verglasungen

Ug ≤ 1,1

Ug ≤ 1,9

Außentüren

UT ≤ 1,8

UT ≤ 1,8

Decken, Dächer

UD2

Decken und Wände gegen unbeheizte Räume oder Erdreich

UU bzw. UG ≤ 0,30 – 0,50

keine Anforderungen

Decken nach unten an Außenluft

UG ≤ 0,24

keine Anforderungen

≤ 0,20 – 0,24

UD ≤ 0,35

1

628

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Tafel 1.13.1-6 Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen, Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen Zeile

Art der Leitungen/Armaturen

Mindestdicke der Dämmschicht, bezogen auf eine Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/(mK)

1

Innendurchmesser bis 22 mm

20 mm

2

Innendurchmesser über 22 mm bis 35 mm

30 mm

3

Innendurchmesser über 35 mm bis 100 mm

gleich Innendurchmesser

4

Innendurchmesser über 100 mm

100 mm

5

Leitungen und Armaturen nach den Zeilen 1 bis 4 in Wand- und Deckendurchbrüchen, im Kreuzungsbereich von Leitungen, an Leitungsverbindungsstellen, bei zentralen Leitungsnetzverteilern

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

6

Leitungen von Zentralheizungen nach den Zeilen 1 bis 4, die nach dem 31. Januar 2002 in Bauteilen zwischen beheizten Räumen verschiedener Nutzer verlegt werden

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

7

Leitungen nach Zeile 6 im Fußbodenaufbau

6 mm

8

Kälteverteilungs- und Kaltwasserleitungen sowie Armaturen von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen

6 mm

1.13.1-2.4 Heizungstechnische Anlagen, Warmwasseranlagen und Wärmeverteilung, Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien Die EnEV sieht vor, dass als Wärmeerzeuger bei neu zu errichtenden Gebäuden grundsätzlich alle im europäischen Binnenmarkt zulässigen Heizkessel eingesetzt werden dürfen. Die CE-Kennzeichnung, die die Konformitätserklärung des Herstellers dokumentiert, ist jedem Heizkessel beizulegen. Somit ist es möglich, bei neu zu errichtenden Gebäuden auch Standardheizkessel, also Geräte mit vergleichsweise schlechter Energieeffizienz, einzubauen. Bei Einsatz eines Heizkessels im Gebäudebestand wird gefordert, dass diese Kessel dem Stand der Niedertemperatur- oder Brennwerttechnik entsprechen müssen. Heizungsanlagen sind grundsätzlich mit Einrichtungen auszustatten, die es ermöglichen, die gesamte Anlage oder auch Teile (Pumpen, Ventile) zeitabhängig oder in Abhängigkeit einer geeigneten Führungsgröße zu steuern bzw. zu regeln. Weiterhin müssen Heizungsanlagen raumweise regelbar sein (z.B. Thermostatventile). Umwälzpumpen sind selbsttätig steuer- oder regelbar auszuführen. Darüber hinaus gelten für neu zu errichtende Gebäude die in Tafel 1.13.1-11 aufgeführten Anforderungen an die Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen. Strom aus erneuerbaren Energien (z.B. aus Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerken) darf im Nachweisverfahren angerechnet werden, wenn er in unmittelbar räumlichen Zusammenhang mit dem Gebäude erzeugt und vorrangig im Gebäude selbst genutzt wird.

1.13.1-2.5 Raumluftkühlung Bei Gebäude mit Anlagen zur Kühlung ist das Nachweisverfahren gemäß DIN V 18599 anzuwenden. Das Rechenverfahren der Norm in der Fassung von Dezember 2011 erlaubt die Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs der Raumkühlung auch für Wohngebäude. Der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf wird ohne Berücksichtigung

1.13.1 Einführung

629

einer Kühlung ermittelt. Somit muss der für die Kühlung erforderliche Energieaufwand im Rahmen der Gesamtbilanzierung kompensiert werden.

1.13.1-2.6 Energieausweise Wird ein Gebäude errichtet oder geändert und werden im Zusammenhang mit der Änderung die erforderlichen Berechnungen gemäß Energieeinsparverordnung durchgeführt, so ist dem Eigentümer ein Energieausweis unter Zugrundelegung der energetischen Eigenschaften des fertiggestellten oder geänderten Gebäudes auszustellen. Der Eigentümer hat den Energieausweis der nach Landesrecht zuständigen Behörde auf Verlangen vorzulegen und zu übergeben. Beim Verkauf eines Gebäudes hat der Verkäufer dem Kaufinteressenten einen Energieausweis (inkl. ggfs. vorliegender Modernisierungsempfehlungen) spätestens bei der Besichtigung vorzulegen bzw. bei Abschluss des Kaufvertrages zu übergeben. – Der Energieausweis bezieht sich – auch beim Verkauf von Wohnungs- und Teileigentum – auf das gesamte Gebäude. – Im Falle gemischt genutzter Gebäude (z.B. Gebäude, die teilweise Büronutzung und teilweise Wohnnutzung aufweisen) ist der Energieausweis für die entsprechenden Teile des Gebäudes auszustellen. Die zuvor genannte Anforderung gilt für den Vermieter, Verpächter und Leasinggeber entsprechend bei der Vermietung, der Verpachtung oder beim Leasing eines Gebäudes, einer Wohnung oder einer sonstigen selbständigen Nutzungseinheit. Für Gebäude mit mehr 500 m2 (nach dem 8. Juli 2015 mehr als 250 m2) Nettogrundfläche, die einen starken Publikumsverkehr aufweisen, sind vorhandene Energieausweise an einer für die Öffentlichkeit gut sichtbaren Stelle auszuhängen. In Immobilienanzeigen sind – sofern ein Energieausweis vorliegt – umfassende Aussagen zur energetischen Qualität des Gebäudes zu treffen. Im Falle von bereits vorhandenen Energieausweisen, die nach den Maßgaben vorheriger Verordnungen erstellt wurden, ist in den Anzeigen der Endenergiebedarf oder Endenergieverbrauch anzugeben. Liegen Energieausweise gemäß den Anforderungen der EnEV 2014 vor, sind über die Angabe des Endenergiebedarfs oder Endenergieverbrauchs hinaus der wesentliche Energieträger für die Heizung des Gebäudes, das Gebäudejahr und die Energieeffizienzklasse aufzunehmen. Während für Neubauten und in größerem Umfang energetisch modernisierte Bestandsgebäude der Energieausweis auf Basis des Energiebedarfs (berechnete Größe) zu erstellen ist, kann bei bestehenden Gebäuden auch der Energieverbrauch (messtechnisch ermittelte Größe) angegeben werden. Besondere Regelungen zur Aufnahme der Daten von Bestandsgebäuden zur Erstellung von Energiebedarfsausweisen sowie die Vorgehensweise zu Aufnahme und Witterungsbereinigung von Verbrauchsdaten sind in Richtlinien des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Städtebau (BMVBS) aufgeführt. Den Energieausweisen von Bestandsgebäuden (Energiebedarfsausweisen und Energieverbrauchsausweisen) sind Modernisierungsempfehlungen mit Angabe von wirtschaftlichen Maßnahmen zur Verbesserung der energetischen Qualität des Gebäudes als Einzelund Gesamtmaßnahmen beizufügen. Die Energieausweise weisen eine Gültigkeitsdauer von zehn Jahren auf. Die entsprechenden Formulare sind in den Anlagen 6 bis 9 der EnEV aufgenommen. Der Energiebedarfsausweis ermöglicht sinnvolle Aussagen über die energetische Qualität eines Gebäudes und bei Bestandsgebäuden zusätzlich empfehlenswerte Modernisierungsmaßnahmen.

1.13.1-2.7 Umsetzung der EnEV Wie gemäß EnEV 2009 sind in der EnEV 2014 hinsichtlich der Verantwortlichkeit für die Einhaltung der Vorschriften explizit auch die Personen einbezogen, die im Auftrage des Bauherrn bei entsprechenden Maßnahmen an dem Gebäude tätig werden. Speziell für die Fälle der Änderung von Außenbauteilen, der Dämmung oberster Geschossdecken sowie dem erstmaligen Einbau oder Ersatz von anlagentechnischen Komponenten wird eine sogenannte Fachunternehmererklärung gefordert. Hiermit erklärt der Unternehmer, dass er alle Arbeiten entsprechend den Anforderungen der Energieeinsparverordnung ausgeführt hat. Eine Prüfung der Ausführung von Nachrüstungsverpflichtungen für anlagentechnische Komponenten (Heizkessel, Rohrleitungsdämmung) und die Anforderungen hinsichtlich der energetischen Qualität von regelungstechnischen Anlagen

1

630

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

und neu eingebauter Umwälzpumpen erfolgt künftig durch den Bezirksschornsteinfegermeister. Dieser weist den Gebäudeeigentümer auf ggf. vorliegende Unzulänglichkeiten hin.

1.13.1-3

Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs für Wohngebäude gemäß DIN V 4108-6

1.13.1-3.1 Monatsbilanz Neben dem so genannten Heizperiodenverfahren bietet DIN V 4108-61) das genauere Monatsbilanzverfahren an. Im Rahmen des rechnerischen Nachweises gemäß EnEV 2009 ist ausschließlich das Monatsbilanzverfahren zu verwenden, das nachfolgend in den Grundzügen erläutert wird. Für jeden Monat wird die Verlust-Gewinn-Bilanz durchgeführt. Anschließend erfolgt die Addition aller positiven monatlichen Bilanzwerte für das gesamte Jahr. Qh, M = Ql, M - ηM · Qg, M mit Qh, M Ql, M

monatlicher Verlust, monatlicher Gewinn, ηM monatlicher Ausnutzungsgrad Infolge der Wärmetransmission (Wärmedurchgang durch die Bauteile) und der Gebäudelüftung (Ventilation) entstehen die monatlichen Verluste. Die Anteile werden entsprechend als Transmissionswärmeverluste HT und Lüftungswärmeverluste HV gekennzeichnet. Der monatliche Verlust wird wie folgt bestimmt: Ql,M = 0,024 · (HT + HV) · (θe – θi) · tM Dabei sind HT spezifischer Transmissionswärmeverlust [W/K], HV spezifischer Lüftungswärmeverlust [W/K], θε mittlere monatliche Außentemperatur [°C], θι Soll-Innentemperatur in der beheizten Zone [°C] (Mittlere Gebäudeinnentemperatur), tM Anzahl der Tage im jeweiligen Monat [d] 0,024 Umrechnung: 0,024 kWh = 1 Wd. Die monatlichen Wärmegewinne setzen sich zusammen aus den monatlichen Strahlungsgewinnen Φs, M und den monatlichen internen Wärmegewinnen Φi, M Qg, M = 0,024 · (Φs, M + Φi, M) mit

Φs, M Φi, M

mittlerer monatlicher Solarstrahlungsgewinn [W], Wärmegewinn aus internen Wärmequellen [W]

1.13.1-3.2 Wärmebrücken und Luftdichtheit Für die Bestimmung des Jahres-Heizwärmebedarfs im Rahmen des Nachweisverfahrens der Energieeinsparverordnung sind die Aspekte Wärmebrücken und Luftdichtheit besonders hervorzuheben. Über „Bonusanreize“, die eine gute Detailplanung – und natürlich auch eine gute Detailausführung – belohnen, wird eine verbesserte Qualität der Baukonstruktion und der Gebäude erreicht. Die genannten Aspekte fließen ein in die Bestimmung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste.

1)

DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2003.

1.13.1 Einführung

1.13.1-3.2.1

Transmissionswärmeverluste

Die rechnerische Bestimmung der Transmissionswärmeverluste erfolgt unter Berücksichtigung der einzelnen Bauteilflächen, der entsprechenden Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) und der Temperatur-Korrekturfaktoren, die in Abhängigkeit von Art und Lage des Bauteils angesetzt werden. Die Wärmeverluste im Bereich von Wärmebrücken werden über den Wärmebrückenkorrekturwert ΔUWB erfasst. Dieser Wärmebrückenkorrekturwert wird mit der gesamten Wärme übertragenden Umfassungsfläche Ages multipliziert und zu den Wärmeverlusten über die einzelnen Bauteile der Gebäudehülle addiert. HT =  · (Fi · Ui · Ai) + UWB · Ages bzw. HT = UAW · AAW + UW · AW + FD · UD · AD + FG · UG · AG + UDL · ADL + FAB · UAB · AAB + UWB · Ages mit U Wärmedurchgangskoeffizient A Bauteilfläche FD , FG , FAB Temperatur-Korrekturfaktoren Indices: AW Außenwand W Fenster D Dach G gegen Erdreich DL Decken nach unten gegen Außenluft AB gegen unbeheizte Räume WB Wärmebrücke ges gesamte Wärme übertragende Hüllfläche Als ΔUWB wird 0,10 W/(m2 · K) vorgesehen, es sei denn, die Regelkonstruktionen entsprechen den in DIN 4108, Beiblatt 21) dargestellten Musterlösungen (z.B. Bild 1.13.1-4). Ist eine Gleichwertigkeit der in Planung und Ausführung vorgesehenen Anschlüsse mit den im Beiblatt aufgenommenen Anschlusslösungen durch die dargestellten konstruktiven Grundprinzipien unter Berücksichtigung der Bauteilabmessungen und Dämmschichtstärken gegeben, darf ΔUWB zu 0,05 W/(m2 · K) angesetzt werden. Sind die konstruktiven Grundprinzipien nicht vergleichbar, besteht die Möglichkeit, den Wärmebrückenverlustkoeffizienten ψ (längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient) eines Anschlusses zu berechnen bzw. Herstellerangaben oder Wärmebrückenkatalogen zu entnehmen. Dieser Wert muss den jeweiligen im Beiblatt aufgeführten Referenzwert unterschreiten. Beim Gleichwertigkeitsnachweis sind die im Beiblatt aufgenommenen Wärmebrücken zu berücksichtigen2) an: – Gebäudekanten, – Fenster- und Türleibungen, – Wand- und Deckeneinbindung, – Deckenauflager und thermisch entkoppelten Balkonplatten. Weiterhin besteht die Möglichkeit des detaillierten Nachweises über einzelne Wärmebrückenverlustkoeffizienten (ψ -Werte), die aus Wärmebrückenkatalogen wie z. B. 3) 4) 5) 6) 7) entnommen werden können. 1) 2) 3) 4)

631

DIN 4108 Beiblatt 2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele“, 03-2006. DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2003. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. 2., durchgesehene Auflage, Bauverlag, Wiesbaden 1993. Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992.

1

632

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Hierzu sind die beim zuvor beschriebenen Gleichwertigkeitsnachweis zu berücksichtigende Wärmebrücken eines Gebäudes einzubeziehen und in dem ΔUWB-Wert zusammenzufassen:

ΔUWB =

Σ j (Ψi · li) Ages

Bild 1.13.1-4. Beispiel einer Ausführung des Dach-Innenwand-Anschlusses in Anlehnung an DIN 4108, Beiblatt 2*) *)

DIN 4108 Beiblatt 2 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele“, 03-2006.

Für Fassaden, bei denen die wesentlichen Wärmebrückenwirkungen bereits im U-Wert erfasst sind, darf ΔUWB für diese Flächen zu Null gesetzt werden. Die zuvor genannte Gleichung zur Berechnung des Transmissionswärmeverlustes HT wird auch für den Nachweis der Zusatzanforderung der EnEV 2009 herangezogen. Der spezifische, auf die Wärme übertragende Umfassungsfläche (Ages) bezogene Transmissionswärmeverlust ist wie folgt zu ermitteln: HT’ = 1.13.1-3.2.2

HT Ages Lüftungswärmeverluste

Wegen der erhöhten Luftdichtheit der Gebäudehülle und der vorgesehenen separaten Berücksichtigung der Wärmebrückenwirkungen wird ein Luftwechsel von 0,7 h–1 angesetzt. Falls bei natürlich belüfteten Gebäuden mittels messtechnischer Überprüfung die Einhaltung des Grenzwerts der Luftdichtheit gemäß DIN V 4108-7 (n50 ≤ 3,0 h–1) nachgewiesen wird, kann ein Luftwechsel von 0,6 h–1 bei Fensterlüftung und Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung bzw. 0,55 h–1 bei Abluftanlagen in Ansatz gebracht werden. Der Lüftungswärmeverlust berechnet sich zu: HV = 0,34 · n · V Bei Verwendung einer mechanischen Lüftungsanlage und Inanspruchnahme des entsprechenden Bonus ist die messtechnische Überprüfung des entsprechenden Grenzwertes von n50 = 1,5 h-1 erforderlich. Die Prüfung der Luftdichtheit erfolgt nach DIN EN ISO 99721) mit dem Verfahren B (Prüfung der Gebäudehülle). In diesem Verfahren wird die

5)

6) 7) 1)

Hauser, G.; Schulze, H.; Stiegel, H.: Wärmetechnische Optimierung von Anschlussdetails bei Niedrigenergiehäusern und Erarbeitung von Standardlösungen. Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart 1996. Hauser, G.; Stiegel, H; Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Ingenieurbüro Hauser, Baunatal 1998. KS Online-Wärmebrückenkatalog unter www.ks-waermebruecken.de. DIN EN ISO 9972 „Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden – Differenzdruckverfahren“, 12-2015.

1.13.1 Einführung

Qualität der Gebäudehülle ohne die eingebauten haustechnischen Anlagen bewertet. Dabei ist es notwendig, alle Fenster und Fenstertüren zu schließen und Zu- bzw. Abluftdurchlässe von raumlufttechnischen Anlagen (dazu gehört nicht die direkt ins Freie fördernde Dunstabzugshaube), Außenwandluftdurchlässe (ALD-Lüftungseinrichtungen) sowie die raumseitigen Öffnungen raumluftabhängiger Feuerstätten temporär abzudichten. Die nicht der Lüftung dienenden Öffnungen (z.B. Briefkastenschlitze und Katzenklappen) bleiben unverändert und dürfen für die vorgesehene Prüfung nicht abgedichtet werden. Der Nachweis der Dichtheit des Gebäudes ist im Zusammenhang mit seiner Fertigstellung (nach Beendigung aller die Luftdichtheitsebene tangierenden Arbeiten) zu führen1). Bei Nichteinhalten der bei Bauantragstellung zugrunde gelegten Luftdichtheit ist nachzubessern, ähnlich wie dies z.B. auch bei brandschutztechnischen Belangen der Fall ist.

1.13.1-3.3 Wärmespeicherfähigkeit Die Wärmespeicherfähigkeit eines Gebäudes fließt ein in die Bestimmung des Ausnutzungsgrades solarer und interner Wärmegewinne sowie in die Ermittlung der Energieeinsparung durch unterbrochenen Heizbetrieb (Nachtabschaltung). 1.13.1-3.3.1

Ausnutzungsgrad

Die Quantifizierung der nutzbaren solaren und internen Wärmegewinne erfolgt dabei über einen Ausnutzungsgrad, der vom Wärmegewinn/Wärmeverlust-Verhältnis abhängig ist. Dabei ist die wirksame Wärmespeicherfähigkeit im Berechnungsverfahren der DIN V 4108-6 anzusetzen für: – leichte Gebäude mit Cwirk = 15 Wh/(m3 · K) · Ve und für – schwere Gebäude mit Cwirk = 50 Wh/(m3 · K) · Ve Ve beinhaltet dabei das Bruttovolumen des Gebäudes. Eine genauere Ermittlung der Wärmespeicherfähigkeit kann gemäß DIN V 4108-6 erfolgen:

Cwirk = Σ j (ci · r i · di · Ai) mit c [Wh/(kg·K)] spezifische Wärmekapazität Rohdichte r [kg/m3] d [m] wirksame Schichtdicke Bauteilfläche A [m2] Die Aufsummierung erfolgt über alle Bauteilflächen des Gebäudes, die mit der Raumluft in Berührung kommen, wobei nur die wirksamen Schichtdicken di berücksichtigt werden. Zur Bestimmung der wirksamen Schichtdicken gelten folgende Regelungen: – bei Schichten mit einer Wärmeleitfähigkeit λi ≥ 0,1 W/(m · K), • die einseitig an Raumluft grenzen, gilt: Aufsummierung aller Schichten bis zu einer maximalen Gesamtdicke von di, max = 0,10 m; • die beidseitig an die Raumluft grenzen (Innenbauteile), gilt: halbe Bauteildicke bei einer Schicht, wenn die Dicke ≤ 20 cm ist, oder höchstens 10 cm, wenn die Dicke > 20 cm ist. Bei mehreren Schichten: Vorgehensweise wie zuvor beschrieben, allerdings beidseitig angewendet. – bei raumseitig vor Wärmedämmschichten (z.B. Estrich auf einer Wärmedämmschicht) liegenden Schichten mit einer Wärmeleitfähigkeit λi < 0,1 W/(m · K) dürfen nur die Dicken der Schichten bis maximal 10 cm in Ansatz gebracht werden. Als Wärmedämmschicht gelten Baustoffe mit Wärmeleitfähigkeiten λi < 0,1 W/(m · K) und einem Wärmedurchlasswiderstand Ri > 0,25 (m2 · K)/W. Bei Außenbauteilen wird die Fläche Ai über Außenmaße (Bruttofläche) und bei Innenbauteilen über die Innenmaße (Nettofläche) bestimmt.

1)

Auslegungsfragen zur Energieeisparverordnung (EnEV), www.dibt.de.

633

1

634

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Die so ermittelte Wärmespeicherfähigkeit kann auch für die zum Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes nach DIN 4108-2 erforderliche Einstufung – leichte, mittlere oder schwere Bauart – herangezogen werden. Für eine detailliertere Betrachtung sind Hinweise in DIN EN ISO 137861) enthalten. 1.13.1-3.3.2

Nachtabschaltung

Die Energieeinsparung durch Nachtabschaltung wird über ein detailliertes Berechnungsverfahren ermittelt, wobei die wirksame Wärmespeicherfähigkeit für – leichte Gebäude mit Cwirk,NA = 12 Wh/(m3 · K) · Ve und für – schwere Gebäude mit Cwirk,NA = 18 Wh/(m3 · K) · Ve anzusetzen ist, falls nicht eine detaillierte Ermittlung erfolgt. Bei der Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit gemäß dem oben dargestellten Ansatz der DIN V 4108-6 ist zu beachten, dass hier nur mit einer wirksamen Dicke der an die Raumluft angrenzenden Schichten von höchstens 3 cm gerechnet wird. Die Heizunterbrechungsdauer ist bei Wohngebäuden mit sieben Stunden anzusetzen.

1.13.1-3.4 Maßbezüge Bezüglich der Ermittlung der Wärme übertragenden Umfassungsfläche eines Gebäudes verweist die Energieeinsparverordnung auf DIN EN ISO 137892) Anhang B und führt aus, dass der Fall „Außenabmessung“ zu verwenden ist. Die Norm greift allerdings nicht alle baupraktisch relevanten Fälle auf. Für eine wärmetechnisch sinnvolle Betrachtung sollten zusätzlich DIN V 18599-1 und DIN 4108 Beiblatt 2 herangezogen werden. DIN V 18599-1 definiert – für Einzonen-Berechnungen, also Wohngebäude – als Bezugsmaße zur Bestimmung der Wärme übertragenden Umfassungsfläche sowie des Bruttovolumens (externen Volumens) folgende Maße in horizontaler Richtung: – bei Außenbauteilen die Außenmaße nach DIN EN ISO 13789, einschließlich eventuell vorhandener außenliegender Wärmedämmung und, sofern vorhanden, einschließlich Putz; – bei Innenbauteilen zwischen einer temperierten und einer nicht temperierten Zone das Außenmaß der temperierten Zone, z.B. das trennende Bauteil zwischen einem beheizten und einem nicht beheizten Kellerraum

Bild 1.13.1-5. Bezugsmaße in vertikaler Richtung: a) Oberkante der Rohdecke – allgemeiner Fall; b) Oberkante der obersten wärmetechnisch wirksamen Schicht – Ausnahme; c) Unterseite der wärmetechnisch wirksamen Schicht bei außengedämmten Bodenplatten – Ausnahme; A = Fläche Bodenplatte, A = Fläche oberste Geschossdecke, A = Fläche Außenwand G

D

AW

Für horizontale Abmessungen wird somit der Maßbezug bis zur Außenseite der wärmetechnisch wirksamen Schichten klar festgelegt. Die äußere Systemgrenze bildet die Außenkante der Bauteilschicht, die in der U-Wert-Berechnung nach DIN EN ISO 69463) zu berücksichtigen ist. Im Fall der Abmessungen in vertikaler Richtung wird in DIN V 18599 folgendes ausgeführt: 1) 2)

3)

DIN EN ISO 13786 „Wärmetechnisches Verhalten von Bauteilen – Dynamisch-thermische Kenngrößen – Berechnungsverfahren“, 04-2008. DIN EN ISO 13789 „Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Spezifischer Transmissionsund Lüftungswärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren (ISO 13789:2007)“, 04-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 13789:2007. DIN EN ISO 6946 „Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren (ISO 6946:2007)“, 04-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 6946:2007.

1.13.1 Einführung

635

– Bezugsmaß ist die Oberkante der Rohdecke in allen Ebenen eines Gebäudes (unterer Gebäudeabschluss, alle Geschosse), unabhängig von der Lage der eventuell vorhandenen Dämmschicht (Bild 1.13.1-5a); – die Ausnahme bildet der obere Gebäudeabschluss: Hier wird die Oberkante der obersten wärmetechnisch wirksamen Schicht als Außenmaß verwendet (Bild 1.13.1-5b). Mit Bezug auf die Festlegungen in DIN 4108 Beiblatt 2 sollte eine weitere Ausnahme von der Regelung des ersten Aufzählungspunktes beachtet werden. Im Fall der außengedämmten Bodenplatte des beheizten Kellergeschosses (Ausführungsart 2 und 3 im Beiblatt) ist der Maßbezug bis zur Unterseite der wärmetechnisch wirksamen Schicht anzusetzen (Bild 1.13.1-5c). In Wärmebrückenkatalogen ist dieser Maßbezug bei der Angabe der Wärmebrückenverlustkoeffizienten meist verwendet (z. B. 1) 2)). Im Zweifelsfall ist immer zu prüfen, welcher Maßbezug für die Berechnung der Wärmebrücken herangezogen wurde. Bei Verwendung gleicher Maßbezüge von Bauteilen und Wärmebrücken erfolgt eine bauphysikalisch richtige Berechnung. Für die Bestimmung der Fensterfläche ist im Rahmen des EnEV-Nachweises das lichte Rohbaumaß zu verwenden. Auf Grundlage von DIN EN ISO 10077-13) wird als Fensterfläche das Maß bis zum Anschlag des Blendrahmens festgelegt. Als lichtes Rohbaumaß gilt deshalb das Maueröffnungsmaß, bei dem das Fenster angeschlagen wird (Bild 1.13.1-6). Dabei sind Putz oder ggf. vorhandene Verkleidungen (z. B. Gipskartonplatten beim Holzbau) nicht zu berücksichtigen. Von der so ermittelten Fenstergröße kann unter Berücksichtigung der Einbaufuge auch auf das zu bestellende Fenster geschlossen werden4).

Bild 1.13.1-6. Ermittlung des lichten Rohbaumaßes bei Fensteröffnungen (stumpfer Anschlag, zweischaliges Mauerwerk, mit Innenanschlag); A = Fensterfläche, A = Fläche Außenwand w

1.13.1-4

AW

Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs für Wohngebäude gemäß DIN V 4701-10

Die Ausgangsbasis zur Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs stellt der JahresHeizwärmebedarf dar, der gemäß den Rechenvorschriften der DIN V 4108-6 ermittelt wird. Für den Warmwasserwärmebedarf ist bei Wohngebäuden pauschal ein flächenbezogener Wert von qtw = 12,5 kWh/(m2 · a) zu berücksichtigen. Die Rechenvorschriften im Rahmen von DIN V 4701-105) sehen vor, dass Verluste der Anlagentechnik und Wärmegewinne aus der Umwelt zusammengefasst werden und die Beschreibung der energetischen Effizienz des Gesamtanlagensystems über Aufwandszahlen erfolgt. Die Aufwandszahl stellt das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen dar und

1)

2) 3) 4) 5)

DIN EN ISO 13789 „Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Spezifischer Transmissionsund Lüftungswärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren (ISO 13789:2007)“, 04-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 13789:2007. DIN EN ISO 6946 „Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren (ISO 6946:2007)“, 04-2008 — Deutsche Fassung der EN ISO 6946:2007. DIN EN ISO 10077-1 „Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten – Teil 1: Vereinfachtes Verfahren“, 05-2010. Auslegungsfragen zur Energieeisparverordnung (EnEV), www.dibt.de. DIN V 4701-10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung“, 08-2003.

1

636

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

ist somit der Kehrwert des Nutzungsgrades, der früher in der Anlagentechnik hauptsächlich Verwendung fand. Unter Berücksichtigung von Primärenergiefaktoren gemäß der Tafel 1.13.1-7 wird je nach Anlagentechnik und eingesetztem Energieträger eine Anlagen-Aufwandszahl gebildet. Multipliziert mit der Summe aus Heizwärme- und Warmwasserwärmebedarf resultiert die Zielgröße, der Jahres-Primärenergiebedarf QP: QP = (Qh + Qtw) · eP mit Qh Jahres-Heizwärmebedarf Qtw Jahres-Warmwasserwärmebedarf eP Anlagen-Aufwandszahl Tafel 1.13.1-7 Primärenergiefaktoren nach DIN V 4701-10 und EnEV. Energieträger1),2)

Primärenergiefaktoren fp nicht erneuerbarer Anteil

Fossile Brennstoffe

Biogene Brennstoffe

3

Nah-/Fernwärme aus KWK

Nah-/Fernwärme aus Heizwerken

Heizöl EL

1,1

Erdgas H

1,1

Flüssiggas

1,1

Steinkohle

1,1

Braunkohle

1,2

Biogas

0,5

Bioöl

0,5

Holz

0,2

fossiler Brennstoff

0,7

erneuerbarer Brennstoff

0,0

fossiler Brennstoff

1,3

erneuerbarer Brennstoff Strom

allgemeiner Strommix

4

Verdrängungsstrommix

0,1 2,4 2,8

1 Umweltenergie (Solarenergie, Erdwärme, Geothermie, Umgebungswärme, Umgebungskälte und Abwärme innerhalb des Gebäudes) wird mit einem Primärenergiefaktor fP=0 bewertet. 2 Bezugsgröße Endenergie: Heizwert Hi. 3 Angaben sind typisch für durchschnittliche Nah-/Fernwärme mit einem Anteil der KWK von 70 %. 4 Ab dem 1. Januar 2016 ist im Rahmen des EnEV-Nachweises der Wert 1,8 zu verwenden.

Eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung der Anlagen-Aufwandszahl bietet das so genannte Diagrammverfahren gemäß DIN V 4701-10. Für ein spezifiziertes Anlagensystem (Heizung, Lüftung und Trinkwarmwasserbereitung) wird die Anlagen-Aufwandszahl in Abhängigkeit von der Gebäudenutzfläche und dem Jahres-Heizwärmebedarf in einem Diagramm und dazugehörigen Tabellenwerten dargestellt. Ein Beispiel hierzu ist in Bild 1.13.1-7dargestellt.

1.13.1 Einführung

637

1

Bild 1.13.1-7. Beispielhafte Auftragung der Anlagen-Aufwandszahl ep in Abhängigkeit von der beheizten Gebäudenutzfläche und dem Jahres-Heizwärmebedarf qh.

Eine umfangreiche Zusammenstellung von Musteranlagen mit dazugehörigen Diagrammen findet sich in DIN V 4701, Beiblatt 11). Neben der Anlagen-Aufwandszahl wird in diesem Verfahren auch der Endenergiebedarf in Abhängigkeit von den genannten Größen in Diagrammen aufgetragen. Hinweis: Nach DIN V 4108-6 und EnEV wird der Jahres-Wärmebedarf bzw. Energiebedarf allgemein mit dem Formelzeichen Q [kWh/a] abgekürzt. Q’ [kWh/(m2 · a)] kennzeichnet den volumenbezogenen, Q’’ [kWh/(m2 · a)] den flächenbezogenen JahresWärmebedarf bzw. Energiebedarf. In DIN V 4701-10 wird der flächenbezogene JahresWärmebedarf bzw. Energiebedarf mit q [kWh/(m2 · a)] bezeichnet. Die rechnerische Bestimmung der Anlagen- Aufwandszahl und des Endenergiebedarfs kann über das so genannte Tabellenverfahren erfolgen. Anhand der Kenndaten von Standardprodukten, die in einem Anhang der DIN V 4701-10 aufgenommen sind, erfolgt die Berechnung nach einem einfachen Schema und führt zu Ergebnissen, die einem unteren energetischen Niveau entsprechen. Als dritte Möglichkeit kann das ausführliche Rechenverfahren der Norm herangezogen werden. Die Anwendung dieses Verfahrens bietet sich insbesondere dann an, wenn z.B. Herstellerdaten des Wärmeerzeugers oder detaillierte Kenntnisse über Rohrleitungsführung und -länge zur Verfügung stehen. Die Berechnungen, die gegenüber den zuvor beschriebenen vereinfachten Ansätzen mit wesentlich höherem Aufwand verbunden sind, führen in der Regel zu günstigeren Anlagen-Aufwandszahlen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Rechenverfahren zu „mischen“, d. h. es kann z. B. die Erzeugeraufwandszahl nach dem ausführlichen Rechenverfahren bestimmt und dieser Wert im Tabellenverfahren eingesetzt werden.

1.13.1-4.1 Anlagentechnische Einflussgrößen Die Anlagen-Aufwandszahl kennzeichnet die energetische Effizienz der gesamten Energieversorgungskette, deren Bilanzanteile für die Heizung in Bild 1.13.1-8 schematisch dargestellt sind. Die technischen Verluste des Heizsystems setzen sich zusammen aus Übergabeverlusten im Raum Qce (Heizflächenanordnung, Regelungstechnik), Verteilverlusten Qd (Rohrleitungsführung und -dämmung, Temperatur des Heizmediums), Speicherverlusten Qs (Aufstellort, Speicherdämmung) und Erzeugungsverlusten Qg (Aufstellort, Gerätetechnik). Aus dem Bild ist ersichtlich, dass auch die benötigte Hilfsenergie (Pumpen, Regelung, usw.) in die Betrachtung einbezogen wird. Die Verlustanteile für Lüftung (Bild 1.13.1-9) und Trinkwarmwasserbereitung (Bild 1.13.1-10), die in die

1)

DIN V 4701-10 Beiblatt 1 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung; Beiblatt 1: Anlagenbeispiele“, 02-2007.

638

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Bestimmung der Anlagen-Aufwandszahl einfließen, werden analog zu der zuvor beschriebenen Vorgehensweise erfasst.

Bild 1.13.1-8. Bilanzierungsanteile Heizungsanlage.

Bild 1.13.1-9. Bilanzierungsanteile Lüftungsanlage.

1.13.1 Einführung

639

1

Bild 1.13.1-10. Bilanzierungsanteile Warmwasserbereitung.

1.13.1-5

Variationen baulicher und anlagentechnischer Ausführungen

Um die baupraktischen Auswirkungen der Anforderungen und Möglichkeiten zur Erfüllung der EnEV aufzuzeigen, werden zwei Beispielgebäude betrachtet. Es handelt sich hierbei um ein frei stehendes Einfamilienhaus (Tafel 1.13.1-8) und ein als Zweispänner ausgeführtes Mehrfamilienhaus (Tafel 1.13.1-9). Für die Gebäude erfolgen Variantenbildungen im Bereich baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen. Zur Einhaltung des jeweiligen maximal zulässigen Primärenergiebedarfs beziehungsweise des spezifischen Transmissionswärmeverlustes werden die Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenwände, des Daches und der Kellerdecke beispielhaft angepasst. In Tafel 1.13.1-10 und Tafel 1.13.1-11 sind die betrachteten Varianten mit Angabe der Randbedingungen bezüglich des Luftwechsels (n) und des Wärmebrückenkorrekturwertes (ΔUWB), die jeweiligen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte), der spezifische Transmissionswärmeverlust (HT’), die Anlagenaufwandszahl eP sowie der flächenbezogene End- (qE) und Primärenergiebedarf (qP) aufgeführt. Die sich aus einer Variante ergebenden geänderten Bilanzanteile am Jahres-Primärenergiebedarf sind in den Tafel 1.13.1-10 und Tafel 1.13.1-11 unterlegt. Die jeweils greifende Anforderung – Primärenergiebedarf oder spezifischer Transmissionswärmeverlust – ist fett gedruckt. Weiterhin ist die neu eingeführte, auf den Endenergiebedarf bezogene Effizienzklasse der Energieausweise angegeben. Die für Neubauten üblichen Klassen bewegen sich im Bereich A+ (< 30 kWh/(m2 · a)), A (< 50 kWh/(m2 · a)) bis B (< 75 kWh/(m2 · a)). Beide Gebäude entsprechen im Ausgangsfall baulich sowie anlagentechnisch der Referenzausführung gemäß Energieeinsparverordnung.

1.13.1-5.1 Bauliche Randbedingungen Auf der baulichen Seite wird für den Grundfall angenommen, dass die Gebäude bei Einsatz einer Abluftanlage den Anforderungen an die Gebäudedichtheit genügen, was durch eine Dichtheitsprüfung nachgewiesen wird. In diesem Fall wird ein Luftwechsel von 0,55 h–1 angesetzt. Die Berücksichtigung der Wärmebrücken erfolgt im Grundfall pauschal, wobei der Bonus einer Halbierung – für Ausführungen vergleichbar zum Beiblatt 2 der DIN 4108 mit ΔUWB = 0,05 W/(m2 · K) – in Ansatz gebracht wird. Eine detaillierte Berechnung der Wärmebrückeneinflüsse mittels Wärmebrückenverlustkoeffizienten (ψWerte) kann z.B. zu einem Wert von ΔUWB = 0,02 W/(m2 · K) führen, wie in den Varian-

640

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

ten 1 und 4 bis 9 für das EFH und in den Varianten 1 und 6 bis 8 für das MFH dargestellt. Bei allen Varianten gilt, dass für die Gebäude eine schwere Bauweise angenommen wird und eine Nachtabschaltung erfolgt. Als Berechnungsverfahren wird die Monatsbilanz nach DIN V 4108-6 zugrunde gelegt. Tafel 1.13.1-8 Für die Variationen betrachtetes frei stehendes Einfamilienhaus

Tafel 1.13.1-9 Für die Variationen betrachtetes Mehrfamilienhaus

1.13.1-5.2 Anlagentechnische Randbedingungen Im Grundfall (Referenzausführung) sind die Gebäude mit einer Zentralheizung (Brennwertkessel (verbessert), Spreizung 55/45 °C) mit kombinierter und solar unterstützter Trinkwassererwärmung durch Flachkollektoren ausgestattet. Der Wärmeerzeuger und ein bivalenter Speicher sind beim EFH innerhalb und beim MFH außerhalb der thermi-

1.13.1 Einführung

schen Hülle aufgestellt. Die horizontale Verteilung des Trinkwarmwassers (mit Zirkulation) und des Warmwassers für die Raumwärme erfolgt beim Mehrfamilienhaus ebenfalls außerhalb, beim Einfamilienhaus innerhalb der thermischen Hülle. Die vertikalen Verteilstränge werden in beiden Fällen innenliegend angeordnet. Die Heizflächen sind mit Thermostatventilen ausgestattet (Auslegungsproportionalbereich 1 Kelvin). In Variante 2 wird auf eine Abluftanlage verzichtet. Hierdurch muss bei nach wie vor nachgewiesener Luftdichtheit der Luftwechsel auf 0,6 h–1 angepasst werden. Bei Variante 3 wird der im Ausgangsfall eingesetzte Brennwertkessel durch eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit einer Spreizung von 35/28 °C ersetzt; dies gilt ebenfalls für die Variante 9. Als Wärmeübergabesystem wird für diesen Fall von einer Fußbodenheizung mit elektronischer Regelung ausgegangen. Variante 4 verzichtet auf die solar unterstützte Trinkwarmwasserbereitung und beschreibt den Fall einer 15%igen Unterschreitung der EnEVAnforderungswerte gemäß EEWärmeG für den Fall, dass kein regenerativer Energieträger zur Wärmebereitstellung eingesetzt wird (Ersatzmaßnahme). Hier wird neben den baulichen Anpassungen der Einsatz einer zentralen Zu-/Abluftanlage mit 80 % Wärmerückgewinnung (DC-Ventilatoren) ohne Nachheizung vorgesehen. Das Einfamilienhaus in den Varianten 6 und 7 (KfW-Effizienzhaus 55 und 40) und das Mehrfamilienhaus in Variante 6 und 7 (KfW-Effizienzhaus 70, 55 und 40) sowie die jeweilige Variante 9 (Einhaltung der Anforderungen gem. EnEV-Niveau 2016) werden ebenfalls mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ausgestattet. Zur Erreichung des Niveaus KfW-Effizienzhaus 40 wird anstelle des Brennwertsystems in Verbindung mit solar unterstützter Trinkwarmwasserbereitung ein Biomasse-Wärmeerzeuger (Pelletkessel) in Ansatz gebracht.

1.13.1-5.3 Ergebnisse Bei unveränderter Anlagentechnik gegenüber dem Ausgangsfall führt die Variante 1 dazu, dass der Wärmeschutz der Außenbauteile eine Entlastung erfährt. Der Verzicht auf eine Abluftanlage in Variante 2 verbessert durch den Wegfall des Strombedarfs der Abluftanlage beim EFH die Anlagenaufwandszahl gerade in dem Maße, dass hierdurch die infolge eines höher angesetzten Luftwechsels entstehenden zusätzlichen Wärmeverluste kompensiert werden. In der Regel werden bei Verzicht auf eine Abluftanlage, wie beim MFH, allerdings geringfügige Verbesserungen des baulichen Wärmeschutzes erforderlich, damit die EnEV-Anforderungswerte eingehalten werden. Bei Verwendung einer Sole/Wasser-Wärmepumpe in Fall 3 fließt ein Anteil regenerativer Wärmeerzeugung in die Bilanz ein. Dadurch kann ein hoher Anteil der Primärenergieumwandlungsverluste durch Nutzung regenerativer Energie kompensiert werden. So greift die Zusatzanforderung an den baulichen Wärmeschutz bei beiden Gebäuden, wonach für das Einfamilienhaus ein HT'-Wert von 0,4 W/(m2 · K) und für das Mehrfamilienhaus ein HT'-Wert von 0,5 W/(m2 · K) einzuhalten ist. Für die Varianten 4, in denen auf die Solaranlage verzichtet wird, ergeben sich gemäß EEWärmeG um 15 % verschärfte Anforderungen an den Primärenergiebedarf (EFH: 69,0 kWh/(m2 · a); MFH: 48,3 kWh/(m2 · a)) und an den spezifischen Transmissionswärmeverlust (EFH: 0,34 W/(m2 · K); MFH: 0,43 W/(m2 · K)). Nur bauliche Maßnahmen reichen in dem Beispiel nicht aus, um die verschärften Anforderungswerte einzuhalten, zusätzlich wird eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (WRG) anstelle der reinen Abluftanlage im Ausgangsfall erforderlich. Die Einhaltung der KfW-Effizienzhaus-Anforderungen ist bei dem EFH für das Effizienzhaus 70 durch rein bauliche Maßnahmen möglich. Wie zuvor erwähnt, werden erst für das Effizienzhaus 55 und das Effizienzhaus 40 eine Lüftungsanlage mit WRG sowie eine Anpassung bei der Wärmeübergabe durch elektronische Thermostate mit Optimierungsfunktion erforderlich. Das MFH erhält bereits in der Ausführung als Effizienzhaus 70 eine Lüftungsanlage mit WRG. Der Einsatz eines Wärmeerzeugers mit kleiner Anlagen-Aufwandszahl (Wärmepumpe oder Pelletkessel) ist beim Niveau Effizienzhaus 40 praktisch unumgänglich.

641

1

EEWärmeG (Ersatzmaßnahme)

KfW Effizienzhaus 55

KfW Effizienzhaus 40 (Biomasse WE)

verbesserter Wärmeschutz

verbesserter Wärmeschutz und LA mit WRG

Sole/Wasser-Wärmepumpe

6

7

8

9

10

3

KfW Effizienzhaus 70

Sole/Wasser-Wärmepumpe

2

5

ohne Abluftanlage

1

4

Referenzausführung

Wärmebrücken detailliert

0

Variante

0,55

0,6

0,55

0,6

0,6

0,6

0,6

0,55

0,6

0,55

0,55

[W/m2K]

[h-1]

UW/g

UAW

0,05

1,3/0,60

0,90/0,55

0,90/0,55

0,90/0,55

0,90/0,55

1,3/0,60

1,3/0,60

1,3/0,60

0,28

0,11

0,15

0,24

0,20

0,36

0,28

0,32

0,20

0,11

0,16

0,20

0,20

0,30

0,20

0,25

0,05

0,05

0,02

1,3/0,60

1,3/0,60

0,90/0,55

0,28

0,28

0,18

0,20

0,20

0,15

EnEV-Anforderungsniveau 2016

0,02

0,02

0,05

0,05

0,05

0,05

0,02

UD [W/m2K]

EnEV-Anforderungsniveau 2014

ΔUWB

n

0,35

0,35

0,30

0,20

0,18

0,35

0,35

0,60

0,32

0,35

0,35

UG

0,41

0,41

0,28

0,23

0,26

0,35

0,33

0,50

0,41

0,41

0,41

HT '

0,60

0,77

1,06

0,35

0,77

0,82

1,03

0,66

1,07

1,13

1,13

[-]

eP

qp

16,9

34,8

36,3

27,0

24,2

31,8

39,8

16,1

50,3

48,9

49,1

30,4

41,0

41,6

13,0

31,2

39,5

48,2

38,6

56,6

56,6

56,8

[kWh/m2a]

qe

A+

A

A

A+

A+

A

A

A+

B

A

A

Effizienzklasse

Tafel 1.13.1-10 Ausführungsbeispiele für das in Tafel 1.13.1-8 dargestellte Einfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen

642 1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

EEWärmeG (Ersatzmaßnahme)

KfW Effizienzhaus 55

KfW Effizienzhaus 40 (Biomasse WE)

verbesserter Wärmeschutz

verbesserter Wärmeschutz und LA mit WRG

Sole/Wasser-Wärmepumpe

6

7

8

9

10

3

KfW Effizienzhaus 70

Sole/Wasser-Wärmepumpe

2

5

ohne Abluftanlage

1

4

Referenzausführung

Wärmebrücken detailliert

0

Variante

0,55

0,6

0,55

0,6

0,6

0,55

0,6

0,55

0,6

0,55

0,55

[W/m2K]

[h-1]

UW/g

UAW

0,05

1,3/0,60

0,90/0,55

0,90/0,55

0,90/0,55

0,90/0,55

1,3/0,60

1,3/0,60

1,3/0,60

0,28

0,11

0,15

0,15

0,20

0,30

0,28

0,35

0,20

0,12

0,15

0,15

0,20

0,30

0,20

0,24

0,05

0,02

0,02

1,3/0,60

1,3/0,60

0,90/0,55

0,28

0,28

0,16

0,20

0,17

0,16

EnEV-Anforderungsniveau 2016

0,02

0,02

0,02

0,02

0,05

0,05

0,02

UD [W/m2K]

EnEV-Anforderungsniveau 2014

ΔUWB

n

0,35

0,35

0,30

0,18

0,18

0,18

0,26

0,40

0,35

0,34

0,35

UG

0,36

0,32

0,25

0,20

0,22

0,22

0,26

0,40

0,36

0,36

0,36

HT '

0,59

0,91

1,18

0,49

0,90

1,24

1,25

0,72

1,15

1,19

1,19

[-]

eP

qp

22,2

49,5

50,6

38,3

32,7

46,3

55,6

22,7

69,3

68,1

68,3

B A A A

B A A+

43,4 22,1

58,7 58,5 40,0

A+

54,4 68,3

B

80,9

56,6

B B

81,2

Effizienzklasse

81,0

[kWh/m2a]

qe

Tafel 1.13.1-11 Ausführungsbeispiele für das in Tafel 1.13.1-9 dargestellte Mehrfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen

1.13.1 Einführung 643

1

644

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Ab dem 1. Januar 2016 greift das neue Anforderungsniveau, bei dem der zulässige Primärenergiebedarf um 25 % unterhalb des Referenzgebäude-Niveaus liegt. Für die betrachteten Beispiele bedeutet dies, dass die zulässigen Werte für das EFH QP,max = 58,8 kWh/(m2 · a) und für das MFH QP,max = 41,6 kWh/(m2 · a) betragen. Die Höchstwerte des spezifischen Transmissionswärmeverlusts resultieren aus dem Niveau des baulichen Wärmeschutzes gemäß Referenzausführung und betragen für das EFH HT' = 0,36 W/ (m2 · K) und das MFH HT' = 0,41 W/(m2 · K). In Variante 8 ist die Einhaltung des Niveaus 2016 durch Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes und in Variante 9 durch zusätzlichen Einsatz einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung berücksichtigt; es greift jeweils die Primärenergieanforderung. Die Variante 10 zeigt bei Verwendung einer Sole/Wasser-Wärmepumpe das künftige Mindestniveau des Wärmeschutzes der Gebäudehülle. Das EFH liegt beim Niveau der EnEV 2014 in der Variante Referenzausführung (Variante 0) in der Effizienzklasse B. Der Einsatz der Sole/Wasser-Wärmepumpe führt aufgrund des niedrigen Endenergiebedarfs zur Einstufung A+. Das EFH in der Variante KfW Effizienzhaus 40 mit dem Biomasse-Wärmeerzeuger gelangt „nur“ in die Klasse A. Aufgrund der höheren Kompaktheit (kleineres A/V-Verhältnis) liegen die Endenergiebedarfswerte beim MFH niedriger als beim EFH; dementsprechend weist das MFH günstigere Effizienzklassen auf. Aus den Beispielrechnungen wird die Problematik der Klasseneinstufung deutlich: das MFH liegt in der Referenzausführung (Variante 0) beim Endenergiebedarf um 0,5 kWh/(m2a) unter der Schwelle von 50 kWh/(m2a) und wird in die Klasse A eingestuft, in der Variante 2 liegt der Endenergiebedarf um 0,7 kWh/(m2a) über dem Schwellenwert und dies führt zur Einstufung in die Klasse B.

1.13.1-6

Planungs- und Ausführungsempfehlungen

Auf der Basis der dargestellten Berechnungsansätze und -beispiele lassen sich für den Umgang mit der Energieeinsparverordnung Handlungs- und Ausführungsempfehlungen ableiten.

1.13.1-6.1 Einbeziehung baulicher und anlagentechnischer Randbedingungen im früheren Planungsstadium Die heute oftmals noch praktizierte Vorgehensweise, den Anlagenplaner bzw. den ausführenden Fachbetrieb nach Festlegung der wärmeschutztechnischen Planung oder gar nach der Ausführung einzubeziehen, wird künftig nicht mehr möglich sein. Da abhängig von den Bestimmungen in einzelnen Bundesländern der EnEV-Nachweis mit dem Bauantrag eingereicht werden muss, ist es erforderlich, zumindest die Eckdaten für die bauliche und anlagentechnische Ausführung in einem frühen Planungsstadium zu fixieren. Im Rahmen des rechnerischen Nachweises wird für die Ermittlung des Jahres-Heizwärmebedarfs sicherlich der größte Zeit- und Arbeitsaufwand – wie bisher – bei der Bestimmung des beheizten Gebäudevolumens, der Wärme übertragenden Hüllfläche und der Wärmedurchgangskoeffizienten liegen. Die detaillierten Ansätze des Berechnungsverfahrens werden über geeignete Software leicht zu behandeln sein.

1.13.1-6.2 Wärmebrücken Der bekannte Zusammenhang, dass bei verbessertem Wärmeschutzniveau der Wärmeverlust über Wärmebrücken zunimmt, wird im Nachweisverfahren der EnEV berücksichtigt. Bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste werden die Wärmebrückeneffekte über Wärmebrückenkorrekturwerte ΔUWB erfasst. In der ReferenzBautechnik ist ΔUWB = 0,05 W/(m2 · K) als Standardwert vorgegeben. Auch im auszuführenden Gebäude (Ist-Gebäude) sollten die Empfehlungen nach DIN 4108, Beiblatt 2 als Mindeststandard eingehalten werden. Liegen für die im Rahmen des Nachweises verwendeten Baukonstruktionen Lösungen für Wärmebrückendetails vor, so kann eine Optimierung über die detaillierte Ermittlung von UWB erfolgen. Als Planungshilfsmittel kann hierbei der Wärmebrückenkatalog1) herangezogen werden, in dem die Empfehlungen gemäß DIN 4108, Beiblatt 2 und weitere Details aufgenommen sind. 1)

Hauser, G.; Stiegel, H; Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Ingenieurbüro Hauser, Baunatal 1998.

1.13.1 Einführung

645

1.13.1-6.3 Luftdichtheit Die Anforderungswerte an die Luftdichtheit der Gebäudehülle sind in DIN 4108-7 genannt: – Gebäude mit natürlicher Lüftung: n50 < 3,0 h-1 – Gebäude mit mechanischer Lüftung: n50 < 1,5 h-1 Die EnEV schreibt vor, dass bei Einsatz einer mechanischen Lüftungsanlage eine Dichtheitsprüfung durchgeführt werden muss. Wird bei natürlich belüfteten Gebäuden – diese Form der Lüftung wird in nächster Zukunft noch die am häufigsten anzutreffende sein – eine Dichtheitsprüfung durchgeführt und der genannte Anforderungswert eingehalten, darf im Nachweisverfahren ein Bonus in Ansatz gebracht werden. Mit den Kosten für eine Messung nach dem Blower Door-Verfahren von rd. 300 € für ein Einfamilienhaus und rd. 600 € für ein Mehrfamilienhaus mit sechs bis acht Wohneinheiten, stellt sich die Einhaltung der Dichtheitsanforderungen als wirtschaftlich sehr günstige Option im rechnerischen Nachweis nach EnEV dar. Hierbei ist zu beachten, dass Planung und Ausführung sorgfältig vorzunehmen sind, da Nachbesserungen bei der Luftdichtheit oftmals mit erheblichem Aufwand verbunden sind. Es ist davon auszugehen, dass die Dichtheitsprüfung in den nächsten Jahren bei den meisten Bauvorhaben Anwendung findet. Dies gilt nicht nur im Hinblick auf die energetischen Aspekte, sondern auch als Qualitätsnachweis für eine Konstruktion, die weniger bauschadensanfällig ist und keine Zugerscheinungen auftreten lässt. In DIN 4108-7 ist über die genannten Anforderungswerte hinaus eine große Anzahl von Beispielen aufgeführt, die als Planungs- und Ausführungsempfehlungen herangezogen werden können. Grundsätzlich erscheint es sinnvoll, bei der Auswahl von Materialien (Folien, Klebebänder, Manschetten etc.) auf Paketlösungen von Herstellern zurückzugreifen. Hiermit sollte weitgehend sichergestellt sein, dass die verwendeten Produkte aufeinander abgestimmt sind und somit eine lang andauernde Dichtheit gewährleisten.

1.13.1-6.4 Anlagentechnik Die heutzutage am häufigsten eingesetzte Anlagentechnik zur Gebäudebeheizung, die Pumpen-Warmwasserheizung, bietet auch in der nächsten Zukunft Optimierungspotenziale. Im Wesentlichen wird dies durch den Einsatz effizienter Wärmeerzeuger – insbesondere in Verbindung mit dem Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien –, optimierte Rohrleitungsführung (möglichst kurz und im beheizten Bereich geführt) sowie hochwertige Regelungstechnik zu erschließen sein. Weiterhin ist es in jedem Fall sinnvoll, konkrete Produkt-Kennwerte im Nachweis zu berücksichtigen. Die StandardWerte in DIN V 4701-10 orientieren sich am unteren energetischen Durchschnitt der Marktniveaus und führen somit zu ungünstigeren Ergebnissen. Über die Erschließung der zuvor genannten energetischen Potenziale heute eingesetzter Anlagentechnik hinaus, sind die Anforderungen des EEWärmeG einzuhalten. Der Einsatz solarthermischer Anlagen zur Unterstützung der Warmwasserbereitung stellt in dem Zusammenhang meist die wirtschaftlich sinnvollste Lösung dar. Wird von der Regelung der Ersatzmaßnahme, die EEWärmeG-Anforderung mit einem verbesserten EnEVStandard (–15 %) zu erreichen, Gebrauch gemacht, ist der Einsatz einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung – in Verbindung mit einem sehr guten baulichen Wärmeschutz – praktisch unumgänglich. In Gebäuden, die das Niveau der KfW-Spitzenförderung erzielen (Effizienzhaus 55), wird als Wärmeerzeuger in der Regel ein auf erneuerbaren Energien basierendes System (Wärmepumpe oder Holzpelletkessel) Verwendung finden.

1.13.1-6.5 Nachweisverfahren Als Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarfs dienen für die Kategorie Wohngebäude die bislang im Rahmen der EnEV 2007 herangezogenen Normen DIN V 4108-6 und DIN V 4701-10. Alternativ ist die Anwendung der DIN V 18599 möglich. Aus dem Vergleich der Nachweisverfahren lassen sich folgende Aussagen treffen: – Die thermische Solaranlage zur Unterstützung der Trinkwarmwasserbereitung wird über DIN V 4701-10 generell besser bewertet als über DIN V 18599. – Der Einsatz einer Zu-/Abluftanlage zur Wohnungslüftung wird nach DIN V 18599 – allgemein ungünstiger bewertet, als nach der DIN V 4701-10.

1

646

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

– Die Berechnungsansätze für Wärmepumpen in den beiden Verfahren sind praktisch nicht mehr vergleichbar, da gemäß DIN V 18599 auf ein europäisches Verfahren zurückgegriffen wird, welches durchgehend auf anderen Ansätzen aufbaut. Es zeigt sich jedoch, dass allgemein die recht geringen Energiebedarfswerte bei der Bewertung des Einsatzes von Wärmepumpen gemäß DIN V 4701-10 mit dem Verfahren der DIN V 18599 nicht erreicht werden können. Für die Ausweisung eines geringen Jahres-Primärenergiebedarfs erscheint das bisherige Verfahren (DIN V 4108-6 in Verbindung mit DIN V 4701-10) als vorteilhaft. Die Überprüfung der Einhaltung der Anforderung der Energieeinsparverordnung wird mit beiden Rechenverfahren gleich bewertet, da sowohl für das Referenzgebäude als auch für das zu errichtende Gebäude der gleiche Berechnungsansatz zu wählen ist.

1.13.1-7

Einflussgrößen auf den Primärenergiebedarf von Wohngebäuden

Am Beispiel eines Einfamilienhauses wird aufgezeigt, wie sich unterschiedliche bauliche, anlagentechnische und nutzungsbedingte Einflüsse auf die Höhe des Jahres-Primärenergiebedarfs auswirken. Die Berechnungen erfolgen auf Basis von DIN V 4108-6 und DIN V 4701-10. In Tafel 1.13.1-12 sind Varianten der verschiedenen Einflussgrößen dargestellt. Der Ausgangsfall entspricht dem Referenzgebäude der Energieeinsparverordnung und verursacht einen Primärenergiebedarf von 81,2 kWh/(m2 a). Tafel 1.13.1-12 Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher Einflussgrößen Einflussgröße U

Ausgangsfall 2

AW

≈U

/ U / U / U (g) [W/(m K)] / [-] D

G

W

2

WB -1

[W/(m K)]

0,28 / 0,20 / 0,35 / 1,30 (0,60) 0,05

n [h ]

0,55

Speicherfähigkeit

schwer

Heizung und Warmwasserbereitung

Brennwert (verbessert) mit zentraler WWB, Verteilung beheizt

Lüftung

Abluftanlage

Raumtemperatur [°C]

19

Nachtabsenkung

mit

Standort

Referenzstandort (Potsdam)

1.13.1-7.1 Bauliche Einflüsse Wird der bauliche Wärmeschutz gemäß den Zahlenwerten in Tafel 1.13.1-12 verbessert, ergibt sich eine Bedarfsreduktion um ca. 10 kWh/(m2 a) (Bild 1.13.1-11). Eine Ausführung des baulichen Wärmeschutzes, die dem Höchstwert des spezifischen Transmissionswärmeverlusts nach EnEV 2014 entspricht, führt zu einer Erhöhung des Primärenergiebedarfs um ca. 7 kWh/(m2 a). Mit der Umsetzung optimierter Anschlussdetails können Wärmebrückenverluste reduziert werden. Aus einem Wärmebrückenkorrekturwert ΔUWB = 0 W/(m2 K) resultiert der Jahres-Primärenergiebedarf von rd. 72 kWh/(m2 a). Infolge schlechter Wärmebrückenausführungen (ΔUWB = 0,10 W/(m2 K)) steigt der zuletzt genannte Wert um ca. 18,5 kWh/(m2 a). an. Wird eine ausreichende Gebäudedichtheit, die nach DIN 4108-71) gefordert ist, nicht erreicht, ergibt sich mit einem Luftwechsel von n = 0,7 h-1 ein Jahres-Primärenergiebedarf von 87 kWh/(m2 a). In die1)

DIN 4108-7 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Luftdichtheit von Gebäuden, Anforderungen, Planungs- und Ausführungsempfehlungen sowie -beispiele“, 01-2011.

1.13.1 Einführung

647

sem Fall ist keine Abluftanlage berücksichtigt. Der Einfluss der Bauweise (schwer/leicht), ausgedrückt durch die Wärmespeicherfähigkeit, liegt bei Berücksichtigung von sieben Stunden Nachtabschaltung bei etwa 3 % zu Gunsten der schweren Bauweise (pauschale Ansätze gem. DIN V 4108-6).

1.13.1-7.2 Anlagentechnische Einflüsse Beim Einsatz eines Niedertemperatur-Heizsystems ergibt sich aufgrund der größeren Erzeuger-Aufwandszahl eine Erhöhung des Jahres-Primärenergiebedarfs gegenüber dem Ausgangsfall von ca. 8 kWh/(m2 a). Werden die Rohrleitungen nicht wie im Ausgangsfall im beheizten, sondern im nicht beheizten Bereich geführt, liegt der Jahres-Primärenergiebedarf bei 87,4 kWh/(m2 a). Eine Reduktion des Primärenergiebedarfs um ca. 12 kWh/(m2 a) wird erreicht, wenn eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (Wärmerückgewinnungsgrad 80 %) anstelle der reinen Abluftanlage vorgesehen ist (Bild 1.13.1-12).

Bild 1.13.1-11. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher baulicher Einflussgrößen. Varianten gem. Bild 1.13.1-15.

Bild 1.13.1-12. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher anlagentechnischer Einflussgrößen. Varianten gem. Bild 1.13.1-15.

1

648

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

1.13.1-7.3 Nutzungsbedingte Einflüsse Die Energieeinsparverordnung setzt als mittlere Raumlufttemperatur einen Wert von 19 °C an. Hierbei ist die räumliche Teilbeheizung berücksichtigt, d. h. es wird davon ausgegangen, dass nicht alle Räume eines Gebäudes auf normale Raumlufttemperaturen beheizt werden. Setzt man bei der Berechnung eine Raumlufttemperatur von durchschnittlich 17 °C an, liegt der Jahres-Primärenergiebedarf bei 68,6 kWh/(m2 a). Bei einer erhöhten Raumlufttemperatur von 21 °C erhöht sich der Bedarf im Vergleich zum Ausgangsfall um ca. 14 kWh/(m2 a). Wird gegenüber dem Ausgangsfall keine Nachtabschaltung betrieben, entsteht ein Mehrbedarf von ca. 5 %. Die Berücksichtigung standortspezifischer Klimadaten führt für Mannheim, dem Referenzort für die Region 12 gemäß DIN V 4108-61) zu einer Reduktion des Jahres-Primärenergiebedarfs von ca. 15 kWh/(m2 a). Unter Zugrundelegung der Klimadaten des Referenzortes für die Region 10 (Hof) nimmt der Bedarf auf 96,9 kWh/(m2 a) zu. Die Auswirkungen sind in Bild 1.13.1-13 dargestellt.

Bild 1.13.1-13. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher nutzungsbedingter Einflussgrößen. Varianten gem. Bild 1.13.1-15.

1.13.1-8

Die EnEV für Nichtwohngebäude

1.13.1-8.1 Anforderungen Die Anforderungen an neu zu errichtende Nichtwohngebäude werden, wie auch in der EnEV 2009, über das Referenzgebäudeverfahren formuliert. Hierbei wird für das neu zu errichtende Gebäude – mit seiner vorgesehenen, tatsächlichen Geometrie und Ausrichtung mit einer vorgegebenen Referenzausführung des baulichen Wärmeschutzes und sonstigen Kennwerten der Gebäudehülle sowie einer Referenzanlagentechnik – der Jahres-Primärenergiebedarf ermittelt und als Maximalwert für das tatsächlich zu errichtende Gebäude definiert. Dieser maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf ist mit der tatsächlichen Gebäudeausführung einzuhalten. Zur Referenzausführung zählen: – der Wärmeschutz der Gebäudehülle mit ergänzenden thermischen Kennwerten und – die Anlagentechnik für Heizung, Kühlung, Warmwasserbereitung, Raumlufttechnik und Beleuchtung.

1)

DIN V 4108-6 „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“, 06-2003.

1.13.1 Einführung

Die Referenzausführung wird gemäß den Vorgaben in der EnEV 2009 für die EnEV 2014 übernommen. Wie auch bei Wohngebäuden wird ab dem 1. Januar 2016 das neue Anforderungsniveau wirksam, bei dem der zulässige Primärenergiebedarf um 25 % unterhalb des 2014-Niveaus liegt. Grundlegende Informationen zur Entwicklung der Referenzausführung und des damit verbundenen Anforderungsniveaus von Nichtwohngebäuden sind einem Forschungsbericht1) zu entnehmen. Die Zusatzanforderungen an den einzuhaltenden Wärmeschutz der Gebäudehülle werden über mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten opaker und transparenter Bauteile vorgegeben. Die Aspekte Wärmebrücken, Luftdichtheit, Mindestluftwechsel sowie sommerlicher Wärmeschutz sind bei Nichtwohngebäuden prinzipiell wie bei Wohngebäuden in der EnEV 2014 behandelt. Dies gilt auch für Änderungen und Nachrüstungen im Bestand.

1.13.1-8.2 Berechnungsverfahren Die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs für Nichtwohngebäude im Rahmen der EnEV erfolgt auf Basis der DIN V 185992). Die Berechnungen erlauben die Beurteilung aller Energiemengen, die zur bestimmungsgemäßen Heizung, Warmwasserbereitung, raumlufttechnischen Konditionierung und Beleuchtung von Gebäuden notwendig sind. Dabei berücksichtigt DIN V 18599 auch die gegenseitige Beeinflussung von Energieströmen und die daraus resultierenden planerischen Konsequenzen. DIN V 18599 besteht aus zehn Teilen mit nachfolgenden Bezeichnungen: – Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger – Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen – Teil 3: Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung – Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung – Teil 5: Endenergiebedarf von Heizsystemen – Teil 6: Endenergiebedarf von Wohnungslüftungsanlagen und Luftheizungsanlagen für den Wohnungsbau – Teil 7: Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau – Teil 8: Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungssystemen – Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von stromproduzierenden Anlagen – Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten – Teil 11: Gebäudeautomation Im Teil 1 sind die Bilanzierungsregeln beschrieben und die Schnittstellen zu den anderen Teilen der Norm definiert. Darüber hinaus sind die Zonierungsregeln (Aufteilung eines Gebäudes in Zonen aufgrund unterschiedlicher Nutzungen oder anlagentechnischer Eigenschaften) und die Primärenergiefaktoren festgelegt. Die Teile 2 bis 4 beschäftigen sich mit der Ermittlung der Nutzenergie für konditionierte Gebäudeteile. Hierbei wird unterschieden zwischen dem Energiebedarf, der in Nutzungszonen entsteht, um die gewünschten thermischen und visuellen Randbedingungen sicherzustellen, und dem Energiebedarf, der für die Luftaufbereitung notwendig ist, um die Zuluft von Außenluftbedingungen auf Zuluftbedingungen zu konditionieren. Hierin sind auch Prozesse wie Be- und Entfeuchtung enthalten. Die Nutzenergie berücksichtigt nicht die Effizienz der Anlagentechnik, sondern gibt Auskunft über den Bedarf an Energie, den ein Gebäude bei vorgegebenen Nutzungsbedingungen erfordert. In den Teilen 4 bis 8 sind die Regeln für die Ermittlung der Energieeffizienz der Anlagentechnik für Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Kühlung und Warmwasser definiert. Im Teil 9 wird beschrieben, wie die Energieaufwendungen in multifunktionalen Generatoren, wie z.B. Blockheizkraftwerken, primärenergetisch zu bewerten sind.

1)

2)

Maas, A.; Erhorn, H.; Oschatz, B.; Schiller, H.: Untersuchung zur weiteren Verschärfung der energetischen Anforderungen an Gebäude mit der EnEV 2012 – Anforderungsmethodik, Regelwerk und Wirtschaftlichkeit. Forschungsprojekt im Auftrag des BBR, BMVBS-Online-Publikation, Nr. 05/2012, 2012, www.bbsr.bund.de. DIN V 18599 „Energetische Bewertung von Gebäuden. Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung“, 12-2011.

649

1

650

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

Angaben über die Randbedingungen für unterschiedliche Nutzungen in Gebäuden finden sich im Teil 10 sowohl als standardisierte Nutzungsprofile für die Erstellung des Energieausweises als auch als typische Bandbreiten für die Energieberatung1). Teil 11 stellt den Einfluss der Steuerung und Regelung sowie der Raum- und Gebäudeautomation einschließlich des technischen (energetischen) Gebäudemanagements auf den Energiebedarf eines Gebäudes im Betrieb dar.

1.13.1-8.3 Beispiele Für drei Beispielgebäude in Bild 1.13.1-14 – ein Bürogebäude, eine Schule und ein Hotel – wird der aus den Referenzanforderungen der Energieeinsparverordnung resultierende Jahres-Primärenergiebedarf berechnet. Neben der Vorgabe der Referenzwerte für die Ausführung der Gebäudehülle und der Anlagentechnik sind bei den jeweiligen Gebäuden folgende Annahmen getroffen: – Bürogebäude: Fensterflächenanteil 50 %; Außenjalousie in Ost-, West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; Blendschutz vorhanden; keine Warmwasserbereitung (Berücksichtigung der Bagatellgrenze gem. DIN V 18599-10); Zonen mit Kühlung (RLT und Raumkühlung) ca. 20 % der Gesamtfläche; Zonen mit freier Lüftung ca. 70 % der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 10 % der Gesamtfläche. – Schule: Fensterflächenanteil 40 %; Außenjalousie in Ost-, West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; zentrale Warmwasserbereitung; Zonen mit freier Lüftung ca. 95 % der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 5 % der Gesamtfläche. – Hotel: Fensterflächenanteil 60 %; Außenjalousie in Ost-, West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; zentrale Warmwasserbereitung; Zonen mit Kühlung (RLT und Raumkühlung) ca. 65 % der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 35 % der Gesamtfläche.

Bild 1.13.1-14. Bürogebäude, Schule und Hotel für die Beispielrechnung

Die Anteile des Jahres-Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung (Raum und RLT), Warmwasser, Beleuchtung, Lufttransport und Hilfsenergie (Heizung und Kühlung) sind für die drei Beispielgebäude in Bild 1.13.1-15 grafisch wiedergegeben. Hierbei sind die Niveaus der EnEV 2014 bis 2016 (EnEV 2014) und ab 2016 (EnEV 2016) berücksichtigt. Der größte Heizenergiebedarf tritt aufgrund des vergleichsweise hohen A/Ve -Verhältnisses und der reinen Fensterlüftung (keine Wärmerückgewinnung) beim Schulgebäude

1)

David, R.; de Boer, J.; Erhorn, H.; Reiß, J.; Rouvel, L.; Schiller, H.; Weiß, N.; Wenning, M.: Heizen, Kühlen, Belüften & Beleuchten. Bilanzierungsgrundlagen nach DIN V 18599. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2006.

1.13.1 Einführung

651

auf. Der Jahres-Primärenergiebedarf für Beleuchtung ist beim Bürogebäude am größten. Hier liegen die höchsten Anforderungen an die Beleuchtungsstärke vor. Beim Hotel resultiert aus dem hohen Wärmebedarf für Trinkwarmwasser ein entsprechend hoher Primärenergiebedarf. Die für das Niveau 2016 erforderlichen Verbesserungen, die jeweils insgesamt zu einer Reduktion des Jahres-Primärenergiebedarfs von 25 % führen, werden beispielsweise durch den Einsatz einer kombinierten Wärmeversorgung aus einem Gas-Brennwertund einem Pellet-System erreicht. Die Aufteilung der Deckungsanteile der Systeme geschieht wie folgt: • Bürogebäude Heizung: 20 % Gas-Brennwert, 80 % Pellet • Schule Heizung: 38 % Gas-Brennwert, 62 % Pellet • Hotel Heizung: 30 % Gas-Brennwert, 70 % Pellet Trinkwarmwasser: 43 % Gas-Brennwert, 57 % Pellet

1.13.1-8.4 Vereinfachtes Nachweisverfahren für Nichtwohngebäude Durch die Aufteilung eines Gebäudes in Nutzungszonen wird ein Nachweisverfahren gemäß Energieeinsparverordnung, das auf DIN V 18599 verweist, deutlich umfangreicher als im bisherigen Verfahren. Hinzu kommt, dass z.B. im Beleuchtungsbereich die einzelnen Nutzungszonen aufgrund des Einsatzes unterschiedlicher Techniken nochmals weiter in Bereiche untergliedert werden können bzw. müssen. Vor diesem Hintergrund ist neben der ausführlichen Vorgehensweise nach DIN V 18599 für Nichtwohngebäude im Rahmen der Energieeinsparverordnung ein alternatives „vereinfachtes Verfahren“ aufgenommen, welches auf der Grundlage pauschaler Annahmen ebenfalls den Nachweis der Einhaltung des festgeschriebenen Anforderungsniveaus ermöglicht. Basis für die Berechnungen bildet dabei ein „1-Zonen-Modell“, bei dem die Hauptnutzung des Gebäudes die anzusetzenden Nutzungsrandbedingungen bestimmt.

Jahres-Primäre energiebedarf [kWh/(m²a]

250

200

150

Lufttransport Beleuchtung Trinkwarmwasser

100

Kühl Kühlung Heizung 50

0 EnEV 2014 EnEV 2016 EnEV 2014 EnEV 2016 EnEV 2014 EnEV 2016 Bürogebäude

Schule

Hotel

Bild 1.13.1-15. Jahres-Primärenergiebedarf für die Beispielgebäude mit zugrunde gelegter ReferenzBau- und Anlagentechnik

Der Anwendungsbereich für das vereinfachte Verfahren berücksichtigt die Gebäudetypen „Bürogebäude“, „Geschäftshäuser (Bürogebäude mit Verkaufseinrichtung; Bürogebäude mit Restaurant)“, „Schulen und Kindergärten“ sowie „Hotels (mit einfacher Ausstattung)“, „Turnhallen“, „Gebäude des Groß- und Einzelhandels bis 1000 m2 NGF“, „Gewerbebetriebe bis 1000 m2 NGF“ und „Bibliotheken“. Dabei sind die Ausführung anlagentechnischer Komponenten für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung sowie Grenzen hinsichtlich der Anwendung des vereinfachten Verfahrens über den Flächenan-

1

652

1. Grundlagen / 1.13 Energieeinsparverordnung EnEV 2014

teil der Hauptnutzung und der Verkehrsflächen vorgegeben: Die Summe der Flächen aus Hauptnutzung und Verkehrsfläche muss mindestens zwei Drittel der gesamten Nettogrundfläche des Gebäudes betragen. Um eine Berechnung „auf der sicheren Seite“ zu gewährleisten, ist der zulässige JahresPrimärenergiebedarf gegenüber der Berechnung des Referenzgebäudes um 10 % geringer anzusetzen. Der reduzierte Wert ist der Höchstwert des Jahres-Primärenergiebedarfs des zu errichtenden Gebäudes.

653

1.14

Elektrische Energietechnik

KÖPFE recknagel-online.de

Neu bearbeitet von Prof. Dr.-Ing. P. Schegner, Dresden Die grundlegende Struktur der elektrischen Energieversorgung ist in Bild 1.14.0-1 dargestellt1). Von der Bereitstellung elektrischer Energie bis zum Abnehmer erfolgt eine mehrfache Transformation der Spannung. Ein Ziel ist es, die Übertragungsverluste zu minimieren. Dies wird erreicht, indem die Übertragungsspannung erhöht und somit der Strom bei gleicher übertragener Leistung reduziert wird. Ein kleiner Strom führt zu geringeren Übertragungsverlusten. Auf der anderen Seite möchte man dem Verbraucher eine möglichst einfach handhabbare Spannung anbieten.

Übertragungsnetz (transmission grid) Höchstspannungsebene (380 / 220 kV)

S

S

Verteilnetz (sub-transmission grid) Hochspannungsebene (110 kV) S

Verteilnetz (distribution grid) Mittelspannungsebene (20 / 10 / 6 kV) Verteilnetz / Ortsnetz (distribution grid) Niederspannungsebene (0,4 kV)

S

T

S

S

T

S

T

S

S

T

S

T

S

S

T

S

Legende S Sondertarifkunden T S T S T Tarifkunden

Bild 1.14.0-1. Struktur des Elektroenergiesystems in Deutschland.

Die heute in Deutschland am häufigsten angewendeten Spannungsebenen, deren Bezeichnungen und die angeschlossenen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen sind in der folgenden Tafel 1.14.0-1 zusammengestellt. Tafel 1.14.0-1 Eigenschaften und Strukturkriterien der elektrischen Energieversorgung in Deutschland. Eigenschaften

Strukturkriterium

Spannungen

Leistungsbereich

Abnehmer / Erzeuger

Spannungsebenen

Aufgaben

0,4 kV bis 1 kV

0,001 MVA bis 0,6 MVA

Haushalt, Landwirtschaft, Industrie, Kleinkraftwerke

Niederspannung (NS)

Ortsnetz; Industrienetz

1)

Oeding, D.; Oswald, B. R.: Elektrische Kraftwerke und Netze. 7. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2011.

1

654

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

Tafel 1.14.0-1 Eigenschaften und Strukturkriterien der elektrischen Energieversorgung in Deutschland. (Forts.) 1 kV bis 60 kV

30 MVA bis 63 MVA

110 kV

300 MVA bis 350 MVA

220 kV bis 1000 kV

600 MVA bis 1200 MVA

Industrie mit großem Leistungsbedarf, Kraftwerkseigenbedarf, Kraftwerke, große Windund Solarparks

Mittelspannung (MS)

Großkraftwerke

Höchstspannung (HöS)

Verteilnetz

Hochspannung (HS) Transportnetz; Verbundnetz

Die folgenden Darstellungen der elektrischen Energieversorgung konzentrieren sich auf das Niederspannungsnetz.

1.14.1

Einführung in die Drehstromtechnik

Drehstrom (Dreiphasen-Wechselstrom) ist heute die weltweit am häufigsten eingesetzte Form zur Übertragung, Verteilung und Anwendung elektrischer Energie. Er besteht aus drei elektrisch verketteten harmonischen Teilsystemen (Strom- bzw. Spannungssystemen), wobei die Summe der drei Spannungen zu jedem Zeitpunkt Null ergibt. Drehstrom wird aus rotierenden Kreisdrehfeldern (Synchrongenerator) und Wechselrichtern gewonnen und kann auch einfach wieder in solche Kreisdrehfelder zurückverwandelt werden (Asynchron- und Synchronmotoren). Drehstrom kann unter Anwendung leistungselektronischer Schaltungen in gut geglätteten Gleichstrom umgeformt werden. Der Drehstrom vereint die Vorteile des Wechselstroms, nämlich die Transformierbarkeit der Spannungsamplitude mit der Möglichkeit, die Leistung dreier Wechselstromsysteme (benötigt sechs Leiter) über nur drei Leiter gleichen Querschnitts zu übertragen. Darüber hinaus besteht im Niederspannungsnetz die Möglichkeit, Verbraucher und Erzeuger auch einphasig zwischen Außenleiter und Neutralleiter anzuschließen. 1

0

/

XW  X/W

/

X/W 

X/W X/W /

U /

U /



E

U / ˜ e

 j S 

U /

X/W

  D

,P

SX

X/W

 V  t

U / ˜ e

 j S 

5H

F

Bild 1.14.1-1. Drehspannungssystem a) Verschaltung von verketteten Spannungsquellen b) Zeitverlauf c) Zeigerdarstellung.

Das Bild 1.14.1-1a zeigt den Aufbau eines symmetrischen verketteten Drehspannungssystems. Die drei Spannungsquellen sind am Neutral- bzw. Mittelpunkt M zusammengeschaltet. In Bild 1.14.1-1b ist der Zeitverlauf des verketteten symmetrischen Drehspannungssystems dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Summe der drei Spannungen zu jedem Zeitpunkt Null ergibt. Der zeitliche Verlauf des Stromes durch einen symmetrischen Drehstromverbraucher würde identisch verlaufen. Auch hier wäre die Summe der Ströme zu jedem Zeitpunkt Null. Daher kann auf einen Rückleiter verzichtet werden, da dieser stromlos wäre.

1.14.1 Einführung in die Drehstromtechnik

655

Bild 1.14.1-1c zeigt ruhende Spannungszeiger in der komplexen Ebene. Die Phasenverschiebung um einen Winkel von 120° elektrisch zwischen den drei Spannungen ist zu erkennen. Die Addition ergibt wiederum Null. In Europa sind in der Regel die Niederspannungsnetze in Drehstromtechnik ausgeführt. Im Gegensatz zu den höheren Spannungsebenen wird hier jedoch ein zusätzlicher Rückleiter eingesetzt. Hierdurch können einerseits einphasige Verbraucher angeschlossen werden. Andererseits übernimmt dieser Leiter in bestimmten Netzformen (siehe Abschnitt 1.14.2-2) auch eine Schutzfunktion. Für die Transformation der Spannung von der Mittel- zur Niederspannungsebene werden Drehstromtransformatoren eingesetzt. Diese werden auch als Ortsnetztransformatoren bezeichnet. Drehstromtransformatoren besitzen für jede Phase eine eigene Oberund Unterspannungswicklung. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens haben Drehstromtransformatoren häufig noch weitere Wicklungen, die jedoch für die Grundfunktion nicht notwendig sind. Die Ober- bzw. Unterspannungsseite eines Drehstromtransformators kann grundsätzlich im Stern, im Dreieck oder im Zickzack verschaltet werden (siehe Bild 1.14.1-2). 0

0

/

/

/

/

/

/

/

/

/

D

E

F

Bild 1.14.1-2. Grundschaltungen von Drehstromtransformatoren a) Stern-Schaltung b) Dreieckschaltung c) Zick-Zack-Schaltung.

Auf der Unterspannungsseite von Ortsnetztransformatoren werden nur die Stern- oder Zick-Zack-Schaltung verwendet, da eine Anschlussmöglichkeit für den Rückleiter bzw. zur Erdung vorhanden sein muss.

1.14.1-1

Begriffsdefinitionen

In der folgenden Tafel 1.14.1-1 sind wesentliche Begriffe der Drehstromtechnik enthalten, wie diese in der DIN 401081) festgelegt werden. Tafel 1.14.1-1 Wichtige Begriffe der Drehstromtechnik nach DIN 40108. Begriff

Erläuterung

Mittelpunkt – M

Ausgangspunkt der drei gleichberechtigten Leiter.

Strang

Ein zweipoliges Stromkreiselement (Anfang und Ende) zur Führung eines Stroms innerhalb eines elektrischen Betriebsmittels. Die Anzahl der Stränge entspricht in symmetrischen Schaltungen der Anzahl der Phasen (z. B. 3 im Drehstromsystem).

Außenleiter (L1, L2, L3), (U, V, W)

Ein Leiter eines elektrischen Versorgungssystems, der betrieblich unter Spannung steht. Die Bezeichnung R, S, T für die Außenleiter ist veraltet.

Neutralleiter (N)

Am Mittelpunkt bzw. Neutralpunkt angeschlossener Leiter (kann geerdet sein).

PEN-Leiter

Schutzleiter mit Neutralleiterfunktion

1)

DIN 40108 „Elektrische Energietechnik – Stromsysteme – Begriffe, Größen, Formelzeichen“, 06-2003.

1

656

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

Tafel 1.14.1-1 Wichtige Begriffe der Drehstromtechnik nach DIN 40108. (Forts.) (Außen-)Leiterspannung oder verkettete Spannung

Spannung zwischen den Außenleitern (z.B. 400 V). Die Netzspannung wird als Außenleiterspannung angegeben! Zur Kennzeichnung wird häufig der Index LL (LeiterLeiter) verwendet (z. B. ULL).

Außenleiter-NeutralleiterSpannung oder Sternspannung

Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt bzw. dem Neutralpunkt (z. B. 230 V). Zur Kennzeichnung wird häufig der Index LN verwendet (z. B. ULN).

Außenleiter-Erde-Spannung

Spannung zwischen einem Außenleiter und Bezugserde. Zur Kennzeichnung wird häufig der Index LE verwendet (z. B. ULE).

Mittelpunktspannung

Spannung zwischen einem Mittelpunkt bzw. Neutralpunkt und einem Punkt mit festgelegtem Potential (z.B. der Bezugserde)

Leiterstrom

Strom in einem Leiter des Drehstromsystems

symmetrische Belastung

Alle drei Stränge des Drehstroms sind mit gleichen Leiterströmen (gleiche Amplitude und Frequenz, Phase 120° verschoben) belastet.

symmetrisches Drehstromsystem

Die drei Sternspannungen oder die drei verketteten Spannungen bilden ein symmetrisches Drehstromsystem, wenn die Beträge gleich sind und die Phasenverschiebung 120° beträgt.

Ein Drehstromsystem wird durch Angabe einer Nennspannung Un bezeichnet. Diese ist immer eine verkettete Spannung. Im öffentlichen Niederspannungsnetz in Deutschland beträgt die Nennspannung Un = 400 V, dies basiert auf einer in der Norm VDE 0175-11) festgelegten Nennspannungsreihe. Die Leiter-Erde-Spannung beträgt damit ULE = 230 V. Der in einem Drehstromsystem angegebene Strom ist immer der Strom in einem Außenleiter (Leiterstrom). Dagegen wird die Leistung als Systemleistung angegeben. Bei Drehstrombetriebsmitteln entspricht die Systemleistung der Drehstromleistung und bei einphasig angeschlossenen Betriebsmitteln der einphasigen Leistung.

1.14.1-2

Aufbau des Niederspannungsnetzes

Das Niederspannungsnetz hat nach Angaben des VDN2) in Deutschland eine Länge von über 1.000.000 km. Im Vergleich zum Mittelspannungsnetz (ca. 500.000 km), dem Hochspannungs- (ca. 80.000 km) und dem Höchstspannungsnetz (ca. 40.000 km) hat es die größte Ausdehnung. Das Niederspannungsnetz besteht aus einer großen Anzahl von Teilnetzen, die jeweils über einen eigenen Transformator mit dem Mittelspannungsnetz verbunden sind. Die Ausdehnung eines Niederspannungsnetzes reicht von wenigen hundert Metern in Städten bei einer hohen Leistungsdichte, bis hin zu einigen wenigen Kilometern in ländlichen Gebieten. Das Niederspannungsnetz in Deutschland ist zum größten Teil verkabelt ausgeführt. Untersuchungen in 3) und 4) haben gezeigt, dass Niederspannungsnetze häufig die in Bild 1.14.1-3 dargestellte Strukturen haben. Auf der Niederspannungsseite des Ortsnetztrans-

1) 2) 3) 4)

DIN EN 60038 (VDE 0175-1): CENELEC-Normspannungen (IEC 60038:2009, modifiziert). April 2012. VDN: Daten und Fakten, Stromnetze in Deutschland 2007. Berlin, 2007. Dickert, J.; Domagk, M.; Schegner, P.: Benchmark Low Voltage Distribution Networks Based on Cluster Analysis of Actual Grid Properties. Grenoble, Powertech 2013. Scheffler; J.: Bestimmung der maximal zulässigen Netzanschlussleistung photovoltaischer Energiewandlungsanlagen in Wohnsiedlungsgebieten. TU Chemnitz, 2002.

1.14.1 Einführung in die Drehstromtechnik

657

formators erfolgt eine strahlenförmige Aufteilung in mehrere Netzzweige. Es können drei Grundtypen von Netzzweigen unterschieden werden. Diese sind entweder unverzweigt, einfach- oder mehrfachverzweigt aufgebaut. 161HW]

061HW]

D

NHLQH9HU]ZHLJXQJ

D

HLQIDFKH9HU]ZHLJXQJ

D

PHKUIDFKH9HU]ZHLJXQJ

1

E E

E E E

.XQGHQDQVFKOXVV 9HUWHLOQHW]WUDQVIRUPDWRU

D E

+DXSWOHLWXQJ $E]ZHLJ

Bild 1.14.1-3. Typische Strukturen von Niederspannungsnetzen.

Zur Beurteilung der Spannungs- und Stromverhältnisse in Niederspannungsnetzen wird häufig mit dem unverzweigten Niederspannungszweig gerechnet, da in diesem Fall die Verhältnisse noch überschaubar darstellbar sind.

1.14.1-3

Leistungsberechnung

Leistung im Wechselspannungssystem Der Augenblickswert der Leistung in einem elektrischen ein- bzw. zweiphasigen Versorgungsnetz kann nach DIN 40110-11) mit Hilfe des Produkts der Augenblickswerte von Spannung und Strom nach der folgenden Gleichung berechnet werden. Diese müssen hierbei nicht sinusförmig sein. p(t) = u(t) ⋅ i(t) Die Wirkleistung P ist der arithmetische Mittelwert der Augenblicksleistung über einer Periode: T

T

0

0

1 1 P = --- ⋅  p(t) = --- ⋅  ( u(t) ⋅ i(t) ) T T Die Wirkleistung, sowie der Effektivwert von Spannung U und Strom I, können direkt gemessen werden. Das Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom wird Scheinleistung S genannt. Die Scheinleistung ist immer größer oder gleich dem Betrag der Wirkleistung. S = U⋅I≥ P Das Verhältnis des Betrags der Wirkleistung zur Scheinleistung wird als Leistungsfaktor λ bezeichnet. P λ = ------ ≤ 1 S

1)

DIN 40110-1 „Wechselstromgrößen – Teil 1: Zweileiter-Stromkreis“.

658

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

In Energieversorgungsnetzen kann vereinfacht angenommen werden, dass die Spannungen und Ströme die gleiche Frequenz besitzen und sinusförmig verlaufen. Ist eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Größen vorhanden, bewirkt dies einen Blindleistungsaustausch. Für den Augenblickswert der Leistung ergeben sich die folgenden Beziehungen: p(t) = u(t) · i(t) = 2 · U · I · cos(ωt + ϕU) · cos(ωt + ϕI) p(t) = U · I · cos(ϕU – ϕI) + U · I · cos(2ωt + ϕU + ϕI) p(t) = P + S · cos(2ωt + ϕU + ϕI) Die Augenblicksleistung p(t) schwingt mit der zweifachen Frequenz der Sinusgröße um einen arithmetischen Mittelwert, dieser entspricht der Wirkleistung. P = U · I · cos(ϕ) = S · cos(ϕ)

mit ϕ = ϕU + ϕI

Ist eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom vorhanden, so kann man den Strom in eine gleichphasige (Wirkkomponente IW ∼ Wirkleistung P) und eine orthogonale Komponente (Blindkomponente IB ∼ Blindleistung Q) aufteilen. Die Blindleistung lässt sich bestimmen mit: Q =

2

2

S –P =

2

2

2

S – S ⋅ cos ( ϕ ) = S ⋅ sin ( ϕ )

mit ϕ = ϕU + ϕI

Leistung im symmetrischen Drehstromsystem Die Berechnung der Leistungen wird für symmetrische Drehstromsysteme in DIN 40110-21) detailliert erläutert. Zur Kennzeichnung der Drehstromleistung wird der Index b verwendet, dieser steht für Betrieb. Dies ist die Drehstromleistung, welche von den Betriebsmitteln unter Berücksichtigung der aktuellen Verhältnisse im Netz aufgenommen oder abgegeben wird. Hierdurch wird z. B. die Spannungs- oder Frequenzabhängigkeit der Leistungsaufnahme berücksichtigt. Vereinfacht kann für symmetrische Betriebsmittel (Verbraucher oder Erzeuger) die folgende Leistungsbilanz angenommen werden: Pb = PL1 + PL2 + PL3 = 3 · PL1 Qb = QL1 + QL2 + QL3 = 3 · QL1 Die Drehstromwirk- und -blindleistung ergeben sich einfach aus der Summe der Einzelleistungen in den drei Leitern. Da Symmetrie vorausgesetzt wird, entspricht dies einfach der dreifachen Leistung in einem Leiter. Hieraus ergibt sich die Scheinleistung des Drehstromverbrauchers: Sb =

2

2

Pb + Qb =

3 ⋅ U LL ⋅ I L = 3 ⋅ U LE ⋅ I L

In der folgenden Tafel 1.14.1-2 sind für einige ausgewählte Drehstromverbraucher die Gleichungen zur Berechnung der Drehstromleistung angegeben. ωN entspricht hierbei der elektrischen Kreisfrequenz im Drehstromsystem des versorgenden Netzes und lässt sich mit ωN = 2 · π ·fN berechnen.

1)

DIN 40110-2 „Wechselstromgrößen – Teil 2: Mehrleiter-Stromkreise“.

1.14.1 Einführung in die Drehstromtechnik

659

Tafel 1.14.1-2 Berechnung der Drehstromleistung ausgewählter Betriebsmittel. Komponenten

*)

R

*)

L

R

L

R

L

C

*) M 3~

C C

2

U LL + --------R

0

Qb

0

U LL + --------------ωN ⋅ L

Sb

U LL + --------R

Pb

0

2

2

*)

2

U LL + --------------ωN ⋅ L

2 – U LL

⋅ ωN ⋅ C

ASM

GS 3~

SM

Pm ------ηb

Sb · cosϕb

P m ⋅ sin ϕ b -------------------------η b ⋅ cos ϕ b

Sb · sinϕb

Pm sin ϕ b 2 2 – U LL ⋅ ω N ⋅ C ------- ⋅ 1 +  --------------- ηb cos ϕ b

Sb

Hinweis: Die angegebenen Berechnungsgleichungen gelten nur für die dargestellte Sternschaltung der R-, L-, C-Elemente. Eine Berechnung für die Dreiecksschaltung ist mit diesen Formeln NICHT möglich! Bei Asynchronmotoren (ASM) wird üblicherweise die mechanische Leistung Pm angegeben. Mit Hilfe des Wirkungsgrades ηb wird hieraus die elektrische Wirkleistung berechnet. Bei Drehstromsynchrongeneratoren (SM) wird die elektrische Scheinleistung Sb angegeben.

Leistung im unsymmetrischen Drehstromsystem Die Berechnung der Leistungen wird für unsymmetrische Drehstromsysteme in DIN 40110-21) ebenfalls detailliert erläutert. Grundsätzlich ist die Berechnung der Drehstromleistung auch bei unsymmetrischen Betriebsmitteln möglich. Berücksichtigen muss man hierbei jedoch immer die Aussagekraft dieser Größe. Insbesondere für die Dimensionierung von Netzbetriebsmitteln (z. B. Leitungen, Transformatoren) ist es notwendig, in unsymmetrischen Systemen die jeweilige Leiterbelastung in L1, L2 und L3 (3-Leiter-System) sowie eventuell im Neutralleiter N (im 4-Leiter-System) als maßgebende Kenngrößen zu bewerten. Zusätzlich sind die Vorzeichen von Wirk- und Blindleistung in den Leitern zu beachten. Sind die Vorzeichen nicht identisch, so führt es zu unplausiblen Aussagen. Die Berechnung der Drehstromleistung in unsymmetrischen Systemen erfolgt anhand der Einzelleiterbelastung aller Leiter. Diese sind separat zu berechnen und können anschließend addiert werden. Pges = PL1 + PL2 + PL3 + PN Qges = QL1 + QL2 + QL3 + QN Bei der Berechnung oder Messung der Einzelleistungen ist darauf zu achten, dass nur die jeweils im bewerteten Leiter (L1, L2, L3, N) umgesetzte Leistung berücksichtigt werden darf! Daher kann die Berechnung der im Leiter L1 umgesetzten Leistung nicht einfach mit der Leiter-Erde-Spannung dieses Leiters und dem entsprechenden Strangstrom erfolgen. Ein Teil der mit den genannten Größen berechneten Leistung wird auch im Leiter N umgesetzt und würde hierdurch fälschlicherweise mehrfach mit eingerechnet. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Scheinleistung als Drehstromleistung für unsymmetrische Verbraucher nicht definiert ist. Selbstverständlich können jedoch leiterbezogene Scheinleistungen ermittelt werden.

1)

DIN 40110-2 „Wechselstromgrößen – Teil 2: Mehrleiter-Stromkreise“.

1

660

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

1.14.2

Elektrosicherheit

Der Mensch besitzt kein Sinnesorgan, mit dem er die elektrische Energie erkennen oder wahrnehmen könnte. Umso wichtiger sind die in den einschlägigen Vorschriften und Normen vorgegebenen Anforderungen einzuhalten. Ziel ist es, bei einer bestimmungsgemäßen Nutzung elektrischer Anlagen sowohl Personen als auch Nutztiere und Sachwerte vor Gefahren und Schäden zu schützen. In Deutschland bildet die Normenreihe DIN VDE 01001) die Grundlage für den Personen- und Sachwertschutz im Niederspannungsnetz. International ist es die IEC 603642). Diese Normenreihe ist in die folgenden Untergruppen eingeteilt: – Gruppe 100: Anwendungsbereiche, Allgemeine Anforderungen – Gruppe 200: Begriffe – Gruppe 300: Bestimmungen allgemeiner Merkmale – Gruppe 400: Schutzmaßnahmen – Gruppe 500: Auswahl und Errichten elektrischer Betriebsmittel – Gruppe 600: Prüfungen – Gruppe 700: Bestimmungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art. Grundsätzlich umfasst der Personenschutz nicht nur den Schutz gegen gefährliche Körperströme, sondern auch gegen magnetische und elektrische Felder sowie Blitzeinwirkungen. Im Folgenden werden nur die Auswirkungen von gefährlichen Körperströmen und deren Vermeidung behandelt. Der Sachwertschutz schließt den Schutz vor Überströmen, Überspannungen, Leckströmen, Funken und Lichtbögen sowie Unterspannungen ein.

1.14.2-1

Wirkung von Körperströmen

Bei einer elektrischen Durchströmung des menschlichen Körpers treten in Abhängigkeit der Stromstärke und des Stromwegs unterschiedliche Reizwirkungen auf. Bei sehr hohen Strömen kommt es darüber hinaus zu thermischen Auswirkungen. In der VDE V 0140-479-13) sind die Stromwerte für signifikante Schwellen der Wirkung des elektrischen Stroms angegeben (siehe Tafel 1.14.2-1). Tafel 1.14.2-1 Wichtige Begriffe und Richtwerte für Reizwirkungen des elektrischen Stromes nach VDEV 0140-479-1. Schwelle

Bedeutung

Wechselstrom 50/60Hz

Gleichstrom

Wahrnehmbarkeitsschwelle

Von Personen noch wahrgenommener Kleinstwert des Stromes

bis 0,5 mA

bis 2 mA

Reaktionsschwelle

Kleinster Wert des Stromes, der unbeabsichtigte Muskelkontraktionen bewirkt

0,5 mA

2 mA

1) 2) 3)

DIN VDE 0100-100 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Verzeichnis der einschlägigen Normen und Übergangsfestlegungen“. IEC 60364 „Electrical installations of buildings“. VDE V 0140-479-1 (DIN IEC/TS 60479-1) „Wirkung des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere – Teil 1: Allgemeine Aspekte“.

1.14.2 Elektrosicherheit

661

Tafel 1.14.2-1 Wichtige Begriffe und Richtwerte für Reizwirkungen des elektrischen Stromes nach VDEV 0140-479-1. (Forts.) Loslassschwelle

Größter Wert des Stromes, bei dem die Person die Elektroden noch loslassen kann

10 mA

25 mA

Flimmerschwelle

Kleinster Stromwert, der Herzkammerflimmern bewirkt

50 mA bei t > 1s 1000 mA bei t < 100 ms

150 mA bei t > 1s 1000 mA bei t < 100 ms

Der Körperwiderstand RK des Menschen hängt von vielen Faktoren ab. Dies sind die Höhe der Berührungsspannung UT, der Stromweg (z. B. Hand–Hand), die Dauer der Durchströmung, die Frequenz, der Feuchtigkeitszustand der Haut, die Größe der Berührungsfläche, der ausgeübte Druck und die Temperatur. Man unterteilt die Gesamtkörperimpedanz, diese wird vereinfacht mit dem Körperwiderstand gleich gesetzt, in eine Hautimpedanz und eine Körperinnenimpedanz. Im Bild 1.14.2-1 ist ein Beispiel für die Gesamtkörperimpedanz ZGK dargestellt.  GHU%HY|ONHUXQJ

N:

GHU%HY|ONHUXQJ



GHU%HY|ONHUXQJ

Z*.





 







 U7

9



Bild 1.14.2-1. Gesamtkörperimpedanz ZGK bei einem Stromweg von Hand zu Hand für Wechselstrom 50/60 Hz und großen Berührungsflächen im wassernassen Zustand nach VDE V 0140479-1 (DIN IEC/TS 60479-1) „Wirkung des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere – Teil 1: Allgemeine Aspekte“.

Grenze der Berührungsspannung Die dauernd zulässige Berührungsspannung UL kann nun mit Hilfe des kleinsten Stromwertes, bei dem gerade Herzkammerflimmern auftritt (siehe Tafel 1.14.2-1), und dem minimalen Körperwiderstand bei der Spannung UL berechnet werden. Näherungsweise wird ein Körperwiderstand RK = 1 kΩ angenommen. Damit ergibt sich die folgende Grenze der Berührungsspannung in Wechselspannungsnetzen (AC – alternating current): UL AC = RK · IFlim AC = 1 kΩ · 50 mA = 50 V Der für Gleichspannungsnetze (DC – direct current) zulässige Wert der Berührungsspannung wurde etwas unterhalb des sich rein rechnerisch ergebenden Wertes festgesetzt. Er beträgt: UL DC = 120 V Um eine Personengefährdung auszuschließen, muss durch entsprechende Maßnahmen sichergestellt werden, dass an berührbaren leitfähigen Teilen dauerhaft keine Spannungen auftreten, die oberhalb der genannten Berührungsspannung sind. Kurzzeitig, d. h. wenige hundert Millisekunden, sind höhere Spannungen zulässig, da in diesem Zeitbereich erst bei höheren Strömen Herzkammerflimmern auftritt (siehe Tafel 1.14.2-1).

1

662

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

1.14.2-2

Personenschutz gegen gefährliche Körperströme

Der Schutz gegen elektrischen Schlag wird in der DIN VDE 0100-4101) beschrieben. Wie in Bild 1.14.2-2 dargestellt, wird dieser in den sogenannten Basisschutz (Schutz gegen direktes Berühren) und den Fehlerschutz (Schutz bei indirekter Berührung) eingeteilt. Darüber hinaus gibt es noch einen zusätzlichen Schutz, der jedoch nicht als alleinige Maßnahme eingesetzt werden darf. Ziel des Basisschutzes ist es, Personen und Nutztiere vor den Gefahren einer direkten Berührung von aktiven Teilen einer elektrischen Anlage zu schützen. Hierbei werden die folgenden beiden Methoden angewendet: – Verhinderung, dass ein Strom durch eine Person oder ein Nutztier fließt – Fließt ein Strom durch eine Person, so muss dieser auf einen ungefährlichen Wert begrenzt werden. Unter dem Begriff „Schutz bei indirektem Berühren“ versteht man den Schutz vor Gefahren, welche im Fall eines Fehlers (z. B. Körperschluss, d. h. aktiver Leiter berührt Körper) in einem elektrischen Gerät beim Berühren des Gehäuses (in der Norm als Körper bezeichnet) auftreten können. Dieser wird durch eine der folgenden Maßnahmen erreicht: – Verhindern, dass der Fehlerstrom durch eine Person fließen kann – Begrenzung des Fehlerstroms auf Werte, die für Personen ungefährlich sind – Reduzierung der Dauer des Fehlerstroms auf für Personen ungefährliche Zeiten. %DVLVVFKXW] 6FKXW]JHJHQHOHNWULVFKHQ6FKODJXQWHUQRUPDOHQ%HGLQJXQJHQ )HKOHU .|USHUVFKOXVV

)HKOHU $NWLYH7HLOHVLQGEHUKUEDU

)HKOHUVFKXW] 6FKXW]JHJHQHOHNWULVFKHQ6FKODJXQWHU)HKOHUEHGLQJXQJHQ (EHQHYHUVDJW 6FKXW]OHLWHUXQWHUEUHFKXQJ 6FKXW]OHLWHU$X‰HQOHLWHU 9HUWDXVFKXQJ

(EHQHXQJHHLJQHW *HKlXVHVFKlGHQ $UEHLWHQXQWHU6SDQQXQJ

]XVlW]OLFKHU6FKXW] )HKOHUVWURP6FKXW]HLQULFKWXQJPLWI

Q

P$

Bild 1.14.2-2. Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen und unter Fehlerbedingungen.

Für den Personenschutz sind in den beiden ersten Ebenen die folgenden genannten Maßnahmen zulässig.

1.14.2-2.1 Schutz gegen elektrischen Schlag unter normalen Bedingungen (Basisschutz) – Schutz durch Isolierung von aktiven Teilen (Basisisolierung) – Schutz durch Abdeckungen oder Umhüllungen – Schutz durch Hindernisse (nur in elektrischen Betriebsräumen) – Schutz durch Abstand (nur in elektrischen Betriebsräumen) Die Basisisolierung ist dafür bestimmt, die Berührung aktiver Teile zu verhindern. Dabei müssen die aktiven Teile vollständig durch eine Isolierung umgeben sein, die nur durch Zerstörung oder bewusste Handlungen entfernt werden kann.

1.14.2-2.2 Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen (Schutz bei indirektem Berühren oder Fehlerschutz) Im Rahmen der Anforderungen an den Fehlerschutz müssen eine Schutzerdung und ein Schutzpotentialausgleich realisiert werden. Hierzu müssen alle Körper, dies sind die leit1)

DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“ — IEC 60364-4-41:2005, modifiziert.

1.14.2 Elektrosicherheit

fähigen Teile eines elektrischen Betriebsmittels, die berührt werden können und normalerweise nicht unter Spannung stehen, mit einem Schutzleiter verbunden werden. Dabei ist darauf zu achten, dass gleichzeitig berührbare Körper mit demselben Erdungssystem verbunden sind. Es ist ein Schutzpotentialausgleich über die Haupterdungsschiene, früher als Hauptpotentialausgleich bezeichnet, herzustellen. Der Schutzpotentialausgleich wird dadurch realisiert, dass in jedem Gebäude alle leitfähigen Teile mit der Haupterdungsschiene verbunden werden. Hierzu zählen: – metallene Rohrleitungen von Versorgungssystemen (z. B. Wasser, Gas) – fremde leitfähige Teile der Gebäudekonstruktion – metallene Zentralheizungs- und Klimasysteme – metallene Verstärkungen von Gebäudekonstruktionen aus bewehrtem Beton. Darüber hinaus muss eine der im Folgenden genannten Maßnahmen als Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen realisiert werden: – Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung – Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung (Schutzisolierung) – Schutz durch Schutztrennung für die Versorgung eines Verbrauchsmittels – Schutz durch Schutz-Kleinspannungen. Die am häufigsten angewendete Schutzmaßnahme in elektrischen Anlagen ist der Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung. Hierzu muss eine Schutzeinrichtung im Fall eines Fehlers mit kleiner Impedanz zwischen einem Außenleiter und einem Körper oder Schutzleiter innerhalb der geforderten Abschaltzeit den Stromkreis automatisch unterbrechen. Für die Auslegung der verschiedenen Schutzmaßnahmen ist es wichtig, zwischen unterschiedlichen Netzsystemen zu unterscheiden. Davon gibt es drei Grundtypen, diese werden als TN-, TT- und IT-System bezeichnet. Diese Netzsysteme und die jeweils geltenden Abschaltbedingungen für Wechselspannungsnetze werden im Folgenden beschrieben. Darüber hinaus schreibt die Norm1) einen zusätzlichen Schutz für sogenannte Endstromkreise im Außenbereich und Steckdosenstromkreise im Wechselstromsystem vor. Als zusätzlicher Schutz muss bei diesen Stromkreisen eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (Residual Current Device – RCD) vorgesehen werden. Dies gilt für Steckdosenstromkreise mit einem Bemessungsstrom unter 20 A, die von Laien genutzt werden oder zur allgemeinen Verwendung bestimmt sind. Im Außenbereich müssen alle Stromkreise mit einem Bemessungsstrom kleiner gleich 32 A durch eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit einem Bemessungsdifferenzstrom von IΔN ≤ 30 mA zusätzlich geschützt werden. 1.14.2-2.2.1

TN-System

Bei dem TN-System werden alle Körper mit dem geerdeten Punkt des speisenden Systems durch einen Schutzleiter verbunden. Es gibt drei Ausführungsformen des TN-Systems, diese sind: TN-C-System Das "C" steht für "combined". Bei dieser Ausführung des TN-Systems (siehe Bild 1.14.2-3) werden die Schutzfunktion und die Funktion des Neutralleiters im gesamten System in einem einzigen Leiter zusammengefasst. Dieses System wurde früher auch als klassische Nullung bezeichnet.

1)

DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“ — IEC 60364-4-41:2005, modifiziert.

663

1

664

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

/ / / 3(1

3(

RB 3(11HXWUDOOHLWHUXQG6FKXW]IXQNWLRQ

Bild 1.14.2-3. Aufbau des TN-C-Systems ohne Darstellung von Schutzeinrichtungen.

3(6FKXW]IXQNWLRQ 5% (UGXQJVZLGHUVWDQGGHV7UDQVIRUPDWRUV

Problematisch ist im TN-C-System ein Bruch des PEN-Leiters. Tritt gleichzeitig noch ein Fehler mit Körperschluss auf, kann die Abschaltbedingung nicht eingehalten werden. Auf Grund der Kombination von Schutz- und Rückleiterfunktion in einem gemeinsamen Leiter (PEN) ist es notwendig, Mindestquerschnitte für diesen zwingend einzuhalten. Diese sind in der Norm1) festgelegt. Darüber hinaus ist die Anwendung einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung im TN-C-System nicht möglich. TN-S-System Bei der in Bild 1.14.2-4 dargestellten Ausführung des TN-Systems sind im gesamten System die Schutzfunktion und die Funktion des Neutralleiters getrennt. / / / 1 3(

RB 3(6FKXW]IXQNWLRQ 11HXWUDOOHLWHU 5% (UGXQJVZLGHUVWDQGGHV7UDQVIRUPDWRUV

Bild 1.14.2-4. Aufbau des TN-SSystems ohne Darstellung von Schutzeinrichtungen.

Das TN-S-System ("S" steht für separat) hat besondere Vorteile in Bezug auf die gegenseitige Beeinflussung von Betriebsmitteln. Ein Bruch des Neutralleiters ist für den Personenschutz unproblematisch. TN-C-S-System Diese Ausführung des TN-Systems kombiniert die Eigenschaften des TN-C- und TN-SSystems (siehe Bild 1.14.2-5). In einem Teil des Gesamtsystems wird die Funktion des Schutzleiters und des Neutralleiters in einem Leiter zusammengefasst.

1)

DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“ — IEC 60364-4-41:2005, modifiziert.

1.14.2 Elektrosicherheit

665

/ / / 1 3(1

RB

3(

1

3(

3(11HXWUDOOHLWHUXQG6FKXW]IXQNWLRQ 3(6FKXW]IXQNWLRQ 11HXWUDOOHLWHU 5% (UGXQJVZLGHUVWDQGGHV7UDQVIRUPDWRUV

Bild 1.14.2-5. Aufbau des TN-C-S-Systems ohne Darstellung der Schutzeinrichtungen.

Die automatische Abschaltung der Stromversorgung durch eine Schutzeinrichtung muss innerhalb der in Tafel 1.14.2-2 genannten Zeiten erfolgen, hierfür ist die folgende Abschaltbedingung einzuhalten: ZS · Ia ≤ U0 Dabei entspricht ZS der Impedanz der Fehlerschleife, bestehend aus Stromquelle, dem aktiven Leiter bis zum Fehlerort und dem Schutzleiter zwischen Fehlerort und Stromquelle. Ia ist der Abschaltstrom, der das automatische Abschalten der Schutzeinrichtung innerhalb der festgelegten Zeiten (siehe Tafel 1.14.2-2) bewirkt. U0 ist die Nennspannung des betrachteten Stromkreises gegen Erde. Tafel 1.14.2-2 Nennspannung und maximale Abschaltzeiten nach DIN VDE 0100-410 *) für TN-System für Endstromkreise mit einem Nennstrom kleiner 32 A.

*)

U0 in V

Abschaltzeit bei AC

Abschaltzeit bei DC

50 V … 120 V

0,8 s

—

120 V … 230 V

0,4 s

5s

230 V … 400 V

0,2 s

0,4 s

> 400 V

0,1 s

0,1 s

DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“ — IEC 60364-4-41:2005, modifiziert.

In Verteilerstromkreisen und in Stromkreisen, die nicht der Tafel 1.14.2-2 zugeordnet werden können, ist eine Abschaltzeit von 5 s im TN-System erlaubt.

666

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

1.14.2-2.2.2

TT-System

Der Aufbau des TT-Systems ist in Bild 1.14.2-6 dargestellt. In diesem System ist der Sternpunkt der Stromversorgung geerdet, aber nicht mit dem Schutzleiter verbunden. Die Abschaltbedingung muss daher im Wesentlichen durch die Erdung der Kundenanlage gewährleistet werden. / / / 1 3( 3(

RB

RA

3(6FKXW]IXQNWLRQ 11HXWUDOOHLWHU 5% (UGXQJVZLGHUVWDQGGHV7UDQVIRUPDWRUV 5$ (UGXQJVZLGHUVWDQGGHU.XQGHQDQODJH

Bild 1.14.2-6. Aufbau des TTSystems ohne Darstellung von Schutzeinrichtungen.

Damit die automatische Abschaltung der Stromversorgung in einem TT-System innerhalb der festgelegten Zeit erfolgt, muss folgende Bedingung erfüllt sein: Ra · Ia ≤ UL Dabei entspricht Ra der Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters der Körper in der betrachteten Anlage. Ia ist der Abschaltstrom, der das automatische Abschalten der Schutzeinrichtung innerhalb der festgelegten Zeiten (siehe Tafel 1.14.2-3) bewirkt. UL ist die vereinbarte Grenze der Berührungsspannung (siehe Abschnitt 1.14.2-1). Tafel 1.14.2-3 Nennspannung und maximale Abschaltzeiten nach DIN VDE 0100-410 *) für TT-System für Stromkreise mit einem Nennstrom kleiner 32 A.

*)

U0 in V

Abschaltzeit bei AC

Abschaltzeit bei DC

50 V … 120 V

0,3 s

—

120 V … 230 V

0,2 s

0,4 s

230 V … 400 V

0,07 s

0,2 s

> 400 V

0,04 s

0,1 s

DIN VDE 0100-410 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“ — IEC 60364-4-41:2005, modifiziert.

Im TT-System sind Abschaltzeiten von maximal 1 s in Verteilerstromkreisen und in Stromkreisen, die nicht der Tafel 1.14.2-3 zugeordnet werden können, erlaubt.

1.14.2 Elektrosicherheit

1.14.2-2.2.3

667

IT-System

In einem IT-System müssen alle aktiven Teile gegen Erde isoliert oder mit einer sehr hohen Impedanz mit Erde verbunden sein. / / / 3(

RA 3(6FKXW]IXQNWLRQ 5$ (UGXQJVZLGHUVWDQGGHU.XQGHQDQODJH

Bild 1.14.2-7. Aufbau des IT-Systems ohne Darstellung von Schutzeinrichtungen.

Der Fehlerstrom bei einem ersten Fehler im IT-System (siehe Bild 1.14.2-7) gegen einen Körper und somit gegen Erde ist sehr klein. Hierdurch ist eine automatische Abschaltung nicht erforderlich. Dieser erste Fehler muss durch eine sogenannte Isolationsüberwachungseinrichtung erfasst und signalisiert werden. Bei zwei gleichzeitig auftretenden Fehlern gegen einen Körper und somit gegen Erde ist eine sofortige Abschaltung notwendig, da sich der Fehlerstrom deutlich erhöht. IT-Systeme werden in Deutschland im Wesentlichen in Krankenhäusern angewendet und in der Regel nicht in privaten Haushalten. 1.14.2-2.2.4

Zulässige Schutzeinrichtungen für den Schutz gegen elektrischen Schlag unter Fehlerbedingungen

Die folgenden Überstromschutzeinrichtungen dürfen bzw. müssen in den beschriebenen TN-, TT- und IT-Systemen zur Abschaltung angewendet werden: – Leitungsschutzsicherungen (Schmelzsicherungen) – Leitungsschutzschalter – Leistungsschalter mit elektromagnetischem Auslöser – Teilbereichssicherungen Darüber hinaus dürfen bzw. müssen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom von maximal 30 mA als zusätzlicher Schutz genutzt werden. Jedoch dürfen diese Schutzeinrichtungen nicht als alleiniges Mittel des Personenschutzes gegen elektrischen Schlag angewendet werden. Der Aufbau und die Funktionsweise der Schutzeinrichtungen werden im folgenden Abschnitt erläutert.

1.14.2-3

Sachwertschutz gegen Überströme

Der Sachwertschutz umfasst den Schutz gegen: – Überströme (Überlast- oder Kurzschlussströme) – Überspannungen – Leckströme – Funken und Lichtbögen – Unterspannungen. Im Folgenden wird der Schutz gegen Überströme dargestellt.

1.14.2-3.1 Schutz gegen Überströme Der Schutz gegen Überströme wird unterteilt in den sogenannten Überlast- und Kurzschlussschutz.

1

668

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

Überlastschutz Die Problematik des Überlastschutzes besteht darin, dass die Ströme in diesem Fall unter Umständen die zulässigen Bemessungsströme nur wenig übersteigen und daher sich nur gering vom zulässigen Betriebsfall unterscheiden. Werden diese erhöhten Ströme jedoch nach einer gewissen Zeit nicht unterbrochen, können unzulässig hohe Temperaturen und damit z. B. Schäden an der Isolierung von Betriebsmitteln entstehen. Die Auslegung des Überlastschutzes erfolgt nach der sogenannten Nennstrom- und Auslöseregel. Die Nennstromregel legt den Nenn-/Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung fest: Ib ≤ Ir ≤ Ithz Für die Auslöseregel gilt: I2 ≤ 1,45 · Ithz Dabei sind Ib der Betriebsstrom des Stromkreises, Ir der Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung, Ithz die Strombelastbarkeit des Kabels bzw. der Leitung (siehe DIN VDE 0100-4301) oder DIN VDE 0298-42)) und I2 der Auslösestrom der Schutzeinrichtung. Die sich hierdurch ergebenden Verhältnisse bei der Koordination des Überlastschutzes sind in Bild 1.14.2-8 dargestellt.

IWK] 

IE 

I” 

%H]XJVZHUWHGHU/HLWXQJ

ௗIWK] 

I 

I

.HQQJU|‰HQGHU6FKXW] HLQULFKWXQJ

Bild 1.14.2-8. Koordination der Überstromschutzeinrichtung beim Überlastschutz.

In der DIN VDE 0298-43) werden in Abhängigkeit des Leitermaterials, des Leiterquerschnitts, des Isolationsmaterials und der Verlegungsart der thermische BemessungsKurzzeitstrom Ithr angegeben. Dieser Bemessungs-Kurzzeitstrom gilt für eine Kurzschlussdauer von tkr = 1 s. Die Berechnung der in einer konkreten Anlage zulässigen Kurzschlussbelastung Ithz in Abhängigkeit der tatsächlichen Kurzschlussdauer tk erfolgt mit der folgenden Beziehung: t kr I thz = I thr ⋅ ----tk Der Auslösestrom I2 der Schutzeinrichtung hängt vom Typ der Schutzeinrichtung ab. Für Leitungsschutzschalter der Charakteristik B, C und D (siehe Tafel 1.14.2-6) und für Sicherungen gilt I2 ≤ 1,45 · Ir. Für Leistungsschalter kann mit einem Auslösestrom von I2 ≤ 1,35 · Ir gerechnet werden. Für einstellbare Schutzeinrichtungen entspricht der Auslösestrom dem Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung.

1) 2)

3)

DIN VDE 0100-430 „Errichtung von Niederspannungsanlagen – Teil 4-43 Schutzmaßnahmen – Schutz bei Überstrom“, 10-2008. DIN VDE 0298-4 „Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen“. DIN VDE 0298-4 „Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen“.

1.14.2 Elektrosicherheit

669

Kurzschlussschutz Beim Kurzschlussschutz müssen die Schutzeinrichtungen den Stromkreis unterbrechen, bevor die Kurzschlussströme Schäden an Isolierung, Anschluss- und Verbindungsstellen oder anderen Teilen durch Erwärmung oder mechanische Wirkung anrichten können. Es soll eine möglichst schnelle Abschaltung des Kurzschlussstromes erreicht werden. Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt werden: – der maximale Kurzschlussstrom darf das Ausschaltvermögen der Schutzeinrichtung nicht übersteigen – der Kurzschlussschutz muss immer am Anfang eines Stromkreises installiert werden und darf maximal um 3 m versetzt werden. – die maximal zulässige Ausschaltzeit tk (Zeit bis zur Erwärmung des Leiters auf zulässige Kurzschlusstemperatur) für das Ausschalten des Stromkreises bei maximalem Kurzschlussstrom darf nicht überschritten werden. Mit der folgenden Gleichung kann für einen gegebenen Leiterquerschnitt und Kurzschlussstrom die zulässige Kurzschlussdauer bestimmt werden. A⋅k 2 t k =  -----------  Ia  Diese Gleichung darf nur bis zu einer Abschaltzeit von maximal 5 s angewendet werden. In der Gleichung ist A der Leiterquerschnitt in mm2, Ia entspricht dem Effektivwert des Kurzschlussstroms, welcher durch die Schutzeinrichtung abgeschaltet werden muss und k ist ein Materialkoeffizient, welcher von dem Leiter- und Isolationsmaterial abhängt. Typische Werte von k sind in der folgenden Tafel 1.14.2-4 angegeben. Tafel 1.14.2-4 Materialkoeffizient zur Berechnung der maximalen Kurzschlussdauer. Isolations- und Leitermaterial

A⋅ s Materialkoeffizient k in -------------2 mm

PVC-isolierter Cu-Leiter

115

PVC-isolierter Al-Leiter

76

gummiisolierter Cu-Leiter

141

1.14.2-4

Schutzeinrichtungen

Leitungsschutzsicherungen (Schmelzsicherungen) In Niederspannungsnetzen werden für den Personen- und Sachwertschutz häufig Niederspannungssicherungen eingesetzt. Der Aufbau und die Auswahl der Sicherungen ist in DIN CLC/TR 60269-51) detailliert dargestellt. Grundsätzlich wird zwischen Ganzbereichs- und Teilbereichs-Sicherungen unterschieden. Die Teilbereichs-Sicherungen oder Backup-Sicherungen sind speziell für die Abschaltungen von Kurzschlussströmen konstruiert. Ganzbereichs-Sicherungen können sowohl für die Abschaltung von Kurzschluss- als auch Überlast-Strömen eingesetzt werden. Für die Auswahl der Sicherung sind der Typ des zu schützenden Betriebsmittels und die Art des Versorgungssystems, welches unterbrochen werden soll, maßgebend. Die Tafel 1.14.2-5 enthält Beispiele für Anwendungsbereiche von Sicherungen und deren Typbezeichnungen.

1)

DIN CLC/TR 60269-5 „Niederspannungssicherungen – Teil 5: Leitfaden für die Anwendung von Niederspannungssicherungen“ — (IEC/TR 60269-5. 2010).

1

670

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

Tafel 1.14.2-5 Typbezeichnung von Sicherungen und Anwendungsbereiche. Typ

Anwendung (Kennlinie)

Ausschaltbereich

gL

Kabel- und Leitungen

Ganzbereich

gG

Allgemeine Anwendung

Ganzbereich

gM

Schutz von Motorstromkreisen

Ganzbereich

aM

Kurzschlussschutz von Motorstromkreisen

Teilbereich (Backup)

gR, gS

Schutz von Halbleiterelementen und Leitungen

Ganzbereich

aR

Schutz von Halbleiterelementen

Teilbereich (Backup)

Für den Leitungsschutz wird häufig der Sicherungstyp gG verwendet. Es gibt verschiedene Bauformen von Niederspannungssicherungen. Sicherungen, die von Laien gewechselt werden dürfen, sind zum Beispiel die sogenannten DII-Sicherungen. Diese werden in DIN VDE 0636-31) dargestellt. Die NH-Sicherungen (siehe DIN VDE 0636-212)) dürfen nur durch Elektrofachkräfte gehandhabt werden. In Bild 1.14.2-9 sind sowohl eine Sicherung des NH- als auch des DII-Systems dargestellt. Bei der NH-Sicherung handelt es sich um den Typ gL/gG, der für allgemeine Anwendungen eingesetzt werden kann. Die Sicherung des DII-Systems ist vom Typ gR, also eine Ganzbereichssicherung für den Schutz von Halbleiterelementen. b)

a)

b)

Bild 1.14.2-9. Niederspannungssicherungen a) NH-System, b) DII-System.

Die Auslösezeiten von Sicherungen werden in sogenannten Schmelzzeit-Kennlinien dargestellt. Die tatsächliche Auslösezeit von Sicherungseinsätzen hat eine große Streuung und hängt von vielen Faktoren, wie z. B. der Vorbelastung und der Umgebungstemperatur ab. Bei der Auswahl von Sicherungen sind die Hinweise in DIN CLC/TR 60269-53) zu beachten. Die Selektivität zwischen Sicherungen wird für Auslösezeiten von taus ≥ 0,1 s basierend auf den Zeit-Strom-Kennlinien nachgewiesen. Hierbei ist die Streuung der Auslösezeiten von Sicherungen zu beachten. Für Auslösezeiten von taus < 0,1 s wird die Selektivität mit Hilfe der Schmelz- und Ausschalt-I2t-Werte überprüft. Diese werden von den Herstellern der Sicherungen angegeben.

1)

2)

3)

DIN VDE 0636-3 „Niederspannungssicherungen – Teil 3: Zusätzliche Anforderungen an Sicherungen zum Gebrauch durch Laien (Sicherungen überwiegend für Hausinstallation und ähnliche Anwendungen)“, 09-2011. DIN VDE 0636-21 „Niederspannungssicherungen (NH-System) – Teil 2: Zusätzliche Anforderungen an Sicherungen zum Gebrauch durch Elektrofachkräfte bzw. elektrotechnisch unterwiesene Personen“, 09-2011. DIN CLC/TR 60269-5 „Niederspannungssicherungen – Teil 5: Leitfaden für die Anwendung von Niederspannungssicherungen“, 2010 — IEC/TR 60269-5.

1.14.2 Elektrosicherheit

671

Vereinfacht kann davon ausgegangen werden, dass Sicherungen, welche die Norm1) erfüllen und vom gleichen Typ sind, ab einer Bemessungsstromstärke Ir ≥ 16 A die Anforderung an die volle Selektivität erfüllen, wenn das Verhältnis der Bemessungsstromstärken 1,6 : 1 oder größer ist. Leitungsschutzschalter Leitungsschutzschalter können für den Überlast- und Personenschutz eingesetzt werden. Sie verfügen immer über zwei getrennte Auslöser. Zum einen ist dies eine elektromagnetisch betätigte Auslösung für den Kurzschlussschutz, die innerhalb weniger 10 ms die Abschaltung herbeiführt. Zum anderen wird der Überlastschutz mit Hilfe eines Thermo-Bimetall-Auslösers realisiert. Je nach Anwendung stehen die Auslösecharakteristiken B, C oder D zur Verfügung (siehe DIN EN 60898-12) DIN EN 60898-23)). Die Bereiche der sogenannten Sofortauslösung für die verschiedenen Typen von Leitungsschutzschaltern sind in Tafel 1.14.2-6 zusammengefasst. Tafel 1.14.2-6 Bereiche der Sofortauslösung von Leitungsschutzschaltern. Typ

Bereich

B

über 3 In bis einschließlich 5 In

C

über 5 In bis einschließlich 10 In

D

über 10 In bis einschließlich 20 In

Die wesentlichen Funktionselemente und Hinweise zur Anwendung von Leitungsschutzschaltern sind der Norm DIN EN 60898-14) zu entnehmen. Die Selektivität wird üblicherweise durch Vergleich der Ausschaltkennlinien überprüft. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) RCD (Residual Current Device) ist die generelle Bezeichnung für Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen, die beim Übersteigen eines bestimmten Differenzstromes automatisch abschalten. Unter diesem Oberbegriff gibt es folgende Ausführungsformen: – RCCB Fehlerstrom-Schutzschalter ohne integrierte Überstromerfassung – RCBO Fehlerstrom-Schutzschalter mit integrierter Überstromerfassung – SRCD ortsfester Fehlerstrom-Schutzschalter in Steckdosenausführung – PRCD ortsveränderlicher Fehlerstrom-Schutzschalter – MRCD modulares Fehlerstromgerät – CBR Leistungsschalter mit Fehlerstromschutz In Abhängigkeit der Form des Fehlerstroms (sinusförmig, impulsförmig) gibt es unterschiedliche Typen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen. Das grundsätzliche Funktionsprinzip einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist in Bild 1.14.2-10 dargestellt. Mit Hilfe des Summenstromwandlers SW wird der Strom in den drei Außenleitern und im Neutralleiter vorzeichenrichtig gemessen. Bei fehlerfreiem Betrieb ist diese Stromsumme Null. Im Fall eines Körperschlusses fließt ein Teil des Stroms über das Erdreich. Übersteigt dieser Differenzstrom den Nennwert der FehlerstromSchutzeinrichtung, für den Personenschutz ist der maximal zulässige Wert IΔr = 30 mA, wird ausgelöst und allpolig abgeschaltet.

1) 2)

3)

4)

DIN CLC/TR 60269-5 „Niederspannungssicherungen – Teil 5: Leitfaden für die Anwendung von Niederspannungssicherungen“, 2010 — IEC/TR 60269-5. DIN EN 60898-1(VDE 0641-11 Beiblatt 1) „Elektrisches Installationsmaterial – Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke – Teil 1: Leitungsschutzschalter für Wechselstrom (AC)“, 03-2006 — IEC 60898-1:2002 + A1:2002, modifiziert. DIN EN 60898-2 (VDE 0641-12) „Elektrisches Installationsmaterial – Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke – Teil 2: Leitungsschutzschalter für Wechsel- und Gleichspannung (AC und DC)“ — IEC 60898-2:2000 + A1:2003, modifiziert. DIN EN 60898-1 Beiblatt 1 (VDE 0641-11 Beiblatt 1) „Elektrisches Installationsmaterial – Leitungsschutzschalter für Hausinstallationen und ähnliche Zwecke – Teil 1: Leitungsschutzschalter für Wechselstrom (AC) – Beiblatt 1: Anwendungshinweise zum Einsatz von Leitungsschutzschaltern nach DIN EN 60989-1 und DIN EN 60898-2“, 10-2012.

1

672

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

/ / / 1 6: 35 6

6 )$

,! )$

37

6FKDOWVFKORVV )HKOHUVWURPDXVO|VHU

6: 6XPPHQVWURPZDQGOHU 35 3UIZLGHUVWDQG 37

3UIWDVWH

Bild 1.14.2-10. Interne Struktur einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung.

Die verschiedenen Ausführungsformen und Anwendungshinweise sind in den Normen DIN EN 61008-11) und DIN EN 61008-1 Beiblatt 12) beschrieben. Es ist zu beachten, dass Fehler-Schutzeinrichtungen im Rahmen des Personenschutzes nur als Zusatzeinrichtungen genutzt werden dürfen.

1.14.3

Anschluss von Erzeugeranlagen an das Niederspannungsnetz

1.14.3-1

Funktionsweise von Wechselrichtern

Die prinzipielle Funktionsweise dezentraler Erzeugungsanlagen (DEA) auf Basis von Wechselrichtern wird am Beispiel einer Brennstoffzellen-Anlage (BZ) gemäß Blockschaltbild in Bild 1.14.3-1 erläutert. Die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Wirkleistung PBZ (Gleichstromsystem) lädt einen im Wechselrichter integrierten Kondensator auf. Über eine leistungselektronische Schaltung wird die elektrische Leistung aus dem Kondensator an das elektrische Netz (Drehstromsystem) abgegeben. Dafür wird je nach abzugebender Wirk- und Blindleistung PDEA; QDEA eine pulsweitenmodulierte Spannung erzeugt ( U PWM ). Nimmt die Kondensatorspannung UDC zu, so kann der Wechselrichter mehr Wirkleistung abgeben. Wird sie jedoch kleiner, so muss die abgegebene Leistung reduziert werden. Spannungsregelung UDC

UPWM soll

PBZ %UHQQ VWRII]HOOH

QDEA soll

:HFKVHO ULFKWHU

UPCC , f

PCC PDEA; QDEA

(OHNWULVFKHV 1HW]

Bild 1.14.3-1. Vereinfachtes Blockschaltbild einer BrennstoffzellenAnlage („PCC“ steht für „Point of Common Coupling“ – entspricht dem Netzanschlusspunkt).

Neben der durch den Wechselrichter abgegebenen, von der Brennstoffzelle erzeugten Wirkleistung PDEA wird gleichzeitig die Bereitstellung oder der Bezug von Blindleistung

1)

2)

DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10) „Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 11-2015 — IEC 61008-1:2010 und Modifikationen. DIN EN 61008-1 Beiblatt 1 (VDE 0664-10 Beiblatt 1) „Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen – Blatt 1: Anwendungshinweise zum Einsatz von RCCBs nach DIN EN 61008-1 (VDE 0664-10)“, 10-2010.

1.14.3 Anschluss von Erzeugeranlagen an das Niederspannungsnetz

673

durch die DEA gefordert. Die Blindleistungsvorgabe QDEA soll erfolgt durch den Betreiber des elektrischen Versorgungsnetzes. Der dafür notwendige Strom IDEA soll ergibt sich bei einer DEA, die als symmetrischer Drehstromerzeuger arbeitet, zu: 3 ⋅ ( P DEA soll – j ⋅ Q DEA soll ) I DEA soll = -------------------------------------------------------------------U PCC Der abgegebene Strom des Wechselrichters kann, basierend auf dem einphasigen Ersatzschaltbild nach Bild 1.14.3-2, bestimmt werden. Der Strom wird aus der Differenzspannung ΔU , die über dem Anschlusswiderstand RA und der Anschlussreaktanz XA abfällt, ermittelt. Die Differenzspannung ΔU kann mit Hilfe des Maschensatzes berechnet werden. Hieraus ergibt sich: U PWM – U PCC ΔU I DEA = -------------------------- = -----------------------------------------RA + j ⋅ XA 3 ⋅ (R + j ⋅ X ) A

A

Damit kann die erforderliche Ausgangsspannung der Pulsweitenmodulation (PWM) für den notwendigen Strom IDEA berechnet werden: U PWM = I DEA ⋅ 3 ⋅ ( R A + j ⋅ X A ) + U PCC 'U

PCC XA U P:0 

RA

IDEA U PCC 

Netz, Last, ...

tĞĐŚƐĞůͲ ůĞŬƚƌŝƐĐŚĞƐ ƌŝĐŚƚĞƌ EĞƚnj Bild 1.14.3-2. Einphasiges Ersatzschaltbild des Wechselrichters am elektrischen Netz.

Allgemeine Vorgaben für den Anschluss von Erzeugungsanlagen wurden vom BDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.) in der Broschüre TAB 20071) zusammengefasst. Diese beschreiben den Stand der Technik, auch z. B. die Anforderungen an Messeinrichtungen. In den VDE-Anwendungsregeln2) sind detaillierte Hinweise, von der Anmeldung der Anlagen bis zu technischen Anforderungen beschrieben. Ähnliche Dokumente gibt es auch für den Anschluss und Betrieb von dezentralen Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz.

1.14.3-2

Wirkleistungsabgabe bei Überfrequenz

Um einem Ansteigen der Frequenz im Verbundbetrieb des elektrischen Netzes entgegen wirken zu können, müssen nahezu alle DEA ihre Wirkleistungsabgabe ab einer Frequenz von 50,2 Hz reduzieren können. Entsprechend der folgenden Gleichung hat eine Anpassung der abgegebenen Leistung um 0,4 PM/Hz innerhalb der Grenzen 50,2 Hz ≤ f ≤ 51,5 Hz zu erfolgen. In Abhängigkeit von der momentan verfügbaren Leistung PM (wobei der Index M auf die zum Zeitpunkt der Frequenzüberschreitung abgegebene momentane Wirkleistung hinweist) und der Frequenz f kann somit die notwendige Leistungsreduktion ΔP berechnet werden.

1) 2)

BDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.): Technische Anschlussbedingungen TAB 2007 für den Anschluss an das Niederspannungsnetz. Stand: Juli 2007, Ausgabe 2011. VDE-AR-N 4105 „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz – Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, 08-2011.

1

674

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

f 50 ,2 – ------Hz ΔP = 20 ⋅ P M ⋅ ----------------------50 Die Leistung PDEA in Abhängigkeit von f ist in Bild 1.14.3-3 dargestellt. Erst bei erneutem Absinken der Frequenz auf f < 50,05Hz ist eine erneute Anhebung der Leistungsabgabe über PM zulässig. PDEA

Entkupplungsschutz schaltet ab

PM ƩP

50 Hz

1.14.3-3

f>

50,2 Hz

f

Bild 1.14.3-3. Schematische Darstellung der Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz.

Statische Netzstützung

Aufgrund der stärkeren Durchdringung der elektrischen Netze mit DEA und der damit verbundenen Verdrängung konventioneller Kraftwerke wird es notwendig, dass die DEA zunehmend Systemdienstleistungen übernehmen. Konventionell wurden diese nur durch Großkraftwerke bereitgestellt. Zu diesen Systemdienstleistungen gehört u. a. die Bereitstellung von Blindleistung. Diese Anforderungen werden in den entsprechenden Netzanschlussrichtlinien1) definiert. Die Blindleistung wird zur Unterstützung der Spannungshaltung in den elektrischen Versorgungsnetzen benötigt. Die DEA müssen in der Lage sein, Blindleistung sowohl bereit zu stellen als auch aufzunehmen. Man unterscheidet: – übererregter Betrieb: Blindleistungsbereitstellung (wirkt wie Kapazität) – untererregter Betrieb: Blindleistungsaufnahme (wirkt wie Induktivität). Für den einzuhaltenden Verschiebungsfaktor cosϕ der DEA gelten, abhängig von der Spannungsebene und Größe der Erzeugungsanlage, die Vorgaben in Tafel 1.14.3-1. Tafel 1.14.3-1 Anforderungen zur Blindleistungsbereitstellung. Spannungsebene

Installierte Leistung

cos

Vorgabe Kennlinie

NS

≤ 3,68 kVA

0,95übererregt bis 0,95untererregt

keine

NS

3,68 kVA bis 13,8 kVA

0,95übererregt bis 0,95untererregt

cos ϕ(P) konst. cos ϕ

NS

> 13,8 kVA

0,90übererregt bis 0,90untererregt

cos ϕ(P) konst. cos ϕ

MS

alle

0,95übererregt bis 0,95untererregt

cos ϕ(P) konst. cos ϕ konst. Q Q(U)-Kennlinie

Der Netzbetreiber darf dabei, außer bei den kleinsten Anlagen, Vorgaben für cos ϕ treffen.

1)

VDE-AR-N 4105 „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz – Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, 08-2011.

1.14.3 Anschluss von Erzeugeranlagen an das Niederspannungsnetz

675

Im Allgemeinen kann durch den untererregten Betrieb die Spannung am Anschlusspunkt der DEA reduziert werden. Dies ist sinnvoll, wenn bei großer Wirkleistungseinspeisung die Spannung am Einspeisepunkt der DEA angestiegen ist, wie in Bild 1.14.3-4 dargestellt. Durch die Aufnahme von Blindleistung (untererregter Betrieb) kann die Spannung dann ohne Verringerung der eingespeisten Wirkleistung im Toleranzband gehalten werden. '($

U UQ UQ UQ x

$

%

&

'

RKQH(LQVSHLVXQJGXUFK'($ PLW:LUNOHLVWXQJVHLQVSHLVXQJGXUFK'($ PLW:LUNOHLVWXQJVHLQVSHLVXQJXQG%OLQGOHLVWXQJVDXIQDKPHGXUFK'($

Bild 1.14.3-4. Spannungsverlauf und Leistungsflussrichtungen über einer Leitung ohne ( mit ( ) dezentraler Erzeugungsanlage am Ende der Leitung.

) und

Die Bereitstellung von Blindleistung (übererregter Betrieb) dient der Spannungsstützung, indem der induktive Blindleistungsbedarf des Netzes gedeckt wird. Damit wird dem Absinken der Spannung entgegen gewirkt. Außerdem wird der Blindleistungsbezug aus dem vorgelagerten Netz verringert und die Leitungen und Transformatoren damit weniger stark ausgelastet. Konstanter cos ϕ oder konstantes Q In der Nieder- und Mittelspannung darf ein konstanter cosϕ und in der Mittelspannung alternativ auch ein konstanter Betrag der Blindleistung vorgegeben werden. Dabei müssen die vorgegebenen Werte jedoch innerhalb der zulässigen Grenzwerte des cosϕ liegen. Diese Variante ist die einfachste Einstellmöglichkeit, gewährleistet aber nicht in jedem Fall eine sinnvolle statische Netzstützung. cos ϕ in Abhängigkeit von der Wirkleistung Diese Kennlinie kann abhängig von der Wirkleistungseinspeisung einen unter- oder übererregten Betrieb ermöglichen. Damit kann insbesondere erreicht werden, dass der Einfluss der jeweiligen Anlage auf die Spannungsanhebung bzw. -absenkung minimiert wird. Eine DEA kann sowohl zur Blindleistungsbereitstellung als auch zum -bezug dienen (Bild 1.14.3-5a) oder getrennt nur eine der beiden Aufgaben übernehmen (Bild 1.14.3-5b). Die dargestellten Kennlinien sind dabei nur Beispiele für mögliche Kennlinien des Netzbetreibers.

1

676

1. Grundlagen / 1.14 Elektrische Energietechnik

cos ij

cos ij

0,95

1,00

K1

0,95 EHUHUUHJW

P/PQ

P/PQ 1,00

1

0

EHUHUUHJW 0

XQWHUHUUHJW

1

XQWHUHUUHJW

0,95

0,95

a)

K2

b)

Bild 1.14.3-5. cosϕ in Abhängigkeit von der Wirkleistung a) Bereitstellung und Bezug von Blindleistung; b) ausschließlich Bereitstellung (K1) oder Bezug (K2) von Blindleistung.

Blindleistung in Abhängigkeit von der Spannung Das Prinzip dieser Kennlinie ähnelt dem wirkleistungsabhängigen Verschiebungsfaktor. Die Blindleistung wird unabhängig von der eingespeisten Wirkleistung gefordert. Somit können auch Anlagen zur statischen Netzstützung beitragen, die nur sehr wenig Leistung einspeisen. Hierbei sind jedoch mitunter technische Grenzen gesetzt, da nicht alle Anlagen in der Lage sind, arbeitspunktunabhängig ihre Bemessungs-Blindleistung zur Verfügung zu stellen. Hierfür sind spezifische technische Anforderungen zu erfüllen. In Bild 1.14.3-6 ist eine Variante der Q(U)-Kennlinie dargestellt. Diese weist um U/Un = 1 p.u. ein Totband auf, innerhalb dessen keine Blindleistung bereitgestellt oder aufgenommen werden muss. Q/Sn EHUHUUHJW 7RW EDQG U/UQ 







XQWHUHUUHJW

1.14.3-4

Bild 1.14.3-6. Kennlinie zur spannungsabhängigen Blindleistungsbereitstellung (Q(U)-Kennlinie).

Dynamische Netzstützung

Durch die dynamische Netzstützung wird gewährleistet, dass Anlagen während eines Netzfehlers die Spannung stützen, indem sie einen Blindstrom zur Verfügung stellen. Damit soll die Versorgung fehlerferner Bereiche aufrechterhalten werden. Würden sich alle Anlagen bei einem kurzzeitigen Fehler sofort vom Netz trennen, würde die Spannung nach der Fehlerklärung in einem größeren Bereich des Netzes einbrechen. Dies kann zum unselektiven Abschalten größerer Teilnetze führen, die nicht direkt durch den auslösenden Fehler betroffen sind. Wird die Spannung jedoch dynamisch gestützt, so kann nach der Beseitigung des Fehlers und der Wiederkehr der Spannung sofort eine Weiterversorgung erfolgen. Dynamische Netzstützung im Niederspannungsnetz Im Niederspannungsnetz müssen DEA bislang keine dynamische Netzstützung durchführen und dürfen sich in einem Störungsfall sofort vom Netz trennen. Mit der nächsten Novellierung der VDE-AR-N 41051) wird jedoch voraussichtlich auch für NS-Anlagen die Beteiligung an der dynamischen Netzstützung erforderlich.

1)

VDE-AR-N 4105 „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz – Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, 08-2011.

1.14.3 Anschluss von Erzeugeranlagen an das Niederspannungsnetz

677

Dynamische Netzstützung im Mittelspannungsnetz DEA im Mittelspannungsnetz müssen sich an der dynamischen Netzstützung beteiligen. Direkt am Netz angeschlossene Synchrongeneratoren gelten als eine Anlage vom Typ 1, alle anderen DEA gehören zu der Kategorie Typ 2. Anlagen vom Typ 1 dürfen sich bei Spannungsverläufen oberhalb der Grenzlinie in Bild 1.14.3-7 nicht vom Netz trennen. U/Uc

Störungseintritt

Grenzlinie

70%

30%

0

1

Toleranz band

100%

0 150

700

1500

t in ms

Bild 1.14.3-7. Grenzlinie des Spannungsverlaufs für DEA von Typ 1 entnommen aus BDEW *) *) BDEW: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Berlin 2008.

Das erlaubte Verhalten der Anlagen vom Typ 2 ist in Bild 1.14.3-8 dargestellt. Zwischen der Grenzlinie 1 und Grenzlinie 2 dürfen sich die Anlagen kurz vom Netz trennen. Bei einer Restspannung unter 30 % der Bezugsspannung werden nach einer Kurzschlussdauer von mehr als 150 ms keine Anforderungen an die Anlagen gestellt. U/Uc

Störungseintritt Toleranz band

100% Grenzlinie 1

70%

Grenzlinie 2 30% Keine Anforderungen an das Verbleiben am Netz 0

0 150

1.14.3-5

700

1500

t in ms

Bild 1.14.3-8. Grenzlinien des Spannungsverlaufs für DEA von Typ 2 entnommen aus BDEW *) *) BDEW: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Berlin 2008.

Entkupplungsschutz

Sämtliche DEA im Nieder- und Mittelspannungsnetz müssen mit einem Entkupplungsschutz wie in Bild 1.14.3-9 ausgestattet sein. Der Entkupplungsschutz dient dem Schutz der Erzeugungsanlage und soll diese bei Störungen wie Netzfehlern oder Inselbildungen sicher vom Netz trennen. PDEA+ jQDEA

DEA Entkupplungsschutz f>

51,5 Hz

f


1,15ÂUn

U
) und Frequenzschutz (Kurzschreibweise f< und f>) nach Tafel 1.14.3-2. Alle Bedingungen werden logisch ODER verknüpft. Dementsprechend genügt die Über- oder Unterschreitung des Ansprechwertes einer einzelnen Messspannung oder -frequenz, um eine Anregung zu bewirken. Die in der Tafel 1.14.3-2 aufgeführten Bezugsspannungen sind: – Un – für MS: sekundäre Wandlernennspannung, für NS: Nennspannung – Uc – vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz – UNS – Spannung auf der Niederspannungsseite des Maschinentransformators der EE Tafel 1.14.3-2 Einstellwerte für den Entkupplungsschutz (EE – Erzeugungseinheit, ÜP – Übergabepunkt, UW – Umspannwerk). Netzebene

Installationsort

Schutz

Einstellbereich

empfohlene Einstellwerte

mit AWE

Wert

Zeit

Zeit

MS + NS MS + NS

EE EE

f> f
> U> U< Q→ & U< a) U>> U< U> U< U> U> U
110 °C

Allgemeines Heißwasser-Fernwärmeversorgung mit Dampf mit Temperaturen > 120 °C stellt eine Alternative zur Wärme-Versorgung dar. Vorzüge der Heißwasserversorgung gegenüber der Dampf-Versorgung sind: Fortfall der Kondensatwirtschaft und der damit verbundenen Verluste; Einsatz des kostengünstigen Kunststoffmantelrohres im Fernwärmenetz; Vereinfachung in der Leitungsführung; bei großer Temperaturspreizung hohe Wärmetransportleistung des Netzes; leichte örtliche und zentrale Regelung; geringere Wartung; geringere Wärmeverluste bei gleitender Vorlauftemperatur zwischen 70 und 140 °C; lange Lebensdauer. Nachteil: Dauernde Stromkosten für Pumpenantrieb. Anwendung der Heißwasserversorung für Fernwärmesysteme großen Umfangs, insbesondere Stadtheizungen, bei denen neben den üblichen Zentralheizungen auch Anlagen angeschlossen werden, die Warmwasser oder Dampf für Fabrikationszwecke benötigen (z. B. Krankenanstalten, Textilbetriebe, Wäschereien, Schlachthöfe usw.), sowie für Industriebetriebe, Kasernen, Hochschulen usw. Die Rohrleitungen können in beliebiger Weise ohne Rücksicht auf das Gefälle verlegt werden, es ist lediglich an den höchsten Punkten des Netzes für Entlüftung und an den tiefsten für Entleerung zu sorgen.

716

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Druckhaltung Die Wärmedarbietung kann entweder als Industrieabwärme, aus KWK-Prozessen oder unmittelbar aus Eigenerzeugung erfolgen, z. B. inHeißwasserkesseln. Wird an irgendeiner Stelle des Heißwassernetzes der notwendige Sättigungsdruck unterschritten, kommt es zur Dampfblasenbildung. Kommen diese Dampfblasen mit kälteren Anlagenteilen oder kälterem Wasser in Berührung, erfolgt eine schlagartige Kondensation. Diese schlagartigen Kondensationen verursachen Druckstöße, die Beschädigungen bzw. Zerstörung der Anlagenteile hervorrufen können.

Bild 2.1.2-38. Heißwasserheizung mit tiefliegendem Ausdehnungsgefäß mit Fremdgaspolster.

Um Kavitation an den Pumpen zu vermeiden, darf der erforderliche Zulaufdruck (Zulaufhöhe) an der Saugseite der Pumpe nicht unterschritten werden. Fremdgas (Stickstoff aus Flaschen oder Luftkompressor mit Membranausdehnungsgefäß). Druck bleibt durch automatische Regelung konstant (Bild 2.1.2-38). Größe des Ausdehnungsgefäßes entweder für die gesamte Wasserausdehnung, dabei große Abmessungen, oder nur für die normale durch Temperaturänderungen bedingte Wasserausdehnung. Dabei kleinere Abmessungen, jedoch zusätzliche Wasseraufnahme in Speisewassergefäß. Druckdiktierpumpen. Hierbei wird durch eine Pumpe dauernd eine kleine Wassermenge in das Netz gedrückt, während eine annähernde ebenso große Menge durch ein Überströmventil aus dem Netz in das Ausdehnungsgefäß entweicht (Bild 2.1.2-39). Wasserverlust im Netz beachten!

Bild 2.1.2-39. Heißwasserheizung mit Heißwasserkessel und Druckdiktierpumpe für Druckhaltung.

Vor- und Rücklauftemperaturen Die Wahl der Vorlauftemperatur erfolgte früher entsprechend den bei den Wärmeverbrauchsstellen geforderten Temperaturen, z. B. in Wäschereien 130 bis 160 °C, in Gummi- und Kabelwerken 155 bis 160 °C usw. Bei reinen Heizanlagen wird die Vorlauftemperatur je nach der Witterung in weiten Grenzen gleitend gefahren. Bei direktem Anschluss der Verbraucher ist in der Hauszentrale eine Beimischeinrichtung vorzusehen, bei indirektem Anschluss ein getrennter Sekundärkreislauf mit eigener Umwälzpumpe. Bei Heizkraftkopplung Rücklauftemperatur möglichst tief, um höhere Stromausbeuten zu erhalten.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

717

Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf je nach Anlage sehr verschieden, z. B. 160/80 °C oder 150/90 °C u. ä. In Heizwerken häufig 120/50 °C. Grundsätzlich ist die Differenz möglichst groß anzustreben, da dabei das Heiznetz billiger und der Energieverbrauch der Pumpen geringer wird. Pumpen Heißwasserumwälzpumpen sind Sonderkonstruktionen, bei hohen Wassertemperaturen mit gekühlten Lagern. Einbau im Vorlauf und Rücklauf möglich. Im Rücklauf geringere Temperaturbeanspruchung. Druckverhältnisse im Netz überprüfen. An keiner Stelle darf der Druck geringer sein als der zur Wassertemperatur gehörende Sättigungsdruck, sonst Dampfbildung und Wasserschläge. Heute werden die Umwälzpumpen überwiegend in den Rücklauf eingebaut. Die Reservepumpe sollte für die gleiche Leistung ausgelegt werden, wie die Hauptpumpe. Drehzahlregelung der Pumpen verbessert das Betriebsverhalten bei Teillast. Speicher Kurzzeitige Wärmespitzen können durch den Wasserinhalt des Heiznetzes selbst aufgenommen werden, ohne dass die Verbraucher durch die schwankende Wassertemperatur wesentlich gestört werden. Mittelbare Wassererwärmung. In Zeiten geringer Belastung wird Brauchwasser erwärmt. Bei Erwärmung von 10 auf 70 °C können je m3 Wasser 250000 kJ (± 70 kWh) gespeichert werden. Verdrängungsspeicher. Ausführung wie Bild 2.1.2-35 bei der Warmwasserfernheizung. Speicher verringern die Anlagekosten, wenn der Spitzenbedarf an Wärme durch sie gedeckt wird. Beim Be- und Entladevorgang auf gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeiten im Speicher achten. Wegen der hohen Investitionskosten von Druckspeichern wird deren Einsatz nur in Einzelfällen wirtschaftlich sein. Druckverteilung im Netz1) Bei der Projektierung der Anlage ist darauf zu achten, dass an keiner Stelle des Netzes der Druck geringer wird als der Sättigungsdruck des Wassers, da sonst Dampfbildung eintritt (Wasserschläge, Rohrschäden). Im ungünstigsten Fall sollte der Druck 0,5 bis 1,5 bar über dem Verdampfungsdruck sein. Wegen der hohen Temperaturen und großen Netzausdehnungen ergeben sich hohe Netzdrücke. Diese erfordern meist den indirekten Anschluss der Abnehmer. Zusatzwasser ist durch geeignete Aufbereitung von Sauerstoff und Härtebildnern zu befreien (Abschnitt 2.4.3). Zusatzwasserbehälter ist gegen Lufteinbruch (Sauerstoff) zu sichern. Hausstationen Das Fernheizwasser kann entweder direkt in das Hausnetz geleitet werden oder bei hohen Temperaturen im Fernheiznetz indirekt über Wärmeaustauscher. Direkter Hausanschluss ist nur möglich, wenn die Heizkörper im Gebäude für den max. Betriebsdruck geeignet sind. Dies ist bei Industrieheizungen ohne weiteres der Fall, wenn druckfeste Luftheizer, Konvektoren usw. als örtliche Heizkörper verwendet werden. Wohnungen werden heute meist indirekt angeschlossen. Zum einwandfreien Betrieb des Netzes und der Hausstation gehören dabei folgende Armaturen in jede direkte Hausanschlussstation (Bild 2.1.2-40): 1. Druckreduzierventil, falls erforderlich, um den hohen Netzdruck vom Hausnetz fernzuhalten; 2. Sicherheitsventil, falls erforderlich, für den Fall des Versagens des Reduzierventils; 3. Hauptabsperrventile in den Anschlussleitungen des Fernheiznetzes; 4. Hauptabsperrventile in der Vorlauf- und Rücklaufleitung des Hausanschlusses; 5. Mengenbegrenzer, um die vom Abnehmer entnommene Wassermenge (m3/h) auf einen max. Wert festzulegen und größere Entnahme zu verhindern; 1)

Nehring, G.: Ges.-Ing. (1974), Nr. 3. S. 76–82. Burkhardt, W.: HLH (1974), Nr. 2, S. 47–50; Nr. 3, S. 85–90.

2

718

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

6. Temperaturregelung mit Thermostat in der Vorlaufleitung abhängig von der Außentemperatur; 7. Wärmemengenzähler zur Abrechnung der entnommenen Wärme;1) 8. Manometer, Thermometer, Schmutzfänger u. a.

Bild 2.1.2-40. Hausstation für direkten Fernheizanschluss bei Heißwassernetzen.

Bei gleitender Vorlauftemperatur im Fernheiznetz können Temperaturregler u.U. entfallen. Indirekter Hausanschluss erfolgt unter Verwendung von Wärmeaustauschern, wobei sowohl Warmwasserheizungen als auch Dampfheizungen in den Gebäuden in üblicher Bauweise angeschlossen werden können. Vorteilhaft ist die Trennung zwischen Fernheiz- und Hausnetz, nachteilig der Temperaturgefälleverlust und die eigene Heizwasseraufbereitung. Bild 2.1.2-41 zeigt einen indirekten Hausanschluss Heißwasser-Warmwasser.

Bild 2.1.2-41. Indirekter Anschluss einer Warmwasserheizung an ein Heißwasser-Fernheiznetz. 1 = Absperrventil, 3 = Wassermengenbegrenzer, 4 = Membrangefäß, 5 = Schmutzfänger

Im Fernheiznetz-Vorlauf Absperrventil, im Rücklauf Heizwassermengenbegrenzer, Wärmemengenzähler und Temperaturregelventil. Heizwasserumlauf im Haus durch Pumpe. Bild 2.1.2-42 zeigt den Anschluss eines größeren Gebäudes an das Fernheiznetz. Neuerdings werden für kleine und mittlere Anschlusswerte industriell gefertigte Fernwärme-Kompaktstationen2) geliefert. Durch den geringeren Montageaufwand ergibt sich eine wesentliche Verbilligung der Anschlusskosten. Aufstellung entweder durch Heizungsfirma oder FVU.

1) 2)

Wärmemengenzählung (Übersicht). FWI 1/87. AGFW-Arbeitsblatt FW 509 „Anforderungen an Fernwärme-Kompaktstationen für Heizwassernetze“.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

Bild 2.1.2-42. Indirekter Anschluss einer Gebäudeheizung an ein Heißwassernetz mit zusätzlichen Klimaanlagen. 1 = Wärmemengenzähler, 2 = Mengenbegrenzer, 3 = Sicherheitsventil, 4 = Membrangefäß, 5 = Schmutzfänger

2.1.2-3.3.4

Fernwärmeleitungen1)

Der Transport der Fernwärme von der Erzeugerstelle zu den Abnehmern wird von Fernwärmeleitungen übernommen. Hierbei unterscheidet man zwischen Transportleitungen und Verteilleitungen. Transportleitungen bringen die Wärmemengen an die Gebiete hoher Wärmebedarfsdichte heran, während Verteilleitungen die Verteilung und Übergabe an die Verbraucher übernehmen. Als Nahwärme bezeichnet man eine Wärmeversorgung, bei der die Erzeugerstelle direkt oder unmittelbar bei den Verbrauchern angeordnet ist und sich somit kurze Verteilleitungslängen ergeben. Transportmedium Als Transportmedium kommt nach heutigem Stand der Technik in der Regel Wasser zur Anwendung. Dies hängt mit der einfacheren Anpassung und Regelbarkeit und dem möglichen Einsatz kostengünstiger Verlegeverfahren gegenüber dem Medium Dampf zusammen. Fernwärmenetze mit Dampf als Wärmeträger für Raumheizung werden heute, abgesehen von Erweiterung bestehender Netze, nicht mehr gebaut. Verteilungsnetze für Industrieanlagen werden bei Anforderung eines hohen Temperaturniveaus für Prozesswärme mit Dampf beschickt. Dampf Vorteile – keine Umwälzpumpen – kein zusätzlicher Aufwand für Druckhalteeinrichtungen – hohes Temperaturniveau – Anschluss unterschiedlicher Wärmeverbraucher

1)

Nachteile – geringere Stromausbeute – größere Rohrquerschnitte bei Niederdruckverteilung – größerer Aufwand bei Entwässerungen – Korrosionsprobleme bei der Kondensatrückführung – höhere Wärmeverluste – weniger gute Regelbarkeit

AGFW: Bau von Fernwärmenetzen, 5. Auflage, 1993. AGFW-Arbeitsblatt FW401. Rohrnetzstatistik der AGFW, Stand 2002. Eisenhauer, G.: Rohrleitungstechnik, Jahrbuch 1982/83, S. 435–441. AGFW: Richtlinie für die Festigkeitsberechnung von Fernwärmeleitungen.

719

2

720

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Wasser Nachteile Vorteile – größere Stromausbeute – erhöhte Betriebskosten durch Umwälz– leichte Aufnahme von Heizspitzen betrieb durch Anhebung der Vorlauftemperatur – Dampferzeugung in Kundenanlagen nur – zentrale Regelung möglich beschränkt möglich – kostengünstige Verlegeverfahren einsetzbar – geringere Wärmeverluste – Speicherfähigkeit des Netzes Festlegung der Trassenführung Die Trassenführung eines Fernwärmenetzes ist von folgenden Faktoren maßgeblich abhängig: – Lage des Wärmeerzeugers/Wärmequelle zum Verbrauchsschwerpunkt – Bebauung und Wärmeversorgungsdichte – Besiedlungsstrukturen – Bebauungspläne und Gebietsausweisungen – Lage und Größe des entferntesten Abnehmers. Einflussgrößen Einfluss auf die örtliche Trassierung haben – Topografie, – Bodenverhältnisse, – vorhandene Straßentrassen, – öffentliche Verkehrswege, – Ver- und Entsorgungseinrichtungen sowie – Hochspannungskabel. In Abhängigkeit von der möglichen Trassenführung und der Einflussgrößen auf die Trassierung selbst ergeben sich verschiedene Netzarten, welche zur Anwendung kommen können. Netzarten Bei der Fernwärmeversorgung kommen im wesentlichen drei Netzformen zur Anwendung, diese sind: – Strahlennetz – Ringnetz – Maschennetz. Bild 2.1.2-43 gibt einen Eindruck von den unterschiedlichen Netzarten.

Bild 2.1.2-43. Netzarten

1. Das Strahlennetz ist die einfachste und damit von den Baukosten auch günstigste Form, um die Verbraucher an die Fernwärme anzuschließen. Die einzelnen Verbrau-

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

cher werden nur durch eine oder wenige von der Erzeugerstelle abgehende Leitungen versorgt. Anwendung: kleine Fernwärmenetze Vorteile: – kurze Leitungswege – einfache Hydraulik – einfache Temperatur- und Druckfahrweisen Nachteile: – kaum erweiterbar – große Verbraucher müssen von Beginn an bekannt sein/eingeplant werden – Einspeisung bei Ausfall Erzeugung von einer anderen Netzstelle hydraulisch nicht/schwer möglich – Absperrung in Schadens-/Revisionsfällen von ganzen Strängen 2. Das Ringnetz bietet die Möglichkeit Verbraucher aus mehr als einer Richtung anzufahren, z. B. wenn die Wärmeerzeugeranlagen an unterschiedlichen Standorten stehen. In vielen Fällen eine Haupterzeugung. An den Hauptversorgungsring werden gemäß Strahlennetz einzelne Verbraucher/Stränge angeschlossen. Vorteile: – Einsatz von Spitzenlastheiz(kraft)werken möglich – zusätzliche Versorgungssicherheit – Abtrennung von einzelnen Verbrauchern in Schadens-/Revisionsfällen eher möglich – nachträglicher Anschluss auch größerer Verbraucher eher möglich Nachteile: – höhere Investitionskosten – längere und größere Trassen (Hauptversorgungsring) als im Standard-Versorgungsfall notwendig – Regelung und Betrieb aufwendiger als beim Strahlennetz 3. Das Maschennetz ist die verbesserte Form des Ringnetzes. Hierbei können Verbraucher durch mehrere, untereinander verbundene, Leitungsabschnitte angefahren werden. Diese Netzform findet besonders in Gebieten mit hoher Wärmedichte und notwendiger hoher Versorgungssicherheit Anwendung. Entsprechend hoch sind auch die Investitionskosten. Anwendung erfolgt hauptsächlich in Großstädten. Vorteile: – höchste Versorgungssicherheit – geringste Ausfallrate bei Absperrungen auf Grund von Revision/ Schaden – Einspeisung von mehreren Punkten aus möglich – nachträglicher Anschluss auch großer Verbraucher möglich Nachteile: – hohe Betriebskosten – aufwendige und kostenintensive Druck- und Temperaturregelung Netzauslegung und Netzanalysen werden heutzutage überwiegend mit leistungsfähigen EDV-Programmsystemen durchgeführt. Dabei werden alle hydraulischen und thermischen Netzparameter und die Rohrdurchmesser ermittelt. Verlegearten Grundsätzlich besteht ein Fernwärmeleitungssystem aus einem Mediumrohr (in der Regel aus Stahl), einer Wärmedämmung und einem äußeren Schutz gegen mechanische Einwirkungen und von Feuchtigkeit. Auswahlkriterien für die Bestimmung eines Verlegeverfahrens ist zunächst die maximale Mediumtemperatur. Dauertemperaturen über 120 °C und kurzzeitige Spitzentemperaturen über 140 °C schränken den Einsatz bestimmter Verlegeverfahren ein. Verlegeverfahrens-Klassifizierung Erdverlegt 1. Mantelrohrverfahren Bezeichnend für Mantelrohrverfahren ist in der Regel der kraftschlüssige Verbund zwischen Medium- und Mantelrohr, bewirkt durch den wärmedämmenden Hartschaum. Eine Ausnahme hiervon bildet das Stahlmantelrohrsystem.

721

2

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2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Vorteile gegenüber dem Kanalsystem liegen im geringeren Platzbedarf, den niedrigeren Kosten und der einfacheren Abdichtungsmöglichkeit. Diese Verlegeverfahren bieten sich auch zur Verlegung in wasserführenden Schichten an. Mantelrohrsysteme unterliegen je nach Art Temperaturbeschränkungen. 1.1 Kunststoffmantelrohre (KMR)1) Das System setzt sich zusammen aus einem Mediumrohr aus Stahl, einem Mantelrohr aus homogenem Kunststoff und einer Wärmedämmung aus geschäumtem Kunststoff. Die Rohre werden je nach Durchmesser als Fertigware in Längen von 6 bis 16 m geliefert. Kunststoffmantelrohre können für Dauertemperaturen des Mediums von 120 °C und für begrenzte Betriebsdauer, nach Angaben der Hersteller, bis 140 °C eingesetzt werden. Ein Prüfungsnachweis nach DIN 8075 für das Mantelrohr sowie der Nachweis der statischen Belastbarkeit nach EN 253 ist zu erbringen. Zu Überwachung evtl. auftretender Durchfeuchtungen sind in die Rohrsysteme Meldeadern bzw. Kontrolldrähte eingeschäumt. Kunststoffmantelrohre werden auf einem Sandbett verlegt und nach fertiger Montage vollkommen eingesandet. Das Mantelrohr wird nach erfolgter Mediumrohrverschweißung und dem Verbinden der Leckwarndrähte mit einer Kunststoffmuffe verbunden. Vom Grundsatz sind hierfür Überschiebmuffen, Schrumpfmuffen oder Schweißmuffen einsetzbar. Der Hohlraum in der Muffe wird mit Ortschaum ausgefüllt. 1.1.1 Flexible Rohrsysteme Für die Unterverteilung und für Hausanschlussleitungen werden eine Reihe von flexiblen Rohrsysteme angeboten, die sich vom Mediumrohr über die Wärmedämmung bis zum Mantelrohr in unterschiedlichen Varianten darstellen. Erhältlich sind insbesondere die Durchmesserbereiche DN 20 bis DN 80. Abhängig vom Durchmesser werden die Rohre in Ringbunden oder in Stangen geliefert. Die maximal zulässige Temperatur variiert bis 130 °C bei Drücken bis 25 bar. Die unterschiedlichen Verlegesysteme weisen Mediumrohre aus Stahl, Chromnickelstahl und Kupfer glatt oder gewellt mit einer Wärmedämmung aus Hartschaum oder komprimierter Glaswolle aus. Das Mantelrohr aus Kunststoff ist je nach System glatt oder gewellt. Durch Temperaturveränderung bedingte Rohrbewegungen können bei entsprechender Verlegung innerhalb des Systems aufgenommen werden. Als Besonderheit innerhalb der flexiblen Rohrsysteme ist ein Verlegeverfahren anzusehen, das aus einem gewellten Innenrohr aus Edelstahl, einer Hartschaum-Wärmedämmung, einem gewellten Außenmantel aus Stahl und einem äußeren Korrosionsschutz aus zwei Polyment-Schichten mit aufexdrudiertem Kunststoffmantel besteht. Dieses Rohrsystem wird auf Trommeln in Durchmessern vergleichbar einem Stahlrohrdurchmesser von DN 25 bis DN 150 geliefert. Der Einsatz wird mit maximal 140 °C und 16 bar begrenzt. 1.2 Kunststoffmediumrohre (PMR) Im Gegensatz zu Kunststoffmantelrohren ist bei diesem System das Mediumrohr aus Kunststoff, in der Regel aus vernetztem Polyethylen (PEX). Da die Werkstoffeigenschaften von Kunststoffen durch Alterungs- und Kriechvorgänge sehr stark von der Temperatur abhängig sind, können Kunststoffe für Fernwärmeleitungen nur eingeschränkt eingesetzt werden. Der Einsatzbereich ist auf Temperaturen bis maximal 90 °C und Drücke bis 6 bar beschränkt. Gegen das Diffundieren von Sauerstoff und Wasserdampf müssen spezielle Beschichtungen auf die PEX-Rohre aufgebracht werden. Die Verlegung der Kunststoffmediumrohre, die in den Durchmesserbereichen DN 20 bis DN 100 angeboten und auf Rollen ausgeliefert werden, geschieht relativ einfach direkt von der Rolle in den Graben. T-Stücke für Abgänge werden über Klemm- oder Schraubverbindungen mit den Rohren verbunden. 1.3 Glasfaserverstärkte Kunststoffmantelrohre Bei diesem Verlegeverfahren handelt es sich ebenfalls um ein Verbundsystem mit einem Kunststoffmantelrohr und einer Wärmedämmung aus Polyurethan-Hartschaum. Der 1)

AGFW/FVGW-Arbeitsblatt FW 401 „Verlegung und Statik von Kunststoffmantelrohren (KMR) in Fernwärmenetze“.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

723

Unterschied liegt im Mediumrohr, das aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellt ist. Das System ist für Temperaturen bis zu 130 °C und für Drücke bis 16 bar einsetzbar. Die Verbindung der einzelnen Rohrstangen geschieht mittels Klebung nachdem das zylindrische Rohrende in die Muffe des anderen Rohrendes eingeschoben wurde. An Knicken und Abwinkelungen müssen die Rohrabschnitte durch Betonfestpunkte gegen das innendruckbedingte Auseinanderziehen gesichert werden. 1.4 Hochtemperatur-Kunststoffmantelrohr-Systeme Die üblichen Kunststoffmantelrohrsysteme können bei höheren Betriebstemperaturen nicht eingesetzt werden, weil der als Dämmstoff verwendete Polyurethanschaum nur bis zu den in Absatz 2.1) genannten Temperaturen beständig ist. Als Hochtemperatur-Kunststoffmantelrohre werden Rohrsysteme bezeichnet bei denen eine Primärdämmung aus Mineral- oder Keramikfaser oder aus einem Blähglasgranulat direkt auf dem Mediumrohr aufgebracht wird. Der über der Primärdämmung aufgebrachte Hartschaum reicht somit nicht bis zum Mediumrohr heran, so dass das System auch höheren Temperaturen ausgesetzt werden kann. Ein Problem bei diesen Rohrsystemen ist die nicht garantierte Dauerfestigkeit des Verbundes zwischen Medium- und Mantelrohr und die häufig fehlende Längswasserdichtheit. 1.5 Stahlmantelrohre Stahlmantelrohr-Fernwärmeleitungen werden überwiegend fabrikmäßig vorgefertigt. Die Mediumrohre aus Stahl werden mit Wärmedämmung umgeben und mittels Rohrlagern konzentrisch in das Stahlmantelrohr eingeschoben. Die Mantelrohre werden zum Schutz gegen Korrosion mit einer Bitumen- oder Kunststoffumhüllung versehen. Das Hüllmaterial ist nur begrenzt temperaturbeständig, deshalb muss die Wärmedämmung insbesondere an den Rohrlagern, zur Vermeidung von Wärmebrücken, so ausgelegt sein, dass keine Temperatur >50 °C am Außenmantel auftritt. Die vorgefertigten Baueinheiten werden auf der Baustelle im Graben verschweißt und nachisoliert. Der Hohlraum zwischen Stahlmantel- und Stahlmediumrohr kann unter Vakuum gesetzt werden, wodurch sich die Wärmedämmwirkung verbessert und gleichzeitig eine Dichtheitskontrolle erreicht wird. Die temperaturbedingten Stahlrohrdehnungen können im System auf natürliche Weise oder mit eingebauten Axialkompensatoren aufgenommen oder durch thermische Vorspannung eingeschränkt werden. Das System ist absolut dicht im Grundwasser und kann für hohe Temperaturen eingesetzt werden. 2. Kanalsysteme Betonkanäle umhüllen die wärmegedämmten Rohre und übernehmen den mechanischen und den Feuchtigkeitsschutz. Die Mediumrohre liegen mittels Rohrlagern auf der Betonsohle auf und können sich frei in Richtung Kompensator bewegen. Für dieses System gibt es keine Beschränkung der Medientemperatur. 2.1 Haubenkanal Auf einer Ortbetonsohle werden die Rohre montiert, wärmegedämmt und anschließendmit einer vorgefertigten Halbkreis- oder Rechteckhaube abgedeckt. Problemstellen sind bei hohem Wasserstand die Fugen zwischen den Hauben und von der Haube zur Betonsohle. 2.2 U-Kanal Betonieren eines Troges, bestehend aus Betonsohle und -wänden, vor Ort und nach Einbringen und Wärmedämmen der Rohre, Auflegen einer Betonabdeckplatte. Die Problemstelle ist gegenüber dem Haubenkanal auf die Fuge an der Abdeckplattenauflagestelle reduziert. Alternativ hierzu können U-Kanalfertigteile, verlegt auf einer Sand- oder Magerbetonsohle, eingesetzt werden. In diesem Fall ist außer der Deckel- auch die Stoßfuge der Fertigteile je nach Anforderung abzudichten. 3. Bitumengießverfahren Bei diesem Verfahren wird ein Block aus Leichtbitumen, Kork und anderen natürlichen Bestandteilen um die Stahlrohre gegossen. Dabei übernimmt die Wärmedämmung gleichzeitig den mechanischen und den Feuchtigkeitsschutz.

2

724

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Voraus geht die Schaffung einer tragfähigen Grabensohle (in der Regel eine Magerbetonsohle) auf die die Rohrlager aufgelegt werden. Die fertig verlegten Mediumrohrleitungen werden mit einer U-förmig gebogenen Schalung aus verzinktem Blech umgeben. Die Bitumenmasse wird sodann bei Temperaturen von 180 °C eingebracht. Das Bitumengießverfahren kann für Temperaturen bis 200 °C eingesetzt werden. Die Rohrleitungsausdehnung kann innerhalb des plastischen Bereiches des Isolierblockes aufgenommen werden. Besondere Eignung erfährt das System bei der Sanierung alter Kanalsysteme. 4. Sonderbauverfahren Der Neubau von Fernwärmeleitungen in der Bundesrepublik Deutschland findet überwiegend in einem der zuvor beschriebenen Verlegeverfahren statt. Unter bestimmten Bedingungen werden aber auch Sonderbauformen angewendet. 4.1 Begehbare Kanäle Begehbare Kanäle erlauben die Unterbringung mehrerer unterschiedlicher Leitungen in einem Versorgungsgang. Die Vorteile liegen auf der Hand. Die Leitungen sind gut zugänglich und können gewartet werden. Austausch von Leitungen oder Hinzufügen neuer Leitungen ist ohne Aufgrabung des Straßenbereichs möglich. Da diese Bauart jedoch sehr kostenaufwendig ist, bleibt sie auf Einzelfälle beschränkt. In der Regel werden diese Bauwerke in offener Baugrube erstellt. 4.2 Tunnel Tunnel werden dort gebaut, wo eine offene Bauweise nicht möglich oder nicht gewollt ist. Ansonsten gelten die gleichen, wie in Absatz 4.1) genannten Vorteile, wobei noch die Möglichkeit direkter Trassenführungen hinzukommt. Andererseits sind aber die Nachteile besonders hoher Kosten nicht zu übersehen. 4.3 Pressungen Sofern sich aus der Trassenführung besondere Schwierigkeiten z. B. durch die Querung von Straßen, Autobahnen, Gleisanlagen und Wasserläufen ergeben, ist der unterirdische Rohrvortrieb eine oft praktizierte Lösung. Dabei sind Rohrverlegungen mit Mindestnennweiten DN 800 bis hin zu großen begehbaren Stahlbetonrohren ausführbar. Im Abwandlung hiervon kann insbesondere bei kleineren Durchmessern das Erdbohrverfahren mit PE-umhüllten Stahlrohren angewandt werden. 4.4 Düker Als eine mögliche Alternative zur Unterquerung von Wasserläufen mit Fernwärmeleitungen bietet sich das Einziehen, Einschwimmen oder Einheben eines Dükers an. Zur Vorbereitung wird eine Rinne im Wasserlauf und im anschließenden Uferbereich ausgehoben. Parallel dazu werden auf einer Montagefläche (meistens im Uferbereich) die Rohre für den gesamten Düker ausgelegt und verschweißt und mit Traversen und evtl. anderen Leitungen zu einer Einheit verbunden. Der fertig vorbereitete Düker wird sodann geflutet, gegen Auftrieb gesichert und eingezogen bzw. eingehoben. Danach wird der Graben verfüllt. 4.5 Spülbohrung Alternativ zu den in Absatz 4.2) bis 4.4) beschriebenen Sonderbauverfahren können seit einigen Jahren Fernwärmeleitungen entsprechender Dimension mittels Spülbohrung grabenlos verlegt werden. Dabei wird zunächst mit einer Pilotbohrung vom Eintritts- bis zum Austrittspunkt ein Hohlraum freigespült. Beim Zurückfahren wird der Hohlraum mit einem Aufweitkopf vergrößert. Je nach dem Durchmesser des einzuziehenden Fernwärme-Mantelrohres wird dieses sofort mit eingezogen oder erst nach weiteren Aufweitvorgängen. Die vom Aufweitkopf eingespritzte Bentonit-Suspension dient als Gleitmittel und verdämmt den Ringraum zwischen Fernwärme-Mantelrohr und der aufgeweiteten Bohrung. Üblicherweise wird zur Bestimmung der vorhandenen Ver- und Entsorgungsleitungen im Planungsstadium eine Bodenuntersuchung nach dem Georadarverfahren veranlasst. Über einen Sender im Bohrkopf der Pilotbohrung und einen Empfänger kann die Lage geortet und am Bohrgestänge entsprechend nachgesteuert werden. Einsetzbar für diese Verlegeart sind flexible Mantelrohre, Kunststoff- und Stahlmantelrohre. Gegenüber den anderen Sonderbauverfahren entstehen erheblich niedrigere Herstellkosten.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

Frei verlegte Leitungen Als frei verlegte Leitungen werden alle Leitungen bezeichnet, die nicht unterirdisch verlegt sind. In besonderem Maße kommen in Betracht – Leitungen im Freien auf Betonsockeln – Leitungen im Freien auf Stützen – Varianten und Kombinationen hiervon wie z. B. auf Brücken und an Stützwänden des weiteren – Leitungen in Kellern – Leitungen in Parkhäusern Freileitungen sind das kostengünstigste Verlegeverfahren für den Fernwärmetransport, da der Tiefbauanteil stark reduziert ist. Außerdem ist die Zugänglichkeit und Wartung gegenüber erdverlegten Verlegeverfahren stark vereinfacht. Freileitungen scheitern jedoch oft an der fehlenden Akzeptanz in der Bevölkerung und der Genehmigungsfähigkeit bei den Behörden. Die Durchsetzbarkeit hängt einerseits von der Art des beanspruchten Geländes und andererseits von der Gestaltung und Einbindung in die Umgebung ab. Sockel oder Stützen zur Auflagerung werden in Abstand der zulässigen Rohrlagerentfernung angelegt. Besonderer Wert wird auf niedere Reib- und damit Lagerkräfte gelegt, um Betonkosten zu reduzieren. Die Blechumhüllung des Dämmstoffes sollte nicht direkt auf der Wärmedämmung aufliegen, um Tauwasser, das sich durch schnelle Temperaturwechsel auf der Innenseite des Blechmantels bildet, abführen zu können, ohne dass die Dämmerung durchfeuchtet wird. Dazu wird mit Abstandhaltern ein Ringraum hergestellt und über Öffnungen an der Unterseite des Blechmantels für Wasserableitung und Belüftung gesorgt. Kosten An den Gesamtkosten einer Fernwärmeversorgung haben die Kosten des Fernwärmeleitungsbaues einen bedeutenden Anteil. Zwar konnten mit Einführung der Kunststoffmantelrohrverbundsysteme deutliche Kostenreduzierungen gegenüber den früher angewandten Verlegeverfahren erreicht werden, die Wirtschaftlichkeit einer Fernwärmeversorgung hängt aber weiterhin zu einem großen Teil von den Leitungsbaukosten ab. Die Kosten für den Bau von Fernwärmeleitungen setzen sich aus den Faktoren – Material für Rohre mit Zubehör, Wärmedämmung und Systemhülle – Verlegung der Rohrsysteme – Erstellung des Rohrgrabens und Wiederherstellung nach fertiger Rohrmontage – Planung, Bauüberwachung etc. zusammen. Entscheidenden Einfluss auf die Höhe der Baukosten nimmt, abgesehen von dem gewählten Verlegeverfahren, die Lage der Baustelle. Die Verlegung in ausgebauten Stadtstraßen mit Oberflächenwiederherstellung ist natürlich entsprechend teurer als in Neubaugebieten oder unbefestigtem Gelände. In Bild 2.1.2-44 sind für einige Verlegeverfahren Komplettpreise je Meter Leitungstrasse als Mittelwerte ablesbar.

725

2

726

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Bild 2.1.2-44. Baukosten von Fernwärmeleitungen (Stand 1998), Mittelwerte für verschiedene Verlegeverfahren.

Rohrleitungen Für die Mediumrohrleitungen sind folgende Berechnungen durchzuführen: – Bestimmung des Rohrdurchmessers nach wirtschaftlichen Kriterien unter Ansatz des Optimums aus Kapitaldienst, Energiekosten für Netzumwälzung etc. und Wärmeverlustkosten. – Wanddickenberechnung unter Innendruckbelastung nach EN 13480 bzw. EN 13941. – Beanspruchung unter Temperatur und Reibung. – Stützweitenberechnung (nur bei freigelagerten Rohrleitungen). Berechnungen gegen äußeren Überdruck sind in der Regel nicht notwendig. Für Abzweige (T-Stücke) und Bögen sind gegebenenfalls zusätzliche Berechnungen anzustellen. Anhaltspunkte der Strömungsgeschwindigkeiten in Fernwärmeleitungen: Wasser DN 50 1,0 m/s Wasser DN 100 1,4 m/s Wasser DN 150 1,6 m/s Wasser DN 200 2,1 m/s Wasser DN 300 2,5 m/s Wasser ≥ DN 500 3,0 m/s Dampf für Mittel- und Niederdruckleitungen 30 bis 50 m/s Zum Einsatz für den Transport des Heizmediums sind in der Vergangenheit fast ausschließlich Stahlrohre aus Werkstoff St. 37.0 oder in Ausnahmefällen aus St. 52.0 gekommen. Seit geraumer Zeit werden geschweißte Rohre nach EN 10217-2 und in Ausnahmefällen nahtlose Rohre nach EN 10216-2 verwendet. Die Lieferbedingungen nach den Normen EN 10216-2 sowie EN 10217-2 und die Gütevorschriften sind zu beachten. Das Verschweißen der Rohre und Rohrleitungsteile darf nur von geprüften Schweißern unter Schweißaufsicht mit anschließender stichprobenweiser zerstörungsfreier Durchstrahlungsprüfung durchgeführt werden. Wärmedämmung Die auf die Mediumrohrleitungen aufzubringende Wärmedämmung dient dem Zweck die auftretenden Wärmeverluste klein zu halten. Die Auslegung der Wärmedämmung ist in erster Linie eine Optimierungsaufgabe. Es ist das Minimum der Gesamtkosten herauszuarbeiten, wobei die Einsparungen durch den Wärmeschutz den Investitionskosten gegenüber gestellt werden. Die Kriterien der Auslegung können unterschiedlich sein:

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

727

1. Die Wärmedämmung wird so bemessen, dass eine wirtschaftlich optimale Versorgung entsteht. Der Investitionsaufwand für die Dämmung wird gegenüber der Energieeinsparung aus dem Betrieb über die Lebensdauer optimiert. 2. Die Wärmedämmung wird nach dem Temperaturabfall des Heizmediums ausgelegt. Die Dämmdicke wird so bemessen, dass bei niedrigstem Durchfluss die minimal notwendige Vorlauftemperatur an einer bestimmten Stelle im Netz nicht unterschritten wird. 3. Die Wärmedämmung wird bestimmt von einer vorgegebenen Temperaturbeeinflussung der Umgebung, die nicht überschritten werden darf. Dies ist der Fall bei Parallelführungen von Starkstromkabeln oder Wasserleitungen, bei Rückwirkungen auf die Vegetation usw. Wärmeverluste sind jahreszeitlich, abhängig von der erheblich variirenden Leistung, starken Schwankungen unterworfen. Im Winter bei Höchstlast liegen die Wärmeverluste bei ca. 3 %, im Sommer wenn das Netz allein für die Warmwasserbereitung warmgehalten werden muss, können die Verluste bis 20 % und mehr ansteigen. Das Jahresmittel der Wärmeverluste liegt bei 10– 14 %. Wärmedämmstoffe für Fernwärmeleitungen bestehen überwiegend aus folgenden Werkstoffen: – Mineralfaserdämmstoffe als Schalen oder Matten – PUR-Hartschaum, vorwiegend fabrikmäßig geschäumt – Sondermaterialien In Tafel 2.1.2-3 sind gebräuchliche Dämmstoffe und ihre Wärmeleitfähigkeit zusammengestellt. Tafel 2.1.2-3

Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen für Fernwärmeleitungen

Dämmstoff

Wärmeleitfähigkeit W/ mK (Betriebswert)

Mitteltemp. °C

Normen

Handelsform Richtlinien

Mineralfaserdämmstoff Schalen Matten

0,040 0,045

50 50

VDI 2055

Versteppt auf Draht, Kunststoff- gewebe oder Pappe

PUR-Schaumstoffschalen

0,030*

50

PUR-Hartschaum Fabrikschaum, diffusionsdicht

0,030

50

Ortsschaum

0,035

Hyperlite

0,076

Schaumglas

0,060

50

Kalziumsilikat

0,055*

100

Segmente formgeschäumt oder geschnitten DIN 18164 AGI Q 167

50

Verbundrohr, Formstücke

DIN 18159 AGI Q 113 nach Mosler

Granulat

DIN 18174

*) Herstellerangaben

Lecküberwachung Fernwärmenetze können je nach Verlegeverfahren mit Überwachungs- und Leckortungseinrichtungen versehen werden. Bei den Verbundmantelrohrverfahren wird die elektrische Überwachung in großem Umfang eingesetzt. Die hierzu erforderlichen Mel-

2

728

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

de- bzw. Kontrolladern werden während der Herstellung in die Wärmedämmung der Rohrsysteme eingeschäumt. Die kontinuierliche Überwachung mit zentraler Leckortung erhöht die Versorgungssicherheit eines Netzes. Mit der Netzüberwachung und Leckortung wird Feuchtigkeit im Bereich der Wärmedämmung gemeldet und die genaue Lage geortet. Es ist sowohl möglich kleine Netze durch ein manuell bedientes Kontrollsystem vor Ort, als auch große verzweigte Netze durch eine zentrale Einrichtung, zu überwachen. Es sind verschiedene Netzüberwachungssysteme auf dem Markt, die zur Überwachung den Widerstandsvergleich und zur Ortung die Impulslaufzeit oder auch den Widerstandsvergleich benutzen.

2.1.2-3.4 2.1.2-3.4.1

Übergabe und Kundenanlage Allgemeines

Die Verwendung der thermischen Energie aus den Erzeugungsanlagen, die über das Fernwärmenetz transportiert wurde, erfolgt in der Kundenanlage. Grundsätzlich kann nach einer direkten und einer indirekten Übergabe unterschieden werden. Da die technischen Parameter nach denen die Versorgung mit Fernwärme erfolgt, erhebliche Unterschiede aufweist (Druck, Temperatur, etc.) sind die technischen Vorgaben des Fernwärmeversorgers in jedem Fall zu beachten und umzusetzen. In den meisten Fällen sind technischen Anschlussbedingungen (TAB) existent, welche die Anforderungen gemäß der vorherrschenden bzw. zu erwartenden Parameter vorschreiben. Ohne deren Einhaltung kann es zu Störungen, Schäden oder Versorgungsunterbrechungen bzw. Versorgungsausfällen kommen. Übergabestelle Gemäß AVBFernwärmeV (Verordnung über die allgemeinen Bedingungen mit Fernwärme) ist eine Übergabestelle festzulegen. Die Übergabestelle ist in den Verträgen zwischen dem Fernwärmeversorger und dem Kunden fixiert. Hierbei handelt es sich um die Stelle, an der sich u. A. die Eigentumsgrenze befindet. Es endet die Verantwortlichkeit des Versorgungsunternehmens und beginnen Verantwortungs- und Eigentumsbereich des Fernwärme-Anschlussnehmers. Sämtliche Vorgaben aus den technischen Regelwerke und den vertraglichen Vereinbarungen sind an dieser Stelle verantwortlich geteilt. Der Anschlussnehmer (Fernwärmekunde) hat dafür Sorge zu tragen, dass die vertraglichen Vereinbarungen und technischen Vorgaben des Regelwerks bzw. der individuellen TAB (Technische Anschlussbedingungen) eingehalten werden. 2.1.2-3.4.2

Direkter Anschluss

Der Wärmeträger (Dampf oder Heizwasser) wird vom Versorgungsnetz über die Hausanschlussleitung direkt in die Kundenanlage geleitet. Es erfolgt, je nach Druckniveau eine Drosselung des Eingangsdrucks aus dem Netz durch einen Druckminderer. Durch diese Maßnahmen werde, sofern notwendig, die Bauteile in der Kundenanlage nicht mit dem Druck aus dem Versorgungsnetz beaufschlagt. 2.1.2-3.4.3

Indirekter Anschluss

Der Wärmeträger (Dampf oder Heizwasser) wird vom Versorgungsnetz über die Hausanschlussleitung nicht direkt in die Kundenanlage geleitet. Es erfolgt eine Trennung der Wärmeträgermedien von Fernwärmenetz und Kundenanlage mittels Wärmeübertrager.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

729

Hausstationen1) In der Hausstation werden die Verbrauchseinrichtungen der Kunden an das Fernwärmenetz angeschlossen. Sie bestehen aus Übergabestation (in der Regel Eigentum des Wärmelieferanten) und Hauszentrale (in der Regel Eigentum des Kunden). Diese Komponenten befinden sich in einem Hausanschlussraum mit Be- und Entlüftung, Beleuch· tung, Entwässerung. Für große Stationen ( Q > 3 MW) Notausgang. Ausreichender Wartungsraum, Kopffreiheit, Möglichkeit zum Lasttransport. Viele Ausführungsarten je nach Vorlauftemperatur, Druck, Art der Regelung, Betriebsweise, Abrechnungsverfahren u. a. Für Hausstationen werden heute relativ preiswerte vorgefertigte Kompaktstationen am Markt angeboten. Beispiel für direkten Anschluss einer Gebäudeheizung mit Pumpen-Warmwasserbetrieb an ein Zweileitersystem siehe Bild 2.1.2-45. Zentrale Regelung der Raumtemperatur durch Beimischung von Rücklaufwasser entsprechend der Außentemperatur.

2

Bild 2.1.2-45. Hausanschluss einer Warmwasserpumpenheizung beim Zweileiter-System. 1 = Absperrventil, 2 = Reduzierventil, 3 = Pumpe, 4 = Heizanlage, 5 = Einstellorgan, 6 = Zähler 7 = Schmutzfänger

Bei dem indirekten Anschluss wird ein Wärmeaustauscher zwischen Fernheiznetz und Hausheiznetz geschaltet. Wird wegen der hydraulischen Trennung bei alten Hausanlagen bevorzugt. Verwendung bei hohen Temperaturen und Drücken im Fernheiznetz. Die Regelung kann dabei zentral oder dezentral erfolgen. Wichtige Ausrüstung der Übergabestation – Absperrorgane in Vor- und Rücklaufleitung zum Absperren der Anlage – Wärmemengenzähler – Wassermengenbegrenzer im Vorlauf oder Rücklauf hält den Differenzdruck an einer Blende konstant, sodass die durchfließende Wassermenge begrenzt wird, elektrische oder mechanische Bauarten – Manometer und Thermometer – Sicherheitsventil oder Reduzierventil, das die Hausanlage gegen Überdruck schützt

1)

DIN 4747-1:2003-11, wird z. Zt. überarbeitet. Hausanschlüsse an Fernwärmenetze, siehe AGFW-Regelwerk. Frank, W.: Fernwärme (1981), Nr. 2, S. 52–57. Schmidt, P.: Fernwärme (1984), Nr. 2, S. 61–64. Paulmann, R.-D.: HLH (1986), Nr. 10, S. 519–521. Studienkomitee für allgemeine Fragen: Überlegungen zur wirtschaftlichen Vorlauftemperatur in Wärmeverteilungsnetzen. Generalberichte, Unichal-Congress ’87, Berlin, S. 33.

730

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Wichtige Ausrüstung der Hauszentrale – Absperrorgane im Vorlauf und Rücklauf – Temperaturregler zur Mischung des Vorlauf- und Rücklaufwassers entsprechend der Außentemperatur – Alternativ „Kombiarmaturen“, die Temperatur/Differenzdruck sowie Durchsatz regulieren können – Umwälzpumpe für Heizung stufig, noch besser drehzahlgeregelt, auch Wasserstrahlpumpe – Thermometer, Manometer, Schmutzfänger Bei Anlagen mit Bedarf verschiedener Wassertemperatur (Strahlungsheizung, Klimaanlagen usw.) Verwendung mehrfach unterteilter Pumpenkreisläufe mit eigenen Regelkreisen. Lüftungs- und Klimaanlagen können im allg. ohne besondere Vorkehrungen an das Fernheiznetz angeschlossen werden. Sie sind besonders gut dafür geeignet, den Heizungsanlagen nachgeschaltet zu werden, wodurch große Temperaturspreizungen und damit größere Transportleistungen des Netzes zu erreichen sind. Siehe Bild 2.1.2-34. Bei Wohnungsanschlüssen von Blockheizungen für Siedlungen, in denen Wärme zentralgeregelt nur für Heizung geliefert wird, wird Heizwasser mit max. 119 °C durch die Netzpumpen direkt in die einzelnen Heizkörper der Wohnungen gefördert. Ein Differenzdruckregler mit Mengenbegrenzung sorgt für die gleichmäßige Versorgung des Hauses auch bei schwankendem Netzdruck. Nachgeschaltete Thermostatventile garantieren die gewünschte Raumtemperatur. Eine Nachtabsenkung des Fernwärmesystems ist aus Kostengründen sinnvoll. An jedem Heizkörper thermostatisch verstellbares Regelventil (Temperaturregler), wodurch Mieter den Wärmeverbrauch regulieren können. Zur Abrechnung der Wärme können je nach Installation Wärmezähler pro Wohnung oder Heizkostenverteiler eingesetzt werden. Thermostatventile an den Heizkörpern müssen für gute Regelfähigkeit hohen Widerstand haben, Ventilautorität (Va: 0,3–0,7). Auch ein zentraler Warmwassererzeuger lässt sich vorsehen. Wärmezufuhr zum Warmwassererwärmer wird durch Temperaturregler gesteuert. Beispiel Bild 2.1.2-46. Jeder Heizkörper hier mit Feinregulier-Thermostatventil. Moderne Mikroprozessor-Regelung ermöglicht Anpassung der Vorlauftemperatur entsprechend dem Bedarf Temperatur- und Durchflussmessung, Zeitprogramm für Heizung und Warmwasserbereitung, letztere auch mit Vorrangschaltung, Anlagenfrostschutz und sogenannte Legionellenschaltung (zyklische Erhöhung der Warmwassertemperatur).

Bild 2.1.2-46. Etagenweise geregelte Warmwasserfernheizung mit Warmwasserbereiter und Wärmemengenzähler. 1 = Thermostatventil, 2 = Thermometer, 3 = Absperrschieber, 4 = Wärmemengenzähler, 5 = Temperaturregler, 6 = Temperaturbegrenzer, 7 = Entlüftungsventil, 8 = Schmutzfänger

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

731

Sicherheitsvorschriften Die sicherheitstechnische Ausführung von Hausstationen zum Anschluss an Heißwasser-Fernwärmenetze ist in der DIN 4747-1:2003-11 festgelegt. Dabei sind die Bauarten direkt und indirekt zu unterscheiden. Während für die direkte Bauart von Hausstationen die DIN 4747-1 sowohl für die Absicherung gegen Überschreiten der zulässigen Temperatur und des zulässigen Druckes anwendbar ist, gilt bei indirektem Anschluss an das Fernwärmenetz auf der Sekundärseite die DIN EN 12828-1 bis 3, die DIN EN 129536:2002-08 sowie die Druckbehälterverordnung. Das Stellgerät (Motorventil) muss eine Sicherheitsfunktion aufweisen, d. h. nach DIN 32730 geprüft sein. Für Unterstationen im Fernwärmenetz (Wärmetauscherstationen) werden angewendet: Die Länderbauordnung, DIN EN 12828, DIN 3430, DIN 32730 und die Druckbehälterverordnung. 2.1.2-3.4.4

Trinkwassererwärmungssysteme

Die Bedeutung von Trinkwassererwärmungssystemen für die Gesamtwirtschaftlichkeit des Fernwärmenetzes nimmt an Bedeutung zu. Dieser Umstand ist den fortschreitenden Energieeinsparmaßnahmen (ENEV) geschuldet, welche sich primär auf die Optimierung der Heizungsanlage bzw. Einsparung im Bereich der Gebäudeheizung erstrecken. Durch einen gleichbleibenden Anteil der an benötigter thermischer Energie steigt der prozentuale Anteil eines Objektes für die Trinkwassererwärmung. Hierdurch steigt auch der Einfluss der Trinkwassererwärmung auf die Rücklauftemperatur. Liefert ein System zur Trinkwassererwärmung dauerhaft hohe Rücklauftemperaturen (durch seine hydraulische Bauart oder einen dauerhaft hohen Anteil an Zirkulationsvolumenstrom) ergibt sich eine negative Auswirkung auf das Fernwärmenetz. Art und Betrieb eines Trinkwassererwärmungssystems haben eine zunehmende Bedeutung. Die Trinkwassererwärmungssysteme können nach verschiedenen Kriterien unterschieden werden. Hauptbauarten sind das Speicherladesystem und das Durchflusssystem. Beide werden häufig als zentrale Systeme ausgeführt. An Bedeutung gewinnen zunehmend dezentrale Systeme, welche in anderen Ländern bereits standardmäßig installiert werden. Hierbei wird das Trinkwarmwasser unmittelbar an der Verbrauchsstelle/Wohnung erzeugt. Wenn diese Systeme den Anforderungen gemäß DVGW AB W551 genügen (< 3 l Leitungsinhalt im Trinkwarmwassersystem). Kann auf eine Zirkulation verzichtet werden und es sind keine 60 °C als Austrittstemperatur notwendig. Diese Art der Ausführung kommt der Forderung nach geringen Rücklauftemperaturen in den Fernwärmenetzen entgegen. In Kombination mit Flächenheizungen sind, abhängig von Betrieb und Ausführung, Rücklauftemperaturen von ca. 30 °C möglich. 2.1.2-3.4.5

Anforderungen an die Kundenanlage

Zur effizienten Fernwärmeversorgung gehören, neben Erzeugung und Fernwärmenetz im Besonderen die Kundenanlagen. Anforderungen aus dem Regelwerk (z. B. VOB Teil C: „Hydraulischer Abgleich“) und die Forderungen der technischen Anschlussbedingungen (TAB) sind ebenso einzuhalten wie die hygienischen Vorgaben zur Legionellenvermeidung (DVGW AB W551).

2.1.2-4

Mobile Heizzentralen

Mobile Heizzentralen gehören in den Bereich der mobilen Wärme, die grundsätzlich jeden Heizungsausfall oder kurzfristigen Wärmebedarf übergangsmäßig abdeckt. Alle mobilen Wärmegeräte zeichnen sich durch ihre Ortsveränderlichkeit und zeitnahe Einsatzmöglichkeit aus. Im Gegensatz zu Einzelheizungen ersetzenden ortsveränderlichen Direktheizgeräten, die z. B. in Zelten bei Events zum Einsatz kommen, schließen mobile Heizzentralen immer auf ein vorhandenes Heizsystem. So können diese im Gegensatz zu Direktheizgeräten einen viel größeren Leistungsbereich wirtschaftlich abdecken, der vom Einfamilienhaus bis zum ganzen Stadtteil reichen kann. Innerhalb kurzer Zeit versorgen sie das Gebäude wieder mit Heizwärme und Warmwasser und können so gerade bei wärmesensiblen Einrichtungen wie Krankenhäusern und Pflegeheimen zuverlässig und zeitnah Interimswärme und Warmwasser bereitstellen.

2

732

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

2.1.2-4.1

Einsatzgebiete und Entwicklung

Mobile Heizzentralen, die je nach Leistungsbedarf und örtlichen Rahmenbedingungen mit unterschiedlichen Betriebsstoffen eingesetzt werden können, wurden ursprünglich für die Notfallversorgung im Bereich von Defekten an Zentralheizungen und Fernheizungen konzipiert. Die immer geringer werdenden Bauzeiten für den Neubausektor haben auch den Bereich der Bau- und Estrichtrocknung zu einem wichtigen Einsatzbereich der mobilen Heizzentralen werden lassen, wo sie auf das System der Fußbodenheizung schließen. Im Zuge von Energiewende und energetischen Sanierungen gewinnt der Bereich der Überbrückungswärme für Modernisierungen und Umbauten immer größeres Gewicht. So können z. B. öffentliche Gebäude, Infrastrukturgebäude, Gewerbegebäude oder Industrieimmobilien während Energieeffizienzmaßnahmen nahtlos mit Heizwärme und Warmwasser versorgt werden ohne Einschränkungen für die jeweiligen Nutzer der Gebäude. Aber auch Modernisierungen im Einfamilienhaus sind auf diese Weise ohne Heizwärmeverzicht bei den Kunden des Heizungsfachhandwerkers durchführbar. Weiterhin werden sie zur allgemeinen Vorsorge (Spitzenlastabdeckung, Reserveheizstation) und Frostschutzsicherung eingesetzt. Katalysatorfunktion oder Interimsversorgung übernehmen mobile Heizzentralen auch bei der Biogasanlage, wo sie den Fermenter erstbeheizen, um den Gärprozess in Gang zu bringen oder bei Ausfällen der Fermenterheizung zum Einsatz kommen. Zusammenfassend kann man sagen, dass mobile Heizzentralen als Ersatzheizung für Zentralheizung, Fernwärme, Nahwärme (z. B. Einbau und Ausfall von BHKWs usw.), Prozesswärme (Industrie) und die Fermenterheizung dienen und sowohl das Einfamilienhaus als auch ganze Wohngebiete flexibel und mobil versorgen können.

2.1.2-4.2

Heizzentralen nach Betriebsstoff

Je nach Heizleistungsbedarf und Rahmenbedingungen (Abgasbestimmungen, Stellfläche, Örtlichkeit, laufende Verträge) können mobile Heizzentralen mit ganz unterschiedlichen Betriebsstoffen zum Einsatz kommen. Am häufigsten sind im Moment Strom-, Gas- und Ölheizzentralen, aber auch Pellets (aufgrund der Größe sind diese jedoch nicht so flexibel nutzbar) werden als Betriebsstoff bereits eingesetzt. Je nach Leistungsgröße sind sie als mobile Einheiten auf beweglichen Transportwagen, in Anhängern oder in Containern untergebracht. 2.1.2-4.2.1

Elektroheizzentralen

Elektroheizmobile kommen in der Regel im Ein- und Mehrfamilienhaus zum Einsatz, da sie Leistungsbereiche bis ca. 40 kW abdecken können. Aber auch wenn besondere Abgasbestimmungen den Einsatz von Ölheizzentralen unmöglich machen, werden sie herangezogen. Die Geräte sind durch die Montage auf einen Transportwagen frei beweglich, anschlussfertig und sofort einsetzbar. Funktion je nach Ausführung möglich: Heizbetrieb, Bauaustrocknung, Estrichtrocknung, Warmwasserbereitung, Frostschutzsicherung.

2.1.2 Systematisierung von Heizungssystemen

733

Elektroheizmobil für Heizbetrieb und Estrichaufheizung

Bild 2.1.2-47. Elektroheizmobil MH19.2M von mobiheat mit integrierten Aufheizprogrammen nach DIN 1264-4 für Belegreif- und Funktionsheizen und verschiedenen Stromanschlussmöglichkeiten für Lichtstrom (230 V16 A, Heizleistung 3 kW) sowie Starkstrom (400 V 16 A, Heizleistung 11 kW; 400 V 32 A, Heizleistung 19 kW) mit entsprechend flexiblen Heizleistungen. Ausgerüstet mit Kessel, Druckfühler, Temperaturbegrenzer (STB), Umwälzpumpe und MembranAusdehnungsgefäß (MAG).

Installation Die Elektroheizmobile sind komplett steckerfertig vormontiert. Das Gerät muss lediglich vor Ort transportiert werden, entlüftet werden, an das bauseitige Heizsystem, d. h. mit den Wasseranschlüssen für Heizungsvor- und -rücklauf verbunden werden und dann mit dem entsprechenden Stromanschluss (manche Ausführungen verfügen über mehrere Stromanschlüsse siehe Abbildung) verbunden werden. Im Anschluss daran kann der Heizvorgang begonnen werden, der automatisch oder manuell geregelt werden kann. Zur Estrichaufheizung laufen automatische Aufheizprogramme ab. Hier sind Temperaturen für den Heizbetrieb bis zu 80 Grad einstellbar, für Fußbodenheizungen zur Estrichaufheizung empfiehlt sich eine Maximaltemperatur von 50 Grad.

Bild 2.1.2-48. Beispieleinsatz eines Elektroheizmobils im Heizbetrieb und bei der gleichzeitigen Brauchwasserbereitung. Hierbei wird das Mobil mit dem Rohrleitungsnetz (Heizsystem) sowie dem Brauchwassernetz (Kalt- und Warmwasser) des Gebäudes verbunden.

2.1.2-4.2.2

Bild 2.1.2-49. Bestimmte Ausführungen an Elektroheizmobilen können auch für das Aufheizen von Estrichflächen herangezogen werden wie hier verdeutlicht. Dazu wird der Heizungsvor- und -rücklauf auf das vorhandene Rohrsystem der Fußbodenheizung geschlossen.

Öl- und Gasheizzentralen

Die Öl- und Gasheizzentralen versorgen Großgebäude bis Wohnviertel übergangsweise mit Wärme oder Warmwasser, da sie Leistungen von 100 kW bis 2,5 MW bereitstellen können. Oft dienen sie als Fern- und Nahwärmeersatz, als Prozesswärme oder als Fermenterheizung, weil sie innerhalb relativ kurzer Zeit große Leistungen für wärmeabhängige Einrichtungen bzw. Gebäude (Krankenhäuser, Hotels, Schulen, Industrie) generieren können.

2

734

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Zudem ermöglichen sie auch die Umsetzung von großen Modernisierungsprojekten bei wärmesensiblen Gebäudekomplexen und Infrastrukturen bei großer Flexibilität in Zeit-, Wärme- und Platzbedarf. Die mobilen Heizzentralen sind je nach Heizleistungsbedarf und Rahmenbedingungen im Anhänger oder in einem Container untergebracht. Die Heizzentralen nehmen je nach Ausführung Pkw-Größe (Heizanhänger) bis Seecontainer-Größe (Heizcontainer) ein. Funktion je nach Ausführung möglich: Heizbetrieb, Bauaustrocknung, Estrichtrocknung, Frostschutzsicherung, Warmwasserbereitung mit entsprechendem Frischwassermodul.

Bild 2.1.2-50. Heizzentrale als Anhängerlösung mit einer Leistung von 300 kW, wahlweise mit Öl- oder Gasbetrieb, versorgt das Großgebäude bei Kesselausfall oder Heizungsmodernisierung schnell wieder mit der nötigen Wärme. Ausgestattet mit Niedertemperaturheizkessel, Ölbrenner, Heizkreis gefüllt mit Wasser/Glykol, Heizkreispumpe, Membran-Ausdehnungsgefäß, Mischer, sicherheitstechnische Einrichtungen, Fernüberwachung (optional).

Bild 2.1.2-51. Heizzentrale in Containerausführung mit einer Leistung von 2.000 kW (Öl- und Gas möglich) sorgt für ununterbrochene Wärmebereitstellung für ganze Wohnsiedlungen. Ausgestattet mit Niedertemperaturheizkessel, Ölbrenner, Heizkreis gefüllt mit Wasser/Glykol, Heizkreispumpe, Membran-Ausdehnungsgefäß, Mischer, sicherheitstechnische Einrichtungen, Fernüberwachung (optional).

Installation: Die Anhänger- und Containerheizzentralen werden in der Regel vom Wärmedienstleister aufgebaut, installiert, in Betrieb genommen und wieder abgeholt. Bei der Aufstellung ist auf eine gerade und tragfähige Stellfläche zu achten. Weiterhin muss beachtet werden, dass durch den Abgasaustritt keine Gefahren oder sonstigen Beeinträchtigungen entstehen. Ist die Heizzentrale vorschriftsmäßig abgestellt, wird die doppelwandige Edelstahlkaminanlage (zur Abgasvermeidung und auch Lärmeindämmung gibt es hierfür spezielle Abgaskaminverlängerungen bzw. Abgasschälldämpfer) montiert, der Heizungsvorund -rücklauf des Verbrauchers mit den flexiblen Anbindeleitungen (bei Einsatz einer Gasheizzentrale wird hierfür eine feste Gasleitung verlegt) der Heizzentrale verbunden, durch Kupplungen fixiert und mit Sicherheitsschellen versehen. Anschließend wird die Stromversorgung hergestellt und die Anlage mit aufbereitetem Wasser befüllt. Nach dem Entlüften und Spülen der mobilen Heizzentrale wird bei der Ölheizzentrale der Öltankbehälter aufgefüllt (bei der Gasheizzentrale erfolgt die Gasversorgung durch das Gasunternehmen) und die Heizzentrale in Betrieb genommen unter Einstellung der gewünschten Kesseltemperatur sowie Vorlauftemperatur. Hier können Temperaturen bis zu 80 °C gefahren werden, für die Estrichaufheizung wird eine Maximaltemperatur von 50 °C empfohlen.

2.1.3 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

Bild 2.1.2-52. Illustrative Darstellung eines Heizmobileinsatzes (Heizzentrale im Anhänger) für Heizbetrieb mit gleichzeitiger Warmwasserbereitung. Die Heizzentrale schließt gleichzeitig auf das Rohrleitungsnetz (Heizsystem) sowie das Brauchwassernetz (Kalt- und Warmwasser) des Gebäudes.

2.1.3

Bild 2.1.2-53. Containerheizzentrale im Einsatz für Heizbetrieb mit Abgaskaminverlängerung über 3-Punkt-Abspannung zur Vermeidung von Emissionen im Fensterbereich.

Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

Kennfarben und Sinnbilder s. Tafel 2.1.3-1 bis Tafel 2.1.3-4. Weitere Sinnbilder sind in DIN 2481:1979-06 (Sinnbilder in Wärmekraftanlagen), DIN EN 12792:2004-01 (Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und graphische Symbole) enthalten. Bildzeichen und Kennbuchstaben für Messen, Steuern, Regeln (MSR) werden entsprechend der DIN 28000-4 bzw. DIN 19227 verwendet. Der Messort wird durch eine schmale Verbindungslinie mit dem MSR-Stellen-Kreis (siehe Bild 2.1.3-1) dargestellt. Mit dem MSR-Stellen-Kreis werden durch Buchstaben die Messgröße (oder eine andere Eingangsgröße) und ihre Verarbeitung Ziffern, die MSR-Stellen-Nummer angegeben.

PDI 101 Diff.-Druckmessung, örtl. Anzeige FQI 102 Mengenmessung, Anzeige Messwerte FR 103 Durchflussmessung, Registrierung, Unterwarte Bild 2.1.3-1. Anwendungsbeispiel MSR-Stellen-Plan.

Der Signalflussweg wird durch kurze, schmale, gestrichelte Linien (wenn keine Verwechslung möglich ist auch durch Vollinien) zwischen MSR-Stellen-Kreis und Stellgerät deutlich gemacht. Die Signalflussrichtung kann durch einen Pfeil gekennzeichnet werden. Im MSR-Stellen-Kreis (vorzugsweise 10 mm Durchmesser, bei größerem Platzbedarf zu einem Langrund gestreckt) erfolgt die Charakterisierung des Ausgabe- und Bedienungsortes. Ist dies der Mess- oder Stellort, wird der MSR-Stellen-Kreis nicht die zentrale Warte, wird er durch einen waagerechten Strich halbiert die örtliche Messtafel (Unterwarte), wird er durch einen Doppelstrich halbiert.

735

2

736

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Tafel 2.1.3-1

Kennfarben für Heizungsrohrleitungen.

2.1.3 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

Tafel 2.1.3-2

737

Graphische Symbole für Rohrleitung nach DIN 2429:1988-01

2

738

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Tafel 2.1.3-3

Sinnbilder der Heiztechnik

2.1.3 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

Tafel 2.1.3-4

739

Sinnbilder der Heizungstechnik

2

740

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

Bis zu vier Kennbuchstaben charakterisieren die Messgröße und deren Verarbeitung. Die Erstbuchstaben geben mit D die Dichte, E elektrische Größen, F den Durchfluss, G den Abstand, H den Handeingriff, K die Zeit, L den Stand, M die Feuchte, P den Druck, Q eine Qualitätsgröße, R Strahlungsgrößen, S Geschwindigkeiten, T Temperaturen, U zusammengesetzte Größen, V Viskosität, W die Massen an. Gegebenenfalls werden mit Ergänzungsbuchstaben als Zeitbuchstaben weiterhin charakterisiert mit D die Differenz, F das Verhältnis, Q die Summe. Die weiteren Folgebuchstaben O für Sichtzeichen, ja/neinAussagen, I für Anzeige, R für Registrierung, C für selbsttätige Steuerung, Regelung, S für Schaltung, nicht fortlaufende Steuerung, Z für Noteingriff, A für Grenzwertmeldung, Alarm kennzeichnen die Verarbeitung der Messgrößen. Die MSR-Nummern sind frei wählbar.

2.2.1 Systembeschreibung

2.2

Zentrale Heizungssysteme1)

741

KÖPFE recknagel-online.de

2.2.1

Systembeschreibung

2.2.1-1

Zentrale Systeme

2.2.1-1.1

Warmwasserheizungen (WWH)

Die WWH arbeiten mit Heißwasser bis zu einer max. Temp. von 120 °C bzw. mit Warmwasser bis zu einer max. Temp. von 100 °C als Wärmeträger. Die Temperaturen 100 °C bzw. 120 °C beziehen sich nach deutschem Recht auf die Einstellung des Sicherheitstemperaturbegrenzers (STB). Warmwasserkessel bis 100 °C unterliegen dem Baurecht, während für Heißwasserkessel über 100 °C bis 120 °C das Gewerberecht – hier ist die Betriebssicherheitsverordnung maßgeblich – zuständig ist. Das in den Kesseln erwärmte Wasser wird durch Rohrleitungen den Heizkörpern zugeführt, kühlt sich durch Wärmeabgabe ab und kehrt wieder zu den Kesseln zurück, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Man unterscheidet nach der den Wasserumlauf bewirkenden Triebkraft: Schwerkraft-WWH und Pumpen-WWH nach der Wasserführung im Rohrsystem: Einrohr- und Zweirohrsysteme; nach der Energieart: WWH mit festen Brennstoffen, Öl, Gas, el. Strom; nach Lage der Hauptverteilungen: Obere und untere Verteilung; nach der Verbindung des Rohrsystems mit der Atmosphäre: Offene und geschlossene WWH Die WWH hat unter allen Zentralheizungssystemen in Deutschland die weiteste Anwendung gefunden, fast ausschließlich als geschlossene Pumpenwarmwasserheizung im Zweirohrsystem. Schwerkraftheizungen oder offene Heizungen sowie Einrohrleitungen findet man praktisch nur noch im Bestand. Vorteile: – Einfachheit der Bedienung (weitestgehend automatisch); – große Betriebssicherheit; – infolge der niederen Oberflächentemperatur der Heizkörper milde und angenehme Erwärmung; – gute zentrale Regelbarkeit durch Änderung der Wassertemperatur; – gute dezentrale Regelung z. B. durch Thermostatventile; – geringe Korrosionsschäden und daher lange Lebensdauer. Nachteile: – Größere Trägheit und daher längere Anheizzeiten; – Einfriergefahr, gegebenenfalls bei der Montage bzw. im Stillstand. 2.2.1-1.1.1

Schwerkraft-Warmwasserheizungen

Der Heizkessel, in dem die Wärme erzeugt wird, befindet sich an der tiefsten Stelle der Anlage und ist durch Rohrleitungen mit den Heizkörpern verbunden (Bild 2.2.1-1). In den Heizflächen kühlt sich das Wasser ab und gelangt über die Rücklaufrohrleitung zum Kessel zurück. Der Kreislauf des Wassers erfolgt lediglich infolge des Unterschiedes der Dichten des erwärmten Wassers im Vorlauf und abgekühlten Wassers im Rücklauf. Die Druckdifferenz, die zur Überwindung der Rohrwiderstände dient, beträgt bei einer Vorlauftemp. von 90 °C und einer Rücklauftemp. von 70 °C nur 1,25 mbar je m Höhe. Die Ausdehnung des Wassers bei der Erwärmung wird durch ein offenes Ausdehnungsgefäß aufgenommen.

1)

Überarbeitung und Ergänzungen in der 77. Ausgabe durch Dr.-Ing. Joachim Seifert, Dresden.

2

742

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.1-1. Offene Schwerkraft-Warmwasserheizung mit unterer Verteilung (Zweirohrsystem). A = Ausdehnung, E = Entlüftung, SV = Sicherheitsvorlauf, SR = Sicherheitsrücklauf, Ü = Überlauf

Alle Schwerkraftheizungen haben erhebliche Nachteile: Sie sind schlecht regulierbar, namentlich bei Öl- und Gasfeuerungen. Sie benötigen große Rohrquerschnitte, daher teuer und träge. Die Rohrführung ist beschränkt. Schwerkraftheizungen werden daher heute nicht mehr ausgeführt. Bei den heute üblichen Gas- und Ölfeuerungen werden ausschließlich Wasserheizungen mit Umwälzpumpen eingebaut, die billiger sind und sich besser regeln lassen. Bei nachträglichem Einbau einer Pumpe ist sorgfältige Einregulierung erforderlich, da die Rohrdimensionierung bei Schwerkraft- und Pumpenanlagen sehr unterschiedlich ist. Es sind Pumpen zu verwenden, welche flache Pumpenkennlinien aufweisen, d. h. die wenig Druckerhöhung bei größeren Volumenströmen bewirken. 2.2.1-1.1.2

Pumpen-Warmwasserheizungen (PWWH)

Allgemeines Der Wasserumlauf wird durch eine Pumpe bewirkt, die eine Druckdifferenz erzeugt und dadurch die Widerstände im Heizwasserkreislauf überwindet. Vorteile: Schnelleres Aufheizen; geringere Trägheit; Verbesserung der zentralen und örtlichen Regelung; leichte Mischung von Vorlauf- und Rücklaufwasser; billigeres Rohrnetz infolge kleinerer Querschnitte; geringere Wärmeverluste infolge kleinerer Rohre; größere Unabhängigkeit in der Rohrführung. Nachteile: Höhere Wartungskosten; Abhängigkeit von der Stromversorgung Die höchste Vorlauftemperatur wurde früher meist mit 90 °C angenommen. Heute legt man jedoch zwecks Energieeinsparung der Berechnung maximale Temperaturen von 55 bis 75 °C zugrunde (Niedertemperaturheizung). Bei Brennwertkesselanlagen sowie in Kombination mit Wärmepumpen oder Solaranlagen noch geringere Temperaturen. Die Ausdehnung des Wassers wird in der Regel durch ein geschlossenes Gefäß (z.B. Membrangefäß) aufgenommen, seltener im Bestand durch ein offenes Ausdehnungsgefäß. Rohrführung1) a) Einrohrsystem Die einfachste und billigste Ausführung ist die Einrohrheizung mit Reihenschaltung der Heizkörper, wobei das Heizwasser in einer Ringleitung alle Heizkörper der Reihe nach durchströmt (Bild 2.2.1-2). Dabei allerdings höherer Pumpendruck erforderlich. Die Wassertemperatur verringert sich mit jedem durchströmten Heizkörper, so dass die Heizflächen bei gleich großer Wärmeabgabe vergrößert werden müssen. Wählt man bei der Berechnung der Anlage den gesamten Temperaturabfall statt der üblichen 20 K nur 10 K, so ist der Unterschied jedoch nicht mehr allzu groß. Bei größeren Häusern kann man dieselbe Art der Heizung verwenden, jedoch mit mehreren Heizkreisen, wobei jeder Heizkreis einen Teil des Hauses mit Wärme versorgt (Mehrkreis-Einrohrheizung). Dabei ist für jeden Zonenheizkreis ein besonderes durch Thermostat gesteuertes Zonenventil vorgesehen.

1)

Roos, H.; Zaitschek, O.: HLH 1979, Nr. 6, S. 201–210.

2.2.1 Systembeschreibung

743

Bild 2.2.1-2. Warmwasser-Einrohrheizung mit Reihenschaltung der Heizkörper.

Eine wesentliche Verbesserung der Einrohrheizung erhält man dadurch, dass die Heizkörper jeweils in Abzweige der Hauptverteilleitungen verlegt (reitende Anordnung der Heizkörper) und mit Regulierventilen versehen werden (Bild 2.2.1-3 bis Bild 2.2.1-5). Dabei ist dann auch eine Regulierung der Heizleistung einzelner Heizkörper möglich. Siehe auch Bild 2.7.2-4. Funktionsprinzip: Jeder einzelne Heizkörper findet sich in hydraulischer Parallelschaltung zur Strangleitung, so dass jeweils zwischen Vorlauf- und Rücklaufanschluss eines einzelnen Heizkörpers im Zweigrohr ein erster Teilwasserstrom und über den Heizkörper ein zweiter Teilwasserstrom fließt. Jeweils am Rücklaufanschluss des Heizkörpers an das Zweigrohr findet eine Mischung der 2 Teilströme statt und damit eine Temperaturabsenkung. Der in Strömungsrichtung nächstfolgende Heizkörper arbeitet hydraulisch in gleicher Weise, jedoch thermisch mit bereits gegenüber dem ersten Heizkörper abgesenkter Vorlauftemperatur; die in Strömungsrichtung weiter folgenden Heizkörper arbeiten nach dem gleichen Prinzip, d. h. in Strömungsrichtung fortschreitend wird die Vorlauftemperatur an den Heizkörpern jeweils erniedrigt, mit der Folge, dass das fortschreitende Temperaturdefizit durch Heizflächenvergrößerung berücksichtigt werden muss (siehe Abschnitt 2.6.3-1.1).

Bild 2.2.1-3. Einrohrheizung für ein mehrgeschossiges Gebäude mit Nebenschlussschaltung der Heizkörper und mit Membran-Ausdehnungsgefäß.A = AusdehnungsgefäßE = Entlüftung

Bild 2.2.1-5. Waagerechte Einrohrheizung mit Nebenschlussschaltung der Heizkörper.

Bild 2.2.1-4. Senkrechte Warmwasser-Einrohrheizung mit Nebenschlussschaltung der Heizkörper und mit Regulierventilen.

2

744

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.1-6. Saugfitting aus Bronze für Lötverbindung. Links: Einbau in Rohrleitung. Rechts: Schnitt.

Bild 2.2.1-7. Einrohr-Nebenschlussheizung mit Spezialventilen.

Bild 2.2.1-8. Spezialventil mit Doppelrohr für Vorlauf und Rücklauf (TA-Mülheim).

Abhilfe möglich durch Umkehrheizung (siehe Abschnitt 2.7.3-2). Es gibt dabei viele Varianten von Ausführungsformen für den Heizkörperanschluss: – Drossel-T-Stück in der Kurzschlussleitung, heute kaum noch verwendet, großer Widerstand; – Reduktions-T-Stücke im Hauptstrang beim Anschluss der Heizkörper; – Saugfittings (Venturi-fittings) im Hauptstrang beim Rücklaufanschluss; sie saugen die erforderliche Wassermenge durch die Heizkörper. Leistung läßt sich aus Tabellen der Hersteller entnehmen (Bild 2.2.1-6); – Dreiwegeventile lassen beliebige Wassermengen durch die Heizkörper strömen; Vierwegeventile ebenso; – Spezialventile für Einrohrheizungen, die heute am meisten verwendet werden, ermöglichen schnelle Berechnung und schnellere Montage. Beispiel Bild 2.2.1-7 u. Bild 2.2.1-8 mit nur einem Heizkörperanschluss. Strangleitung dabei allerdings bei jedem Heizkörper unterbrochen. Evtl. Druckabfall im Heizkörper beachten. Entleerung der horizontalen Leitungsteile schwierig. Ventile sind auch für automatische Regelung erhältlich. Die Rohrführung kann sowohl in waagerechter wie senkrechter Richtung erfolgen. Bei waagrechter Rohrführung mit geschlossener Ringleitung je Wohnung ist die Heizkostenabrechnung durch die Möglichkeiten der Installation eines zentralen Wärmemengenzählers erleichtert. Bei der senkrechten Rohrführung sind sowohl untere wie obere Verteilung möglich sowie Kombinationen von beiden. Bei der waagerechten Rohrführung sind häufig Türunterführungen nötig. Die Temperaturspreizung im Heizkörper sollte möglichst groß gewählt werden, um gute Regelung der Heizleistung zu erhalten und um die Strömungsgeräusche in den Spezialventilen zu reduzieren. Vorteile der waagerechten Rohrführung: Geschossweise Absperrung und Regelung möglich weniger Deckendurchbrüche (Brandschutz) späteres Aufstocken erleichtert einfache Montage Wärmemengenmessung erleichtert. Vorteile der senkrechten Rohrführung: Leichtere Montage.

2.2.1 Systembeschreibung

745

Nachteile beider Systeme: Abstellen einzelner Heizkörper beeinflusst die andern Bei gleicher Wärmeleistung Vergrößerung der Heizflächen mit wachsendem Abstand vom Vorlaufanschluss des Stranges. Senkrechte Einrohrheizungen besonders für Hochhäuser geeignet, da sich hier das Abstellen einzelner Heizkörper am wenigsten bemerkbar macht. Bei Rohrleitungen im Estrich Entleerung und Isolierung ungünstig. Rohrverbindungen dort vermeiden. Bei Stahlrohren Korrosionsgefahr. Hinweis für die Modernisierung: Die zumeist ungedämmt vorhandenen Rohre größerer Durchmesser stellen in besser wärmegedämmten Gebäuden ein Problem dar. Ihre Wärmeabgabe übersteigt über weite Zeitabschnitte eines Jahres den Bedarf der Räume. Abhilfe: Nachträgliche Wärmedammung oder Umbau auf Zweirohrsystem, sonst kommt es zur Überversorgung. b) Zweirohrsystem Es ist das meist ausgeführte System zur Verteilung der Wärme auf die angeschlossenen Wärmeverbraucher. Jeder Heizkörper ist an die getrennte Vorlauf- und Rücklaufleitung angeschlossen und erhält annähernd die gleiche Vorlauftemperatur. Regelung der Heizleistung durch Drosselung der Wassermenge mittels Regelventil. Man unterscheidet untere und obere Verteilung des Heizwassers. Bei der unteren Verteilung, die am meisten verbreitet ist (Bild 2.2.1-9), sind die Vorlaufund Rücklaufleitungen an der Kellerdecke verlegt. Die Heizkörper werden von hier durch Vorlaufsteigeleitungen mit Heizwasser versorgt, das durch die Rücklaufsteigeleitungen zum Kessel zurückkehrt. An den höchsten Stellen ist zentrale oder örtliche Entlüftung vorgesehen. Zentrale Entlüftung ist jedoch problematisch; daher meist örtliche Entlüftung oder über zentrale Entlüftungsarmaturen.

Bild 2.2.1-9. Geschlossene Pumpen-Warmwasserheizung mit unterer Verteilung. S = Sicherheitsventil

Bild 2.2.1-10. Geschlossene Pumpen-Warmwasserheizung mit oberer Verteilung und Pumpe im Vorlauf. S = Sicherheitsventil, E = Entlüftung

Bei der oberen Verteilung (Bild 2.2.1-10) wird das Heizwasser von der Pumpe in einer Steigeleitung zum Dachgeschoss gefördert und hier durch Verteilungsleitungen auf die verschiedenen Fallstränge mit den angeschlossenen Heizkörpern verteilt. Durch Rücklauf-Falleitungen kehrt das Heizwasser zum Kessel zurück. Entlüftung zentral an höchster Stelle. Verbreitung dieses Systems besonders dann, wenn im Keller kein Platz für Rohrleitungen vorhanden ist. Die untere Verteilung ist billiger, jedoch weniger schnell anlaufend als die obere Verteilung. Das erste System bewirkt Wärme im Keller. Letzteres Wärme im Dachraum bzw. Wärmeverlust im Dach. Neben der unteren und oberen Verteilung bei der Zweirohrheizung können die Heizflächen im Zweirohrsystem auch horizontal angeordnet sein. Im Wohnungsbau nur noch horizontale Verteilung innerhalb der Fußbodenkonstruktion, dabei Wärmedämmung nach EnEV. Eine besondere Verteilungsform hierbei ist die Tichelmann’sche Ringverlegung (Bild 2.2.1-11). Hier ist die Gesamtanschlusslänge (Vor- und Rücklauf) vom Verteiler zu jedem Heizkörper gleich.

2

746

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.1-11. Ausführungsarten für ZweirohrAnschlusssysteme bei horizontaler Verteilung.

c) Heizkesselschaltungen Die im folgenden aufgezeigten Schaltungen beziehen sich auf die Kesselkreise bis einschließlich Heizkreisverteiler bzw. -sammler. Bei Einkesselanlagen wird prinzipiell unterschieden zwischen einer Einkesselanlage mit einer in Reihe zum Kessel geschalteten Pumpe, die den Heizkessel immer mit dem vollen Wasserstrom versorgt, und einer im Nebenschluss zum Kessel geschalteten Pumpe, die dafür sorgt, dass zu bestimmten Betriebszeiten ein gewisser Mindestvolumenstrom durch den Heizkessel fließt (Bild 2.2.1-12 bis Bild 2.2.1-14).

Bild 2.2.1-12. Einkesselanlage mit Beimischpumpe bzw. Kesselkreispumpe und geregelter Rücklauftemperaturanhebung. Voraussetzung dieser Schaltung ist eine direkte Verknüpfung zwischen der Rücklauftemperaturregelung und den Heizkreisregelungen. Jeder Heizkreis muss mit einem Stellglied ausgerüstet sein.

2.2.1 Systembeschreibung

747

2 Bild 2.2.1-13. Einkesselanlage mit Beimischpumpe bzw. Kesselkreispumpe und geregelter Rücklauftemperaturanhebung durch ein zusätzliches Stellglied. Die Schaltung ist anzuwenden, wenn keine direkte Verknüpfung zwischen der Rücklauftemperaturregelung und den Heizkreisregelungen gegeben ist.

Bild 2.2.1-14. Einkesselanlage mit Hauptpumpe und geregelter Rücklauftemperaturanhebung. Hierin ist ein differenzdruckloser Verteiler oder eine hydraulische Weiche einzusetzen. Bei differenzdruckbehaftetem Verteiler mit Einspritzschaltungen zu den Verbrauchern muss das Überströmen des Mindestvolumenstromes zwischen Verteiler und Sammler gewährleistet sein.

Mehrkesselanlagen werden hauptsächlich danach unterschieden, ob keine Rücklauftemperaturanhebung oder eine gemeinsame Rücklauftemperaturanhebung existiert oder diese für jeden einzelnen Kessel durchgeführt werden soll. Prinzipielle Unterschiede gibt es auch bei der Ausführung der Schnittstelle zu den Heizkreisen; hier kann meistens vorteilhaft ein differenzdruckloser Verteiler (hydraulische Weiche oder hydraulische Ausgleichsleitung) angewendet werden. Differenzdruckbehaftete Verteiler können nur mit einer geeigneten Überströmvorrichtung eingesetzt werden (Bild 2.2.1-15 und Bild 2.2.1-16). Durch den Einsatz einer hydraulischen Weiche werden trotz stark variierender Volumenströme auf der Wärmeverbraucherseite Mindest-Volumenströme auf der Wär-

748

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

meerzeugerseite sichergestellt. Das optimale Größenverhältnis der Heizkessel ist 50 : 50 %; ein Verhältnis von 40 : 60 % sollte nicht überschritten werden. Im Kesselkreis vor der hydraulischen Weiche ist mit 10 bis 30 % Wasserüberschuss gegenüber den Heizkreisen zu fahren, jedoch nicht bei Brennwertkesseln.

Bild 2.2.1-15. Mehrkesselanlage mit gleicher Rücklauftemperaturregelung für alle Kessel.

Bild 2.2.1-16. Mehrkesselanlage mit für jeden Heizkessel gesonderter Rücklauftemperaturregelung.

Bei Brennwertkesselanlagen sind die hydraulischen Schaltungen der Brennwertkessel prinzipiell so auszuführen, dass dem Kessel ein ausreichender Volumenstrom mit einer möglichst niedrigen Rücklauftemperatur ( 100 °C ist zu beachten, dass hier zusätzlich zur Verhinderung von Dampfbildung ein Überdruck vorhanden sein muss. Wichtig vor allem bei Dachheizzentralen. Aber auch bei kleineren Wassertemperaturen kann durch Kavitation in der Pumpe schädliche Dampfbildung auftreten (s. Abschnitt 2.2.3-4).

Bild 2.2.1-23. Druckverlauf in einem horizontal angeordneten Zweirohrstrang.

Bild 2.2.1-24. Druckverlauf bei der Tichelmannschen Ringverlegung.

2.2.1 Systembeschreibung

753

Fehlzirkulationen1) Erwärmungen im Heiznetz trotz geschlossener Ventile oder Mischer haben ihre Ursache im Allgemeinen durch undichte Mischer, Fehlzirkulationen oder fehlende Rückflussverhinderungen. Mischer können durch Verschmutzungen undicht werden; hier empfiehlt es sich, Schmutzfänger vor dem Mischer einzubauen. Fehlzirkulationen treten im Kesselkreis auf: – durch zu hohe Wassergeschwindigkeiten, wenn sich an scharfkantigen Umlenkungen Einschnürungen im Strömungsverlauf bilden. Durch den so entstehenden Unterdruck wird zum Beispiel bei geschlossenem Mischer aus dem Rücklauf des auf Temperatur gehaltenen Heizkessels warmes Kesselwasser angesaugt und so dem Vorlauf zu den Verbrauchern beigemischt (Bild 2.2.1-25). – durch Schwerkraft, wenn der Heizkessel für die Wassererwärmung in Betrieb, der Vorlauf zu den Heizkreisen aber abgesperrt ist. Warmes Kesselwasser strömt hier vom Heizkesselrücklauf über dem Bypass zum Vorlauf für die Verbraucherkreise (Bild 2.2.1-26).

2

Bild 2.2.1-25. Fehlzirkulation vom Kesselrücklauf durch Einschnürung am Bypass-Eintritt bei geschlossenem Mischer.

Bild 2.2.1-26. Fehlzirkulationen am Heizkesselkreis durch Auftriebsströmungen bei geschlossenem Mischer.

Bild 2.2.1-27. Strömungsgerechte Einschaltung des Bypasses am Rücklauf.

Bild 2.2.1-28. Rücklaufschleife am Heizkessel und zugeordneter Anschluss des Ausdehnungs-

gefäßes.

1)

Frotscher, H.: Energieverschwendung als Folge von Fehlzirkulationen in Heizungsanlagen und in lufttechnischen Anlagen. sbz (1979), Nr. 8,. S. 775–783.

754

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.1-29. Fehlzirkulation vom Rücklaufsammler durch Einschnürung am Bypass-Eintritt bei geschlossenem Mischer.

Bild 2.2.1-30. Fehlzirkulation am Rücklaufsammler durch Auftriebsströmungen bei geschlossenem Mischer.

Maßnahmen gegen derartige Fehlzirkulationen sind: – Verringerung der Wassergeschwindigkeit bei Pumpenbetrieb. Je kleiner die Geschwindigkeit ist, um so geringer wird die Gefahr, dass die abgesenkte Strömung bei geschlossenem Mischer in der Übergangszeit Wasser aus dem Heizkesselrücklauf saugt – Anlage in allen Teilen richtig berechnen und dimensionieren, damit die volle Heizleistung bei möglichst kleiner Wassergeschwindigkeit erreicht wird. Richtwerte: 0,5 m/s bis 1 m/s an der Heizzentrale und 0,2 m/s bis 0,3 m/s am Heizkörper. – Vergrößerung des Strömungswiderstandes der kritischen Rohrabschnitte, aus denen warmes Wasser angesaugt werden kann (gekrümmter Abgang des Bypasses vom Rücklauf; Bild 2.2.1-27). – Auswahl einer geeigneten Rohrführung, die verhindert, dass sich an der kritischen Stelle im Kesselrücklaufrohr in der Nähe des Anschlusses der Beimischschaltung heißes Kesselwasser sammelt (Rücklaufschleife). Die Rücklaufschleife ist mit dem Ausdehnungsgefäß derart zu verbinden, dass auch bei Wasserausdehnung durch Erwärmen des Kesselwassers die Rücklaufschleife nicht überbrückt und somit unwirksam wird (Bild 2.2.1-28). Fehlzirkulationen treten bei am Verteiler angeschlossenen Regelkreisen auf: – ebenfalls wie beim Kesselkreis durch zu hohe Wassergeschwindigkeiten und damit Einschnürungen an scharfkantigen Umlenkungen. Hier wird aus dem Rücklaufsammler bei geschlossenem Mischer Wasser angesaugt und über den Bypass dem Vorlauf zum Verbraucher beigemischt (Bild 2.2.1-29). – durch Beimischung aufgrund des Auftriebes des warmen Rücklaufwassers vom Sammler her (Bild 2.2.1-30). Maßnahmen dagegen sind wie beim Kesselkreis eine Verringerung der Wassergeschwindigkeit und darauf abgestimmte Dimensionierung der Rohrquerschnitte sowie Wahl eines ausreichenden Abstandes zwischen Rücklaufsammler und Bypassstrecke. Selbst in Einfamilienhäusern sind heute mehrere Heizkreise und auch mehrere Wärmeerzeuger (z.B. Kessel und Solaranlagen) üblich. Konsequente Vermeidung von Fehlzirkulationen nur durch Rückflussverhinderer in allen Erzeuger- und Heizkreisen möglich. Pumpen Als Pumpen werden meist Kreiselpumpen verwendet, die durch Elektromotor oder in Sonderfällen durch Dampfturbine angetrieben werden. Zur Vermeidung von Geräuschübertragungen bei Rohrpumpen auf gute Schallisolierung an den Berührungsstellen von Rohrleitung und Gebäudeteilen achten, bei größeren Pumpen geringe Drehzahlen, geräuscharme Motoren, Aufbau auf schallgedämmtem Fundament, Dämmung gegen Körperschall und Erschütterungen meist durch Gummiplatten oder Schwingungsdämpfer. Bei großen Anlagen Aufteilung der Leistung auf mehrere Pumpen. Für Nachtbetrieb Pumpe mit kleinerer Leistung bzw. Regelpumpen mit niedrigerer Betriebsstufe nachts.

2.2.1 Systembeschreibung

755

Bei Heizsystemen mit veränderlichen Volumenströmen sind Regelpumpen Standard. Sie passen durch veränderliche Drehzahlen die Pumpe an die jeweiligen Verhältnisse an. Dadurch beachtliche Einsparung an Antriebsenergie, Vermeidung von Geräuschen und Fehlverhalten von thermostatischen Ventilen. Mittlere Förderdrücke etwa: bei Anlagen bis 50 kW0,05…0,3 bar bei Anlagen von 50 bis 100 kW0,2 …0,5 bar bei Anlagen über 100 kW 0,5 …1,0 bar Nach der waagerechten Ausdehnung des Heiznetzes rechnet man etwa: bei 100 m0,1…0,2 bar bei 500 m0,4…0,6 bar bei 1000 m0,6…1,2 bar. Wegen der Verringerung der Kosten für das Rohrnetz und wegen der günstigeren Rohrführung werden heute auch kleinste Anlagen mit betriebssicheren Rohreinbaupumpen ausgerüstet (s. Abschnitt 2.2.3-4.6 ). Sie finden auch in größeren Anlagen immer mehr Verwendung. Sicherheit gegen Pumpenausfall durch Zwillingspumpen mit automatischer Umschaltung. Leistungsregelung der Heizung Leistungsregelung ist die Anpassung der im Raum abgegebenen Wärme an den jeweiligen Wärmebedarf. a) Örtliche Regelung Die örtliche Regelung erfolgt heute meist mit Thermostatventilen. Die Regelgüte wird u. a. von der Ventilautorität (Bild 2.2.1-31) und dem Wärmeübertrager (Bild 2.2.1-32) beeinflusst. Die Ventilautorität ist das Verhältnis des Druckverlustes des Ventils zum Gesamtdruckverlust des Netzes. Nur bei großen Werten von Pv ist eine einigermaßen wassermengenproportionale Regelung möglich (Pν > 0,5). Die Wärmeabgabe der Heizkörper ist jedoch nicht proportional der Wassermenge, sondern ändert sich infolge größeren Temperaturabfalls bei reduziertem Wasservolumenstrom des Wassers im Heizkörper etwa nach Bild 2.2.1-32. Um wärmeproportionales Verhalten des Ventils zu erreichen, müssen daher andere Ventilkegelarten verwendet werden, z. B. solche mit logarithmischer Kennlinie. Man kann außerdem aus Bild 2.2.1-32 entnehmen, dass die Abweichung von der Linearität um so größer ist, je geringer die Spreizung ist.

Bild 2.2.1-31. Heizmittelstrom bei Ventilen mit linearer und logarithmischer Kennlinie. Pv =Ventilautorität

Bild 2.2.1-32. Wärmeabgabe von Heizkörpern in Abhängigkeit vom Wasserstrom bei verschiedenen Vorlauftemperaturen und Spreizungen.

Weitere Ausführungen zur Regelung mit Thermostatventilen siehe Abschnitt 2.5.1.

2

756

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

b) Zentrale Regelung Durch Änderung der Wasservorlauftemperatur am Mischventil des Kessels je nach Außentemperatur, da zu jeder Außentemperatur annähernd eine ganz bestimmte Heizmitteltemperatur gehört (Bild 2.2.1-33, weiteres siehe Abschnitt 2.5). Die angegebenen Rücklauftemperaturen stellen sich allerdings nur ein, wenn die Heizlast sich proportional mit der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen ändert (keine inneren Wärmequellen o.dgl.). Die leichte Krümmung nach oben berücksichtigt die Abhängigkeit der Heizkörperwärmeleistung von der mittleren Temperaturdifferenz. Bei Wärmepumpen werden lange Kompressorlaufzeiten angestrebt. Eine Vorlauftemperaturregelung würde im Teillastbetrieb selbst bei geregeltem Kompressor zu taktendem Betrieb führen. Daher hat sich bei Wärmepumpen die Regelung der Rücklauftemperatur nach der Außenlufttemperatur durchgesetzt.

Bild 2.2.1-33. Außentemperatur und Heizwassertemperatur von Pumpen-Warmwasserheizungen bei 20 °C Raumtemperatur (Heizkurven für Radiatoren).

Bild 2.2.1-34. Außentemperatur-geführte gleitende Kesselwasser-Temperaturregelung. Th= thermostatisches Heizkörperventil Ü = Überströmventil V = Vorlauffühler W = Temperaturwächter

c) Gruppenregelung Bei größeren Anlagen, wenn einzelne Raumgruppen unterschiedlichen Außenbedingungen unterliegen (Nord- und Südseite von Gebäuden), wenn Betriebszeiten verschieden sind (Hausmeisterwohnung) oder stellenweise höhere Temperaturen verlangt werden (Luftheizer). Verschiedene Schaltmöglichkeiten: Pumpe im Rücklauf Für jede Heizgruppe getrennte Vor- und Rücklaufleitung, Regelventil am Vorlaufverteiler, gelegentlich auch gemeinsame Rücklaufleitung (Bild 2.2.1-35a). Pumpe im gemeinsamen Vorlauf Dabei Mischwasserpumpe im Rücklauf erforderlich. Geringste Vorlauftemperatur einer Heizgruppe ist die Mischtemperatur im Rücklauf (Bild 2.2.1-35b). Pumpe im Vorlauf jeder Heizgruppe Jede Gruppe kann zwischen 0 und 100 % geregelt werden. Dem Vorlauf jeder Gruppe wird mittels Motormischventil Rücklaufwasser derselben Gruppe beigemischt. Regelung in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Beste Art der Regelung (Bild

2.2.1 Systembeschreibung

757

2.2.1-35c). Umlaufende Wassermengen in den einzelnen Gruppen können konstant gehalten werden.

Bild 2.2.1-35. a) Heizgruppenregelung mit Pumpe im Rücklauf. b) Heizgruppenregelung mit Pumpe im Vorlauf und gemeinsamer Mischwasserpumpe im Rücklauf. c) Heizgruppenregelung mit Rohrpumpe und Mischventil in jeder Gruppe. AT=Außentemperaturfühler M =Motormischventil P =Heizungsumwälzpumpe V =Vorlaufbeimischpumpe VT=Vorlaufthermostat Z =Zentrales Steuergerät

Hinweise zur Auslegung von Rohrnetz und Armaturen sowie hydraulischer Abgleich1) 2) 3) 4) Zur Planung und Ausführung eines einwandfrei funktionierenden hydraulischen Netzes in einer heiz- oder raumlufttechnischen Anlage gehört neben einer fachgerechten Strukturierung des gesamten Netzes auch eine darauf zugeschnittene Auslegung der Komponenten. Vorab sind die Auslegedaten festzulegen: – Heiz- oder Kühlleistung der einzelnen Verbraucher einschließlich anordnungsbedingter Verluste, – Förderstrom und Temperaturen sowie Drücke in den Verbraucherkreisen und – Förderstrom, Temperaturen und Druck im Erzeugerkreis, – maximal auftretende Gleichzeitigkeiten. Unter Beachtung der Auslegedaten sind die Rohrabmessungen so zu wählen, dass die in Tafel 2.2.1-1 aufgezeigten Werte nicht überschritten werden. Die Auslegedaten liegen auch der Auswahl und Bemessung der Armaturen und Pumpen zugrunde. Bei den Armaturen ist danach ihr Durchlaßwert (kν-Wert) auszuwählen und zusätzlich bei Regelventilen (und stetiger Regelung) auf eine genügend hohe Ventilautorität zu achten. Der Auslegevolumenstrom bei den Pumpen ist in aller Regel kleiner als die Summe der Verbrauchervolumenströme (Gleichzeitigkeiten). Die Kennlinienform der auszuwählenden Pumpe (oder Pumpenkombination) richtet sich nach dem vorgesehenen Netzbetrieb. Drehzahlgeregelte Pumpen erleichtern die Anpassung. 1) 2) 3) 4)

Striebel, D.: Hydraulischer Abgleich und Wärmestromerfassung in Heiznetzen. VDI-Berichte 1010, 1992. VDI 2073 „Hydraulik in der Heiz- und Raumlufttechnik“, VDI-Berichte 1349, 2000. DIN EN 12828 „Heizungssysteme in Gebäuden – Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen“, 04-2013. DIN EN 14336 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Installation und Abnahme der WarmwasserHeizungsanlagen“, 01-2009.

2

758

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.1-1 Rohr DN

10 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150

Empfohlene Wasserströme zur Ermittlung der Rohrnennweite Verbraucheranschlussleitung

Massenstrom in kg/h

Geschwindigkeit in m/s

130 250 500 1000 2000 2800 5000 9000 14000

0,30 0,35 0,39 0,49 0,56 0,59 0,64 0,68 0,77

Verteilleitung Massenstrom in kg/h

Geschwindigkeit in m/s

300 700 1200 2500 3800 7000 12000 18000 35000 55000 90000

0,42 0,54 0,58 0,70 0,78 0,90 0,91 0,99 1,13 1,17 1,34

Für die einzelnen Verbraucher ergeben sich in der Regel Unterschiede im Summenwert des Druckabfalles. Um eine gewünschte Volumenstromverteilung zu erreichen, müssen die Verbraucher deshalb mit zusätzlichen, unterschiedlich großen hydraulischen Widerständen (z. B. in Form von Regulierventilen) ausgestattet werden. Dabei wird zunächst das Regulierventil an demjenigen Verbraucher mit dem größten Gesamtdruckabfall (hydraulisch ungünstiger Strang) unter dem Gesichtspunkt einer MindestVentilautorität ausgelegt. Mit den Regulierventilen an den hydraulisch günstiger gelegenen Verbrauchern wird der dort anstehende niedrigere Gesamtdruckabfall durch Drosselung ausgeglichen. Das Berechnen und Einstellen dieser Widerstandswerte mit dem Ziel, eine Sollvolumenstromverteilung zu erreichen, nennt man hydraulischen Abgleich oder Einregulierung. Im einzelnen ist folgende Vorgehensweise zu empfehlen: – Einzeichnen der Heiz- bzw. Kühlflächen in den Grundriss; Rohrführung sowie die Lage der Absperr- und Regelorgane im Grundriss und Strangschema angeben. – Unterteilen des Rohrnetzes in Teilstrecken und Berechnen des Massenstromes jeder Teilstrecke. – Ermitteln des endgültigen Rohrinnendurchmessers der Teilstrecken mit Hilfe der maximal zulässigen Massenströme (s. Tafel 2.2.1-1). – Längenabmessungen und Einzelwiderstände der Teilstrecken den Grundrissen entnehmen. – Mit Hilfe von Rohrreibungsdiagrammen und Tabellen für Einzelwiderstände das Rohrreibungsgefälle und den Druckabfall an Einzelwiderständen berechnen. – Druckabfall in den einzelnen Teilstrecken sowie den Summenwert in den Heizkreisen zu jedem Verbraucher berechnen. – Auswahl des Regel- und des Regulierventils im hydraulisch ungünstigsten Strang unter dem Kriterium der Ventilautorität. – Auslegung der Pumpe für den Gesamtvolumenstrom und dem Gesamtdruckabfall der ganzen Anlage unter Beachtung der Gleichzeitigkeit. – Auswahl der Regulierventile in den anderen Strängen. Moderne Wärmeerzeuger bieten zum Teil die Möglichkeit eines automatisierten hydraulischen Abgleichs. Die Planung und Ausführung hydraulisch abgeglichene Heizungsanlagen wird u.a. in den Normen DIN EN 12828 und EN 14336 gefordert. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) fördert nur Heizungsanlagen mit erfolgtem hydraulischen Abgleich. In der EnEV wird für das Referenzgebäude zur Ermittlung des zulässigen Primärenergiebedarfs ein hydraulischer Abgleich vorausgesetzt. Hydraulisch abgeglichene Anlagen stellen daher den Technischen Standard dar.

2.2.1 Systembeschreibung

2.2.1-1.1.3

Pufferspeicher1)

Ausführung Pufferspeicher stellen Druckbehälter zur Speicherung und zeitverzögerten Abgabe von Wärme dar. Da Korrosionschäden in geschlossenen Heizungsanlagen bei Beachtung der Wasserqualität selten sind, wird als Material Stahl der Qualität St-37 ohne Emaillierung eingesetzt. Nachträgliches Einschweißen von Anschlüssen möglich, wenn keine Einbauteile aus Kunststoff (z. B. in Schichtenspeichern) vorhanden sind. Als Wärmedämmung wird entweder geschlossenzelliges Weichschaummaterial, Mineralwolle oder Polyurethan verwendet. Dämmdicke nicht in EnEV 2009 vorgeschrieben. Übliche Dämmdicken 80 bis 150 mm. Wahl der Dämmdicke und des Dämmstoffs (Wärmeleitfähigkeit) beeinflussen die Bereitschaftsverluste des Pufferspeichers bei der Ermittlung des Primärenergiebedarfs nach EnEV 2009. Verkleidung im Regelfall aus Kunststoff, selten aus verzinktem Stahlblech. Für Einfamilienhäuser als Kombination aus Pufferspeicher und Trinkwassererwärmer (Kombispeicher). Heute wegen der leichteren Wartung zur Beseitigung von Steinbelägen, des geringeren Wasserinhalts und der energetischen Vorteile vermehrt Pufferspeicher mit externer Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip (Frischwasserstation). Einsatzzweck Öl- und gasbefeuerte Wärmeerzeuger benötigen aufgrund der guten Regelbarkeit keinen Pufferspeicher. Im Gegenteil Pufferspeicher würden zusätzliche Wärmeverluste bewirken (Speicherverluste). Bei Einsatz erneuerbarer Wärmequellen kann der Einsatz von Pufferspeichern notwendig sein: – Für die solare Trinkwassererwärmung werden bivalente Speicher-Trinkwassererwärmer zur Wärmespeicherung eingesetzt (Bild 2.2.1-36). Bei solarthermischer Heizungsunterstützung heute Pufferspeicher mit integriertem Trinkwassererwärmer oder Pufferspeicher mit externem Wärmeübertrager zur Trinkwassererwärmung nach dem Durchflussprinzip (Bild 2.2.1-37) üblich. – Festbrennstoffkessel mit einer Nennwärmeleistung größer 4 kW müssen nach der Kleinfeuerungsverordnung einen Pufferspeicher erhalten. Ausnahmen bei regelbarer Wärmeleistung und Einhaltung der Abgasgrenzwerte (z. B. Pelletkessel im unteren Leistungsbereich) sowie bei Festbrennstoffkesseln im ununterbrochenen Vollastbetrieb (z. B. als Grundlastkessel) möglich. – Pellet- und Hackschnitzelkessel verfügen über eine gute Regelbarkeit. Auch bei Einhaltung der Abgasgrenzwerte im unteren Leistungsbereich zur Vermeidung von Schäden am Heizkessel als Folge eines Wärmestaus und zur Nutzung des nach dem Ende der Wärmeanforderung im Feuerraum verbliebenen Restwärmeinhalts ist ein Pufferspeicher zu empfehlen. – Wärmepumpen benötigen für den Teillastbetrieb einen Pufferspeicher. Infolge der in der Energieeinsparverordnung geforderten Einzelraumregelung im Teillastbetrieb nur geringe Wärmeabnahme möglich. Zur Verhinderung von Hochdruckstörungen ist ein Pufferspeicher vorzusehen. Auf den Pufferspeicher kann nur verzichtet werden, wenn die Wärmeabgabe über eine Flächenheizung erfolgt, und wenn die Einzelraumregelung für 25 bis 30 % der beheizten Fläche verzichtet wird. In Gebäuden mit niedrigem Heizwärmebedarf entstehen wegen des Selbstregeleffekts von Flächenheizungen ohne Einzelraumregelung keine höheren Gesamtkosten der Heizungsanlage (Investition, Verbrauch und Betrieb); Vorlage eines Gutachtens durch einen bei der Bafa zugelassenen Sachverständigen und privatrechtliche Vereinbarung mit dem Bauherrn notwendig. Verzicht auf Pufferspeicher besonders bei regelbaren Kompressoren sinnvoll. – Pufferspeicher können zur thermischen Speicherung überschüssigen regenerativ erzeugten Stromes eingesetzt werden.

1)

759

Bearbeitung von Dr.-Ing. habil Stefan Wirth, Karlsruhe für die 75. Auflage.

2

760

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.1-36. Bild 1: bivalenter Speicher-Trinkwassererwärmer

Bild 2.2.1-37. Bild 2: Pufferspeicher mit externem Trinkwassererwärmer nach dem Durchflussprinzip

Hydraulische Schaltung Ein Pufferspeicher kann in Reihe zum Wärmeerzeuger als hydraulische Weiche (Bild 2.2.1-38), in den Rücklauf (Bild 2.2.1-39) oder aber über Verteilventile parallel zum Wärmeerzeuger (Bild 2.2.1-40) geschaltet werden. Die Anordnung im Vorlauf ist wegen der zusätzlichen Trägheit nicht üblich. Für Scheitholzkessel wird der Pufferspeicher in Reihe zum Wärmeerzeuger als hydraulische Weiche vorgesehen. Vorteil dieser Schaltung besteht in der Trennung der Heizwassermassenströme in der Wärmeerzeugung und der Wärmeverteilung.

2.2.1 Systembeschreibung

761

Bild 2.2.1-38. Pufferspeicher als hydraulische Weiche

2

Bild 2.2.1-39. Pufferspeicher im Rücklauf mit Überstörmventil zur Sicherstellung des Mindestumlaufs

Bild 2.2.1-40. Pufferspeicher zur Aufnahme der beim Abbrand freiwerdenden Wärme

Wärmepumpen werden häufig insbesondere bei Gebäudesanierungen ebenfalls mit einem Pufferspeicher als hydraulische Weiche wegen der Unabhängigkeit vom Heizwassermassenstrom zu den Wärmeverbrauchern ausgerüstet (siehe Bild 2.2.1-38). Der Nachteil dieses Konzepts besteht in den zusätzlichen Speicherverlusten und der um 2 bis 3 K über der notwendigen Temperatur an den Verbrauchern angehobenen Speichertemperatur (Einbuße bei der Jahresarbeitszahl 5 %). Energetisch günstiger ist die Installation

762

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

des Pufferspeichers in den Rücklauf (siehe Bild 2.2.1-39); aufwendige Einregulierung zur Sicherstellung der Heizwassermassenströme und Überströmventil für den Mindestumlauf erforderlich. Bei Hackschnitzel- und Pelletfeuerungen im mittleren und hohen Leistungsbereich (ab ca. 30 kW) ist der Pufferspeicher zum Schutz des Kessels vor einem Wärmestau des Restwärmeinhalts des Feuerraums als hydraulische Weiche oder parallel zum Heizkessel zu empfehlen (siehe Bild 2.2.1-40). Dimensionierung Pufferspeicher für Festbrennstofffeuerungen nach der Kleinfeuerungsverordnung auslegen, der mindestens 12 l je Liter Brennstofffüllraum für einen Scheitholzkessel groß sein soll; als Mindestwert sind aber 55 l je kW Nennwärmeleistung einzuhalten. Bei Scheitholzkesseln mit geregelter Verbrennungsluftansaugung im kleinen Leistungsbereich zusätzliches Speichervolumen zur Vermeidung von Glanzrußentstehung erforderlich. Die Pufferspeichergröße sollte dann die Wärme eines Abbrands vollständig aufnehmen können. Damit Pufferspeicherinhalt vom Fassungsvermögen des Scheitholzkessels unter Berücksichtigung der Schüttdichte (ca. 0,6 kg/l) und der Spreizung (10 bis 20 K) abhängig. Pufferspeicher für Hackschnitzel und Pellets sind entsprechend der Herstellervorgaben zum Restwärmeinhalt im Feuerraum zu dimensionieren. Für Wärmepumpenanlagen war früher die Dimensionierung des Pufferspeichers zur Begrenzung der Schalthäufigkeit des Kompressors oder zur Überbrückung der Zeiträume mit Strombezug im Hochtarif üblich. Beide Strategien zur Auslegung eines Pufferspeichers sind heute nicht mehr notwendig. Wärmepumpen verfügen zur Begrenzung der Schalthäufigkeit über eine Wiedereinschaltsperre. Außerdem bieten Stromversorger besondere Tarife für Wärmepumpen an, deren Stromkosten im Hochtarif sich noch deutlich unter dem Haushaltsstrom bewegen. Die Dimensionierung des Pufferspeichers zur Überbrückung des Hochtarifs würde auch höhere Investitionskosten verursachen, weil die Wärmepumpe zur Aufladung des Pufferspeichers im Niedertarif zwei- bis dreimal größer als die Gebäudeheizlast zu dimensionieren wäre. Pufferspeicher daher entweder auf den Zeitraum der Wiedereinschaltsperre (modernes Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf) oder aber auf die Sperrzeit (Gebäudebestand mit hohem Heizwärmebedarf) auslegen. 2.2.1-1.1.4

Sicherheitstechnische Einrichtungen

Es gibt eine Vielzahl technischer Möglichkeiten und zahlreiche Vorschriften, die Grundlage für den sicheren Betrieb einer Heizungsanlage sind. Einen Überblick gibt Tafel 2.2.1-2. Offene und geschlossene physikalisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen Die Sicherheitseinrichtungen für offene und geschlossene Warmwasserheizungen mit heute nur noch selten ausgeführtem hochliegendem Ausdehnungsgefäß sind in DIN EN 12828:2013-04 genormt. Alle Warmwasserheizkessel, die mit Brennstoffen, Abgasen oder elektrisch oder auch mit Dampf > 0,5 bar Überdruck bzw. Wasser über 105 °C beheizt werden, müssen zur Verhinderung von Druckerhöhungen eine unabsperrbare Sicherheitsvorlaufleitung (SV) und eine Sicherheitsrücklaufleitung (SR) haben, die mit Steigung zum Ausdehnungsgefäß, das sich an höchster Stelle der Anlage befindet, zu verlegen sind. Die SV mündet bei den offenen Anlagen oben, die SR unten in das Ausdehnungsgefäß (Bild 2.2.1-41). Sicherheitsleitungen und Ausdehnungsgefäße müssen gegen Einfrieren geschützt sein. Bei mehreren Kesseln hat jeder Kessel eine SV und SR, oder die Kessel sind mit Sicherheits-Wechselventilen (Bild 2.2.1-42) ausgerüstet, die beim Absperren der Verbindung mit dem Ausdehnungsgefäß durch eine Ausblasleitung eine unmittelbare Verbindung mit der Atmosphäre herstellen. Zur Vermeidung zu großer Abmessungen können die Wechselventile auch in Umgehungsleitungen angebracht werden. Durchmesser der SV und SR. Bei den geschlossenen Warmwasserheizungen mit Temperaturen im Vorlauf bis 105 °C erhält das Ausdehnungsgefäß ein Standrohr nach DIN 4750:1993-02 (Bild 2.2.1-41) oder ein Sicherheitsventil. Anschluss der SV- und SR-Leitung unten am A-Gefäß. Maximale Vorlauftemperatur von 105 °C ist nur erreichbar, wenn Dampfbildung im A-Gefäß durch genügende Zirkulation über SV und SR gewährleistet ist. Auslegung der Sicherheitsventile siehe Abschnitt 2.2.3-6.

2.2.1 Systembeschreibung

Bild 2.2.1-41. Sicherheitseinrichtungen bei direkt mit Brennstoffen oder Dampf >0,5 bar Überdruck beheizten Warmwasserkesseln.a)offenes Ausdehnungsgefäßb)geschlossenes Ausdehnungsgefäß mit Standrohr oder Sicherheitsventil

763

1 Wärmeerzeuger 2 Absperrarmatur 3 Vorlauf 4 Sicherheitsvorlaufleitung (SVL) 5 Rücklauf 6 Sicherheitsrücklaufleitung (SRL) 7 Absperreinrichtung gegen unbeabsichtigtes Schließen gesichert (z.B. Kappenventil mit Draht und Plombe) 8 Drosseleinrichtung, z.B. Thermostatventil 9 Offenes Ausdehnungsgefäß (OAG) 9bGeschlossenes Ausdehnungsgefäß mit Membrane (GAG), mit Luftraum in der Membrane 10 Überlauf zum Heizraum 10aPrüfleitung zum Heizraum 11 Verbindung zur Atmosphäre 14 Sicherheitsventil 15 Ausblaseleitung vom Sicherheitsventil

Bild 2.2.1-42. Anordnung von Wechselventilen bei Warmwasserkesseln. Links: Wechselventile im Vor- und Rücklauf; rechts: Wechselventile im Nebenschluss

Geschlossene, thermostatisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen Geschlossene Anlagen werden nach DIN EN 12828:2013-04 mit einem tiefliegenden Membran-Ausdehnungsgefäß oder mit weiteren Druckhalteeinrichtungen ausgeführt. Bei Anlagen mit Membran-Ausdehnungsgefäß befindet sich das Ausdehnungsgefäß neben dem Kessel und ist nur durch eine Ausdehnungsleitung mit dem Kessel verbunden. Diese Bauart wird heute fast ausschließlich angewendet. Vorteile: Keine Korrosion durch Sauerstoff. Kein Wasserverlust durch Verdunstung. Keine Frostgefahr. Leichte Unterbringung. Voraussetzungen sind dabei: a) Thermostatische Absicherung durch Temperaturregler und Sicherheitstemperaturbegrenzer sowie zusätzlich b) Baumustergeprüftes, unabsperrbares Sicherheitsventil am oder nahe am Kessel; c) Wassermangelsicherung. Bei Wärmeerzeugern bis 300 kW kann auf eine Wassermangelsicherung verzichtet werden, soweit sichergestellt ist, dass eine unzulässige Erwärmung bei Wassermangel nicht auftreten kann. d) Thermometer u. Manometer.

2

DIN EN 12828:20013-04 Wasserheizungsanlagen physikalisch abgesichert

bis 105 °C < 1 MW fest/flüssig/gasförmig – Voraussetzungen für Wärmeerzeuger – Sicherheitsvor- und Rücklaufleistungen – Ausdehnungsgefäße und Anschlussleitungen

Bereich Temperatur/ Druck

Wärmeleistung

Brennstoff/Beheizung

wesentliche Anforderungen – Voraussetzungen für Wärmeerzeuger und Ausdehnungsgefäße – Einrichtungen gegen Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks – Wassermangelsicherungen – Einrichtungen zum Ausgleich der Wasservolumenänderungen – Anzeigeeinrichtungen – Fülleinrichtungen – Inbetriebnahme – Bedienungs-/Wartungsanleitungen

fest/flüssig/gasförmig

< 1 MW

bis 105 °C

DIN EN 12828:2013-04 thermostatisch abgesichert und Zwangsumlauf-Wärmeerzeuger

– Werkstoffe – Herstellung – Bemessung – Ausrüstung – Beheizung – Kennzeichnung – Prüfungen Für Neukesselanlagen Anforderungen nach DIN EN 12952

fest/flüssig/gasförmig

unbegrenzt

bis 1 bar

TRD 701:1996-12 Dampfkesselanlagen Dampferzeuger der Gruppe II (für Anlagen im Bestand)

Sicherheitstechnische Anforderungen für Heizungsanlagen, Übersicht der wichtigsten technischen Regeln

Norm/techn. Regel

Tafel 2.2.1-2

– Werkstoffe – Herstellung – Bemessung – Ausrüstung – Beheizung – Kennzeichnung – Prüfungen Für Neukesselanlagen Anforderungen nach DIN EN 12953

fest/flüssig/gasförmig

unbegrenzt

> 100 bis 120 °C

TRD 702:1998-06 Dampfkesselanlagen Heißwassererzeuger der Gruppe II (für Anlagen im Bestand)

764 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.1 Systembeschreibung

765

Das A-Gefäß gibt es grundsätzlich in zwei verschiedenen Ausführungsformen: a) Behälter ohne Membran, wobei sich über der Wasserfläche komprimierte Luft befindet; da das Wasser Luft absorbiert, muss Behälter von Zeit zu Zeit entleert werden. Selten ausgeführt. b) Behälter mit Membran, wobei die Membran den Wasser- und Gasraum voneinander trennt (Bild 2.2.1-43). Dies ist die normale Ausführung. Näheres in Abschnitt 2.2.3-6. Bild 2.2.1-44 zeigt eine geschlossene Anlage mit eingebautem Warmwasserspeicher, wie sie heute meist ausgeführt werden.

Bild 2.2.1-43. Sicherheitseinrichtungen am Wärmeerzeuger bei direkter Beheizung und mit Membran-Druckausdehnungsgefäß (MAG).

1 = Wärmeerzeuger 2 = Absperrarmatur 3 = Temperaturregler 4 = Sicherheitstemperaturbegrenzer 6 = Temperaturmessgerät 7 = Tauchhülse 8 = Sicherheitsventil 9 = Ausblaseleitung zwischen Sicherheitsventil und Entspannungstopf 10 = Entspannungstopf (>300 kW) 11 = Druckbegrenzer, max. (>300 kW oder >3 bar) 12 = Druckbegrenzer, min. (>100 °C) 13 = Druckmessgerät 14 = Anschluss für Prüfdruckmessgerät nach DIN 16263:2004-07 15 = Wassermangelsicherung (Einsatz auch 300 kW a)

Druckbegrenzer, max.

WE, Vorlauf

ja > 300 kW b)

Druckbegrenzer, min.

Ausdehnungsleitung

ja > 100 °C

Fremddruckhaltung inkl. AusdehnungsAusdehnungsgefäß leitung

ja

Wasserstand

Wasssermangelsicherung WE, Vorlauf

ja > 300 kW c)

Vorlauftemperatur

Kesselthermometer

WE

ja

Temperaturregler

WE

ja

Sicherheitstemperaturwächter

WE

nein d)

Sicherheitstemperaturbegrenzer

WE

ja

a)

b) c)

d)

Bei Warmwasserheizungen ≤ 100 °C kann auch über 300 kW auf einen Entspannungstopf verzichtet werden, wenn zusätzlich ein Sicherheitstemperaturbegrenzer und Maximaldruckbegrenzer eingebaut sind. (In der Regel dann zwei Sicherheitstemperaturbegrenzer und zwei Maximaldruckbegrenzer.) Druckbegrenzer ist auch erforderlich bei einer Druckabsicherung über 3 bar. Unter 300 kW kann auch auf andere Weise (z. B. Mindestdruckbegrenzer, Strömungswächter oder eine andere im Rahmen der Typprüfung bestätigte Maßnahme) sichergestellt werden, dass eine unzulässige Erwärmung bei Wassermangel nicht auftreten kann. Nur indirekt beheizte Wärmeerzeuger benötigen unter Umständen einen STW.

Sicherheitstechnische Ausrüstung von Anlagen mit Zwangsumlauf-Wärmeerzeugern Die DIN EN 12828:2013-04 regelt auch die sicherheitstechnische Ausrüstung von kleinen Einkesselanlagen mit Zwangsumlauf-Wärmeerzeugern bis 50 kW und 95 °C mit thermostatischer Absicherung. Die Heizungsanlagen müssen mit sicherheitstechnischen Einrichtungen ausgerüstet sein gegen die Überschreitung der max. Betriebstemperatur (Sicherheitstemperaturbegrenzer) und des max. Betriebsdrucks (Sicherheitsventil und Druckausdehnungsgefäß).

2

768

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.1-1.2

Dampfheizungen

Bei den Dampfheizungen wird als Wärmeträger Dampf verwendet. Der in den Kesseln erzeugte Dampf wird durch Rohrleitungen den Heizkörpern oder sonstigen Wärmeaustauschern zugeführt, kondensiert hier und kehrt als Kondensat zu den Kesseln zurück, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Man unterscheidet nach der Verbindung mit der Atmosphäre: offene und geschlossene Dampfheizungen; nach dem Dampfdruck: Niederdruck-, Hochdruck- und Vakuumdampfheizungen; nach dem Rohrsystem: Einrohr- und Zweirohrsysteme; nach der Lage der Hauptverteilleitung: obere und untere Verteilung; nach der Lage der Kondensleitung: obere (trockene) und untere (nasse) Kondensatrückführung; nach der Art der Kondensatrückführung: Rückführung mit natürlichem Gefälle und zwangsweise Rückführung. Durch Kombinationen dieser verschiedenen Möglichkeiten entstehen viele Ausführungsarten der Dampfheizung. Für Wohn- und Bürohausheizung wird heute kaum noch Dampf verwendet, häufiger für zeitweilig oder periodisch benutzte Räume wie Messehallen, Ausstellungsräume usw., besonders, wenn in den Betriebspausen Frostgefahr besteht, sowie für Kochküchen, Wäschereien und für Fabriken, die Dampf für andere Zwecke benötigen. 2.2.1-1.2.1

Offene Niederdruckdampfheizungen (NDH)1)

Allgemeines Der Dampf wird entweder in Niederdruckdampfkesseln – Dampferzeuger der Gruppe II nach TRD701 (bzw. für Neukesselanlagen nach DIN EN 12952) – erzeugt oder er wird Kesselanlagen mit höherem Druck entnommen und für Zwecke der Heizung auf niederen Druck herabgemindert. Der Betriebsüberdruck darf nach den gesetzlichen Bestimmungen in Deutschland höchstens 1 bar betragen. Gewöhnlich beträgt der Druck für Gebäude mit einer waagerechten Ausdehnung bis zu 200 m etwa 0,05 bis 0,1 bar, bis zu 300 m etwa 0,15 bar und bis zu 500 m etwa 0,2 bar. Bei Raumheizungen ist 0,1 bar Dampfdruck fast immer ausreichend, bei Dampf für gewerbliche Zwecke (Wäschereien, Küchen u. a.) auch Drücke bis 0,5 bar. Vorteile der Niederdruckdampfheizung gegenüber Warmwasserheizung: Geringe Trägheit und daher schnelles Hochheizen; geringe Einfriergefahr; geringere Anlagekosten; einfache Wärmemengenmessung durch Kondensatmesser. Nachteile: Keine zentrale Regelung vom Kesselhaus aus, daher in der Übergangszeit häufig Überheizung und dadurch höherer Wärmeverbrauch; hohe, hygienisch ungünstige Oberflächentemperatur der Heizkörper; größere Wärmeverluste;keine Wärmespeicherung in den Heizkörpern; größere Korrosionsgefahr (in den Kondensatleitungen); keine Stahlradiatoren möglich; nur Gussradiatoren; häufig erhebliche Vertiefung des Heizkellers erforderlich. Alle Dampfheizungen verlangen eine sorgfältige Planung und Ausführung, da sonst Störungen auftreten wie Durchschlagen des Dampfes, Geräusche, mangelnde Erwärmung einzelner Heizkörper, Überwärmung bei anderen, Wasserspiegelschwankungen in den Kesseln u. a.

1)

Franke, P. P.; Schlapmann, D.; Tisiotti, H.: sbz (1988), Nr. 16, S. 1023–1033.

2.2.1 Systembeschreibung

769

Rohrführung a) Einrohrsystem Dampf und Kondensat strömen in derselben Leitung. Der vom Kessel gelieferte Dampf fließt zuerst in die Hauptverteilung, die bei unterer Verteilung an der Kellerdecke, bei oberer Verteilung im Dachboden liegt. Bei größerer Ausdehnung stufenförmige Verlegung mit Entwässerung an den Steigstellen. Die Heizkörper sind an die Steig- bzw. Fallstränge nur mit einer Abzweigleitung angeschlossen. Das Kondensat wird entweder oberhalb der Druckzone (trocken) oder unterhalb (nass) zum Kessel mit natürlichem Gefälle zurückgeführt. Bei trockener Kondensleitung werden die Steig- und Fallstränge in der Regel durch Wasserschleifen entwässert, die die dampfführenden Rohre von den kondensatführenden trennen. Jeder Heizkörper erhält ein automatisches Luftventil, das nur Luft, aber keinen Dampf entweichen läßt. Außerdem sind an den tiefsten Stellen der Dampfleitungen ebenfalls Luftventile anzubringen. Die Ventile an den Heizkörpern, soweit sie überhaupt vorgesehen werden, dürfen nur „auf “ oder „zu“ gestellt werden, Zwischenstellungen sind nicht möglich, da sonst der Kondensatabfluss behindert wird. Als Brennstoff für die Kessel sind zweckmäßig nur Gas oder Öl zu verwenden, bei festen Brennstoffen ist die Regelung wesentlich schwieriger. Ein-Aus-Regelung. Die Einrohrsysteme werden bei uns kaum ausgeführt, da eine gleichmäßige Temperaturerhaltung bei höheren Außentemperaturen nicht möglich ist. b) Zweirohrsystem Dampf und Kondensat strömen in verschiedenen Leitungen. Hauptverteilleitung an Kellerdecke (untere Verteilung, Bild 2.2.1-47) oder im Dachgeschoss (obere Verteilung, Bild 2.2.1-48). Gefälle zu den Steig- bzw. Fallsträngen. Bei großer Ausdehnung stufenförmige Verlegung mit Entwässerung an den Steigestellen. Die Heizkörper sind sowohl an die senkrechten dampfführenden Stränge wie an die Kondensatleitungen angeschlossen. Dampfeintritt oben, Kondensataustritt unten. Zur Trennung von Dampf und Kondensat hinter jedem Heizkörper ein Kondensat-Ableiter (s. Abschnitt 2.2.3-8.1).

Bild 2.2.1-47. Zweirohr-Niederdruckdampfheizung mit unterer Verteilung und trockener Kondensleitung. D = Druckhöhe, E = Entlüftung, K = Kessel, Ko = Kondensatleitung, S = Standrohr, W = Wasserschleife

Bild 2.2.1-48. Zweirohr-Niederdruckdampfheizung mit oberer Verteilung und nasser Kondensleitung.

Das Kondensat aus den Heizkörpern wird mit natürlichem Gefälle zu den Kesseln zurückgeführt (Kondensatrückspeiser s. Abschnitt 2.2.3-8.5). Zwischen Kondensatrücklauf und Heizkessel ist ein Kondensatsammelbehälter – bei Festbrennstoffkesseln noch ein hochliegender Kondensathochbehälter dazwischenzuschalten. Sicherheitstechnische Einrichtungen für Kessel und Kondensatbehälter s. Bild 2.2.1-49 und Bild 2.2.1-50. Kondensatleitung entweder trocken an der Kellerdecke oberhalb der Druckzone verlegt oder nass unterhalb. Entwässerung der Dampfleitungen bei hochliegender Rückführung durch Wasserschleifen, bei tiefliegender Rückführung keine Schleifen erforderlich. Siehe auch Abschnitt 2.2.3-8.1.

2

770

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Die Luft wird bei Dampffüllung der Anlage von dem leichteren Dampf durch die Heizkörper in die Kondensatleitung gedrückt. Bei hochliegender Kondensatleitung Abführung der Luft ins Freie an der tiefsten Stelle. Bei tiefliegender Kondensatleitung sind die senkrechten Kondensatstränge durch eine besondere Luftleitung zu entlüften.

Bild 2.2.1-49. Dampfkessel für Öl/Gasfeuerung – Schema der Kesselanlage (Werkbild Buderus). 1 = Dampfkessel 2 = Dampftrommel 3 = Dampfflasche 4 = Wasserstandsglas 5 = Manometer 6 = Brenner 7 = Druckregler für Brennerstufe 1 8 = Druckregler für Brennerstufe 2 9 = Druckregler für modulierenden Brenner 10 = Druckwächter 11 = Sicherheitsventil oder Standrohr 12 = Wasserstandsregler 13 = Drosselklappe 14 = Umgehungsleitung 15 = Absperrschieber 16 = Abschlammventil 17 = Entschlammungsventil

18 = Rückschlagventil 19 = Schmutzfänger 20 = Wasserzähler 21 = Wassermangelschalter 22 = Absperrventil mit Kappe 23 = Speisewasserpumpe 24 = optisches/akustisches Signal für Wassermangel im Kondensatsammelbehälter 25 = Kondensatsammelbehälter 26 = Wrasenrohr 27 = Schwimmerventil 28 = Wasserstandsanzeiger 29 = Überlauf 30 = Schwimmerschalter 31 = Deckel 32 = Minimal-Temperaturregler a = Regelbeispiel um mittleren Wasserstand (MW) = ±20 mm

Sicherheitsvorrichtungen Zur sicherheitstechnischen Ausstattung eines Niederdruck-Dampfkessels gehören: Eine Sicherheitseinrichtung gegen Überschreiten des höchstzulässigen Betriebsüberdruckes von 1,0 bar um mehr als 0,3 bar (s.a. TRD 721). Diese Forderung wird erfüllt von einem bauteilgeprüften Sicherheitsventil bis max. 1,0 bar oder einem unabsperrbarem Standrohr bis zu einem höchstzulässigen Betriebsüberdruck von 0,5 bar (nach DIN 4750:1993-02), 1 Druckwächter, 2 Druckregler je nach Art der vorgesehenen Feuerung, 1Manometer entsprechend dem Betriebsdruck der Anlage (es empfiehlt sich, ein Gerät mit gespreiztem Anfangsbereich zu wählen), 1 Wassermangelschalter. Je nach gewähltem Brenner ist die sicherheitstechnische Ausstattung des Dampfkessels hinsichtlich des Druckreglers anzupassen. Bei zweistufigen Brennern ist je nach Leistungsstufe des Brenners 1 separater Druckregler, bei modulierend geregeltem Brenner 1 Druckregler für den 2-Punkt-Regelbereich und zusätzlich eine für den Modulationsbereich geeignete Druckregeleinrichtung vorzusehen.

2.2.1 Systembeschreibung

771

2 Bild 2.2.1-50. Dampfkessel für Festbrennstoffeuerung – Schema der Kesselanlage (Werkbild Buderus). 1 = Dampfkessel 2 = Dampftrommel 3 = Dampfflasche 4 = Wasserstandsglas 5 = Manometer 6 = Sicherheitsventil oder Standrohr 7 = Membranregler 8 = Luftklappe 9 = Reglerkette 10 = Überdruckpfeife 11 = Wasserstandsregler (Zuflussregler) 12 = Drosselklappe 13 = Umgehungsleitung 14 = Absperrschieber 15 = Abschlammventil 16 = Entschlammungsventil 17 = Rückschlagventil 18 = Schmutzfänger 19 = Wasserzähler

20 = Wassermangelpfeife 21 = Kondensatpumpe 22 = Kondensathochbehälter 23 = Überlauf 24 = Schwimmerschalter für Kondensatpumpe 25 = Schwimmerventil 26 = Wasserstandsanzeiger 27 = Schwimmerschalter für Signalgebung 28 = optisches/akustisches Signal für Wassermangel im Kondensathochbehälter 29 = optisches/akustisches Signal für Wassermangel im Kondensatsammelbehälter 30 = tiefliegender Kondensatbehälter 31 = Wrasenrohr 32 = Deckel a = Regelspiel um mittleren Wasserstand (MW) = ±20 mm Ho = Wasserstand des offenen Kondensathochbehälters über MW

Die Schaltpunkte des/der Druckregler und des Druckwächters müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, um Druckschwankungen möglichst klein zu halten. In der Tafel 2.2.1-4 sind Einstellungskombinationen für den Dampfdruck in Abhängigkeit von der Brennerausführung als Empfehlung dargestellt. Niederdruck-Dampfkessel für Festbrennstoffeuerung (Koks, Kohle) werden mit einem Membran-Druckregler ausgestattet, der über die Betätigung der Verbrennungsluftklappe des Heizkessels die Feuerungsleistung regelt. Alternativ zum Membran-Druckregler ist ein Schwimmerregler einzusetzen. Außerdem ist der Niederdruck-Dampfkessel für Festbrennstoffeuerung mit einer Überdruckpfeife auszustatten.

772

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.1-4

Schaltpunkte des Druckreglers und des Druckwächters in Abhängigkeit von der Brennerausführung

Brennerausführung

Schaltpunkte des Druckreglers

bei zweistufigen Brennern für 1. Stufe

Zweistufiger Brenner Modulierend geregelter Brenner

Schaltpunkte des Druckwächters*)

bei modulierenden geregelten Brennern

für 2. Stufe

für Zwei-PunktBereiche

Für Modulationsbereiche

ρRA1 ≤ 1,2 ρD

ρRA2 = ρD

–

–

ρWA ≤ 1,3 ρD

ΔρR1 ≤ 0,3 ρRA1

ΔρR2 ² 0,3 ρD

–

–

ΔρW ≥ 0,3 ρWA

–

–

ΔρRA1 ≤ 1,2 ρD

ρMO < ρRA1

–

–

ΔρR1 ≤ 0,3 ρRA

ΔρMO = **)

WA ²

1,3 D

ΔρW ³ 0,3 WA

*) Der maximale Ausschaltdruck des Druckwächters muss in jedem Fall unterhalb eines Überdruckes von 1,3 bar liegen **) ΔρM ist an das Regelverhalten der gesamten Anlage anzupassen. Darin ist: ρD = Dampfdruck in bar ρRA1 = Ausschaltpunkt des Druckreglers Stufe 1 in bar ρRA2 = Ausschaltpunkt des Druckreglers Stufe 2 in bar ρMO = Ausschaltpunkt der Druckregeleinrichtung für den modulierenden Brenner in bar ρWA = Ausschaltpunkt des Druckwächters in bar

ΔρMO = Schaltdifferenz der Druckreglereinrichtung für den modulierenden Brenner in bar ΔρR1 = Schaltdifferenz des Druckreglers Stufe 1 in bar ΔρR2 = Schaltdifferenz des Druckreglers Stufe 2 in bar ΔρW = Schaltdifferenz des Druckwächters in bar

Daraus ergeben sich folgende Einschaltdrücke ρRE1 = ρRA1 – ΔρR1 = Einschaltdruck des Druckreglers Stufe 1 in bar ρRE2 = ρRA2 – ΔρR2 = Einschaltdruck des Druckreglers Stufe 2 in bar ρWE = ρWA – ΔρW = Einschaltdruck des Druckwächters in bar

Heizkörper und Absperrorgane wie bei den Warmwasserheizungen. Druck vor den Ventilen 10…20 mbar. Anschlussleitung mit Steigung zum Heizkörper, um Kondensatstau bei geschlossenem Ventil zu vermeiden. Bei langen Heizkörpern wechselseitiger Anschluss. Um die hohen Oberflächentemperaturen der Heizkörper zu vermeiden, wurde bei Niederdruckdampfheizungen manchmal das Luftumwälzverfahren verwendet. Dieses besteht darin, dass in den unteren Naben ein Rohr mit metallischen Düsen von 2 bis 4 mm ∅ angebracht wird. Der aus den Düsen austretende Dampf mischt sich mit der im Heizkörper enthaltenen Luft und erzeugt eine Umwälzbewegung des Dampf-Luft-Gemisches, wodurch eine gleichmäßige und milde Oberflächentemperatur erreicht wird. Heute nicht mehr üblich. Dampfheizungen mit Raumheizkörpern – nur Gussradiatoren – sind heute nicht mehr üblich. Regelung Die örtliche Regelung der Heizleistung erfolgt durch die an den Heizkörpern angebrachten Regulierventile, allerdings ziemlich unvollkommen. Heizkörper evtl. unterteilen in 1 /3 und 2/3 o. ä. Die zentrale Regelung der Niederdruckdampfheizung ist namentlich bei schwacher Belastung kaum möglich, da durch Veränderung des Dampfdrucks eine gleichmäßige Dampfund Wärmeverteilung nicht erreicht werden kann. Für eine möglichst günstige Regelung der Niederdruckdampfheizung ist zu beachten: Alle Dampfleitungen sind reichlich zu dimensionieren, gut zu isolieren und zu entwässern; Heizkörper mit guten, doppeleinstellbaren Regelventilen oder mit selbsttätigen Ventilen versehen; diese werden bei der Einregulierung so weit gedrosselt, dass bei höchs-

2.2.1 Systembeschreibung

773

tem Dampfdruck kein Dampf durchschlägt; dabei keine Dampfstauer erforderlich; bei Konvektoren empfiehlt sich die Verwendung von Luftklappen; der Verbrennungsregler soll möglichst empfindlich sein (Schwimmerregler); die Entlüftung der Kondensatleitungen sorgfältig ausführen; Montage und Einregulierung der Anlage mit Sorgfalt vornehmen. Trotz bester Einregulierung wird es jedoch bei der Dampfheizung immer schwer sein, die Temperatur in Räumen gleichmäßig zu halten, daher kaum noch Verwendung zur Raumheizung, besonders auch wegen der großen Wärmeverluste im Rohrnetz. 2.2.1-1.2.2

Geschlossene Niederdruckdampfheizungen (Vaporheizungen)

Diese Heizungen, die bei uns kaum bekannt sind, unterscheiden sich von den offenen Niederdruckdampfheizungen dadurch, dass keine direkte Verbindung mit der Atmosphäre besteht. Der Dampf steigt aus dem Kessel in die Heizkörper, wo er kondensiert. Kondensat und Luft werden durch Dampfstauer abgeleitet. In Deutschland sind Heizungen dieser Art nicht gebräuchlich, in USA früher jedoch häufig. 2.2.1-1.2.3

Hochdruckdampfheizungen

Allgemeines Hochdruckdampfheizungen arbeiten mit Überdrücken > 1,0 bar. Anwendung besonders in Fabriken, in denen für Krafterzeugung oder Fabrikation hoher Dampfdruck benötigt wird. Der Heizdampf ist entweder Frischdampf, der direkt aus dem Kessel entnommen wird, oder Abdampf bzw. Entnahmedampf aus Kraftmaschinen. Wahl des Dampfdruckes abhängig von der Art der Heizkraftkupplung, der Ausdehnung des Rohrnetzes und anderen Umständen, meist 1 bis 3 bar. Erzeugung des Hochdruckdampfes in Dampfkesseln verschiedenster Bauart. Für Raumheizungen wird Hochdruckdampf heute nur noch selten verwendet, da die Heizkörper dabei hygienisch ungünstig hohe Oberflächentemperaturen haben, höchstens gelegentlich für Nebenräume, Lager usw. Auch ist keine einwandfreie örtliche Regelung der Heizleistung möglich, so dass Räume meist überheizt werden. Dagegen wird Hochdruckdampf für Luftheizgeräte in Fabriken gelegentlich noch angewandt. Regelung der Heizleistung dabei durch Ein- und Ausschalten der Ventilatoren der Geräte. Vorteile der Hochdruckdampfheizung: Niedrige Anlagekosten wegen kleiner Rohrleitungen und Heizkörper; geringe Einfriergefahr; leichte Umbaumöglichkeit. Nachteile: Hohe, hygienisch ungünstige Heizkörpertemperatur; Schwierigkeiten in der Regelung der Heizleistung; umständliche Kondensatwirtschaft; strenge bauaufsichtliche Vorschriften; größere Wärmeverluste. Übliche Dampfgeschwindigkeiten bei Sattdampf 20…30 m/s bei Heißdampf 30…50 m/s. Schaltung Je nach örtlichen Verhältnissen, insbesondere auch nach dem Verhältnis zwischen den für Krafterzeugung und Heizung benötigten Dampfmengen, sind verschiedene Schaltungen möglich.

2

774

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

a) Frischdampfbetrieb (Bild 2.2.1-51). Der Heizdampf wird aus dem Kessel entnommen und direkt oder unter Zwischenschaltung eines Druckminderers in das Heiznetz geschickt. Verfahren jedoch thermodynamisch unwirtschaftlich.

Bild 2.2.1-51. Hochdruckdampfheizung mit Frischdampf.

b) Gegendruckbetrieb (Bild 2.2.1-52). Der in dem Heizdampfkessel erzeugte Dampf leistet zunächst in einer Dampfkraftmaschine (Kolbendampfmaschine oder Dampfturbine) Arbeit; der Abdampf wird zur Heizung verwendet. Heizdampfverbrauch schwankend, daher bei ungenügender Abdampfmenge Frischdampfzusatz durch Überströmventil, bei überschüssiger Dampfmenge Auspuff oder Kondensation. c) Entnahmebetrieb (Bild 2.2.1-53). Der für die Heizung benötigte Dampf wird zwischen dem Hochdruck- und Niederdruckteil der Kraftmaschine entnommen.

Bild 2.2.1-52. Hochdruckdampfheizung mit Gegendruckdampf.

Bild 2.2.1-53. Hochdruckdampfheizung mit Entnahmedampf.

Kondensatleitungen Hinter jedem Wärmeverbraucher oder Gruppen von Wärmeverbrauchern sind Kondenswasserableiter anzubringen. Bemessung für die Normalleistung entsprechend dem Kondensatanfall und dem Differenzdruck. Die größte Menge fällt beim Aufheizen an (Anfahrbetrieb). Für diese Extremfälle sind besondere Rohrstutzen oder Umführungen der Kondensatableiter vorzusehen. Die Zahl der Ableiter ist grundsätzlich möglichst gering zu halten, da sie im Betrieb viel Wartung erfordern. Alles Kondenswasser ist in Sammelleitungen mit Gefälle zu sammeln und dem Speisewasser-Sammelbehälter im Kesselhaus zuzuführen. Rückspeisung in den Kessel mit Kondensatpumpen oder Rückspeisern. Pflege der Kondensatleitungen, insbesondere der Kondenstöpfe, ist für einen wirtschaftlichen Betrieb der Hochdruckdampfheizung unerläßlich. In Anlagen mit unterschiedlichen Betriebsdrücken dürfen nach dem Ableiter nur Entwässerungsleitungen gleichen Druckes zusammengeführt werden, da sonst Störungen auftreten. Bei unterschiedlichen Drücken sind die Kondensate getrennt zurückzuführen, um Wasserschläge zu vermeiden. Entspannungsdampfgeschwindigkeit 15…20 m/s, bei Hochdruck bis 25 m/s. Zweckmäßig ist die Verwendung von Entspannungsgefäßen, um den Entspannungsdampf der Niederdruckstufe zuzuführen (Energieersparnis). Bild 2.2.1-54.

2.2.1 Systembeschreibung

775

Sicherheitsvorrichtungen Für alle Kessel mit einem Druck > 1,0 bar Überdruck gelten Erlaubnis- und Prüfungsvorschriften der Betriebssicherheits-Verordnung (BetrSichV) vom 27. 9. 2002. Die „Dampfkesselverordnung“ ist seit 1.1.2003 außer Kraft.

Bild 2.2.1-54. Konden satabführung bei unterschiedlichen Drücken.

Erleichterungen für den Betrieb in den TRD (Technische Regeln für Dampfkessel). Sie betreffen: Eingeschränkte Beaufsichtigung in TRD 602:1982-05. Herabgesetzer Betriebsdruck in TRD 603:1981-07. Keine ständige Beaufsichtigung in TRD 604:1987-12. Heizkörper und Absperrorgane Heizkörper sind hauptsächlich glatte Rohre, Rippenrohre, Luftheizanlagen und Luftheizgeräte, gewöhnliche Radiatoren nur bis 2 bar Überdruck, sonst Hochdruckradiatoren. Regelung Regelung der Heizleistung durch Drosseln der Absperrorgane in der Dampfzuleitung ist bei Hochdruckdampfheizungen nicht möglich. Statt dessen Regelung durch gruppenweise Abschaltung von Heizkörpern sowie durch unterbrochene Heizung (Stoßbetrieb). Möglich ist auch Kondensatstau. Nachverdampfung Das Kondensat hinter dem Kondensatableiter hat höhere Temperaturen als 100 °C und verdampft daher – Nachverdampfung: Dadurch Störungen und Wärmeverluste. Ausnutzung der Nachverdampfung durch Kondensat-Entspanner, in denen das Kondensat auf bestimmtem Druck gehalten wird. Der Nachdampf kann dann für beliebige Zwecke verwendet werden, z. B. Raumheizung, Warmwasser-Erwärmung usw. In Bild 2.2.1-55 Dampfanlage mit Wassererwärmer und Speisewassererwärmung durch Nachdampf.

Bild 2.2.1-55. Hochdruckdampfanlage mit verschiedenen Wärmeverbrauchern und mit Nachdampfverwertung. WW = Warmwasser, E = Entlüftung, KW = Kaltwasser

2

776

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Beispiel einer Hochdruckanlage mit verschiedenen Wärmeverbrauchern s. Bild 2.2.1-56.

Bild 2.2.1-56. Hochdruckdampfanlage mit verschiedenen Wärmeverbrauchern. HV = Hochdruckdampfverteiler, MV = Mitteldruckdampfverteiler, NV = Niederdruckdampfverteiler, H = Heizkörper, K = Kondensatpumpe, L = Luftheizgeräte, RV = Reduzierventil, Sp = Speisewasservorwärmer, U = Umgehungsleitung, T = Turbospeisepumpe, WW = Warmwasser

2.2.1-1.2.4

Vakuumdampfheizungen (VDH)

Allgemeines Vakuumdampfheizungen (Unterdruckdampfheizungen) sind dadurch gekennzeichnet, dass in den Kondensatleitungen ein Unterdruck herrscht, der durch eine Vakuumpumpe (eigentlich Luftpumpe) aufrechterhalten wird. Der absolute Dampfdruck beträgt je nach Außentemperatur etwa 0,2 bis 1,1 bar. Der Atmosphärendruck wird nur bei größerer Kälte erreicht oder überstiegen. Vorteile der VDH gegenüber den NDH: Geringere Heizkörpertemperaturen; leichtere Möglichkeit der zentralen Regelung; schnelle Rückführung des Kondensats zum Kessel. Nachteile: Höhere Anschaffungs- und Bedienungskosten; sorgfältige Montage erforderlich (Dichthalten der Rohrleitungen und Ventile). Trotz ihrer zweifellosen Vorteile Verwendung der VDH in Deutschland nur in geringem Umfang, namentlich in Verbindung mit Kraftanlagen, wobei das Heizungsnetz zwischen Kraftmaschine und Kondensator als Vorkondensator oder parallel zu diesem geschaltet ist. Im Ausland, namentlich USA, dagegen wird die VDH auch bei größeren Anlagen häufig verwendet. Insbesondere bei allen großen Gebäuden und bei Fernheizungen ist die Vakuumheizung, ganz im Gegensatz zu den europäischen Verhältnissen, auch heute noch eine durchaus moderne Heizungsart. In der Ausführung gibt es mehrere verschiedene Bauarten, die sich jedoch auf 2 Haupttypen zurückführen lassen. Die einfache Vakuumdampfheizung Bei dieser Heizung wird eine Vakuumpumpe verwendet, die in den Kondensatleitungen durch Absaugen von Luft und Dampf dauernd ein bestimmtes Vakuum, z. B. 20 bis 30 %, aufrechterhält und dadurch den Kreislauf des Wassers beschleunigt, während in der Dampfleitung je nach Belastung der Anlage ein mehr oder weniger großer Überdruck oder auch Unterdruck herrscht (Bild 2.2.1-58). Die Vakuumpumpe trennt Wasser von Luft, fördert das Wasser zurück zum Kessel oder Kondensatbehälter und bläst die Luft ins Freie. Alle Heizkörper haben in der Regel ein stopfbuchsenloses Regulierventil und

2.2.1 Systembeschreibung

777

einen Dampfstauer. Die Heizleistung wird durch Änderung des Dampfdrucks und des Vakuums dem Bedarf angepasst. Die Vakuumpumpe wird von einem Vakuummeter gesteuert, das bei Überschreiten des eingestellten Vakuums die Pumpe einschaltet, bei Unterschreiten ausschaltet. Gegenüber den Niederdruck-Dampfheizungen haben diese Anlagen den Vorteil, dass das Kondensat schneller zum Kessel zurückkehrt und dass dadurch auch das Aufheizen und die Entlüftung schneller vor sich gehen. Differential-Vakuumdampfheizung unterscheidet sich von der einfachen Vakuumdampfheizung dadurch, dass zwischen der Dampf- und Kondensatseite eine dauernd konstante Druckdifferenz von etwa 0,1 bar automatisch aufrechterhalten wird, während die absolute Höhe des Dampfdrucks sich je nach der Außentemperatur ändert. Bei sehr tiefer Außentemperatur ist der Dampfdruck in den Heizkörpern etwa gleich dem Atmosphärendruck oder etwas darüber, während er bei höheren Außentemperaturen sich bis auf einen geringsten Wert von etwa 0,20 bar verringern kann. Die Dampftemperatur ändert sich dabei von 100 °C bis auf etwa 60 °C. Ist die verlangte Heizleistung noch geringer als diesen Temperaturen entspricht, muss die Dampfmenge verringert werden, wobei dann die Heizkörper nur zum Teil mit Dampf gefüllt sind, oder es wird periodisch geheizt. Die grundsätzliche Wirkungsweise geht aus dem Bild 2.2.1-57 hervor, das eine an eine Fernheizung angeschlossene Vakuumheizung zeigt.

Bild 2.2.1-58. Einfache Vakuumheizung.

2.2.1-1.3

Bild 2.2.1-57. Schema einer Vakuumheizung mit Differenzdruckregelung und Anschluss an eine Fernheizung. A = Außentemperaturfühler, DG = Differenzdruckgeber, H = Heizkörper, R = Raumthermostat, V = Vakuumpumpe, D = thermostatischer Dampfstauer, E = Entlüftung, Ko = Kondensatbehälter, Re = Regler, RV = Regelventil

Luftheizungen (Luftheizungsanlagen)1)

Luftheizungen, besser Luftheizungsanlagen, nutzen zirkulierende Luft als Wärmeträger. Die in Luftheizgeräten bzw. Warmlufterzeugern erwärmte Luft wird in die zu beheizenden Räume geleitet, gibt hier die Wärme ab und wird dem Gerät je nach Außenluftanteil vollständig oder teilweise im Kreislaufprinzip zurückgeführt. Man unterscheidet nach der den Luftumlauf bewirkenden Triebkraft: – Schwerkraft- oder Auftriebs-Luftheizungen, – Ventilator-Luftheizungen;

1)

Ihle, C.: Lüftung und Luftheizung. Werner Verlag, 1991. Bierling, H.-J.: IKZ (1981), Nr. 1, S. 38–42; Ki (1983), Nr. 12, S. 483–490.

2

778

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

nach dem Außenluftanteil: – Umluftheizungen (zu 100 % zirkulierende Gebäudeluft), – Mischluftheizungen (der zirkulierenden Gebäudeluft wird Außenluft beigemischt), – Außenluftheizungen (die Heizluft wird vollständig von außen angesaugt); nach der Art der Beheizung bzw. der Warmlufterzeugung: – direkt beheizte Luftheizgeräte (auch Warmlufterzeuger, im Wohnbereich auch Warmluftautomaten), welche beispielsweise mit Gas oder Öl betrieben werden. Die Heizluft erwärmt sich dabei direkt an den Heizflächen des Abgaswärmetauschers. – indirekt beheizte Lüftungsgeräte werden über einen zwischengeschalteten Wärmeträger, üblicherweise Wasser, von einem externen Wärmeerzeuger beliebiger Art gespeist. Die Wärmeübertragung an die Luft erfolgt über einen Wärmetauscher im Gerät. Weiterhin wird zwischen zentralen Anlagen mit Luftverteilsystemen über Leitungen und dezentralen Systemen mit Einzelgeräten sowie Kombinationen daraus unterschieden. Im Detail lassen sich Luftheizungsanlagen noch bezüglich Strömungsart/Richtung und Regelung differenzieren. Von diesen Unterscheidungen und Beschreibungen als Sonderform nicht berücksichtigt ist die Strahlungs-Luftheizung. Bei dieser Variante wird die Luft nicht in die zu beheizenden Räume eingeblasen, sondern in geschlossenen Leitungssystemen geführt. Die Wärmeübertragung erfolgt vorwiegend über die Wärmeabstrahlung der heißluftführenden Leitungen an die Umgebung. Die Luftleitungen sind dabei in Wand oder Boden integriert. Beispiel ist die schon von den alten Römern genutzte Hypokaustenheizung, bei welcher warme Luft in Kanälen im Fußboden geführt wird. Im industriellen Bereich ist die Heißluft-Strahlungsheizung eine verbreitete Sonderform der Luftheizung (s. auch Abschnitt 2.2.1-1.4). 2.2.1-1.3.1

Schwerkraft-Luftheizungen

Diese Heizungsart wurde früher besonders für Einfamilienhäuser, Wohnungen, ferner kleine Säle, Schulen, Kirchen verwendet. Der Warmlufterzeuger befindet sich zentral, an möglichst tiefster Stelle der Wohnung bzw. des Gebäudes. Die Bewegung der Luft erfolgt infolge des Unterschieds der spezifischen Gewichte der erwärmten und der kälteren Umgebungsluft. Dieser natürliche Auftrieb führt die Luft durch Leitungen in die Räume. Zur Rückführung zum Ofen im Kreislaufprinzip sind Umluftleitungen bzw. Umluftöffnungen vorzusehen. In Einfamilienhäusern ist häufig nur eine Umluftentnahmestelle im Treppenhaus oder in der Diele. Heute ist die Bedeutung der Schwerkraftluftheizung gering, da sie weitgehend durch Ventilator-Luftheizungen ersetzt wird. Fast ausschließlich kommt die Schwerkraftheizung noch in Form einer Kachelofenheizung mit großem Konvektionswärmeanteil zur Anwendung. Da hierbei oft ästhetische Aspekte dominieren, wird sie vorwiegend als Zusatzheizung zur Beheizung weniger Räume (z. B. Wohnzimmer, Küche, Flur) eingesetzt (siehe auch Abschnitt 2.7.2-1.2). 2.2.1-1.3.2

Ventilator-Luftheizungen

Diese Luftheizung unterscheidet sich von der Schwerkraft-Luftheizung durch die mechanisch mittels Ventilator herbeigeführte bzw. unterstützte Luftbewegung (Prinzip in Bild 2.2.1-59). Hierdurch ergeben sich wesentliche Vorteile: – Kleinere Abmessungen der Leitungen bei gleicher Heizleistung – Größere Unabhängigkeit in der Leitungsführung bzw. von der Raumanordnung – Erzielung größerer Heizleistung – Schnelleres Aufheizen – Bessere Regelbarkeit – Möglichkeit zusätzlicher Luftaufbereitungsstufen wie z. B. Filterung, Kühlung, Befeuchtung. – Gleichmäßigere Beheizung der Räume – Bessere akustische Eigenschaften durch größere Freiheit bei der Leitungsführung und des Einsatzes von Schalldämpfern – Kombinationsmöglichkeit mit Wärmerückgewinnung

2.2.1 Systembeschreibung

779

– Günstige Wahl der Umluft- und Außenluftansaugung ermöglichen energetisch sinnvolle Systeme unter Ausnutzung solarer Energie und Vermeidung ungünstiger Temperaturschichtungen – Anlagen lassen sich ganzjährig auch für Lüftungszwecke nutzen. Nachteile: – Größerer Planungsaufwand und erhöhte Kosten – Wartungsarbeiten/Filterwechsel. In der Bauart der Ventilator-Luftheizungen lassen sich zwei große Gruppen unterscheiden: – Großraum-Luftheizungsanlagen – Wohnraum-Luftheizungsanlagen.

2 Bild 2.2.1-59. Prinzip der Warmluftheizung mit Ventilator.

2.2.1-1.3.3

Großraum-Luftheizungsanlagen

Großraum-Luftheizungen in Industriehallen, Werkstätten, Lagern usw. unterliegen anderen Forderungen als in Konzertsälen, Kinos, Kantinen, Gemeindezentren, Aufenthaltsräumen, Supermärkten u. ä. Während beim industriellen/gewerblichen Einsatz Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, kurze Wiederaufheizzeiten, Frostsicherheit dominieren, stehen ansonsten Komfortaspekte, möglichst unauffällige Integration im Gebäude, Geräuscharmut sowie die Möglichkeit der Anbindung weiterer Nebenräume im Vordergrund. In industriellen Bereichen sind vorwiegend dezentrale Anlagen vertreten. In den anderen Fällen kommen eher indirekt beheizte zentrale Geräte zum Einsatz, die oft noch weitere Luftbehandlungen wie z. B. Kühlung, Befeuchtung bewirken und damit eher als Vollklimasysteme bezeichnet werden müssen. Diese Anlagen sind in der Regel als Mischluftheizungen ausgeführt, da zum Teil sehr hohe Außenluftanteile gefordert bzw. durch Richtlinien vorgegeben werden. Die Verwendung von Systemen zur Wärmerückgewinnung ist in solchen Fällen besonders wirtschaftlich und oft anzutreffen. Große Bedeutung kommt generell der Auswahl und der Position der Luftaustritte zu. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die eingebrachte Luft ohne Zugerscheinungen unter Einhaltung der akustischen Grenzwerte in den Aufenthaltsbereich der Personen gelangt. Besonderes Augenmerk gilt hierbei z. B. Deckenluftaustritten, welche die warme Zuluft entgegen der natürlichen Auftriebskraft nach unten einblasen müssen. Insbesondere die Forderung der gleichzeitigen Eignung für den Kühlfall setzt erhöhte Ansprüche an die Anlage und die verwendeten Austrittssysteme. Wurfweite und Induktion in Abhängigkeit von Luftmenge und Temperaturdifferenz (Raumluft/Zuluft) sowie der Schallpegel sind hierbei wichtige Auslegungsdaten. 2.2.1-1.3.4

Wohnraum-Luftheizungsanlagen

a) Allgemeines Wohnraum-Luftheizungsanlagen (hier ausschließlich Ventilator-Luftheizanlagen) werden vorwiegend in Einfamilienhäusern, kleineren Schulen, Kindergärten, Büros u. ä. eingesetzt. Die Vorteile der Luftheizung in diesen Einsatzbereichen liegen in der Möglichkeit, solche Anlagen neben dem eigentlichen Heizen noch zum Filtern, Lüften, Be- und Entfeuchten sowie Kühlen einzusetzen (s. auch Abschnitt 2.2.1-1.3.2). Die Nachteile sind in den erhöhten Planungs- und Montagekosten sowie dem größeren Raumbedarf für Geräte und Leitungen zu sehen.

780

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Im Ausland, vor allem in USA, Kanada, Niederlande und in den skandinavischen Ländern, werden Wohnraum-Luftheizungsanlagen in großem Umfang, ähnlich wie in Deutschland Radiatoren-Zentralheizungen, eingesetzt. Es ist davon auszugehen, dass mit der Entwicklung der Dämmtechnik die Bedeutung von Luftheizsystemen in Deutschland zunehmen wird. Die Anlagen bestehen aus folgenden Hauptbestandteilen: – Luftheizgerät (indirekte Beheizung) oder Warmlufterzeuger (direkte Beheizung) – Kanalsystem für die Zuluftverteilung sowie die Umluftrückführung – Regelung. Jeder Raum erhält in Abhängigkeit von Wärmebedarf und dem Gesamtluftwechsel Luftaustritte, in der Regel vor bzw. unter den Fenstern. Die Umluft wird je nach Gebäudegröße und Raumanordnung an einer oder mehreren Stellen abgesaugt und dem Luftheizgerät, je nach Außenluftanteil vollständig oder teilweise, zurückgeführt. Um ein Überströmen zu den Bereichen der Umluftabsaugung zu ermöglichen, sind entsprechende Überströmöffnungen, je nach Anwendungsfall mit Schalldämpfern, vorzusehen. Geruchsbehaftete Räume wie Küche, Bad, WC werden permanent oder nutzungsabhängigdurch eine separate Luftabsaugung vom System entkoppelt. Die Abluft dieser Räume wird entweder direkt oder über eine Wärmerückgewinnung ins Freie gefördert (siehe Bild 2.2.1-60). Luftheizungsanlagen für den Wohnbereich werden üblicherweise als Mischluftanlagen ausgeführt und mit einem 0,25- bis max. 0,8fachen Außenluftwechsel betrieben. Der Gesamtluftwechsel (Außenluft zuzüglich der zirkulierenden Umluft) liegt zwischen 2,5 und 3,5, wobei sich ein Trend zu geringen Raten (1,5–2,5) im Falle von hochwärmegedämmten Häusern abzeichnet. Im ursprünglichen Passivhauskonzept wird die gesamte Heizwärme über den hygienisch erforderlichen Außenluftwechsel zugeführt. b) Luftheizgerät Das Luftheizgerät (indirekte Beheizung) besteht aus einem Gehäuse mit Ventilator, Motor, Filter und Wärmeaustauscher, welcher von einem externen Wärmeerzeuger mit Wärme versorgt wird. Üblicherweise kommt ein Wasser/Luftwärmeaustauscher in Verbindung mit einem Kessel zur Anwendung. Im Falle eines Warmlufterzeugers (direkte Beheizung) wird anstelle des Wasser/Luftwärmeaustauschers ein Abgaswärmeaustauscher (meist Edelstahl) mit Brenner und dazugehöriger Regelung verwendet. Heizmittel sind heutzutage Gas oder Öl, feste Brennstoffe kommen nicht mehr zur Anwendung. Die üblichen Zulufttemperaturen der Geräte liegen zwischen 35 °C und max. 60 °C, wobei die tatsächlichen Lufteintrittstemperaturen in die zu beheizenden Räume 50 °C nicht überschreiten sollten. c) Luftverteilung Bei der Luftverteilung unterscheidet man mehrere Anordnungen: Kanäle an der Kellerdecke (siehe Bild 2.7.2-3) Die Anbindung der zu beheizenden Räume erfolgt über gedämmte Leitungen unter der Kellerdecke mit Austritten im Fußboden- und Sockelbereich, vorzugsweise vor den Fenstern. Die Luftaustritte sollten schmal und schlitzförmig ausgeführt und parallel zum Außenwandbereich angeordnet werden. Kanäle im Fußboden Hierbei werden die Warmluftleitungen bei der Herstellung des Betonfußbodens in den Beton mit eingezogen. Die Verlegung erfolgt in Form von geschlossenen Ringen am äußeren Umfang des Gebäudes oder in Form von radialen Speiseleitungen (siehe Bild 2.2.1-61). Diese Anordnung der Luftverteilung nennt man auch Perimeter-Luftheizung. Als Rohmaterial kommt Kunststoff, Stahlblech, Ton, früher Asbestzement zur Anwendung. Die Luftaustritte befinden sich unter den Fenstern.

2.2.1 Systembeschreibung

781

2

Bild 2.2.1-60. Luftheizungsanlage im Einfamilienhaus (Werkfoto Schrag).

Bild 2.2.1-61. Luftheizung mit Warmlufterzeuger und Perimeter-Luftverteilung.

782

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Kanäle im Estrich Hierbei werden besonders flache Kanäle (5 × 10 cm) aus Kunststoff oder verzinktem Stahlblech (z. B. Schrag-Mini-Kanalsystem) oberhalb des Rohfußbodens im Estrich eingebracht, dessen Gesamthöhe 9 cm zuzüglich Trittschall-/Wärmedämmung beträgt und damit vergleichbar mit Aufbauhöhen für konventionelle Fußbodenheizungen ist (s. Bild 2.2.1-62). Im Bereich der Luftleitungen tritt ein gewisser Fußbodenheizungseffekt auf, welcher beispielsweise im Bad durch entsprechende Verlegung verstärkt werden kann. Als Austritte, welche vorwiegend vor den Fenstern angeordnet werden, kommen schmale Gitter in Kombination mit Zuluftschalldämpfern zur Anwendung.

Bild 2.2.1-62. Fußbodenaufbau mit Teppichboden, Bodenfliesen oder Parkett (Werkfoto Schrag).

Kanallose Führung Anwendung findet diese Bauart, wenn an Stelle eines Kellers nur ein Hohlraum (Kriechkeller) vorhanden ist. Die Warmluft wird von dem Heizungsgerät einfach in diesen Hohlraum geblasen und strömt von hier durch Schlitze unter den Fenstern in die einzelnen Räume (Bild 2.2.1-63). Trotz dieser simplen Bauart ist die Wirkung in Verbindung mit einem Fußbodenheizungseffekt gut. Unter Beachtung der Verluste (große wärmeübertragende Flächen) ist diese Art der Beheizung nur für sehr kleine Häuser geeignet und praktisch ohne Bedeutung.

Bild 2.2.1-63. Warmluftheizung mit dem Heizgerät im Erdgeschoss und mit senkrechtem Ausblas nach unten in den Hohlraum unter dem Fußboden, Warmluftaustritt unter den Fenstern.

Warmluft- und Fußbodenheizung1) Hierbei wird ein Teil der Warmluft in einem Hohlraum unter dem Fußboden durch Rohre bis in den Bereich unter die Fenster geführt und strömt im Hohlraum zum Warmlufterzeuger zurück (Fußbodenheizung). Ein anderer Teil strömt über Düsen und durch Klappen geregelt unter den Fenstern in den Raum ein (Warmluftheizung). Man nennt dieses System daher auch Zwei-Komponenten-Heizung. Die zweite Komponente verbessert die Regelfähigkeit einer reinen Fußbodenheizung. Außenluftbetrieb mit Wärmerückgewinnung aus Abluft ist möglich (Bild 2.2.1-64).

1)

Radtke, W.: SHT (1985), Nr. 11, S. 767ff. Thiel, D.: CCI (1989), Nr. 7, S. 36–37.

2.2.1 Systembeschreibung

783

Bild 2.2.1-64. Warmluft- und Fußbodenheizung (2-K-Heizung, Schmidt-Reutter).

d) Regelung Je nach Hersteller, Anlage, Gebäude und Zusatzeinrichtungen (z. B. Kühlung, Befeuchtung) gibt es sehr vielfältige Varianten von Luftheizungsregelungen. Im Allgemeinen lässt sich die Regeltechnik wie folgt beschreiben: In Abhängigkeit vom eingestellten Temperatur-Sollwert und üblicherweise im Umluftsammelkanal gemessenem Temperatur-Istwert wird die Heizleistung des Gerätes angefordert. Im Falle eines direkt beheizten Gerätes wird der Brenner aktiviert. Mehrstufige oder modulierende Brenner vermeiden zu häufiges Takten im Übergangsbereich. Im Falle von indirekt beheizten Varianten wird über einen Mischer in Verbindung mit einer Umwälzpumpe die Versorgung mit Heizwasser vom externen Wärmeerzeuger variiert. Bei beiden Gerätetypen werden die Ventilatoren über Temperaturfühler in Abhängigkeit von der anliegenden Wärmeleistung stufenlos oder gestuft zwischen Grunddrehzahl (eventuell null) und voller Drehzahl gefahren. Nach Abschalten des Brenners bzw. Schließen des Mischers ist eine gewisse Nachlaufzeit der Ventilatoren üblich, um anfallende Restwärme sinnvoll zu nutzen. Sicherheitseinrichtungen wie Frostschutzschaltung sowie Maximal- und Minimaltemperaturbegrenzung sind Standard. Einzelraumregelungen werden häufig durch diverse Luftklappen in den Leitungen oder an den Austritten realisiert. Diese werden manuell oder durch elektrische Antriebe (motorisch, elektromagnetisch oder elektrothermisch) in Verbindung mit Thermostatschaltern betätigt. Eine weitere Variante der Einzelraumregelung findet allerdings nur bei indirekt beheizten Geräten statt. Hierbei befinden sich in einem Gerät verschiedene Wärmetauscher, welche unabhängig voneinander arbeiten und somit verschiedene Gebäudebereiche unterschiedlich heizen können. Bild 2.2.1-65. Warmluftheizung eines Reihenhauses.

Bild 2.2.1-65. Warmluftheizung mit Wärmerückgewinnung.

e) Wärmerückgewinnung (siehe auch Abschnitt 3.9.2-1.7.1) Die Luftheizung im Wohnbereich hat in Verbindung mit der Novellierung der Wärmeschutzverordnung 1994 und dem Trend zum Niedrigenergiehaus an Bedeutung gewonnen, da hier die Gebäudelüftung mit vom Heizungssystem abgedeckt werden kann. In Verbindung mit Wärmerückgewinnungsanlagen sind energiesparende Anlagen bei überdurchschnittlichem Wohnkomfort realisierbar. Bei Kombination der Wärmerückgewinnung mit Luftheizungsanlagen kann das ohnehin vorhandene Luftleitungsnetz genutzt werden. Derzeit meist gebräuchliche Geräte zur Wärmerückgewinnung arbeiten anstelle von Kreuzplattenwärmeaustauschern zunehmend mit Gegenstromwärmeaustauschern, deren Rückwärmezahlen mit ca. 90 % angegeben werden. Unabhängig von energetischen Gesichtspunkten ist mit zunehmend guter Dämmung und Dichtheit des Gebäudes eine mechanische Be- und Entlüftung aus hygienischen Gründen sowie zur Abführung der Feuchtigkeit erforderlich Luftheizungsanlagen haben

2

784

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

bezüglich dieser Problematik den Vorteil, dass sie auch ohne zusätzliche Lüftungssysteme über die Außenluftrate im Mischluftbetrieb für die erforderliche Belüftung des Gebäudes sorgen. f) Kühlfunktion Alle Luftheizungsanlagen lassen sich verhältnismäßig einfach durch zusätzliche Luftbehandlung zu Klimaanlagen erweitern. Hierbei kommen Klimasplitgeräte oder sogenannte Kaltwassersätze zur Anwendung. Bei Kaltwassersätzen, welche in der Regel im Freien aufgestellt werden, wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Im Falle eines indirekt beheizten Luftheizgerätes kann dann der vorhandene Wärmeaustauscher auch zu Kühlzwecken verwendet werden. Allerdings ist Kondensatwasserbildung im Kühlfall zu berücksichtigen. Klimasplitgeräte verwenden ein spezielles Kältemittel, so dass ein zusätzlicher Tauscher erforderlich wird. Auch bei dieser Variante wird das Kälteaggregat üblicherweise im Freien aufgestellt. Bei direkt beheizten Luftheizgeräten sind ebenfalls beide Kühlvarianten möglich, wobei grundsätzlich ein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich wird.

Bild 2.2.1-66. Luftheizgerät mit Kühlung (Klimagerät) für ein Wohnhaus. Kondensator luftgekühlt.

2.2.1-1.4

Heißluft-Strahlungsheizung

Bei dieser Heizart wird als Heizungsmittel Heißluft mit Temperaturen von 150…350 °C1) verwendet, die in einem geschlossenen Rohrleitungssystem umgewälzt wird. Die Luft wird in einem öl- oder gasgefeuertem Brenner erwärmt, von einem Ventilator in die umlaufenden Rohre und zurück zum Lufterhitzer gefördert (Bild 2.2.1-67).

Bild 2.2.1-67. Prinzip der Heißluft-Strahlungsheizung (Kübler-Mannheim).

Das Rohrsystem, das möglichst hoch im Raum angeordnet wird, besteht aus Wickelfalzrohren in Gruppen von zwei, drei oder vier Rohren je Gruppe. Die Rohre sind seitlich abgeschirmt und nach oben wärmegedämmt. Etwa 70 % der Wärme wird durch infrarote 1)

Ihle, C.: Lüftung und Luftheizung. Werner-Verlag, 1991.

2.2.2 Wärmeübergabe

785

Strahlung nach unten abgegeben, wodurch sich der Fußboden erwärmt und ein günstiges Temperaturprofil entsteht. Schnelle Aufheizung. Anwendung hauptsächlich in Industriebauten, Lagerhallen, Sporthallen, Flugzeughangars u. a., jedoch zunehmend ungebräuchlich. Für kleinere Werkstätten auch als komplettes Gerät hergestellt, wobei Strahlungsrohre, Reflektor, Dämmung, Gasbrenner und Abgasventilator eine Einheit bilden. Leistung 10…35 kW. Mit Flüssiggas auch transportabel (Bild 2.2.1-68). Vergleiche DVGW Arbeitsblatt G 638 II „Heizungsanlagen mit Dunkelstrahlern“.

Bild 2.2.1-68. Direkt beheiztes Strahlungsrohr (Kübler-Mannheim und KAH).

2.2.2

Wärmeübergabe

Einleitend wird zunächst eine Systematisierung vorgenommen. Bei Einzelheizungen befindet sich der Wärmeerzeuger (Feuerstätte für Gas, Öl, Holz, Kohle oder elektrisches Heizgerät) in den zu beheizenden Räumen selbst. Es gibt kein Verteilnetz. In einer Zentralheizung sind die Verbraucher über ein Verteilnetz an einen Wärmeerzeuger angeschlossen. Die Anlage kann dabei aus einem oder mehreren Erzeugern bestehen, während die einzelnen Räume mit Heizflächen der verschiedensten Art ausgestattet sein können. Eine Sonderform stellt die Etagenheizung dar, bei der pro Wohnung ein Wärmeerzeuger existiert. Die Fernheizung benutzt für eine mehr oder weniger große Gruppe von Gebäuden, einen Gebäudeblock oder sogar einen Stadtteil nur eine Heizzentrale. Außerdem gibt es noch Sonderbauarten, z. B. mobile Heizzentralen, die frei beweglich und ortsveränderlich sind und bei Heizungsausfällen und Modernisierungen zeitnah für Übergangswärme und Warmwasser sorgen.

2.2.2-1

Allgemeines

Heizflächen haben die Aufgabe, die vom Heizmittel gelieferte Wärme in den zu heizenden Räumen durch Konvektion und Strahlung an die Raumluft zu übertragen. Die dazu verfügbaren Raumheizeinrichtungen (Raumheizflächen) teilen sich in freie Heizflächen (z. B. Heizkörper) und in im Baukörper integrierte Heizflächen (Flächenheizungen, z. B. Fußbodenheizungen, Wandheizungen) auf.

2.2.2-1.1

Konvektion und Strahlung

Die heute überwiegend eingesetzten Heizflächen übertragen Wärme an den Raum sowohl durch Konvektion (Lufterwärmung) als auch durch Strahlung (Umschließungsflächenerwärmung). Dabei schwanken die Strahlungs- und Konvektionsanteile bei den unterschiedlichen Systemen. Warmluftheizungen sind rein konvektive Heizsysteme, Wand- und Fußbodenheizungen haben einen hohen Strahlungsanteil. Der unterschiedliche Anteil der Strahlung und Konvektion bewirkt für die einzelnen Heizflächenarten eine unterschiedliche Abhängigkeit der Heizkörperleistung von der Heizkörpertemperatur (bzw. Übertemperatur oberhalb der Raumtemperatur). Diese Abhängigkeit wird für alle Heizflächensysteme vereinfachend durch den Heizkörperexponenten n ausgedrückt. Konvektoren (hoher Konvektionsanteil) haben Heizkörperexponenten von etwa n = 1,4. Für Wand- und Fußbodenheizungen gelten Werte um etwa n = 1,1. Der Heizkörperexponent ist ein Maß dafür, wie stark die Wärmeabgabe des Heizkörpers von der Übertemperatur abhängt. Je näher der Wert an 1,0 liegt, desto linearer hängen die Wärmeabgabe

2

786

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

der Heizflächen und die Heizkörperübertemperatur als Differenz zwischen mittlerer Heizwasser- und Raumlufttemperatur zusammen.

2.2.2-1.2

Auswahl und Auslegungsgrundsätze

Die Leistungsbemessung der Heizflächen erfolgt auf Basis der Normheizlast, nach der DIN EN 12831.1) Dieses Verfahren ist in Abschnitt 2.6.4 beschrieben. Temperaturniveau und Heizkörpergröße können im Neubau frei gewählt werden. Je geringer das Temperaturniveau, desto größer die notwendige Heizfläche (Kosten), aber umso gleichmäßiger ist die Wärmeverteilung. Ein konträr diskutiertes Verfahren für den Neubau und für den Heizkörperaustausch im Modernisierungsfall wird in der VDI 6030-12) beschrieben. Im Bestand liegen die Heizflächen in der Regel fest und bestimmen das notwendige Temperaturniveau. Für den Neubau kann keiner Auslegungsstrategie ein klarer Vorzug gegeben werden. Auslegungsspreizungen zwischen 45/35 °C bis 65/40 °C sind für Heizkörperheizungen denkbar. Abzuwägen sind diverse Randdaten: Massenstrombedarf (höher bei geringer Spreizung), möglicher angestrebter Brennwerteffekt (höher bei geringer Rücklauftemperatur), erhöhte Effizienz von Wärmepumpen (besser bei geringen Vor- und Rücklauftemperaturen), gleichmäßige Wärmeverteilung (besser bei geringer Übertemperatur), fühlbare Wärme auch in der Übergangszeit (besser bei hoher Vorlauf- bzw. Übertemperatur), Investitionskosten (geringer bei hoher Übertemperatur) usw. Zu bedenken ist, dass in der Praxis durch nicht korrekt eingestellte Vorlauftemperaturen sowie zu große Pumpförderhöhen große Heizflächen häufig zu einem starken Überangebot an Wärme führen.

2.2.2-1.3

Bauformen und Leistungen

Es gibt eine große Anzahl Bauarten, die sich sowohl in der Bauform (Radiatoren, Konvektoren u. a.) als auch im Material (Gusseisen, Stahl, Aluminium usw.) und ihrem Regel- und Leistungsverhalten unterscheiden. Man unterscheidet unter den freien Heizflächen in: – Flachheizkörper (Plattenheizkörper), – Gliederheizkörper (Stahl- und Gussradiatoren), – Röhrenradiatoren (inkl. Handtuchheizkörper), – Rohr- und Rippenrohrheizkörper, – Konvektoren sowie – weitere Sonderbauformen. Die Heizkörpernormleistungen werden durch anerkannte Prüfstellen (z. B. DIN Certco) ermittelt und sind in einschlägiger Literatur oder in Herstellerunterlagen dokumentiert. Nach DIN EN 4423) werden Heizkörpernormleistungen bei der Temperaturpaarung 75/ 65/20 °C angegeben, d. h. bei tV = 75 °C (Vorlauf), tR = 65 °C (Rücklauf) und tL = 20 °C (Raumluft) und unter atmosphärischem Normaldruck (1013 mbar). Diese Temperaturpaarung ist lediglich die Prüftemperatur und auf keinen Fall eine Empfehlung für die Auslegung, wie die früher gültigen Normtemperaturen 90/70/20 °C. Im Folgenden sind Normwärmeleistungen4) verschiedener, ausgewählter Typen und Größen angegeben. Frühere Normleistungsangaben bezogen sich – wie beschrieben – auf die Temperaturpaarung 90/70/20 °C. Dies bedeutet, dass bei der Revision alter Herstellerunterlagen und für Berechnungen die Normleistung mit den heute verfügbaren Werten nicht vergleichbar ist. Es muss eine Umrechnung erfolgen (siehe unten). 1)

2) 3)

4)

DIN EN 12831 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“, 2003. DIN EN Beiblatt 1, Nationaler Anhang, 2004. DIN EN Beiblatt 1/A1, Änderung, 2005. VDI 6030-1 „Auslegung von freien Raumheizflächen – Grundlagen – Auslegung von Raumheizkörpern“, 07-2002. DIN EN 442-1 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 1: Technische Spezifikationen und Anforderungen“, 12-2003 DIN EN 442-2 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 2: Prüfverfahren und Leistungsangabe“, 12-2003 DIN EN 442-3 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 3: Konformitätsbewertung“, 12-2003. Günter; Miller; Patzel; Richter; Wagner: Versorgungstechnik Tabellen. Westermann Verlag, 2000.

2.2.2 Wärmeübergabe

2.2.2-1.4

787

Leistungsminderung bei Heizkörpern

In der Praxis kann die Heizleistung eines Heizkörpers aus unterschiedlichsten Gründen vermindert sein, z. B. durch: –Nischeneinbau –Verkleidungen und Abdeckungen –Verbauung –Fensterfronten direkt hinter Heizkörpern –Anschlussart (Durchströmung des Heizkörpers) Eine detailliertere Beschreibung erfolgt in Abschnitt 2.6.4-1.3.

2.2.2-1.5

Umrechnung der Heizkörpernormleistung

Die Leistung eines Heizkörpers unter nicht normierten Betriebsbedingungen kann rechnerisch aus der Normheizleistung ermittelt werden. Die Umrechnung der Heizkörpernormleistung auf andere Temperaturen erfolgt in der Regel mit der 2. Heizkörpergleichung (siehe auch Abschnitt 2.6.4-1.2). Es gilt: t V ,Betrieb – t R ,Betrieb -----------------------------------------------------t V ,Betrieb – t L ,Betrieb ln  -------------------------------------------  t R ,Betrieb – t L ,Betrieb · · Q Betrieb = Q Norm · ------------------------------------------------------75°C – 65°C ------------------------------------------75°C – 20°C  ln -------------------------------  65°C – 20°C

n

Δ t ln ,Betrieb · = Q Norm · -----------------------49 ,8 K

n

Die aus Rücklauftemperatur tR, Vorlauftemperatur tV und Lufttemperatur tL gebildete Größe Δtln wird als logarithmische Übertemperatur des Heizkörpers als „Gegenströmer“ (Heizwasser fließt von oben nach unten im Gegenstrom zur aufsteigenden Luft) bezeichnet. Unter Normbedingungen nach DIN EN 442 beträgt sie 49,8 K. Für den gesuchten Betriebsfall muss die logarithmische Übertemperatur ebenfalls bestimmt werden. Dann kann eine Umrechnung der Leistung erfolgen. Nach diesem Ansatz beträgt der Umrechnungsfaktor von der alten (90/70/20°C) auf die neue (75/65/20°C) Heizkörpernormleistung:

·

·

·

Q Norm,EN442 = 0,838n · Q 90/70 ≈ 0,8 · Q 90/70

mit n = 1,3 (typischer Wert für PlattenHeizkörper)

Der Exponent n ist der Heizkörperexponent. Er beschreibt den nicht linearen Zusammenhang zwischen der Leistungsabgabe und der mittleren Übertemperatur eines Heizkörpers. Werte siehe Abschnitt 2.6.4-1.2.

2.2.2-1.6

Anschlussarten von Heizkörpern

Man unterscheidet im Wesentlichen die in Bild 2.2.2-1 gezeigten Anschlussarten für Heizkörper. Standard sind der gleichseitige Anschluss (Normalanschluss, Vorlauf oben, Rücklauf unten) sowie der wechselseitige Anschluss.

(a)Normalanschluss (b)Wechselseitiger Anschluss (c) Anschluss reitend

(d) Anschluss beim Einrohrsystem (e) Einrohrsystem mit Vierwegeventil

Bild 2.2.2-1. Anschlussarten für Heizkörper.

2

788

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Wird bei gleichseitigem Anschluss der Vorlauf unten und der Rücklauf oben angeschlossen, kommt es zu Leistungsminderungen von etwa 5…10 %, bei Einrohrheizungen sogar 10…15 %. Des Weiteren existieren Sonderbauformen bei denen der Anschluss in der Mitte der freien Heizfläche angeordnet ist.

2.2.2-2

Freie Heizflächen1)

Freie Heizflächen geben – im Gegensatz zu bauteilintegrierten Heizflächen – die Wärme direkt über ihre (meist metallische) Oberfläche an den Raum ab. Es wird im Wesentlichen zwischen – Radiatoren – Plattenheizkörpern und – Konvektoren unterschieden. Sie können als alleinige Heizflächen, in Kombination miteinander oder heute bei erhöhtem Dämmstandard immer seltener zusammen mit integrierten Heizflächen (z. B. Bad mit Fußbodenheizung und Handtuchradiator) eingesetzt werden. Freie Heizflächen geben einen deutlich größeren Teil der Wärme durch Konvektion an den Raum als integrierte Heizflächen.

2.2.2-2.1

Flach- oder Plattenheizkörper

Flach- oder Plattenheizkörper werden aus Stahlblech gefertigt und in unterschiedlichen Bauformen ausgeführt. Man unterscheidet: – Plattenheizkörper mit glatten oder profilierten Platten (Bild 2.2.2-2) – Plattenheizkörper mit oder ohne Konvektorbleche (Bild 2.2.2-3). Konvektorbleche sind senkrechte Leitbleche aus Stahlblech oder gegebenenfalls Aluminium (Lamellen) und jeweils an einer Seite einer Platte angebracht. Sie dienen der Erhöhung der Wärmeabgabe durch Konvektion. Die Rückseite wirkt als Konvektionsheizfläche, während die Vorderseite Wärme überwiegend in Form von Strahlung abgibt. Der Konvektionsanteil steigt mit Anzahl der Konvektorbleche.

Bild 2.2.2-2. Plattenheizkörper; glatt (links), profiliert (rechts).

Bei modernen freien Heizflächen mit mehreren Platten kann zusätzlich zwischen einer parallelen und einer seriellen Durchströmung unterscheiden werden. Bei gleicher Wärmeleistung der Systeme wird bei einer seriellen Durchströmung die raumzugewandte Platte zuerst durchströmt, was zu höheren Oberflächentemperaturen führt. Die zweite Platte ist an den Rücklauf der ersten Platte angeschlossen. Plattenheizkörper können üblicherweise mit Heizmitteln bis maximal 120 °C und 10 bar Betriebsüberdruck betrieben werden. Für den Betrieb mit Dampf geben die Hersteller in der Regel keine Gewährleistung.

1)

Ergänzungen und Überarbeitungen für die 78. Auflage durch Prof. Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig, und Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Braunschweig.

2.2.2 Wärmeübergabe

789

Vor- und Nachteile Plattenheizkörper benötigen einen sehr geringen Einbauraum, weisen einen geringen Wasserinhalt und damit ein schnelles Ansprechverhalten auf und entsprechen in Form und Aussehen hohen Ansprüchen. Sie ergeben je laufenden Meter eine sehr große Heizleistung und sind damit bezogen auf die Heizleistung preiswerte und heute am meisten eingesetzte und zu empfehlende Heizkörper. Die Ausführung mit Konvektorblechen muss gereinigt werden, da Staubablagerungen zu erwarten sind. Typbezeichnung Plattenheizkörper werden ein- oder mehrreihig hergestellt. Je nach Anzahl der hintereinander geschalteten Platten sowie je nach zusätzlicher Ausstattung mit Konvektorblechen ergibt sich eine Typbezeichnung. Für die Anzahl der Platten steht die erste Ziffer einer Zahl bzw. alternativ ein „P“. Für die Anzahl der Konvektorbleche die zweite Ziffer bzw. ein „K“. Siehe Bild 2.2.2-3.

2

Bild 2.2.2-3. Typbezeichnung und Maße für Flachheizkörper; erste Ziffer oder „P“: Zahl der Platten; zweite Ziffer oder „K“: Zahl der Konvektorbleche, N - Nabenabstand, H - Bauhöhe, L - Baulänge, T Bautiefe.

Heizkörperleistung Eine Zusammenstellung von Normwärmeleistungen (75/65/20°C) glatter und vertikal profilierter Plattenheizkörper zeigen Tafel 2.2.2-1 und Tafel 2.2.2-2. Die Angaben erfolgen je laufenden Meter Heizfläche (W/m). Die Umrechnung der Wärmeabgabe auf andere Temperaturen erfolgt anhand der Gleichungen aus Abschnitt 2.2.2-1.5.

790

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.2-1 Höhe H in mm

350

500

600

900

Normwärmeleistungen für vertikal profilierte Flachheizkörper

Nabenabstand N in mm

300

450

550

850

Typ

Bautiefe T in mm

Heizkörperexponent n

Normwärmeleistung (75/65/20 °C) in W/m

Wasser inhalt in l/m

Masse in kg/m

10

65

1,25

436

2,7

11,6

11

65

1,25

605

2,7

14,1

21

100

1,27

915

5,4

20,1

22

100

1,28

1102

5,4

23,1

33

155

1,30

1566

8,1

34,2

10

65

1,25

586

3,5

15,2

11

65

1,27

808

3,5

19,0

21

100

1,30

1212

7,0

28,5

22

100

1,29

1461

7,0

32,7

33

155

1,31

2124

10,5

48,7

10

65

1,27

683

4,0

17,4

11

65

1,28

943

4,0

22,1

21

100

1,30

1406

8,1

33,8

22

100

1,30

1694

8,1

39,0

33

155

1,31

2461

12,1

58,1

10

65

1,29

978

5,6

24,3

11

65

1,30

1345

5,6

31,5

21

100

1,30

1961

11,3

49,9

22

100

1,32

2355

11,3

57,8

33

155

1,32

3315

16,9

86,2

Baulängen L = 400 ... 3000 mm

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-2 Höhe H in mm

350

500

600

900

791

Normwärmeleistungen für glattwandig profilierte Flachheizkörper

Nabenabstand N in mm

300

450

550

850

Typ

Bautiefe T in mm

Heizkörperexponent n

Normwärmeleistung (75/65/20°C) in W/m

Wasser inhalt in l/m

Masse in kg/m

10

65

1,25

368

1,4

12,2

11

65

1,26

531

1,4

14,5

21

100

1,29

823

4,1

20,4

22

100

1,28

1018

4,1

22,8

33

155

1,29

1488

6,8

33,4

10

65

1,26

500

1,8

17,2

11

65

1,28

738

1,8

21,0

21

100

1,29

1124

5,3

29,4

22

100

1,29

1432

5,3

33,2

33

155

1,30

1981

8,8

48,8

10

65

1,26

588

2,0

20,3

11

65

1,29

869

2,0

25,0

21

100

1,29

1318

6,1

35,1

22

100

1,29

1683

6,1

39,8

33

155

1,30

2303

10,1

58,4

10

65

1,28

847

2,8

29,7

11

65

1,30

1199

2,8

37,9

21

100

1,33

1843

8,4

52,9

22

100

1,32

2269

8,4

60,1

33

155

1,33

3232

14,1

87,8

Baulängen L = 400 ... 3000 mm

2

792

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.2-2.2

Guss- und Stahlradiatoren (Gliederheizkörper)

Radiatoren – in vielen Fällen sogenannte Normradiatoren – bestehen aus einzelnen Gliedern gleicher Größe, die aneinandergereiht Heizflächen beliebiger Größe ergeben (daher Gliederheizkörper). Die Verbindung der einzelnen Glieder eines Gussradiators erfolgt durch Nippel mit Rechts- und Linksgewinde. Sie sind heute überwiegend im Anlagenbestand zu finden. Arten und Materialien Die ersten Radiatoren bestanden aus Gusseisen (Bild 2.2.2-4). Sie können mit Wasser und Dampf betrieben werden. Heute sind Stahlradiatoren typisch (Bild 2.2.2-5). Diese sind leichter, billiger, bruchsicher, aber weniger korrosionsfest als Gussradiatoren. Stahlradiatoren werden in der Regel nur mit Heizwasser betrieben (kein Dampf).

Bild 2.2.2-4. Gussradiator.

Bild 2.2.2-5. Stahlradiator.

Außer den genormten Radiatoren gibt es auch noch eine Anzahl von Sonderbauarten aus Guss und Stahl mit anderen Abmessungen. Insbesondere werden Radiatoren mit geringerer Bautiefe als nach DIN- bzw. EN-Normen hergestellt, so genannte Schmalsäuler mit etwa 60…70 mm Bautiefe. Aluminium-Gliederheizkörper sowie Kunststoffradiatoren sind recht teuer und finden seltener Verwendung. Maße und Leistung Die Abmessungen und Leistungen der Guss- und Stahlradiatoren sind in DIN 4703-11) genormt. Eine Zusammenstellung der Normheizkörperleistungen (75/65/20 °C) liefern Tafel 2.2.2-3 und Tafel 2.2.2-4.

1)

DIN 4703-1 „Raumheizkörper – Teil 1: Maße von Gliedheizkörpern“, 12-1999.

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-3

793

Normwärmeleistungen für Gussradiatoren

Höhe H in mm

Nabenabstand N in mm

Tiefe T in mm

280

200

430

350

580

500

Normwärmeleistung in W/Glied

Wasserinhalt in l/Glied

Masse in kg/Glied

Wasser (75/65/20 °C)

Sattdampf (100 °C)

250

69

128

0,9

4,7

70

41

76

0,4

2,3

110

53

97

0,6

3,2

160

70

129

0,8

4,3

220

92

169

1,1

5,9

70

51

95

0,5

3,1

110

69

128

0,8

4,5

160

95

175

1,1

5,9

220

122

224

1,3

7,5

680

600

160

111

204

1,2

7,0

980

900

70

84

154

0,8

5,2

160

154

284

1,5

9,9

220

196

361

1,9

13,0

Heizkörperexponent n = 1,3 Tafel 2.2.2-4

Normwärmeleistungen für Stahlradiatoren

Höhe H in mm

Nabenabstand N in mm

Tiefe T in mm

Normwärmeleistung (75/65/20 °C) in W/Glied

Wasserinhalt in l/Glied

Masse in kg/Glied

300

200

160

38

0,8

1,0

250

58

1,0

1,5

110

42

0,8

1,1

160

56

1,0

1,5

220

75

1,2

2,0

110

55

0,9

1,4

160

75

1,2

2,0

220

96

1,6

2,7

110

92

1,2

2,3

160

118

1,7

3,3

220

154

2,4

4,5

450

600

1000

350

500

900

Heizkörperexponent n = 1,3

2

794

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Gussradiatoren können je nach Ausführung mit Wasser bis maximal 120 °C und 6 bar Betriebsüberdruck betrieben werden (Druckstufe PN 6). Kommt Dampf zum Einsatz, gelten in der Regel als maximale Betriebstemperatur 133 °C und als maximaler Betriebsüberdruck 2 bar (Druckstufe PN 2). Stahlradiatoren der Druckstufe PN 4 können mit Wasser bis maximal 110 °C und 4 bar Betriebsüberdruck betrieben werden. Für die Druckstufe PN 6 gelten als maximale Betriebszustände 120 °C und 6 bar. Verkleidungen der Radiatoren sind nach Möglichkeit zu vermeiden oder zumindest leicht abnehmbar einzurichten. Sie sind mit genügend großen Öffnungen an der Vorderund Oberseite zu versehen, um die Luftströmung so wenig wie möglich zu behindern. Die Verminderung der Wärmeabgabe beträgt dabei je nach Art der Verkleidung 3…7 %, bei unsachgemäßer Ausführung auch mehr, so dass die Heizkörper entsprechend größer auszuführen sind.

2.2.2-2.3

Rohrradiatoren

Neben den unten genannten üblichen Ausführungen gibt es weitere Sonderbauformen der Rohrradiatoren, beispielsweise in einreihiger Ausführung als Raumteiler sowie für andere dekorative Zwecke (Eingangshallen usw.). Heizleistungen erfordern in diesem Fall Einzelberechnungen bzw. sind beim Hersteller zu erfragen. 2.2.2-2.3.1

Stahlrohrradiatoren

Stahlrohrradiatoren sind Gliederheizkörper, wobei die einzelnen Glieder im Wesentlichen aus senkrecht angeordneten, oben und unten mit einem Sammler verschweißten Rohren bestehen. Maße und Wärmeleistungswerte der üblichen Stahlrohrradiatoren sind genormt. Stahlrohrradiatoren gibt es in mehreren Bauhöhen und Bautiefen (2- bis 6-säulige Ausführung), siehe Bild 2.2.2-6.

Bild 2.2.2-6. Stahlrohrradiator.

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-5

795

Normwärmeleistungen für Stahlrohrradiatoren

Höhe H in mm

Nabenabstand N in mm

190

120

260

190

300

230

400

330

500

430

600

530

750

680

900

830

Tiefe T in mm

Rohre bzw. Säulen

Normwärmeleistung (75/65/20 °C) in W/Glied

Wasserinhalt in l/Glied

Masse in kg/Glied

65 105 145 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225

2 3 4 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6

14 20 26 19 26 33 42 47 22 31 40 48 57 28 41 52 64 75 37 51 65 80 94 44 60 77 95 113 55 75 95 117 137 67 89 112 138 163

0,28 0,40 0,52 0,34 0,48 0,63 0,78 0,93 0,37 0,53 0,69 0,86 1,02 0,45 0,65 0,85 1,06 1,26 0,53 0,77 1,01 1,26 1,50 0,61 0,89 1,17 1,45 1,74 0,73 1,07 1,41 1,75 2,10 0,84 1,25 1,65 2,05 2,45

0,32 0,52 0,71 0,42 0,67 0,91 1,16 1,40 0,48 0,75 1,03 1,30 1,57 0,62 0,97 1,31 1,66 2,00 0,76 1,18 1,60 2,01 2,43 0,91 1,39 1,88 2,37 2,86 1,12 1,71 2,31 2,90 3,50 1,33 2,03 2,73 3,44 4,14

2

796

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.2-5 Höhe H in mm

Normwärmeleistungen für Stahlrohrradiatoren (Forts.)

Nabenabstand N in mm

1000

930

1200

1130

1500

1430

2000

1930

2500

2430

Tiefe T in mm

Rohre bzw. Säulen

Normwärmeleistung (75/65/20 °C) in W/Glied

Wasserinhalt in l/Glied

Masse in kg/Glied

65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225 65 105 145 185 225

2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6

73 98 124 151 180 86 116 147 179 209 106 143 180 215 250 140 189 237 282 330 174 236 295 347 403

0,92 1,37 1,81 2,25 2,69 1,08 1,60 2,13 2,65 3,17 1,32 1,96 2,60 3,24 3,88 1,72 2,56 3,40 4,24 5,08 2,12 3,16 4,19 5,23 6,27

1,47 2,25 3,02 3,79 4,56 1,76 2,67 3,59 4,50 5,42 2,19 3,31 4,44 5,57 6,70 2,90 4,38 5,87 7,35 8,84 3,61 5,45 7,29 9,13 10,97

Baulänge eines Gliedes beträgt 46 mm; Rohrdurchmesser 25 mm; Heizkörperexponent n = 1,3 Stahlrohrradiatoren der Druckstufe PN 12 werden mit Wasser bis maximal 120 °C und 12 bar Betriebsüberdruck betrieben. Für die Druckstufe PN 10 gelten als maximale Betriebszustände 120°C und 10 bar. 2.2.2-2.3.2

Fensterbankradiatoren

Eine modifizierte Ausführung des Stahlrohrradiators ist der Fensterbankradiator mit liegend angeordneten Rohrreihen, siehe Bild 2.2.2-7. Normheizkörperleistungen eines Herstellers zeigt Tafel 2.2.2-6.

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-6 Höhe H in mm

180

225

270

315

797

Normwärmeleistungen für Fensterbankradiatoren

Gliederzahl

4

5

6

7

Länge L in mm

Nebenabstand N in mm

1500

1430

2000

1930

2500

2430

1500

1430

2000

1930

2500

2430

1500

1430

2000

1930

2500

2430

1500

1430

2000

1930

2500

2430

Heizkörperexponent n = 1,3

Tiefe T in mm

Wärmeleistung (75/65/20 °C) W

Wasserinhalt in l

Mas se in kg

145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225 145 185 225

905 1088 1284 1220 1466 1731 1556 1871 2209 1086 1306 1528 1435 1724 2060 1868 2247 2627 1306 1516 1783 1711 2043 2403 2183 2608 3066 1465 1758 2049 1975 2371 2763 2520 3024 3524

10,4 13,0 15,5 13,6 17,0 20,3 16,8 20,9 25,1 13,0 16,2 19,4 17,0 21,2 25,4 21,0 26,2 31,4 15,6 19,5 23,3 20,4 25,4 30,5 25,2 31,4 37,6 18,2 22,7 27,2 23,8 29,7 35,5 29,4 36,6 43,9

22,8 27,3 31,8 28,4 34,4 40,3 35,8 43,2 50,5 27,2 32,8 38,5 34,3 41,7 49,2 43,1 52,3 61,5 31,6 38,4 45,2 40,2 49,1 58,0 50,4 61,4 72,5 36,1 44,0 51,9 46,1 56,4 66,8 57,7 70,6 83,4

2

798

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.2-7. Fensterbankradiator.

Fensterbankradiatoren werden mit Wasser bis maximal 120 °C und 10 bar Betriebsüberdruck betrieben (Druckstufe PN 10). 2.2.2-2.3.3

Handtuchradiatoren

Handtuchradiatoren sind eine weitere Sonderbauform der Rohrradiatoren (Bild 2.2.2-8). Sie dienen sowohl der Beheizung des Bades als auch dem Trocknen nasser Handtücher.

Bild 2.2.2-8. Handtuchradiator.

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-7 Höhe H in mm

721

1098

1475

1852

799

Normwärmeleistungen für Handtuchradiatoren

Nabenabstand N in mm

Breite L in mm

Heizkörperexponent n

Wärmeleistung (75/65/20 °C) W

Wasserinhalt V in l

Masse in kg

451 551 701 951 451 551 701 951 451 551 701 951 451 551 701 951

516 616 766 1016 516 616 766 1016 516 616 766 1016 516 616 766 1016

1,22 1,21 1,19 1,17 1,24 1,22 1,19 1,15 1,25 1,24 1,21 1,18 1,26 1,25 1,23 1,21

406 482 595 781 588 698 862 1133 764 906 1119 1470 934 1108 1368 1798

2,70 2,88 3,15 3,60 4,00 4,46 5,15 6,30 5,40 5,86 6,55 7,70 6,80 7,26 7,95 9,10

7,90 9,08 10,85 13,80 12,20 13,92 16,50 20,80 15,75 18,08 21,53 27,30 19,30 22,20 26,55 33,80

Es ist zu beachten, dass bei Handtuchradiatoren mit zum Trocknen aufgehängten Handtüchern mit erheblichen Leistungsminderungen zu rechnen ist. Besonders deutlich ist dies bei trockenen Handtüchern mit einem Überdeckungsgrad von über 50 % des Heizkörpers. Bei einer mittleren Heizkörpertemperatur um 40 °C ist beispielsweise mit Leistungsverlusten von 10 % (halbe Bedeckung mit einem nassen Handtuch) bis 40 % (volle Überdeckung mit einem trockenen Handtuch) zu rechnen. Handtuchradiatoren werden standardmäßig mit Wasser bis maximal 110 °C und 10 bar Betriebsüberdruck betrieben (Druckstufe PN 10). 2.2.2-2.3.4

Hochdruckradiatoren

Die früher häufiger in Hochdruckanlagen für Hochhäuser (Untergeschosse) und Fernheizungen verwendeten Röhrenradiatoren bestehen aus nahtlosen senkrecht angeordneten runden oder profilierten Rohren, die oben und unten in je ein gemeinsames Sammelrohr eingeschweißt sind (Bild 2.2.2-9).

Bild 2.2.2-9. Hochdruckradiator.

Die senkrechten Rohre sind entweder glatt oder es sind zur Vergrößerung der Heizfläche Stahlbleche elektrisch angeschweißt, die verschiedene Formen aufweisen können. In der

2

800

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

einfachsten Form sind es nur gerade Rippen an beiden Seiten der Rohre, meist jedoch sind die Flächen in Form von Flügeln oder Hufeisen ausgebildet. Durch diese Ummantelung entsteht ähnlich wie bei den Konvektoren eine Kaminwirkung, welche die Wärmeabgabe vergrößert. Außerdem wird ein Berührungsschutz vor den heizmittelführenden Rohren erreicht. Bei einsäuliger Ausführung beträgt die Bautiefe nur etwa 3 cm bei einem Betriebsdruck bis 22 bar. Oben erhalten die Heizkörper zwecks besseren Aussehens eine durchlochte Deckhaube, unten evtl. eine Deckleiste. Verwendung in Hochdruck-Heißwasser- oder Dampfheizungen bei Drücken bis 16 bar Überdruck und darüber sowie früher in Hochhäusern, wenn gusseiserne Radiatoren nicht mehr verwendet werden können.

2.2.2-2.4

Rohr- und Rippenrohrheizkörper

Glatte oder berippte Rohrheizkörper sind aus Gusseisen (früher) oder Stahl (heute) ausgeführt. Sie sind die einfachste Form der Heizfläche (Bild 2.2.2-10). Rippenrohre geben dabei auf kleinerem Raum eine größere Wärmemenge ab als glatte Rohre. Nachteilig ist gegenüber den glatten Rohren die aufwändigere Reinigung. Man unterscheidet folgende Bauarten: 1. Bandrippenrohre, bei denen die Rippen auf das Rohr schraubenförmig aufgewickelt sind (mit Wellung und ohne Wellung), 2. Scheibenrippenrohre, bei denen auf dem Rohr einzelne Scheiben befestigt sind. Hierzu gehören auch die gusseisernen Rippenrohre. Wärmeleistungen sollten beim Hersteller erfragt werden, typische Werte für glatte Rohre gibt Tafel 2.2.2-8 wieder, für berippte Stahlrohre Tafel 2.2.2-9.

Bild 2.2.2-10. Rohrheizkörper; glatt (links), berippt (rechts).

Tafel 2.2.2-8

Wärmeleistungen für glatte Rohre Gewinderohre nach DIN 2440

Nennweite DN Außendurchmesser in mm

Stahlrohre nach DIN 2448/49

15

20

25

32

40

50

65

80

21,3

26,9

33,7

42,4

48,3

60,3

76,1

88,9

241

271

mittlere Rohrübertemperatur in K

Wärmeleistung in W/m

80

87

103

124

150

170

207

70

72

85

102

124

141

170

201

225

60

58

68

82

100

114

137

160

180

50 (ca. EN 442)

44

53

54

78

88

106

124

139

40

33

38

46

57

64

77

91

102

2.2.2 Wärmeübergabe

Tafel 2.2.2-9 Nennweite DN

801

Normwärmeleistungen für Stahlrippenrohre Rippenhöhe h in mm

32

25

30

50

30

35

65

35

40

Rippenabstand a in mm

Wärmeleistung (75/65/20 °C) in W/m

10

513

12

482

14

461

10

598

12

564

14

543

10

682

12

635

14

607

10

776

12

725

14

693

10

880

12

824

14

784

10

988

12

925

14

877

Heizkörperexponent n = 1,25; Wärmeleistungen gelten für gewellte Stahlrippen, bei glatten Stahlrippen etwa 3...4 % geringere Leistung

2.2.2-2.5

Konvektoren

Konvektoren geben ihre Wärme zum größten Teil durch Konvektion ab. Die Regelung der Leistung erfolgt luftseitig durch Änderung des Luftvolumenstroms (Regulierklappen, Bild 2.2.2-11) oder wasserseitig durch Massenstromveränderung (Thermostatventile). Konstruktion und Funktion Es gibt diverse Ausführungsformen der Konvektoren, ein Prinzipbeispiel zeigt Bild 2.2.2-12. Hauptbestandteil des Konvektors sind wasserführende Rohre und Lamellen. Die Rohre können rund, oval oder anders profiliert sein. Die Lamellen sind aufgepresst (Aluminium auf Kupferrohr) oder aufgeschweißt (Stahlblech auf Stahlrohr). Es gibt einoder mehrrohrige Ausführungen. Der Konvektor selbst befindet sich in einem Gehäuse, einer Mauernische, in Bodenkanälen o. ä. Die kalte Luft tritt unten in den Heizkörper ein, erwärmt sich an den Heizflächen und tritt nach oben oder vorn wieder aus (Bild 2.2.2-13).

2

802

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.2-11. Konvektor mit Regulierklappe.

Bild 2.2.2-12. Prinzipskizze eines 2-rohrigen Konvektors.

Bild 2.2.2-13. Konvektor mit abnehmbarer Verkleidung.

Vor- und Nachteile Konvektoren zeichnen sich durch geringes Gewicht (Heizflächenkosten), geringe Trägheit und wegen der kleinen Abmessungen durch diverse Einbaumöglichkeiten aus. Wegen der hohen Luftbewegung kommt es leicht zu Staubablagerungen, wegen der teilweise stark verbauten Lage ergeben sich oft schlechte Reinigungsmöglichkeiten. Heizleistung Es gibt keine genormten Abmessungen für Konvektoren, daher sind auch Heizleistungen beim Hersteller zu erfragen. Für das in Bild 2.2.2-14 dargestellte Konstruktionsprinzip eines Herstellers sind Leistungswerte (75/65/20 °C) in Tafel 2.2.2-10 angegeben. Die Baulänge versteht sich einschließlich der Heizmittelein- und -austrittskammern.

2.2.2 Wärmeübergabe

803

Bild 2.2.2-14. Konvektormaße.

Tafel 2.2.2-10 Normwärmeleistungen für Standardkonvektoren. Höhe H in mm

Tiefe T in mm

Rohrreihen

280 210 140

73

2

Heizkörperexponent n

Wärmeleistung (75/65/20 °C) W

Wasserinhalt V in l/m

Masse in kg/m

1,33

857

4,8

23,0

1,30

696

3,6

17,4

1,27

528

2,4

11,5

70

1,24

356

1,2

5,7

280

1,36

1420

7,6

38,3

1,35

1195

5,7

28,7

210 140

134

3

1,32

914

3,8

10,1

70

1,20

589

1,9

9,5

280

1,39

1990

10,4

53,9

1,37

1686

7,8

40,4

210 140

196

4

1,32

1284

5,2

26,9

70

1,18

800

2,7

13,3

280

1,41

2574

13,0

69,4

1,38

2145

9,8

51,9

1,32

1613

6,5

34,5

1,17

972

3,3

17,1

210 140 70

257

5

Minderleistung bei Anordnung in Bodenkanälen ohne Abdeckung etwa 20 %, mit Gitterabdeckung etwa 35 %.

Generell gilt für alle Konvektoren, dass die Heizleistung mit steigender Luftgeschwindigkeit ansteigt. Dies kann beispielsweise durch eine größere Kaminhöhe (Abstand Oberkante Heizkörper bis Unterkante Luftaustrittsöffnung) erreicht werden. Da die Maße für Schachthöhe und Luftdurchlasshöhe die Heizleistung erheblich beeinflussen, müssen hier die Herstellerangaben sorgfältig beachtet werden. Die Verkleidung der Heizkörper kann aus beliebigem Material hergestellt werden, z. B. Blech, Eternit, Holz, Hartfaserplatten usw. Die Verkleidung muss seitlich dicht am Konvektor anliegen, damit die Luft nicht am Heizkörper im Kurzschluss vorbei streicht. Für

2

804

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Wirtschaftlichkeitsvergleiche verschiedener Heizflächenausführungen sind unbedingt die Kosten für die Verkleidung zu berücksichtigen. Die Heizleistung der Konvektoren hängt sehr stark von der Übertemperatur ab (hohe Heizkörperexponenten um 1,3 … 1,4). Dies hat einen negativen Einfluss auf das Wärmeabgabeverhalten im Teillastfall. Die Temperatur kann nicht beliebig herabgesetzt werden – dies ist bei Modernisierungen zu beachten. Eine Minderung der Leistung nach der (baulichen) Modernisierung kann erreicht werden, indem einzelne Konvektoren komplett stillgelegt werden und die verbleibenden weiterhin mit hoher Temperatur betrieben werden. Alternativ wird die Temperatur weit herab gesetzt und eine Zwangsdurchströmung per Gebläse vorgesehen. Einbaumöglichkeiten von Konvektoren Bild 2.2.2-15 zeigt verschiedene Einbaumöglichkeiten von Konvektoren.

a) b) c) d) e)

Konvektor unter Fenster, Konvektor vor Wand, Konvektor freistehend, Konvektor in Wand eingebaut, Konvektor in Wand eingebaut,

f) g) h) i)

Unterflurkonvektor mit Raumluftansaugung, Unterflurkonvektor mit Kaltluftansaugung, Unterflurkonvektor mit beidseitiger Ansaugung, Konvektor hinter Bank

Bild 2.2.2-15. Verschiedene Einbaumöglichkeiten von Konvektoren.

Infolge der geringen Abmessungen der Konvektoren sind auch viele andere Anordnungen möglich, z. B. unter Sitzbänken, Verkaufsregalen, Tischen usw. Bei den Unterflurkonvektoren (sehr geringe Bauhöhe) ist die Leistung wesentlich geringer. Eine Erhöhung ist durch Einsatz eines Ventilators möglich. Eine Vergrößerung der Leistung der Konvektoren erhält man auch durch Verbindung mit einer Primärluftzuführung. Die zentral gegebenenfalls vorgewärmte und gefilterte Luft tritt unterhalb des Konvektors in einen Sammelkasten und strömt durch Düsen nach oben durch den Konvektor, wobei seitlich Sekundärluft angesaugt wird. Gebläsekonvektoren Gebläsekonvektoren sind eine Weiterentwicklung der normalen Konvektoren. An Stelle der natürlichen Luftzufuhr (durch Kaminwirkung) ist ein Ventilator installiert, der die Luft zwangsweise über den Wärmeübertrager bläst oder saugt (Bild 2.2.2-16). Die Leistung kann dann das 1,5…2,5-Fache betragen (bei sonst gleicher Konstruktion). Der Ge-

2.2.2 Wärmeübergabe

805

bläsekonvektor kann einen zusätzlichen Filter zur Luftreinigung erhalten oder direkt an Außenluft angeschlossen werden. Diese Bauart wird heute auch häufig zu dezentralen Einzelgeräten für die Wohnungslüftung mit und ohne Wärmerückgewinnung erweitert. Vorteile der Gebläsekonvektoren sind die große Heizleistung und das schnelle Anheizen. Nachteilig sind die höheren Kosten (Investition und Betrieb) sowie die Ventilatorgeräusche.

2 Bild 2.2.2-16. Gebläsekonvektoren.

2.2.2-2.6 2.2.2-2.6.1

Weitere freie Heizflächen Sockelheizkörper (Heizleisten)

Sockelheizkörper (auch Fußleisten-Heizkörper oder Heizleisten genannt) sind lang gestreckte, schmale und niedrige Heizkörper, die an den Wänden der Räume wie Fußleisten angebracht werden (Bild 2.2.2-17). Die Sockelheizkörper sind besonders für EinrohrPumpenheizungen geeignet. Vorteilhaft sind der geringe Platzverbrauch, der geringe Preis, die gute Wärmeverteilung sowie die leichte Installation. Es ergibt sich allerdings ein erhöhter Reinigungsaufwand sowie häufig Knackgeräusche bei wechselnder Heizwassertemperatur (morgendliches Aufheizen).

Bild 2.2.2-17. Sockelheizkörper.

Sockelheizkörper können aus diversen Materialien (Stahl, Gusseisen, Kupfer, Leichtmetall) gefertigt werden. Die Wärmeabgabe erfolgt überwiegend konvektiv, weshalb die

806

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Heizwassertemperatur für eine einwandfreie Funktion entsprechend hoch sein muss. Die Leistungsregelung erfolgt durch Luftklappen, wobei die angebotene Maximalleistung nur bis etwa 30 % heruntergeregelt werden kann. Der Einsatz im Neubau bzw. gut gedämmten Objekt ist nicht zu empfehlen. Die Höhe der Heizkörper beträgt etwa 100 bis 350 mm, die Tiefe 40 bis 150 mm. Überschlagswerte für die Wärmeabgabe einfacher Sockelheizkörper bei 80 °C mittlerer Wassertemperatur liegen zwischen 450…800 W/m. 2.2.2-2.6.2

Fassadenheizung (Fensterrahmenheizelement)

Gelegentlich werden im Rahmen von Fenstern oder Fassadenelementen Heizrohre untergebracht oder es wird der Rahmen teilweise von Wasser durchflossen (Gärtner-Fassade). Diese Art der Heizkörper soll die kalte Strahlung der Fensterscheibe und gegebenenfalls auftretende kalte Fallströmungen kompensieren (Behaglichkeit). Da bei modernen Wärmeschutzgläsern mit U = 0,6…1,5 W/(m2 K) die inneren Oberflächentemperaturen nicht mehr so niedrig sind, ist die Bedeutung der Heizfläche am Fenster rückläufig. Eine gute Wärmedämmung nach außen ist wichtig. Im Kühlfall ist je nach Raumfeuchte Schwitzwasserbildung zu beachten.

2.2.2-3

Bauteilintegrierte Heizflächen

Bauteilintegrierte Heizflächen (Flächenheizungen) geben die Wärme über die Umschließungsflächen eines Raumes ab. Die Heizrohre sind dazu in der Deckenkonstruktion, im Fußboden oder in den Wänden angebracht. Dementsprechend wird zwischen • Deckenheizung • Fußbodenheizung und • Wandheizung unterschieden. Sie können als alleinige Heizflächen, in Kombination miteinander oder zusammen mit freien Heizflächen (z. B. Bad mit Fußbodenheizung und Handtuchradiator) eingesetzt werden. Flächenheizungen geben den weitaus größten Teil der Wärme durch Wärmestrahlung an den Raum ab und nur zu einem geringen Teil durch Konvektion, weshalb sie auch als Strahlungsheizung bezeichnet werden. Im Unterschied zu Heizkörpern, die ihre Wärme überwiegend durch Konvektion abgeben, verursachen Flächenheizungen deshalb kaum Luftbewegungen, die als Zugluft empfunden werden könnten.

2.2.2-3.1

Deckenheizung

Der größte Teil (über 70 %) der Wärme wird von der Decke durch Strahlung abgegeben, daher auch der Name Strahlungsheizung. Die von der beheizten Decke ausgehenden Wärmestrahlen treffen auf die übrigen Raumflächen, die dadurch erwärmt werden und ihrerseits wieder Wärme teils durch Strahlung, teils durch Konvektion abgeben. Unterscheidungen Man unterscheidet bei der Deckenheizung folgende Ausführungen: die Rohrdeckenheizung, die Lamellenrohrdeckenheizung. die Strahlplattenheizung, die Hohlraumdeckenheizung sowie direkt beheizte Hell- und Dunkelstrahler (Sonderform). In steigendem Umfang werden Systeme für die kombinierte Heizung/Kühlung eingesetzt. Werden Deckenheizungen als Deckenstrahlplatten ausgeführt und mit Wasser als Wärmequelle betrieben, sind wegen der geringeren Temperatur größere Heizflächen als bei direkt beheizten Hell- und Dunkelstrahlern notwendig. Anwendung Typische Einsatzgebiete von Strahlungsheizungen sind Industriehallen, Sportbauten und Werkstätten. Sinnvoll ist die Deckenheizung in hohen Hallen, um die dort auftretende Temperaturschichtung zu mindern. Im Wohnbereich, in Büros oder anderen Räumen mit geringer Raumhöhe ist der Einbau von Deckenheizungen mit besonderer Sorgfalt vorzunehmen, da permanent hohe Strahlung von oben zu Behaglichkeitseinschränkungen führen kann.

2.2.2 Wärmeübergabe

2.2.2-3.1.1

807

Rohrdeckenheizung

Bei der Rohrdeckenheizung werden nahtlose Rohre in der Decke (im Beton oder im Deckenputz, s. Bild 2.2.2-18) verlegt. Die ältere Art der Verlegung der Rohre in der Betondecke (Vollbetondecken, Decken mit unterem Tragbeton) wird auch Crittall-Decke genannt. Bei anderen Deckenkonstruktionen, z. B. Hohlsteindecken, wird eine besondere, etwa 6 bis 7 cm starke Betonheizdecke aufgehängt, in der die Heizrohre liegen. Auf dieser Heizdecke liegt dann die eigentliche Tragdecke. In jedem Fall muss die Verlegung der Heizrohre gleichzeitig mit der Deckenherstellung erfolgen.

2 Bild 2.2.2-18. Rohr-Deckenheizungen mit Heizrohren in Beton. a) Heizrohre im Beton der Tragdecke b) Heizrohre in einer besonderen Betonheizdecke unterhalb der Hohlstein-Tragdecke

Bild 2.2.2-19. Rohr-Deckenheizung mit Heizrohren im Deckenputz.

2.2.2-3.1.2

Lamellendeckenheizung

Die Lamellendeckenheizungen sind aus den Rohrdeckenheizungen entwickelt worden, um die Trägheit der Heizung zu vermindern und eine schnellere Anpassung an die aktuelle Heizlast zu erreichen. An den Heizrohren sind zusätzlich Lamellen (meist Aluminiumblech) befestigt, welche die Wärmeableitung aus den Rohren erhöhen (Bild 2.2.2-20). Die spezielle Ausführung (vor allem der Heizflächen an der Decke) der Lamellenheizung ist je nach Hersteller verschieden. Unterhalb der Heizflächen können flächige Gipsputze aufgebracht werden oder einzelne Platten (über die gesamte Deckenfläche).

Bild 2.2.2-20. Lamellen-Deckenheizung.

808

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.2-3.1.3

Deckenstrahlplatten

Die Strahlplattenheizung verwendet Heizplatten, die mit der Decke keinerlei direkte Verbindung mehr haben (not embedded systems), sondern frei im Raum aufgehängt sind (Bild 2.2.2-21). Die Platten selbst bestehen meist aus Stahlblechen, an denen die Rohre mit Schellen befestigt oder angeschweißt sind. Die Platten werden entweder als lang gestrecktes Band (Bandstrahler) oder in einzelnen Stücken an der Decke angeordnet. Die Oberseite ist wärmegedämmt. Die Strahlplattenheizung wird mit Heizwassertemperaturen zwischen 30 °C und 90 °C betrieben.

Bild 2.2.2-21. Bandstrahlplatte mit drei Heizrohren.

Wärmeleistungen für unterschiedliche Ausführungen sind beim Hersteller zu erfragen. Für ein konkretes Beispiel (nach Bild 2.2.2-22) sind Wärmeleistungen in Tafel 2.2.2-11 zusammengestellt.

Bild 2.2.2-22. Deckenheizung Schema und Maße.

2.2.2 Wärmeübergabe

809

Tafel 2.2.2-11 Wärmeleistung von Deckenstrahlplatten mit eingelegter Wärmedämmung Typ

300/2

450/3

600/4

750/5

900/6

1160/7

1310/8

Breite B in mm

300

450

600

750

900

1160

1310

2

3

4

5

6

7

8

Anzahl der Rohre Übertemperatur in K

Wärmeleistung in W/m

120

512

688

867

1050

1256

1395

1625

112

471

634

799

968

1157

1288

1497

104

431

581

733

888

1059

1182

1371

96

392

529

668

809

963

1077

1296

88

353

477

603

730

868

974

1123

80

315

426

539

653

775

872

1003

72

277

377

477

578

684

771

885

64

241

328

415

503

594

673

769

58

214

292

370

449

529

600

684

50

179

245

311

377

443

505

573

46

162

222

282

342

401

459

519

42

145

199

254

308

360

413

466

38

129

177

226

274

320

368

414

34

113

155

198

240

280

323

362

30

97

134

171

207

241

280

312

Wird die Deckenstrahlplatte nicht parallel zur Fußbodenfläche, sondern in Längsoder Querrichtung schräg angeordnet, ergibt sich je nach Winkel eine erhöhte Wärmeleistung; bei 5° etwa 1 %, bei 20° etwa 4 %, bei 45° etwa 10 %. 2.2.2-3.1.4

Hohlraumdeckenheizung

Bei der Hohlraumdeckenheizung sind die Heizrohre in dem Zwischenraum zwischen Tragdecke und Zwischendecke verlegt. Oberhalb der Heizebene befindet sich eine Wärmedämmung. Als Heizmittel kommen Warmwasser, Heißwasser oder Dampf zum Einsatz. Zwischendecke wird als Putzdecke, Plattendecke oder Metalldecke ausgeführt. Auch Verwendung von Lochdecken, wobei gleichzeitig Lüftung und Schalldämmung möglich sind. Vorteilhaft ist die Möglichkeit nachträglichen Einbaues sowie nachträglicher Änderung von Gebäuden.

2

810

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.2-23. Hohlraumdeckenheizung mit Akustikplatten.

2.2.2-3.1.5

Direkt beheizte Hell- und Dunkelstrahler

Direkt beheizte Hell- und Dunkelstrahler sind in der Regel mit Gas befeuerte Heizeinrichtungen. Sie werden häufig in Werk- und Produktionshallen eingesetzt. Hellstrahler nutzen das heiße Abgas der Verbrennung. Die wärmeabgebenden Teile – meist Keramik- oder Metallplatten – sind sichtbar glühend. Sie benötigen keine Abgasführung und können auch als mobile Geräte (mit Gasflasche) verwendet werden. Bei Dunkelstrahlern strömen Heißluft oder Abgase mit über 300 °C durch unter der Hallendecke angebrachte Rohre. Das Heizmittel wird durch abstrahlende Platten oder Rohre geleitet. Die Abstrahlung erfolgt äußerlich nicht sichtbar. Da sowohl Hell- als auch Dunkelstrahler mit sehr hohen Temperaturen betrieben werden und die Strahlungstemperatur sich in der vierten Potenz vom Abstand zur Strahlungsquelle ändert, ist auf einen genauen Einbauabstand zur bestrahlten Fläche zu achten. Bei zu großer Nähe zur Strahlungsquelle kann es für Personen zu thermischer Unbehaglichkeit kommen. Bei zu großen Entfernungen zur Strahlungsquelle können nur noch geringe Temperaturen erreicht werden. Es ist auf die richtige Installationshöhe nach Angaben der Hersteller zu achten.

2.2.2-3.2

Fußbodenheizungen

Fußbodenheizungen geben ihre Wärme zu etwa zwei Dritteln durch Strahlung und einem Drittel durch Konvektion ab. Sie zählen daher zu den Strahlungsheizungen. Die Fußbodenheizung besteht aus Heizschlangen im Beton, Estrich oder in Hohlräumen des Fußbodens. Vor- und Nachteile Wesentliche Vorteile der Fußbodenheizung sind die möglichen niedrigen Vorlauftemperaturen (Wärmepumpen, Brennwerttechnik und Solarheizung) des Heizsystems sowie die geringe Staubentwicklung im Raum. Es besteht kein Platzbedarf für Raumheizkörper im Aufenthaltsbereich, eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Raum kann erreicht werden. Nachteilig sind bei klassisch im Estrich verlegten Systemen die größere Trägheit der Heizflächen und daher eine schlechtere Regelfähigkeit. Als Alternative zu den klassischen Systemen mit einer Überdeckung des Estrichs von bis zu 60 mm werden in jüngster Vergangenheit Systeme mit geringerer Überdeckung angeboten, die eine etwas bessere Regelfähigkeit aufweisen. Für Flächenheizsysteme ergeben sich meist höhere Investitionskosten im Vergleich zu den freien Heizflächen, eine nachträgliche Änderung des Heizsystems ist nur sehr schwer möglich (Eingriff in den Baukörper). Dichte Rohrverbindungen innerhalb des Fußbodenaufbaus sind unabdingbar.

2.2.2 Wärmeübergabe

Systeme Man unterscheidet Fußbodenheizsysteme in Nass- und Trocken-Systeme. Bei den NassSystemen liegen die Heizungsrohre oberhalb der Dämmschicht im Estrich, welcher flüssig eingebracht werden muss. Die Heizrohre werden auf Trägermatten oder direkt auf der Wärmedämmung mit Klipsen befestigt oder zwischen Haltenoppen auf Systemplatten. Der Estrich (Heizestrich) mit metallhaltigen Zusatzstoffen zur Erhöhung der Wärmeleitung verteilt die Wärme sehr gleichmäßig, es können zusätzlich Wärmeverteilbleche unterhalb der Rohre eingebracht werden. Beim Trocken-System werden die Rohre in Schaumplatten verlegt und mit Trockenplatten oder Folien abgedeckt. Trockensysteme haben geringere Aufbauhöhen und eignen sich daher besser für die Nachrüstung von Fußbodenheizungen in bestehenden Gebäuden sowie in Gebäuden mit stark veränderlichen Betriebsbedingungen (Turnhallen o. ä.) wegen der geringeren Trägheit. Beide Systeme sind in Bild 2.2.2-24 dargestellt. Vorzusehen sind Randdämmstreifen von mindestens 1 cm Dicke zur Aufnahme der Wärmeausdehnung und zur Begrenzung der Wärmeverluste an die Wand. Weiterhin sind auch vor Türen und bei Flächen über ca. 30 m2 im Fußboden Bewegungsfugen vorzusehen. Bei sehr großen Bodenflächen verwendet man statt Zementestrich häufig Anhydritestrich (Gipsestrich) als Lastverteilschicht. Es können handelsübliche Bodenbeläge mit Wärmeleitwiderständen des Belags bevorzugt bis 0,1 m2 K/W eingesetzt werden. Diese sind vollflächig ohne Lufteinschlüsse auf den Heizestrich aufzubringen. Zur Vermeidung von Estrichrissen, vor allem bei keramischen Bodenbelägen sollte über den Heizrohren eine belappte Bewehrung eingelegt werden.

Bild 2.2.2-24. Systeme für Fußbodenheizungen. (a) Nasssystem; (b) Trockensystem

Wärmeleistung Die Wärmeleistung von Fußbodenheizungen richtet sich bei vorgegebener Raumtemperatur allein nach der Oberflächentemperatur der Fußbodenoberfläche. Einer bestimmten mittleren Übertemperatur des Fußbodens wird eine Leistung gemäß der Basiskennlinie unabhängig vom speziellen Fußbodenheizsystem zugeordnet (siehe auch Abschnitt 2.6.4-3). q· FBH = 8,92 · (ϑFB,Oberfläche – ϑLuft)1,1 In dieser Gleichung findet sich auch der für Fußbodenheizungen maßgebliche Heizkörperexponent von n = 1,1 wieder. Die Wärmeleistung q· FBH wird auf den Quadratmeter bezogen (in W/m2) bestimmt. Eine Auslegung erfolgt üblicherweise mit Diagrammen der Hersteller bzw. über den Berechnungsgang der DIN EN 1264-3 / ISO 11855-3.1) Die mit einer Fußbodenheizung erreichbaren Temperaturen an der Fußbodenoberfläche (damit die Wärmeleistung) richten sich nach dem verwendeten System (Nass-/Trocken-), der Verlegedichte der Rohre, der mittleren Heizwasserübertemperatur sowie den

811

2

812

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Wärmeleitwiderständen oberhalb und unterhalb der Rohrebene. Es ist darauf zu achten, dass oberhalb der Heizebene deutlich geringerer Wärmewiderstände vorhanden sind als unterhalb. Wenigstens 90–95 % des Wärmeflusses soll nach oben abgegeben werden. Der Wärmeleitwiderstand des Fußbodenbelags sollte daher nicht größer sein als Rλ,B,max = 0,1–0,15 (m2 K)/W. Um den Wärmestrom nach unten im energetisch akzeptablen Bereich zu belassen, wird eine in der DIN EN 1264-41) festgelegte Mindestdämmung eingebracht. Der anteilige Wärmeverlust nach unten gegenüber der Nutzleistung nach oben steigt mit sinkender Heizwassertemperatur. Maximale und minimale Temperaturen und Leistungen Um eine hohe Behaglichkeit zu erreichen, sollen bei Fußbodenheizungen bestimmte maximale Oberflächentemperaturen nicht überschritten werden. Dies sind ϑFB,Oberfläche,max = 29 °C (bzw. ϑi + 9 K), für den Daueraufenthaltsbereich: ϑFB,Oberfläche,max = 35 °C (bzw. ϑi + 15 K), für stärker beheizte Randzonen: für Bäder: ϑFB,Oberfläche,max = 33 °C (bzw. ϑi + 9 K). Aus diesen Randbedingungen lässt sich sehr schnell ableiten, welche maximalen Leistungen eine Fußbodenheizung bei Auslegung decken kann: in Daueraufenthaltsbereichen bzw. Bädern Leistungen bis zu 100 W/m2 und in Randzonen bis zu 175 W/m2. Wegen der starken Abhängigkeit der Leistung von der Temperaturdifferenz zwischen Fußbodenoberfläche und Raumluft ergeben sich untere Einsatzgrenzen in hochwärmegedämmten Gebäuden aufgrund der Güte und Genauigkeit der Vorlauftemperaturregelung. Die Temperaturdifferenz in einem auf Passivhausniveau gedämmten Gebäudes (q· FBH = 10 W/m2) beträgt bei Auslegung nur 1,1 K. Hier dürften – vor allem im Teillastfall – die Grenzen der Regelbarkeit bereits weit überschritten sein. Dies gilt ebenfalls für alle Neubauten nach EnEV, bei denen die Heizlast unter 25 … 30 W/m2 liegt. Eine verbesserte Regelbarkeit ergibt sich durch Reduzierung der effektiven Fußbodenheizfläche bei gleichzeitiger Anhebung der Auslegungsvorlauftemperatur. In einem Niedrigenergiegebäude mit großen Fensterflächenanteilen treten (anteilig) hohe Fremdwärmegewinne auf. Bei konventioneller Fußbodenheizung wird typisch in 50 % der Heizperiode, d. h. an 120 Tagen, ein 5 … 6 cm dicker Heizestrich morgens um ca. 2 … 4 K über die Raumtemperatur aufgeheizt, obwohl keine Wärmezufuhr erforderlich ist. Dies führt zu höheren Übergabeverlusten bzw. einem „Verschwendungspotenzial“ (typischer Mehraufwand zwischen 8 und 14 kWh/(m2 a). Verlegearten Leitungen von Fußbodenheizungen werden vorwiegend mäanderförmig (schlangenförmig) oder bifilar (spiral- bzw. ringförmig) verlegt – Bild 2.2.2-25. Auch Mischformen der Verlegung sind üblich. Die Verlegung erfolgt heute auf Trägermatten, Noppenplatten oder im Tackersystem.

Bild 2.2.2-25. Rohrverlegung; (a) schlangenförmig (mäanderförmig); (b) spiralig (bifilar).

1)

1)

DIN EN 1264-3 „Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 3: Auslegung“, 12-2009, bzw. ISO 11855 „Building environment design – Standards for the design, construction and operation of radiant heating and cooling systems – Part 3: Design and dimensioning“, 10-2012. DIN EN 1264-4 „Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 4: Installation“, 11-2009.

2.2.2 Wärmeübergabe

Bei Trockensystemen mit Rohrkanälen in der Dämmung wird die mäanderförmige Verlegung durchgeführt. Bei dieser Verlegeart ergibt sich ein ausgeprägtes Temperaturprofil im Raum. Die Wärmestromdichte nimmt entlang des Raumes ab. Es ist daher sinnvoll mit der ersten Rohrschleife an der Außenwand mit einem Fenster zu beginnen, bei der auch die höchste Wärmeleistung erforderlich ist. Bei der bifilaren Verlegung liegen die Rohre von Vor- zu Rücklauf immer nebeneinander. Eine über den gesamten Raum gleichmäßige Wärmestromdichte (gleichmäßige Bodentemperatur) kann erreicht werden. Eine erhöhte Wärmestromdichte unter Fenstern (Randzone) wird in jedem System durch einen geringeren Rohrabstand erreicht. Die Rohrleitungen werden zu Verteiler und Sammler auf der gleichen Geschossebene geführt, die möglichst an einer zentralen Stelle (z. B. Diele) angeordnet sind. Die Heizkreisverteiler müssen mit Armaturen ausgerüstet sein, die sowohl für das manuelle Schließen, das automatische Regeln der Raumtemperatur, als auch die hydraulische Einstellung der Anlage geeignet sind. Auf eine sorgfältige Wärmedämmung der Heizrohre außerhalb der zu beheizenden Räume ist, vor allem in gut gedämmten Neubauten, zu achten. Für den Sanierungsfall existieren weiterhin Lösungen, bei denen die Rohre in in die Estrichdecke eingefräste Schlitze verlegt werden. Eine Dämmung unterhalb der Rohre wird nicht vorgesehen. Große Sorgfalt muss bei diesen Systemen darauf verwendet werden, dass die Statik der Rohbetondecke nicht beeinträchtigt wird und eine geeignete Entkopplung zum Oberboden stattfindet. Rohre und Rohrführung Früher wurden überwiegend Rohre aus Stahl oder Kupfer für die Verlegung verwendet, die sich, abgesehen von gelegentlichen Korrosionen, durchaus bewährt haben. Auch Kupferrohre mit PVC-Mantel wurden verwendet (Schutz vor Außenkorrosion, Vermeidung von Spannungen auf die Rohrwandung durch die Einbindung im Estrich). Heute werden hauptsächlich Kunststoffrohre (dicht gegenüber Sauerstoffdiffusion, nach DIN 4726 geprüft und zertifiziert) verwendet. Bei nicht sauerstoffdichten Rohren ist entweder der Fußbodenheizungsbereich durch einen Wärmeübertrager abzutrennen und korrosionsfrei zu installieren, oder die gesamte Heizungsanlage von der Inbetriebnahme an mit einem Korrosionsschutzinhibitor zu versehen, mit einer jährlichen Kontrolle der Wirksamkeit. Die gängigen Dimensionen sind Außendurchmesser von 14 bis 25 mm. Als Werkstoffe werden überwiegend eingesetzt: Vernetztes Polyethylen (PE-X) zu etwa 85 %, Polypropylen (PP) zu etwa 6 % und Polybuten (PB) zu etwa 5 %. Sonderformen der Flächenheizung Zur Beheizung von Hallen und Fabriken eignen sich Industriebodenheizungen. Sie bieten eine sehr gleichmäßige Wärmeabgabe innerhalb des Aufenthaltsbereiches. Hier sind Auslegungsvorschriften der Hersteller zu beachten, da die Basiskennlinie für Fußbodenheizungen häufig nicht angewendet werden kann. Da Industriefußböden sehr stark beansprucht werden, sind sie oftmals mit zwei Bewehrungsebenen im vergossenen Zementboden ausgeführt. Es hat sich als praktikabel erwiesen, die Heizrohrleitungen direkt unter der oberen Bewehrungsebene im Zement zu verlegen. So können eine gute Wärmeverteilung sowie eine hohe Heizleistung bei gleichzeitiger hoher Festigkeit, Montagefreundlichkeit und Sicherheit erreicht werden. Die Rohre haben einen definierten Abstand zur Oberfläche, was sich bei Bohrarbeiten im Boden als günstig erweist. Eine weitere Sonderform der Flächenheizungen sind die Sportbodenheizungen. Sportböden werden sehr elastisch ausgeführt. Die darunter liegenden Heizrohre werden üblicherweise in Systemplatten mit Wärmeleitblechen verlegt. Weil die oberhalb der Rohrebene liegenden Schichten (Elastikschicht, Linoleum, Parkett o. ä.) einen hohen Wärmeleitwiderstand aufweisen, müssen gegebenenfalls höhere Temperaturen gefahren werden. Aber es stellt sich eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche ein. Freiflächenheizungen werden zur Enteisung bzw. Schneeschmelze von Wegen und Zufahrten im Freien eingesetzt. Sie sollen die entsprechenden Oberflächen auf Temperaturen zwischen 0 °C und 3 °C temperieren. Die Auslegung hängt von diversen Faktoren (Windgeschwindigkeit, minimale Außentemperatur, Abstrahlung und Sonneneinstrah-

813

2

814

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

lung, Schmelzwärme, Verdunstungswärme, Wärmeabgabe an den Untergrund, Schneefälle) ab. Beispiel s. Bild 2.2.2-26.

Bild 2.2.2-26. Heizmitteltemperaturen zur Aufrechterhaltung einer mittleren Bodenoberflächentemperatur von +2 °C bei Freiflächenheizungen.

Praxiserfahrungen haben gezeigt, dass für Rampen, Fahr- und Gehwege Auslegeleistungen von 150 bis 300 W/m2 zu wählen sind, für Gras- und Sandsportplätze sowie Tribünen 50 bis 150 W/m2 ausreichen und für Rasen- und Steinparkplätze im Allgemeinen 120 bis 150 W/m2 benötigt werden.

2.2.2-3.3

Wandheizungen

Bei der Wandheizung (Paneelheizung) sind die Heizflächen in den Wänden, insbesondere den Außenwänden unter den Fensterbrüstungen, angebracht. Wandheizungen werden nach dem gleichen Prinzip wie Fußbodenheizungen erstellt, nur dass sie in eine Wand integriert oder auf einer Wand installiert werden. Sie können wie bei der Fußbodenheizung als Nass- oder Trockensystem installiert werden. Voraussetzung für die Installation sind die vorhandenen Platzverhältnisse. So bieten sich vor allen Dingen die Brüstungsflächen an (Bild 2.2.2-27).

Bild 2.2.2-27. Wandheizung in der Fensterbrüstung (kombiniert mit Fußbodenheizung).

Die Flächen hinter der Heizebene müssen sehr gut wärmegedämmt sein, die wärmeabgebende Fläche darf nicht durch Möbel verbaut sein. Vor allem deshalb haben Wandheizungen keine sehr weite Verbreitung gefunden. Die Auslegung und Dimensionierung von Wandheizungen kann ebenfalls über den Berechnungsgang der DIN EN 1264-3 bzw. ISO 11855-31) erfolgen.

2.2.3 Verteilung

2.2.3

Verteilung

2.2.3-1

Allgemeines1)

Die wasserseitige Zusammenschaltung eines Stellgliedes mit der Wärmeerzeugung, der Pumpe und dem Wärmeverbraucher zu einer funktionsfähigen Anlage bezeichnet man als hydraulische Schaltung. Als Grundlage der Regelaufgaben in wasserführenden Systemen ist die Kenntnis hydraulischer Schaltungen und deren Wirkungen auf die Anlagenfunktionen Voraussetzung. Die Regelung ermöglicht dann, den Wärmeransport durch das Stellglied zu verändern und so automatisch dem jeweiligen Bedarf anzupassen. Die in der Heizungs- und Klimatechnik üblichen Schaltungen lassen sich auf einige Grundschaltungen zurückführen, die in Bild 2.2.3-1 dargestellt sind. Die Wahl einer Schaltung ist im Wesentlichen von den Anforderungen der Verbraucher und Energieerzeuger abhängig. Erst nach der Festlegung der hydraulischen Schaltung wird die Dimensionierung bzw. Auslegung der einzelnen Systemkomponenten vorgenommen. Man unterscheidet zwei Hauptschaltungen: Verteiler ohne Hauptpumpe. Jede Umwälzpumpe einer Heizgruppe fördert nur so viel Wärme, wie dem Bedarf entspricht. Sie muss sowohl den Druckverlust im Verbraucherwie Kesselstromkreis überwinden. Die im Kesselkreis umlaufende Wassermenge ist variabel. Die Differenzdrücke am Verteiler sind daher unterschiedlich, und die einzelnen Regelkurven können sich untereinander beeinflussen, z. B. bei plötzlicher Laständerung einer Gruppe.

Bild 2.2.3-1. Hydraulische Schaltungen.

Verteiler mit Hauptpumpe. Im Kesselstromkreis befindet sich eine Pumpe und zwischen Verteiler und Sammler eine Kurzschlussleitung. Der Förderstrom ist konstant und der Differenzdruck gering (druckarmer Verteiler). Jede Gruppe muss eine eigene Umwälzpumpe haben. Eine Beeinflussung der einzelnen Regelkreise findet nicht statt. Die Strecken mit konstantem Volumenstrom sind durch größere Strichstärken hervorgehoben. I Drosselschaltung mit Durchgangsventil. Leistungsregelung durch Wasserstromänderung. Ventil im Vorlauf oder Rücklauf. Wasserstrom sowohl im Primär- wie Verbraucherkreis veränderlich. Druckschwankungen im Netz, große Temperaturdifferenzen im Heizkörper. Einfriergefahr bei Lufterhitzern. Stellgliedplazierung in Verbrauchernähe, um kleine Totzeit zu gewährleisten.

1)

1)

DIN EN 1264-3 „Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 3: Auslegung“, 12-2009, bzw. ISO 11855 „Building environment design – Standards for the design, construction and operation of radiant heating and cooling systems – Part 3: Design and dimensioning“, 10-2012. SWKI-Richtlinien 79-1 (Schweizer Verein von Wärme- u. Klimaingenieuren). Schmitz, H.: HLH (1980), Nr. 12, S. 445–451. Die hydraulische Einregulierung. Druckschr. d. TA Tour Andersson GmbH, 1985. Schaer, M.: Heizung und Lüftung (1986), Nr. 5, S. 13ff.; (1987), Nr. 2, S. 6ff.; (1987), Nr. 4, S. 6ff.

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2

816

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

II Umlenkschaltung mit Dreiwegeventil. Leistungsregelung wie bei I durch Wasserstromveränderung. Ventil im Vorlauf (Verteilventil) oder Rücklauf (Mischventil). Wasserstrom im Primärkreis konstant, im Verbraucherkreis veränderlich. Annähernd konstante Druckverhältnisse im Rohrnetz. Richtige Stellgliedplazierung verbessert Regelung mit geringerem Schwierigkeitsgrad. III Beimischschaltung mit Durchgangsventil und Internpumpe. Schaltung wie I, jedoch mit zusätzlicher Internpumpe. Leistungsregelung erfolgt jetzt durch Mischung von Vorlaufund Rücklaufwasser. Wasserstrom im Verbraucherkreis konstant, im Primärkreis variabel. Druckschwankungen im Netz. IV Einspritzschaltung. Kombination von II und III. Leistungsregelung durch Änderung der Vorlauftemperatur (Mischung). Dreiwegeventil im Vorlauf oder Rücklauf. Wasserstrom sowohl im Primärkreis wie Verbraucherkreis konstant. Stellgliedplazierung in Verbrauchernähe hält Wasservolumen im Sekundärkreis klein, ermöglicht schnelle Regelung. Für einwandfreien Betrieb aufwendige Abgleicharbeiten an Drossel im Primär- und Sekundärkreis oder durch Einsatz differenzdruckgeregelter Pumpen erforderlich. V Beimischschaltung mit Umwälzpumpe für jeden Verbraucher. Leistungsregelung durch Änderung der Vorlauftemperatur. Ventil im Vorlauf (Mischventil) oder Rücklauf (Verteilventil). Wasserstrom im Verbraucherkreis konstant, im Primärkreis variabel. Gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Regelkreise ist möglich. Nicht geeignet, wenn zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher eine Distanz größer als 20 m vorhanden ist. Lange Transportzeit (= Totzeit) oder hohe Druckverluste in der Verteilleitung mit variablem Volumenstrom erschweren die Regelungsaufgaben erheblich. VI Beimischschaltung mit Kurzschlussleitung. Es ist eine Verbindungsleitung zwischen Verteiler und Sammler installiert, so dass kaum Druckdifferenz zwischen beiden besteht: Druckarmer Verteiler. Kesselpumpe überwindet nur die Widerstände im Kesselkreis. Wasserstrom im Primärkreis und Verbraucherkreis konstant. Keine Beeinflussung untereinander bei Zu- und Abschalten einzelner Heizgruppen. In allen Schaltungen sind Stellventile mit linearer oder gleichprozentiger Kennlinie einzusetzen. Die Ventilautorität und damit die Auslegung der Regelventile sollte nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten durchgeführt werden: Kompromiß zwischen Investitionsund Betriebskosten sowie Regelgüte.

2.2.3-2

Wärmeträger

Um die im Wärmeerzeuger freigesetzte Wärme zu den Verbrauchern transportieren zu können, wird ein Trägermedium benötigt. In Frage kommen im Wesentlichen Wasser, Wasserdampf und Luft. Da heute in Wohn- und Verwaltungsgebäuden, aber auch in Industriebetrieben die Warmwasser-Zentralheizung üblich ist, dominiert der Wärmeträger Wasser. Dampf ist für diese Anwendungen nicht mehr üblich, da der technische Aufwand und die damit einhergehenden Kosten für Dampf-Zentralheizungen deutlich höher sind. Luft als Wärmeträger sind physikalische Grenzen gesetzt, denn sie kann wesentlich weniger Wärme transportieren als eine vergleichbare Wassermenge. Wasser hat eine rund vier mal höhere spezifische Wärmekapazität als Luft und eine 800-mal höhere Dichte. Dies führt dazu, dass im Vergleich zu Wasser eine 3360-fache Menge Luft benötigt wird, um den gleichen Wärmefluss zu erhalten. Bei Warmwasser-Zentralheizung wird die Lebensdauer eines jeden Wärmeerzeugers sowie der gesamten Anlage von den Wasserverhältnissen beeinflusst. Die Kosten für eine Wasseraufbereitung sind in jedem Fall niedriger als die Beseitigung von Schäden an der Anlage. Die Einhaltung der nachfolgend genannten Anforderungen ist in der Regel auch Voraussetzung für Gewährleistungsverpflichtungen der Hersteller: Es muss vermeiden werden, dass sich Steinbelag (Calciumcarbonat) übermäßig an den Heizflächen anlagert. Für Heizungsanlagen mit Betriebstemperaturen bis 100 °C gilt die VDI-Richtlinie 2035 Blatt 1 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizungsanlagen – Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen“. Werden die dort vorgegebenen Richtwerte für die Wasserhärte nicht eingehalten, muss jede Befüllung mit aufbereitetem Wasser erfolgen. Die heizwasserseitige Korrosionsbeständigkeit der in Warmwasser-Heizungsanlagen und Wärmeerzeugern eingesetzten Eisenwerkstoffe beruht auf der Abwesenheit von Sauerstoff im Heizungswasser. Der mit der Erstbefüllung und bei Nachfüllungen mit dem Wasser in die Heizungsanlage gelangende Sauerstoff reagiert in der Regel ohne Schäden

2.2.3 Verteilung

817

zu verursachen mit den Werkstoffen der Anlage. Die technischen Regeln, insbesondere die VDI-Richtlinie 2035-2 empfehlen, Heizungsanlagen so auszulegen und zu betreiben, dass der ständige zutritt von Sauerstoff in das Heizungswasser nicht möglich ist. Geschlossene Anlagen, z. B. mit Membran-Ausdehnungsgefäßen, bieten bei richtiger Größe und richtigem Systemdruck einen guten Schutz vor dem eindringen von Sauerstoff aus der Luft. Darüber hinaus sind in jedem Einzelfall die Vorgaben der Hersteller zu beachten.

2.2.3-3

Rohrleitungen1)2)

2.2.3-3.1

Stahlrohre

2.2.3-3.1.1

Abmessungen, Normen

In der Heizungstechnik werden zur Fortleitung von Wasser und Dampf hauptsächlich Stahlrohre verwendet, in geringerem Umfang, namentlich für kleine Anlagen, auch Kupferrohre und in Fußbodenheizflächen Kunststoffrohre. Die Stahlrohre sind genormt. Grundlage der Normung sind die Begriffe Nennweite, Nenndruck und Betriebsdruck (DIN EN ISO 6708:1995-09 u. DIN EN 1333:1996-10). Stahlsorten: P235 TR1 – ohne besondere Anforderungen P235 GH – mit besondere Anforderungen Der Begriff Nennweite DN kennzeichnet die zueinander passenden Einzelteile einer Rohrleitung (Flansche, Verschraubungen usw.), gleichgültig, ob sie nach dem Zoll- oder metrischen System benannt werden. Da die Außendurchmesser der Rohre festliegen, die Wanddicken bei den verschiedenen Rohrarten jedoch verschieden sind, entsprechen die Nennweiten nur angenähert den lichten Rohrweiten. Abgekürzte Bezeichnung: Nennweite 250 = DN 250 (Tafel 2.2.3-1). Tafel 2.2.3-1

Nennweiten (Auswahl) nach DIN EN ISO 6708:1995-09

DN

DN

DN

DN

DN

DN

10 15 20 25 32

40 50 65 80 100

125 150 200 250 300

350 400 450 500 600

700 800 900 1000 1100

1200 1400 1500 1600 1800 2000

Der Nenndruck PN ist derjenige Druck, für den Rohrleitungen, Armaturen, Flansche, Formstücke usw. ausgelegt sind. Die Nenndrücke sind nach Normzahlen gestuft (DIN EN1333:1996-10 z. B.: 2,5, 6, 10, 16, 25, 40, 63, 100…bar. Für die Anwendung maßgebend ist der Betriebsdruck. Der für ein Rohrleitungsteil zulässige Betriebsdruck richtet sich nach Werkstoff und Temperatur. Bei 20°C ist Betriebsdruck = Nenndruck. Bei höheren Temperaturen ist der zulässige Betriebsdruck je nach Werkstoff mehr oder weniger geringer, wobei die Abhängigkeit besonderen Normen zu entnehmen ist. Prüfdruck (früher Probedruck) ist der vom Hersteller zur Prüfung anzuwendende Druck, meist gleich 1,43facher Nenndruck. Für Heizungsanlagen werden hauptsächlich verwendet: Rohre aus unlegiertem Stahl mit Eignung zum Schweißen und Gewindeschneiden nach DIN EN 10255:2004-08 (Tafel 2.2.3-4). Nahtlose Rohre nach DIN EN 10216-2 (Tafel 2.2.3-5), hauptsächlich von DN 40 bis DN 300. Geschweißte Rohre nach DIN EN 10217-2 (Tafel 2.2.3-6), hauptsächlich für Rohre großen Durchmessers. 1) 2)

Wagner. W.: Rohrleitungstechnik. Vogel Buchverlag, Würzburg 2006. Beachte Hinweise im Vorwort zur internationalen Normen-Harmonisierung.

2

818

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Allgemein gültige Maße und Massen pro m (kg/m) von Stahlrohren sind in Tafel 2.2.3-6 dargestellt. Herstellung der Rohre: Rohre mit Längsnaht (stumpfgeschweißt, wassergas-, elektrogeschweißt), Rohre ohne Längsnaht (nahtlose Rohre), Übersicht der Rohre s. Tafel 2.2.3-2 und Tafel 2.2.3-3. Von den in der Übersicht Tafel 2.2.3-3 enthaltenen Rohren sind für die Heizungstechnik am wichtigsten die mittelschweren Gewinderohre (Gasrohre) nach DIN EN 10255:200408, die schweren Gewinderohre (Dampfrohre) nach DIN EN 10255:2004-08 und die glatten nahtlosen Rohre nach DIN EN 10217-2 (Siederohre), für große Durchmesser ferner geschweißte Rohre nach DIN EN 10216-2. Gewöhnlich werden für die kleinen Rohrweiten bis etwa DN 40 Gewinderohre verwendet, bei großen Rohrweiten die glatten Rohre (Tafel 2.2.3-4 bis Tafel 2.2.3-6). Verbindung erfolgt hauptsächlich durch Schweißen. Lösbare Verbindung mit Gewinde oder Flansch an Geräten wie Kessel, Pumpe, Ventil usw. Handelsübliche Lieferung: Gewinderohre nahtlos von DN 6 bis 150, stumpf geschweißt von DN 6 bis 50; schwarz (A) oder verzinkt (B), in Rohrlängen von 4 bis 8 m mit Gewinden an beiden Enden nach DIN 2999-1 bis DIN 2999-6 sowie mit einer aufgeschraubten Muffe oder ohne Gewinde und ohne Muffe. Glatte Rohre, nahtlos von DN 10 bis 500, in wechselnden Herstellungslängen. Tafel 2.2.3-2 Rohrart

Schraubmuffen

Übersichtstafel für gusseiserne Rohre (nach DIN 2410-2:1977-02) Verbindung nach

Lieferbedingungen nach

Maße nach

DIN 28 601

DIN 28 600

DIN 28 610

Flansche angegossen

DIN 28 604/7

Flansche nicht angegossen

DIN 28 604/7

DIN 28 600

DIN 28 600

DIN 28 614

DIN 28 615

Nenndruck

Nennweiten DN

Wasser

Gas

Bis 25 30 40

bis 1

80 bis 400 80 bis 300 80 bis 150

16 25 40

bis 1

80 bis 1200 80 bis 600 80 bis 300

25 40

bis 1

80 bis 600 80 bis 300

*) Für Drücke bis 16 bar gilt zusätzlich das DVGW-Arbeitsblatt G 461 T. 2 (11.81).

In zunehmendem Maße werden auch dünnwandige biegsame Präzisionsstahlrohre für geschlossene Heizungen verwendet, besonders für Einfamilienhäuser und Altbauwohnungen. Sie müssen durch eine Umhüllung außen korrosionsgeschützt sein. Wandstärke 10 × 1,2 bis 35 × 1,5 mm. Lieferung auch in Ringform mit Isolierung aus Kunststoff (DIN EN 10305-1, 2 u. 3:2003-02). Sinnbilder für Rohrleitungen in DIN 2429:1988-0 siehe Tafel 2.1.3-2, Kennfarben für Heizungsrohrleitungen in DIN 2404:1984-03. Heizwasser Vorlauf …zinnoberrot Rücklauf …kobaltblau Warmwasser Zuleitung …karminrot Umlauf …violett Kaltwasser …hellblau

4 bis 120

alle Drücke

Stahlrohre für Fernleitungen für brennbare Flüssigkeiten & Gase DIN 17172

Stahl nach DIN 17172

bis 1 bis 80

St 33 St 37-2

DIN 1626 Teil 1 bis 3

DIN 2461 DIN 17172

bis 100

St 35

DIN 1629 Teil 1 bis 3

DIN 2460

Stahlrohre für Gas- und Wasserleitungen

alle Drücke

bis 64

bis 64

über 100

60,3 bis 2020 (DN 50 bis 2000)

Gas bis 1

St 00

DIN 1626 Teil 1 bis 4

DIN 2458

Geschweißte Stahlrohre

bis 20

10,2 bis 1016

alle Drücke

Stahl nach DIN 1626

DIN 1629 Teil 1 bis 4

Nahtlose Stahlrohre

60,3 bis 508 (DN 50 bis 500)

10,2 bis 558,8 10,2 bis 508 10,2 bis 508 10,2 bis 508 10,2 bis 508 10,2 bis 508

alle Drücke bis 25 bis 100 bis 100 bis 100 bis 100

Stahl nach DIN 1629 St 00 St 35 St 45 St 55 St 52

DIN 2448 DIN 2449 DIN 2450 DIN 2451 DIN 2456 DIN 2457

Wasser bis 25

10,2 bis 165,1 (DN 1/8“ bis 6“)

bis 100

Gewinderohre St 35 St 37-2

10,2 bis 165,1 (DN 1/8“ bis 6“) 10,2 bis 165,1 (DN 1/8“ bis 6“)

DIN 1629 DIN 1626

bis 25 bis 25

6 bis 120

4 bis 120

alle Drücke

bis 100

Außendurchmesserbereich mm

Nenndruckbereich bar

DIN 2442

mit Gütevorschrift

St 33

Stahl nach DIN 2394

Stahl nach DIN 2393

Stahl nach DIN 2391

Werkstoff

St 33

DIN 2440

DIN 2394 Teil 2

DIN 2393 Teil 2

DIN 2391 Teil 2

Technische Lieferbedingungen

DIN 2441

DIN 2440 DIN 2441

mittelschwer

DIN 2394 Teil 1

Geschweißte Präzisionsstahlrohre, einmal kaltgezogen

schwer

DIN 2393 Teil 1

Geschweißte Präzisionsstahlrohre mit besonderer Maßgenauigkeit

Maße DIN 2391 Teil 1

Rohrart Benennung

Übersichtstafel für Stahlrohre (nach DIN 2410-1:1968-01)*

Nahtlose Präzisionsrohre

Tafel 2.2.3-3

2.2.3 Verteilung 819

2

65 80

1/4

3/8

1/2

3/4

1

1 1/4

1 1/2

2

2 1/2

3

4

5

6

13,5

17,2

21,3

26,9

33,7

42,4

48,3

60,3

76,1

88,9

114,3

139,7

165,1

150

125

100

50

40

32

25

20

15

10

8

166,5

140,8

115,0

89,5

76,6

60,8

48,8

42,9

34,2

27,3

21,8

17,5

14,0

10,6

6

1/8

10,2

DW

163,9

138,5

113,1

88,0

75,3

59,7

47,9

42,0

33,3

26,5

21,0

16,7

13,2

9,8

min. mm

Außendurchmesser

max. mm

R

D

Nennweite

mm

Gewindegröße2

Technische Daten von Gewinderohren

Nennaußendurchmesser2

Tafel 2.2.3-4

5,4

5,4

5,4

5,0

4,5

4,5

4,0

4,0

4,0

3,2

3,2

2,9

2,9

2,8

mm

T

Wanddicke

21,3

17,9

14,5

10,3

7,93

6,19

4,37

3,79

2,93

1,87

1,44

1,02

0,765

0,487

kg/m

glatte Enden

21,9

18,4

14,8

10,5

8,05

6,26

4,41

3,82

2,95

1,88

1,45

1,03

0,769

0,490

kg/m

Enden mit Muffe

Längenbezogene Masse (rohschwarzes Rohr)

Schwere Reihe (H)

5,0

5,0

4,5

4,0

3,6

3,6

3,2

3,2

3,2

2,6

2,6

2,3

2,3

2,0

mm

T

Wanddicke

19,8

16,6

12,2

8,36

6,42

5,03

3,56

3,10

2,41

1,56

1,21

0,839

0,641

0,404

kg/m

glatte Enden

20,4

17,1

12,5

8,53

6,54

5,10

3,60

3,13

2,43

1,57

1,22

0,845

0,645

0,407

kg/m

Enden mit Muffe

Längenbezogene Masse (rohschwarzes Rohr)

Mittlere Reihe (M)

820 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

26,9

21,3

17,2

13,5

10,2

1

31,6

26

20

19

16

12,7

12

2

30

26,4

22

18

14

3

1,6

1,8

2

2,3

2,6

2,9

3,2

3,6

Nahtlose Stahlrohre nach DIN EN 10216-4:2002-08 (Auszug)

Außendurchmesser D Reihe*

Tafel 2.2.3-5

4

4,5

5

Wanddicke T 5,6

6,3

7,1

8

8,6

10

11

12,5

14,2

2.2.3 Verteilung 821

2

88,9

76,1

60,3

48,3

42,4

33,7

70

63,5

57

51

40

38

32

82,5

73

54

44,5

35

Wanddicke T

Nahtlose Stahlrohre nach DIN EN 10216-4:2002-08 (Auszug) (Forts.)

Außendurchmesser D Reihe*

Tafel 2.2.3-5

822 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

406,4

355,6

323,9

273

219,1

168,3

139,7

114,3

133

127

101,6

244,5

193,7

177,6

159

152,4

141,3

106

Wanddicke T

Nahtlose Stahlrohre nach DIN EN 10216-4:2002-08 (Auszug) (Forts.)

Außendurchmesser D Reihe*

Tafel 2.2.3-5

2.2.3 Verteilung 823

2

860

559

* Reihe 1 = Durchmesser, für die das für den Bau von Rohrleitungssystemen benötigte Zubehör genormt ist. Reihe 2 = Durchmesser, für die das Zubehör nicht vollständig genormt ist. Reihe 3 = Durchmesser für besondere Anwendungen, für die nur sehr wenig genormtes Zubehör verfügbar ist.

711

610

508

457

Wanddicke T

Nahtlose Stahlrohre nach DIN EN 10216-4:2002-08 (Auszug) (Forts.)

Außendurchmesser D Reihe*

Tafel 2.2.3-5

824 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3 Verteilung

Tafel 2.2.3-6

825

Geschweißte Stahlrohre nach DIN EN 10217-2:2002-08 (Auszug)

2

826

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.3-7 Außendurchmesser D mm Reihe 1 2 3 10,2 12 12,7 13,5 14 16 17,2 18 19 20 21,3 22 25 25,4 26,9 30 31,8 32 33,7 35 38 40 42,4 44,5 48,3 51 54 57 60,3 63,5 70 73 76,1 82,5 88,9 101,6 108 114,3 127 133 139,7 141,3 152,4 159 168,3 177,8 193,7 219,1 244,5 273 323,9 355,6 406,4 457 508 559 610 660

Maße (Wanddicke T ≤ 6,3 mm) und längenbezogene Masse von nahtlosen und geschweißten Stahlrohren nach DIN EN 10220:2003-03 Wanddichte T, mm

0,5

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,3

2,6

2,9

3,2

3,6

0,694 0,750 0,813 0,852 1,01 1,10 1,17 1,25 1,33 1,43 1,48 1,72 1,75 1,87 2,11 2,26 2,27 2,41 2,51 2,75 2,90 3,09 3,26 3,56 3,77 4,01 4,25 4,51 4,76 5,27 5,51 5,75 6,26 6,76 7,77 8,27 8,77 9,77 10,2 10,8 10,9 11,8 12,3 13,0 13,8 15,0 17,0 19,0 21,3 25,3 27,8 31,8 35,8 39,8 43,9 47,9

0,879 0,923 1,10 1,21 1,28 1,37 1,46 1,57 1,63 1,90 1,96 2,07 2,34 2,50 2,52 2,67 2,79 3,05 3,23 3,44 3,63 3,97 4,21 4,47 4,74 5,03 5,32 5,90 6,16 6,44 7,00 7,57 8,70 9,27 9,83 11,0 11,5 12,1 12,2 13,2 13,8 14,6 15,5 16,9 19,1 21,4 23,9 28,4 31,3 35,8 40,3 44,8 49,3 53,8

4

4,5

5

5,4

5,6

6,3

1,18 1,3 1,38 1,48 1,58 1,71 1,78 2,07 2,11 2,26 2,56 2,74 2,76 2,93 3,06 3,35 3,55 3,79 4,00 4,37 4,64 4,93 5,23 5,55 5,87 6,51 6,81 7,11 7,74 8,38 9,63 10,3 10,9 12,1 12,7 13,4 13,5 14,6 15,3 16,2 17,1 18,7 21,2 23,7 26,5 31,6 34,7 39,7 44,7 49,7 54,7 59,8 64,7 69,7

1,41 1,50 1,61 1,72 1,86 1,94 2,28 2,32 2,49 2,83 3,03 3,05 3,24 3,38 3,72 3,94 4,21 4,44 4,86 5,16 5,49 5,83 6,19 6,55 7,27 7,60 7,95 8,68 9,37 10,8 11,5 12,2 13,6 14,3 15,0 15,2 16,4 17,1 18,2 19,2 21,0 23,8 26,6 29,8 35,4 39,9 44,6 50,2 55,9 61,5 67,2 72,7 78,4

1,73 1,85 2,01 2,10 2,47 2,52 2,70 3,08 3,30 3,33 3,54 3,70 4,07 4,32 4,61 4,87 5,34 5,67 6,04 6,41 6,82 7,21 8,01 8,38 8,77 9,56 10,3 11,9 12,7 13,5 15,0 15,8 16,6 16,8 18,2 19,0 20,1 21,3 23,3 26,4 29,5 33,0 39,3 43,2 49,5 56,7 62,0 68,3 74,6 80,8 87,1

2,12 2,21 2,61 2,66 2,86 3,28 3,52 3,54 3,77 3,94 4,34 4,61 4,93 5,21 5,71 6,07 5,47 6,87 7,31 7,74 8,60 9,00 9,42 10,3 11,1 12,8 13,7 14,5 16,2 17,0 17,9 18,1 19,6 20,5 21,7 23,0 25,1 28,5 31,8 35,6 42,4 46,6 53,4 60,1 66,9 73,7 80,5 87,2 94,0

2,68 2,73 2,94 3,27 3,62 3,65 3,88 4,06 4,47 4,75 5,08 5,37 5,90 6,27 6,68 7,10 7,55 8,00 8,89 9,31 9,74 10,6 11,5 13,3 14,1 15,0 16,8 17,6 18,5 18,7 20,3 21,2 22,5 23,8 26,0 29,5 33,0 36,9 44,0 48,3 55,4 62,3 69,4 76,4 83,5 90,4 97,4

2,91 2,97 3,20 3,58 3,96 3,98 4,25 4,45 4,93 5,24 5,61 5,94 6,53 6,94 7,41 7,88 8,39 8,89 9,98 10,4 10,8 11,8 12,8 14,8 15,8 16,8 18,8 19,7 20,7 21,0 22,7 23,7 25,2 26,6 29,1 33,1 37,0 41,4 49,3 54,3 62,2 70,0 77,9 85,9 93,8 102 109

Längenbezogene Masse, kg/m 0,120 0,142 0,150 0,160 0,166 0,191 0,206 0,216 0,228 0,240 0,256 0,265 0,302 0,307 0,326 0,364 0,386 0,388 0,409 0,425 0,462 0,487 0,517 0,543

0,142 0,169 0,179 0,191 0,196 0,228 0,246 0,257 0,272 0,287 0,306 0,317 0,361 0,367 0,389 0,435 0,462 0,465 0,490 0,509 0,553 0,583 0,619 0,650 0,706 0,746 0,790 0,835 0,883 0,931

0,185 0,221 0,235 0,251 0,260 0,300 0,324 0,339 0,359 0,379 0,404 0,418 0,477 0,485 0,515 0,576 0,612 0,616 0,649 0,675 0,734 0,773 0,821 0,862 0,937 0,990 1,05 1,11 1,17 1,24 1,37 1,42 1,49 1,61 1,74

0,227 0,271 0,289 0,308 0,321 0,370 0,400 0,419 0,444 0,469 0,501 0,518 0,592 0,602 0,639 0,715 0,760 0,765 0,806 0,836 0,912 0,962 1,02 1,07 1,17 1,23 1,31 1,38 1,46 1,54 1,70 1,78 1,85 2,01 2,17

0,266 0,320 0,340 0,364 0,379 0,438 0,474 0,497 0,527 0,556 0,595 0,616 0,704 0,716 0,761 0,852 0,906 0,911 0,962 1,00 1,09 1,15 1,22 1,28 1,39 1,47 1,56 1,65 1,75 1,84 2,04 2,12 2,22 2,41 2,60 2,97 3,16 3,35

0,304 0,366 0,390 0,418 0,435 0,504 0,546 0,573 0,608 0,642 0,667 0,711 0,815 0,829 0,880 0,987 1,05 1,06 1,12 1,16 1,26 1,33 1,42 1,49 1,62 1,71 1,82 1,92 2,03 2,14 2,37 2,47 2,58 2,80 3,02 3,46 3,68 3,90

0,339 0,410 0,438 0,470 0,489 0,568 0,616 0,647 0,687 0,726 0,777 0,805 0,923 0,939 0,996 1,12 1,19 1,20 1,27 1,32 1,44 1,52 1,61 1,69 1,84 1,95 2,07 2,19 2,32 2,44 2,70 2,82 2,94 3,19 3,44 3,95 4,20 4,45 4,95 5,18 5,45 5,51 5,95 6,21 6,58

0,373 0,453 0,484 0,519 0,542 0,630 0,684 0,719 0,764 0,808 0,866 0,897 1,03 1,05 1,11 1,25 1,33 1,34 1,42 1,47 1,61 1,70 1,80 1,90 2,06 2,18 2,32 2,45 2,60 2,74 3,03 3,16 3,30 3,58 3,87 4,43 4,71 4,99 5,56 5,82 6,12 6,19 6,69 6,96 7,39 7,81 8,52 9,65

0,404 0,493 0,528 0,567 0,592 0,691 0,750 0,789 0,838 0,888 0,952 0,996 1,13 1,15 1,23 1,32 1,47 1,48 1,56 1,63 1,78 1,87 1,99 2,10 2,28 2,42 2,56 2,71 2,88 3,03 3,35 3,50 3,65 3,97 4,29 4,91 5,23 5,54 6,17 6,46 6,79 6,87 7,42 7,74 8,20 8,67 9,46 10,7 12,0 13,4

0,448 0,550 0,590 0,636 0,664 0,777 0,845 0,891 0,947 1,00 1,06 1,12 1,29 1,31 1,40 1,57 1,67 1,68 1,78 1,85 2,02 2,14 2,27 2,39 2,61 2,76 2,93 3,10 3,29 3,47 3,84 4,01 4,19 4,55 4,91 5,63 6,00 6,35 7,07 7,41 7,79 7,88 8,51 8,89 9,42 9,95 10,9 12,3 13,7 15,4

0,487 0,603 0,648 0,699 0,731 0,859 0,936 0,987 1,05 1,12 1,20 1,24 1,44 1,46 1,56 1,76 1,87 1,89 1,99 2,06 2,27 2,40 2,55 2,69 2,93 3,10 3,30 3,49 3,70 3,90 4,32 4,51 4,71 5,12 5,53 6,35 6,76 7,16 7,96 8,36 8,79 8,89 9,61 10,0 10,6 11,2 12,3 13,9 15,5 17,3 20,6 22,6 25,9

0,651 0,701 0,758 0,794 0,937 1,02 1,08 1,15 1,22 1,32 1,37 1,58 1,61 1,72 1,94 2,07 2,08 2,20 2,30 2,51 2,65 2,82 2,98 3,25 3,44 3,65 3,87 4,11 4,33 4,80 5,01 5,24 5,69 6,15 7,06 7,52 7,97 8,88 9,30 9,78 9,90 10,7 11,2 11,8 12,5 13,6 15,5 17,3 19,3 23,0 25,2 28,9

95 65 4 x M12 105 75 4 x M 12

70 45 4 x M 10 75 50 4 x M 10 80 55 4 x M 10 90 65 4 x M 10 100 75 4 x M 10 120 90 4 x M 12 130 100 4 x M 12 140 110 4 x M 12 160 130 4 x M 12 190 140 4 x M 16 210 170 4 x M 16

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

8

10

15

20

25

32

40

50

65

80

100

220 180 8 x M 16

200 160 8 x M 16

185 145 8 x M 16

165 125 4 x M 16

150 110 4 x M 16

140 100 4 x M 16

115 85 4 x M 12

90 60 4 x M 12

80 55 4 x M10

75 50 4 x M 10

65 40 4 x M 10

D/K Schrauben

PN 16

6

PN 10

PN 6

Maß

Flanschabmessungen (s. auch DIN 2501-1:1972-02)

DN

Tafel 2.2.3-8

PN 40

235 190 8 x M 20

200 160 8 x M 16

185 145 8 x M 16

165 125 4 x M 16

150 110 4 x M 16

140 100 4 x M 16

115 85 4 x M 12

105 75 4 x M 12

95 65 4 x M12

90 60 4 x M 12

80 55 4 x M10

75 50 4 x M 10

PN 25

PN 160

250 200 8 x M 24

215 170 8 x M 20

205 160 8 x M 20

255 200 8 x M 27 300 235 8 x M 30

265 210 8 x M 27

185 135 4 x M 24

230 180 8 x M 24

170 125 4 x M 20

170 125 4 x M 20

–

230 180 8 x M 24

–

155 110 4 x M 20

150 105 4 x M 20

220 170 8 x M 24

140 100 4 x M 16

140 100 4 x M 16

–

200 150 8 x M 24

–

130 90 4 x M 16

130 90 4 x M 16

125 85 4 x M 16

PN 250

195 145 4 x M 24

105 75 4 x M 12

105 75 4 x M 12

180 135 4 x M 20

100 70 4 x M 12

Keine Flansche genormt

PN 100

100 70 4 x M 12

PN 64

Abmessungen in mm nach den Normen von

2.2.3 Verteilung 827

2

PN 6 240 200 8 x M 16 265 225 8 x M 16 295 255 8 x M 16 320 280 8 x M 16 375 335 12 x M 16 440 395 12 x M 20

Maß

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

D/K Schrauben

125

150

(175)

200

250

300

PN 16

405 355 12 x M 24 460 410 12 x M 24

445 400 12 x M 20

340 295 12 x M 20

395 350 12 x M 20

340 295 8 x M 20

315 270 8 x M 20

285 240 8 x M 20

250 210 8 x M 16

PN 10

PN 40

485 430 16 x M 27

425 370 12 x M 27

360 310 12 x M 24

330 280 12 x M 24

515 450 16 x M 30

450 385 12 x M 30

375 320 12 x M 27

350 295 12 x M 27

300 250 8 x M 24

270 220 8 x M 24

PN 25

530 460 16 x M 33

470 400 12 x M 33

415 345 12 x M 33

375 310 12 x M 30

345 280 8 x M 30

295 240 8 x M 27

PN 64

Abmessungen in mm nach den Normen von

Flanschabmessungen (s. auch DIN 2501-1:1972-02) (Forts.)

DN

Tafel 2.2.3-8

PN 160

585 500 16 x M 39

505 430 12 x M 36

430 360 12 x M 33

385 320 12 x M 30

585 500 16 x M 39

515 430 12 x M 39

430 360 12 x M 33

390 320 12 x M 33

355 290 12 x M 30

315 250 8 x M 30

PN 100

690 590 16 x M 48

585 490 16 x M 45

485 400 12 x M 39

430 355 12 x M 36

390 320 12 x M 33

340 275 12 x M 30

PN 250

828 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

490 445 12 x M 20 540 495 16 x M 20

D/K Schrauben

D/K Schrauben

350

400

Buchstabenerklärung: D = Flanschendurchmesser in mm K = Lochkreisdurchmesser in mm

PN 6

Maß

PN 16

580 525 16 x M 27

520 470 16 x M 24

2531

18 M16

PN 6 DIN

15 M12

2532

10

22 M 20

660 585 16 x M 39

580 510 16 x M 33

PN 40

Gusseisen-Flanschen

11,5 M 10

620 550 16 x M 33

555 490 16 x M 30

PN 25

2533

16

25 M 24

35 M 33

64

40 2535

25 2534

715 620 16 x M 45

655 560 16 x M 45

PN 100

32 M 30

28 M 27

670 585 16 x M 39

600 525 12 x M 36

PN 64

Abmessungen in mm nach den Normen von

DIN-Flanschen-Normen

Lochdurchm. d2 mm bei Schraubengröße

Lochanordnung

565 515 16 x M 24

505 460 16 x M 20

PN 10

Flanschabmessungen (s. auch DIN 2501-1:1972-02) (Forts.)

DN

Tafel 2.2.3-8

PN 250

100

39 M 36

160

42 M 39

250

48 M 45

Keine Flansche genormt

PN 160

2.2.3 Verteilung 829

2

830

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3-3.1.2

Rohrverbindungen für Stahlrohre

Formstücke (Fittings, Verbindungsstücke) Zur Verbindung von Gewinderohren werden Formstücke verwendet: Muffen, Bögen, Verschraubungen, T-Stücke usw. Sie bestehen zum größten Teil aus Temperguss, in geringem Umfang auch aus Stahl sowie Messing und Bronze. Die Zahl der Fittingformen ist außerordentlich groß; es gibt mehrere tausend Modelle. Eine einheitliche Bezeichnung der verschiedenen Formen hat sich bisher noch nicht eingeführt, so dass gegenwärtig mehrere Bezeichnungssysteme nebeneinander laufen. Die Tempergussfittings sind in den DIN 2950, die Stahlfittings in den DIN 2606 bis 2619 und 2980 bis 2993 genormt. Dichtung durch Werg (Hanf) und Mennige oder Mangankitt (Manganesit, Fermit u. a.) oder Gewindeband aus Kunststoff. Whitworth-Rohrgewinde nach DIN 2999 umfassen zylindrische Innen- und kegelige Außengewinde. Für Präzisionsstahlrohre verwendet man oft Pressfittings mit eingelegtem Dichtring wobei der Druck durch eine hydraulische oder elektrische Presszange erzeugt wird (Bild 2.2.3-3). Auch in Edelstahl für Trinkwasser. Außerdem auch Klemm- und Schneidringverbindungen wie bei Kupferleitungen. Flansche Flansche werden sowohl bei Gewinderohren wie bei glatten Rohren verwendet. Bei Gewinderohren werden die Flansche auf das Rohr aufgeschraubt. Bei glatten Rohren werden hauptsächlich Walzflansche, Vorschweißflansche oder lose Flansche mit Bund am Rohr verwendet. Die Flansche sind rund oder oval, mit oder ohne Ansatz lieferbar. Abmessungen genormt in DIN 2500 bis 2673. Hauptabmessungen runder Flansche s. Tafel 2.2.3-8. Dichtungsmaterial bei Dampfleitungen: Aramid, Fiber und ähnliche Fasererzeugnisse, bei hohen Drücken, metallische Dichtungsringe aus Kupfer, Nickel, Stahl oder Kombinationen aus nichtmetallischen Stoffen mit Metallarmierung; bei Wasserleitungen: Gummi mit Einlage. Seit der Einführung des Gas-Schweißens hat sich die Verwendung von Flanschen stark vermindert.

Bild 2.2.3-2. Verschraubungen. a) flache Dichtung, b) konische Dichtung

Bild 2.2.3-3. Pressfitting (Mannesmann)

2.2.3 Verteilung

831

Schweißverbindungen Verbindungen von Rohren durch Schweißung sind vorteilhaft, da die Gefahr von Undichtheiten vermieden und der Wärmeschutz verbessert wird. Brandgefahr beachten (UVV 26.0).1) Auch Abzweige, Richtungsänderungen und Querschnittsänderungen von Rohrleitungen werden unter Verwendung von Rohrbogen aus nahtlosem Siederohr in allen möglichen Zusammenstellungen hergestellt, so dass in neuzeitlichen Anlagen nur noch an den Armaturen Muffen- und Flanschverbindungen oder Verschraubungen zu finden sind. Bei kleinen Rohrweiten bis etwa DN 40 ist die Verbindung durch Formstücke dann vorzuziehen, wenn bei nicht sorgfältiger Schweißarbeit Verengungen der Rohre und damit Widerstandsvergrößerungen zu befürchten sind. Hauptschweißarten: Autogenschweißen (A-Schweißen) mit Sauerstoff und Acetylen.Lichtbogenschweißen (E-Schweißen) mit Elektroden, bei größeren Wandstärken Schutzgasschweißen. In der Heizungstechnik wird hauptsächlich A-Schweißen angewandt. Rohrbefestigungen Bei den Rohrbefestigungen ist zu beachten, dass die unter dem Einfluss der Temperaturänderungen erfolgenden Rohrbewegungen sich frei ausspielen können. Rohre geringer Durchmesser werden in zweiteiligen Rohrschellen gelagert, größere Rohre häufig an Rohrpendeln aufgehängt (Bild 2.2.3-4 und Bild 2.2.3-5). Bei Durchführungen von Rohren durch Wände oder Decken sind stählerne Hülsen oder elastische Rohrhülsen zu verwenden, um eine freie Bewegung der Rohre ohne Abplatzen des Putzes von der Wand zu gewährleisten. Häufig nur Rosetten. Für Rohre großer Durchmesser benutzt man Lagerung auf Rollen oder besser Gleitschienen (Bild 2.2.3-6 und Bild 2.4.1-6). Die Längsausdehnungen der Rohrleitungen werden bei Heizungen kleinen Umfangs durch Richtungsänderungen der Rohre, bei Leitungen großen Umfangs durch besondere Ausdehner aufgenommen (Abschnitt 2.2.3-3.5), die zwischen Festpunkten angeordnet werden. Beispiel eines Festpunktes Bild 2.2.3-8. Zur Erleichterung der Rohraufhängung an Decken werden häufig Deckenschienen (Halfenschienen, Jordahlschienen u. a.) in Decke einbetoniert, dadurch Vermeidung von Stemmarbeiten (Bild 2.2.3-9). Die Berechnung der Stützweite l von Rohrleitungen ist ein Problem, das wegen der Annahmen bezüglich Art der Rohreinspannung an den Lagerstellen nicht einwandfrei zu lösen ist.2) Nach Mixdorf gilt für Leitungen mit Gefälle a⋅J l = 2,1 3 --------- [in m] m a = Gefälle (Durchbiegung) in mm/m J = Trägheitsmoment in cm4 m = Rohrmasse in kg/m Leitungen mit Gefälle lassen größere Stützweiten zu als waagerechte Leitungen. Näherungsformel für nahezu waagerechte Leitungen: l = 0,4…0,5 D [in m] D = Rohrdurchmesser in mm oder nach Weber: l = 0,032 D [in m]. oder nach Mixdorf l = 1,07

3

---J- [in m] m

Berechnung der Stützweiten von Stahlrohren siehe auch DIN 2460:2006-06 (Anhang E). 1) 2)

BHKS-Merkblatt „Brandverhütung beim Schweißen, Schneiden, Löten“. Weber, A. P.: HLH (1955), S. 215–219. Mixdorf E.: HLH (1969), S. 201–205. Useman, K. W.: Ges.-Ing. 1975, S. 202–203.

2

832

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.3-4. Rohrschelle, zweiteilig.

Bild 2.2.3-5. Rohraufhängungen: a) einfache Aufhängung aus Rund- oder Flachstahl, b) mit Spannschloss, c) mit Feder, d) mit Lochband, e) mit Isolierung.

Bild 2.2.3-6. Konsol mit Rollenlager.

Bild 2.2.3-7. Rohrunterstützung mittels Gleitlager.

Bild 2.2.3-8. Festpunkt.

Bild 2.2.3-9. Deckenschienen für Rohraufhängungen.

2.2.3 Verteilung

Tafel 2.2.3-9 DN “ DN l.W.mm Gefälle R Pa/m

3/8“ 10 12,5

833

Druckgefälle R bei Warmwasser 80°C mit Stahlrohren, ε = 0,045 mm 1/2“ 15 16,0

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 400 500 600 800 1000

0,072 31 0,091 39 0,11 46 0,12 52 0,14 58 0,15 63 0,16 68 0,17 73 0,18 78 0,20 86 0,22 93 0,23 101 0,25 107 0,27 114 0,33 142 0,39 166 0,44 187 0,48 207 0,56 241 0,63 272 0,70 299 0,81 348 0,91 392

0,058 41 0,087 61 0,11 77 0,13 91 0,15 103 0,16 114 0,18 125 0,19 134 0,20 143 0,22 152 0,24 168 0,26 183 0,28 197 0,30 210 0,32 222 0,39 277 0,46 323 0,52 364 0,57 402 0,67 468 0,75 527 0,82 580 0,96 674 1,08 758

Mittelschwere Gewinderohre DIN EN 10255:2004-11 3/4“ 1“ 1 1/4“ 1 1/2“ 2“ 20 25 32 40 50 21,6 27,2 35,9 41,8 53,0 w = Geschwindigkeit in m/s m = Wasserstrom in kg/h 0,034 0,043 0,048 0,057 70 151 229 438 0,073 0,087 0,11 0,12 0,14 94 177 378 571 1085 0,11 0,13 0,16 0,17 0,21 140 262 556 839 1590 0,14 0,16 0,20 0,22 0,26 176 329 696 1049 1985 0,16 0,19 0,23 0,26 0,30 206 386 815 1228 2321 0,18 0,21 0,26 0,29 0,34 234 436 921 1387 2619 0,20 0,24 0,29 0,32 0,37 258 482 1018 1531 2889 0,22 0,26 0,31 0,35 0,41 281 525 1107 1664 3038 0,24 0,28 0,34 0,37 0,44 303 564 1190 1788 3371 0,25 0,30 0,36 0,40 0,47 323 602 1268 1905 3590 0,27 0,31 0,38 0,42 0,49 342 637 1342 2016 3798 0,29 0,35 0,42 0,46 0,54 378 703 1480 2223 4185 0,32 0,38 0,45 0,50 0,59 411 764 1608 2414 4542 0,34 0,40 0,49 0,54 0,63 442 822 1727 2591 4875 0,37 0,43 0,52 0,57 0,67 471 875 1839 2759 5188 0,39 0,46 0,55 0,61 0,71 499 926 1945 2917 5484 0,48 0,57 0,68 0,75 0,88 620 1150 2411 3614 6786 0,56 0,66 0,79 0,88 1,02 723 1340 2806 4204 7887 0,64 815 0,70 897 0,81 1044 0,92 1174 1,01 1291 1,17 1500 1,31 1648

0,74 1507 0,82 1659 0,95 1929 1,07 2168 1,17 2384 1,36 2768 1,53 3106

0,89 3155 0,98 3470 1,14 4032 1,28 4527 1,41 4975 1,63 5772 1,83 6475

0,98 4724 1,08 5195 1,26 6033 1,41 6772 1,55 7441 1,80 8630 2,02 9678

1,15 8858 1,26 9737 1,46 11301 1,64 12680 1,80 13927 2,09 16144 2,34 18098

2 1/2“ 54 68,8

3“ 80 80,8

4“ 100 105,3

0,069 892 0,17 2191 0,25 3202 0,31 3990 0,36 4660 0,40 5253 0,45 5792 0,48 6288 0,52 6752 0,55 7188 0,58 7601 0,64 8370 0,70 9079 0,75 9741 0,80 10362 0,84 10951 1,04 13535 1,21 15719

0,077 1380 0,19 3373 0,27 4922 0,34 6128 0,40 7152 0,45 8059 0,50 8881 0,54 9639 0,58 10347 0,61 11012 0,65 11642 0,71 12817 0,77 13899 0,83 14907 0,88 15856 0,93 16753 1,15 20693 1,34 24021

0,093 2822 0,22 6853 0,33 9974 0,41 12398 0,47 4456 0,53 16276 0,59 17926 0,64 19447 0,68 20866 0,73 22200 0,77 23463 0,85 25816 0,92 27983 0,98 30003 1,05 31901 1,11 33698 1,36 41581 1,58 48238

1,36 17645 1,49 19389 1,73 22488 1,94 25220 2,13 27692 2,47 32084 2,76 35955

1,50 26957 1,65 29614 1,91 34335 2,15 38498 2,36 42263 2,73 48951 3,06 54847

1,78 54109 1,95 59421 2,26 68858 2,53 77177 2,78 84702 3,22 980067 3,61 109846

· · · · Wärmeleistung Q = m · Δt · 4,2/3,6 in W. Bei Δt 20°C : Q = m · 23,33 in W.

2

834

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

(Fortsetzung) DN l.W.mm Gefälle R Pa/m 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 400 500 600 800 1000

40 39,3

50 51,2

60 57,7

0,046 193 0,11 483 0,17 710 0,21 881 0,25 1040 0,28 1175 0,31 1297 0,33 1410 0,36 1516 0,38 1615 0,40 1710 0,44 1885 0,48 2047 0,52 2198 0,55 2341 0,58 2475

0,055 399 0,14 988 0,20 1449 0,25 1809 0,29 2116 0,33 2387 0,37 2634 0,40 2862 0,43 3074 0,45 3274 0,48 3464 0,53 3817 0,58 4143 0,62 4447 0,66 4733 0,69 5003

0,060 553 0,15 1364 0,22 1998 0,27 2493 0,32 2913 0,36 3286 0,40 3624 0,43 3936 0,46 4228 0,49 4502 0,52 4762 0,57 5246 0,62 5692 0,67 6109 0,71 6500 0,75 6871

0,72 3068 0,84 3569 0,95 4011 1,04 4412 1,21 5142 1,36 5753 1,49 6322 1,73 7333 1,94 8224

0,86 6192 1,00 7197 1,12 8084 1,23 8887 1,43 10315 1,61 11575 1,777 12714 2,05 14739 2,29 16523

0,93 8499 1,08 9875 1,21 11089 1,33 12188 1,55 14142 1,73 15865 1,90 17424 2,21 20194 2,47 22635

Stahlrohre 65 80 90 70,3 82,5 94,4 w = Geschwindigkeit in m/s m = Wasserstrom in kg/h 0,070 0,078 0,086 946 1460 2101 0,17 0,19 0,21 2321 3567 5117 0,25 0,28 0,30 3393 5204 7455 0,31 0,35 0,38 4227 6478 9273 0,36 0,40 0,44 10816 4936 7559 0,41 0,46 0,50 5564 8517 12181 0,45 0,50 0,55 6134 9386 13420 0,49 0,54 0,59 6660 10187 14561 0,53 0,58 0,64 7150 10934 15626 0,56 0,62 0,68 7611 11637 16628 0,59 0,66 0,72 8049 12303 17576 0,65 0,72 0,79 8863 13543 19343 0,71 0,79 0,86 9614 14686 20970 0,76 0,84 0,92 10313 15751 22487 0,81 0,90 0,98 10971 16753 23913 0,85 0,95 1,03 11594 17701 25262 1,06 1,17 1,27 14329 21861 31184 1,23 1,36 1,48 16639 25376 36186 1,38 1,52 1,66 18678 28477 40598 1,51 1,67 1,82 20523 31282 44589 1,75 1,94 2,11 23802 36268 51682 1,97 2,17 2,37 57934 26694 40663 2,16 2,39 2,60 29309 44639 63590 2,50 2,76 3,01 33956 51702 73636 2,80 3,10 3,37 38051 57928 82489

100 100,8

110 107,1

125 125,0

0,090 2509 0,22 6098 0,32 8879 0,40 11040 0,46 12874 0,52 14496 0,57 15968 0,62 17324 0,67 18589 0,71 19779 0,75 20905 0,82 23004 0,89 24936 0,96 26737 1,02 28431

0,094 2954 0,23 7170 0,33 10434 0,41 12969 0,48 15121 0,54 17024 0,59 18749 0,65 20339 0,69 21822 0,74 23217 0,78 24538 0,86 26997 0,93 29263 1,00 31374 1,06 33359

0,10 4478 0,25 10830 0,37 15737 0,46 19545 0,53 22774 0,60 25630 0,66 28219 0,71 30604 0,76 32828 0,81 34919 0,86 36899 0,95 40586 1,02 43982 1,10 47146 1,17 50120

1,08 30034 1,33 37065 1,54 43003 1,73 48241 1,90 52979 2,20 61399 2,47 68821 2,71 75534 3,13 87458 3,51 97967

1,12 35237 1,38 43478 1,60 50436 1,80 56574 1,97 62126 2,28 71990 2,56 80687 2,81 88552 3,25 102522 3,64 114834

1,23 52934 1,52 65279 1,76 75701 1,98 84892 2,17 93206 2,52 107976 2,82 120996 3,09 132771 3,58 153685 4,01 172115

2.2.3 Verteilung

835

(Fortsetzung) DN l.W. mm Gefälle R Pa/m 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 400 500 600 800 1000

Nahtlose Stahlrohre Wasser 80°C 135 150 175 200 131,7 150,0 181,8 206,5 w = Geschwindigkeit in m/s m = Wasserstrom in kg/h 0,11 0,12 0,13 0,15 5153 7307 12228 17187 0,26 0,28 0,32 0,35 12447 17598 29328 41113 0,38 0,41 0,47 0,51 18078 25529 42476 59483 0,47 0,51 0,58 0,63 22446 31677 52658 73699 0,55 0,60 0,67 0,73 26150 36888 61283 85737 0,62 0,67 0,76 0,82 29425 41495 68904 96372 0,68 0,74 0,83 0,90 32393 45669 75808 106005 0,74 0,80 0,90 0,98 35128 49515 82168 114876 0,79 0,86 0,97 1,05 37678 53099 88094 123143 0,84 0,91 1,03 1,12 40076 56470 93666 130913 0,89 0,97 1,09 1,18 42346 59661 98940 138269 0,98 1,06 1,20 1,30 46573 65602 108759 151961 1,06 1,15 1,30 1,40 50446 71072 117797 164564 1,14 1,23 1,39 1,50 54093 76168 126217 176302 1,21 1,31 1,48 1,60 57502 80957 134129 187334 1,27 1,38 1,56 1,69 60728 85490 141617 197772 1,57 74877 1,82 86823 2,04 97356 2,24 106884 2,60 123812 2,91 138732 3,19 152226 3,70 176192 4,14 197312

1,70 105366 1,98 122144 2,21 136937 2,43 150317 2,82 174086 3,15 195037 3,46 213983 4,01 247632 4,49 277284

1,92 174443 2,23 202148 2,49 226571 2,74 248662 3,17 287900 3,55 322482 3,90 353754 4,51 409292 5,05 458232

2,08 243530 2,41 282144 2,70 316183 2,96 346969 3,43 401649 3,84 449840 4,21 493417 4,87 570804 5,45 638997

10 12,5

0,93 0,95 0,94 0,95 0,94 0,95 0,94 0,95 0,94 0,96 0,94 0,96 0,94 0,96 0,94 0,96 0,95 0,96 0,95 0,96 0,95 0,96 0,95 0,97 0,95 0,97 0,96 0,97 0,96 0,97 0,96 0,98 0,96 0,98 0,96 0,98 0,97 0,98 0,97 0,98

Korrekturfaktor bei Wassertemp. 50°C 50 100 150 53,0 100,8 150,0 w = Geschwindigkeit in m/s m = Wasserstrom in kg/h 0,93 0,94 0,95 0,95 0,96 0,96 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,97 0,95 0,96 0,96 0,97 0,97 0,98 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,97 0,95 0,96 0,98 0,97 0,98 0,96 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,96 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,97 0,96 0,97 0,98 0,99 0,98 0,96 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,96 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 1,00 0,98 1,00

0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00

0,98 0,99 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,99 1,00

200 206,5

0,95 0,97 0,96 0,98 0,96 0,98 0,97 0,98 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,97 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 0,99 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,98 1,00 0,99 1,00 0,99 1,00 0,99 1,00

2

836

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.3-10 ζ-Werte von Einzelwiderständen.

0,6 180 1,4 980

Wassergeschwindigkeit w in m/s Z in Pa

Wassergeschwindigkeit w in m/s Z in Pa

1,5 1130

0,7 245

0,08 3,2

1,6 1280

0,8 320

0,10 5

1,7 1445

0,9 405

0,15 11

1,8 1620

1,0 500

0,20 20

6 12 22 156

Dampfgeschwindigkeit w in m/s Z in Pa

Dampfgeschwindigkeit w in m/s Z in Pa

24 186

8 20 26 218

10 32 28 253

12 46 30 290

14 63

Tafel 2.2.3-12 Einzelwiderstand Z = ξ (ρ/2) w2 für ξ = 1 bei Niederdruckdampfheizungen (ρ = 0,645 kg/m3)

0,06 1,8

Wassergeschwindigkeit w in m/s Z in Pa

Tafel 2.2.3-11 Einzelwiderstand Z = ξ (ρ/2) w2 in Pa für ξ = 1 bei Warmwasserheizungen (Z ≈ 500 w2) 0,40 80 1,2 720 2,0 2000

18 104 34 372

0,30 45 1,1 605 1,9 1805

16 82 32 330

36 418

20 129

2,5 3125

1,3 845

0,50 125

2.2.3 Verteilung 837

2

0,44

3,0

0,60

0,59

0,58

0,56

0,52

0,47

15 16,0

0,88

0,86

0,85

0,82

0,76

0,68

20 21,6

1,17

1,15

1,13

1,10

1,02

0,92

25 27,5

1,66

1,63

1,61

1,56

1,45

1,31

32 35,9

2,01

1,97

1,94

1,88

1,75

1,58

40 41,8

2,59

2,54

2,50

2,43

2,26

2,04

50 51,2

3,83

3,76

3,70

3,59

3,35

3,03

65 70,3

5,85 5,95

4,66

5,75

5,59

5,22

4,74

100 100,8

4,58

4,50

4,37

4,08

3,70

80 82,5

9,65

9,49

9,34

9,08

8,48

7,72

150 150,0

14,2

14,0

13,7

13,4

12,5

11,4

200 206,5

18,8

18,5

18,2

17,7

16,5

15,1

250 260,4

23,1

22,7

22,4

21,8

20,4

18,6

300 309,7

30,3

29,8

29,4

28,6

26,8

24,5

400 388,8

Nahtlose Gewinderohre DIN EN 10216-2:2004-07

Zahlenwerte berechnet nach der Gleichung von Colebrook mit ε = 0,045 mm.

0,42

0,43

2,0

0,41

1,0

1,5

0,38

0,5

10 12,5

0,34

DN IW

Mittelschwere Gewinderohre DIN EN 10255:2004-11

0,25

Geschw. w m/s

Tafel 2.2.3-13 Gleichwertige Rohrlängen lgl = ξu d/λ in m für Warmwasser 80° C bei ξu = 1

39,6

38,9

38,3

37,3

35,0

32,0

500 486,0

0,98

0,97

0,97

0,96

0,94

0,92

10

0,98

0,98

0,97

0,96

0,95

0,93

100

bei 50 ° C

0,98

,98

0,97

0,96

0,95

0,94

500

0,92

0,90

0,88

0,85

0,80

0,75

10

0,93

0,90

0,89

0,86

0,82

0,79

100

bei 10 °C

Korrekturfaktor für Wasser

0,93

0,91

0,90

0,87

0,84

0,81

500

838 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

4,5 17,5 32,5 79,0 120 250 365 495 580 700 870 1050 1280 1450

15 20 25 32 40 50 (57) l. Ø 60 65 (76) l. Ø 80 (88) l. Ø 90 100

l ≤ 50 m

l > 50 u. < 100 m

waagrecht oder lotrecht

7,0 25 49 115 180 370 550 740 870 1050 1300 1570 1920 2150

3 32 81 145 315 435 750 1100 1450 1750 2150 2600 3100 3600 4000

4

6 10 29 46 100 133 250 365 500 580 700 870 1050 1280 1450

5 21 52 93 200 290 510 720 990 1220 1450 1750 2100 2300 2800

l > 100 m

*) l bedeutet die Länge der Rohrleitung des untersten und vom Kessel entferntesten Heizkörpers. Die Durchmesser der Luftleitungen bei nassen Konden-satleitungen sind nach Spalte 4 zu wählen.

2

lotrecht

Nasse Leitungen

Die für die Bildung des Kondenswassers dem Dampf entzogene Wärmemenge in kW

Trockene Leitungen waagrecht mit Gefälle

1

DN

Durchmesser d

Tafel 2.2.3-14 Durchmesser der Kondensatwasserleitungen für Dampfheizungen*)

2.2.3 Verteilung 839

2

300

240

180

120

80

60

50

40

30

24

18

12

8

5

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

Q·

w

3,0 18

2,66 16

2,28 14

1,83 10

1,45 9

1,23 7

1,11 7

0,98 6

0,83 5

0,73 4

0,63 4

–

–

–

12,25

Q·

1. W. mm

Druckgefälle R in Pa/m

⅜˝

DN

5,93 22,5

5,26 18

4,50 16

3,61 12

2,87 10

2,45 9

2,22 8

1,95 7

1,65 6

1,47 5

1,24 4

0,98 4

–

–

15,75

½˝

13,4 27,5

11,7 22,5

10,1 20

8,12 16

6,49 12

5,52 10

4,99 10

4,41 9

3,77 7

3,33 7

2,81 6

2,24 4

1,76 3

–

21,25

¾˝

25,2 30

22,4 27,5

19,3 22,5

15,5 18

12,3 16

10,6 12

9,57 12

8,46 10

7,21 9

6,37 8

5,42 7

4,30 5

3,43 4

2,62 3

27,00

1˝

53,5 35

47,4 35

40,8 27,5

32,8 22,5

26,4 18

22,6 16

20,5 14

18,0 12

15,3 10

13,6 10

11,6 8

9,25 6

7,37 5

5,65 4

35,75

1¾˝

Mittelschwere Gewinderohre DIN EN 10255

64

60

78,1 40

69,4 35

59,6 30

47,9 25

38,6 20

33,1 18

30,0 16

26,6 14

22,7 12

20,1 10

17,1 9

13,6 7

10,9 6

8,35 4

141 45

126 40

108 35

86,9 30

69,9 22,5

59,9 20

54,3 18

48,1 16

41,2 14

36,5 12

31,0 10

24,9 8

19,9 7

15,2 5

–

222 50

192 40

155 35

124 27,5

107 22,5

97,0 20

85,9 18

73,7 16

65,4 14

55,8 12

44,7 10

35,7 8

27,4 6

70

–

284 50

243 455

195 35

158 30

136 25

123 22,5

109 20

93,6 18

82,9 16

70,9 12

56,7 10

45,4 8

–

–

376 50

303 40

245 30

210 27,5

191 25

170 22,5

145 20

129 16

110 14

88,4 12

70,6 9

54,5 7

82,5

80

–

–

–

510 45

414 35

355 30

322 27,5

286 25

245 22,5

217 20

187 16

150 14

120 10

92,7 8

100,5

100

–

–

–

909 50

735 40

631 35

574 35

510 30

438 25

388 22,5

334 20

269 16

215 12

166 10

125

125

Nahtlose Rohre DIN EN 10216-02 65

35,0 6

w = Dampfgeschwindigkeit in m/s

51,50

50

Q· = Wärmeleistung in kW

41,25

1½˝

Tafel 2.2.3-15 Berechnung der Rohrweiten bei Niederduckdampfheizungen (Rohrreibungstafel)

–

–

–

–

1186 45

1026 40

930 35

826 35

710 27,5

631 25

541 22,5

435 18

350 14

271 10

150

150

–

–

–

–

–

2303 50

2093 45

1837 40

1593 35

1419 30

1221 25

981 20

790 166

615 14

204

200

840 2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3 Verteilung

2.2.3-3.2

841

Kupferrohre1)

Kupferrohre werden in allen Bereichen der Heizungs- und Klimatechnik angewendet, insbesondere aber auch in speziellen Anwendungsbereichen (Kälte- und Solaranlagen, Flächenheizungen, etc.). Es werden verschiedene Festigkeitszustände (weich, halbhart, hart) und Lieferlängen angeboten. Kupferrohre sind korrosionsbeständig2) und weisen gegenüber Stahl- und Kunststoffrohren eine weitaus geringere Rauhigkeit der Innenoberflächen auf, weshalb Kupferrohrsysteme im Allgemeinen kleiner dimensioniert werden können (wichtig z. B. bei Verlegung im Fußbodenbau). Wärmedehnung: 1,7 mm bei 100 K Temperaturdifferenz je Meter Rohr (Nennweitenunabhängig). Die Eigenschaften von Kupferrohren für Installationszwecke werden in DIN EN 1057 beschrieben. Diese Norm gilt für nahtlose Rundrohre mit einem Außendurchmesser von 6 bis 267 mm. Wesentliche Anforderungen: – Zuordnung von Außendurchmessern und Wanddicken (Tafel 2.2.3-16) – einheitliche Festigkeitszustände und Lieferlängen (Tafel 2.2.3-17) – Kennzeichnung der Rohre – eingeengte Außendurchmessertoleranzen für die Kapillarlötung – Werkstoff Cu-DHP (CW024 A), sauerstofffreies Kupfer Tafel 2.2.3-16 Kupfer-Installationsrohre nach DIN EN 1057 (Auswahl) Abmessung Außendurchmesser × Wanddicke (mm)

Volumen

Zul. Betriebsdruck*)

(l/m)

10 × 0,6

0,061

10 × 1

Volumen

Zul. Betriebsdruck*)

(bar)

Abmessung Außendurchmesser × Wanddicke (mm)

(l/m)

(bar)

63

28 x 1,5

0,491

57

0,05

111

35 × 1,2

0,4835

36

12 × 0,7

0,088

62

42 x 1,2

1,232

30

12 × 1

0,079

91

54 × 1,5

2,043

29

14 × 0,8

0,121

60

64 × 2

2,827

32

15 × 0,8

0,141

56

76,1 × 2

4,083

27

15 × 1

0,133

71

88,9 × 2

5,661

23

18 × 1

0,201

59

108 × 2,5

8,332

24

22 × 1

0,314

48

133 x 3

12,668

23

28 × 1

0,531

37

159 × 3

18,385

19

*) Errechnet mit 4-facher Sicherheit nach AD 2000-Merkblättern B0/B1.

1) 2)

Deutsches Kupferinstitut: Informationsdruck „i. 158 – Die fachgerechte Kupferrohr-Installation“. VDI 2035 Blatt 2 „Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizungsanlagen – Wasserseitige Korrosion“, 08-2009.

2

842

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.3-17 Lieferformen und -längen von Kupferrohren nach DIN EN 1057 Lieferform

Außendurchmesser mm

Festigkeitszustand R in MPa

Lieferlänge

in Ringen gerade gerade

6 bis 22 12 bis 28 6 bis 267

R220 (weich) R250 (halbhart) R290 (hart)

25/50 m 5m 5m

Bei Eignung kann ein Gütezeichen RAL für Kupferrohre vergeben werden. Die Gütebedingungen der Gütegemeinschaft Kupferrohr e.V. enthalten gegenüber DIN EN 1057 ergänzende Anforderungen und Vorschriften zur Prüfung von Kupferrohren. Kennzeichnung: Auf den Rohren müssen folgende Angaben dauerhaft angebracht sein: EN 1057 – Außendurchmesser × Wanddicke – Kennzeichen des Herstellers – Herstelldatum (Jahr+Quartal oder Jahr+Monat) – Kennzeichnung halbharter Rohre durch das Symbol „HH“. Zusätzlich für RAL-Güterohre: vereinfachtes Gütezeichen (Kreis mit zentriertem Punkt) und Herstellungsland in deutscher Sprache. Abmessungen bis 54 mm sind auch als kunststoffummantelte oder werkseitig wärmegedämmte Rohre nach EnEV erhältlich. Verbindungen1) In der Heizungstechnik steht eine Vielzahl von Verbindungstechniken zur Verfügung, wie sie nur bei Kupferrohren geboten wird. Lösbare Verbindungen: – Verschraubungen mit Löt- oder Pressstutzen, – Klemmringverschraubungen nach DIN EN 1254-2 (Bild 2.2.3-10), – Flanschverbindungen. Tafel 2.2.3-18 Zul. Betriebsdrücke*) bei Verwendung von Lötfittings nach DIN EN 1254 Lötverfahren

Weichlöten/ Hartlöten

Betriebstemperatur °C

Betriebsüberdruck für Rohraußendurchmesser bar 6 bis 28

bar 35 bis 54

bar 64 bis 108

30

25

25

16

65

25

16

16

110

16

10

10

*) In Abhängigkeit vom gewählten Lötverfahren sind weitaus höhere Temperaturen und Betriebsdrücke technisch realisierbar. Hierzu sind Freigaben vom Fitting- und Lothersteller einzuholen.

1)

In anderen Anwendungsbereichen (Trinkwasser-, Gasinstallation, usw.) bestehen z. T. besondere Vorschriften hinsichtlich der zu verwendenden Verbindungstechniken. Das jeweils geltende Regelwerk ist zu beachten.

2.2.3 Verteilung

843

Bild 2.2.3-10. Klemmringverschraubung nach EN 1254-2.

2

Bild 2.2.3-11. Pressfitting nach prEN 1254-7.

Nicht lösbare Verbindungen: – Hartlötverbindung mit Kapillarlötfittings nach DIN EN 1254-1, -4 und -5 oder mit handwerklich gefertigten Bogen, Abzweigen und Muffen, – Weichlötverbindung mit Kapillarlötfittings nach EN 1254-1 und -4, – Pressverbindung mit Pressfittings nach prEN 1254-7 (Bild 2.2.3-11), – Schweißverbindung mit Einschweißbogen nach DIN 2607, – Steckverbindung mit Steckfittings nach prEN 1254-6. Kapillarlötfittings mit Güte- und/oder DVGW-Zeichen sind bauteilgeprüft. Zulässige Betriebsdrücke der Verbindungsstellen – je nach Verbindungsart, Betriebstemperatur und Abmessung – sind in DIN EN 1254 festgelegt und erfassen in vollem Umfang die üblichen Betriebsbedingungen der Haustechnik (Tafel 2.2.3-18). In Heizungsanlagen und anderen geschlossenen Systemen (z. B. Solaranlagen, etc.) können Kupferrohre völlig unproblematisch gleichzeitig mit Stahl, Gusseisen und anderen Werkstoffen verwendet werden. Dies gilt nicht für mit Frisch- oder Trinkwasser beaufschlagte Systeme wie beispielsweise Warmwasser-Installationen; hier ist die „Fließregel“ zu beachten (Kupfer in Fließrichtung nur hinter Stahl, s. DIN EN 806 und DIN 1988). Kupferrohre für weitere Anwendungsbereiche: – Kälte- und Klimatechnik DIN EN 12735-1 (s.a. Kapitel 5 „Kältetechnik“) – Medizinische Gase und Vakuum DIN EN 13348.

844

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3-3.3

Kunststoffrohre

Kunststoffrohre sind bei Heizungsinstallationen Stand der Technik. Dies gilt sowohl für den Einsatz bei Flächenheizungen in den Bauteilen Fußboden, Wand und Decke, als auch für Anbindeleitungen von freien Raumheizflächen (gem. VDI 6030: Raumheizkörper und Strahlplatten) innerhalb der Fußbodenkonstruktion als waagerechte Verteilung aus einem Etagenverteiler. Aufgrund der Permeationsfähigkeit des Rohrmaterials Kunststoff, sollten grundsätzlich sauerstoffdichte Rohre geprüft nach DIN 4726 eingesetzt werden, die eine DIN CERTCORegistrierung nach dieser Norm aufweisen können. Bei Fußbodenheizung sollte auch das System selbst DIN-geprüft nach DIN CERTCO sein. Damit ist sichergestellt dass die Anforderungen an die Installation gemäß DIN EN 1264-4 erfüllt werden können. Besonderheiten: – Montagevorteil durch die hohe Flexibilität des Kunststoffmaterials, – Kaltverlegung ohne Löt- oder Schweißarbeiten, – Verbindungen und Anschlüsse durch auf dauerhaft sichergestellte Dichtigkeit geprüfte Klemm- oder Pressverbinder (VOB DIN 18380), – hohe Korrosionssicherheit, auch gegen chemikalische Einwirkungen, – glatte nicht zur Verkrustung oder Fließgeräusch neigende Innenoberfläche, – trotz großer Wärmedehnung problemlose Spannungsaufnahme durch geringe Reaktionskräfte bei fester Einbindung im Estrich oder beim Rohr-in-Rohr-System, – hygienische Unbedenklichkeit, – die Installationsanleitungen der Hersteller sind zu beachten. 2.2.3-3.3.1

Rohrmaterialien

Die hauptsächlich zum Einsatz kommenden Kunststoffrohrmaterialien sind: – Vernetztes Polyethylen hoher Dichte, (PE-X), DIN EN ISO 15875 – Polypropylen (PP) DIN EN ISO 15874 – Polybuten (PB) DIN EN ISO 15876. In den DIN EN ISO – Normen werden die Betriebsbedingungen für 4 typische Anwendungsgebiete (Anwendungsklassen) detailliert mit Angabe der jeweiligen „Berechnungstemperatur TD“ festgelegt, Klasse 1 Warmwasserversorgung TD = 60 °C, Klasse 2 Warmwasserversorgung TD = 70 °C, Klasse 3 (nicht vergeben), Klasse 4 Fußbodenheizung und Niedertemperatur-Radiatorenheizung TD = 40/60 °C, Klasse 5 Hochtemperatur- Radiatorenanbindungen, TD = 60/80 °C, unter Berücksichtigung einer Betriebsdauer von 50 Jahren. Die für jeden Werkstoff vorliegenden Diagramme über das Zeitstand – Innendruckverhalten in diesen Normen ermöglichen den für die Betriebsdauer noch vorhandenen Sicherheitsbeiwert, über die Betriebsdauer, die kumulative Temperatur und die sich daraus anzulesende Vergleichsspannung in N/mm2, zu berechnen. Somit für die Materialentscheidung ein wichtiges Hilfsmittel. Als weitere neuere Kunststoff-Rohrwerkstoffe werden – Vernetztes Polyethylen mittlerer Dichte (PE-MDX), DIN EN ISO 15875 – Polyethylen erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) DIN EN ISO 15875 sowie – Mehrschichtverbundrohre, für die es bisher keine Normung gibt, angeboten. PVC-Rohre haben in der Heizungstechnik keine Bedeutung mehr!

2.2.3 Verteilung

845

Tafel 2.2.3-19 Druckgefälle R bei Kupferrohren, mittlere Heizmitteltemperatur 70 °C (75 °C/65 °C) in Warmwasserheizungen*) Rohr

10 × 0,6

10 × 1

12 × 0,7

12 × 1

14 × 0,8

v m/s

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00

21 32 43 54 64 75 86 96 107 118 128 139 150 161 171 182 193 203 214 236 257 278 300 321 343 364 385 407 428 450 471 492 514 535 557 578 599 621 642

28 55 89 131 179 234 295 362 434 513 597 687 783 883 990 1101 1218 1340 1467 1736 2026 2335 2664 3012 3379 3766 4171 4594 5036 5497 5975 6472 6987 7519 8070 8638 9223 9827 10447

18 27 35 44 53 62 71 80 88 97 106 115 124 133 142 150 159 168 177 195 212 230 248 265 283 301 318 336 354 372 389 407 425 442 460 478 495 513 531

31 62 101 148 202 264 333 408 490 579 674 775 882 996 1115 1241 1372 1509 1652 1955 2281 2629 2998 3390 3803 4237 4692 5168 5664 6182 6719 7277 7856 8454 9072 9710 10368 11045 11742

31 47 62 78 93 109 124 140 155 171 186 202 217 233 249 264 280 295 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 714 746 777 808 839 870 901 932

22 43 70 103 141 184 233 286 343 406 473 544 620 700 784 873 966 1063 1164 1378 1608 1854 2116 2393 2686 2994 3316 3654 4006 4373 4755 5151 5561 5986 6425 6878 7345 7826 8321

28 41 55 69 83 97 111 124 138 152 166 180 194 207 221 235 249 263 276 304 332 359 387 415 442 470 498 525 553 581 608 636 664 691 719 746 774 802 829

23 46 76 111 152 199 251 308 370 437 509 585 667 753 843 939 1038 1142 1251 1481 1729 1993 2274 2572 2886 3216 3563 3925 4303 4697 5107 5532 5972 6428 6899 7386 7887 8403 8935

43 64 85 106 128 149 170 191 213 234 255 276 298 319 340 361 383 404 425 468 510 553 595 638 680 723 765 808 850 893 935 978 1020 1063 1105 1148 1190 1233 1275

18 35 57 84 116 151 191 235 282 333 388 447 510 576 645 718 795 875 958 1135 1325 1528 1744 1973 2215 2469 2735 3014 3305 3609 3924 4251 4591 4942 5305 5679 6066 6464 6873

*) Werte für andere Temperaturen können den kostenlosen technischen Unterlagen der Kupferrohr-Hersteller entnommen werden.

2

846

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

(Fortsetzung) Rohr

15 × 0,8

15 × 1

18 × 1

22 × 1

28 × 1,5

v m/s

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

kg/h

R Pa/m

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00

50 74 99 124 149 174 199 223 248 273 298 323 347 372 397 422 447 472 496 546 596 645 695 745 794 844 894 943 993 1042 1092 1142 1191 1241 1291 1340 1390 1440 1489

16 32 52 76 105 137 173 213 256 303 353 406 463 523 586 652 722 795 870 1031 1204 1389 1585 1794 2014 2245 2487 2741 3006 3282 3569 3867 4176 4496 4826 5167 5519 5882 6255

47 70 93 117 140 164 187 210 234 257 280 304 327 350 374 397 421 444 467 514 561 607 654 701 748 794 841 888 934 981 1028 1075 1121 1168 1215 1262 1308 1355 1402

17 33 54 79 109 142 180 221 266 314 366 422 480 543 608 677 749 825 904 1070 1250 1442 1646 1862 2090 2330 2581 2845 3120 3406 3704 4013 4333 4665 5008 5362 5727 6102 6489

71 106 142 177 212 248 283 318 354 389 425 460 495 531 566 602 637 672 708 779 849 920 991 1062 1132 1203 1274 1345 1416 1486 1557 1628 1699 1769 1840 1911 1982 2052 2123

13 25 41 61 84 110 139 170 205 242 283 326 371 419 470 524 580 638 699 829 968 1117 1275 1443 1621 1807 2003 2207 2421 2644 2876 3116 3365 3624 3890 4166 4450 4742 5044

111 166 221 276 332 387 442 498 553 608 664 719 774 829 885 940 995 1051 1106 1216 1327 1438 1548 1659 1769 1880 1991 2101 2212 2322 2433 2543 2654 2765 2875 2986 3096 3207 3318

9 19 31 46 63 83 105 129 155 184 214 247 282 318 357 398 440 485 532 630 736 850 971 1099 1234 1377 1526 1683 1846 2016 2193 2377 2567 2765 2969 3179 3397 3620 3851

173 259 346 432 518 605 691 778 864 950 1037 1123 1210 1296 1382 1469 1555 1642 1728 1901 2073 2246 2419 2592 2765 2937 3110 3283 3456 3629 3801 3974 4147 4320 4493 4665 4838 5011 5184

7 14 24 35 48 63 79 98 118 139 163 188 214 242 271 303 335 369 404 480 561 648 740 838 941 1050 1164 1284 1409 1539 1674 1815 1961 2112 2268 2429 2595 2766 2943

2.2.3 Verteilung

847

PE-Rohre Das Rohrmaterial PE ist ein teilkristalliner Thermoplast. Gemäß den unterschiedlichen Polymerisationsverfahren wird zwischen dem in langen Molekülketten verzweigten Polyethylen niederer Dichte (PE-LD) und dem weitgehend unverzweigten, linearen Polyethylen mittlerer (PE-MD) und hoher Dichte (PE-HD) unterschieden. Kennzeichnendes Merkmal von Polyethylen ist die hohe Chemikalienbeständigkeit. PE-X-Rohre Die Basis ist ein PE-Rohr unterschiedlicher Dichte. Die Vernetzung (nur bei MD+HD) bewirkt eine physikalische Verknüpfung der Molekülketten zu einem dreidimensionalen Netzwerk der Molekülketten. Die Vernetzungsverfahren sind in der DIN 16892 unterteilt in a) peroxidische Vernetzung, b) Silanvernetzung und c) Strahlenvernetzung. Die Vernetzung wird mit einer Ausnahme, der Hochdruckvernetzung, am fertig produzierten PE-Rohr vorgenommen. Die Hochdruckvernetzung nach Verfahren Engel wird während der Produktion in einem speziellen Extruder vorgenommen. Der vernetzte PE-Werkstoff weist eine hohe Gebrauchstemperatur, Zeitstandsfestigkeit (im Vergleich zu anderen üblichen Kunststoffmaterialien bisher kein Steilabfall beim Zeitstandsverhalten, auch über 50 Jahre hinaus), Kälteschlagfestigkeit sowie hohe Chemikalienbeständigkeit auf. PP-Rohre Das Rohrmaterial Polypropylen entsteht ebenfalls durch Polymerisation von Ethylen, so dass die PP-Rohre ähnliche Eigenschaften wie unvernetzte PE Rohre aufweisen. Durch Copolymerisationsverfahren können die Eigenschaften dieses Rohrtyps positiv beeinflusst werden. So gibt es 3 Typen von PP-Rohren, PP-H (Typ 1), PP-B (Typ 2) und PP-R (Typ 3), die je nach Betriebsanforderungen in Abstimmung mit der Zeitstandsfestigkeit bzw. mit dem vom Hersteller vorgegebenen Einsatzbereich verwendet werden können. PB-Rohre Das Rohrmaterial Polybuten ist wie PP ebenfalls ein teilkristalliner Thermoplast. Eine hohe Formbeständigkeit in der Wärme, sowie hohe Kriechfestigkeit sind weitere Qualitätsmerkmale als Eignung für hohe Beanspruchungen. Das Material ist außerdem schweißbar. Mehrschichtverbundrohre Mehrschichtverbundrohre unterscheiden sich von den bisher üblichen Kunststoffrohren durch ihren besonderen Aufbau der Wanddicke. Diese besteht aus 3 Schichten, Kunststoff/Aluminium/Kunststoff. Je nach Hersteller können die Kunststoffschichten auch aus 2 verschiedenen Kunststoffen bestehen. Die Besonderheit dieser Rohre ist einerseits die Einbindung einer Sauerstoffsperre in die Rohrwand durch die Aluminiumschicht und andererseits mit dieser Schicht die Rückstellfähigkeit des Vollkunststoffrohres zu verhindern. Die Biegung bei der Montage bleibt in der gewollten Form. Der Haupteinsatzbereich ist deshalb auch die Heizkörperanbindung und die Warmwasserversorgung. Die Schichtdicken, sind bei gleicher Gesamtwanddicke je nach Hersteller unterschiedlich. Eine Normung dieser Rohre ist noch nicht erfolgt. Rohrverbindungen, Fittings Kunststoffrohre werden mit Klemmverbindern in Verschraubungs- oder Presstechnik verbunden. Überwiegend setzt sich die Presstechnik durch. Bei dieser Verbindung, bestehend aus einer speziellen Stützhülse und einer Presshülse statt Klemmring, wird nicht durch manuelle verschraubende Pressung, sondern durch eine maschinelle Verpressung der Presshülse auf das durch die innere Hülse gestützte Rohr, eine unlösbare dauerhaft dichte Verbindung hergestellt. Da der Pressvorgang durch die Pessmaschine vollautomatisch erfolgt, ist größtmögliche Sicherheit in der Verbindungstechnik gegeben.

2.2.3-3.4

Schläuche

für Dampf- und Wasserleitungen werden aus nahtlosen Präzisionsrohren dadurch hergestellt, dass gewindeähnliche Rillen mehr oder weniger eng und tief auf das Rohr aufgewalzt werden. Material aus nichtrostendem Stahl; Schläuche also ganz aus Metall ohne Naht. Wellung und Wandstärken je nach Anforderungen verschieden. Vielfach verwendet zum Anschluss von Heizkörpern, Klimageräten, Ölleitungen u. a. Auch gewebeverstärkte Gummischläuche werden eingesetzt.

2

848

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Zur Aufnahme hoher Drücke und zum Schutz gegen Beschädigungen außen häufig Schutzgeflecht aus Stahldraht. Anschlussstücke für Muffenverbindung, Verschraubung mit Überwurfmutter, Flanschen. Nur leichte Festpunkte erforderlich. Verwendung auch als Lateral- sowie Schwingungsdämpfer für Kompressoren, Kältemaschinen, Pumpen usw.

2.2.3-3.5

Dehnungsausgleicher/Kompensatoren

Dehnungsausgleicher (auch Kompensatoren genannt) werden in Rohrleitungen zwischen Festpunkten eingebaut, um die Ausdehnung der Rohre bei Temperaturänderungen aufzunehmen. Bezogen auf eine Temperaturdifferenz von 100 °C beträgt z. B. die Längenänderung bei Stahlrohren ca. 1,2 mm/m, bei Kupferrohren ca. 1,7 mm/m und bei Kunststoffrohren ca. 8 mm/m. Zum Ausgleich der Längenänderungen werden verschiedene Formen von Rohr-Dehnungsausgleichern eingesetzt: – Rohrschenkel und Rohrbögen – Stopfbuchsen-Ausgleicher – Stahlbalg-Kompensatoren – Gummibalg-Kompensatoren 2.2.3-3.5.1

Rohrschenkel und Rohrbögen

Diese „natürlichen Dehnungsausgleicher“ sind in das Rohrleitungssystem integriert. Die Ausdehnung einer geraden Rohrstrecke wird durch die Ausbiegung von rechtwinklig angeordneten Rohrschenkeln aufgenommen. Es wird zwischen L-Rohrschenkeln, U-Rohrbögen und Lyra-Bögen (Sonderform der U-Rohrbögen) unterschieden. Natürliche Dehnungsausgleicher haben einen großen Raumbedarf und sind bezüglich Druck- und Temperaturbelastbarkeit an die Rohrleitungsauslegung angepasst. 2.2.3-3.5.1.1

Rohrschenkel-Länge

Länge der L-Rohrschenkel in Stahlleitungen l = 0,65 ·

Df

Länge der Rohrschenkel von U-Rohrbögen in Stahlleitungen (Bild 2.2.3-12.) l = 0,205 ·

Df

Länge der Rohrschenkel von U-Rohrbögen in Kupferleitungen l = 0,32 · l D f

Df

Länge des Rohrschenkels im m Rohr-Außendurchmesser in cm Dehnung der Rohrleitung in cm

2.2.3 Verteilung

849

Bild 2.2.3-12. U-Rohrbogen aus Stahl, 50% Vorspannung.

2 Bild 2.2.3-13. Anordnung von Festpunkten und Führungslagern an U-Rohrbogen.

2.2.3-3.5.1.2

Festpunktkräfte an Rohrschenkel/Rohrbogen-Dehnungsausgleichern

Die durch Rohrdehnung auftretenden Bewegungen werden durch die L-Rohrschenkel und U-Rohrbögen ausgeglichen. Die dabei auftretenden Kräfte müssen durch ausreichend dimensionierte Festpunkte und Führungslager aufgenommen werden (Bild 2.2.3-13). Die genaue Berechnung der Kräfte ist sehr aufwendig. Nachstehend ist ein NäherungsBerechnugsverfahren (bezogen auf 400 °C, Stahlrohre St 35, Biegeradius R = 5 D, 50 % Vorspannung) angegeben.1) Festpunkt-Belastung an L-Rohrschenkeln: b1 ⋅ I FH = ----------2 l

l = l1 + l2

b2 ⋅ I Fv = ----------2 l

π(D – d ) I = -------------------------64

FHFP =

4

2

2

FH + Fv

Festpunkt-Belastung an Z-Rohrbögen b3 ⋅ I FH = ----------2 l b4 ⋅ I Fv = ----------2 l

1)

Weber, A. P.: Die Warmwasserheizung. 1970. Richarts, F.: HLH (1973).

4

850

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

FHFP = FHFP FH FV l, l1, l2 D d I b1,b2 b3, b4

2

2

FH + Fv

N N N m cm cm cm4 Nm2/cm4 Nm2/cm4

Hauptfestpunkt-Belastung horizontale Kraft vertikale Kraft Rohrschenkel-Länge Rohr-Außendurchmesser Rohr-Innendurchmesser Trägheitsmoment Berechnungsfaktor für L-Rohrschenkel aus Bild 2.2.3-14 Berechnungsfaktor für Z-Rohrbögen aus Bild 2.2.3-14

Zur Aufnahme großer Dehnungen erfolgt die Verlegung der Rohre mit Vorspannung, d. h., es wird schon während der Montage eine Dehnung erzeugt, die der Dehnung im Betriebszustand entgegengesetzt ist. Festpunkt-Belastung an U-Rohrbögen mit 50 % Vorspannung 10 ⋅ I ⋅ f FHFP = ----------------3 l ⋅C Hauptfestpunkt-Belastung FHFP N I cm4 Trägheitsmoment f cm gesamte Dehnung der Rohrleitung l m Länge der Schenkel am U-Rohrbogen C Berechnungsfaktor aus Bild 2.2.3-15

Bild 2.2.3-14. Berechnungsfaktoren b1, b2, b3, b4 zur Auslegung der Reaktionskräfte bei L-Rohrschenkeln und Z-Rohrbögen.

Bild 2.2.3-15. Berechnungsfaktor C.

Beispiel: D = 267 mm, l = 4,5 m = 17 D, f = 18 cm, I = 4516 cm4, C = 1,7 10 ⋅ 4516 ⋅ 18 - = 5248 N F = ------------------------------3 4 ,5 ⋅ 1 ,7 2.2.3-3.5.2

Stopfbuchsen-Ausgleicher

Stopfbuchsen-Ausgleicher können nur axiale Rohrleitungs-Bewegungen ausgleichen. Sie haben einen geringen Raumbedarf und können große Bewegungen aufnehmen. Die Stopfbuchs-Dichtungen müssen auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. Für die betriebssichere Funktion der Stopfbuchsen-Ausgleicher sind eine fachgerechte Rohrleitungsführung (Vermeidung von Verklemmungen) und eine regelmäßige Wartung erforderlich. Normale Stopfbuchsen-Ausgleicher erfordern ausreichend dimensionierte Festpunkte zum Aufnahme der durch Innendruck entstehenden Reaktionskräfte. Bei entlasteten Ausgleichern (Sonderbauform) können die Festpunkte schwächer dimensioniert werden.

2.2.3 Verteilung

2.2.3-3.5.3

851

Stahlbalg-Kompensatoren

Bei diesen Dehnungsausgleichern ist das bewegliche Grundelement als Balg ausgebildet. Neben der Dehnungsaufnahme werden Stahlbalg-Kompensatoren auch zur Reduzierung thermischer und mechanischer Spannungen in Rohrleitungssystemen, sowie zur Dämpfung von Schwingungen eingesetzt. Einsatzbereich: max. 25 bar Betriebsdruck, max. + 300 °C Betriebstemperatur (Standardausführung). Stahlbalg-Kompensatoren unterscheiden sich nach folgenden Kriterien: – in der Bauart (Axial-, Lateral, und Angularkompensatoren) – in der Balgausführung (abgestimmt auf Druck- und Temperaturbelastbarkeit) – nach dem Balgwerkstoff, abgestimmt auf das Fördermedium (z. B. Edelstähle 1.4541, 1.4571, 1.4404) – nach der Rohrleitungs-Anschlussart (Flansche, Schweißenden, Gewinde). 2.2.3-3.5.3.1

Stahlbalg-Axialkompensatoren

Stahlbalg-Axialkompensatoren nehmen Rohrausdehnungen in axialer Richtung bei geringem Raumbedarf auf (Bild 2.2.3-16). Die Kompensatoren können mit inneren Leitoder Führungsrohren ausgerüstet werden. Diese schützen den Balg vor turbulenten Strömungen und verhindern ein Ausknicken langer Bälge. Sie ersetzen jedoch keine Rohrführungslager. Äußere Schutzrohre verhindern eine Beschädigung der Bälge vor äußeren Einwirkungen.

Bild 2.2.3-16. Axialkompensator aus Edelstahl mit Anschweißenden oder Flanschen (Metallschlauchfabrik Pforzheim). Bild 2.2.3-17. Axialkompensatoren in der Zentralheizungsanlage eines vielstöckigen Gebäudes.

Der Einbau erfolgt oft mit 50 % Vorspannung, d. h. die Kompensatoren werden um die Hälfte der im Betrieb auftretenden Dehnung auseinandergezogen, um optimale Nutzung der Bewegung zu erreichen. Der Einbau in eine Zentralheizung ist in Bild 2.2.3-17 dargestellt. Beim Einbau von Axialkompensatoren sind kräftige Rohrleitungs-Festpunkte zur Aufnahme der Reaktionskräfte und eine fachgerechte Rohrführung notwendig. 2.2.3-3.5.3.2

Stahlbalg-Lateralkompensatoren

Stahlbalg-Lateralkompensatoren nehmen seitliche Verschiebungen der Rohrleitung auf. Sie werden in der Regel mit Zugstangen-Verspannungen ausgerüstet. Axialbewegungen werden durch die Verspannung verhindert. Die Festpunkte der Rohrleitung werden wesentlich geringer belastet, weil die meist außenliegenden Verspannungen die axialen Reaktionskräfte aufnehmen. Von den Rohrleitungsfestpunkten müssen nur laterale Balgverstellkräfte und Reibungskräfte aus den Zugstangen-Gelenken aufgenommen werden. Der Einbau von verspannten Kompensatoren erfolgt deshalb vorzugsweise in Leitungen mit großem Querschnitt. Leitrohre für Lateralkompensatoren werden in Abstimmung auf die seitliche Verschiebung konisch ausgeführt.

2

852

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Zur Aufnahme großer Bewegungen werden Lateralkompensatoren mit zwei Bälgen und Zwischenrohr eingesetzt (Bild 2.2.3-18 und Bild 2.2.3-19).

Bild 2.2.3-18. Lateral-Kompensator als Kugelgelenkkompensator (3fach verspannt) mit Anschweißende (STENFLEX, Hamburg).

Bild 2.2.3-19. Lateral-Kompensator (IWK).

Lateralkompensatoren werden oft zur Aufnahme großer Rohrleitungsbewegungen in 90°-Umlenkungen eingebaut (Bild 2.2.3-20) Bild 2.2.3-21. Rohrgelenksystem mit AngularKompensatoren für Dehnungsaufnahme aus zwei Richtungen.

Bild 2.2.3-20. Lateral-Kompensator in einer Rohrleitung für große Dehnungsaufnahme.

2.2.3-3.5.3.3

Stahlbalg-Angularkompensatoren

Stahlbalg-Angularkompensatoren führen Winkelbewegungen aus und sind mit Gelenkverspannungen versehen. Die Drehachse der Gelenkverspannung liegt in der Mitte des Balges. Die Angulargelenke regulieren eine definierte Winkelbewegung, nehmen axiale Reaktionskräfte auf und entlasten die Rohrleitungsfestpunkte. Es wird zwischen Angular-Kompensatoren mit einem Drehgelenk (Führung der Bewegung in einer Ebene) und Angular-Kompensatoren mit einem Kardangelenk (Führung der Bewegung in Kreisebene) unterschieden. Die Festpunkte der Rohrleitung werden gering belastet. Es müssen nur angulare Balgverstellmomente und Gelenkreibungsmomente aufgenommen werden. Der Einbau von Angularkompensatoren erfolgt vorzugsweise in Dreigelenk-Systemen (Bild 2.2.3-21). Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei winkliger Rohrleitungsverlegung sehr große Bewegungsaufnahmen möglich sind. Durch lange Hebel treten nur geringe Verstellkräfte auf. Der Einsatz erfolgt in Leitungssystemen mit großen Querschnitten, in langen Transportleitungen (z. B. Fernwärme) und in Kunststoff-Leitungssystemen (hohe Ausdehnung und geringe Festigkeit der Kunststoffrohre). 2.2.3-3.5.4

Gummibalg-Kompensatoren

Bei diesen Kompensatoren ist das bewegliche Grundelement als Gummibalg ausgebildet. Der elastische Balg besteht aus einem Verbundwerkstoff. Die innere Gummischicht (Seele) dichtet gegen das Fördermedium ab, die Festigkeitsträger aus Synthesefasern oder Stahldraht nehmen die Innendruckkräfte auf, die äußere Gummischicht (Decke) schützt den Balg vor äußeren Einflüssen (Bild 2.2.3-22). Neben der Dehnungsaufnahme werden Gummibalg-Kompensatoren hauptsächlich zur Reduzierung thermischer und mechanischer Spannungen an Pumpen und Aggregaten, sowie zur Dämpfung von Schwingungen und Geräuschübertragungen (Körperschall) eingesetzt. Einsatzbereich: max. 25 bar Betriebsdruck, max. + 110 °C Betriebstemperatur.

2.2.3 Verteilung

853

Gummikompensatoren für Heizungsanlagen sollen DIN 4809 entsprechen und das „DIN geprüft“-Gütezeichen tragen oder eine TÜV-Prüfnummer aufweisen. Gummibalg-Kompensatoren unterscheiden sich nach folgenden Kriterien: – in der Bauart (Universal-, Lateral, und Angularkompensatoren) – in der Balgausführung (abgestimmt auf Druck- und Temperaturbelastbarkeit) – nach dem Balgwerkstoff, abgestimmt auf das zu fördernde Medium (z. B. EPDM, NBR, CIIR) – nach der Rohrleitungs-Anschlussart (Flansche, Gewinde)

2 Bild 2.2.3-22. Schnittbild eines Gummibalg-Kompensators (STENFLEX, Hamburg).

Bild 2.2.3-23. Gummibalg-Kompensatoren in einer Heizungsanlage.

2.2.3-3.5.4.1

Gummibalg-Universalkompensatoren

Gummibalg-Universalkompensatoren nehmen Rohrausdehnungen in allen drei Richtungen (axial, lateral, angular) bei geringem Raumbedarf auf. Die Kompensatoren können zum Schutz vor turbulenten Strömungen oder zur Förderung von abrasiven Medien mit inneren Leitrohren ausgerüstet werden. Äußere Schutzhüllen, Schutzrohre oder Schutzhauben verhindern eine Beschädigung der Bälge vor äußeren Einwirkungen. Der Einbau in eine Zentralheizung ist in Bild 2.2.3-23 dargestellt. Beim Einbau von Gummibalg-Universalkompensatoren sind kräftige Rohrleitungsfestpunkte zur Aufnahme der Reaktionskräfte und eine fachgerechte Rohrführung notwendig. 2.2.3-3.5.4.2

Gummibalg-Lateralkompensatoren

Gummibalg-Lateralkompensatoren nehmen ebenso wie Stahlbalg-Lateralkompensatoren seitliche Verschiebungen der Rohrleitung auf. Auch sie werden mit Zugstangen-Verspannungen ausgerüstet. Bevorzugt werden Gummibalg-Lateralkompensatoren zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung an Pumpen eingebaut (Bild 2.2.3-24). Die Verspannung nimmt axiale Reaktionskräfte auf und entlastet das Pumpengehäuse. 2.2.3-3.5.4.3

Gummibalg-Angularkompensatoren

Gummibalg-Angularkompensatoren führen Winkelbewegungen aus und sind wie Stahlbalg-Angularkompensatoren mit Gelenkverspannungen versehen. Der Einbau von Gummibalg-Angularkompensatoren erfolgt wie bereits bei Stahlkompensatoren beschrieben vorzugsweise in Dreigelenk-Systemen (Bild 2.2.3-25). 2.2.3-3.5.5

Schwingungs- und Geräuschdämpfer

Schwingungs- und Geräuschdämpfer sind nicht für Bewegungsaufnahmen ausgelegt. Sie dienen nur zur Dämpfung von Geräusch- und Vibrationsübertragungen an Pumpen, Aggregaten und Motoren. Das Problem der Unterbrechung bzw. Dämpfung von Geräuschfortleitungen (Körperschall) ist wirkungsvoll nur mit Einbauelementen aus Gummi zu erzielen. Die Höhe der jeweiligen Geräuschpegelabsenkung ist aus den Druckschriften der Hersteller zu entnehmen.

854

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.3-24. Gummibalg-Lateralkompensatoren an einer Pumpe. Bild 2.2.3-26. StahlbalgKompensator mit Gummiflanschen bis 130°C (STENFLEX, Hamburg).

Bild 2.2.3-25. Rohrgelenksystem mit drei Gummibalg-Angularkompensatoren für Dehnungsaufnahme in zwei Richtungen.

In der Praxis werden drei verschiedene Arten von Schwingungs- und Geräuschdämpfern eingesetzt: – Gummibalg-Kompensator – Stahlbalg-Kompensator mit elastomergedämpften Flanschen – Gummimetall-Rohrverbinder Da Schwingungs- und Geräuschdämpfer keine Verspannungselemente besitzen, sind kräftige Rohrleitungs-Festpunkte zur Aufnahme der Reaktionskräfte und eine fachgerechte Rohrführung notwendig. Vor und hinter den Geräuschdämpfern sind Festpunkte anzuordnen (Bild 2.2.3-27). Schwingungs- und Geräuschdämpfer werden hauptsächlich an Pumpen und Aggregaten (Bild 2.2.3-26 und Bild 2.2.3-28) oder in Fernheizungs-Übergabestationen eingesetzt. 2.2.3-3.5.6

Rohrleitungs-Festpunkte an Kompensatoren und Schwingungs-/Geräuschdämpfern

Flexible Rohrleitungselemente (Stahlbalg-Kompensatoren, Gummibalg-Kompensatoren, Schwingungs- und Geräuschdämpfer) trennen das starre Rohrleitungssystem und machen die Rohrleitung, wenn keine Festpunkte vorhanden sind, instabil. Der Innenüberdruck induziert in der Rohrleitung Kräfte. Kraftrichtung und -höhe sind abhängig von der Nennweite, dem Rohrleitungs-Innendruck, der aufzunehmenden Bewegung und der Rohrleitungsführung. Fehlende Festpunkte bewirken eine Verschiebung der Rohrleitung. Ohne Festpunkte würde der Kompensator/Geräuschdämpfer bis zu seiner Belastungsgrenze gestreckt, was letzten Endes zum Zerreißen der elastischen Verbindung führen würde. Festpunkte sind auch bei niedrigen Betriebsdrücken notwendig, wenn Schwingungen kompensiert und die Rohrleitung entlastet werden soll. Die Anordnung von Festpunkten und Führungslagern ist in Bild 2.2.3-29 dargestellt. Es darf nur jeweils ein Kompensator/Geräuschdämpfer zwischen zwei Festpunkten angeordnet werden. Hauptfestpunkte HFP müssen die volle Belastung aufnehmen. Bei Zwi-

2.2.3 Verteilung

855

Bild 2.2.3-28. Gummimetall-Rohrverbinder zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung metallischer Rohrleitungen (STENFLEX, Hamburg). Bild 2.2.3-27. Pumpe elastisch und geräuschgedämpft angeschlossen und gelagert. Rohrleitung mit Festpunkten versehen. Pumpengehäuse durch Kompensatoren von Kräften und Spannungen entlastet.

schenfestpunkten ZFP entfallen die axialen Druckkräfte, da sie sich gegenseitig aufheben. Auf eine fachgerechte Ausführung der Festpunkte ist besonders zu achten. Die Festpunkte müssen so ausgeführt sein, dass die Rohrleitungskräfte in die vorgesehenen Abstützungen (Gebäudewand, Gebäudedecke oder Stahlkonstruktion) problemlos eingeleitet werden können. Pendelnde Rohraufhängungen sind keine Festpunkte.

Bild 2.2.3-29. Anordnung von Festpunkten und Führungslagern. = Abstand zwischen Kompensator/Geräuschdämpfer und Festpunkt oder zwischen L1 Kompensator/Geräuschdämpfer und 1. Führungslager (L1 ≤ 3 x DN) = Abstand zwischen 1. Führungslager und 2. Führungslager ( L2 = 0,5 x L3) L2 = Normalabstand zwischen zwei Führungslagern (s. Diagramm) L3 HFP = Hauptfestpunkt ZFP = Zwischenfestpunkt

2

856

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3-3.5.6.1

Festpunktkräfte an Axialkompensatoren und Schwingungs-/Geräuschdämpfern

Bei der Ermittlung der Festpunktbelastung ist folgende Vorgehensweise anzuwenden: Temperaturdifferenz der Rohrleitung Rohrdehnung f = α · L · Δt Δt = tmax – tmin Axiale Druckkraft (Reaktionskraft) Axiale Kompensator-Verstellkraft (50 % Vorspannung) f Fax = cax · -FD = A · p · 10 2 Reibungskraft in Rohrführungslager Hauptfestpunkt-Belastung FHFP = FD + Fax + FFl FFl = FR · L · μ tmin tmax

α

°C °C mm/(m grd) bar m N/m

minimale Betriebstemperatur maximale Betriebstemperatur Ausdehnungskoeffizient des Rohres Rohrleitungs-Innendruck Länge des Rohres Rohrgewichtskraft pro m Reibfaktor an Rohrführungslager Wirksamer Balgquerschnitt des Kompensators Axiale Federrate des Kompensators Temperaturdifferenz der Rohrleitung Rohrdehnung Axiale Druckkraft (Reaktionskraft) Axiale Kompensator-Verstellkraft Reibungskraft im Rohrführungslager Hauptfestpunkt-Belastung

p L FR μ A cm2 N/mm cax Δt °C f mm N FD Fax N N FFl FHFP N Beispiel: Heißwasserleitung DN 200 mit Stahlbalg-Axialkompensator α = 0,012 mm/(m grd) tmin = 5 °C, tmax = 130 °C, p = 12 bar, L = 44 m, FR = 650 N/m μ = 0,3, A = 419 cm2, cax = 180 N/mm ΔT = 130 – 5 = 125 °C f = 0,012 · 44 · 125 = 66 mm FD = 419 · 12 · 10 = 50.280 N Fax = 180 · 66 / 2 = 5.940 N FFL = 650 · 44 · 0,3 = 8.580 N FHFP = 50.280 + 5.940 + 8.580 = 64.800 N

2.2.3-3.6

Wärmeverluste von Rohrleitungen

Anforderungen zur Begrenzung der Wärmeabgabe von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen nach Energieeinsparverordnung. Für den Wärmeverlust q· gilt die Formel: bei ebenen Flächen bei Rohren q· R = kR · Δϑ = Δϑ/RR q· = k · Δϑ = Δϑ/R q· = Wärmeverlust in W/m2 bzw. bei Rohren in W/m k = Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m2 · K) kR = Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m · K) Δϑ = Temperaturunterschied zwischen Rohrinhalt und Luft in K R = 1/k = Wärmedurchgangswiderstand in m2 K/W RR = 1/kR = Wärmedurchgangswiderstand in mK/W

2.2.3 Verteilung

857

Der Wärmedurchgangskoeffizient k ist der reziproke Wert des Wärmedurchgangswiderstandes 1/k. Dieser setzt sich wie folgt zusammen: 1 1 1 1 da 1 1 1 1 d --------- = R R =  ---------- = R = ----- + --- + - + ------ ln ----- + ------------ -- α d 2 λ di α d  π kR k α1 λ αa i i a a d = Dämmstoffdicke in m da = Außendurchmesser der Dämmung in m di = Innendurchmesser der Dämmung in m = Rohraußendurchmesser αi = innerer Wärmeübergangskoeffizient in W/(m2 · K) αa = äußerer Wärmeübergangskoeffizient in W/(m2 · K) d ---

γ

= Rγ = Wärmeleitwiderstand in m2 K/W

Tafel 2.2.3-20 Zusätzliche Verluste durch Einbauten in Rohrleitungen bei Innenräumen Gegenstand

DN

Flanschenpaar

Ventil oder Schieber

Rohrtemperatur in °C 50

100

300

25 100 300

0,2 m 0,5 m 1,5 m

0,4 m 1,0 m 3,0 m

1,0 m 2,5 m 7,0 m

25 100 300

0,5 m 1,2 m 3,0 m

1,0 m 2,5 m 6,0 m

2,5 m 7,0 m 12,0 m

15 %

15 %

15 %

Rohraufhängung Im Freien sind etwa doppelt so große Werte anzusetzen.

Die Werte von kR sind unter Vernachlässigung des meist geringen inneren Wärmeübergangswiderstandes in Bild 2.2.3-30 dargestellt. Bild 2.2.3-31 zeigt die Wärmeverluste gedämmter Rohre bei einer Wärmeleitzahl von γ = 0,05 W/(m · K) (Mineralfasern u. ä.). Zusätzliche Verluste entstehen durch Einbauten und Aufhängungen, s. Tafel 2.2.3-20. Zuschlag für Windanfall im Freien ≈10…20 %. Bei der Ermittlung der Wärmeleitzahl λ ist genügend genau die mittlere Temperatur zugrunde zu legen. Bei mehreren hintereinander durchströmten Schichten ist der Wärmedurchgangswiderstand gleich der Summe der Einzelwiderstände: d 1 1 1 1 1 -- = ----- + Σ --- + ------ = ----- + Σ R λ + ------ . λ αa αi αi αa k Bei mehreren nebeneinander liegenden Teilen verschiedenen Materials, aber gleicher Dicke (Rippen usw.) ist der Wärmedurchgang: q· = 1/A · (k1A1 + k2A2 + …) · Δϑ = k · Δϑ A = Gesamtfläche A1 = anteilige Fläche Tafeln zur schnellen Ermittlung von Wärmeverlusten enthält VDI-Richtlinie 2055: 1994-07. Für Wärmeverluste von auf Putz verlegten Kupferleitungen mit unterschiedlicher Wärmedämmung s. Bild 2.2.3-32. Bei Verlegung unter Putz sind die Wärmeverluste ca. 20 bis 50 % größer. Der Temperaturabfall in einer Leitung errechnet sich angenähert aus q· ⋅ l Δϑ = ---------· ⋅ c- in K m q· = kR · Δϑ = Wärmeverlust in W/m · = Massenstrom in kg/s m

2

858

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

c

= spez. Wärmekap. in J/kgK.

Bild 2.2.3-30. Diagramm zur Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten kR gedämmter Rohre. Beispiele: Gegeben: Rohrdurchmesser Heizmitteltemperatur Raumlufttemperatur Wärmeleitzahl λ Dämmdicke Lösung: da/di 416/216 = 1,93 aus Diagramm kR 0,81 W/(m · K) q· R = kR · Δϑ 0,81 · 330 = 267 W/m

A 200/216 mm 350 °C 20 °C 0,09 W/(m · K) 100 mm

B 100/108 mm 90 °C 20 °C 0,035 (m · K) 105 mm

318/108 = 2,95 0,195 W/(m · K) 0,195 · 70 = 13,7 W/m

Bild 2.2.3-31. Wärmeverlust wärmegedämmter Rohre je m in ruhender Luft ohne Zuschläge bei λ = 0,05. Beispiel: Rohr 50/57 mit d = 30 mm Dämmstoffdicke bei einer Temperaturdifferenz Δϑ = 80–20 = 60 K ergibt einen Wärmeverlust von qR = 0,39 · 60 = 23,4 W/m.

2.2.3 Verteilung

859

Bild 2.2.3-32. Wärmeverluste gedämmter Kupferleitungen WICU bei Aufputzverlegung.

Beispiel: Rohrdurchmesser Rohrlänge l = Dämmdicke Wassertemperatur Spez. Wärmekap. c = Massenstrom Wärmeleitzahl λ = Außentemperatur q· = 0,81 (160 – 10) =

200/216 1000 m 100 mm 160°C 4200 J/kgK 18000 kg/h = 5 kg/s 0,09 W/(m · K) 10 °C 121 W/m (aus Bild 2.2.3-30)

121 ⋅ 1000 Δϑ = ------------------------ = 5,76 K. 5 ⋅ 4200

Für größeren Temperaturabfall ist genauer: 

Δϑ = Δϑa  1 – e 

–kR ⋅ l -------------· ⋅c m

 in K 

ϑa = Anfangstemperaturunterschied in K

Bei in Erdreich verlegten Rohrleitungen sind die Wärmeverluste geringer als in Luft, im Mittel um etwa 10 bis 35 %. Dabei sind sandige und lehmige Böden zu unterscheiden sowie auch die Verlegungstiefe zu berücksichtigen.1) Angenähert ist der Wärmeverlust eines Einzelrohres

Δϑ Δϑ q· R = ------- = ------------------------------------------------------------- in W/m RR da 1 1 4h ---------- ln ----- + ------------- ln -----2 πλ d i 2 πλ E da λ = Wärmeleitzahl der Wärmedämmung W/(m · K) λE = Wärmeleitzahl des Erdreichs ≈1,15…1,8 W/(m · K) h = Verlegetiefe (m) Bei 2 nebeneinander verlegten Heizleitungen ist der Wärmeverlust um ca. 20 % geringer. Bei kalten Leitungen muss auf der warmen Seite eine Dampfsperre angebracht werden, da sonst die Wärmedämmung durchfeuchtet wird.

1)

Grigull, U.; Franz, G.: Wärmetechn. (1970), S. 229–235. Ferencik, V.: IKZ (1978), Nr. 8, 5 S.

2

860

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3-4

Pumpen1) 2)

2.2.3-4.1

Allgemeines

Für den zwangsweisen Wasserumlauf in Pumpen-Warmwasserheizungen werden ausschließlich Kreiselpumpen verwendet. Die Pumpen sind hochentwickelte Dauerläufer mit ca. 5000 Betriebsstunden je Heizperiode. Hauptbestandteile sind das Spiralgehäuse und das auf der Welle sitzende Laufrad (Schaufelrad). Der Antrieb der Pumpe erfolgt durch einen Elektromotor oder eine Kleindampfturbine. Begriffe, Zeichen und Einheiten genormt in DIN EN 12723:2000-09. Einige Begriffe: · Förderstrom V Förderhöhe H

= von der Pumpe geförderter Volumenstrom m3/s = von der Pumpe auf die Flüssigkeit übertragene Energie bezogen auf die Gewichtskraft der Flüssigkeit in Nm/N = m. = Anlagenförderhöhe Sie setzt sich allgemein zusammen aus: Δz = geodätische Höhendifferenz Δp/ρg = Druckhöhendifferenz Δw2/2 g = Differenz der Geschwindigkeitshöhe

Δυ

Haltedruckhöhe HH = = =

=

2

1 w = Rohrleitungsverluste=  λ --- + Σ ζ ----- d  2g

H = Δz + Δp/ρg + Δw2/2 g + Δυ Bei reinen Umwälzanlagen, wie z. B. bei Heizungskreisumläufen, sind oft die drei ersten Summanden = 0 und es ist H = Δυ. NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) Mindestzulaufhöhe über Sättigungsdruck um die Verdampfungsdruckhöhe pD/ρg bei warmem Wasser verringerte Druckhöhe in Mitte Eintrittsquerschnitt der Pumpe (wichtig zur Verhinderung von Dampfbildung und Kavitation). 2 pe + pb – pD Δw ---------------------------- + Δz + ---------- – Δυ ρg 2g

pe = Überdruck, falls geschlossenes System pb = Luftdruck, absolut = Dampfdruck pD Je größer der Dampfdruckabstand pb – pD ist, desto größer kann die Saughöhe bzw. desto kleiner kann die Zulaufhöhe sein. Für Saugbetrieb ist Δz negativ, für Zulaufbetrieb positiv. Es muss sein HH der Anlage ≥ vom Pumpenhersteller angegebene Wert NSPH der Pumpe Hydraulische Leistung Ph = auf die Flüssigkeit übertragene nutzbare Leistung · · Ph = V · H · ρ · g = V · Δpt Statt mit der Förderhöhe H kann auch mit dem Gesamtdruck Δpt = H · ρ · g gerechnet werden. Entspricht der messbaren Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen der Pumpe.

1) 2)

Überarbeitet für die 78. Auflage von Dipl.-Ing. Ingo Fabricius, Dortmund. Ihle, C.: Öl- und Gasfg. (1974), Nr. 7, S. 506–510; (1977), Nr. 4, 4 S.; SBZ (1977), Nr. 5, 3 S.; (1978), Nr. 4, 2 S. Schmalfuß, H.-G.: HR (1977), Nr. 12, S. 660–603. Gruber, H.: HR (1978), Nr. 8, S. 342–345; IKZ (1977), Nr. 6, S. 402–405. Sittig, H.-W.: Ki (2002), Nr. 11, S. 427–430.

2.2.3 Verteilung

2.2.3-4.2

861

Leistungsbedarf

Der zum Antrieb der Pumpen erforderliche Leistungsbedarf P ergibt sich aus V· ⋅ Δ p t V· ⋅ H ⋅ ρ ⋅ g Nm P = --------------------------- in W  --------- oder P = ----------------- in W  s  η η

·

= Förderstrom in m3/s ist aus der Heizleistung und dem Temperaturunterschied Δt zwischen Vorlauf und Rücklauf zu bestimmen. (Bei der Deckenheizung Δt = 10 K, bei der WW-Pumpenheizung 15 bis 20 K, bei Heißwasserheizungen 40 bis 100 K.) ρ = Dichte des Wassers kg/m3. H = Förderhöhe in m ist durch die Rohrleitungswiderstände bestimmt. Sie ist so zu wählen, dass die Summe aus jährlichen Betriebskosten und Kapitalkosten möglichst ein Minimum wird. η = Wirkungsgrad der Pumpe. Der höchste Wirkungsgrad der Pumpe ist abhängig von der absoluten Größe der Pumpe und liegt im Bereich ηmax = 0,5…0,85. Bei sich ändernder Belastung ist η stark fallend. Δpt = Gesamtdifferenz in Pa. Der Antriebsmotor ist vom Hersteller in der Regel so ausgewählt, dass über die gesamte dokumentierte Kennlinie keine Motorüberlast auftritt. V

Beispiel: · Förderstrom V = 1000 m3/h, Förderhöhe H = 20 m, η = 0,80 1000 ⋅ 20 ⋅ 1000 ⋅ 9 ,81 Leistung P = ---------------------------------------------------- = 68100 W = 68,1 kW 3600 ⋅ 0 ,8 Zu beachten ist, dass bei Förderung von Glykol- oder Salzsolen wegen ihrer höheren Viskosität die Förderhöhe und der Wirkungsgrad gegenüber Wasser sinken, die Antriebsleistung steigt, zumal die Rohrreibung auch ansteigt.

2.2.3-4.3

Kennlinien

Das Verhalten der Pumpen im Betrieb ist durch die Pumpen- und Rohrleitungskennlinien bestimmt. Die Pumpenkennlinie, die durch Messung auf einem Prüfstand bestimmt wird, gibt die Beziehung zwischen Förderhöhe und Förderstrom bei konstanter Drehzahl bzw. bei integrierten Pumpe-Motor-Aggregaten für eine bestimmte vorgenommene Einstellung an. Die Rohrleitungskennlinie, eine durch den Nullpunkt gehende Parabel, stellt die Beziehung zwischen Druckverlust und Förderstrom bei einem bestimmten Rohrnetz dar. Der Betriebspunkt ist durch den Schnittpunkt beider Kennlinien gegeben (Punkt A im Bild 2.2.3-33). Bei Änderung des Rohrnetzwiderstandes verschiebt sich der Betriebspunkt auf der H-Linie, z. B. von A nach B oder C.

Bild 2.2.3-33. Abhängigkeit der Förderhöhe H, des Leistungsbedarfs P und des · Wirkungsgrades η vom Förderstrom V bei konstanter Drehzahl der Pumpe (im Betriebspunkt A sind alle Werte =1 gesetzt).

Bild 2.2.3-34. Pumpen- und Netzkennlinie im logarithmischen Netz.

2

862

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Die Kennlinien lassen sich auch in logarithmischem Maßstab darstellen. Die Rohrleitungs-(Netz-)Kennlinien werden dabei Geraden (Bild 2.2.3-34). Die Pumpenkennlinien können je nach Ausbildung der Laufräder einen flachen oder mehr steilen Verlauf haben. Im ersten Fall ergibt sich bei Widerstandsänderung eine große Förderstromänderung, im zweiten Fall eine geringe Änderung. Wegen der quadratischen Abhängigkeit des Druckverlustes vom Förderstrom gilt für die Netzkennlinie Δp = konst. · V· 2 Daraus ergeben sich zwei Kenngrößen:

·

Rohrnetzkennzahl CR = Δp/V 2

·

Pumpenkennzahl kv = V / Δ p . Beide Größen lassen sich durch Parabeln darstellen. kv ist wie bei Regelventilen der Durchfluss in m3/h bei einem Druckabfall von Δp = 1 bar. Bei Parallelarbeit zweier gleich großer Pumpen auf dasselbe Netz ist der Betriebspunkt durch den Schnittpunkt der Rohrnetzkennlinie mit der Förderhöhenkurve für den doppelten Förderstrom gegeben (Bild 2.2.3-35).

Bild 2.2.3-35. Kennlinien beim Parallelarbeiten von zwei gleich großen Pumpen. A = Kennlinie einer Pumpe, B = Kennlinie beider Pumpen, C = Betriebspunkt bei einer Pumpe, D· = Betriebspunkt bei beiden Pumpen, V 1 = Förderstrom der einzelnen Pumpe im Betriebspunkt C.

Bild 2.2.3-37. Kennlinien einer einstufigen Heizungspumpe für verschiedene Laufraddurchmesser bei n = 1450 U/min.

Bild 2.2.3-36. Kennlinien beim Hintereinanderschalten von zwei gleich großen Pumpen. A = Kennlinie einer Pumpe, B = Kennlinie beider Pumpen, C = Betriebspunkt bei einer Pumpe, D = Betriebspunkt bei beiden Pumpen, H1 = Förderhöhe der einzelnen Pumpe im Betriebspunkt C.

2.2.3 Verteilung

863

Beim Hintereinanderschalten zweier Pumpen fließt das Wasser nacheinander durch beide Pumpen, Förderhöhen addieren sich. Die Wassermenge bleibt konstant (Bild 2.2.3-36). Als Beispiel der Kennlinien für die Pumpe eines bestimmten Fabrikats und bestimmter Größe dient Bild 2.2.3-37. Bei Veränderung von Laufraddurchmesser oder Drehzahl verschieben sich die Kennlinien.

2.2.3-4.4

Proportionalitätsgesetze

Für jede Pumpe gelten mit großer Annäherung folgende Gesetze: Der Förderstrom ist proportional der Drehzahl; die Förderhöhe ist proportional dem Quadrat der Drehzahl; die Leistungsaufnahme ist proportional der dritten Potenz der Drehzahl.

2.2.3-4.5

Leistungsanpassung, Steuerung und Regelung1)

Einrichtungen zur Leistungsanpassung der Pumpe an das Heizsystem werden aus zwei Gründen vorgesehen: 1. Toleranzen, Ungenauigkeiten und Unsicherheiten in der Berechnung, Dimensionierung und Ausführung von Rohrnetz und Verbrauchseinrichtungen machen häufig eine nachträgliche Anpassung der Pumpenleistung an die Gegebenheiten der Heizungsanlage erforderlich. 2. Die im Zeitablauf veränderliche Heizlast (ca. 60 % der Zeit weniger als 30 % Heizlast) wird a) durch Veränderung der Vorlauftemperatur und b) durch Veränderung hydraulischer Größen, meistens durch Drosselung des Förderstroms, bzw. Kombinationen beider Möglichkeiten variiert. Pumpen passen sich dieser variablen Last längs ihrer Drosselkurve an, wirtschaftlicher und geräuschärmer ist es jedoch, die Pumpen mit Regeleinrichtungen zu versehen. Zu 1: Stufenweise Leistungsanpassung der Pumpe kann erfolgen durch Wahl des passenden Laufraddurchmessers (Bild 2.2.3-37), durch Drehzahlumschaltung (Wicklungs-, Pol-, Kondensator- und andere Umschaltungen), durch zeitabhängiges Ein-/Ausschalten bzw. Umschalten zwischen Drehzahlstufen und Zu- und Abschalten von Pumpen in Pumpengruppen. Bei gruppenweisem Betrieb mehrerer Pumpen z. B. eine Hauptpumpe für Tagbetrieb und eine Nebenpumpe für Nachtbetrieb. Zu 2: Aufgrund der Wirtschaftlichkeit und daraus resultierender Reduktionsmöglichkeit von CO2-Emissionen fordert die Energieeinsparverordnung bei Zentralheizungsanlagen Einrichtungen zum Ein- und Ausschalten elektrischer Antriebe in Abhängigkeit von der Zeit und einer geeigneten Führungsgröße wie der Außentemperatur. Bei Kesselleistungen über 25 kW sind darüber hinaus leistungsgeregelte Pumpenanlagen zur Anpassung der Pumpenleistung an die Heizlast vorgeschrieben. Bei leistungsgeregelten Anlagen ist Pumpenregelung möglich durch: – stufenweise Schaltung wie unter 1. – stufenlose Drehzahländerung – Leitschaufelverstellung (vorwiegend bei großen Anlagen). Die Regelung kann erfolgen abhängig von dem Differenzdruck, z. B. in Zweirohranlagen mit Thermostatventilen dem effektiven Volumenstrom über Strömungssonde der Differenztemperatur zwischen Vorlauf und Rücklauf der Außen- oder Vorlauftemperatur. Die zur Regelung erforderlichen Drehzahländerungen werden bewirkt durch Änderung der Spannung oder der Frequenz des Motors.

1)

Kunz, U.: ETA (1983), Nr. 5, S. 59–67; Ki (1984), Nr. 7/8, S. 281–288. Pornitz, M.: CCI (1984), Nr. 7, S. 24–25. Zeddies, F.: VDI-Berichte 508, 1984, S. 53–56. Schneider, P.: TAB (1985), Nr. 2, S. 113–120. Stygar, E.: IKZ (1986), Nr. 5, S. 57ff.; (1986), Nr. 6, S. 107ff. Uschwa, H.: HR (1988), Nr. 9, S. 341–347. Energieeinsparverordnung (EnEV) vom 24.07.2007, BGBl I, S. 1519.

2

864

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Die Variation des Effektivwertes der Spannung kann erfolgen durch Wicklungs- oder Polumschaltung, hochgetaktete Spannungsreduzierung, Aus- und Einschalten von Netzhalbperioden oder Kombinationen dieser Verfahren. Mit Ausnahme der Wicklungsumschaltungen sind damit stufenlose Drehzahländerungen möglich. Frequenzänderungen durch Frequenzumformer erfolgen vorwiegend auf Basis von Mikroelektronik.1) Dabei werden sowohl Spannung als auch Strom des Motors geregelt (Vektorregelung). Steuer- und Regelgeräte in Schaltschrank- oder Wandinstallation oder zunehmend direkt am Pumpenmotor angebracht. Kommunikationsfähigkeit mit Gebäudeleitsystemen ist gegeben durch standardisierte Bussysteme. In allen Fällen ergibt sich eine wesentliche Energieeinsparung (50…70 %), ferner bei Thermostatventilen eine bessere Regelcharakteristik (Bild 2.5.1-6) und geringeres Drosselgeräusch. Kein Überströmventil mehr nötig. Beispiel einer stufenlosen Drehzahlregelung bei konstantem Förderdruck in Bild 2.2.3-38. Verändert sich die Rohrnetzkennlinie z. B. durch Schließen · der Ventile, wandert der Betriebspunkt der Pumpe von A nach B. Der Förderstrom V verringert sich bei · konstanter Förderhöhe H auf 50 %, die Wärmeleistung Q bei Radiatoren auf 83 % und die Leistungsaufnahme der Pumpe auf ca. 35 %. Einen Vergleich verschiedener Systeme zur Leistungsregelung bei Pumpen zeigt Bild 2.2.3-392) allerdings für den Fall, dass sich der ζ-Wert der Anlage nicht ändert. Dabei wurde auch der Wirkungsgrad der Leistungselektronik berücksichtigt. Der Vorteil der Drehzahlregelung gegenüber der Drossel oder Drall-Regelung ist bemerkenswert. Im Markt haben sich Systeme mit Drehzahlanpassung über Frequenzumrichter weitgehend durchgesetzt. Als Führungsgröße dient dabei überwiegend der Differenzdruck an der Pumpe. Neben konstantem Differenzdruck ist meistens auch ein variabler, mit Q linear ansteigender Druck vorwählbar. Auch selbstadaptive Verfahren mit eigener Erkennung des mindesterforderlichen heizsystembedingten Förderbedarfs sind verfügbar.

Bild 2.2.3-38. Stufenlose Drehzahlregelung bei konstanter Förderhöhe H. P· = Leistungsaufnahme Q = Wärmeleistung

1) 2)

Kuntz, G.: HLH (1988), Nr. 1, S. 19–21. Pornitz, M.: TAB (1988), Nr. 3, S. 221–227.

Bild 2.2.3-39. Leistungsbedarf bei Pumpen-Regelung. 1 Drosselregelung 2 Drallregelung 3 Drehstrommotor mit ThyristorSpannungsregelung 4 wie 3, jedoch zusätzlich Polumschaltung 5 Drehstrommotor mit Thyristor-Frequenzregelung 6 Theoretischer Verlauf P ∼ n3

2.2.3 Verteilung

2.2.3-4.6

865

Bauarten1)

Pumpen sind überwiegend in Inline-Bauweise ausgeführt, d. h. Saug- und Druckstutzen in einer Linie. Das Spiralgehäuse aus Grauguss oder Edelstahlblech ist bei den kleineren Pumpen bis etwa 100 mm Nennweite am Motor angeflanscht, bei den größeren Pumpen mit Füßen versehen, dann Blockbauweise, d. h. Saug- und Druckstutzen rechtwinklig zueinander. Beispiele von Inline-Pumpen mit angeflanschten Motoren Bild 2.2.3-40. Die Laufräder, Werkstoffe sind hochwertiger Kunststoff, Edelstahlblech oder Grauguss, werden mit verschiedenen Außendurchmessern hergestellt, so dass bei gleicher Drehzahl verschiedene Förderhöhen erreicht werden können. Bei großen Leistungen Antriebsmaschine und Pumpe auf gemeinsamer Grundplatte. Verbindung beider Maschinen durch elastische Kupplungen. Doppelpumpen kommen aus Gründen höherer Betriebssicherheit und als Pumpen mit Leistungsreserve zum Einsatz. Haupt- und Reservepumpe sind in einem Gehäuse vereinigt. Jede Pumpe kann dabei einzeln in Betrieb genommen werden; automatische Umschaltklappe auf Druckseite. Auch Parallelbetrieb möglich. Weniger Installationskosten.

2

Bild 2.2.3-40. Umwälzpumpen für Wasserheizungen in Inline-Bauart.

Je nach dem Förderdruck werden Laufräder verschiedener Bauart verwendet. Bei geringem Druck propellerähnliche Räder (Axialpumpe). Ihr Widerstand ist gering, so dass die Anlagen bei stillstehender Pumpe als Schwerkraftanlagen weiter im Betrieb bleiben. Bei höherem Druck Radialräder. Bei den Heizungspumpen werden hauptsächlich zwei Bauarten eingesetzt: 1. Pumpen mit Spaltrohrmotor (Nassläufermotor) 2. Pumpen mit Gleitringdichtung (Trockenläufermotor). Zu 1: Alle rotierenden Teile von Pumpe und Motor liegen im Wasser, die Abdichtung erfolgt über das Spaltrohr oder den Spalttopf aus unmagnetischem Chrom-Nickel-Stahl oder Kunststoff. Das geförderte Heizungswasser dient gleichzeitig zur Schmierung der

1)

Kunz, U.: IKZ (1977), Nr. 15, 4 S. Schmalfuß, H.-G.: IKZ (1981), Nr. 21, S. 48. IKZ-Haustechnik (2002), Nr. 4, S. 26–29.

866

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Rotorlager. Die Pumpen laufen äußerst geräuscharm und sind praktisch wartungsfrei (Bild 2.2.3-41).

Bild 2.2.3-41. Spaltrohrmotorpumpe.

Zu 2: Bei den Pumpen mit Trockenläufermotor erfolgt die Abdichtung der Welle durch die Gleitringdichtung. Zum Antrieb der Pumpen dienen handelsübliche Motoren in Spezial- oder Normausführung (Bild 2.2.3-42). Bei den Gleitringdichtungen werden heute durch Einsatz hochwertiger Keramikwerkstoffe sehr hohe Standzeiten erzielt. Die Geräuschentwicklung der Pumpen ist etwas höher als bei Nassläuferpumpen. Nassläuferpumpen und Trockenläuferpumpen sind sowohl als Einzel- als auch als Doppelaggregate verfügbar. Nassläuferpumpen kommen hauptsächlich im Leistungsbereich von ca. 10 W bis 2,5 kW zum Einsatz. Dies entspricht Förderhöhen bis ca. 15 m und Förderströmen bis ca. 100 m3/h (Bild 2.2.3-45). Nassläuferpumpen mit sehr kleinen hydraulischen Leistungen ( 80). Normung in DIN 3352-79 bis DIN 335288.

2 Bild 2.2.3-61. Keilschieber nach DIN. Links: mit Innengewinde (Spindel nicht steigend) Rechts: mit Außengewinde (Spindel steigend)

Für höhere Drücke und bessere Dichtung werden Parallelplatten- oder Keilplattenschieber verwendet, bei denen durch geeignete Druckstücke eine zwangsmäßige Anpressung an die Dichtflächen erfolgt. Vorteile der Schieber: Geringer Strömungswiderstand, kurze Baulänge. Nachteile: Dauernde Dichtheit kaum zu gewährleisten (wartungsintensiver). Sie werden daher heute nur noch selten verwendet, z. B. wenn in bestehenden Anlagen in Ergänzung oder Austausch Einheitlichkeit gewahrt werden soll. Heute weitgehend ersetzt durch Klappen nach Abschnitt 2.2.3-5.2.

2.2.3-5.5

Drosselklappen

Der Aufbau ist ähnlich den Klappen nach Abschnitt 2.2.3-5.2, jedoch fehlt die elastische Dichtung. Sie werden daher verwendet, wenn es auf dichten Abschluss nicht ankommt, sondern nur einreguliert werden soll. Lieferbar als Muffen-, Gussring- und Einschweißklappe.

2.2.3-5.6

Rückschlagklappen und -ventile

Diese Armaturen verhindern das ungewollte Rückströmen des Betriebsmittels bei Änderung der Druckverhältnisse z. B. infolge peripherer Regelvorgänge und Störungen. Beide Bauarten schließen im Rückstrom mind. mit Leckraten nach DIN EN 12266 dicht. Der Durchflusswiderstand von Klappen ist geringer als von Ventilen. 2.2.3-5.6.1

Rückschlagklappen

Gehäuse: Zwischenflanschbauweise, DN 50 bis 200 und größer, PN 6 bis 40, Grauguss, Stahl, austenitischer Stahl bis 300 °C, Kunststoff, kunststoffbeschichteter Stahl bis max. 100 °C. Kurzbaulängen nach DIN EN 558-1, Grundreihe 49.

878

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Klappe: ein- oder zweiteilig (Schmetterlingsklappe) mit metallischem oder Gummi-Gelenk. Widerstandsbeiwert ζ: zweiteilig einteilig

DN 150…200 ζ = 1,5…1,3 DN 50…200 ζ = 7…2

Bild 2.2.3-62. Rückschlagklappe PN 16. Stahlringgehäuse mit kunststoffbeschichteter Metallplatte (Gestra).

2.2.3-5.6.2

Rückschlagventile

Zur Auswahl stehen Rückschlagventile für waage- und senkrechten Einbau, mit Rohrgewinden und für Zwischenflanscheinbau. Sie sind stets federbelastet. Spezielle Ausführungen dienen als Schwerkraftumlaufsperren. Bei stehender Pumpe schließt die Feder das Ventil. Auch von Hand wieder zu öffnen. Gehäuse: Messing, Rotguss, Grauguss, Nirostahl, PN 6…16, DN 15…200. Ventilteller/-kegel: Kunststoff (bis 100 °C), Chromnickelstahl (bis 250 °C bei 13 bar Betriebsdruck). Schließfeder: Chromnickelstahl. Widerstandsbeiwert ζ: nicht konstant, Herstellerdiagramme beachten. Beispiel Bild 2.2.3-65.

Bild 2.2.3-63. Rückschlagklappe PN 16. Stahlringgehäuse mit kunststoffbeschichteter Metallplatte (Gestra).

Bild 2.2.3-64. Rückschlagventil für senkrechten und waagerechten Einbau (Gestra). Links: geöffneter Zustand Rechts: geschlossener Zustand, Rückströmung unterbunden

2.2.3 Verteilung

879

2

Bild 2.2.3-65. Druckverlust von Rückschlagventilen mit Feder nach Bild 2.2.3-63 bei waagerechtem Einbau · (Gestra). Öffnungsdruck (V =0) DN 15…200, Δp=23…27mbar

2.2.3-5.6.3

Auslegung der Rückflussverhinderer

Ein gewichts- oder federbelasteter Rückflussverhinderer (Ventil oder Klappe) öffnet, wenn eine bestimmte statische Druckdifferenz erzeugt wird (Druck vor, abzüglich Druck hinter dem Organ). Es entsteht eine Öffnungskraft (Druckdifferenz × Sitzquerschnitt), die der Schließkraft entgegenwirkt. Überwiegt die Öffnungskraft, öffnet das Organ (Öffnungsdruck). Der Öffnungsdruck ist abhängig von der Vorspannung der Schließfeder bzw. vom Schließgewicht, von der Einbaulage und von der Größe des Rückflussverhinderers. Je nach Volumenstrom öffnet der Rückflussverhinderer voll oder nur teilweise. Bei Teilöffnung, also bei kleinem Volumenstrom, können Klappergeräusche auftreten. Klappergeräusche entstehen durch das Aufschlagen des Kegels oder der Klappe auf den Sitz. Statt Klappergeräuschen können auch summende Töne hoher Frequenzen hörbar sein. Wenn die Geräusche ständig auftreten, ist der Rückflussverhinderer überdimensioniert, d. h. die Armatur wurde nicht bedarfsgerecht ausgelegt. Hin und wieder treten Geräusche nur beim An- und Abfahren der Anlage auf oder während eines Teilbetriebes, d. h. nur während dieser Betriebsphasen ist die Armatur „zu groß“. Hier kann man eventuell dadurch Abhilfe schaffen, indem man die Schließkraft vermindert, z. B. durch eine schwächere Schließfeder oder geringeres Schließgewicht. Eventuell kann das Gerät so eingebaut werden, dass auf eine Schließfeder ganz verzichtet oder aber ein Rückflussverhinderer mit Kunststoffkegel verwendet werden kann.

880

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.3-5.7

Sonstige Absperrorgane

Umschaltventile werden in W-Pumpenheizungen manchmal verwendet, um bei Ausfall der Pumpe die Wasserzirkulation durch Schwerkraft aufrechtzuerhalten (mit Kolben oder Gummikugel). Sonderbauarten sind: Schwimmerventile, magnet-, motor- oder membranbetätigte Ventile, elektrothermische Ventile (Fernsteuerventile), Ablassventile, Entlüftungsventile, Entleerungsventile und -hähne, Manometerhähne u. a. Für angreifende Flüssigkeiten. Absolute Dichtheit gegen Umgebung. Hierfür Membranventile (Quetschventil) mit verschiedenen Schutzüberzügen. Wechselventile haben drei Rohrstutzen und lassen den Betriebsstoff nach Wahl in der einen oder anderen Richtung strömen. Kreuzventile verteilen den Betriebsstoff gleichzeitig auf zwei (oder mehr) Rohrleitungen. Rohrbruchventile haben einen Kegel, der bei einem Rohrbruch infolge der dadurch erhöhten Strömungsgeschwindigkeit mitgerissen wird und das Ventil schließt. Sicherheitsventile dienen zur Druckbegrenzung. Näheres s. hierzu Abschnitt 2.2.3-6.2 .

2.2.3-5.8

Durchgangsventile

Damit Regelventile, die in der Regel einen elektromotorischen Antrieb haben, für stetige Regelung richtig bemessen werden, müssen drei Größen beachtet werden: a) Die Ventilgrundkennlinien; sie geben den Durchflusskennwert in Abhängigkeit vom Hub bei Wasser (5–30 °C) mit einer Dichte von 1000 kg/m3 und einem konstanten Druckabfall von Δpv = 1 bar an. Je nach Kegelausbildung gibt es verschiedene Kennlinien: lineare (Tellerventile) gleichprozentige (logarithmische) siehe auch Bild 3.7.4-4. Sie gelten nur, wenn der Druckabfall konstant ist. Der Nenndurchmesser A des Ventils besagt nichts über die Durchflusskapazität. Für jede Nennweite gibt es mehrere kvsWerte, d. h. Durchflussmengen bei voller Öffnung und Δpv = 1 bar. Für viele Anwendungsfälle der Heizungstechnik kommt die gleichprozentige Kennlinie in Betracht. Ein Ventil mit linearer Kennlinie greift im unteren Hubbereich ungenau in die Regelstrecke ein, d. h. in der Nähe des Schließpunktes ist kein definierter Stelleingriff möglich. Daher das Ventil nicht zu groß bemessen! b) Der anteilige Druckabfall Δpv des geöffneten Ventils am gesamten Druckabfall Δp des Netzteils mit variabler Wassermenge muss in Abhängigkeit der Ventilgrundkennlinie an die Regelaufgabe und die Wärmeübertragerkennlinie angepasst werden. Man nennt das Verhältnis Δpv/Δp Ventilautorität av . Bei Einbau der Ventile im Rohrnetz steht im Allgemeinen nur ein Teil des Gesamtdrucks für die Ventile zur Verfügung. Dadurch werden die Ventilkennlinien je nach dem Verhältnis Δpv/Δp verformt (Bild 3.7.4-4).Um eine gute Regelung des Volumenstroms zu erhalten, sollte die Ventilautorität je nach Regelaufgabe zwischen 0,25…0,7 liegen (siehe auch Abschnitt 3.7.4). c) Die Leistungskennlinie des Wärmeübertragers, d. h. die Kurve der Wärmeleistung in Abhängigkeit vom Durchfluss. Ihr Verlauf ist vom Wärmeübertragerkennwert a des Wärmeübertragers abhängig. Bei bekanntem a-Wert lässt sich der günstigste Wert av für die Ventilautorität aus Bild 3.7.4-8 entnehmen. Beispiel: Heizwasserkreislauf nach Bild 2.2.3-66. Heizleistung eines Wärmeübertragers 100 kW, Wärmeübertragerkennwert a = 0,5, Druckdifferenz des mengenvariablen Netzes ohne Ventil Δpn = 120 mbar. Volumenstrom 100/(4,2 · 20) = 1,19 kg/s = 4,28 m3/h. Aus Bild 3.7.4-8 entnimmt man ein Ventil mit gleichprozentiger Kennlinie und eine Ventilautorität av = 0,25. Damit wird die Druckdifferenz des Ventils Δ pn 120 - = 0,25 ------------------- = 40 mbar Δpv= av ------------1 – 0 ,25 1 – av und der kvs-Wert: V· 4 ,28 kvs = ------------- 1bar = -------------- 1 bar = 21,4 m3/h. Δ pv 0 ,04

2.2.3 Verteilung

881

Dieser Wert kann auch aus Bild 3.7.4-2 entnommen werden. Nennweite aus Katalogen der Hersteller, z. B. DN 32.

Bild 2.2.3-66. Beispiel eines Heizkreises mit Durchgangsventilen. KW = Kaltwasser

2.2.3-5.9

Dreiwegeventile1)

Sie haben drei Anschlüsse für zwei Strömungen (Bild 2.2.3-67) und können sowohl zur Verteilung wie zur Mischung von Wassermengen verwendet werden. Als Verteilventile werden sie in Heiznetzen eingebaut, um Druckschwankungen und Fehlströmungen auszuschalten, die bei Verwendung von Durchgangsventilen auftreten (Bild 2.2.3-68). Bei Anordnung auf der Pumpendruckseite können sie Kavitation am Pumpeneintritt verhindern, die bei Verwendung von Mischventilen auftreten könnte. Die im Netz umlaufende Wassermenge bleibt annähernd konstant und ebenso die Pumpenleistung. Die Mischung erfolgt außerhalb des Ventils. Als Mischventile werden die Dreiwegeventile verwendet, um z. B. durch Mischung von Kessel- und Rücklaufwasser die Wärmeleistung zu regulieren. Im Verbraucherkreis ist der Wasserstrom konstant. Die Mischung erfolgt innerhalb des Ventils (Bild 2.2.3-69). Die Ventilkegel können wie bei den Durchgangsventilen mit linearer oder gleichprozentiger Kennlinie ausgeführt werden, und zwar auf beiden Seiten gleich (symmetrisch) oder unterschiedlich (unsymmetrisch). Die Trennung in Misch- und Verteilventile erfolgt u. a., um den Kegel entgegen der Schließrichtung anströmen zu können. Hierdurch vermeidet man Flattergeräusche. Der Gesamtdurchfluss ist durchaus nicht konstant, sondern kann je nach Kennlinie und Druckanteil im Netz sehr variieren. Vierwegemischer siehe Abschnitt 2.5.6-3. Beispiele einiger Kennlinien in Bild 2.2.3-70. Bild I zeigt die Kennlinie mit einem gleichprozentigen Regeltor A und einem linearen Beipasstor B bei einer Autorität av = 1,0, d. h. frei auslaufend, wie es allerdings in den Rohrnetzen der Heizungstechnik nicht vorkommt. Summenvolumenstrom stark schwankend. Bild II zeigt dieselben Kennlinien, jedoch bei einer Autorität av = 0,5, bezogen auf „Tor“ A, wie sie z. B. durch einen Lufterhitzer im Regeltor und eine Drossel D im Beipasstor erzeugt wird. Die Summenkurve ist günstiger als im Fall I. In Bild III und IV sind die Kennlinien bei einem gleichprozentigen Regeltor A und einem komplementär-gleichprozentigen Beipasstor B dargestellt. Die komplementäre Kennlinie ergänzt den Hauptstrom durch das Regeltor A so, dass bei der theoretischen Ventilautorität av = 1,0 der Summenstrom im Tor AB annähernd konstant 100 % beträgt. Man erkennt, dass bei der Autorität av = 0,5 der Summenstrom wesentlich ansteigt. Bei der Bemessung der Ventile ist folgendes zu beachten: Wird das Stellglied bei der Auslegung überdimensioniert, kann eine Instabilität des Regelkreises nicht ausgeschlossen werden, weil das Stellglied bereits unter Auslegungsbedingungen mit verringertem Stellbereich arbeitet bzw. es besteht die Gefahr eines Zweipunktverhaltens. Im Schwachlastbereich erfolgt dann eine ungenügende Ausregelung. Liegt keine lineare Streckenkennlinie vor, sondern eine Kennlinie mit starker Deformierung (z. B. lineare Grundkennlinie mit kleiner Ventilautorität) verschlechtert sich das

1)

Schrowang, H.: IKZ (1973), Nr. 23, 8 S.; (1974), Nr. 5, 9 S; (1974), Nr. 7, 7 S. Frotscher, H.: TAB (1975), Nr. 7, S. 523. Loose, P.: HLH (1988), Nr. 10, S. 469–474. Roos, H.: Hydraulik der Wasserheizung. 3. Auflage, Oldenbourg Verlag, München 1995.

2

882

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Regelverhalten. Der Regelkreis verhält sich im Volllastbetrieb aufgrund der flachen Kennliniensteigung träge und wird im Schwachlastbereich wegen starker Steigung instabil. Der Mehrwege-Mischverteiler nutzt die im Rücklauf des Radiatorenkreises enthaltene Wärme und kühlt dadurch den Rücklauf zum Heizgerät deutlich tiefer ab, als herkömmliche Mischsysteme, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades um bis zu 5 % führt (Bild 2.2.3-71a). Die Armatur besitzt drei Eingänge (heiß, warm, kalt) und einen Ausgang. Ein einziger Stellkörper verbindet je nach Stellung zwei der drei Eingänge mit dem Ausgang, so dass entweder nur heiß mit warm oder warm mit kalt vermischt wird. Gemeinsam mit der zugehörigen Rohrgruppe ersetzt sie auch den herkömmlichen Verteiler. Der zugehörige Stellantrieb kann durch jede herkömmliche Regelung angesteuert werden.

Bild 2.2.3-67. Dreiwegeventil. Links: Mischventil, rechts: Verteilventil A = Regeltor B = Beipasstor AB= gesamter Volumenstrom

Bild 2.2.3-68. Dreiwegeventile als Verteiler. Links: mit Mischwirkung; rechts: mit Verteilwirkung.

Bild 2.2.3-69. Dreiwegeventile als Mischer. Links: mit Mischwirkung; rechts: mit Verteilwirkung.

Bild 2.2.3-70. Kennlinien von Dreiwegeventilen. I u. II: linear + gleichprozentigIII u. IV: gleichprozentig + komplementär – gleichprozentig av = Ventilautorität, D = Drossel

2.2.3 Verteilung

Bild 2.2.3-71.

883

a) MehrwegeMischverteiler.

b) Beispiel eines Heizkreises mit Dreiwegeventil.

2.2.3-5.10 Regelung mit Heizungsmischern1) Bei großen Heizungsanlagen werden vom Heizkessel für verschiedene Heizkreise verschieden hohe Wassertemperaturen verlangt, beispielsweise für einen Warmwasserbereiter 80 °C konstant, für eine Radiatorheizung mit den Außentemperaturen sich ändernde Wassertemperaturen im Bereich von 90 bis 30 °C, für eine Fußbodenheizung 50 °C. Diese verschiedenen Temperaturen erhält man am einfachsten durch Verwendung von Heizungsmischern.

Bild 2.2.3-72. Rücklaufbeimischer bei einer Warmwasser-Zentralheizung. Links: Warmwasserkreislauf; rechts: Ansicht des 3-Wege-Mischers mit elektromotorischem Antrieb (Viessmann Werke)

Dabei wird warmes Vorlauf- mit kaltem Rücklaufwasser so miteinander gemischt, wie es jeweils dem Wärmebedarf entspricht (Rücklaufbeimischer). Es gibt Mischer mit Klappen, Drehtellern, Drehscheiben, Küken. Einstellung von Hand oder heute fast ausschließlich automatisch über Stellantrieb durch Temperaturregler. Die Mischung kann direkt in Mischschaltung oder indirekt durch Verteilschaltung erfolgen. Beispiel für die Anordnung eines Mischers in einer Heizungsanlage mit Warmwasserbereitung zeigt Bild 2.2.3-72. Kesselwasser wird durch einen Thermostaten konstant auf z. B. 90 °C gehalten, während die jeweilige Vorlauftemperatur im Mischer durch Mischung von heißem Kesselwasser und kaltem Rücklaufwasser erzeugt wird. Früher Handbetätigung. Heute nur noch elektromotorischer Antrieb. Der Warmwasserbereiter erhält Kesselwasser. Die Vorlauftemperatur wird automatisch geregelt, entweder in Abhängigkeit von der Raumtemperatur oder von der Außentemperatur. In großen Gebäuden werden einzelne Gebäudeteile getrennt geregelt wie z. B. Büro und Werkstatt, wobei jeder Heizkreis ein eigenes Mischventil erhält. Bei ausgedehnten 1)

Ihle, C.: SBZ (1979), Nr. 23, 5 S. DIN 3334:1968-10, DIN 3335:1968-10, DIN 3336:1968-10 (Heizungsmischer).

2

884

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Heizungsanlagen sind in der Regel eine große Anzahl derartiger Heizkreise mit Mischventilen vorhanden. Beispiel für zwei Heizkreise s. Bild 2.2.3-73.

Bild 2.2.3-73. Zwei Heizkreise mit je einem Mischventil und Pumpe. 1 = Vorlauftemperaturfühler

Jeder Mischer soll das Rücklaufwasser seines eigenen Heizkreises erhalten, da sich sonst bei verschiedenem Wärmebedarf der einzelnen Heizkreise diese einander beeinflussen. Für jeden Heizkreis eine eigene Umwälzpumpe. Mit einem Rückgriff der Kesselregelung auf die Heizkreis-Mischventile kann mit Hilfe dieses Regelungsaufbaus sogar eine Mindestrücklauftemperatur für den Kessel, wenn erforderlich, realisiert werden (siehe auch Bild 2.5.6-5).

2.2.3-5.11 Druckregler1) Druckregler (im Allgemeinen Sinn) haben die Aufgabe, den Druck in einem System konstant zu halten. Sie bestehen grundsätzlich aus einem Ventil, einer Membran und einer Steuerleitung. Symbole in Bild 2.2.3-74. Einteilung nach dem zu regelnden Druck (Bild 2.2.3-76): Druckregler (im engeren Sinn) halten den Druck in einem geschlossenen System konstant. Dieser Systemdruck wird als Steuerdruck verwendet und wirkt auf die Membran des Regelventils (Bild 2.2.3-75).

Bild 2.2.3-74. Symbole von Druckreglern. DM = Druckminderung, ÜV = Überströmventil, SV = Sicherheitsventil, DD = Differenzdruckventil

Bild 2.2.3-75. Druckregler für einen Umformer Heißwasser/Dampf.

Bild 2.2.3-76. Druckregler mit verschiedenartiger Funktion.

Überströmventile halten den Druck in einem Rohrleitungssystem vor dem Regelventil konstant. Sie werden z. B. bei einem Fernheizungsanschluss zwischen Vorlauf- und 1)

Schrowang, H.: IKZ (1977), Nr. 7 u. 9.

2.2.3 Verteilung

885

Rücklaufleitung als Überström-Sicherheitsventil eingebaut und lassen bei steigendem Druck Vorlaufwasser in den Rücklauf strömen (Bild 2.2.3-77 u. Bild 2.2.3-78). Bei Dampf strömt die überschüssige Menge in Nebenanlagen, z. B. Warmwasserbereiter. Überströmventile werden häufig bei wandhängenden Heizkesseln zur Sicherung des Mindestvolumenstromes eingesetzt. Druckminderventile (Zuströmventile, Reduzierventile) halten den Druck hinter dem Ventil unabhängig vom Vordruck konstant. Sie drosseln oder schließen bei steigendem Druck hinter dem Ventil und verhindern damit Schäden an den nachgeschalteten Geräten (Bild 2.2.3-79 u. Bild 2.2.3-80).

2 Bild 2.2.3-77. Einbau von Druckreglern in einer Fernheizungs-Hausstation.

Bild 2.2.3-78. Druckregler (GESTRA).

Bild 2.2.3-79. Druckminderventil mit Einsitz und Membransteuerung.

Bild 2.2.3-80. Druckminderventil (Samson Typ 39-2).

Differenzdruckregler halten den Druckunterschied zwischen zwei Leitungen, z. B. dem Vorlauf und Rücklauf einer Heizungsanlage konstant. Sie arbeiten entweder in Reihenschaltung zur Anlage nach dem Drosselungsverfahren oder in Parallelschaltung zur Anlage nach dem Überströmverfahren. Mit einem Drosselgerät z. B. einer Blende oder einem Ventil mit Messanschlüssen arbeiten sie auch als Mengenregler und begrenzen dabei z. B. bei Fernheizungen den Anschlusswert (Bild 2.2.3-77 u. Bild 2.2.3-81). Das Regelventil enthält in beiden Fällen ein zweiseitig beaufschlagtes Membransystem. Einstellung des Sollwertes durch eine Gegenfeder. nach der Art der Steuerung: Direkt wirkende (unmittelbare) Regler arbeiten ohne Hilfskraft. Pilotgesteuerte Ventile wirken über ein Pilotventil und eine Hilfsmembran auf die Hauptmembran. Kleinere Abmessungen, genauere Regelung. Indirekt wirkende (unmittelbare) Regler benutzen zur Verstärkung der Steuerkraft als Hilfskraft Druckluft, Wasser, Öl oder elektrischen Strom, wodurch die Regelgenauigkeit erheblich verbessert wird und Fernverstellungen möglich sind.

886

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.3-81. Differenzdruckregler mit Drosselwirkung in einer Fernheizung.

Wirkungsweise Der Regeldruck steuert das Ventil über einen Kolben, einen Federkörper oder eine Membrane. Fällt z. B. bei einem Reduzierventil der Druck auf der Niederdruckseite, so wird das Ventil geöffnet, bei steigendem Druck geschlossen. Gegenkraft zur Einstellung des Regeldruckes (Sollwerteinstellung) ist ein Gewicht oder eine Feder (s. Schema Bild 2.2.3-82). Federregulierung platzsparend, durch Unbefugte kaum verstellbar, P-Regler. Gewichtsregulierung sehr genau wirkend, unempfindlich gegen starke Belastungsänderungen, jedoch leicht schwingungsfähig, kein P-Regler. Typischer Einbau von Druckminderventilen in Dampfverteilern s. Bild 2.2.3-83.

Bild 2.2.3-82. Schema der Druckregulierung. Links: Federregulierung eines Doppelsitzventils; rechts: Gewichtsregulierung eines entlasteten Einsitzventils.

Bild 2.2.3-83. Einbau von Druckminderventilen bei einem Hochdruckdampfverteiler.

Um von Druckschwankungen in dem nicht zu regelnden Rohrnetz unabhängig zu sein, müssen die Ventile entlastet sein. Entlastung meist durch Doppelsitz: Doppelsitzventile; bei Einsitz Entlastung durch Kolben, Membrane oder Federkörper. Doppelsitzventile schließen nie ganz dicht, dürfen also nicht verwendet werden, wenn eine Drucksteigerung auf der Niederdruckseite gefährlich ist. Alle Druckregelventile sind mit Umgehungsleitung einzubauen. Die Größe des Regelventils hängt von der durchzulassenden Dampfmenge sowie dem Druckgefälle ab und ist den Listen der Hersteller zu entnehmen. Bei großem Druckgefälle verwende man zwei Regler hintereinander ge-

2.2.3 Verteilung

887

schaltet, bei großen Mengendifferenzen zwei verschieden große Regler parallel geschaltet. Durch Zwischenschaltung eines Kombinationsstückes ist es möglich, zwei Regler auf ein gemeinsames Stellventil wirken zu lassen. In Bild 2.2.3-84 z. B. steuern ein Temperaturregler und ein Druckminderventil in der Weise ein Ventil, dass immer derjenige Regler bevorrechtigt ist, der ein Schließen des Ventils fordert. Auch andere Kombinationen sind möglich.

Bild 2.2.3-84. Kombinationsventil für Temperaturregelung und Druckminderung.

2.2.3-6

Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen

Heiz-, Solar- und Kühlwassersysteme arbeiten mit dem Wärmeträger Wasser. Wasser ist inkompressibel und dehnt sich bei Erwärmung aus. Die Anlage selbst ist aber relativ starr und kann diese Ausdehnung nicht aufnehmen. Die Notwendigkeit einer definierten Kompensationsmöglichkeit – einer Druckhaltung – wird deutlich. Der Einfluss von Druckhaltesystemen auf die Gesamtfunktion einer Anlage wird häufig unterschätzt. Druckhaltesysteme gehören zur sicherheitstechnischen Ausrüstung einer Anlage. Der Druck- und Volumenausgleich muss innerhalb der zulässigen Grenzwerte bei allen Betriebszuständen kalkulierbar sein. Bei nicht sachgemäßer Auswahl und Betrieb können z. B. Luftprobleme und Korrosion immense Folgekosten verursachen (VDI 2035, T.2). Mindeststandards bezüglich der Ausführung und verwendeten Materialien, wie DIN 4807 T3 oder PED/DEP 97/23/EC sind unbedingt einzuhalten. Man unterscheidet zwischen offenen und geschlossenen Warmwasserheizungen, wobei die offenen Systeme seit den 60iger Jahren systematisch aus Korrosionsschutzgründen von den geschlossenen Systemen verdrängt werden.

2.2.3-6.1

Ausdehnungsgefäße

a) Offene Warmwasserheizung Jede offene Warmwasserheizung ist zur Aufnahme der Wasserausdehnung, zur Deckung von Leckverlusten und zur Entlüftung mit einem Ausdehnungsgefäß zu versehen, das an höchster Stelle der Anlage anzubringen ist (DIN EN 12828:2013-04), möglichst senkrecht über dem Kessel. Es ist mit unabsperrbarer Entlüftungs- und Überlaufleitung zu versehen, sonst aber geschlossen. Kleine Anlagen haben geschlossene, große Anlagen offene Gefäße mit aufgeschraubtem Deckel und Mannloch. Kleine Gefäße meist zylindrisch, liegend oder stehend, größere in Kastenform. Zylindrische Gefäße sind in DIN 4807-1:1991-05 u. DIN 4807-2:1991-05, DIN 4807-3:1993-10, DIN 4807-5:1997-03 genormt. Stehende Ausführung günstiger, da weniger Luftaufnahme und bessere Hydrometeranzeige. Rostschutz durch Verzinkung bzw. Anstrich. Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes Vn (Bruttovolumen) etwa doppelt so groß wie das Ausdehnungsvolumen Ve des Wassers, das bei Erwärmung von 10 auf 100°C rund 4,3 % beträgt, näherungsweise 1 bis 2 Liter je 1 kW Heizleistung (siehe auch Tafel 1.3.1-6).

2

888

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.3-21 Inhalt von Rohren Gewinderohre nach DIN 2440 3/ “ 8

Zoll Nennweite mm 10 Außen – ø mm 17,2 0,123 Inhalt 1/m

1/ “ 2

3/ “ 4

1“ 20 25 26,9 33,7 0,366 0,581

15 21,3 0,201

1 1/4“ 32 42,4 1,01

1 1/2“ 40 48,3 1,37

2“ 50 60,3 2,16

Nahtlose Stahlrohre nach DIN 2449 Nennweite mm 40 Außen – ø mm 44,5 Inhalt 1/m 1,23

50 57 2,08

60 70 3,85

65 76 3,85

80 90 89 102 5,35 7,09

100 108 7,93

110 121 10,0

125 133 12,3

28/1,2 0,52

35/1,5 0,80

42/1,5 1,20

Kupferrohre Nennweite mm 8/0,8 10/0,8 12/1 Inhalt 1/m 0,03 0,06 0,08

15/1 0,13

18/1 22/1,2 0,20 0,30

*) Nahtlose Stahlrohre nach DIN 2448 (ISO-Rohre in Normalwanddicke) haben ca. 10 % größeren Inhalt.

Überschlagszahlen für Heizungsanlagen mit normalen Heizkesseln und Heizkörpern bei Verwendung von Radiatoren: Vn = 1,0…1,3 Liter je kW Heizleistung; bei Verwendung von Konvektoren: Vn = 0,5…0,8 Liter je kW Heizleistung; bei Fußbodenheizungen: Vn = 1,5…2,0 Liter je kW Heizleistung. Für genaue Bestimmung muss der Wasserinhalt VA der Anlage (Kessel, Heizkörper, Rohre usw.) errechnet werden, da die Werte außerordentlich unterschiedlich sind (Tafel 2.2.3-21 und Bild 2.2.3-85). Das Ausdehnungsgefäß erhält dann einschl. eines Zuschlags für Leckagen ein Volumen von Vn = 0,06…0,08 ·VA bei normalen Wasserheizungen.

Bild 2.2.3-85. Durchschnittlicher Wasserinhalt von Zentralheizungsanlagen in Abhängigkeit der Nennwärmeleistung (nach ZVH-Richtlinie).

Näherungswerte für den Wasserinhalt: Gussradiatoren 900 mm Gussradiatoren 200…500 mm Stahlradiatoren 900 mm Stahlradiatoren 200…500 mm Flachheizkörper Konvektorplatten

3,5 l/m2 4…5 l/m2 5,0 l/m2 6,0 l/m2 1…5 l/m2 0,2…0,8 l/m2

2.2.3 Verteilung

889

Konvektoren 0,2…0,4 l/m2 Gusskessel ohne Warmwassererzeuger 0,5…1,0 l/kW Gusskessel mit Warmwassererzeuger 1,0…2,0 l/kW Stahlkessel 2,0…4,0 l/kW Anschluss für Sicherheits-Vorlaufleitung oben, für Sicherheits-Rücklaufleitung unten, ferner für Überlauf und damit verbundene Entlüftung. Die Überlaufleitung wird in den Heizkeller geführt und endet sichtbar über einem Ausguss. Dimensionierung der Sicherheits-, Vor- und Rücklaufleitung nach DIN EN 12828:2013-04. Die Überlaufleitung sollte eine Stufe größer als der Durchmesser der Sicherheitsvorlaufleitung gewählt werden. d = 15 + 1,39

Q· … in mm.

·

Q = Kesselleistung in kW.

Die Überlaufleitung kann gleichzeitig als Entlüftung benutzt werden, wenn in Höhe des Ausdehnungsgefäßes eine Rohrunterbrechung angeordnet wird. Ausführungsform der Gefäße s. Bild 2.2.3-86.

2 Bild 2.2.3-86. Ausdehnungsgefäße für Warmwasserheizungen. SV = Sicherheits-Vorlaufleitung SR = Sicherheits-Rücklaufleitung E = Entlüftung Ü = Überlauf K = Kurzschluss-Zirkulationsverbindung S = Signalleitung

Gefäß und Leitungen sind gegen Einfrieren zu schützen. Zwischen Vorlauf und dem unteren Teil des Gefäßes oder besser dessen Anschlussstutzen wird zur Herbeiführung einer das Einfrieren verhindernden geringen Zirkulation eine Kurzschlussverbindung K in DN 20 mit Drossel vorgesehen. Die Anzeige des Wasserstandes erfolgt durch eine Meldeleitung oder ein Manometer im Heizkeller. In Bild 2.2.3-87 ist die richtige Einbauweise der falschen eines offenen Ausdehnungsgefäßes gegenübergestellt.

Bild 2.2.3-87. Anordnung eines offenen Ausdehnungsgefäßes.

890

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Alle offenen Ausdehnungsgefäße sind infolge dauernder Verbindung mit dem Luftsauerstoff korrosionsgefährdet, so dass sie weitgehend durch geschlossene Gefäße ersetzt sind. Das Nennvolumen eines offenen Ausdehnungsgefäßes muss mindestens: Vn,min ≥ 2 · Ve betragen. Dabei ist Ve das Ausdehnungsvolumen des Heizwassers. Der Faktor 2 berücksichtigt hierbei die zweckmäßige Wasservorlage für offene Anlagen b) Geschlossene Warmwasserheizungen1) Konsequent geschlossene Druckhaltesysteme, richtig ausgelegt und betrieben sind die einfachste Lösung für unzählige Probleme in Heiz-, Solar- und Kühlsystemen. In Kombination mit modernen Entlüftungseinrichtungen beugen sie Ablagerungen im Leitungssystem, defekten Pumpen, festsitzenden Ventilen, dauernder Nachspeisung oder gar durchrosteten Radiatoren vor und sorgen für einen stabilen und störungsfreien Betrieb. Es kommen im Wesentlichen 3 Arten der Druckhaltung zum Einsatz: – Ausdehnungsgefäße mit fester Gasfüllung – Druckhaltesysteme mit Kompressoren – Druckhaltesysteme mit Pumpen. Der Einbau erfolgt vorzugsweise in die Rücklaufleitung, um die Temperatur gering zu halten. Bei Dauertemperaturen > 70 °C werden zum Schutz der Membran sogenannte Vorschaltgefäße oder Zwischengefäße eingesetzt. Die Kombination mit Nachspeise und Entgasungsanlagen ist möglich. Ausdehnungsgefäße mit fester Gasfüllung sind die am häufigsten eingesetzte Art der Druckhaltung. Aus Kosten und Platzgründen bleibt der Masseneinsatz beschränkt auf Gefäße bis ca. 1000 Liter. Einfache Ausführungen bestehen aus 2 Stahl-Halbschalen die geklemmt sind und zur Trennung des Wasser und Gasraumes mit einer Halb-, bzw. Umstülpmembrane ausgerüstet sind, wobei die Membran meist aus EPDM besteht. (Bild 2.2.3-89 – Bild 2.2.3-90) Geschweißte Ausdehnungsgefäße mit Blasenmembran als Butyl (im Folgenden Butylblase) sind zwar aufwendiger in der Herstellung, aber wegen ihrer außerordentlichen Vordruckstabilität nahezu wartungsfrei. Blasengefäße bieten zudem den Vorteil, dass sich das Heizungswasser innerhalb der Blase ausdehnt und somit mit der Behälterwandung gar nicht in Kontakt kommt, so kann Korrosion wirksam entgegengewirkt werden. Bild 2.2.3-88. Anordnung des Standrohrs im Heizraum. a = Belüftungsventil, b = Prüfleitung

Bild 2.2.3-89. Kessel mit Membran-Ausdehnungsgefäß für geschlossene Heizungen.

1)

Faber, R. W.: Öl-Gasfeuerung (1973), Nr. 11, 8 S.; IKZ (1977), Nr. 13, 3 S.; (1978), Nr. 17, 6 S. IKZ (1979), Nr. II, S. 84. Wasserberg, H.: HR (1979), Nr. 6, 3 S. ZVH-Richtlinie 12.02 für Membran-Druckausdehnungsgefäße (7.86). Metzner, G.: HLH (1986), Nr. 10, S. 505–507.

2.2.3 Verteilung

891

Bild 2.2.3-90. Membran-Ausdehnungsgefäß. Bezeichnungen s. Text.

Bild 2.2.3-91. Geschweißtes Ausdehnungsgefäß mit Butylblase (Pneumatex)

Das Ausdehnungsgefäß ist werksseitig mit einem festen Gaspolster gefüllt. Der Gasdruck muss vor der Inbetriebnahme entsprechend den Anlagengegebenheiten und der Gefäßauslegung über das Gasfüllventil angepasst werden. Das Gefäß ist wasserseitig zu diesem Zeitpunkt leer und wird erst bei Inbetriebnahme von Anlagenseite her mit Wasser gefüllt bis sich der berechnete, temperaturabhängige Fülldruck einstellt. Bei Aufheizen der Heizungsanlage dehnt sich das Wasser aus und es wird zusätzliches Wasser in das Ausdehnungsgefäß geschoben. Der Einbau erfolgt vorzugsweise in die Rücklaufleitung um die Temperatur gering zu halten. Um das Wasser vor Eintritt in das Ausdehnungsgefäß abzukühlen, werden zum Schutz der Membran oder Blase sogenannte Vorschaltgefäße oder Zwischengefäße eingesetzt. Bei dichtschließendem Mischer sind für Kessel und Heizkreis zwei getrennte Gefäße notwendig, oder alternativ Druckausgleich über Verbindung der beiden Kreise über Drosselbypass. Begriffe, Prüfung DIN 4807-1 und Auslegung DIN 4807-2. (DIN 4807 T2 wird durch EN 12828 und DIN EN 13831 ersetzt!)

2

892

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.3-92. Prozentuale Wasserausdehnung bezogen auf 10°C.

Nur ein Teil des Gefäßes kann Wasser aufnehmen. Das Bruttovolumen (Nennvolumen) errechnet sich nach DIN 4807 zu: pe + 1 Vn = (Ve +Vv) ---------------pe – po Vn Ve mit: VA n Vv pe mit: pSV psv psv dpA dpA po mit: pstG pstG h hG

Nennvolumen in l Ausdehnungsvolumen in l VA ⋅ n Ve = -------------100 Gesamtwasserinhalt der Anlage in l (Bild 2.2.3-85) prozentuale Wasserausdehnung bezogen auf ϑ = 10°C (Bild 2.2.3-92). Wasservorlage in l: mindestens 0,5 % des Wasserinhaltes der Anlage Enddruck der Anlage in bar pe = psv – dpA in bar Ansprechpunkt des Sicherheitsventils in bar bei neuen Anlagen (bis 120°C) 3,0 bar bei Altanlagen (bis 110°C) 2,5 bar Arbeitsdruckdifferenz in bar bei Anlagen bis 5 bar Überdruck 0,5 bar Vordruck in bar po = pstG + pD statischer Druck am Stutzen des Ausdehnungsgefäßes hG = ------ ; hG > h 10 statische Höhe der Anlage Höhendifferenz zwischen dem Anschlussstutzen des Membran-Druckausdehnungsgefäßes und dem höchsten Punkt der Zentralheizungsanlage mit tiefliegender Zentrale

2.2.3 Verteilung

893

pD = 0 bei Anlagen mit ϑv bis 100°C pD = 0,5 bei Anlagen mit ϑv über 100 bis 110°C pD = 1,0 bei Anlagen mit ϑv über 110 bis 120°C Das eingesetzte Gefäß ist immer größer als das errechnete, es ist immer die rechnerisch nächstfolgende Kataloggröße zu wählen.

2

Bild 2.2.3-93. Anschluss eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes bei Vierwegemischern.

Die prozentuale Wasserausdehnung, bezogen auf 10°C Kaltwassertemperatur, ist in Bild 2.2.3-92 dargestellt. Auslegungsbeispiel: Anlage: · Q n = 50 kW, tv,max = 90°C, Δh = 7 m, psv = 2,5 bar, VA = 600 Liter. Hieraus ergibt sich: Δpsv = 0,5 bar, VA ⋅ n n = 3,55 und Ve = -------------- = 21,3. 100 0 ,5 Wasservorlage: Vv = -------- · 600 = 3 Liter 100 Δh Statischer Druck: pst = ----------------------------- = 0,7 bar 10mWS/bar

894

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Dampfdruck bei 90°C = 0. Damit po = pst + pD = 0,7 + 0 = 0,7 bar Enddruck pe = psv – Δpsv = 2,5 – 0,5 = 2,0 bar. ( 2 + 1 )bar Ergebnis: Vn,min = (21,3 + 3) Liter · ----------------------------- = 56,1 Liter. ( 2 – 0 ,7 )bar Das Nennvolumen des Membranausdehnungsgefäßes muss größer als 56,1 Liter sein. Zusätzlich ist folgende Bedingung einzuhalten: V o ≥ V e + Vv Vo ist dabei das konstruktionsbedingte Nutzvolumen des Ausdehnungsgefäßes. Damit das MAG in kaltem Anlagenzustand die Wasservorlage aufnehmen kann, muss der Anfangsdruck (Anlagenfülldruck) pa,min mindestens folgenden Wert erreichen: Vn ( po + 1 ) pa,min = -------------------------- – 1 Vn – Vv Für Vn ist das Nennvolumen der gewählten Gefäßgröße einzusetzen. Damit bei maximaler Vorlauftemperatur der Enddruck pe nicht überschritten wird, darf der Anfangsdruck (Anlagenfülldruck) pa,max folgenden Wert nicht überschreiten: pe + 1 pa,max = ------------------------------------ – 1 Ve ( pe + 1 ) 1 + -------------------------Vn ( po + 1 ) Um die praktische Einregulierung des Anfangsdrucks (Anlagenfülldruck) sicherzustellen, sollte pa,max mindestens 0,2 bar über pa,min liegen. Gegebenenfalls muss ein größeres MAG gewählt werden. Tabellen in Herstellerkatalogen vereinfachen die Auslegung nach Wasserinhalt oder Wärmeleistung der Anlage. Beim Einbau eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes muss darauf geachtet werden, dass die gesamte Anlage erfasst wird. Dies ist insbesonders bei dichtschließenden Vierwegemischern wichtig. Gegebenenfalls müssen zwei Membran-Druckausdehnungsgefäße oder ein Drossel-Bypass eingesetzt werden (Bild 2.2.3-93). Für große Heizungsanlagen mit Vorlauftemperaturen von mehr als 110°C werden ebenfalls Druckausdehnungsgefäße in stehender und liegender Form verwendet; serienmäßige Herstellung bis 8 m3 und mehr; Temperatur jedoch 1,2. Das führt zu einem Absinken der Wasserdampf-Taupunkttemperatur der Ab-/Heizgase, mindert folglich die Wasserdampfkondensation an den Heizflächen und somit auch den Nutzungsgrad (vergl. Bild 1.3.8-6). Moderne Brennwertkessel-Konstruktionen auch im kleinen Leistungsbereich ab ca. 2 kW sind mit Gebläsebrennern oder zumindest mit Brennern mit Gebläseunterstützung ausgerüstet, überwiegend in zweistufiger oder gar modulierender Betriebsweise (Bild 2.2.5-38 bis Bild 2.2.5-40). Angaben zu Kondensat, Schornstein, Wirkungsgrad u. a. s. Abschnitt 2.2.5-2.3.2b d) Gas-Umlauf- und Kombi-Wasserheizer Diese kompakten, wandhängend zu installierenden Gas-Wärmeerzeuger können in Küche, Bad, Diele, Keller oder in raumluftunabhängiger Ausführung mit Abgas/ZuluftSystemen (AZ-Systeme) oder auch Luft/Abgas-Systemen (LAS-Systeme) nahezu überall in einer Wohnung oder einem Hause installiert werden, z. B. auch im Dachraum (Bild 2.2.5-10 und Bild 2.2.5-12). Ihr Raumanspruch gleicht etwa dem eines Küchen-Oberschrankes. Diese Geräte werden bevorzugt dezentral in Mehrfamilienhäusern eingesetzt, sowohl in Neubauten als auch bei der Altbaumodernisierung, zunehmend aber auch in Einfamilienhäusern.

930

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-13. Komponenten eines Gas-UmlaufWasserheizers. A – Regeleinrichtung für Brenner und Heizung B – Gasbrenner-Steuergerät für modulierenden Brennerbetrieb C – Vormischbrenner, modulierend mit Hochspannungszündung und elektronischer Flammüberwachung über Ionisationselektroden D – Brennkammerummantelung mit Wärmedämmung E – Heizgas/Heizwasser-Wärmetauscher für niedrige Abgastemperatur F – Membran-Ausdehnungsgefäß G – Aqua-Platine für den montagefreundlichen Heiz- und Warmwasseranschluss H – Überströmventil zur Einhaltung der Mindest-Heizwasservolumenströme im Wärmeerzeuger K – Sicherheitsventil und Entleerungshahn L – Umwälzpumpe, zweistufig oder mit Drehzahlregelung mit Umschaltventil für Heiz- oder Warmwasserbetrieb M – Gas-Kombiregler, zumeist mit zwei Gasventilen sowie Gasdruckwächter bei Flüssiggas-Ausführung N – Plattenwärmetauscher oder Durchlauferhitzer für die Warmwasserversorgung oder: O – Bereitschaftsdurchlauferhitzer mit Warmwasservorlage

Als wesentlicher Vorzug der dezentralen Wärmeversorgung wird seitens der Bauträger oder Vermieter bewertet, dass die Nutzer die Heiz- und Warmwasserkosten direkt mit dem Gasversorgungsunternehmen abrechnen und dass die Beheizungsweise von den Nutzern individuell gestaltbar ist (z. B. mittels programmiertem Heizbetrieb). Nachteilig sind im Vergleich zur zentralen Wärme- und Warmwasserversorgung die im Regelfalle erheblich höheren Investitions- und Wartungskosten. Gas-Umlauf- oder Kombi-Wasserheizer werden allgemein mit allem Zubehör einschließlich sicherheitstechnischer und regeltechnischer Ausrüstung geliefert. Das Bild 2.2.5-12 zeigt die Teilschnitte zweier Umlauf-Kombi-Wasserheizer für raumluftabhängigen und raumluftunabhängigen Betrieb. Die einzelnen Komponenten des Wärmeerzeugers zeigt Bild 2.2.5-13, ohne Strömungssicherung bzw. Abgasgebläse. Gas-Umlaufwasserheizer oder Kombi-Wasserheizer für raumluftabhängigen Betrieb mit offener Brennkammer und Strömungssicherung erfordern einen Aufstellungsraum mit mindestens einer ins Freie führenden Außentür oder einem zu öffnenden Außenfenster sowie einem Raumluftvolumen von 4 m3/ kW Gesamtwärmeleistung. Das erforderliche Raumluftvolumen kann auch über Türen mit Lüftungsöffnungen zu Nachbarräumen erbracht werden. Für Aufstellungsräume mit einer ins Freie führenden Zuluftöffnung von mindestens 150 cm2 genügt 1 m3/kW. Diese Anforderungen entfallen bei raumluftunabhängigen Geräten der Bauart C mit Gebläse in Verbindung mit AZ- und LAS-Systemen, die auch den Außenwandanschluss bzw. die Aufstellung im Dachraum ermöglichen. Zu beachten sind stets die „Technischen Regeln für Gas-Installationen, TRGI 2008“, die jeweiligen Landesbauordnungen und andere Verordnungen, Vorschriften und Richtlinien.

2.2.5 Erzeugung

931

A – Überstömventil B – Sensor für die Überwachungseinrichtung C – Sicherheitsventil D – Abgas-Differenzdruckwächter (raumluftunabhängiger Betrieb) Bild 2.2.5-14. Abgas- und zuluftseitige Sicherheitseinrichtungen. Links: Raumluftabhängiges Gerät Rechts: Raumluftunabhängiges Gerät mit Gebläseunterstützung

Geräte mit Strömungssicherung werden mit einer Abgasüberwachungseinrichtung ausgerüstet, raumluftunabhängige Geräte mit Gebläse erhalten einen Abgas-Differenzdruckwächter (Bild 2.2.5-14). Das Gebläse kann auf der Abgas- oder auch auf der Zuluftseite angeordnet sein. Die Abgas-Überwachungseinrichtung erfasst bei Rückstau über den Sensor „B“ ein Austreten von Abgasen aus der Strömungssicherung. Der Brenner wird abgeschaltet und für die Dauer von mindestens 15 Minuten verriegelt. Danach erfolgt selbsttätige Wiedereinschaltung. Der Abgas-Differenzdruckwächter „D“ überwacht durch Differenzdruckvergleich die Einhaltung der erforderlichen Nenn-Volumenströme auf der Zuluft- und Abgasseite, somit die Lüfterfunktion. Gas-Umlauf- und Kombiwasserheizer sind hydraulisch für die gängigen Systeme der Warmwasserheizung geeignet, sowohl in Einrohr- als auch in Zweirohrausführung. Die mehrstufigen oder drehzahlgeregelten Umwälzpumpen sind auch für Heizungsanlagen mit relativ hohen heizwasserseitigen Druckverlusten geeignet. Für die Einhaltung der Mindest-Heizwasservolumenströme sorgt das Überströmventil. (Schornsteine, AZ-, LAS-Systeme und Abgasleitungen in Abschnitt 2.2.5-2.2.6) 2.2.5-2.2.4

Sicherheitseinrichtungen1) (siehe auch Abschnitt 2.2.1-1.1.4 und Abschnitt 2.4.1-1.2)

Die Absicherung der Wärmeerzeuger gegen Überdruck und Übertemperatur erfolgt nach DIN EN 12828:2012. Gasbeheizte Wärmeerzeuger bzw. Gas-Brenner erfordern besondere Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Gefahren durch den Austritt von unverbranntem Gas. Vorgeschrieben sind Bild 2.2.5-15:2) Eine manuell betätigte Gas-Absperrvorrichtung (Gashahn) vor dem Brenner mit eingebautem thermischem Sicherheits-Absperrventil.

1) 2)

Wallmeier, H.: Heizungsjournal (1976), Nr. 3, 6 S. Fritsch, W.: Öl- und Gasfeuerung (1976), Nr. 8, 8 S. DIN 4788-1:1977-06.

2

932

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-15. Armaturen für einen Gasbrenner ohne Gebläse mit handbetätigtem Zündgasventil

Einen Gasdruckregler nach DIN EN 334 zur Konstanthaltung des Gasdruckes. Eine Zündeinrichtung, z. B. in Form einer mit Piezozünder gezündeten und ständig brennenden Zündflamme (Pilotflamme), nach Bild 2.2.5-15. Bevorzugt wird heute bereits bei kleinen Leistungen der vollautomatische Gasbrenner mit Hochspannungszündung mit Transformator und Zündelektroden zur Zündung eines separaten Zündbrenners oder zur direkten Zündung des Brenners (Bild 2.2.5-16). Bei direkter Zündung erfolgt der Start des Brenners mit zunächst reduziertem Gasdurchsatz, z. B. über ein geregeltes oder verzögert öffnendes Gasventil, womit ein relativ weicher und leiser Brennerstart erreicht wird. Eine Flammenüberwachung, z. B. bei manueller Zündung, mit Thermoelement und ständig brennender Zündflamme nach Bild 2.2.5-15. Vollautomatische Brenner sind mit einer Ionisations-Flammenüberwachung ausgerüstet, z. B. nach Bild 2.2.5-16. Die Ionisationselektrode „A“ und die Zündelektroden „C“ sind am Flächenbrenner „B“ gegenüberliegend angeordnet. Damit erfolgt bei einer nicht vollflächigen Flammenbildung die Störabschaltung. Eine Sicherheitsabsperreinrichtung (Selbsteinstellglied), das die Gaszufuhr nur bei einwandfreier Funktion aller Teile freigibt (Magnetventil oder Kombinationsventil). Ab 120 kW mit gedämpfter Öffnung, um Druckstöße im Feuerraum zu vermeiden. Ein Gasdruckwächter bei Feuerungsautomaten. Bei Anlagen über 50 kW Absperreinrichtung und Gefahrenschalter außerhalb des Aufstellraumes. Leckgasleitung zur Prüfung der Anlage bei Stillstand auf Dichtheit (nicht vorgeschrieben, jedoch von manchen Bauaufsichtsbehörden verlangt). Kontrolle auf Druck oder Vakuum zwischen 2 Magnetventilen. Bild 2.2.5-16. Vollautomatischer, wassergekühlter Vormischbrenner, mit Hochspannungszündung und IonisationsFlammenüberwachung (Viessmann, Vitopend 200-W).

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.2.5

933

Regeltechnische Ausrüstung (siehe auch Abschnitt 2.5)

Nach § 14 der EnEV (Energie-Einsparverordnung) sind Zentralheizungen mit zentralen selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Regelung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie auch zur Ein- und Abschaltung der elektrischen Antriebe in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und der Zeit auszurüsten. Vorgeschrieben ist weiterhin die Einzelraumregelung, die heute allgemein mit thermostatischen Heizkörperventilen realisiert wird. Die Einzelraumregelung wird auch bei Fußbodenheizungen gefordert.

Bild 2.2.5-17. Regelung bei einer gasbeheizten Mehrkesselzentrale mit Warmwasserspeicher. 1= Kesselthermostat, 2= Vorlauftemperaturfühler, 3= Temperaturregler für Speicher, 4= Speicherladepumpe, 5= Umschaltventil, 6= Abgasklappe, 7= Motorventile KW = Kaltwasser, WW= Warmwasser

Die Regelung des oder der Wärmeerzeuger kann erfolgen durch: 1. Die Zweipunktregelung mit Uhrenthermostat, der in einem geeigneten Testraum anzuordnen ist. Der Wärmeerzeuger mit einstufigem Brenner wird je nach Wärmeanforderung ein- oder ausgeschaltet. 2. Die witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung mit Schaltuhr. Die Vorlauftemperatur, bzw. bei voll gleitend betriebenen Wärmeerzeugern deren Betriebstemperatur, wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur (zumeist mit Erfassung von Windeinfluss) geregelt, wiederum durch Ein/Aus-Schaltung des Brenners. 3. Die Regler-Kombination. Die raumtemperaturabhängige oder witterungsgeführte Regeleinrichtung wird um zusätzliche Regelfunktionen erweitert: • Die Warmwasser-Vorrangschaltung. Der Heizbetrieb wird für die Nachladung eines Speicher-Wassererwärmers oder auch Durchlauf-Wassererwärmers unterbrochen, der Wärmeerzeuger arbeitet nun nur für die Warmwasserversorgung. • Die Brennstoff/Luft-Verbundregelung für den zweistufigen oder stufenlos modulierenden Brennerbetrieb. In diesem Falle werden zumeist raum- oder witterungsgeführte Regler mit Proportionalausgang eingesetzt. • Die Kessel-Folgeregelung für Anlagen mit mehr als einem Wärmeerzeuger z. B. nach Bild 2.2.5-17 (siehe auch Abschnitt 2.2.5-2.7). Diese Regler-Kombinationen sind zumeist in digitaler Mikroprozessor-Technik ausgeführt, u. a. mit Diagnose-Systemen, Möglichkeiten der Fernüberwachung und mehr. In diesem Beispiel bewirkt die Warmwasser-Vorrangschaltung, dass der Wärmeerzeuger 1 über die Einschaltung der Ladepumpe und Umschaltung des Ventils 5 bei Bedarf die Speichernachladung übernimmt. Die Wärmeerzeuger können an eine gemeinsame Strömungssicherung angeschlossen werden. Zur Vermeidung unnötiger Bereitschaftsverluste ist jeder Wärmeerzeuger mit einer Motor-Abgasklappe vor der Strömungssicherung und einem Motorventil in Voroder Rücklauf auszurüsten. Der Vorteil der Leistungsaufteilung auf zwei oder drei Kessel liegt in der höheren Betriebssicherheit, nicht im höheren Nutzungsgrad. Dabei ergeben sich höhere Investitions- und Wartungskosten und mehr Platzbedarf. Es wird zudem der voll gleitende Betrieb im Teillastbereich aufgehoben. Anmerkung: Die regeltechnischen Anforderungen von Gas-Heizkesseln und Öl/GasHeizkesseln sind nahezu identisch.

2

934

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.5-2.2.6

Abgasanlagen für Gasheizkessel (siehe auch Abschnitt 2.4.1)

Die Abgase von Gasheizkesseln müssen durch Abgasanlagen, wie Schornsteine, Abgasleitungen und Verbindungsstücke (Abgasrohre oder -kanäle), über Dach ins Freie abgeführt werden. Abgasrohre sollen steigend zum Schornstein, mit Prüföffnungen, möglichst kurz, korrosionsgeschützt, meist aus Stahlblech oder Aluminium, in kalten Räumen wärmegedämmt sein. Zur Vermeidung von zu großem Zug, von Stau oder Rückstrom befindet sich bei Gasheizkesseln mit Brennern ohne Gebläse zwischen Verbrennungskammer und Abgasanlage eine Strömungssicherung (Zugunterbrecher kombiniert mit Rückstromsicherung), die ein Bestandteil der Feuerstätte ist und vom Gerätehersteller mitgeliefert wird. Sie gestattet außerdem eine Durchlüftung der Abgasanlage in den Brennerstillstandzeiten, die evtl. vorhandenes Kondensat aufnehmen und über Dach abführen kann.1) Gasfeuerstätten mit Strömungssicherung müssen in der Regel in Wohnungen oder ähnlichen Nutzungseinheiten eine Abgasüberwachungseinrichtung haben, die bei Stau oder Rückstrom den Brenner ausschaltet. In Abgasrohren von raumluftabhängigen Gasfeuerstätten dürfen Abgasklappen angebracht werden, die bei Brennerbetrieb offen und bei Brennerstillstand geschlossen sind. Die Abgasklappen müssen für die jeweilige Feuerstätte geeignet sein (Einbauanleitung). Thermisch gesteuerte Abgasklappen nach DIN 3388-4 dürfen nur bei atmosphärischen Gasfeuerstätten und nur hinter der Strömungssicherung eingebaut werden. Mechanisch gesteuerte Abgasklappen nach DIN 3388-2 müssen so geschaltet werden, dass der Brenner erst bei vollständig offener Klappe in Betrieb gehen kann und die Klappe erst nach Brennerabschaltung wieder schließt. Abgasanlagen sind nach DIN V 18160-1:2006-01 auszuführen. Mauerwerk wenig günstig, da bei niedrigen Abgastemperaturen leicht Durchfeuchtung (Versottung) eintritt. Besser sind mehrschalige Abgasanlagen mit wärmegedämmten Innenrohren aus Schamotte, Edelstahl und dergleichen, die oft feuchteunempfindlich sind. In gemauerten Schornsteinen können auch starre oder flexible Metallrohre eingezogen werden. Bemessung der Abgasanlage siehe Abschnitt 2.4.1. Abgasanlagen sollten nur mit gleichartigen Feuerstätten mehrfachbelegt werden. Gasfeuerstätten mit Gebläsebrenner sollten also nicht an eine gemeinsame Abgasanlage mit Gasfeuerstätten mit Strömungssicherung angeschlossen werden. Gemischtbelegung, d. h. der Anschluss von Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe an eine gemeinsame Abgasanlage mit Gasfeuerstätten, ist in der Regel nur zulässig für Feuerstätten ohne Gebläse. Die Verbindungsstücke der Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe müssen unmittelbar hinter dem Abgasstutzen eine senkrechte Anlaufstrecke von mind. 1 m haben. Die Bemessung von mehrfach- und gemischtbelegten Schornsteinen kann nach DIN EN 13384-2: 2009-07 erfolgen. Bei der Aufstellung von Feuerstätten ist für eine ausreichende Verbrennungsluftversorgung zu sorgen. Bei raumluftabhängigen Feuerstätten mit einer Nennleistung von insgesamt nicht mehr als 35 kW genügt es in der Regel, wenn der Aufstellraum einen Rauminhalt von mind. 4 m3 je kW Nennleistung aller in dem Raum gleichzeitig betreibbaren Feuerstätten hat und der Raum über eine Tür oder ein zu öffnendes Fenster ins Freie verfügt. Unter bestimmten Voraussetzungen können Nachbarräume, die über eine Lüftungsöffnung von mind. 150 cm2 freien Querschnitt oder über Türen mit dem Aufstellraum verbunden sind, berücksichtigt werden (Verbrennungsluftverbund), Einzelheiten siehe DVGW-TRGI 2008. Bei einer Nennleistung von insgesamt mehr als 35 kW ist eine ins Freie führende Öffnung von mind. 150 cm2 oder 2 Öffnungen von je 75 cm2 freien Querschnitt erforderlich. Gasfeuerstätten mit Strömungssicherungen dürfen nur in Räumen aufgestellt werden, deren Rauminhalt mind. 1 m3 je kW Nennleistung dieser Feuerstätten beträgt, wobei Nachbarräume, die mit dem Aufstellraum über 2 Öffnungen (oben und unten) mit je 150 cm2 freiem Querschnitt verbunden sind, berücksichtigt werden dürfen. Die Aufstellung in kleineren Räumen ist zulässig, wenn diese 2 Lüftungsöffnungen ins Freie mit je 75 cm2 freien Querschnitt haben. Bei raumluftunabhängigen Gasfeuerstätten werden keine Anforderungen an die Größe des Aufstellraumes gestellt. Diese Feuerstätten sind gegenüber dem Aufstellraum ge1)

Plate, J.: HLH (1989), Nr. 6, S. 297–302.

2.2.5 Erzeugung

935

schlossen, die Verbrennungsluft wird über dichte Leitungen vom Freien zugeführt. Die Feuerstätten arbeiten vorwiegend mit Gebläseunterstützung. Je nach Art der Luftführung werden verschiedene Systeme unterschieden. Feuerstätten, bei denen das Luft-Abgas-System als Zubehör mit der Feuerstätte geliefert wird, dürfen nur nach den Vorgaben des Herstellers eingebaut werden. An sog. Luft-Abgas-Schornsteine dürfen je nach Zulassung oder Bemessung bis zu 10 Feuerstätten angeschlossen werden (siehe Abschnitt 2.4.1).

2.2.5-2.3 2.2.5-2.3.1

Öl-/Gas-Heizkessel für Gebläsebrenner1) Allgemeines

Es sollten gemäß dem Stand der Technik und aus Gründen der Energie- und Verbrauchskosteneinsparung bei Öl- und Gasfeuerung nur noch Niedertemperatur- oder Brennwertheizkessel eingesetzt werden, obwohl auch der Einbau von Standardkesseln bei Einhaltung der primärenergetischen Grenzwerte der EnEV nicht grundsätzlich verboten ist. Andere Konstruktionen als Niedertemperatur- oder Brennwerttechnik werden von den meisten Herstellern nicht mehr angeboten, abgesehen allerdings von Spezialheizkesseln für Nieder- oder Hochdruckdampf, Hochdruck-Heißwasser und Sonderkonstruktionen, z. B. für Thermoöl. Öl/Gas-Heizkessel sind sowohl für Öl- als auch Gasgebläsebrenner geeignet, eine Umrüstung von einer Brenner- und Brennstoffart auf die andere ist jederzeit möglich. Für größere Leistungen werden auch Zweistoffbrenner für Öl und Gas angeboten (Abschnitt 2.2.5-2.4.6 ). Hinsichtlich regeltechnischer Ausrüstung, Regelfähigkeit und Bedienungskomfort ergeben sich zwischen Öl- und Gasbetrieb keine Unterschiede. Öl- und Gasbrennerkonstruktionen, sicherheitstechnische Ausrüstung der Brenner, zu beachtende Vorschriften, siehe auch Abschnitt 2.2.5-2.3.3, 2.2.5-2.4 und 2.2.5-2.5. 2.2.5-2.3.2

Heizkessel-Konstruktionen

a) Niedertemperatur-Heizkessel NT-Heizkessel mit Leistungen bis ca. 70 kW werden allgemein mit voll gleitender Temperatur betrieben. Absinkende Kesseltemperatur führt, gerade im Teillastbereich, zu exponentiell abfallenden Abgas-, Abstrahlungs- und Bereitschaftsverlusten (vergl. Bild 2.2.5-29), folglich zu höheren Jahresnutzungsgraden. Die gleitende Betriebsweise ist gerade bei Kesseln kleinerer Leistung anzustreben, weil hier die relativen, auf die Leistung bezogenen Werte vorgenannter Verluste erheblich über denen von Großkesseln liegen. Die Erklärung dafür liegt u. a. im Verhältnis Kesseloberfläche zu Leistung, verdeutlicht mit der spezifischen Kesseloberfläche in z. B. m2/MW. Ein Kleinkessel mit 20 kW (0,02 MW) hat eine spezifische Oberfläche von rd. 100 m2/MW, ein Kessel mit 1 MW (1000 kW) dagegen nur noch 17 m2/MW. Hier liegt auch die Erklärung dafür, dass größere Heizkessel akzeptable Nutzungsgrade allein durch zweistufigen oder modulierenden Brennerbetrieb erreichen. Verwendet werden, auch bei voll gleitend betriebenen NT-Heizkesseln, die üblichen Werkstoffe: Guss und Stahl wie auch Aluminiumlegierungen. Um einer Taupunktkorrosion vorzubeugen muss die Wasserdampfkondensation an den Heizflächen durch geeignete konstruktive Maßnahmen vermieden werden. Wichtig ist, dass die Heizflächen bei Abschaltung des Brenners trocken sind. Kurzzeitige Kondenswasserbildung, zum Beispiel nach einem Kaltstart, ist dagegen erfahrungsgemäß unproblematisch. Zur Anhebung der Wandtemperaturen über die Taupunkttemperatur der Heiz- oder Abgase gibt es unterschiedlich konstruktive Lösungen. Bewährt haben sich zwei- oder mehrschalige Heizflächen (auch als mehrwandig oder mehrschichtig bezeichnet). Der Wärmedurchgang Heizgas an Wasser wird gebremst, wodurch die Wandungstemperatur auf der Heizgasseite über die Kesselwassertemperatur hinausgehend angehoben wird. Es wird hier der Wärmedurchgangskoeffizient der Heizfläche (U-Wert) gezielt verringert. Mit Luftspalten oder Hohlräumen variierter Größe zwischen den beiden Wandungen kann der Wärmedurchgang der über die Länge eines Heizgaszuges absinkenden Heizgastemperatur und Heizflächenbelastung angepasst werden. Diese Konstruktion wird auch als „Heizfläche mit dosiertem Wärmedurchgang“ bezeichnet (Bild 2.2.5-28 und Bild 2.2.5-30).

1)

Marx, E.: HeizungsJournal (1993), Nr. 2, S. 102–212. N.N.: Symposium Heizkesseltechnik, HLH (1985), Nr. 11, S. 539–553.

2

936

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Rippen-Heizfläche Eine weitere Anhebung der Wandtemperaturen auf der Heizgasseite bewirken Rippenheizflächen, erst recht natürlich in zwei- oder mehrschaliger Ausführung. Mit der Vergrößerung der Heizfläche durch Rippen wird die Wärmeaufnahme auf der Heizgasseite etwa verhältnisgleich der Heizflächenvergrößerung erhöht. Da die Wärmeübergangszahl auf der Wasserseite nahezu konstant bleibt, kann die größere Wärmemenge nur bei einer entsprechend größeren Temperaturdifferenz, folglich höherer Oberflächentemperatur auf der Heizgasseite, übertragen werden. Niedertemperatur-Heizkessel kleiner Leistung aus Grauguss mit berippten Heizflächen Bild 2.2.5-18 bzw. aus Edelstahl mit Glattrohr-Wärmetauscher Bild 2.2.5-19. Gezielte Wasserführung mit Mischeffekt Eine gezielte Rücklaufwassereinführung mit internen Mischeffekten mit warmem Vorlaufwasser kann auch der Kondensation auf der Heizfläche entgegenwirken. Hierbei erfolgt sowohl ein interner Mischeffekt wie auch eine vorrangige Zuführung von dem kälteren Rücklaufwasser in thermisch höher belastete Heizflächenbereiche. Die zweischalige Heizfläche des in Bild 2.2.5-21 gezeigten NT-Heizkessels besteht aus Guss-Rippensegmenten, die dampfdicht in einen Stahlzylinder eingeschrumpft sind (Werkstoff-Verbund). Die Edelstahlbrennkammer kann zur Kesselreinigung herausgenommen werden. Bei Ölfeuerung erhält der Heizkessel einen Brenner mit interner Heizgasrezirkulation, der hinsichtlich Schadstoffemissionen auch die Anforderungen der „Schweizer Luftreinhalteverordnung“ erfüllt. Der temperaturgeregelte Edelstahl-Speicherwassererwärmer ist auf den Kessel aufgesetzt. Kessel und Speicher sind für Transport und Einbringung trennbar. Die Warmwasserversorgung wird heute allgemein mit dem Heizkessel kombiniert. Die erforderlichen Speicher-Wassererwärmer können auf dem Kessel (Bild 2.2.5-21) oder auch darunter oder nebenstehend angeordnet sein. Guss-Gliederkessel mit Leistungen bis zu rund 2 MW zeigen Bild 2.2.5-22 und Bild 2.2.5-24.

Bild 2.2.5-18. Öl-/Gas-Niedertemperatur-Heizkessel aus Grauguss (Buderus, Logano G125, Leistung 17 bis 34 kW).

Bild 2.2.5-19. Öl-Brennwertkessel aus Edelstahl, mit Glattrohrwärmetauscher, Normnutzungsgrad bis zu 99% (Hs)/ 105% (Hi) (Vaillant, icoVIT exclusiv 14 bis 24 kW).

2.2.5 Erzeugung

937

2 Bild 2.2.5-20. Öl-Brennwertkessel mit Voll-Kondensationsheizfläche und FrontService-Technik (Buderus, Logano plus SB105, Leistung von 11 bis 27 kW).

Bild 2.2.5-22. NT-Öl/Gas-Heizkessel in Guss-Segmentbauweise (Dreizugkessel) mit Vitotronic-Regelung, Ölbrenner und Eutectoplex-Heizfläche. Norm-Nutzungsgrad: 88 % (Hs)/94 % (Hi). Nenn-Wärmeleistung: 125 bis 1080 kW (Viessmann Vitorond 200).

Bild 2.2.5-21. NT-Öl-/Gas-Heizkessel mit biferraler Verbundheizfläche, abgebildet mit Ölbrenner Vitoflame 200 für schadstoffarme Verbrennung. Mit aufgesetztem, temperaturgeregelten Speicher-Wassererwärmer. Norm-Nutzungsgrad bis 90% (Hs)/96% (Hi) (Viessmann; Vitola 222, Leistung 18 bis 27 kW).

938

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-23. Eutectoplex-Heizfläche des Guss-Heizkessels Vitorond 200 (Viessmann).

Bild 2.2.5-24. Die heizgasseitige Abdichtung der Kesselglieder erfolgt über konstruktiv verschiedenartig ausgeführte Nut-Federsysteme und ButylKautschuk-Eindichtung (Buderus).

Hydraulische, wasserseitige Systeme nach dem Injektionsprinzip dienen der kesselinternen Rücklauftemperaturanhebung und verbessern die Wasserzirkulation (siehe auch Bild 2.2.5-31). Überdruckfeuerung – höhere Heizgasgeschwindigkeit Höhere Wandtemperaturen auf der Heizgasseite der Konvektionsheizfläche, auch als Nachschaltheizfläche bezeichnet, ergeben sich auch mit höheren Heizgasgeschwindigkeiten, einhergehend mit ansteigendem heizgasseitigem Druckverlust, der letztlich zu Überdruck führt. Moderne Guss- und Stahlheizkessel mittlerer und großer Leistung sind überwiegend für die Überdruckfeuerung konzipiert. Die Heizgasgeschwindigkeiten liegen etwa drei- bis fünfmal höher als bei Heizkesseln mit Unterdruckfeuerung und es können sich Überdrücke von 600 Pa und mehr ergeben. Vorteile der Überdruckfeuerung: Die Feuerung ist unabhängig vom Schornsteinzug, es genügen kleinere Schornsteinquerschnitte. Durch geringere Abgastemperatur bei höheren CO2-Gehalten ergeben sich verminderte Abgasverluste bei stabilerer Verbrennung und geringerer Verschmutzungsneigung der Heizflächen. Es wird vor allem aufgrund besserer Wärmeübertragung weniger Heizfläche benötigt. Die Heizkessel bauen kleiner und leichter bei reduzierten Herstellungskosten. Bild 2.2.5-25 zeigt im Größenvergleich den Unterschied von Gussgliedern für Überdruck- und Unterdruckfeuerung. Für Stahlheizkes-

2.2.5 Erzeugung

939

sel ergeben sich etwa gleiche Größenverhältnisse. Diese Heizkessel sind, aufgrund des geringeren Gewichtes und der Zugunabhängigkeit, auch sehr gut für Dach-Heizzentralen geeignet. Nachteile: Es sind Brennergebläse mit größerem Förderdruck, folglich höherer elektrischer Leistung erforderlich. Die stärkeren Brennergebläse erhöhen den Geräuschpegel. Je nach Lage des Heizraumes können Schallschutzmaßnahmen erforderlich werden wie Brennerschalldämmhaube, Abgasschalldämpfer, Rohrkompensatoren, schalldämmendes Kesselfundament.

Bild 2.2.5-25. Größenvergleich zwischen dem Glied eines Gussheizkessels für Überdruck- und Unterdruckfeuerung bei etwa gleicher Leistung.

Bild 2.2.5-26. Gusseiserne Kesselglieder für Überdruckfeuerung. a) Buderus GE515, b) Vaillant GP, c) Strebel RU3, d) Ideal Stelrad CR, e) Viessmann-Vitorond

Unterschiedliche Konstruktionen von Guss-Gliedern (Segmenten) zeigt Bild 2.2.5-26. Beim Buderus-Kessel Logano GE515 mit Durchbrand-Feuerung (Dreizug-Feuerung) erfolgt im Hinterglied die Umlenkung in die zwei seitlich im mittleren Bereich angeordneten Heizgaszüge, wobei die Heizgase nach vorne strömen und im Türbereich in den dritten Heizgasbereich (links/rechts – unten/oben) umgelenkt werden. Beim Vaillant GP 210 Umkehrflamme im Feuerraum, unten liegende Sammelkanäle mit daran anschließenden Vertikalzügen. Beim Strebel-Kessel RU Rauchzüge konzentrisch um den Feuerraum wie bei den 3-ZugFlammrohr-Rauchrohrkesseln. Beim Ideal Stelrad Kessel CR zylindrischer Feuerraum mit ringförmig angeordneten Nachschaltheizflächen. Beim Viessmann-Vitorond konzentrisch angeordnete Konvektionsheizflächen für zweiten und dritten Zug (Dreizug-Kessel ohne Einbauten). Bei NT-Stahlheizkesseln mittlerer Leistung, bis etwa 2 MW, ist die Brennkammer überwiegend im unteren Bereich angeordnet, die Rückstromkanäle bzw. der zweite Zug und die Konvektionsheizfläche des dritten Zuges, in Form von Taschen oder Heizgasrohren, befinden sich darüber im oberen Bereich. Diese Konstruktionen bauen sehr schmal. Bis zu Leistungen von etwa 0,5 MW können sich einbringfreundliche Breiten von weniger als 900 mm Türbreite ergeben. Der Überdruckbetrieb kann durch Wirbulatoren oder auch durch entsprechend bemessene Querschnitte der Konvektionsheizfläche realisiert werden.

2

940

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-27. NT-Öl/Gas-Heizkessel in Dreizugbauweise mit mehrschaliger Konvektionsheizfläche (Bild 2.2.5-28). Für Brenner mit zweistufigem oder stufenlos modulierendem Betrieb. Normnutzungsgrad bis 90% (Hs)/96% (Hi). (Viessmann; Vitoplex 300, Leistungen: 90 bis 2000 kW).

Bild 2.2.5-28. Mehrschalige Konvektionsheizfläche mit dosierten, der jeweiligen, örtlichen Heizflächenbelastung angepasstem Wärmedurchgang (Viessmann, Vitoplex 300).

Dem zuvor beschriebenen Konstruktionsprinzip entspricht der NT-Heizkessel in Dreizugbauweise für Leistungen bis 2,0 MW nach Bild 2.2.5-27. Die Konvektionsheizfläche (Bild 2.2.5-28) besteht aus einem inneren Faltrippenrohr, auf das ein im Durchmesser größeres Außenrohr in variablen, zum Zugende hin größeren Abständen aufgepresst wird. Der Wärmedurchgang wird so der jeweiligen örtlichen Heizgastemperatur und Heizflächenbelastung dosiert angeglichen. Ein mit Injektorschlitzen versehenes Leitblech unter dem oben angeordneten Rücklaufstutzen sorgt für eine kesselinterne Rücklaufbeimischung ohne Beimisch- oder Kesselkreispumpe. In welchem Maße durch den Niedertemperaturbetrieb die Verluste eines Wärmeerzeugers im Teillastbetrieb mit absinkender Kesseltemperatur reduziert werden, verdeutlichen die Diagramme in Bild 2.2.5-29. NT-Heizkessel reagieren mit deutlich ansteigenden Nutzungsgraden bis weit in den Schwachlastbereich. Es führt deshalb auch eine leistungsmäßige Überdimensionierung, z. B. für die Warmwasserversorgung, nicht zu nennenswerten Nutzungsgradeinbußen.

2.2.5 Erzeugung

941

2

Bild 2.2.5-29. Temperaturen und Verluste bei Niedertemperaturkesseln. a) Kesselwassertemperatur abhängig von der Außentemperatur. b) Typische Verläufe der Abgastemperatur abhängig von der Kesselwassertemperatur. c) Abnahme der Bereitschaftsverluste. d) Abnahme der Abstrahlungsverluste. e) Abnahme der Abgasverluste (Heizöl EL).

942

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.5-2.3.2.1

Zweikreiswarmwasserkessel

Beim Kessel in Bild 2.2.5-30 ist der Kesselinhalt in 2 Kreise unterteilt: Primärkreis für die von Rippen umgebene Brennkammer mit Wassertemperaturen oberhalb des Taupunktes und Sekundärkreis für die Heizung. Beide Kammern sind durch eine Mischkammer mit Thermoventil verbunden. Durch den geringen Wasserinhalt des Primärkreises ist eine Schnellaufheizung des Kessels auch bei Kaltstarts möglich.1)

Bild 2.2.5-30. Zweikreis-NT-KesselLeistung 10…58 kW (Schäfer-Interdomo).

Bild 2.2.5-31. Schnitt durch einen Gussheizkessel und Darstellung der Strömungsführung im Kesselinnern (Buderus, Logano GE515, Leistung von 201 bis 510 kW).

Der Kessel im Bild 2.2.5-31 arbeitet mit einer internen Rücklaufanhebung. Durch Injektorwirkung wird kaltes Rücklauf- mit warmem Vorlaufwasser vermischt (Thermostream-Technik). Die Niedertemperatur-Technik kann auch bei Kesseln mit Warmwasserbereitung angewendet werden. Hier muss die Kesseltemperatur von der abgesenkten niedrigen Temperatur zeitweise bis auf 70–75 °C erhöht werden. Im Sommer kann die Aufheizung auch im Kaltstart erfolgen. Da die Aufheizung jedoch je nach Speichergröße nur wenige Male täglich erfolgt, zumindest in Kleinanlagen, wird der Nutzungsgrad der Heizungsanlage nicht wesentlich verringert. Bei allen Niedertemperaturkesseln ist darauf zu achten, dass der Schornstein feuchtigkeitsunempfindlich ist (siehe Abschnitt 2.4.1).

1)

Nohren, H.: HLH (9185), Nr. 5, S. 223–235; Feuerungstechnik (1987), Nr. 7, S. 16–19.

2.2.5 Erzeugung

943

2 Bild 2.2.5-32. Links: Modulierender Gas-Brennwertkessel aus Edelstahl, Normnutzungsgrad 98% (Hs)/109% (Hi), Leistung von 4,9 bis 65,7 kW (Vaillant, ecoVIT). Rechts: Modulierender Gas-Brennwertkessel, Normnutzungsgrad 99% (Hs)/110% (Hi), Leistung von 11,6 bis 292 kW (Vaillant, ecoCRAFT exclusiv).

Bild 2.2.5-33. Schnittdarstellung eines kompakten Gas-/Öl-Brennwertkessel (Buderus, Logano plus SB315/615, Leistung von 50 bis 640 kW).

Bild 2.2.5-34. Schnittdarstellung eines Brennwertkessels, bestehend aus einem NiedertemperaturStahlheizkessel und nachgeschaltetem Brennwert-Wärmetauscher (Buderus).

944

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

b) Brennwertkessel1) mit Gebläsebrenner Bezogen auf den Heizwert des Brennstoffes (Hi) erreichen NT-Wärmeerzeuger heute bereits bei relativ kleiner Leistung Jahresnutzungsgrade von 91 bis 96 %. Wärmeerzeuger größerer Leistung erzielen mit zweistufigen oder modulierenden Brennern ca. 94 bis 96 %. Die Energieausnutzung konventioneller Wärmeerzeuger ist somit kaum noch zu verbessern.

Bild 2.2.5-35. Energiebilanz NiedertemperaturHeizkessel, Öl-BW, Brennwertkessel bei Heizwassertemperatur 40/30 °C.

Eine nennenswerte Erhöhung der Nutzungsgrade ist nur zu erreichen, wenn die Verdampfungsenthalpie des im Heizgas/Abgas enthaltenen Wasserdampfes, die bei konventionellen Wärmeerzeugern nutzlos zum Schornstein hinausgeht, durch Kondensation genutzt wird und wenn durch noch stärkere Absenkung der Abgastemperatur auch der sensible (fühlbare) Abgasverlust noch weiter reduziert wird. Das wird mit Brennwertkesseln wie auch mit den konventionellen Kesseln nachzuschaltenden AbgasWärmetauschern für Kondensation und mit Schwimmbadheizern ( Abschnitt 2.7.6-2) in relativ hohem Maße erreicht. Es werden, je nach Konstruktion, Leistung, Auslegung des Heizungssystems sowie Betriebsart des Brenners, Jahresnutzungsgrade von ca. 100 % bis letztlich etwa 109 % erreicht, bezogen auf den Heizwert (siehe auch Tafel 2.2.5-1). Die Anwendung der Brennwerttechnik setzt zunächst einmal voraus, dass der verwendete Brennstoff Wasserstoff enthält. Je höher der Wasserstoffanteil, desto größer ist der durch Wasserdampfkondensation erzielbare Energiegewinn, der theoretisch bei rund 11 % bei Erdgas und, aufgrund des geringeren Wasserstoffanteils, bei rund 6 % bei Heizöl liegt. Gas bietet folglich für Brennwertnutzung einen größeren zusätzlichen Energiegewinn als Heizöl (Tafel 2.2.5-1). Dennoch sind Brennwertkessel und Abgas/Wasser-Wärmetauscher für Kondensation auch für Heizöl inzwischen genauso wie für Erdgas Stand der Technik. Dabei sind vor allem die gegenüber Gas höheren Ansprüche an die Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Werkstoffe zu berücksichtigen. Tafel 2.2.5-1

*

Für die Brennwerttechnik relevante Daten verschiedener Brennstoffe

Brennstoffart

Brennwert Hs kWh/m3

Heizwert Hi kWh/m3

Hs /Hi

Hs /Hi

Kondens. (theoret.) kg/m3

Erdgas L Erdgas H Propan Butan Heizöl*)

9,87 11,46 28,28 37,22 10,68

8,83 10,35 25,99 34,31 10,08

1,11 1,11 1,09 1,08 1,06

1,04 1,11 2,29 2,91 0,6

1,53 1,63 3,37 4,29 0,88

) Bei Heizöl-EL sind die Angaben auf die Einheit „Liter“ bezogen.

Je höher der Wasserstoffgehalt des Brennstoffes, desto höher liegt die Wasserdampftaupunkttemperatur des Heiz- oder Abgases (Bild 1.3.8-6). Ausgehend von einer Luftzahl der Feuerung von ca. 1,15 – das entspricht einem CO2-Gehalt von rund 13,5 % bei Heizöl 1)

DIN EN 677. In Österreich: ÖNorm M7466.

2.2.5 Erzeugung

945

und rund 10,5 % bei Erdgas – liegen die Taupunkttemperaturen bei rund 48 °C bzw. 58 °C. Aufgrund der um ca. 10 K höheren Taupunkttemperatur erweist sich Gas als der für die Brennwerttechnik vorrangige Brennstoff.

Bild 2.2.5-36. Kesselwirkungsgrad (Mindestwerte) und max. Bereitschaftsverluste für Gas-Brennwertkessel nach DIN EN 677.

Die Wasserdampftaupunkttemperatur ist weiterhin abhängig von der Luftzahl λ. Wichtig ist eine Verbrennung mit geringem Luftüberschuss somit hohem CO2-Gehalt. Diese Forderung erfüllen Gebläsebrenner, vor allem bei zweistufigem oder modulierendem Brennerbetrieb, besser als Gasbrenner ohne Gebläse.

Bild 2.2.5-37. Verlauf von Abgastemperatur und Kondensatzahl α in Abhängigkeit von der Auslastung und der Rücklauftemperatur, Brennwertkessel (Viessmann) größerer Leistung (α = gemessene Kondensatmenge/theoretische Kondensatmenge).

Eine weitere wichtige Voraussetzung ist, dass die Rücklaufwassertemperatur der vorhandenen oder auch neu zu erstellenden WW-Heizung möglichst langzeitig während des Betriebsjahres unter der Taupunkttemperatur liegt. Die bestehenden, nach der alten DIN 4701-59 (heute: DIN EN 12831) berechneten Anlagen wurden in der Regel auf Systemtemperaturen 90/70 °C ausgelegt. In der Praxis sind sie jedoch aufgrund der in der alten DIN 4701 enthaltenen Sicherheiten bestenfalls als 75/60 °C-Systeme einzustufen, und damit sind sie durchaus für die Brennwerttechnik geeignet, zumal durch die allgemein vorhandenen Thermostatventile gerade im Teillastbereich die Temperaturspreizung vergrößert und die Rücklauftemperatur abgesenkt wird. Werden bei einem Brennwertkessel Heizwasser und Heizgas nach dem Gegenstromprinzip geführt, sind bei gegebener Feuerungsleistung Kondenswasseranfall wie auch Abgastemperaturverlauf fast nur noch von der jeweiligen Rücklauftemperatur abhängig (Bild 2.2.5-37). Neuanlagen sollten möglichst auf Systemtemperaturen 60/40 °C oder niedriger ausgelegt werden. Der Einfluss der Systemauslegung sollte jedoch nicht überbewertet werden. So ergab sich bei der Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades nach DIN 4702-8 zwischen den Systemen 75/60 °C und 40/30 °C nur eine Nutzungsgraddifferenz von rund 3 %.

2

946

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Brennwertsysteme mit Gebläsebrenner werden derzeit gebaut für Leistungen von ca. 2 kW bis ca. 10 MW. Energieersparnis gegenüber Niedertemperatursystemen 8…14 % bei Gasfeuerung. Mindestwerte für Kesselwirkungsgrad und maximale Bereitschaftsverluste qb nach DIN 4702-6 (DIN EN 677 Bild 2.2.5-36). Weitere Anforderungen s. Abschnitt 2.2.5-2.3.4. Brennwert-Wandkessel werden für Leistungen von ca. 2 bis 150 kW hergestellt (Bild 2.2.5-38, Bild 2.2.5-39 und Bild 2.2.5-40). Bereits mit Systemtemperaturen 75/60 °C werden Nutzungsgrade bezogen auf den Heizwert größer 103 % nachgewiesen.

Bild 2.2.5-38. Gas-Brennwertgerät mit modulierendem Brenner von 100 bis 18%. Das Gebläse des Vormischbrenners wird elektronisch angesteuert und gleicht betriebsbedingte Veränderungen aus (Buderus, Logamax plus GB162, Leistung von 2,7 bis 100 kW).

Bild 2.2.5-39. Modulierendes Brennwert GasWandheizgerät mit Edelstahl-Wärmetauscher, elektronische Gas-Luft-Verbund-Regelung mit CO-Sensor, Normnutzungsgrad bis zu 98% (Hs)/109% (Hi), Leistung von 2,9 bis 69,6 kW (Vaillant, ecoTEC exclusiv).

Einige moderne Gas-Brennwertgeräte arbeiten mit einer Verbrennungsregelung, die unerwünschte Verschiebungen des Gas-/Luftverhältnisses automatisch ausgleichen. Solche Veränderungen der Luftzahl können z. B. durch Schwankungen der Gasqualität oder bei einem Wechsel der Gasart vorkommen. Dazu wird entweder die vorhandene Ionisationselektrode der Flammüberwachung genutzt oder ein Kohlenmonoxid-Sensor im Abgasstrom platziert. Die Messergebnisse erlauben Rückschlüsse auf die aktuelle Luftzahl. Bei Abweichungen vom vorgegebenen Sollwert drosselt oder erhöht eine elektronische Regelung die Gasmenge. So werden Schwankungen der Gasqualität ausgeglichen und ein gleichmäßig hoher Wirkungsgrad sichergestellt. Außerdem entfällt bei einem Wechsel der Gasart das Einstellen der der Geräte mit Blenden. Der Brennwert-Wandkessel nach Bild 2.2.5-38 wird im Leistungsbereich von 2,7 bis 100 kW gebaut. Der Aluminium-Rippenrohr-Wärmeaustauscher ist mit einer extrem dünnen Veredelungsschicht durch Plasmapolymerisation versehen (ALU plus Technologie) und erlaubt eine sehr kompakte, leichte und wartungsfreundliche Bauweise. Die ineinander gedrehten Kanäle der Rippenrohre ermöglichen eine maximale Oberfläche und damit auch eine deutlich verbesserte Wärmeübertragung. Aufgrund der geringen Wasserinhalte weist das Gerät auch im Sommerbetrieb eine außerordentliche schnelle Betriebsbereitschaft auf, was den Einsatz kleiner Speicher-Wasserwärmer ermöglicht. Das Gerät ist mit einer Vielzahl wandhängender oder bodenstehender Speicher kombinierbar. Das Brennwert Gas-Wandheizgerät mit Edelstahl-Wärmetauscher nach Bild 2.2.5-39 wird im Leistungsbereich von 2,9–69,6 kW angeboten. Als kompaktes wandhängendes Kombi-Gerät erfolgt die Warmwasserbereitung im Durchfluss mit integriertem Kleinspeicher für temperaturschnelle und komfortable Zapfungen. Die stufenlose Leistungsanpassung reduziert die Schaltzahl und gewährleistet eine hohe Warmwassertemperatur-

2.2.5 Erzeugung

947

konstanz. Die elektronische Gas-Luft-Verbund-Regelung mit CO-Sensor sorgt für einen hohen Nutzungsgrad auch im Teillastbetrieb. Darüber hinaus braucht bei der Geräteinstallation vor Ort keinerlei Gaseinstellung und keine Anpassung an die nachgeschaltete Abgasanlage (z. B. durch Blenden) vorgenommen werden. Der Normnutzungsgrad beträgt bis zu 98 % (Hs)/109 % (Hi) bei Systemtemperaturen 40/30 °C. Der Umlauf-Wasserheizer als reines Heizgerät kann mit wandhängenden bzw. bodenstehenden Warmwasserspeichern kombiniert werden.

2

Bild 2.2.5-40. (a) Gas-Wand-Brennwertkessel mit modulierendem MatriX-compact Brenner und InoxRadial-Heizfläche. Norm-Nutzungsgrad: 98 % (Hs)/109 % (Hi). (Viessmann Vitodens 200-W. Nenn-Wärmeleistung: 3,2 bis 150 kW).

Bild 2.2.5-41. Gas-Brennwert-Heizkessel mit Inox-Crossal-Heizflächen. Mit zwei übereinander angeordneten Rücklaufstutzen für Heizkreise mit hoher und mit niedriger Rücklauftemperatur. Norm-Nutzungsgrad bis 98 % (Hs)/109 % (Hi). (Viessmann Vitocrossal 300. Nenn-Wärmeleistung: 87 bis 1400 kW).

(b) Öl-Brennwertkessel mit Inox-Radial-Heizflächen. Mit zweistufigem Blaubrenner. Norm-Nutzungsgrad bis 98 %(Hs)/104 % (Hi). (Viessmann Vitoladens 300-W. Nenn-Wärmeleistung: 12,9 bis 23,5 kW).

Bild 2.2.5-42. Kompakte Brennwertkesselausführung (Buderus, Logano plus GB312/ GB402, Leistung bis 620 kW).

Brennwertkessel mit Gebläsebrenner größerer Leistung (entsprechend Bild 2.2.5-41) werden derzeit gefertigt bis zu einer Leistung von etwa 1400 kW. Die Heizflächen sind aus korrosionsbeständigem Edelstahl hergestellt. Der Brennraum ist horizontal, die Konvek-

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

tions- und Kondensationsheizfläche senkrecht darunter angeordnet. Die Wärmeübertragung ist durch die gegenläufigen Einpressungen sehr effizient. Die Abgastemperaturen liegen je nach Rücklauftemperatur und Feuerungsleistung nur ca. 10 K bis letztlich ca. 3 K über der Rücklauftemperatur (s.Bild 2.2.5-37). Wenn zwei Rücklaufstutzen verfügbar sind, so sind am unteren Rücklaufstutzen stets die niedrigst temperierten Rückläufe anzuschließen. Höher temperierte Rückläufe sind am zweiten oberen Rücklaufstutzen anzuschließen. Heizwasser-Mindestvolumenströme sind nicht erforderlich. Mit 40/30 °C-Systemen werden Nutzungsgrade bis zu 109 % erreicht. Der Brennwertkessel nach Bild 2.2.5-42 ist für einen Leistungsbereich bis 620 kW gebaut. Der Kessel zeichnet sich durch eine sehr kompakte Aluminium-Guss-Wärmeaustauscherkonstruktion aus. Als Brenner kommt ein Vormischbrenner zum Einsatz. Der Luftüberschuss wird durch eine elektronische Regelung auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen konstant gehalten (Lambda-Control-System).

Bild 2.2.5-43. Kondensationswärmetauscher für Öl und Gas.

Abgas/Wasser-Wärmeaustauscher für Kondensation werden überwiegend bei größeren Leistungen zur Brennwertnutzung eingesetzt und dem konventionellen Wärmeerzeuger in der Abgasführung nachgeschaltet. Es können damit auch bestehende Anlagen nachträglich zu Brennwerteinheiten ausgebaut werden. Der Nutzungsgrad der Heizungsanlage wird bei Gas um ca. 8…10 %, bei Öl um 4…6 % erhöht. Ob diese Geräte hydraulisch in Reihe oder parallel mit dem Wärmeerzeuger zu schalten sind, ist abhängig von ihrem heizwasserseitigen Druckverlust.

Bild 2.2.5-44. Abgas/Wasser-Wärmetauscher für die Brennwertnutzung bei Gas und Öl, in Kombination mit Öl/GasHeizkesseln (Viessmann Vitotrans 300) Links: Ausführung mit Inox-Crossal-Heizfläche aus Edelstahl für Kesselleistungen bis 560 kW. Rechts: Ausführung mit Edelstahl-Rohrheizfläche für Kesselleistungen bis 6000 kW.

2.2.5 Erzeugung

Der Wärmeaustauscher entsprechend Bild 2.2.5-44 wird für Öl und Gas bis ca. 6000 kW Kesselleistung geliefert. Für Erdgas wird austenitischer Edelstahl als Werkstoff verwendet, für Öl eine Keramik-Kunststoffkombination oder auch austenitischer Edelstahl mit höherem Anteil von Chrom und Nickel. Für die Neutralisation des sauren Kondensats stehen Neutralisationseinrichtungen mit Aktivkohlefilter und Neutralgranulat zur Verfügung. Die Abgase von Brennwertanlagen können, je nach Konstruktion und Betriebsart des Brenners, minimale Temperaturwerte < 40 °C erreichen. Die relative Feuchte des Abgases liegt im Regelfall bei 100 %. Es ist deshalb im nachgeschalteten Abgassystem von weiterer Wasserdampfkondensation auszugehen und es kann sich Überdruck ergeben. Übliche Schornsteine sind dafür ungeeignet. Brennwertkessel sind deshalb an geprüfte und baurechtlich zugelassene Abgasleitungen anzuschließen, die sich auszeichnen durch Korrosionsbeständigkeit und Dichtheit auch bei Überdruck (muss überprüfbar sein). Das in der Abgasleitung anfallende Kondenswasser ist durch geeignete Maßnahmen abzuleiten. Die Abgasleitungen müssen in vorhandenen bzw. neu zu errichtenden Schornsteinen bzw. F30-Schächten über Dach geführt werden (Außenwand-Durchführung bis 11 kW mit Zustimmung des Schornsteinfegers). Abgasleitungen wie auch geeignete Abgas/Zuluft-Systeme werden von einer Reihe von Herstellern angeboten, die auch die erforderlichen Berechnungen durchführen. Der Anschluss von Brennwertgeräten an feuchtigkeitsunempfindliche Schornsteine ist zulässig, wenn der Schornsteinhersteller die Eignung für die jeweiligen Bedingungen nachweist. Bild 2.2.5-45 zeigt Abgassysteme für verschiedene Montageorte. Die Abgassysteme sind als Komplettbausätze lieferbar. Spezielle Überdruck-Abgas-/Zuluftsysteme für raumluftunabhängig betriebene Gas-Brennwertgeräte bieten die Möglichkeit, bis zu fünf Brennwertkessel an eine gemeinsame vertikale Abgasleitung mit einem Durchmesser von 100 Millimetern und kann durch die meisten vorhandenen Schornsteine geführt werden. Druckdichte Abgasklappen in den Abgasleitungen unmittelbar hinter den einzelnen Kesseln oder im Gebläse integrierte Pendelklappen verhindern zuverlässig das Eindringen von Abgasen durch die Heizkessel in die Wohnungen. Abgasventilator: Aufgrund der starken Abkühlung der Abgase ergibt sich in den Abgasleitungen, zumeist bei Teilauslastung der Anlagen, Überdruck. Die restliche Förderhöhe der Brennergebläse reicht im Allgemeinen aus, um Abgas auch bei Überdruck abzuführen. In diesem Fall sind stärkere Brennergebläse zu wählen oder getrennte Abgasventilatoren einzusetzen.

Bild 2.2.5-45. Raumluftunabhängige und -abhängige Abgassysteme für Brennwertkessel (Buderus).

949

2

950

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Kondenswasser: Die je Kilowattstunde Feuerungsleistung entstehende Kondensatmenge wird durch das Verhältnis von Kohlenstoff und Wasserstoff im Brennstoff bestimmt. Tafel 2.2.5-2

Stöchiometrische und maximal erreichbare Kondensatmengen für Erdgas und Heizöl

Kennwerte1)

Erdgas kg/kWh

Heizöl EL kg/kWh

stöchiometrische Kondensatmenge2)

0,16

0,09

maximal erreichbare Kondensatmenge2)

0,14

0,08

1) 2)

Quelle: Arbeitsblatt DWA-A 251 bezogen auf Hs

Die im praktischen Betrieb anfallenden Kondensatmengen sind primär abhängig von der Abgastemperatur. Diese wiederum hängt von der Rücklauftemperatur, der Feuerungsleistung und der Konstruktion des jeweiligen Brennwertkessels bzw. Abgas/Wasser-Wärmetauschers ab. Nach dem Arbeitsblatt DWA-A 251 „Kondensate aus Brennwertkesseln“ lässt sich das jährlich anfallende Kondensatvolumen überschlägig errechnen: · mK VK = bVH · QF · -------

ρ

VK = Kondensatvolumen in m3 bVH = Vollbenutzungsstunden in h/a · QF = Feuerungsleistung in kW mK = spezifische Kondensatmenge in kg/kWh ρ = Dichte des Kondensats 1000 kg/m3 Für einen Gas-Brennwertkessel mit einer Feuerungsleistung von 20 kW und 1700 Vollbenutzungsstunden ergibt sich danach überschlägig ein jährliches maximales Kondensatvolumen von: h 0,14kg ⁄ kWh VK = 1700 --- · 20 kW · -------------------------------- = 4,76 m3/a a kg 1000 ------3m Brennwertgeräte müssen gegen das anfallende Kondensat korrosionsbeständig sein. Nach DIN EN 677:1998-08 dürfen Brennwertgeräte die im Arbeitsblatt DWA-A 251 festgelegten Richtwerte für die Abwasserinhaltsstoffe im Kondensat (u. a. auch Schwermetalle) nicht überschreiten. Heizöl-EL (nach DIN 51603-1) enthält bis zu 1000 mg/kg Schwefel, der bei der Verbrennung zu SO2 oxidiert, das bei Kondensation übergeht in H2SO3, letztlich H2SO4. Das Kondensat ist mit pH-Werten um 1,8…3,7 recht sauer. Bestandteile sind neben schwefeliger Säure CO2, Chlorid und Nitrat. Die Anforderungen an die Werkstoffe sind höher als bei Gas. Mit dem schwefelarmen Heizöl EL (nach DIN 51603-1) steht eine Ölqualität zur Verfügung, deren Schwefelgehalt höchstens 50 mg/kg beträgt, womit es diesbezüglich dem Erdgas vergleichbar ist. Entsprechend sind bei Verwendung dieser Heizölqualität auch die pH-Werte des Kondensats mit denen aus Gas-Brennwertkessel vergleichbar. Das anfallende Kondenswasser wird in das öffentliche Abwassersystem eingeleitet. Im häuslichen Abwassersystem müssen folglich korrosionsbeständige Werkstoffe eingesetzt sein. Als solche gelten unter anderem PE (Polyethylen) und PP (Polypropylen). Bei Gas-Brennwertkesseln sowie bei Öl-Brennwertkesseln, wenn sie ausschließlich mit schwefelarmem Heizöl betrieben werden, wird bis zu einer Leistung von 25 kW keine Neutralisation verlangt. Bei Leistungen von 25…200 kW kann die Neutralisation gefordert sein. Möglich ist auch, dass die Kondensateinleitung ohne Neutralisation zugelassen wird, außer in der Nachtzeit. Anwendungsbezogen sollte vor Ort geklärt werden, welche Anforderungen zu erfüllen sind. Maßgeblich ist die Abwassersatzung des jeweiligen Ortsnetzbetreibers. Regelung: Brennwertgeräte sind grundsätzlich mit vollgleitender Temperatur zu betreiben, wobei vor allem die Rücklauftemperatur die jeweils niedrigsten Werte annehmen

2.2.5 Erzeugung

951

sollte. Vorzusehen ist deshalb eine außentemperaturabhängige Steuereinrichtung zur Ein-/Aus-Schaltung des Brenners. Bei Brennwertkesseln sind schon bei kleinen Leistungen modulierende Brenner zu empfehlen. Die Kessel-Regeleinrichtung muss damit lastabhängig die Brennerstufen bzw. Feuerungsleistung regeln. Seitens der Hydraulik muss ebenfalls sicher gestellt werden, dass Rücklauftemperaturen deutlich unter Taupunkttemperatur des Heizgases erreicht werden. Der Einbau eines 4-Wege-Mischers, der dem Rücklauf heißes Vorlaufwasser beimischt, ist deshalb äußerst ungünstig. Als Alternative können 3-Wege-Mischer zum Einsatz kommen. Wird die Leistung aufgeteilt auf einen Brennwertkessel (ca. 50…60 %) und einen konventionellen Spitzenlastkessel (40…50 %), so ist über die Folgeregelung der Brennwertkessel stets der Führungskessel. Bei sehr kleinen Leistungen (ca. < 18 kW) kann auch eine raumtemperaturabhängige Regeleinrichtung vorgesehen werden. Aussichten: Die Brennwerttechnik führt zu größtmöglicher Energieeinsparung und geringstmöglicher Schadstoffemission. Sie setzt sich deshalb bei Öl und Gas auf breiter Basis durch. c) Wärmeerzeuger größerer Leistung (Großwasserraumkessel) Wärmeerzeuger größerer Leistung bestehen zumeist aus einem zylindrischen Brennraum (Flammrohr) und den nachgeschalteten, aus einem oder mehreren Rohrbündeln aufgebauten Konvektionsheizflächen, die hinter, neben oder/und über dem Brennraum bzw. auch konzentrisch um den Brennraum angeordnet sein können. Der Brennraum kann als Umkehrbrennkammer oder als Brennkammer mit hinterem Heizgasausgang ohne Heizgasumkehrung ausgeführt sein. Aus der Anordnung von Brennraum und Konvektionsheizflächen ist die Typenbezeichnung abzuleiten wie z. B. Einzug- und Zweizugkessel, Zweizugkessel mit Umkehrbrennkammer und Dreizugkessel. Soweit erforderlich, erfolgt die Umlenkung der Heizgase innerhalb des Kessels durch Wendekammern. Die hintere Wendekammer des Dreizugkessels kann wassergekühlt innerhalb oder trocken außerhalb des Kessels angeordnet sein. Da in der Wendekammer Heizgastemperaturen bis ca. 800 °C auftreten, sind bei trockenen Wendekammern sehr hohe Anforderungen an die Wärmedämmung zu stellen. Lieferbar sind diese Wärmeerzeuger als Warmwasser- und Heißwasserkessel mit Leistungen bis zu etwa 38 MW sowie als Niederdruck- und Hochdruckdampfkessel für Dampfmassenströme (Einheit kg/h) bis zu ca. 55000 kg/h. Die meisten Kessel werden mit einem Flammrohr (Brenner) und bei entsprechendem Leistungsbedarf mit zwei Flammrohren (zwei Brenner) gebaut. Die Wärmeerzeuger werden zum Teil komplett betriebsfertig mit Brenner, Armaturen, Kondensatwirtschaft, Schaltschrank, Regeleinrichtungen, sicherheitstechnischer Ausrüstung und sonstigem Zubehör geliefert. Wesentliches Merkmal sind relativ hohe Heizgasgeschwindigkeiten in den Konvektionsheizflächen, die die Heizflächenbelastung merklich verbessern, wozu auch Wirbulatoren und Rippen auf der Heizgasseite beitragen können. Die Differenz zwischen Spitzenbelastung im Brennraum und Minimalbelastung, Ende letzter Zug, ist dadurch deutlich geringer als bei älteren Kesseln. Es sind so auch die Unterschiede in der thermischen Dehnung der einzelnen Züge geringer und konstruktiv leichter zu beherrschen. Aufgrund der hohen Heizgasgeschwindigkeiten ergeben sich heizgasseitige Druckverluste, je nach Leistung, von ca. 0,5 bis 18 mbar. Bei der Überdruckfeuerung ist dieser Druckverlust bei der Auswahl des Öl- oder Gas-Gebläsebrenners zu berücksichtigen. Die kompakte Bauweise der Wärmeerzeuger und die zumeist gute Wärmedämmung führt zu niedrigen Werten von qS und qB (bis < 0,2 %). In Verbindung mit zweistufigen oder modulierenden Brennern werden Jahresnutzungsgrade bis zu 95 % erreicht. Die in Relation zur Leistung geringen Abmessungen ergeben geringen Platzbedarf und kleine Kesselhäuser. d) Mehrkesselanlagen1) Nach § 5 der ehemals gültigen „HeizAnlV“ sind Heizkessel mit einer Nennleistung > 70 kW mit Einrichtungen für eine mehrstufige oder stufenlos verstellbare Feuerungsleistung oder mit mehreren Heizkesseln auszustatten. Die Forderung wird nach Übernahme in die EnEV nicht mehr explizit erhoben, kann jedoch inzwischen als Stand der 1)

Siehe auch Abschnitt 2.5.2-5. Beedgen, O.: Wärmetechnik (1983), Nr. 9, S. 321.

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952

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Technik angesehen werden. Der erste Teil der Forderung ist zu unterstreichen und es ist erfreulich, dass es inzwischen Gasbrenner mit Leistungen von > 18 kW mit zweistufiger oder stufenlos „geregelter“ Feuerungsleistung gibt. Der zweite Teil der Forderung, die Aufteilung der Gesamtleistung auf zwei, bei mehr als 4 bis 5 MW auch drei Kessel, führt eindeutig zu größerer Betriebssicherheit, nicht aber auch unbedingt zu höheren Nutzungsgraden. NT-Heizkessel und besonders Brennwertkessel reagieren gerade im Teillastbetrieb mit ansteigenden Nutzungsgraden (siehe auch Abschnitt 2.2.5-2.7). Mit größerer Kesselleistung ergeben sich auch, bedingt durch das gegenüber kleinen Kesseln günstigere Verhältnis von Kesseloberfläche zu Leistung, geringere relative Werte der Bereitschafts- und Abstrahlungsverluste. In einer Anlage mit mehreren Kesseln arbeiten die einzelnen nach Zuschaltung überwiegend im Volllastbetrieb, dem für neuzeitliche Wärmeerzeuger ungünstigsten Betriebspunkt. Zusätzliche Fehler in der hydraulischen Einbindung oder der Regelstrategie können den Jahresnutzungsgrad durchaus um einige Prozentpunkte unter den der Einkesselanlage abfallen lassen. In Anlagen mit mehr als einem Wärmeerzeuger sind die jeweils abgeschalteten Kessel heizwasserseitig über Motorventile vom Heizungssystem zu trennen, um eine Erwärmung über den Rücklauf, mit entsprechenden Bereitschaftsverlusten, auszuschließen. Zu vermeiden sind auch Fehlzirkulationen z. B. über Ausdehnungsleitungen. Es sollte deshalb jeder Kessel ein eigenes Ausdehnungsgefäß erhalten. Unnötige, nur kurzzeitige, Zuschaltungen eines weiteren Kessels z. B. für eine Speichernachladung oder auch für die Anlagenaufheizung am Morgen bei noch relativ warmer Witterung in der Heizzeit sind durch regeltechnische Maßnahmen zu verhindern. Bei Heizkesseln, die eine MindestRücklauftemperatur fordern, ist durch entsprechende Einrichtungen, z. B. Kesselkreisoder Primärpumpe, Dreiwege-Motorventile und Regelung, für die Einhaltung der Mindestwerte zu sorgen. Sind Brennwertkessel eingesetzt, ist dagegen alles zu vermeiden, was zu einer Anhebung der Rücklauftemperatur führt. Moderne Wärmeerzeuger verlangen auch neue Regelstrategien der Kesselfolge. Üblich war, dass bei ansteigender Auslastung der zweite Kessel zuschaltet, sobald der erste voll ausgelastet ist. Mit zwei Kesseln und zweistufigen Brennern ergibt sich dann die Stufen- und Kesselfolge: Kessel 1 Stufe 1, Kessel 1 Stufe 2, Kessel 2 Stufe 1, Kessel 2 Stufe 2. Für NT-Heizkessel mit Leistungen 2 kg/h

CO

NOx

CxHy

60

120

15

60

70

–

Vergleiche mit Anforderung nach DIN EN 267 UZ 39

Gas-Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse ≤ 70 kW Ferner: Min. Normnutzungsgrad bei 10 kW ηN = 90 %*) 70 kW ηN = 91 %

Vergleiche mit Anforderung nach DIN EN 297 UZ 40

Kesselwasserheizer und Umlaufwasserheizer für gasförmige Brennstoffe nach DIN EN 297, 3, 5 ≤ 120 kW Ferner: Min. Normnutzungsgrad bei 10 kW ηN = 89,5 %*) 30 kW ηN = 90 %

60

60

–

UZ 41

Brenner-Kessel-Kombinationen (Units) mit Gasbrenner mit Gebläse ≤ 70 kW Min. Normnutzungsgrad bei 10 kW ηN = 90 %*) 70 kW ηN = 91 %

60

70

–

60

110

15

50

60

–

Vergleiche mit Anforderung nach DIN 4702 T1 UZ 46

Ölbrenner-Kessel-Kombination (Units) ≤ 70 kW Rußzahl und CO2 wie UZ 9 Min. Normnutzungsgrad bei 10 kW ηN = 90 %*) 70 kW ηN = 91 %

Vergleiche mit Anforderung nach DIN 4702 T1 UZ 61

Gas-Brennwertgeräte ≤ 70 kW Min. Normnutzungsgrad: Heizsystem 75/60 °C 10 kW 70 kW Heizsystem 40/30 °C 10 kW 70 kW

ηN = 100 %*) ηN = 101 % ηN = 103 %*) ηN = 104 %

*) Zwischenwerte erhält man· durch Zeichnen einer Gerade bei einfach-logarithmischer Darstellung über der Wärmeleistung Q , entspr. den zitierten Bildern.

Neben den heiztechnischen Anforderungen regelt EN 303 auch Bauanforderungen, z. B.: Wandstärken, Werkstoffe bei Stahl- und Gusskesseln, wasserseitige und heizgasseitige Dichtheit, Wärmedämmung u. a. Größe der Anschlüsse zum Füllen und Entleeren: R 1/ 2 < 70 kW; R 3/4 > 70 kW; R 1 > 120 kW. Größe des Feuerraums wird vorgeschrieben, um guten Ausbrand zu erhalten.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.3.5

957

Emissionsgrenzwerte

Außer Ruß (s. oben) werden Ölderivat (darf nach DIN 51402-2 nicht nachweisbar sein) und CO- und NOx-Gehalt im Abgas nach EN 303 begrenzt: Tafel 2.2.5-5

Emissionsgrenzwerte

Feuerungswärmeleistung

Kessel mit Ölzerstäubungsbrenner

Gasbrenner mit Gebläse 2. Gasfamilie

3. Gasfamilie

kWh

NOx*) mg/kWh

CO mg/kWh

NOx*) mg/kWh

CO mg/kWh

NOx*) mg/kWh

CO mg/kWh

≤ 350

260

110

100

230

120

> 350

150 170

*) Gerechnet als NO2

2.2.5-2.3.6

Sonstige Kessel

2.2.5-2.3.6.1

Wasserrohrkessel

Diese vornehmlich in Kraftwerken verwendeten Kessel sind im Laufe der Zeit, namentlich seit Einführung der Strahlungsheizflächen, bis zu den größten Leistungen und höchsten Drücken entwickelt worden. Im Gegensatz zu den Flammrohren befindet sich in den Rohren Wasser. Sie sind für jede Feuerungsart geeignet. Geringer Platzbedarf, schnelle Anheizzeit, große Heizflächenleistung. Man unterscheidet grundsätzlich 3 Bauarten (Bild 2.2.5-52):

Bild 2.2.5-52. Wasserrohrkessel; links: Zwangsumlaufkessel, rechts: Zwangsdurchlaufkessel.

a) Naturumlaufkessel. Zwischen einer Trommel mit Fallrohren und den beheizten Wasserrohren im Brennraum erfolgt ein Wasserumlauf infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte. Die Rohre sind in Wänden oder Bündeln angeordnet. Oberhalb des Brennraums befindet sich der Überhitzer. Das Speisewasser wird durch die Abgase des Kessels vorgewärmt, ebenso die Verbrennungsluft im Luftvorwärmer. b) Zwangsumlaufkessel. Eine Pumpe bewirkt den Umlauf des Wassers zwischen den Heiz- und Fallrohren und bringt es dabei auf den Siedepunkt. Besserer Wärmeübergang, größere Freiheit in der Rohranordnung (La-Mont-Kessel u. a.). c) Zwangsdurchlaufkessel. Es besteht kein Umlauf mehr, alles von der Speisewasserpumpe geförderte Wasser wird verdampft; keine Trommeln (z. B. Benson-Kessel und SulzerKessel).

2

958

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.5-2.3.6.2

Schnelldampferzeuger

Diese Geräte, auch Dampfgeneratoren oder Dampfautomaten genannt, finden Verwendung für kurzzeitigen Dampfverbrauch, namentlich für Fabrikationszwecke, aber auch in gewerblichen Betrieben wie Wäschereien, Großküchen, chemischen Reinigungsanstalten, ferner in Krankenhäusern usw. Kleine und mittlere Kessel, die vollautomatisch arbeiten und in kurzer Zeit (2 bis 5 Min.) Dampf erzeugen. Alle Teile sind auf einem gemeinsamen Rahmen montiert, keine Fundamente und keine Einmauerung. Dampfmassenstrom (Einheit kg/h) 100 bis 5000 kg/h, mittlerer Betriebsüberdruck 6 bis 25 bar. Manche Geräte sind fahrbar. Kleiner Wasserraum, etwa 10 bis 200 l Inhalt, Heizfläche besteht aus zahlreichen eng nebeneinander liegenden Rohren. Wasser wird im Durchlaufverfahren oder im Umlaufverfahren erhitzt. Im ersten Fall Verdampfung zu etwa 90 %, üblicherweise werden Dampftrockner nachgeschaltet. Hohe Heizflächenbelastung, bis 70 kW/m2. Aufgrund des geringen Wasserinhaltes kaum Dampfspeicherfähigkeit. Deswegen für Anwendungen mit schlagartigem Dampfbedarf, wie z. B. der Beheizung von Autoklaven, ohne weitere Maßnahmen nicht geeignet. Jegliche Schwankung der Dampfentnahmemenge muss durch eine schnelle Leistungsregelung ausgeglichen werden. Ausführungen mit doppelwandigen Gehäusen zur Luftvorwärmung und Gehäusekühlung werden aufgrund vielfacher Nachteile immer häufiger durch modernere, konventionell isolierte Schnelldampferzeuger verdrängt. Gute Speisewasserqualität, regelmäßige Wartung und korrekte Bedienung sind für einen reibungslosen Kesselbetrieb wichtig. Abhängig von dem Wasserinhalt des Schnelldampferzeugers Erleichterungen bei Prüfungen vor Inbetriebnahme, wiederkehrenden Prüfungen, Aufstell- und Betriebsvorschriften. Schematische Darstellung der Wirkungsweise Bild 2.2.5-53.

Bild 2.2.5-53. Schnitt durch einen Schnelldampferzeuger nach dem Zwangsdurchlaufverfahren (Bosch Thermotechnik, Marke Loos, Gunzenhausen).

Bild 2.2.5-54. Schnelldampferzeuger Loos Dampffix DF (Bosch Thermotechnik, Marke Loos, Gunzenhausen).

2.2.5 Erzeugung

959

Es werden ausschließlich flüssige und gasförmige Brennstoffe eingesetzt. Steuerschränke und Bedienelemente werden vielfach am Gehäuse des Schnelldampferzeugers montiert. Ausführungsbeispiel Bild 2.2.5-54. Vorteile: Kurze Anheizzeiten, geringer Platzbedarf, gute Regelbarkeit. Nachteile: Keine Speicherung, sorgfältige Wartung und Speisewasserpflege erforderlich. 2.2.5-2.3.6.3

Thermoölkessel1)

In manchen Industrien, z. B. der Textil-, Holz- und chemischen Industrie sowie Verfahrenstechnik, werden für Beheizungs-, Trocknungs- und Kochprozesse hohe Arbeitstemperaturen gefordert, wofür früher Dampf und Heißwasser mit hohen Drücken verwendet wurden. Inzwischen haben sich jedoch für viele Zwecke Öle als Wärmeträger etabliert, die bei hohen Temperaturen drucklos arbeiten. Die erste Flüssigkeit dieser Art war Dowtherm der Firma Dow 1925, in Deutschland Diphyl genannt, ein organisches Kohlenwasserstoffprodukt, bestehend aus Diphenyl und Diphenyloxyd (MAK-Wert 1 mg/m3). Siedepunkt 256 °C bei 1 bar. Später wurden noch viele andere geeignete Öle (Thermoöle) entwickelt, siehe Tafel 2.2.5-6. Tafel 2.2.5-6 Handelsname

Eigenschaften einiger Wärmeträgermedien (Thermoöle) Gruppe

Hersteller

Verwendungsbereich

Dichte

Spez. Wärmekapazität

Siedebeginn

Fließgrenze

°C

kg/m3

kJ/kg K

°C

°C

Farulin S

1

Aral

–25 300

944 732

1,66 2,93

333

–39

Transcal LT

1

BP

–35 290

982 680

1,70 3,05

300

–48

Thermaöl T

1

Esso

0 310

871 682

1,86 3,01

355

–15

Thermia Öl E

1

Shell

0 310

910 718

1,80 2,87

360

–24

Mobiltherm 605

1

Mobil Oil

–5 320

880 674

1,83 2,93

390

–10

Diphyl DT

2

Bayer

–20 330

1067 786

1,45 2,34

330

–54

Dowtherm LF

2

Dow Chem.

–20 300

1060 823

1,52 2,47

264

–32

Malowtherm S

2

CW Hüls

–14 350

1052 800

1,45 2,68

390

–35

Im Ausland sind verschiedene weitere Öle in Gebrauch. Die Viskosität der Öle schwankt in sehr weiten Grenzen, die spezifischen Wärmekapazitäten liegen bei 20 °C meist zwischen 1,50 und 2,0 kJ/kg K. Die Ausdehnung der Öle reicht bis 10 % je 100 °C. Preise zwischen 1 und 6 €/l. Alle diese Öle können ähnlich wie Wasser in Spezialkesseln erhitzt und durch Pumpen den verschiedenen Wärmeverbrauchern zugeführt werden. Die Beheizung erfolgt am besten durch Heizöl oder Gas, bei Kleinanlagen auch elektrisch. Der Umlauf kann so-

1)

Goede, J.: Öl+Gas (1974), Nr. 11, 6 S. Neumann, H.: Öl- u. Gasfeuerung (1976), Nr. 2, 4 S. VDI 3033 „Aufbau, Betrieb und Instandhaltung von Wärmeübertragungsanlagen“, 07-1995.

2

960

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

wohl im offenen wie im geschlossenen System erfolgen. Letzteres ist günstiger, weil keine Berührung mit Luft eintritt. Beispiele für verschiedene Verbraucher siehe Bild 2.2.5-55. Manche Kessel werden ähnlich den Schnelldampferzeugern auch in Kompaktbauweise komplett mit Brenner, Pumpe, Schaltgeräten usw. geliefert, sogenannte „Heißölgeneratoren“. Beispiel Bild 2.2.5-56, das einen Zwangdurchlaufkessel mit konzentrischen Rohrschlangenzylindern zeigt.

Bild 2.2.5-55. Heißöl-Umlaufanlage mit verschiedenen Verbrauchern.

Bild 2.2.5-56. Heißölerhitzer mit Sturzbrenner und Dreizugsystem (Konus-Kessel).

Vorteile dieser Anlagen: Keine komplizierten Armaturen und Sicherheitseinrichtungen, Überwachungspflicht, gefahrloser Betrieb ohne Überdrücke bis etwa 300 °C, keine Korrosionsgefahr, kein Kesselstein, Gesamtkosten einer Anlage häufig geringer als bei Dampf oder Heißwasser. Nachteile: Hoher Ölpreis, Brandgefahr, Dichtigkeitsschwierigkeiten, manchmal Geruchsbelästigung, Alterung der Öle, teilweise gesundheitsschädlich, feuergefährlich. Zweifellos wird sich die Anwendung dieser Wärmeübertragungsöle in der Industrie noch sehr erweitern. Für direkte Raumheizung sind sie nicht in größerem Umfang geeignet, sondern nur in Ausnahmefällen unter Verwendung eines Wärmeübertragers. Sicherheitstechnische Anforderungen in DIN 4754:1994-09, Druckbehälterverordnung (4.80) und Richtlinie Nr. 14 (1970) der BG-Chemie.

2.2.5-2.4 2.2.5-2.4.1

Gasbrenner Allgemeines

Man unterscheidet Gasbrenner hinsichtlich folgender Kriterien: nach der Gemischaufbereitung – vor der Flamme mischende Brenner (kurz: Vormischbrenner) – teilweise vor der Flamme mischende Brenner – in der Flamme mischende Brenner (kurz: Diffusionsbrenner) – katalytische Brenner nach Gasart – Stadt- und Ferngasbrenner – Erdgasbrenner: • H-Gasbrenner • L-Gasbrenner • LL-Gasbrenner – Flüssiggasbrenner – Mehrgas- und Allgasbrenner nach der Luftaufbereitung – Brenner mit Gebläse – Brenner ohne Gebläse

2.2.5 Erzeugung

nach Gasdruck – Niederdruckbrenner (5…50 hPa Gasdruck) – Hochdruckbrenner (50…300 kPa (0,5…3,0 bar) Gasdruck) nach Betriebsweise – handbetätigte Gasbrenner – halbautomatische Gasbrenner: Die Hauptflamme wird durch eine dauernd brennende Zündflamme gezündet. Die Zündflamme wird bei Inbetriebnahme über einen Piezozünder gezündet und anschließend thermoelektrisch überwacht. – vollautomatische Gasbrenner: Die Hauptflamme oder auch ein Zündbrenner wird direkt elektrisch gezündet. Eine Ionisationselektrode befindet sich am weitest entfernten Brennerstab oder im Randbereich der Brennerfläche. Wird innerhalb einer Sicherheitszeit kein Flammensignal (Ionisationsstrom) gemeldet, unterbricht der Feuerungsautomat die Gaszufuhr und schaltet den Brenner auf Störung. Eine dauernd brennende Zündflamme ist nicht erforderlich. Heute wird auch bei kleineren atmosphärischen Brennern überwiegend eine vollautomatische Zündung verwendet. Folgende DIN und Europäischen Normen regeln den Betrieb, die Ausrüstung und die Zulassung von Gasbrenner (Siehe auch DIN EN 676 Abschnitt 2 Normative Verweise): DIN EN 676 „Automatische Brenner mit Gebläse für gasförmige Brennstoffe“, 11-2008 — Deutsche Fassung der EN 676: 2003+A2:2008 DIN EN 88-1 „Druckregler und zugehörige Sicherheitseinrichtungen für Gasgeräte – Teil 1: Druckregler für Eingangsdrücke bis einschließlich 50 kPa“, 06-2016 DIN EN 88-2 „Druckregler und zugehörige Sicherheitseinrichtungen für Gasgeräte – Teil 2: Druckregler für Eingangsdrücke über 500 mbar bis einschließlich 5 bar“, 03-2008 — Deutsche Fassung der EN 88-2:2007 DIN EN 125 „Flammenüberwachungseinrichtungen für Geräte zum Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen, Thermoelektrische Zündsicherung“, 08-1996 DIN EN 126 „Mehrfachstellgeräte für Gasgeräte“, 07-2004 DIN EN 161 „Automatische Absperrventile für Gasbrenner und Gasgeräte“, 04-2007 DIN EN ISO 291 „Normalklimate für Konditionierung und Prüfung“, 02-2006 DIN EN 297 „Heizkessel für gasförmige Brennstoffe, Heizkessel der Typen B11 und B11BS mit atmosphärischen Brennern mit einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW“, 06-2005 DIN EN 298 „Feuerungsautomaten für Gasbrenner und Gasgeräte mit und ohne Gebläse“, 01-2004 DIN EN 334 „Gas-Druckregelgeräte für Eingangsdrücke bis 100 bar“, 06-2005 DIN EN 437 „Prüfgase – Prüfdrücke – Gerätekategorien“, 09-2003 DIN EN 483 A2 „Heizkessel für gasförmige Brennstoffe – Heizkessel des Typs C mit einer Nennwärmebelastung gleich oder kleiner als 70 kW“, 07-2007 DIN EN 625 „Heizkessel für gasförmige Brennstoffe, Spezielle Anforderungen an die trinkwasserseitige Funktion von Kombi-Kesseln mit einer Nennwärmeleistung kleiner oder gleich 70 kW“, 10-1995 DIN EN 656 A1 „Heizkessel des Typs B mit einer Nennwärmebelastung größer als 70 kW aber gleich oder kleiner als 300 kW“, 01-2006 DIN EN 676 „Automatische Brenner mit Gebläse für gasförmige Brennstoffe“, 11-2003 DIN EN 677 „Heizungskessel für gasförmige Brennstoffe, Besondere Anforderungen an Brennwertkessel mit einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW“, 08-1998 DIN EN 1057 „Kupfer und Kupferlegierungen – Nahtlose Rundrohre aus Kupfer für Wasser- und Gasleitungen für Sanitärinstallationen und Heizungsanlagen“, 08-2006

961

2

962

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

DIN EN 1643

„Ventilüberwachungssysteme für automatische Absperrventile für Gasbrenner und Gasgeräte“, 02-2001 DIN EN 1854 „Druckwächter für Gasbrenner und Gasgeräte“, 07-2006 DIN EN 1196 „Gasbefeuerte Warmlufterzeuger für den häuslichen und den nicht-häuslichen Gebrauch – Zusätzliche Anforderungen an kondensierende Warmlufterzeuger“, 07-1998 DIN EN 12067-1 A1 „Gas-Luft-Verbundregler für Gasbrenner und Gasgeräte – Teil 1: Pneumatische Ausführung“, 08-2003 DIN EN 12067-2 „Gas-Luft-Verbundregler für Gasbrenner und Gasgeräte – Teil 2: Elektronische Ausführung“, 06-2004 DIN EN 12078 „Nulldruckregler für Gasbrenner und Gasgeräte“, 12-1998 DIN EN 13611 „Sicherheits-, Regel- und Steuereinrichtungen für Gasbrenner und Gasgeräte – Allgemeine Anforderungen“, 02-2008 DIN 32732 „Mechanisch betätigte Verbrennungsluft-Verschluss-klappen, Sicherheitstechnische Prüfung, Kennzeichnung“, 10-1989 DIN EN 50156-1 „Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen – Teil 1: Bestimmungen für die Anwendungsplanung und Errichtung“, 03-2005 DIN EN 60204-1 „Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 06-2007 DIN EN 60335-1 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnlicher Zwecke – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 02-2007 DIN EN 60529 „Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code)“, 09-2000 DIN EN 60730-1 A16 „Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 02-2008 DIN EN 60947-5-1 „Niederspannungsschaltgeräte – Teil 5-1: Steuergeräte und Schaltelemente – Elektromechanische Steuergeräte“, 02-2005 DIN EN 61000-6-1 „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 6-1: Fachgrundnormen – Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe“, 10-2007 DIN EN 61000-6-3 „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 6-3: Fachgrundnormen – Störaussendung für Wohnbereich, Geschäftsund Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe“, 09-2007 DIN EN 60204-1 „Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 06-2007 DIN EN 60947-5-1 „Niederspannungsschaltgeräte – Teil 5-1: Steuergeräte und Schaltelemente, Elektromechanische Steuergeräte“, 02-2005 korrespondierende Normen aus diesem Fachgebiet sind: DIN EN 88-1 „Druckregler und zugehörige Sicherheitseinrichtungen für Gasgeräte – Teil 1: Druckregler für einen Eingangsdruck bis einschließlich 50 kPa“ DIN EN 88-2 „Druckregler und zugehörige Sicherheitseinrichtungen für Gasgeräte – Teil 2: Druckregler für Eingangsdrücke über 500 mbar bis einschließlich 5 bar“ DIN EN 161 „Automatische Absperrventile für Gasbrenner und Gasgeräte“ DIN EN 294 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsabstände gegen das Erreichen von Gefahrstellen mit den oberen Gliedmaßen“ DIN EN 298 „Feuerungsautomaten für Gasbrenner und Gasgeräte mit und ohne Gebläse“ DIN EN 334 „Gas-Druckregelgeräte für Eingangsdrücke bis 100 bar“ DIN EN 953 „Sicherheit von Maschinen – Trennende Schutzeinrichtungen – Allgemeine Anforderungen an Gestaltung und Bau von feststehenden und beweglichen trennenden Schutzeinrichtungen“ DIN EN 1088 „Sicherheit von Maschinen – Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit trennenden Schutzeinrichtungen – Leitsätze für Gestaltung und Auswahl“, 1995

2.2.5 Erzeugung

DIN EN 1092-1 DIN EN 1092-2 DIN EN 1092-3 DIN EN 1643 DIN EN 1854 DIN EN 10204 DIN EN 10208-1 DIN EN 10208-2 DIN EN 10216-1 DIN EN 10217-1 DIN EN 12067-1 DIN EN 12067-2 DIN EN 15036-1 DIN EN 50156-1 DIN EN 60335-2-102

DIN EN 60730-1

DIN EN 61310-1 DIN EN 10220 DIN EN ISO 15609-3 DIN EN ISO 15609-4 DIN EN ISO 15609-5

963

„Flansche und ihre Verbindungen – Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet – Teil 1: Stahlflansche“ „Flansche und ihre Verbindungen – Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet – Teil 2: Gusseisenflansche“ „Flansche und ihre Verbindungen – Runde Flansche für Rohre, Armaturen, Formstücke und Zubehörteile, nach PN bezeichnet – Teil 3: Flansche aus Kupferlegierungen“ „Ventilüberwachungssysteme für automatische Absperrventile für Gasbrenner und Gasgeräte“ „Druckwächter für Gasbrenner und Gasgeräte“ „Metallische Erzeugnisse – Arten von Prüfbescheinigungen“ „Stahlrohre für Rohrleitungen für brennbare Medien – Technische Lieferbedingungen – Teil 1: Rohre der Anforderungsklasse A“ „Stahlrohre für Rohrleitungen für brennbare Medien – Technische Lieferbedingungen – Teil 2: Rohre der Anfor„derungsklasse B“ „Nahtlose Stahlrohre für Druckbeanspruchungen – Technische Lieferbedingungen – Teil 1: Rohre aus unlegierten Stählen mit festgelegten Raumtemperatureigenschaften“ „Geschweißte Stahlrohre für Druckbeanspruchungen – Technische Lieferbedingungen – Teil 1: Unlegierte Stähle mit festgelegten Raumtemperatureigenschaften“ „Gas-Luft-Verbundregler für Gasbrenner und Gasgeräte – Teil 1: Pneumatische Ausführung“ „Gas-Luft-Verbundregler für Gasbrenner und Gasgeräte – Teil 2: Elektronische Ausführung“ „Heizkessel – Prüfverfahren für Luftschallemissionen von Wärmeerzeugern – Teil 1: Luftschallemissionen von Wärmeerzeugern“, 2006 „Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen – Teil 1: Bestimmungen für die Anwendungsplanung und Errichtung“, 2004 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke – Teil 2-102: Besondere Anforderungen für Gas-, Öl- und Festbrennstoffgeräte mit elektrischen Anschlüssen“, 2007 „Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (IEC 60730-1:1999, modifiziert + A1:2003, modifiziert)“ „Sicherheit von Maschinen – Anzeigen, Kennzeichen und Bedienen – Teil 1: Anforderungen an sichtbare, hörbare und tastbare Signale (IEC 61310-1:1995 und Berichtigung 1995)“ „Nahtlose und geschweißte Stahlrohre – Maße und längenbezogene Masse“ „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißanweisung – Teil 3: Elektronenstrahlschweißen (ISO 15609-3:2004)“ „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißanweisung – Teil 4: „Laserstrahlschweißen (ISO 15609-4:2004)“ „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißanweisung – Teil 5: Widerstandsschweißen (ISO 15609-5:2004)“

2

964

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

DIN EN ISO 15612

„Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Qualifizierung durch Einsatz eines Standardschweißverfahrens (ISO 15612:2004)“ DIN EN ISO 15614-7 „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißverfahrensprüfung – Teil 7: Auftragschweißen (ISO 15614-7:2007)“ DIN EN ISO 15614-11 „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißverfahrensprüfung – Teil 11: Elektronen- und Laserstrahlschweißen (ISO 15614-11:2002)“ DIN EN ISO 7-1 „Rohrgewinde für im Gewinde dichtende Verbindungen – Teil 1: Maße, Toleranzen und Bezeichnungen“ Zur Erläuterung der Gasgeräte-Typen – Typ B: Gasfeuerstätte mit einer gegenüber dem Aufstellungsraum offenen Verbrennungskammer, die zum Anschluss an einen Schornstein bestimmt ist und mit einem Brenner (mit und ohne Gebläse) ausgestattet ist, sowie Gasspezialkessel bzw. Umlauf/Kombiwasserheizer – Typ C/D: Gasfeuerstätte mit geschlossener Verbrennungskammer gegenüber dem Aufstellungsraum sowie Wandbrennwertgerät Jedes Gasbrennermodell muss ebenso wie jedes Ölbrennermodell durch eine anerkannte Prüfstelle (DVGW u. a.) die Einhaltung der in der jeweiligen Norm spezifizierten Anforderungen nachweisen und erhält danach eine sog. Registriernummer. Für Gasbrenner, die unter die EG-Gasgeräterichtlinie fallen, ist eine CE-Kennzeichnung seit dem 01.01.96 vorgeschrieben. Geräte, die diese Anforderung nicht erfüllen, dürfen nicht in den Handel gebracht werden. Die Normen für Sicherheits- und Regeleinrichtungen für Gasbrenner und Gasverbrauchseinrichtung sind in Abschnitt 2.2.5-2.4.4 beschrieben. Darüber hinaus sind die folgenden nationalen Umweltzeichen zu beachten: – Blauer Engel RAL UZ 39: Gasspezialheizkessel ≤ 120 kW – Blauer Engel RAL UZ 41: Brenner-Kesselkombination, Gasbrenner mit Gebläse ≤ 70 kW – Blauer Engel RAL UZ 61: Brennwertkessel ≤ 70 kW – Blauer Engel RAL UZ 80: Gasgebläsebrenner ≤ 120 kW – Hamburger Förderprogramm – ÖVGW-Zeichen 2.2.5-2.4.2

Brenner ohne Gebläse (atmosphärische Brenner)

Bei Brennern ohne Gebläse wird das Injektorprinzip für die Vormischung der Luft und des Gases verwendet. Das Injektorprinzip ist in Bild 2.2.5-57 und Bild 2.2.5-58 dargestellt. Das Gas wird mit hohem Druck über Düsen in das Mischrohr eingeblasen. Die hohe Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Gasstrahlen erzeugt am Mischrohreintritt einen Unterdruck, durch den die Primärluft aus der Umgebung angesaugt wird. Die angesaugte Luft und das eingeblasene Gas werden im folgenden Rohrabschnitt gemischt. Das teil- oder vollvorgemischte Gemisch tritt über einen durchlässigen Reaktionskörper gleichmäßig verteilt aus. Der Reaktionskörper ist meist aus geschlitzten oder gelochten Blechen aufgebaut oder besteht aus einem porösen Werkstoff (Keramikschaum, Metallgewebe u. a.). An der dem Feuerraum zugewandten Seite des Reaktionskörpers wird das austretende Gemisch elektrisch oder durch eine Zündflamme gezündet. Bei einem teilvormischenden System mischt sich nur ein Teil der für die Verbrennung notwendigen Luft im Mischrohr, der restliche Anteil (Sekundärluft) wird aufgrund der Auftriebskraft der Flamme erst in der Reaktionszone zugemischt. Dieser Restluftanteil strömt um den Brennerstab bzw. durch spezielle Zwischenräume im Reaktionskörper zum Flammenbereich. Brenner für Heizkessel besitzen meist einen zylindrischen Reaktionskörper, während Brenner für Wandgeräte meist aus einem oder mehreren plattenförmigen Reaktionskörpern (sog. Brennerschienen oder Brennerstäben) aufgebaut sind. Düse, Mischrohr und Reaktionskörper müssen entsprechend der eingesetzten Gasart und dem vorliegenden Gasdruck ausgelegt sein. Infolge unterschiedlicher Gasarten (Dichte, Gasdruck, Heizwert unterschiedlich) verändert sich die Primärluftzahl bei gleicher Ausführung der Reaktionsoberfläche und des Mischrohres. Der Brenner muss da-

2.2.5 Erzeugung

965

her an die unterschiedlichen Gasarten durch einen Düsenwechsel und die Gasdruckeinstellung angepasst werden.

Bild 2.2.5-57. Injektorbrenner mit flachem (plattenförmigem) Reaktionskörper.

Bild 2.2.5-58. Injektorbrenner mit zylindrischem Reaktionskörper.

Die Stabilitätsbereich einer Flamme hängt von Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront (im Folgenden als Flammengeschwindigkeit bezeichnet), der Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs und dem Wärmetransport aus den Flammengasen ab. In einem Gemischstrom, dessen Zusammensetzung innerhalb der Zündgrenzen liegt, bewegt sich die Flammenfront mit der Differenz aus Strömungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit solange stromauf, bis an einem Ort beide Geschwindigkeiten gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. Ist dort die freigesetzte Reaktionswärme sowie die aus der Reaktionszone zurückgeführten Wärmemenge in der Summe größer als die Mindestzündenergie, so bildet sich eine ortsfeste Flamme, die als stabil bezeichnet wird, wenn sie unmittelbar am Brenner beginnt und ohne Pulsationen brennt. In Erweiterung dieser physikalischen Definition beschreibt der Begriff der Flammenstabilität in der technischen Anwendung die Widerstandsfähigkeit einer Flamme gegenüber kurzzeitigen Schwankungen in den Betriebsparametern, wie Feuerraumdruck, Gemischzusammensetzung und Brennstoff- und Verbrennungsluftgeschwindigkeit. Die Mindestzündenergie eines Gemischs wird vor allem durch das Brennstoff-Luft-Verhältnis und die Strömungsform beeinflusst. In der Nähe der stöchiometrischen Gemischzusammensetzung erreicht die Mindestzündenergie einen Minimalwert. Bei turbulenter Strömung liegt die Mindestzündenergie höher als bei laminarer Strömung, da bedingt durch den turbulenten Schwankungsanteil eine größere Stoffmenge auf Zündtemperatur erwärmt werden muss. Bild 2.2.5-59 zeigt beispielhaft die Zündgrenzen eines Gemischs aus Propan (C3H8), Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2). Die untere Zündgrenze (sauerstoffreiches Gebiet) und die obere Zündgrenze (brennstoffreiches Gebiet) gehen im Bereich kleiner Sauerstoffgehalte ineinander über. Die laminare Flammengeschwindigkeit sl eines Brennstoff-Luft-Gemischs hängt außer von den Eigenschaften des Brennstoffes auch vom Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Luft sowie der Temperatur ab. Bild 2.2.5-60 zeigt die laminare Flammengeschwindigkeit sl in Abhängigkeit von der Luftverhältniszahl l und der Ausgangstemperatur des Gemischs T0 für Methan. Zum Vergleich sind auch die Zahlenwerte für n-Heptan (C7H18) – Ersatzbrennstoff für Heizöl EL – eingetragen. Die laminare Flammengeschwindigkeit erreicht ihr Maximum im Bereich einer stöchiometrischen Mischung und fällt mit steigender Luftverhältniszahl ab. Mit zunehmender Vorwärmung des Brennstoff-Luft-Gemischs steigt die laminare Flammengeschwindigkeit an.

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-59. Zündgrenzen für ein Gemisch aus Propan (C3H8), Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2).

Bild 2.2.5-60. Laminare Flammengeschwindigkeit sl von Methan, sowie n-Heptan in Abhängigkeit des Luftverhältnisses 8 und der Ausgangstemperatur des Gemischs T0.

Bild 2.2.5-61 verdeutlicht den Vorgang der Flammenstabilisierung an einer Ausströmöffnung. Durch den Wärmetransport aus den Flammengasen an die Umfassungsflächen der Ausströmöffnung fällt die laminare Flammengeschwindigkeit, ausgehend vom adiabaten Maximalwert im Zentrum der Strömung zu den Rändern hin ab. Da die Strömungsgeschwindigkeit am Austrittsquerschnitt des Gemischs infolge der Wandreibung ebenfalls in Richtung der Strahlränder abnimmt, entstehen bei ebener Betrachtung innerhalb der Strömung Stabilisierungspunkte, in denen die Axialgeschwindigkeit des Gemischs und die Flammengeschwindigkeit gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. In Bild 2.2.5-61(a) sind für 5 verschiedene Ausströmgeschwindigkeiten mit ausgebildetem Parabelprofil jeweils die Tangenten vom Rand der Ausströmöffnung an die Geschwindigkeitsparabel dargestellt. Die Steigung der Tangenten, die als Wandgeschwindigkeitsgradiente g bezeichnet wird, ist gemäß nachfolgender Gleichung proportional zur mittleren Ausströmgeschwindigkeit des Gemischs um. 4u m g = ---------r Mit sinkender mittlerer Ausströmgeschwindigkeit verschiebt sich der Verlauf der Flammengeschwindigkeit infolge der zunehmenden Kühlwirkung der Umfassungsflächen der Ausströmöffnung und der geringeren Beimischung von Gas aus der Strahlumgebung in Richtung Strahlachse. Die Breite des Strahlrandes dp,i (penetration distance), in dem die Flammengeschwindigkeit Null ist, nimmt zu. Die Flammenfront bewegt sich solange in Richtung der Ausströmöffnung bis sich die Tangente an die Strömungsparabel gi und der Verlauf der Flammengeschwindigkeit si erneut in einem Punkt berühren.

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-61. Stabilisierungsvorgang einer laminaren Vormischflamme: (a) Strömungs- und Flammengeschwindigkeit in der Stabilisierungszone (b) Lage der Flammenfront.

Bild 2.2.5-61(b) zeigt die aus dem Zusammenwirken von Strömungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit resultierende Lage der Flammenfront für verschiedene Ausströmgeschwindigkeiten. Unterhalb einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit ist eine Stabilisierung der Flamme außerhalb des Brenners nicht möglich (Kurve 5). Die Flamme breitet sich in diesem Fall entweder bis in den Vormischbereich aus (Flammenrückschlag), oder erlischt, wenn der Löschabstand dq,i auf dem Weg der Flamme dorthin die Größe des Durchmessers der Ausströmöffnung erreicht. Überschreitet dagegen die Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Strahl die Flammengeschwindigkeit so hebt die Flamme ab.

Bild 2.2.5-62. Einsatz von Kühlstäben als Kühlelement bei teilvorgemischten Brennern.

Auf Basis dieser Grundlagen kann nun die Stabilitätsgrenze eines Brenners als kritischer Wand-Geschwindigkeitsgradient gkrit in Abhängigkeit von Luftverhältniszahl bestimmt werden. Die empirisch gefundenen Zahlenwerte sind in Bild 2.2.5-63 für Erdgas eingetragen. Die Rückschlags- und Abhebegrenzen schließen den stabilen Brennbereich des Brenners ein. Ein Betrieb des Brenners außerhalb dieser Stabilitätsgrenzen führt nicht in allen Fällen zum Erlöschen der Flamme. So geht ein Flammenrückschlag in eine Detonation des im Vormischbereich enthaltenen Gemischs über, deren Druckwelle entweder die Flamme vollständig löscht oder in den Vormischbereich verlagert. Hebt die Flamme dagegen ab, so nehmen die CO, CxHy und Rußemissionen zu. In den letzten Jahren haben die Brenner- bzw. Heizgerätehersteller große Anstrengungen unternommen, die Schadstoffemission zu reduzieren. Zur NOx-Minderung an Gasbrennern ohne Gebläse mit kleinerer Leistung stehen folgende Maßnahmen zur Verfügung: 1. Einsatz von Kühlstäben als Kühlelement bei teilvorgemischten Brennern (Bild 2.2.5-62) 2. Wassergekühlte Brennerplatten in Verbindung mit überstöchiometrischer Vormischung (Bild 2.2.5-64) 3. Überstöchiometrische Vormischung mit teilabgehobener Flamme

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

4. Strahlungsflächenbrenner (Bild 2.2.5-70) 5. Verbrennung in porösen Medien 6. Katalytisch unterstützte Brenner 7. Katalytische Brenner Durch den Einbau von Kühlstäben wird versucht, die Flammentemperatur passiv (ohne Wasserkühlung, Bild 2.2.5-62) oder aktiv (mit Wasserkühlung, Bild 2.2.5-64) zu senken. Wie in Bild 2.2.5-62 gezeigt, werden die Keramikstäbe durch die heißen Flammengase konvektiv erwärmt und geben ihrerseits die aufgenommene Wärme durch Strahlung an den im Feuerraum integrierten Wärmetauscher ab (Wasserrohrbauweise). Dadurch wird die Flammentemperatur gesenkt und weniger thermisches NOx gebildet.

Bild 2.2.5-63. Stabilitätsdiagramm für Erdgas

Bild 2.2.5-64. Wassergekühlter Brenner.

Eine Verkürzung der Verweilzeit der heißen Flammengase im Bereich hoher Flammentemperaturen (Verkürzung der Flammenlänge, Erhöhung der Flammengeschwindigkeit) führt ebenfalls zu einer Reduzierung der thermischen Stickoxidemissionen. Durch Erhöhen des Primärluftanteils werden die Mischvorgänge von Brennstoff und Verbrennungsluft in das Mischrohr verlagert, wo erheblich längere Mischwege zur Verfügung stehen. Das sehr homogene Gemisch verbrennt anschließend mit sehr geringen Temperaturspitzen innerhalb der Flamme, wodurch die thermische NOx-Bildung ebenfalls reduziert wird. Durch überstöchiometrische Vormischung ist es möglich, den prompten und thermischen NOx-Anteil zu reduzieren, jedoch muss die Flamme in ihrer teilabgehobenen Form stabilisiert werden, was den Betriebsbereich und die einsetzbaren Gasarten einschränkt. Brenner mit Strahlungsflächen sind sowohl atmosphärisch als auch gebläseunterstützt realisierbar, bei katalytisch unterstützten und katalytischen Brennern ist ein Gebläse vorgesehen.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.4.3

Gasgebläsebrenner

Bei diesen Brennern wird die Verbrennungsluft durch ein Gebläse zugeführt, wodurch sie gegenüber atmosphärischen Brennern weniger stark vom Schornsteinzug abhängig sind. Die Mischung von Gas und Verbrennungsluft findet entweder vor dem Gebläse oder hinter dem Gebläse statt. Die Vorteile von Gasgebläsebrennern liegen in der exakten Dosierung der Luftmenge. Damit sind kleinere Luftüberschusszahlen betriebssicher realisierbar, wodurch sich der feuerungstechnische Wirkungsgrad verbessert. Hinsichtlich der Gemischaufbereitung werden folgende Brennerbauarten unterschieden: – in der Flamme mischende Brenner (kurz: Diffusionsbrenner) – vor der Flamme mischende Brenner (kurz: Vormischbrenner) – katalytische Brenner Gebläsebrenner bestehen aus folgenden Baugruppen (Bild 2.2.5-65) – Gebläse mit Motor – Gasregelstrecke bestehend aus Filter, Druckregler, Magnetventil, Druckwächter – Brennerrohr mit Gasdüsen und Stauscheibe (Diffusionsbrenner), durchlässiger Reaktionskörper (Vormischbrenner), katalytisch beschichteter Reaktionskörper (katalytischer Brenner) – Zündeinrichtung – Steuerung, Sicherheitseinrichtungen (Luftdruckwächter, Flammenüberwachung) 2.2.5-2.4.3.1

969

Diffusionsbrenner

Hinsichtlich der Gemischaufbereitung werden folgende Systeme unterschieden: – Mischkopf mit Parallelstrom: Luft und Gas strömen parallel (Bild 2.2.5-65a) – Mischkopf mit Kreuzstrom und Mittelrohr (Bild 2.2.5-65b) – Mischkopf mit Kreuzstrom und Lanzen (Bild 2.2.5-65c)

Bild 2.2.5-65. Schema der Gas- und Luftführung bei Gasgebläsebrennern. a = Parallelstrom, b = Kreuzstrom-Mittelrohrbrenner, c = Kreuzstrom-Lanzenbrenner

Als Maßnahmen zur NOx-Minimierung werden bei Düsengebläsebrennern folgende Prinzipien verwendet: – Rauchgasrezirkulation (Bild 2.2.5-66): Die Wirkungsweise der Rauchgasrezirkulation bei Gasbrennern ist vergleichbar mit der bei Ölbrennern (vgl. Abschnitt 2.2.5-2.5.8 , Gemischaufbereitung). In Ölbrennern dienen die rückgeführten heißen Rauchgase zusätzlich einer Brennstoffverdampfung. Der im rezirkulierten Rauchgas enthaltene Wasserdampf spaltet die relativ langen Kohlenwasserstoffmoleküle in kürzere Moleküle auf, wodurch die Rußentstehung nahezu vollständig vermieden wird. Diese Art der Brennstoffaufbereitung entfällt bei Gasbrennern, da es sich hier um einen gasförmigen Brennstoff mit extrem kurzkettigen Molekülen (Methan, CH4) handelt. Folgende Effekte der Rauchgasrezirkulation sind für Öl- und Gasbrenner gleichermaßen zutreffend:

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-66. Schematische Darstellung eines mündungsmischenden Düsenbrenners mit Rauchgasrezirkulation (Walter Dreizler GmbH).

Die rückgeführten Flammengase senken den Sauerstoffpartialdruck im Flammenbereich. Dadurch verzögert sich die Energiefreisetzung, was aufgrund des Wärmeaustausches zu niedrigeren und gleichmäßigeren Verbrennungstemperaturen im Flammenbereich führt. Durch die Einmischung nahezu inerter Flammengase mit hoher spezifischer Wärmekapazität (CO2, H2O) wird auch die durch die Energiefreisetzung erreichbare adiabate Flammentemperatur kleiner. Das Rezirkulationsrohr überträgt den aus den Flammengasen konvektiv übertragenen Wärmestrom durch Strahlung an die Feuerraumwände und trägt dadurch zu einer Kühlung der Flamme bei. Darüber hinaus begünstigt es die Stabilisierung der Flamme, indem es verhindert, dass eine zu große Menge abgekühlten Rauchgases zur Flammenwurzel transportiert wird, wodurch sich die Zündbedingungen in diesem Bereich verbessern. Ebenfalls zur Stabilisierung wird die Verbrennungsluft meist verdrallt zugeführt (im Brennernahbereich entstehen Zonen, in denen die axiale Geschwindigkeit Null ist). Ein weiterer Grund für die Verdrallung liegt in der Intensivierung der Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft. Die Methode der Rauchgasrezirkulation ist bei Diffusionsbrennern Stand der Technik.

Bild 2.2.5-67. Funktionsdarstellung eines Gebläsebrenners mit Brennstoffstufung.

Brennstoffstufung: (Beispiel Bild 2.2.5-67) Über der mittleren Gasdüse (4) wird ein Teil des Brenngases mit der Gesamtluftmenge gezündet (7). Der hohe Luftüberschuss führt zur Kühlung der Flamme. Über die kranzförmig angeordneten Düsenrohre (5) wird – zeitlich versetzt – die Restbrennstoffmenge mittels Zündelektrode in die bereits gebildete Flamme (2) eingebracht. Die unverbrannten Bestandteile werden in der Nachflamme (3) vollständig verbrannt. Durch die gestufte Brennstoffzuführung ergeben sich eine deutlich abgesenkte Flammentemperatur und eine verkürzte Verweilzeit der Flammengase innerhalb der heißen Bereiche.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.4.3.2

971

Vormischbrenner

Bei dieser Brennerbauart strömt eine überstöchiometrisch vorgemischte BrennstoffLuftmischung über einen durchlässigen Reaktionskörper verteilt in den Feuerraum ein (vgl. Bild 2.2.5-68). Der Reaktionskörper erwärmt sich im Kontakt mit den heißen Flammengasen und gibt die aufgenommene Wärme durch Strahlung an die Feuerraumwände weiter. Die Flamme kühlt sich dadurch ab und erhält infolge des effektiven Wärmetransports innerhalb der Festkörpermatrix des Reaktionskörpers eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Beide Vorgänge tragen dazu bei, dass die thermische Stickstoffoxidbildung gegenüber freibrennenden Flammen abnimmt. Der Reaktionskörper bzw. die dicht darunter liegende Verteileinrichtung (meist Bleche) sind so zu gestalten, dass ein Rückschlagen der Flamme in den Vormischbereich vermieden wird (Rückschlagsicherung). Die geringe Länge der Flammen und der hohe Anteil der bereits im Feuerraum durch Strahlung an die Feuerraumwände übertragenen Reaktionswärme begünstigen den Bau kompakter Heizgeräte. Durch die niedrige Austrittsgeschwindigkeit des Gemischs entstehen wesentlich geringere Geräusche als bei drall- oder stauscheibenstabilisierten Diffusionsflammen.

2 Bild 2.2.5-68. Flächenbrenner.

Als Reaktionskörper werden gelochte oder geschlitzte Keramik- und Edelstahlkörper verwendet. Darüber hinaus eignen sich auch Drahtgewebe aus Metall sowie aus Keramikfasern hergestellte poröse Körper. Neben einer plattenförmigen Gestaltung des Reaktionskörpers (s. Bild 2.2.5-70) sind auch gewölbte, zylindrische und halbkugelige Formen in unterschiedlichen Brennerkonstruktionen zu finden. Beispielhaft ist ein Flächenbrenner mit einer durchlässigen Keramikplatte als Reaktionskörper dargestellt, sowie ein Brenner, bei dem der Reaktionskörper aus einem zylinderförmigen keramischen Körper gefertigt ist (s. Bild 2.2.5-69 u. Bild 2.2.5-70)

Bild 2.2.5-69. Flächenbrenner mit zylindrischem Reaktionskörper (Walter Dreizler GmbH).

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-70. Flächenbrenner mit flachem Reaktionskörper (Vaillant).

2.2.5-2.4.3.3

Katalytische Brenner

Die katalytischen Brenner werden in zwei Kategorien unterschieden: – rein katalytische Brenner – katalytisch unterstützte Brenner Die Funktionsprinzipien wurden in Abschnitt 1.3.8-7 beschrieben. Der Katalysator steht in direktem Kontakt mit den heißen Flammengasen. Als Trägermaterialien für die katalytische Beschichtung kommen daher nur besonders temperaturbeständige Werkstoffe wie Keramik oder Metall in Frage. Metallische Trägermaterialien haben den Vorteil einer im Vergleich zu Keramik niedrigen spezifischen Wärmekapazität, wodurch eine schnelle Aufheizung des Katalysators ermöglicht wird. Insbesondere bei intermittierendem Betrieb des Brenners ist dies wichtig, da die notwendige Betriebstemperatur des Katalysators in kurzer Zeit erreicht wird. Einsetzbare Trägermaterialien sind – Metall- oder Keramikwaben (Bild 2.2.5-71) – Metallgewebe (Bild 2.2.5-72) – poröse Sintermetalle – beschichtete Kugelschüttungen (Bild 2.2.5-73) – beschichtete Rohre (Bild 2.2.5-74) Um die wirksame Oberfläche des Katalysators zu erhöhen, wird ein sog. Wash Coat, z. B. Aluminiumoxid, aufgebracht. Als Katalysatormaterial werden Edelmetalle wie Platin oder Palladium eingesetzt. Versuche mit dem sehr kostengünstigen Katalysatormaterial Kupfer verliefen wenig erfolgversprechend, da schon nach kurzer Zeit eine Vergiftung der Katalysatoroberfläche durch den in geringer Konzentration im Brenngas vorhandenen Schwefel auftrat. Beim katalytisch unterstützten Brenner wird ein Teil des Gemischs zunächst katalytisch, d. h. ohne Flamme, oxidiert, der Rest des Gemischs wird in einer Flamme umgesetzt. Der

2.2.5 Erzeugung

973

Vorteil der katalytisch unterstützten Verbrennungstechnik liegt darin, dass die Flamme durch eine Ionisationselektrode überwacht werden kann. Selbst bei Inaktivwerden der katalytischen Beschichtung findet eine Verbrennung des Gemischs an der Oberfläche des Reaktionskörpers statt. Damit ist der Betrieb des Brenners auch bei abnehmender Katalysatorwirkung sowie beim Brennerstart (Aufheizphase) sichergestellt. In Bild 2.2.5-71 und Bild 2.2.5-72 sind zwei katalytisch unterstützte Brenner dargestellt. Das über die Metallwabe bzw. das Metallgewebe austretende Luft/Gas-Gemisch wird durch einen elektrischen Funken gezündet. Die Flamme bildet sich an einem katalytisch beschichteten Reaktionskörper. Erreicht die Temperatur der Beschichtung einen bestimmten Wert, beginnt die katalytische Reaktion. Je größer der katalytisch umgesetzte Gemischanteil ist, desto weniger Stickoxid wird gebildet. Jedoch ist die katalytische Umsetzungsrate durch die Forderung nach einer stabilen Flamme begrenzt.

2

Bild 2.2.5-71. Katalytisch unterstützter Brenner mit wabenförmig aufgebautem Katalysator.

Bild 2.2.5-72. Katalytisch unterstützter Brenner mit beschichtetem Metallgewebe.

Die Oberflächentemperatur der katalytisch beschichteten Reaktionsoberfläche ist höher als die einer unbeschichteten Oberfläche. Es wird vermutet, dass zum einen die katalytische Reaktion hierfür verantwortlich ist, zum anderen der erhöhte konvektive Wärmeaustausch an der „rauen“ Katalysatoroberfläche. Der Strahlungswärmeaustausch zwischen Reaktionsoberfläche und dem Wärmetauscher im Feuerraum ist bei dieser Verbrennungstechnik entsprechend größer. Kompaktere Wärmeerzeuger mit kleineren konvektiven Wärmetauschern sind denkbar. In Bild 2.2.5-73 ist ein rein katalytischer Brenner dargestellt. Das Gemisch wird durch eine beschichtete Kugelschüttung geführt und dort oxidiert. Im Gegensatz zum katalytisch unterstützten Brenner ergeben sich beim Durchströmen des Schüttvolumens erheblich längere Verweilzeiten der Gemischbestandteile an der katalytischen Oberfläche. Jedoch besteht die Gefahr einer Überhitzung des Katalysators. Ein Lösungsansatz ist der Einbau von Kühlrohren in die Schüttung, die jedoch zu einer starken örtlichen Senkung der Oberflächentemperatur führen. Die Folge ist, dass die katalytische Reaktion an diesen Stellen unterbrochen wird. Bild 2.2.5-74 zeigt einen zweistufigen katalytischen Brenner. Das Gas/Luft-Gemisch strömt von oben zentrisch ein und wird im äußeren Zylinderspalt verteilt und strömt von dort zunächst nach unten. Anschließend wird es nach oben gelenkt und umströmt in einem zweiten Ringspalt ein katalytisch beschichtetes Rohr und gelangt von dort zu einem Startbrenner, an dem es gezündet wird. Das heiße Abgas erwärmt dabei das katalytisch beschichtete Rohr, wodurch die katalytische Reaktion ermöglicht wird. Mit zunehmender Erwärmung des katalytisch beschichteten Rohres ist das dem Startbrenner zugeführte Gemisch durch die bereits teilweise erfolgte katalytische Umsetzung nicht mehr zündfähig und die Flamme erlischt. Die beschichtete Rohroberfläche reicht jedoch nicht aus, um das Gemisch 100%ig katalytisch umzusetzen. Der verbleibende Gemischanteil wird in einem nachgeschalteten wabenförmig aufgebauten Katalysator (2.Stufe) vollständig umgesetzt. Eine Überhitzung des nachgeschalteten Katalysators tritt nicht ein, da das

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-73. Katalytischer Brenner mit beschichteter Kugelschüttung.

Bild 2.2.5-74. Zweistufiger katalytischer Brenner.

Gemisch schon in der ersten Stufe beim Umströmen des katalytisch beschichteten Rohres größtenteils umgesetzt wird. Herkömmliche Überwachungssysteme wie die Ionisationsstrommessung scheiden bei der rein katalytischen Verbrennungstechnik aus, da die Reaktion direkt an der Oberfläche stattfindet und daher kein Ionisationsstrom messbar ist. Ein mögliches Überwachungssystem stellt eine ganzflächige Temperaturüberwachung dar, die sicherstellt, dass im Fall einer örtlichen Beschädigung des Katalysators kein unverbranntes Gas ausströmen kann. Es existiert jedoch bisher keine Norm, die die Sicherheitsbestimmungen eines solchen Systems festlegt. Ein weiterer Aspekt ist die Lebensdauer des Katalysators. Die Alterung oder Deaktivierung des Katalysators soll durch optimale Betriebsbedingungen verlangsamt werden. Weiterer Optimierungsbedarf besteht auch bei den Kosten. Mit dem rein katalytischen Brenner sind theoretisch Nullemissionen zu erreichen. In Bild 2.2.5-75 ist das Niveau der NOx-Emissionen für unterschiedliche Gasbrennersysteme dargestellt.

Bild 2.2.5-75. Gegenüberstellung der Stickoxidemissionen unterschiedlicher Brennersysteme.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.4.4

975

Sicherheits- und Regelungseinrichtungen

Folgende aus den DIN-Normen abgeleiteten europäischen Normen (EN) enthalten Bestimmungen über Sicherheits- und Regelungseinrichtungen für Gasbrenner: Gasbrenner sind mit folgenden Sicherheits- und Regeleinrichtungen ausgerüstet: Eine von Hand bedienbare Absperreinrichtung, ein Filter sowie ein Gasmengen-Einstellglied, z. B. Drosselklappe. Ein Gasdruckregler, der den Druck vor dem Brenner konstant hält. Der Druck wird entsprechend dem gewünschten Gasdurchsatz eingestellt. In der Gasleitung zum Brenner ist ein zusätzlicher Gasdruckregler vorzusehen, wenn der Anschlussdruck größer als 50 hPa ist. Ein Luftdruckwächter, der bei zu geringem Druck der Verbrennungsluft den Brenner ausschaltet. Ein Gasdruckwächter mit Membran und Mikroschalter, der bei fehlendem Gasdruck den Brenner ausschaltet. Ein Gasventil, das die Gaszufuhr nur bei einwandfreier Funktion aller Teile freigibt. Es werden gewöhnlich Magnetventile, Motorventile oder bei großen Leistungen pneumatisch betätigte Ventile verschiedener Güteklassen in einstufiger, zweistufiger, dreistufiger oder stufenloser Ausführung verwendet (Güteklasse des Ventils je nach Dichtheit A, B oder C nach DIN EN 161). An die Ventile der Gruppe A werden die höchsten Anforderungen bezüglich Dichtheit und Schließkraft gestellt, an Gruppe C die geringsten. Seit neuem müssen in der Brennstoffleitung zwei in Reihe geschaltete Sicherheitsabsperreinrichtungen vorhanden sein (Gasgeräterichtlinie, DIN EN 676). Bei kleinen Leistungen werden einstufige Ventile, bei größeren Leistungen zweistufige Ventile oder modulierende Regeleinrichtungen eingesetzt. Außerdem kann das Stellglied schnell öffnend und schnell schließend oder langsam öffnend und schnell schließend ausgeführt sein. Meist wird zur Verbesserung des Anfahrvorgangs (Reduzierung des Anfahrdruckstoßes und der Anfahremissionen) der Gasdurchfluss beim Start des Brenners gegenüber dem stationären Brennerbetrieb reduziert (langsam öffnendes Gasventil, untere Laststufe). Hierzu wird der Gasdurchfluss für den Brennerstart und den Brennerbetrieb am Ventil eingestellt.

Bild 2.2.5-76. Ansicht eines stufenlosen Gasbrenners (Weishaupt).

Die Zündeinrichtung besteht aus zwei Elektroden (Abstand 2 … 5 mm) aus hitzebeständigem Stahl, zwischen denen bei Anlegen einer Hochspannung (etwa 10 kV) ein Lichtbogen entsteht. Die Hochspannung liefert ein Transformator. Anstelle von zwei Elektroden wird häufig nur eine Elektrode verwendet. Der Lichtbogen bildet sich bei dieser Anordnung zwischen der Elektrode und einem geerdeten Bauteil der Gemischaufbereitung. Der Brenner wird entweder direkt gezündet oder indirekt über einen Zünd- oder Startbrenner.

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Zur Flammenüberwachung werden Fotozellen, Ionisationselektroden, thermoelektrische Sicherungen und Infrarot-Flackerdetektoren (vgl. Abschnitt 2.2.5-2.5.10 , Flammenwächter und Flammenfühler) verwendet. Das Prinzip der Fotozelle beruht darauf, dass Gasflammen UV-Strahlung emittieren, die in einer Elektrodenröhre einen elektrischen Strom von 4…6 mA bewirkt. Die Fotozelle ist nur in einem sehr engen Bereich des Spektrums, etwa 0,19 bis 0,27 μm, sensibilisiert, so dass keine Störung durch Fremdbelichtung eintritt. Die Thermoelektrische Zündsicherung überwacht mittels eines Thermoelements die Temperaturerhöhung durch die Flamme. Sie wird hauptsächlich zur Überwachung sog. Pilotflammen eingesetzt. Die Pilotflamme dient der Zündung der Hauptflamme, sie bleibt jedoch auch während der Brenndauer der Hauptflamme in Betrieb. Hierdurch ist sichergestellt, dass kein Gas ungezündet ausströmen kann. Die thermoelektrische Zündsicherung ist eine Weiterentwicklung der relativ trägen Bimetallzündsicherung. Die durchschnittliche Ansprechzeit beträgt weniger als 15 s. Die thermoelektrische Zündsicherung wird nur bei sehr kleinen Feuerungswärmeleistungen eingesetzt. Die Ionisationsflammenüberwachung beruht auf dem Effekt, dass die heißen Flammengase elektrisch geladene Atome oder Moleküle (Ionen) enthalten, die den elektrischen Strom leiten. Bei Anlegen einer Wechselspannung an eine in die Flamme eintauchende Elektrode ist ein Strom zwischen der geerdeten Gemischaufbereitung und der in geringem Abstand angebrachten Ionisationselektrode messbar. Trotz der angelegten Wechselspannung handelt es sich um einen Gleichstrom. Durch diesen Gleichrichtereffekt kann auch bei Elektrodenkurzschluss keine Flamme vorgetäuscht werden. Die von Ölbrennern her bekannten Fotowiderstände sind zur Flammenüberwachung in Gasbrennern nicht geeignet, da sie gegenüber der von Gasflammen emittierten Strahlung (UV-Bereich) eine zu geringe Empfindlichkeit besitzen. Dagegen sind Infrarot-Flackerdetektoren sowohl für Gasflammen als auch für blaubrennende Ölflammen einsetzbar.

Bild 2.2.5-77. Flammenüberwachung bei Gasfeuerungen. Links: Ionisationsflammenüberwachung, rechts: UV-Flammenüberwachung

Im Steuergerät werden alle von den Stell- und Überwachungseinrichtungen kommenden Impulse nach einem bestimmten Programm verarbeitet. Bei Erlöschen der Flamme muss das Gasventil innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit (Sicherheitszeit) geschlossen werden (Störabschaltung). Die Sicherheitszeit, d. h. höchstzulässige Zeitdauer, während der unverbranntes Gas in den Feuerraum eintreten darf, wird in DIN EN 676 in Abhängigkeit von der Starwärmeleistung geregelt. Das Steuergerät ist bei kleinen Leistungen direkt am Brenner befestigt, bei großen Leistungen separat in einem Schaltschrank untergebracht. Zum Schutz gegen Undichtigkeiten im Stillstand werden bei großen Anlagen zusätzlich Ventilprüfsysteme verwendet, die nach dem Vakuum-, Druckprinzip arbeiten. In der Gasleitung befinden sich hierzu zwei Gasventile. Bei der Vakuummethode wird zwischen den Ventilen durch eine Vakuumpumpe ein bestimmter Unterdruck von ∼100 hPa erzeugt. Steigt innerhalb einer Prüfzeit von 30 s der Druck über einen eingestellten zulässigen Wert, sperrt der Druckwächter den Brenner (Bild 2.2.5-78).

Bild 2.2.5-78. Ventilprüfsystem nach dem Vakuum- oder Druckprinzip.

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-79. Gas-Sicherheits- und Regelstrecke.

Bild 2.2.5-80. Kompaktarmatur mit Filter, Gasdruckregler, 2 Gasventilen und min. Druckwächter (Dungs). 1 = Anker V1 2 = Ventiltellereinheit V1 3 = Druckfeder V1 4 = Einstellfeder 5 = Einstellschraube 6 = Öffnung (Impulsabgriff für Regler) 7 = Arbeitsmembrane 8 = Anker V2 9 = Ventiltellereinheit V2 10 = Druckfeder V2 11 = Hauptmengendrossel V2 12 = Abdeckung Hydraulikbremse 13 = Atmungsdüse, Regler

Bei der Druckmethode erzeugt eine Membranpumpe zwischen den Ventilen einen bestimmten Überdruck, der innerhalb der Prüfzeit den am Druckwächter eingestellten Wert erreichen muss. Für Anlagen bis etwa 1 MW sind heute Kombinationsarmaturen üblich, in denen Gasdruckregler, Gasventil und ein Gasfilter zu einer Einheit zusammengebaut sind (Bild 2.2.5-80). 2.2.5-2.4.5

Regelung

a) Einstufige Gasbrenner Für kleinere Kessel werden meist einstufige Brenner verwendet. Der Gas- und Luftstrom ist fest eingestellt. Schnell öffnende Ventile geben den Gasweg innerhalb 1 s frei. Bei größeren Leistungen werden langsam öffnende Ventile verwendet, die den Gasstrom verzögert freigeben, um den Anfahrstoß zu verkleinern. Die Wirkungsweise eines einfachen Gasfeuerungsautomaten (Flammenwächter und Steuergerät) wird an Hand des Stromlaufplanes in Bild 2.2.5-81 und des Programmablaufs in Bild 2.2.5-82 erläutert: Es sei vorausgesetzt, dass der Hauptschalter, Begrenzer und Gasdruckfühler ihre Kontakte geschlossen haben. Sinkt die Temperatur des Kesselwassers auf einen voreingestellten Grenzwert ab, schließt das Kesselthermostat und das Programm des Feuerungsautoma-

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2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-81. Stromlaufplan eines Gasfeuerungsautomaten mit Ionisationsflammenüberwachung.

Bild 2.2.5-82. Programmablauf eines Gasfeuerungsautomaten.

ten wird gestartet. Zunächst läuft das Gebläse zur Spülung des Feuerraums an, wobei die Zeit durch ein Zeitrelais T kontrolliert wird. Der Luftdruckfühler schließt. Nach einiger Zeit schaltet das thermische Zeitrelais T nach rechts, so dass am Magnetrelais A Spannung anliegt. A1 erhält Spannung von T , so dass T wieder nach links zurückschaltet (Ende der Vorspülzeit). A2 versorgt das Relais A mit Spannung, durch A3 erhalten Zündtransformator und Zündgasventil Spannung. Die Zündflamme bildet sich. Das Sicherheitsrelais S erhält Spannung. Der Ionisationsstrom der Zündflamme wird verstärkt und schaltet Relais B. Hierdurch wird das Sicherheitsrelais S ausgeschaltet und Hauptgasventil geöffnet; der Brenner ist in Betrieb. Bildet sich keine Zündflamme innerhalb der Sicherheitszeit, schaltet der Kontakt S1 die Anlage aus (Störabschaltung). Die Störlampe leuchtet auf. Bei Erlöschen der Flamme während des Betriebes wird B spannungslos, B1 schließt das Hauptgasventil, B2 erwärmt das Sicherheitsrelais S und der Programmablauf beginnt erneut (Wiederzündversuch). b) Zweistufige und stufenlose Gasbrenner Zweistufige Brenner sind entweder mit einem mehrstufigen Magnetventil oder einer durch einen Stellmotor angetriebenen Drosselklappe für die Verbrennungsluft ausgestattet (elektrischer Verbund). Bei Verwendung eines einstufigen Magnetventils ist jeweils eine Drosselklappe für die Verbrennungsluft und das Brenngas vorgesehen, die beide durch den gleichen Stellmotor betätigt werden (mechanischer Verbund) Bild 2.2.5-83). Um eine längere Brennerlaufzeit zu erzielen werden anstelle von Zweistufenregelung auch stufenlose (modulierende) Regelungen eingesetzt. Der Regelbereich liegt zwischen 1:5 und 1:8. Bild 2.2.5-84 zeigt eine stufenlose Gemischregelung mit einem pneumatischen Gas/Luft-Verhältnisdruckregler (Bild 2.2.5-85). Hierbei wird der Druck der Ver-

2.2.5 Erzeugung

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Bild 2.2.5-83. Verbundregelung bei zweistufigen Gasbrennern. Links: mechanischer Verbund, rechts: elektrischer Verbund

Bild 2.2.5-84. Stufenloser Betrieb eines Gasbrenners mit einem Gas/Luft-Verhältnisdruckregler. Folgende Druckmesspunkte sind dargestellt: P1 = Gas-Eingangsdruck, P2 = Gas-Ausgangsdruck, PL = Luftdruck, PF = Feuerraumdruck

Bild 2.2.5-85. Kompaktarmatur mit Filter, Gas/Luft-Verhältnisdruckregler, 2 Gasventilen und min. Druckwächter (Dungs).

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

brennungsluft pL als Führungsgröße benutzt und der Gasdruck am Ausgang des Reglers p2 entsprechend dem eingestellten Übersetzungsverhältnisses V und der Nullpunktsverschiebung N geregelt. Als Korrekturgröße wird der Feuerraumdruck pF an den Gas/LuftVerhältnisdruckregler angeschlossen, so dass im Messwerk anstelle der absoluten Drücke die Druckdifferenzen pL – pF und p2 – pF verarbeitet werden. Aufgrund der hohen Genauigkeit einer solchen Regelung ist ein Betrieb des Brenners mit niedrigem Luftüberschuss möglich. Der Gas/Luft-Verhältnisdruckregler bildet zusammen mit zwei Sicherheitsventilen eine Kompakteinheit. Um einen sicheren Brennerbetrieb bei niedrigem Luftüberschuss zu ermöglichen, wird in neueren Systemen der O2-Gehalt der Abgase mittels einer λ-Sonde gemessen und entsprechend danach die Verbrennungsluftmenge geregelt. 2.2.5-2.4.6

Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) 1)

Zweistoffbrenner ermöglichen eine gleichzeitige oder wechselnde Verbrennung von Öl und Gas. Innerhalb der Gemischaufbereitung umschließen radial verteilte Gasauslässe eine axial mittig angeordnete Öldüse. Bei der Umschaltung auf Gasbetrieb schließt das Ölmagnetventil, die Ölpumpe wird mittels einer Elektromagnetkupplung außer Funktion gesetzt und der Programmablauf für den integrierten Gasbrenner gestartet (s. Abschnitt 2.2.5-2.4.5, Regelung). Bei Mehrstufen- oder stufenlosen Brennern ist eine proportionale Zuordnung der Verbrennungsluftmenge in jedem Lastbereich erforderlich. Über einen Verbundregler wird der Öldruck und damit der Öldurchsatz geregelt. Die Brenngas- und Luftmenge wird jeweils über eine Drosselklappe selbsttätig eingestellt.1) Ein Feuerungsautomat steuert und überwacht den Programmablauf beider Feuerungen. Anwendung finden Zweistoffbrenner, wenn die Sicherung Wärmeversorgung einen hohen Stellenwert besitzt, z. B. in Kraftwerken, Krankenhäusern u. a., oder zur Erzielung günstiger Tarife (Winter- und Sommerbezug).

Bild 2.2.5-86. Schema reines Zweistoffbrenners mit stufenloser Verbrennung von Öl und Gas.

2.2.5-2.5 2.2.5-2.5.1

Ölbrenner2) 3) Allgemeines

Voraussetzung für das Zustandekommen einer Verbrennungsreaktion ist die molekulare Mischung von Brennstoff und Luft. Liegen die Reaktionspartner, wie im Fall der Ver-

1) 2) 3)

Marx, E.; Linke, W.: Handbuch Feuerungstechnik. G. Kopf Verlag, Waiblingen 1996. Ergänzungen für die 75. Auflage von Dipl.-Ing. MBE Daniel Dreizler, Spaichingen. Buderus: Handbuch für Heizungstechnik. Beuth Verlag, Berlin 1994. Marx, E.: Ölfeuerungstechnik. G. Kopf Verlag, Waiblingen 1992. Beedegen, O.: Feuerungstechnik. Hansen, W.: Heizöl-Handbuch für Industriefeuerungen. Springer-Verlag, Berlin 1959. Gumz, W.: Kurzes Handbuch der Brennstoff- und Feuerungstechnik. Springer-Verlag, Berlin 1962.

2.2.5 Erzeugung

brennung von Heizöl EL in Luft, in unterschiedlichen Aggregatzuständen vor, so muss der flüssige Brennstoff vor der eigentlichen Verbrennungsreaktion in Dampf umgewandelt werden. Um den Energiebedarf für diesen Vorgang allein aus der freiwerdenden Reaktionswärme zu decken, wird der flüssige Brennstoff über eine möglichst große Oberfläche mit den heißen Flammgasen in Kontakt gebracht. Hierzu wird der Brennstoff entweder zerstäubt oder zu einer Schicht ausgebreitet. Die Luft tritt meist verdrallt über mehrere Freistrahlen in die Gemischaufbereitung ein und mischt sich mit dem Brennstoffdampf. In der Reaktionszone wird die im Brennstoff chemisch gebundene Energie freigesetzt. Eine übergeordnete Steuerung führt alle Schalt- und Überwachungsfunktionen durch und ermöglicht einen automatischen Betrieb des Brenners. Hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus ist bei Ölbrennern folgende Unterscheidung möglich: – Nach der Brennstoffaufbereitung • Öldruckzerstäubungsbrenner • Injektionszerstäubungsbrenner • Ultraschallzerstäubungsbrenner • Rotationszerstäubungsbrenner • Schichtungsbrenner – nach der Luftaufbereitung • Brenner mit Gebläse • Brenner ohne Gebläse • Brenner mit Kompressor • Brenner mit Luftvorwärmung – nach der Gemischaufbereitung • in der Flamme mischende Brenner (kurz: Diffusionsbrenner) • vor der Flamme mischende Brenner (kurz: Vormischbrenner) • teilweise vor der Flamme mischende Brenner – nach der Stabilisierung • Stabilisierung durch Rückströmzonen (Drallbrenner, Stauscheibenbrenner) • Stabilisierung durch Wärmesenken (Flächenbrenner) Einige Verfahren wie Ultraschallzerstäubung und vorverdampfende, vormischende Flächenbrenner befinden sich gegenwärtig in der Entwicklung und haben bisher keine praktische Bedeutung erlangt. Die Hauptunterscheidung bei Ölbrennern richtet sich nach der Brennstoffaufbereitung. Folgende DIN und Europäischen Normen regeln den Betrieb, die Ausrüstung und die Zulassung von Ölbrenner (Auszug aus prEN267:2009 Abschnitt 2 Normative Verweise): DIN EN 267 „Automatische Brenner mit Gebläse für flüssige Brennstoffe“ DIN EN 1 „Heizöfen für flüssige Brennstoffe mit Verdampfungsbrenner und Schornsteinanschluss“, 12-2007 DIN EN 225-1 „Ölzerstäubungsbrenner – Anschlussmasse für Ölbrenner-Pumpen und Ölbrenner-Motore – Teil 1: Ölbrenner-Pumpen“, 10-2007 DIN EN 225-2 „Ölzerstäubungsbrenner – Anschlussmasse für Ölbrenner-Pumpen und Ölbrenner-Motore – Teil 2: Ölbrenner-Motore“, 10-2007 DIN EN 230 „Feuerungsautomaten für Ölbrenner“, 10-2005 DIN EN 60204-1 „Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 06-2007 DIN EN 60335-1 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnlicher Zwecke – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 02-2007 DIN EN 60730-1 A16 „Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, 02-2008 DIN EN 61000-6-1 „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 6-1: Fachgrundnormen – Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe“, 10-2007 DIN EN 61000-6-3 „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 6-3: Fachgrundnormen – Störaussendung für Wohnbereich, Geschäftsund Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe“, 09-2007

981

2

982

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

DIN 4791 DIN EN 15034 DIN 51402 -1

„Elektrische Steckverbindungen zwischen Brenner und Wärmeerzeuger“, 09-1985 „Ölbrennwertkessel“, 01-2007 „Prüfung der Abgase von Ölfeuerungen, Visuelle und photometrische Bestimmung der Russzahl“, 10-1986

korrespondierende Normen aus diesem Fachgebiet sind unter anderem: DIN EN 230 „Feuerungsautomaten für Ölbrenner“ DIN EN 953 „Sicherheit von Maschinen – Trennende Schutzeinrichtungen – Allgemeine Anforderungen an Gestaltung und Bau von feststehenden und beweglichen trennenden Schutzeinrichtungen“ DIN EN 1057 „Kupfer und Kupferlegierungen – Nahtlose Rundrohre aus Kupfer für Wasser- und Gasleitungen für Sanitärinstallationen und Heizungsanlagen“ DIN EN 1088 „Sicherheit von Maschinen – Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit trennenden Schutzeinrichtungen – Leitsätze für Gestaltung und Auswahl“, 1995 DIN EN 1854 „Druckwächter für Gasbrenner und Gasgeräte“ DIN EN 10204 „Metallische Erzeugnisse – Arten von Prüfbescheinigungen“ DIN EN 13611 „Sicherheits-, Regel- und Steuereinrichtungen für Gasbrenner und Gasgeräte – Allgemeine Anforderungen“, 2007 DIN EN 15035 „Heizkessel – Besondere Anforderungen an ölbefeuerte Units für den raumluftunabhängigen Betrieb bis einschließlich 70 kW“ DIN EN 15036-1 „Heizkessel – Prüfverfahren für Luftschallemissionen von Wärmeerzeugern – Teil 1: Luftschallemissionen von Wärmeerzeugern“, 2006 DIN EN 50156-1 „Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen – Teil 1: Bestimmungen für die Anwendungsplanung und Errichtung“, 2004 DIN EN 60335-2-102 „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke – Teil 2-102: Besondere Anforderungen für Gas-, Öl- und Festbrennstoffgeräte mit elektrischen Anschlüssen“, 2005 DIN EN 60529 „Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code) (IEC 60529:1989)“ DIN EN 60730-1 „Automatische elektrische Regel- und Steuergeräte für den Hausgebrauch und ähnliche Anwendungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen (IEC 60730-1:1999, modifiziert)“ DIN EN 61310-1 „Sicherheit von Maschinen – Anzeigen, Kennzeichen und Bedienen – Teil 1: Anforderungen an sichtbare, hörbare und tastbare Signale (IEC 61310-1:2007)“ DIN EN ISO 228-1 „Rohrgewinde für nicht im Gewinde dichtende Verbindungen – Teil 1: Maße, Toleranzen und Bezeichnung (ISO 228-1:2000)“ DIN EN ISO 4871 „Akustik – Angabe und Nachprüfung von Geräuschemissionswerten von Maschinen und Geräten (ISO 4871:1996)“ DIN EN ISO 13849-1 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze (ISO 13849-1:2006)“ DIN EN ISO 13857 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsabstände gegen das Erreichen von Gefährdungsbereichen mit den oberen und unteren Gliedmaßen (ISO 13857:2008)“ ISO 23552-1 „Safety and control devices for gas and/or oil burners and gas and/or oil appliances – Particular requirements – Part 1: Fuel/ air ratio controls, electronic type“ ISO 23553-1 „Safety and control devices for oil burners and oil burning appliances – Particular requirements – Part 1: Shut-off devices for oil burners“

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.5.2

983

Schichtungsbrenner

In einem Schichtungsbrenner wird der Brennstoff entweder am Boden eines nach oben offenen Topfes oder auf der Innenwand eines horizontal gelagerten rotierenden Rohres als dünne Schicht ausgebreitet. Bild 2.2.5-87 zeigt eine moderne Ausführung eines Topfbrenners. Zum Start des Brenners wird ein elektrisches Heizelement, das in den Brennstofffilm hineinragt, eingeschaltet. In unmittelbarer Umgebung des Heizelementes beginnt der Brennstoff zu sieden. Aus dem aufsteigenden Brennstoffdampf und der seitlich über die Feuerraumwände einströmenden Luft bildet sich ein homogenes Gemisch, das sich an der heißen Oberfläche des Heizelementes entzündet. Ausgehend von der Zündstelle breitet sich die Flamme über die gesamte Bodenfläche des Topfes aus. Im stationären Betrieb der Anlage geben die Flammengase durch Konvektion und Strahlung genügend Wärme an den Topf ab um den dort enthaltenen Brennstoff zu verdampfen. Die Zufuhr der Verbrennungsluft erfolgt entweder aufgrund des Schornsteinzugs oder durch einen Ventilator. Generell gilt für eine ventilatorunterstützte Luftzufuhr, dass der variierende Schornsteinzug die Verbrennungsqualität weniger beeinflusst und so kleinere Luftzahlen bis zu γ=1,3 möglich werden.

2

Bild 2.2.5-87. Topfbrenner mit Ventilator.

Der Brennstoff gelangt über eine Pumpe aus dem Vorratstank in einen Zwischenbehälter, der über eine verschließbare Leitung mit dem Verdampfertopf verbunden ist. Eine Schwimmerregelung hält den Füllstand im Behälter unabhängig vom Förderdruck der Pumpe auf gleichbleibendem Niveau, so dass der auf die Verdampferfläche fließende Brennstoffmassenstrom und damit die Feuerungsleistung allein von der variabel einstellbaren Höhendifferenz zwischen Topfboden und Flüssigkeitsniveau abhängt. In einer neuen Ausführung der Öldosiergerätes wird das Flüssigkeitsniveau im Zwischenbehälter mittels einer Schwimmerregelung auf einem konstanten Niveau gehalten. Die eigentliche Brennstoffdosierung erfolgt über eine frequenzgesteuerte Kolbenpumpe. Ventilatorunterstützte Topfbrenner erreichen ein Regelverhältnis von etwa 3:1. Der Grund hierfür liegt in der zuverlässigen Dosierung variabler Brennstoffmassenströme und dem großen Stabilitätsbereich der Flamme. So strömt die Verbrennungsluft im Unterschied zu einem Zerstäubungsbrenner über eine Vielzahl von Einzelstrahlen in den Feuerraum ein. Wegen der in Summe großen Einströmfläche der Luft ändern sich bei einer Variation der Feuerungsleistung die Strömungsverhältnisse im Feuerraum kaum. Dadurch behält die in geringem Abstand über dem Brennstofffilm liegende Stabilisierungszone unabhängig von der eingestellten Feuerungsleistung ihre Lage bei. Nach einer Erhebung des Bundesverbandes des Schornsteinfegerhandwerks aus dem Jahre 2006 werden von insgesamt 14,5 Mio. Kleinfeuerungsanlagen in der Bundesrepublik Deutschland 43,4 % mit einem Zerstäubungsbrenner und lediglich 0,1 % der Anlagen mit einem Topfbrenner betrieben. Der geringe Markterfolg von Topfbrennern ist auf den hohen Reinigungsaufwand zurückzuführen, der dadurch entsteht, dass die Verdampfung des Brennstoffes nicht wie bei einem Zerstäubungsbrenner im Schwebezustand sondern im Kontakt zu einer heißen Oberfläche stattfindet. In Anwesenheit von Sauerstoff bilden sich hierbei innerhalb der flüssigen Brennstoffphase koksartige Substanzen, die sich am Topfboden ablagern und einen zuverlässigen Langzeit-Betrieb des Brenners verhindern. Ein weiterer Nachteil von Topfbrennern gegenüber Zerstäubungsbrennern liegt im hohen Luftüberschuss bei der Verbrennung, der zu einem niedrigen feuerungstechnischen Wirkungsgrad der Anlage führt. Nach einer Studie zum Stand der Schadstoffemissionen

984

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

von Kleinfeuerungsanlagen beträgt die Luftverhältniszahl eines ventilatorunterstützten, zweistufigen Topfbrenners im Mittel in der unteren Laststufe λ = 3,0 und in der oberen Laststufe von g = 1,8. Ein Vergleich der Schadstoffemissionen zwischen Topfbrennern und Öldruckzerstäubungsbrennern zeigt, dass vor allem die Produkte unvollständiger Verbrennung bei Topfbrennern während der Brennerstartphase und in der unteren Laststufe deutlich über den Werten von Zerstäubungsbrennern liegen. In der oberen Laststufe unterscheiden sich die CO-Emissionen von Topfbrennern und Zerstäubungsbrennern kaum. Allerdings sind die CxHy- und Rußemissionen in dieser Laststufe etwa 4mal so hoch als bei Zerstäubungsbrennern. Genau umgekehrt verhalten sich die NOx-Emissionen, die im unteren Lastbereich bedingt durch den hohen Luftüberschuss und die geringe Energiedichte bei der Verbrennung unter den Werten für Zerstäubungsbrennern liegen und bei Volllast die Werte von Gelbbrennern um etwa 30 % überschreiten. Die Feuerungsleistung von Topfbrennern ohne Ventilator liegt bei etwa 3 bis 15 kW, mit Ventilator bis max. 30 kW. Die Luftzufuhr wird bei gebläseunterstützten Topfbrennern durch eine Luftklappenverstellung oder durch eine Veränderung der Ventilatordrehzahl an den jeweiligen Öldurchsatz angepasst. Im stationären Betrieb benötigen Topfbrenner für den Betrieb des Ventilators und die Steuer- und Überwachungsfunktionen lediglich eine elektrische Leistung von etwa 60 W. Allerdings erhöht sich der Bedarf an elektrischer Energie durch die Förderpumpe der zentralen Ölversorgung und den während der Startphase eingeschalteten Glühzünder, dessen Leistung bis zu 400 W beträgt. Bezogen auf die freigesetzte Feuerungswärme hängt der Bedarf an elektrischer Energie dieses Systems daher wesentlich von der Starthäufigkeit des Brenners ab. Wegen des niedrigen Ventilatordruckes sowie der geringen Verbrennungsluftgeschwindigkeiten arbeiten Topfbrenner nahezu geräuschlos und sind daher besonders für die Aufstellung in Wohngeschossen geeignet. Aus diesen Betrachtungen wird deutlich, dass Topfbrenner trotz einiger vorteilhafter Eigenschaften wie Regelbarkeit und niedrige Betriebsgeräusche im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, energetische Effizienz und Schadstoffemissionen keine Alternative zu Öldruckzerstäubungsbrennern darstellen. 2.2.5-2.5.3

Öldruckzerstäubungsbrenner

Die Öldruckzerstäubung ist das heute am meisten angewandte Verfahren und wird bei Brennern aller Größenordnung eingesetzt. Eine Zahnradpumpe fördert einen gleichbleibenden Brennstoffmassenstrom von der Saugseite zur Druckseite. Von dort fließt ein Teil des Brennstoffes über ein Magnetventil, das im meist im Pumpenaggregat integriert ist, zur Einspritzdüse. Ein anderer Teilstrom gelangt über ein Druckregelventil wieder zurück zur Saugseite der Pumpe. Der eingespritzte Brennstoffmassenstrom ergibt sich aus der Größe der Düse und dem am Druckregelventil eingestellten Einspritzdruck. Je nach Konstruktion der Pumpe liegt der Einspritzdruck zwischen bei Kleinbrennern im Bereich von 0,5…2 MPa (5…20 bar) und bei Großbrennern im Bereich von 2…4 Mpa (20…40 bar). Die Einspritzdüse ist als Dralldüse (Simplex-Prinzip) ausgeführt. Der mittlere Tropfendurchmesser beträgt nach der Zerstäubung ~ 40…200 μm. Während des Brennerbetriebs und vor jedem Brennerstart wird der Brennstoff in einem elektrischen Ölvorwärmer auf eine Temperatur von etwa 50…80 °C erwärmt. Dadurch werden temperatur- und qualitätsbedingte Schwankungen der Brennstoffviskosität, die sich auf den Zerstäubungsvorgang und die Brennstoffzumessung auswirken, verringert. Ein anderer Effekt der Ölvorwärmung ist, dass der Düsendurchsatz mit steigender Öltemperatur bzw. abnehmender Ölviskosität zurückgeht. Die Durchsatzreduktion bei einer Ölvorwärmung im angegebenen Temperaturbereich beträgt bei gleichen Öldruck und Düsenquerschnitt ca. 25 %. Für den gleichen Öldurchsatz können daher bei vorgewärmtem Öl Düsen mit größeren durchströmten Querschnitten (Tangentialschlitze im Düsenkegel, Düsenbohrung) verwendet werden, die gegen Ablagerungen aus Verschmutzungen im Heizöl und gegen thermisch bedingte Ablagerungen (Crackprodukte) erheblich unempfindlicher sind.

2.2.5 Erzeugung

985

Bild 2.2.5-88. Schematische Darstellung eines Öldruckzerstäuberbrenners (Danfoss).

Die Düsengröße wird in „gph (gallons per hour, 1 gal = 3,785 l) bei einem Druck von 100 psi (pounds per square inch = 70,3 kPa (7,03 bar)) angegeben. Aus Gründen der Betriebssicherheit kann der Öldurchsatz bei herkömmlichen Öldruckzerstäubersystemen nicht unter 1,2 l/h reduziert werden. Dabei beträgt der Düsenbohrungsdurchmesser ca. 0,13 mm.

Bild 2.2.5-89. Bestandteile eines Öldruckzerstäuberbrenners (Weishaupt).

Ein Niederdruckventilator mit steiler Kennlinie fördert Luft aus dem Heizraum zur Gemischaufbereitung, in der Verbrennungsluft und die Brennstofftröpfchen aufeinandertreffen. Für Zentralheizungsanlagen werden ausschließlich Brenner mit integriertem Gebläse verwendet, deren Drehzahl überwiegend bei 2800 U/min liegt. Damit auch bei Druckänderungen im Feuerraum die geförderte Luftmenge annähernd konstant bleibt, ist eine steile Ventilatorkennlinie erforderlich. Die Gebläseräder besitzen daher vorwärtsgekrümmte Schaufeln. Die sich daraus ergebenden höheren Luftgeschwindigkeiten am Radumfang werden in einem spiralförmig ausgeführten Gebläsegehäuse in statischen Druck umgewandelt. Moderne Blaubrenner benötigen im Vergleich zu herkömmlichen Gelbbrennern einen höheren Gebläsedruck. Für Brenner in einem Leistungsbereich bis 50 kW liegen die üblichen Gebläsedrücke in einem Bereich von 2 bis 7 hPa. Innerhalb der Gruppe der Öldruckzerstäubungsbrenner werden hinsichtlich der Flammenfärbung Gelbbrenner und Blaubrenner unterschieden. Bei einem Gelbbrenner werden zur Stabilisierung der Flamme überwiegend Stauscheiben eingesetzt. In Bild 2.2.5-90 ist ein Stauscheiben-Mischsystem dargestellt, das den Verbrennungsluftstrom in 3 Teilströme aufteilt. Der erste Teilstrom (Primärluftstrom) gelangt über eine zentrale Bohrung, durch die auch das Brennstoffspray austritt, in den Feuerraum. Ein zweiter Luftstrom, der als Sekundärluftstrom bezeichnet wird, tritt durch einen Ringspalt zwi-

2

986

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-90. StauscheibenMischsystem (Gelbbrenner).

schen der Außenkante der Stauscheibe und dem Brennerrohr in den Feuerraum. Die damit erreichte Stabilisierungswirkung ist in den meisten Fällen zu hoch und führt zum Aufliegen der Flamme am Staukörper. Eine Abschwächung wird erreicht, indem ein dritter Luftstrom, der dem Primärluftstrom zugerechnet wird, über Tangentialschlitze im Mittenteil der Stauscheibe in den Feuerraum eintritt. Dadurch entsteht vor der Stauscheibe ein Luftpolster, das die thermische Belastung dieses Bauteils vermindert und zugleich die Bildung von Ablagerungen aus unverbrannten Brennstoffbestandteilen an dessen Oberfläche vermeidet. Bei Gelbbrennern findet die Verdampfung des Brennstoffsprays innerhalb der Flamme statt. Die hohen Temperaturen in unmittelbarer Tropfennähe und der dort herrschende Luftmangel begünstigen die Bildung von Ruß. Die Festkörperstrahlung der Rußpartikel verleiht der Flamme eine gelbliche Farbe. Die luftseitige Abstimmung des Brenners an die Feuerraumbedingungen und den gewählten Öldurchsatz erfolgt zum einen durch Ändern des Gebläsedrucks, meist über eine Luftverstellklappe an der Saug- oder Druckseite des Ventilators, zum anderen durch axiales Bewegen des Stauscheibenmischsystems einschließlich Düse, wodurch die Austrittsspaltbreite des Sekundärluftstroms verändert wird.

Bild 2.2.5-91. Drall-Mischsystem (Blaubrenner).

Eine vom Stauscheiben-Mischsystem herkömmlicher Gelbbrenner abweichende Konstruktion stellt das Drall-Mischsystem moderner Blaubrenner dar. Bei dieser Art der Gemischaufbereitung wird die Entstehung von Ruß dadurch vermieden, dass das aus einer Dralldüse austretende Brennstoffspray durch die Beimischung heißer Rauchgase bereits vor der Flamme verdampft. Das niedrige Temperaturniveau innerhalb der Verdampfungszone und der Wassergehalt der rückgeführten Rauchgase verhindern die Bildung von Ruß. Die Intensität der Rückströmung wird durch die Rezirkulationsrate beschrieben, die den Anteil des rezirkulierten Rauchgasmassenstroms am insgesamt freigesetzten Rauchgasmassenstrom angibt. Für eine weitgehende Entkopplung der Teilvorgänge Brennstoffverdampfung und Verbrennung sind Rezirkulationsraten in der Größenordnung von 10…20 % notwendig sind. Mit Staukörpern hingegen lassen sich Rezirkulationsraten von maximal 13 % erreichen. Eine wirksame Methode zur Intensivierung der Rauchgasrezirkulation stellt die Zuführung der Verbrennungsluft in einem verdrallten Freistrahl dar. Bild 2.2.5-91 zeigt bei-

2.2.5 Erzeugung

spielhaft die Gemischaufbereitung eines Blaubrenners mit drallinduzierter Rauchgasrezirkulation. Die Verbrennungsluft tritt über eine Düse in das Flammenrohr ein. Durch die sprungartige Querschnittserweiterung des Luftstrahls entsteht am Rand der Luftdüse ein Unterdruckgebiet, durch das heiße Flammengase aus dem Inneren des Flammenrohres in die Verdampfungszone transportiert werden. Daneben gelangen über Öffnungen im Flammenrohr bereits abgekühlte Rauchgase aus dem Feuerraum in die Verdampfungszone. Zusätzlich bildet sich durch die verdrallte Strömung der Verbrennungsluft im Rotationszentrum der Flamme eine Rückströmzone. Der intensive Rücktransport von Rauchgasen an die Flammenwurzel bewirkt neben der Vermeidung der Rußbildung auch eine Minderung der Stickstoffoxidemissionen (vgl. Abschnitt 2.2.5-2.5.8: Gemischaufbereitung). Öldruckzerstäubungsbrenner werden meist so an den Kessel angeflanscht, dass ihre Flamme horizontal gerichtet ist. Ist die Flamme vertikal gerichtet (im Feuerraum von oben nach unten), spricht man von einem Sturzbrenner. Durch einen Hochspannungsfunken wird das Gemisch entzündet und brennt solange selbständig weiter, wie Öl und Luft zugeführt werden. „Bei großen Anlagen ab etwa 16.500 kW wird der Ventilator häufig auch getrennt vom Brenner aufgestellt. Diese Duoblock-Brenner werden verwendet, wenn z. B. das Gewicht des Verbrennungsluftventilators eine zu große Belastung für die Kesseltüre darstellt, oder besonders hohe Ventilatorleistungen benötigt werden.“ In verschiedenen Studien1) wurde das Schadstoffemissionsverhalten von ölbefeuerten Heizungsanlagen untersucht. Die Einordnung dieser Geräte nach Bauart und Leistungsklassen ergibt für Gelbbrenner im Leistungsbereich unter 25 kW im Mittel für die Stickstoffoxide einen Emissionsfaktor von 130 mg/kWh. Danach erfüllt nur ein Teil der untersuchten Gelbbrenner den national seit dem 1. Januar 1998 nach der Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen für neuerrichtete Feuerungsanlagen geltenden Grenzwert für die Stickstoffoxidemissionen von 120 mg/kWh. Heizkessel mit Blaubrennern weisen im Mittel eine Stickstoffoxidemission von 100 mg/kWh auf. Die mittleren Kohlenmonoxidemissionen liegen bei allen Geräten in der Leistungsklasse bis 25 kW im Mittel bei 20 mg/kWh. Eine Betrachtung der jeweils emissionsgünstigsten Geräte ergibt für Blaubrenner Stickstoffoxidemissionen unter 70 mg/kWh. Gelbbrenner erzielen im günstigsten Fall Stickstoffoxidemissionen von etwa 100 mg/kWh. Die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe liegen bei beiden Brennerarten bei etwa 1 mg/kWh. Zu beachten ist, dass gegenüber dem stationären Betrieb während der Brennerstart- und Abschaltphase erhöhte CO-, CxHy- und Rußemissionen auftreten. Die Relevanz dieser Emissionen wird deutlich, wenn man berücksichtigt, dass die Feuerungsleistung des Brenners in vielen Fällen durch eine Abfolge von Start- und Abschaltvorgängen mit unterschiedlich langen Betriebsphasen an die Last des Heiz- und Trinkwassernetzes angepasst wird. Unter ungünstigen Randbedingungen wie einer zu hoch bemessenen Nennleistung und einem geringen Wasserinhalt des Heizkessels werden mittlere Brennerlaufzeiten von unter 3 min bei einer Schalthäufigkeit von 12 Brennerstarts pro Stunde erreicht. Hinsichtlich der Brennstoffregelung werden Einstufenbrenner, Zweistufenbrenner und stufenlos regelbare Brenner unterschieden. Einstufenbrenner arbeiten im Ein-Aus-Betrieb, d. h., es wird ein konstanter Brennstoffmassenstrom verbrannt, der in etwa der Nennleistung des Kessels entspricht. Für Feuerungsleistungen oberhalb 100 kW ist der Einsatz eines mehrstufigen oder stufenlos regelbaren Brenners sinnvoll. Durch einen Start im unteren Lastpunkt ist gegenüber einstufigen Brennern ein deutlich sanfteres Startverhalten erzielbar. Darüber hinaus ist die Feuerungsleistung besser an die momentane Last des Heiz- und Trinkwassernetzes anpassbar, wodurch sich die Brennerlaufzeiten erhöhen. Ein geringerer Bereitschaftsverlust und ein höherer Kesselwirkungsgrad sind die Folge.

1)

Pischinger, F. et al.: Emissionsvergleich „HEL und Erdgas“. Studie, Wärmetechnik Teil 1-5, Gentner-Verlag, Stuttgart, 1994. Sandkuhl, L. et al.: Emissionsverhalten von Ölbrenner Kesselkombinationen – Schadstoffe bei intermittierendem Betrieb. Wärmetechnik Teil 1-2, Gentner-Verlag, Stuttgart, 1990. Wintrich, T.: Untersuchung zur Schadstoffreduzierung durch leistungsgeregelte Verbrennung von flüssigen Brennstoffen. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1997.

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2

988

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bei Zweistufenbrennern unterscheidet man Brenner mit einer oder zwei Düsen (vgl. Bild 2.2.5-92). Sie arbeiten mit Dreipunktregelung: Aus – Teillast – Volllast. Neuerdings wird diese Technik schon ab 15 kW angeboten.

Bild 2.2.5-92. Schema eines Zweistufenbrenners. Links: Eindüsensystem, rechts: Zweidüsensystem.

Zu jeder Stufe gehört ein Thermostat. Beim Eindüsensystem (Bild 2.2.5-92, links) ist der Einspritzdruck an den beiden Laststufen über zwei Druckregler getrennt einstellbar. Innerhalb der Pumpe sind 2 Magnetventile angeordnet. Magnetventil 1 zur Schaltung der 1.Stufe ist stromlos geschlossen. Magnetventil 2 zur Schaltung der 2. Stufe ist stromlos geöffnet. Am Druckregelventil 1 wird der Pumpendruck der 1. Stufe, am Druckregelventil 2 der Pumpendruck für die 2. Stufe eingestellt. Um eine korrekte Funktion der Pumpe sicherzustellen, muss darauf geachtet werden, dass der am Druckregelventil 1 eingestellte Druck stets unterhalb des am Druckregelventil 2 eingestellten Druckes liegt. Während der Vorbelüftung sind beide Magnetventile unbestromt, so dass der gesamte Brennstoffstrom über das Druckregelventil 2 zurück in den Vorratstank fließt. Zur Schaltung der 1. Stufe wird Magnetventil 1 bestromt und damit geöffnet. Der Brennstoff wird daraufhin mit dem am Druckregelventil 1 eingestellt Druck eingespritzt. Zur Schaltung der 2. Stufe wird das Magnetventil 2 bestromt und damit geschlossen. Hierdurch wird der am Druckregelventil 2 eingestellt Druck wirksam. Beim Zweidüsensystem (Bild 2.2.5-92, rechts) geben das Zwei-Wege-Magnetventil 2 und Magnetventil 3 den Weg zur zweiten Düse frei. Die Luftklappe wird bei beiden Düsensystemen durch einen hydraulischen oder elektrischen Antrieb auf zwei unterschiedliche Stellungen bewegt. Zur Verringerung des Anfahrdruckstoßes, der durch die rasche Volumenexpansion des Gemisches unmittelbar nach der Zündung hervorgerufen wird, erfolgt der Brennerstart bei reduziertem Öldurchsatz. Der durch die Mischeinrichtung und das Einspritzsystem vorgegebene Regelbereich beträgt maximal 2:1. Insbesondere bei großen Feuerungsleistungen werden regelbare Brenner mit Rücklaufdüsen verwendet, mit denen es möglich ist, den Öldurchsatz und die Verbrennungsluftmenge stufenlos dem aktuellen Wärmebedarf anzupassen (vgl. Bild 2.2.5-93).1) Die Düse ist an eine doppelwandige Ölleitung angeschlossen. In der äußeren Leitung fließt das Öl zur Düse. In der Düse wird ein Teil des ankommenden Öls zerstäubt, der Rest gelangt über das innere Rohr in den Tank oder in die Saugleitung der Pumpe. Je nach Stellung des über einen Stellmotor angetriebenen Druckregelventils in der Rücklaufleitung verändert sich die Druckdifferenz zwischen konstantem Vorlaufdruck und veränderbarem Rücklaufdruck. Eine Erhöhung des Rücklaufdruckes bedeutet einen höheren Öldurchsatz, eine Verringerung einen kleineren Öldurchsatz. Das Regulierventil ist häufig im Ölpumpengehäuse integriert. Die Luft wird über eine hydraulisch oder elektrisch betriebene Klappe dem jeweiligen Brennstoffdurchsatz angepasst. Derartige Brenner haben einen Regelbereich von 4:1. Rücklaufdüsen mit integriertem Abschlussventil vermeiden den Austritt ungenügend vorgewärmten Öls, indem sie vor dem Brennerstart in geschlossener Stellung ein Umpumpen des Öls bis zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur ermöglichen. Beim Abschalten des Brenners schließt das Nadelventil durch Absenken des Vorlaufdruckes, wodurch ein Nachtropfen aus der Düse vermieden wird.

1)

Marx, E.; Linke, W.: Handbuch Feuerungstechnik. G. Kopf Verlag, Waiblingen 1996.

2.2.5 Erzeugung

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Bild 2.2.5-93. Schema einer stufenlosen Brennerregulierung mit Rücklaufdüse.

2

Bild 2.2.5-94. Elektronische Verbundregelung mit λ-Sonde.

2.2.5-2.5.3.1

Elektronische Verbundregelung

Bei großen Leistungen (> 1000 kW) wird auch anstelle einer mechanischen BrennstoffLuftverbundregelung eine elektronische Verbundregelung (vgl. Bild 2.2.5-94)1) verwendet, wobei sowohl das Öl- wie das Luftstellglied über einen Stellmotor angetrieben wird. Geregelt wird in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas, der mit einer ZirkonoxidMesssonde (λ-Sonde) gemessen wird. Der O2-Gehalt wird bei 1…1,5 % gehalten. Dadurch wird ein optimaler Wirkungsgrad über einen großen Leistungsbereich erreicht.

Bild 2.2.5-95. Schwerkraftbetätigte Luftabsperrklappe (Herrmann).

Da die meisten Ölbrenner intermittierend arbeiten, entstehen in den Schaltpausen und durch die Vorbelüftung Auskühlverluste. Der Idealfall ist eine stufenlose Regelung der

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Feuerungsleistung. In Verbindung mit Ölbrennwertgeräten werden solche Brenner inzwischen für Feuerungsleistungen unter 30 kW angeboten. Eine Alternative, um lange Brennerlauf- und kurze Stillstandzeiten zu erhalten, besteht darin, im Heizkreis einen hydraulisch entkoppelten Pufferspeicher vorzusehen. Auch aus Sicht der An- und Abschaltemissionen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, Kohlenmonoxid) sind lange Brennerlaufzeiten anzustreben. Fast alle Brenner verwenden zur Vermeidung der Auskühlverluste automatische Luftabsperrklappen (vgl. Bild 2.2.5-95), die bei kleinen Brennern meist durch Schwerkraft, bei größeren Brennern elektrisch oder hydraulisch angetrieben werden. Ein moderner einstufiger Ölbrenner (Gelbbrenner) ist in Bild 2.2.5-96 dargestellt. Die Einspritzvorrichtung ist als druckgesteuertes Dosiersystem ausgelegt. Eine Zahnradpumpe fördert den Brennstoff aus einem Vorratstank zur Düse. Die Differenz zwischen dem Fördermassenstrom der Zahnradpumpe und dem eingespritzten Brennstoffmassenstrom fließt über einen Druckregler zur Saugseite der Zahnradpumpe. Der eingespritzte Brennstoffmassenstrom ergibt sich aus dem am Druckregler eingestellten Einspritzdruck und der verwendeten Düsengröße. Die Zahnradpumpe und der Verbrennungsluftventilator werden über einen gemeinsamen Elektromotor angetrieben. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass die Auslegung des Ventilators auf die maximal einstellbare Feuerungsleistung eine Drosselung des Luftstromes bei abnehmender Leistung bedingt. Die Verwendung eines drehzahlgeregelten Motors zur Anpassung der Verbrennungsluftmenge ist nicht möglich, da die Druckreglung der Pumpe nur geringe Drehzahlschwankungen ausgleicht. Die Pumpe alternativ mit einem eigenen Antriebsmotor auszustatten, scheidet vor allem bei kleinen Feuerungsleistungen wegen des Platzbedarfs und der zusätzlichen Kosten aus. Die Gemischaufbereitung ist als StauscheibenMischsystem ausgeführt. Zur Verbrennungsluftregulierung sind zwei Einstellmöglichkeiten vorgesehen. Die saugseitige Luftregulierung am Gebläseeintritt beeinflusst den Luftdruck vor der Stauscheibe, d. h. sowohl den Primär- als auch den Sekundärluftmassenstrom (vgl. Abschnitt 2.2.5-2.5.3, Öldruckzerstäubungsbrenner, Stauscheibenmischsystem). Das Luftverhältnis zwischen Sekundär- und Primärluft kann durch Bewegen der Stauscheibe im konisch geformten Brennerrohr verändert werden. Hierzu ist der Düsenstock, an dem die Stauscheibe befestigt ist, über eine Stellschraube axial exakt positionierbar. Mit den beiden luftseitigen Einstellmöglichkeiten kann der Luftmassenstrom an den über den Pumpendruck und die eingesetzte Düse vorgegebenen Ölmassenstrom angepasst werden. Darüber hinaus ermöglicht diese bei Öldruckzerstäubungsbrennern häufig eingesetzte Methode der Verbrennungslufteinstellung eine Abstimmung des Brenners an die Feuerraumbedingungen (z. B. Feuerraumdruck).

Bild 2.2.5-96. Moderner Ölbrenner für 12–65 kW mit Ölvorwärmung, Luftabsperrklappe und Düsen-Schnellschlussventil (Herrmann).

2.2.5 Erzeugung

991

Bild 2.2.5-97. Modulierender Ölbrenner (Blaubrenner) für 8–30kW mit volumengesteuertem Einspritzsystem (Herrmann).

In Bild 2.2.5-97 ist ein stufenlos regelbarer Ölbrenner (Blaubrenner) dargestellt. Nach dem Vorbild eines Dieselmotors ist die Einspritzausrüstung als volumetrisches Dosiersystem ausgelegt. Als Brennstoffpumpe wird eine magnetisch angetriebene Kolbenpumpe eingesetzt. Die hydraulische Schaltung zur Einbindung der Kolbenpumpe entspricht der für Zahnradpumpen üblichen Einstranginstallation. In dieser Schaltung fördert die Kolbenpumpe den Brennstoff in genau dosierter Menge aus einem Vorratsbehälter durch einen Filter hindurch zum Ölvorwärmer und von dort zur Einspritzdüse. Der Antrieb des Kolbens erfolgt durch einen elektronisch geregelten Schwingmagnet, der im Gehäuse der Pumpe integriert ist. Durch die ausgezeichnete Saugwirkung der Kolbenpumpe kann der Brennstoff auch aus tieferliegenden Vorratsbehältern selbsttätig angesaugt werden. Allerdings wird wegen der Gefahr des Ausgasens des Heizöls in diesen Fällen eine Vorförderpumpe empfohlen. Zur Verbrennungsluftförderung wird ein drehzahlregelbares Gebläse eingesetzt. Die Steuerung und Überwachung des Brenners erfolgt über eine Mikroprozessorsteuerung. Über ein Tasten-Display kann die Feuerungsleistung unmittelbar in der Einheit „kW“ eingegeben werden. Eine Anpassung des Luftmassenstroms an die Gegebenheit der Anlage erfolgt ebenfalls direkt über das Display ohne die Betätigung mechanischer Stellglieder. Neben einer Regelbarkeit der Feuerungsleistung (etwa 3:1) bietet die Auflösung des mechanischen Verbundes aus Antriebsmotor, Pumpe und Ventilator gegenüber herkömmlichen Brennern die Möglichkeit zur gesonderten Einsstellung der Feuerungsleistung sowie des Luftüberschusses beim Brennerstart. Darüber hinaus ist der Bedarf an elektrischer Energie etwa halb so groß als bei einem konventionellen Blaubrenner. Seit der Novellierung der Wärmeschutzverordnung, die ab dem 01.01.1995 in Kraft getreten ist, gilt der Niedrigenergiehausstandard als Orientierungsmarke für die Wärmedämmung im Neubau. Eine weitere Verschärfung der energetischen Anforderungen an Wohngebäude wurde durch die Zusammenführung der Heizungsanlagenverordnung und der Wärmeschutzverordnung zur Energieeinsparverordnung im Jahr 2002 eingeleitet. Infolge des reduzierten Transmissionswärmebedarfs nimmt die Heizlast der Gebäude und damit der Brennstoffverbrauch ab. Gleichzeitig verstärkt sich der Einfluss des Lüftungswärmebedarfs, der Sonneneinstrahlung und der inneren Wärmequellen (Personen, Beleuchtung, Kochgeräte, usw.) auf die Wärmebilanz eines Raumes. Um die Behaglichkeitsanforderungen der Nutzer mit minimalem Energieeinsatz zu erfüllen, ist eine exakt dosierbare Wärmeabgabe des Heizsystems entsprechend den Lastschwankungen notwendig. Ebenso wie im Bereich der Lüftung nimmt der Leistungsbedarf zur Trinkwassererwärmung in Relation zur Heizlast zu. Unter der Vorgabe, dass die Erwärmung des Heiz- und Trinkwassers durch ein einzelnes Feuerungssystem erfolgt, ist aus der Diskrepanz zwischen Heizlast und dem Leistungsbedarf zur Trinkwassererwärmung sowie dem

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

stark instationären Verhalten beider Lasten nicht in jedem Fall die Forderung nach einer Regelbarkeit der Feuerungsleistung abzuleiten. Bereits seit langem werden zur Trinkwassererwärmung Pufferspeicher eingesetzt, die den zeitlichen Verlauf der Zapfvorgänge von der Wärmeabgabe der Feuerung entkoppeln. Ebenso vermeiden Heizwasserpufferspeicher die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Anpassung der Feuerungsleistung an die schwankende Heizlast. Die Entkopplung der Feuerungsleistung von den Lasten des Heiz- und Trinkwassernetzes durch Pufferspeicher ermöglicht die Installation kleinerer Kesselleistungen. Gegenüber dem Betrieb ohne Pufferspeicher vermindert sich die Schalthäufigkeit vor allem bei einstufigen Brennern erheblich. Je nach Dämmstandard und Dimensionierung der Pufferspeicher entspricht die Nennleistung des installierten Heizkessels etwa der halben Normheizlast. Für eine Wohneinheit mit einer Nutzfläche von 100 m2 und einem Dämmstandard nach der WSV 95 beträgt die Normheizlast etwa 7 kW. Entsprechend liegt die Nennleistung des Kessels bei einer Auslegung der Wärmebereitstellung mit Pufferspeichern für die Heizund Trinkwassererwärmung bei etwa 4 kW. Wegen des Platzbedarfs und der Anschaffungskosten der Pufferspeicher werden zur Wärmebereitstellung in hochgedämmten Wohneinheiten vorzugsweise stufenlos regelbare Kompaktheizanlagen ohne Pufferspeicher nach dem Durchlaufprinzip eingesetzt. Für das System Ölheizung sind derzeit keine zuverlässigen Kompaktheizgeräte dieser Bauart auf dem Markt verfügbar. Auch für die Auslegungsalternative mit Pufferspeichern stehen keine einstufig betriebenen Ölbrenner im Leistungsbereich unter 15 kW zur Verfügung. Oberhalb dieser Leistungsgrenze ist die ablehnende Haltung der Bauherren gegenüber der Ölfeuerung auf den Platzbedarf für die Brennstoffbevorratung und die Installation der Brenner-/Kessel-Unit zurückzuführen. Liegt der Aufstellungsort der Feuerungsanlage im Wohnbereich oder wohnungsnahen Bereich, sprechen zusätzlich die hohen Verbrennungs- und Gebläsegeräusche gegen den Einsatz einer Ölfeuerung. Die Argumente niedrige Brennstoffkosten, netzunabhängige Brennstoffversorgung und marktwirtschaftliche Brennstoffpreisbildung verlieren vor dem Hintergrund eines abnehmenden Energiebedarfs aus Sicht der Bauherren zunehmend an Bedeutung. Für den Energieträger Erdgas dagegen existieren seit geraumer Zeit Feuerungssysteme, die den Brennstoff vollständig vor der Flamme mit der Verbrennungsluft mischen und anschließend über eine Reaktionsoberfläche verbrennen. Die Vorteile dieser Technologie gegenüber den für Heizöl EL angebotenen Drallbrennern liegt in den kompakten Konstruktion der Wärmebereitstellungssysteme, dem nahezu geräuschlosen Betrieb, der guten Regelbarkeit, den niedrigen Anschaffungskosten und der hohen Verbrennungsqualität. Sowohl bei Neuinstallationen als auch beim Austausch einer Feuerungsanlage entscheiden sich die Bauherren daher zunehmend für den Einsatz einer Gasfeuerung. Nur eine technologische Neuausrichtung ölbefeuerter Heizsysteme kann diesen Trend stoppen und damit die Attraktivität des Brennstoffes Heizöl EL in Zukunft sichern. In unterschiedlichen Forschungseinrichtungen wird daher zurzeit die Machbarkeit vormischender Flächenbrenner für Heizöl EL untersucht. In der Europäischen Norm DIN EN 267 werden vom Technischen Komitee CEN TC 47 Regeln für Ölzerstäubungsbrenner zur Befeuerung von Kesseln erarbeitet. Der Betrieb nicht genehmigungsbedürftiger Feuerungsanlagen wird in der Bundesrepublik Deutschland durch die Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen (1. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetztes, 1. BImSchV) geregelt. Nicht genehmigungsbedürftige Anlagen im Sinne der Verordnung sind u. a. Feuerungsanlagen für den Betrieb mit Heizöl EL nach DIN 51603-1, deren Feuerungsleistung weniger als 10 MW beträgt. In der überarbeiteten Fassung der BImSchV, die seit dem 1.1.1998 gültig ist, wurden für die Abgasverluste neue Grenzwerte festgelegt (vgl. Abschnitt 1.9.4-2, Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen). Alle Neuanlagen müssen die neuen Grenzwerte einhalten. Für alte, das heißt vor diesem Zeitpunkt errichtete Feuerungsanlagen, gibt es Übergangsfristen zwischen 3 und 8 Jahren. Anders als bei der Vorgängerregelung ist künftig nicht mehr das Alter der Anlage für die Übergangsfrist von Bedeutung, sondern das Ergebnis einer Einstufungsmessung, die der Schornsteinfeger durchführt.

2.2.5 Erzeugung

Für Ölfeuerungsanlagen mit Zerstäubungsbrenner begrenzt die 1. BImSchV die Rußzahl auf 1. Für Feuerungsanlagen mit Ölverdampfungsbrenner beträgt die zulässige Rußzahl 2. Zum ersten Mal schreibt die BImSchV Grenzwerte für den Ausstoß von Stickoxiden vor. Alle neu installierten Heizgeräte bis zu einer Feuerungsleistung von 120 kW, mit Wasser als Wärmeträgermedium, dürfen ab 1.1.1998 bei Gasfeuerung nicht mehr als 80 mg/kWh, bei Heizölfeuerung höchstens 120 mg/kWh NOx ausstoßen. Die DIN EN 267 gliedert sich wie folgt: 1. Anwendung und Zweck 2. Normative Verweisungen 3. Einteilung (Arten der Zerstäubung; Regelung von Ölzerstäubungsbrennern, Arten der Zündung) 4. Begriffe 5. Anforderungen 6. Prüfungen 7. Betriebsanleitung, Kennzeichnung. Die Prüfung wird an Prüfflammrohren durchgeführt. Es stehen unterschiedliche Prüfflammrohrdurchmesser (0,225; 03; 0,4; 0,5; 0,6 m) zur Wahl. Der Hersteller entscheidet bei der Prüfung, an welchem Flammrohr der minimale bzw. maximale Durchsatz gefahren wird und ob das Flammrohr im Umkehr- oder Durchzugsbetrieb eingesetzt wird. Die Feuerraumlänge ist nach folgender Gleichung · l1 = 0 ,25 ⋅ m zu berechnen. Die Länge der Brennkammer ist mittels einer axial verschiebbaren Rückwand einstellbar (vgl. Bild 2.2.5-98).

Bild 2.2.5-98. Prüfflammrohr nach DIN EN 267

Der Brennerhersteller weist in dem durch die Norm vorgegebenen Prüfverfahren den Betrieb des Brenners bei einstufiger Brennerausführung an 5 bzw. bei mehrstufiger Brennerausführung an 6 charakteristischen Prüfpunkten nach (vgl. Bild 2.2.5-99). Aus diesen Punkten ergibt sich das sog. Arbeitsfeld des Brenners. Feuerraumdruck und Feuerungsleistung an den einzelnen Prüfpunkten sind vom Hersteller frei wählbar, vorausgesetzt die in Tafel 2.2.5-7 dargestellten Anforderungen werden erfüllt. Zusätzlich werden in der Norm Forderungen an das Anfahrverhalten des Brenners gestellt. Durch die sehr rasche Volumenexpansion des Gemisches nach der Zündung ergeben sich im Vergleich zur Betriebsphase des Brenners hohe Druckspitzen im Feuerraum. Bei Einstufenbrennern muss der gemessene Druck im Arbeitspunkt 2 nach 0,8 s auf 25 % der max. Anfahramplitude abgefallen sein oder auf 3,0 hPa abgeklungen sein. Bei Mehrstufenbrennern muss dies für die korrespondierenden Kleinlastpunkte der Messpunkte 1, 2 und 6 nachgewiesen werden.

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2

994

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Für die Brennerhersteller besteht die Möglichkeit aufbauend auf die DIN EN 267 – Prüfung ein freiwilliges Umweltzeichen, den sog. Blauen Engel, nach einer Vergaberichtlinie des Umweltbundesamtes abzulegen. Die Emissionsgrenzwerte sind in Tafel 2.2.5-8 dargestellt. Seit 1. Januar 2003 wird auch der Bedarf an elektrischer Energie im Betrieb des Brenners gemessen. Dieser muss seit Januar 2003 im stationären unter 250 W liegen. In der neusten Fassung der RAL ZU 9 vom März 2006 darf zudem der Bedarf an elektrischer Energie während der instationären Aufwärmephase unter vorgegebenen Randbedingungen 25 Wh nicht überschreiten. a) Arbeits- und Prüffeld – Einstufenbrenner 1 max. Durchsatz beim geringsten Feuerraumgegendruck 2 max. Durchsatz beim höchsten Feuerraumgegendruck 3 min. Durchsatz 4 min. Durchsatz bei Unterdruck im Feuerraum 5 max. Durchsatz bei Unterdruck im Feuerraum 1 bis 6 Prüfpunkte X = 0,1 pF

· in kg/h 1) Durchsatz m 2) Feuerraumdruck pF im mbar b) Arbeits- und Prüffeld – zwei-, mehrstufige und regelbare Brenner 1 max. Durchsatz beim geringsten Feuerraumgegendruck 2 max. Durchsatz Zwischenwert nach Wahl des Herstellers 3 min. Durchsatz 4 min. Durchsatz bei Unterdruck im Feuerraum 5 max. Durchsatz bei Unterdruck im Feuerraum 6 max. Durchsatz beim höchsten Feuerraumgegendruck 1 bis 6 Prüfpunkte X = 0,1 pF

· in kg/h 1) Durchsatz m 2) Feuerraumdruck pF im mbar Bild 2.2.5-99. Arbeits- und Prüffeld für ein-, zwei-, mehrstufige und regelbare Brenner nach DIN EN 267:1999-11.

Tafel 2.2.5-7

Prüfanforderungen nach DIN EN 267 (Ölzerstäubungsbrenner)

Rußzahl

bei einstufigen Brennern ≤ 1, bei mehrstufigen und stufenlos regelbaren Brennern darf bei minimalem Durchsatz die Rußzahl < 2 sein

unverbrannte Kohlenwasserstoffe

≤ 10 ppm, ausgenommen die ersten 20 s nach der Brennstofffreigabe

Kohlenmonoxid

≤ 110 mg/kWh (Klasse 1), ≤ 110 mg/kWh (Klasse 2), ≤ 60 mg/kWh (Klasse 3), Bezugs-O2-Gehalt von 0 %

Stickstoffoxid

≤ 250 mg/kWh (Klasse 1), ≤ 185 mg/kWh (Klasse 2), ≤ 120 mg/kWh (Klasse 3), Bezugs-O2-Gehalt von 0 %

Luftzahl

in Bild 2.2.5-100 angegebenen Luftzahlen dürfen bei einstufigen Brennern bei maximaler Feuerungsleistung und bei mehrstufig oder regelbaren Brennern auch bei minimaler Feuerungsleistung nicht überschritten werden

2.2.5 Erzeugung

995

1 λmax für QF min bei Regelbereich > 3:1 2 λmax für QF min bei Regelbereich < 3:1 3 λmax für QF max 1) Durchsatz in kg/h 2) Luftzahl

Bild 2.2.5-100. Luftzahl in Abhängigkeit von der Feuerungsleistung nach DIN EN 267.

Tafel 2.2.5-8

Emissionsgrenzwerte bei Vergabe des Umweltzeichens „Blauer Engel“ nach RAL UZ 9 (Ölzerstäubungsbrenner ≤ 120 kW)

Rußzahl

≤ 0,5

unverbrannte Kohlenwasserstoffe

Im Betrieb ≤ 15 mg/kWh, Bezugs-O2-Gehalt von 0 % Anfahremission ≤ 30 ppm über 30 ppm gerechnet als Mittelwert über 10 s

Kohlenmonoxid

≤ 60 mg/kWh, Bezugs-O2-Gehalt von 0 %

Stickstoffoxid

≤ 120 mg/kWh, Bezugs-O2-Gehalt von 0 %

CO2-Gehalt der Abgase

· B < 2 kg/h, CO2 >13,0 %; m · B >2 kg/h, CO2 >13,5 % m

2.2.5-2.5.4

Druckluftzerstäubungsbrenner

Das Öl wird bei Brennern dieser Bauart mit vergleichsweise niedrigem Druck (10…60 kPa; 0,1…0,6 bar) oder frei zulaufend zur Düse gefördert und dort von Luftstrahlen fortgerissen (Injektorprinzip). Mit der dadurch hervorgerufenen hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Düse ist eine hohe Zerstäubungsgüte zu erreichen.1) Hinsichtlich des Drucks der Zerstäubungsluft werden Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckbrenner unterschieden. Je größer der Druck der Zerstäubungsluft ist, desto höher ist die Luftgeschwindigkeit und damit die kinetische Energie in der Düse und desto geringer kann der Zerstäubungsluftanteil an der gesamten Verbrennungsluftmenge sein. Tafel 2.2.5-9 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Tafel 2.2.5-9 Brenner

Einteilung der Druckluftzerstäubungsbrenner in Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruckbrenner Zerstäubungsluftdruck

Zerstäubungsluftanteil in Vol.-% an der gesamten Verbrennungsluftmenge

Niederdruck

5 … 10 kPa

100 … 25

Mitteldruck

50 … 100 kPa

25 … 5

Hochdruck

200 … 800 kPa

70 kW) ist die Feuerungsleistung in Stufen oder stufenlos regulierbar. Für den vollautomatischen Betrieb eines ölbefeuerten Heizkessels werden im Allgemeinen folgende Komponenten verwendet: Ein Zündtransformator oder eine elektronische Hochspannungszündung erzeugen eine Spannung von 5…15 kV. Zwischen zwei Elektroden bildet sich eine Hochspannungsfunkenstrecke, die das Öl-Luftgemisch entzündet (vgl. Abschnitt 2.2.5-2.5.10: Flammenwächter, Flammenfühler). Der Flammenwächter hat die Aufgabe, zusammen mit dem Flammenfühler im Brenner, das Vorhandensein oder Ausbleiben der Flamme zu überwachen und zu melden. Für beide Bauteile ist eine DIN-Registernummer erforderlich (Sicherheitsbauteil). Der Kesselthermostat (Temperaturregler) erfasst die Kesseltemperatur im Heizkessel und schaltet nach einer vorgegebenen Regelstrategie den Brenner ein bzw. aus. Der Sicherheitstemperaturbegrenzer schaltet den Brenner bei Überschreiten der höchstzulässigen Kesselwassertemperatur aus und verhindert einen erneuten Brennerstart (Verriegelung). Ein Raumthermostat wird verwendet, wenn die Kesselwassertemperatur direkt von einem Raum aus gesteuert werden soll, wie es bei kleineren Heizungsanlagen für Einfamilienhäuser manchmal der Fall ist. Der Kesselthermostat arbeitet in diesem Fall als Begrenzungsregler (Temperaturwächter) und verhindert eine zu hohe Temperatur bzw. einen zu hohen Druck im Kessel. Der Ölfeuerungsautomat (Steuergerät) führt alle Steuer- und Überwachungsfunktionen, die für den Brennerbetrieb notwendig sind, aus. Hierzu gehört das Ein- und Ausschalten der Zündung und des Motors, das Öffnen und Schließen der Magnetventile sowie das Auswerten der Signale des Flammenfühlers (Flammenwächter). Bei Auftreten einer Störung schaltet das Steuergerät den Brenner ab. Die Steuergeräte sind meist direkt am Brennergehäuse steckbar angebracht und dürfen daher bei einem Defekt auch von einem „Nicht-Elektriker“ ausgetauscht werden. Die Ölfeuerungsautomaten müssen nach DIN EN 230 geprüft sein. Nach DIN EN 267:1999 gelten folgenden Begriffe und beispielhafte Angaben (Abweichungen hiervon sind je nach Anwendung und weiteren Gerätenormen möglich): Regler, Wächter und Begrenzer siehe Abschnitt 2.5. Sicherheitszeit ist die höchstzulässige Zeitspanne, während der Heizöl gefördert werden darf, ohne dass eine Flamme vorhanden ist. Für Brenner bis 30 kg/h beträgt die Sicherheitszeit beim Brennerstart und Brennerbetrieb 10 s, bei größeren Brennern beim Brennerstart 5 s und im Betrieb 1 s. Zündungszeit ist die Zeit, während der die Zündeinrichtung in Betrieb ist (Vorzündungs-, Zündungs- und Nachzündungszeit). Wartezeit ist die Zeitspanne zwischen Abschalten des Brenners und selbsttätiger Wiederinbetriebnahme der Zündung. Ansprechzeit ist die Zeitspanne zwischen Entstehen oder Erlöschen der Flamme und dem entsprechenden Steuerbefehl des Flammenwächters. Vorspül- oder Durchlüftungszeit ist die Zeitspanne, während der der Feuerraum zwangsweise durchlüftet wird, ohne dass die Ölzufuhr freigegeben ist. Die Dauer beträgt 6 bis 25 s. Störabschaltung erfolgt bei Ausbleiben der Flamme oder bei Fremdlicht. Ein erneuter Versuch, den Brenner zu starten, erfolgt nicht selbsttätig durch die Steuerung (Verriegelung), sondern muss von Hand ausgelöst werden (Entstörknopf am Steuergerät). Arbeitsweise eines Ölfeuerungsautomaten für Brenner bis 30 kg/h Öldurchsatz (vgl. Bild 2.2.5-120): Brennerstart: 1. Einschalten des Motors mit Ventilator (Vorbelüftung); der Zündtransformator erhält Spannung; es bildet sich eine Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden.

2.2.5 Erzeugung

2. Nach einigen Sekunden Vorzündzeit, meist 10 bis 15 s (bis 30 kg/h Öldurchsatz), wird das Magnetventil geöffnet, und die Zerstäubung des Brennstoffs setzt ein. Das Ölspray wird gezündet, die Flamme bildet sich. 3. Flammenwächter spricht an und schaltet Zündtransformator nach einer Nachzündperiode von 5–15 s aus. Brennerbetrieb: Der Ölbrenner in einer Heizungsanlage mit einer Mediumstemperatur < 110 °C ist ausgerüstet für intermittierenden Betrieb und bleibt solange in Betrieb, wie durch den Kessel- oder Raumthermostat Wärme angefordert wird. Ölbrenner in Industrieanlagen mit Mediumstemperaturen > 110 °C sind ausgerüstet für Dauerbetrieb und können bis 72 h unbeaufsichtigt betrieben werden. Großanlagen können dabei jährliche Laufzeiten von über 8000 h ohne Unterbrechung erreichen. Störabschaltung: Kommt die Flamme innerhalb der Sicherheitszeit nicht zustande oder erlischt die Flamme während des Betriebes, wird der Brenner ausgeschaltet und verriegelt. Eine Wiederinbetriebnahme ist nur durch Betätigen des Entriegelungsknopfes möglich. Bei den meisten Anlagen wird ein zweiter Zündversuch spätestens 1 s nach Erlöschen der Flamme selbsttätig unternommen.

Bild 2.2.5-120. Stromlaufplan und Programmablauf einer unterspannungssicheren Ölbrennersteuerung mit Fotowiderstand und Vorzündung für Brenner bis 30 kg/h (Danfoss).

Sind Kesseltemperaturregler und Sicherheitsbegrenzer geschlossen, liegt an Klemme1 Spannung. Wird kein Ölvorwärmer verwendet, sind Klemme 8 und Klemme 3 durch eine Brücke zu verbinden. Wenn ein Ölvorwärmer angeschlossen ist, bekommt der Automat Spannung an Klemme 8. Wenn der Ölvorwärmerthermostat OTR schließt, bekommt Klemme 3 Spannung, und der Brennermotor läuft an. Gleichzeitig liegt am Zeitschaltkreis des Automaten (Heizwicklung des Bimetalls) eine Spannung über den Kontaktsatz tz1 an, und die Vorspülzeit mit Vorzündung wird eingeleitet. Nach Ablauf der Vorspülzeit wechselt der Kontaktsatz tz1, Kontakt d-e öffnet, und gleichzeitig schließt Kontakt c-d. Hierdurch wird das Ventil 1 an Klemme 4 eingeschaltet. Wenn eine Flamme vorhanden ist, zieht das FR-Relais an und die Kontakte a-b öffnen. Hierdurch wird die Heizwicklung des Bimetalls unterbrochen, und die Abkühlung des

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2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Programmwerks beginnt. Gleichzeitig schließt Kontakt fr, der den laufenden Betrieb des Brenners sichert, wenn der Vorwärmerthermostat öffnet. Wenn das FR-Relais anzieht, hält ein Sperrhebel den Kontakt c-d geschlossen. Nach Abkühlung des Bimetalls ist das Programmwerk in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt. Die Kontakte b-c öffnen und die Zündung wird unterbrochen. Gleichzeitig schließt Kontakt d-e, so dass Ventil 2 an Klemme 5 Spannung bekommt. Bei Fremdlicht zieht Relais FR an, und der Sperrhebel hindert die Kontakte c-d daran zu schließen. Das Bimetall wird daher weiter erwärmt, bis Kontaktsatz tz2 von Stellung a nach Stellung b wechselt. Dadurch ist das System verriegelt, und an Alarmklemme 10 liegt Spannung. Ein erneutes Einschalten des Automaten ist erst nach Abkühlung des Bimetalls (ca. 50 s) möglich. Während der Vorbelüftungszeit ist die Lichtempfindlichkeit des Flammenkreises erhöht. Wenn keine Flamme gebildet wird, schließt Kontakt tz1 die Verbindung c-d, das Relais FR zieht nicht an, und der Automat geht nach Ablauf der Sicherheitszeit auf Störschaltung. Bei Flammenausfall im Betrieb fällt das Relais FR ab und unterbricht sofort die Spannung zu den Magnetventilen. Der Automat unternimmt umgehend einen neuen Anlaufversuch mit Vorspülung und Vorzündung. Bildet sich keine Flamme vor Ablauf der Sicherheitszeit, geht der Automat auf Störabschaltung. Bei einem Flammenabriss in der Intervallzeit zwischen V1 und V2 fällt das Flammenrelais FR ab. Aufgrund der Spannung an Klemme 4 und 6 unternimmt der Automat einen erneuten Zündversuch.

2.2.5-2.6

Heizkessel für feste Brennstoffe

Übliche Festbrennstoff-Heizkessel erforderten in der Vergangenheit einen erheblichen Bedienungsaufwand durch regelmäßige Brennstoffbeschickung, Entaschung und Entschlackung sowie die Ascheentsorgung. So waren es vor allem gestiegene Komfortansprüche in den Haushalten bzw. die Notwendigkeit des automatischen Anlagenbetriebs, zum Beispiel in Gewerbe- und Industriebetrieben, die seit den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts zunächst zu drastisch absinkenden Marktanteilen der Festbrennstoff-Heizkessel führten. Es kam hinzu, dass verschärfte Emissionsanforderungen den konstruktiven Aufwand und somit auch die Herstellungskosten erhöhten.1) Inzwischen finden jedoch Heizkessel für Scheitholz, Pellets oder Hackschnitzel zunehmendes Interesse. Diese Brennstoffe verbrennen CO2-neutral und werden häufig regional produziert – können also ohne großen Transportaufwand zum Verbraucher gebracht werden (siehe auch Abschnitt 1.3.7-4). Die Bauart der Feuerung von Festbrennstoff-Heizkesseln ist vom Brennstoff abhängig. Wichtige Merkmale fester Brennstoffe sind u. a.: Heizwert, Wasser- und Aschegehalt, Festigkeit, Gehalt in flüchtigen Bestandteilen. Dementsprechend gibt es viele verschiedene Konstruktionen von Feuerungen: a) Feste Roste: Planrostfeuerungen mit Hand- oder Wurfbeschickung für alle festen Brennstoffe, besonders für kleine Flammrohr- und Heizungskessel; letztere mit oberem oder unterem Abbrand. Treppenroste, bestehend aus treppenförmig übereinander liegenden Rosten mit waagerechtem Luftdurchgang, namentlich für wasserhaltige Brennstoffe wie Rohbraunkohle und Torf; Muldenroste, bestehend aus zwei muldenförmig angeordneten Treppenrosten mit Brennstoffbeschickung durch Füllschächte, ebenfalls für Rohbraunkohle und Torf. b) Mechanische (bewegliche) Roste: Wanderroste mit Roststäben auf einem umlaufenden endlosen Band, die langsam durch die Feuerung hindurch gezogen werden. Verbesserte Ausführungen sind die Wanderzonenroste, bei denen Unterwind in verschiedenen Zonen zur Anpassung an den Brennstoffabbrand zugeführt wird. Dadurch bedeutende Leistungssteigerung; Unterschubroste führen den Brennstoff durch Schnecken und Kolben (Stoker) von unten her in die Feuerung (Bild 2.2.5-121);

1)

Driesen, R.; Bornscheuer, W.: HLH (1988), Nr. 5, S. 215–219.

2.2.5 Erzeugung

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Bild 2.2.5-121. Flammrohr-Rauchrohr-Kessel mit Brennstoffförderung durch Planstoker.

Vorschub- und Rückschubroste (Schürroste). Roststäbe führen langsame, schlangenförmige Bewegungen aus und fördern dabei den Brennstoff unter gleichzeitiger Schürung weiter (Riley-Stoker, Vorschub-Treppenrost, Vorschub-Muldenrost u. a.); ähnlich arbeiten die Schüttelroste. c) Kohlenstaubfeuerungen: Der Brennstoff wird in Zentral- oder heute meist Einzelmahlanlagen zu Staub zermahlen und mit Luft in die Feuerung geblasen. Tragluftmenge etwa 10 % der Verbrennungsluftmenge. Zur Vermahlung der Kohle dienen Mühlen (Schleuder-, Schläger-, Rohrmühlen u. a.). In Kraftwerken fast ausschließlich verwendet. Ascheabzug trocken oder flüssig (Schmelzfeuerung). Kesselleistung > 50 MW. Bei kleineren Leistungen noch Probleme mit Zündung und Stabilität der Feuerung sowie Teillastverhalten. Tafel 2.2.5-10 Rostwärmebelastung (nach E. Schulz) Feuerungsart

Brennstoff

Rostwärmebelastung qr in MW/m2

Handgefeuerte Planroste ohne und mit Unterwind

Alle Steinkohlesorten, Briketts, Holz

0,8 … 1,0 1,0 … 1,4

Treppenroste und Muldenroste ohne Unterwind

Rohbraunkohlen

0,7 … 0,9

Zonenwanderroste

Nusskohlen Feinkohlen Mittelprodukte Schwelkoks (stückig) Braunkohlenbriketts

1,4 … 1,6 1,0 … 1,4 0,8 … 1,2 1,0 … 1,2 1,0 … 1,3

Steinkohlen mit hohem Schür- und Rückschubroste mit Stein- und Wassergehalt Unterwind Mittelprodukte, Schlammkohlen, Abfallbrennstoffe

1,2 … 1,5

Vollmechanische Vorschubund Muldenroste

Rohbraunkohlen bei aschereichen Sorten

0,9 … 1,4 0,5 … 0,7

Unterschubroste (Kleinstoker) und Planstoker ohne Unterwind und mit Unterwind

Fett- und Gasflammekohlen

0,9 … 1,1 1,3 … 1,4

1,0 … 1,3

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

d) Wirbelschichtfeuerung:1) Dies ist eine weitere Feuerungsart für alle Kohlearten, bei der körnige Kohle in einer Wirbelschicht aus Luft, Asche und Kalkstein über einem Düsenboden verbrennt, durch den die Luft eingeblasen wird. Kompakte Bauweise durch guten Wärmeübergang an den in das Wirbelbett hineinragenden Heizflächen. Umweltfreundlich mit geringem SO2-Auswurf durch Kalkeinblasung und NO2-Auswurf infolge niedriger Verbrennungstemperaturen (800…900 °C). Nur für große Leistungen. Konstruktionsmerkmale von Festbrennstoff-Heizkesseln kleinerer Leistung Heizkessel für die Verfeuerung von Festbrennstoffen (Koks, Kohle, Brikett und Holz) mit Leistungen bis zu ca. 50 kW wurden früher zumeist als Durchbrand-Heizkessel ausgeführt. Üblich ist für diese Bauform auch die Bezeichnung Oberabbrand-Heizkessel (Bild 2.2.5-122). Der durch die Obertür in den Füllschacht/Brennraum eingebrachte Brennstoff wird vom Rost her, bei rechtzeitiger Neubeschickung durch Restglut, entzündet. Die Heizgase durchströmen die gesamte Brennstoffschicht und setzen sie von unten nach oben voll in Glut. Während einer Durchbrandperiode ergeben sich variable Glutschichtdicken somit auch unterschiedliche Feuerungsleistungen und Abgaswerte.

Bild 2.2.5-122. Oberabbrand-Gussheizkessel für Koksfeuerung. a) mit einfachem Zug, b) mit doppeltem Zug, c) unsymmetrische Bauart

Heute kommen vor allem für die Verbrennung von Stückholz üblicherweise Heizkessel mit unterem Abbrand, auch als Unterbrand bezeichnet, zum Einsatz (Bild 2.2.5-123).

Bild 2.2.5-123. UnterabbrandGusskessel. a) mit einfachem Zug, b) mit doppeltem Zug, c) mit Zweitluftzuführung für Kohle.

Die Verbrennung erfolgt hier mit konstanter Glutschichtdicke. Die Heizgase werden nur durch seitliche Kanäle in die Konvektions-Heizflächen abgeführt, im Füllschacht findet keine Verbrennung statt. Die Feuerungsleistung und auch die Abgaswerte, wie z. B. CO2, CO und Ruß, zeigen eine deutlich geringere Schwankungsbreite. Die Beschickung kann durch die Obertür, bei einigen Konstruktionen aber auch von oben erfolgen. Hier kann, z. B. durch eine Füllschachtverlängerung, die Brennstoffvorgabe vergrößert werden, womit sich die Beschickungsabstände entsprechend verlängern. Die automatische Brennstoffzufuhr ist nun ebenfalls realisierbar (Bild 2.2.5-124 u. Bild 2.2.5-125). Langflammige Brennstoffe, wie z. B. Rohbraunkohle, Braunkohlenbrikett und auch Holz, benötigen zum vollständigen Ausbrand eine Sekundärluft-Zuführung, etwa entsprechend Bild 2.2.5-123c (dort als Zweitluft bezeichnet), die unter Umgehung des eigentlichen Brennraumes und des Rostes im Ausbrandkanal zugeführt wird. Die Rostausführung richtet sich nach dem vorgesehenen Brennstoff, wobei der Hersteller, z. B. bei Koks, die zu verwendende Körnung anzugeben hat.

1)

Stroppel, K. G.: Fernwärme (1979), Nr. 11, S. 241–246. Steven, H.: BWK (1983), Nr. 11, S. 453–458.

2.2.5 Erzeugung

1013

Auch andere Brennstoffe, wie Anthrazit und Magerkohle können in einigen Festbrennstoff-Heizkesseln verfeuert werden, jedoch bei erhöhtem Bedienungsaufwand, so z. B. Brennstoffbeschickung in kleineren Schichtdicken, somit kürzeren Zeitabständen. Für die Verfeuerung von Festbrennstoffen werden sowohl Guss- als auch Stahlheizkessel eingesetzt, mit etwa gleichartiger Gestaltung von Brennraum, Füllschacht und Heizgasführung.

Bild 2.2.5-124. Mechanische Feuerung für einen automatischen Anthrazit-Heizkessel 20 bis 90 kW (Preussag). 1 = Kessel, 2 = Füllschacht, 3 = Feuerung, 4 = Ascheschieber, 5 = Aschebehälter, 6 = Vorratsbehälter, 7 = Sichtfenster, 8 = Brennstoffschleuse, 9 = Füllstandsanzeiger

Bild 2.2.5-125. Füllschachtkessel mit automatischer Beschickung und Schlackenabführung.

Automatische Festbrennstoff-Heizkessel In Kohle-Kraftwerken hat der Festbrennstoff-Hochdruckdampfkessel mit automatischer Feuerung keineswegs an Bedeutung verloren, z. B. Konstruktionen mit Wander- oder Treppenrost, sowie mit Kohlenstaub- oder Wirbelschichtfeuerung, ausschließlich aus Stahl gefertigt. Es werden jedoch auch für kleinere Leistungen automatische Festbrennstoff-Heizkessel angeboten, überwiegend als Füllschachtkessel mit unterem Abbrand. Der Brennstoff kann, z. B. durch natürliches Gefälle, aus einem höher liegenden Vorratsbehälter dem Brennraum, dosiert über eine Brennstoffschleuse, zugeführt werden (Bild 2.2.5-122 bis Bild 2.2.5-124). Bei anderen Konstruktionen für die automatische Verfeuerung von Brechkoks, Anthrazit wie auch Gasflammkohle wird der Brennstoff aus einem Vorratsbunker über Förderketten, Rohrketten oder Stoker der Feuerung automatisch zugeführt (Bild 2.2.5-125). Die Entaschung und Entschlackung erfolgt mechanisch über Stößel, Schieber oder Spiralrohr-Förderer. Hier sind teils Minimalleistungen unter 15 % ohne Erlöschen der Feuerung möglich. Der Bedienungsaufwand dieser Heizkessel kommt dem der Öl/GasHeizkessel schon recht nahe, doch liegen die Anschaffungskosten deutlich höher.

2

1014

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-126. Scheitholz-Vergaserkessel für Holzscheite bis 50 cm Länge, mit elektronischer Regelung. Im Füllraum werden die Holzscheite durch den Entzug von Sauerstoff nur durchgeglüht. Ein drehzahlgeregeltes Saugzuggebläse fördert das Holzgas in die Brennkammer, wo es unter Zugabe von Luftsauerstoff verbrennt (Viessmann; VITOLIGNO 100-S, Leistung: 20 kW).

Bild 2.2.5-127. Spezial-Heizkessel für Holzpellets mit digitaler, modulierender Leistungsregelung. Mit vollautomatischer Beschickung, Heizflächenreinigung, Entaschung der Brennkammer sowie automatischer Zündung. Feuerungstechnischer Wirkungsgrad bis 95% (Viessmann; VITOLIGNO 300-P, Leistung: 4 bis 48 kW).

Holzvergaserkessel eignen sich zum Verbrennen von Holzscheiten bis zu einer Länge von etwa einem Meter, Holzbriketts und Hackgut. In ihnen wird der Brennstoff durch den Entzug von Sauerstoff nur durchgeglüht. Bei der Vergasung entsteht keine Flamme, da dem Holzgas zur Flammenentwicklung der nötige Sauerstoff fehlt. Durch ein drehzahlgeregeltes Saugzuggebläse wird die dem aktuellen Wärmebedarf entsprechende Holzgasmenge in eine separate Brennkammer gesaugt und über Drehschieber-Lufteinlässe mit Luftsauerstoff angereichert. Das zündfähige Holzgas verbrennt nun sauber mit hohen Temperaturen sowohl im Teillast- als auch im Volllastbetrieb. Durch die bedarfsabhängige Erzeugung des Holzgases und ein drehzahlgeregeltes Saugzuggebläse ist die Kesselleistung moderner Holzvergaserkessel im Bereich von 50 bis 100 Prozent der Nenn-Wärmeleistung regelbar. Dadurch wird eine optimale Anpassung an den momentanen Wärmebedarf des Gebäudes erreicht. Ein großer Füllraum im Kessel ermöglicht lange Brenndauern, was große Nachlegeintervalle erlaubt. So kann es beispielsweise bei dem im Bild 2.2.5-126 gezeigten Holzvergaserkessel je nach Auslastung bis zu 12 Stunden dauern, bis neues Brennholz nachgelegt werden muss. Die Nachlegeintervalle sind u. a. abhängig vom Wärmebedarf des Gebäudes und vom Heizwert des verwendeten Brennholzes. Moderne, automatisch beschickte Pelletkessel (Bild 2.2.5-127) unterscheiden sich im Hinblick auf Heizkomfort und Bedienungsfreundlichkeit kaum von Öl-Heizsystemen. Neben den vergleichsweise geringen Brennstoffkosten ist dies wohl der wichtigste Grund für den großen Aufschwung, den Pelletkessel in den letzten Jahren im Markt erfahren haben. Wie bei Heizöl kann auch bei Holzpellets der Jahres-Brennstoffbedarf in einem entsprechenden Lagerraum (Sacksilo, Tankbehälter oder gemauerter Lagerraum) bevorratet werden. Von dort werden die Holzpellets bedarfsweise über Zuführeinrichtungen (Ansaugsonde, Transportschnecke) automatisch in einen Vorratsbehälter im Pelletkessel befördert. Eine Dosierschnecke versorgt dann ebenfalls automatisch aus dem integrierten Vorratsbehälter die Brennkammer des Kessels mit dem Brennstoff. Damit ist der Aufwand, der für die Lagerung von Holzpellets sowie für die Brennstoffversorgung des Heizkessels betrieben werden muss, vergleichbar mit dem bei der Nutzung von Heizöl.

2.2.5 Erzeugung

1015

Moderne Pelletkessel verfügen darüber hinaus über eine selbsttätige Brennraumentaschung, Ascheaustragung und Heizflächenreinigung. Das gewährleistet nicht nur konstant hohe Wirkungsgrade sondern auch lange, unterbrechungsfreie Betriebszeiten. Ein integrierter Aschebehälter ermöglicht Entleerungsintervalle von bis zu einem Jahr.

2 Bild 2.2.5-128. Schnittbild eines modernen Holzvergaser-Heizkessels mit optimierter Verbrennung für geringe Emissionen (Buderus, Logano S261, Nennleistungen bis 30 kW).

Durch die modulierende Betriebsweise moderner Pelletkessel ist eine genaue Anpassung an den momentanen Wärmebedarf des Gebäudes möglich. Realisiert wird diese modulierende Leistungsanpassung durch stufenlose Saugzuggebläse. 2.2.5-2.6.1

Sicherheitseinrichtungen

a) Warmwasserkessel Um unzulässig hohe Überdrücke zu verhindern, muss jeder Heizkessel einer offenen Warmwasserheizung (heute allerdings kaum noch gebräuchlich) durch eine SicherheitsVorlaufleitung und eine Sicherheits-Rücklaufleitung mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Der lichte Durchmesser der Leitungen beträgt mindestens · · ( Q = Kesselleistung in kW) dSR = 15 + 1,0 Q in mm, · dSV = 15 + 1,4 Q in mm darf jedoch nicht kleiner als 19 mm sein. Bei geschlossenen Warmwasserheizungen, die heute Standard sind, werden in der Regel Membran-Ausdehnungsgefäße verwendet, um die Wasserausdehnung aufzunehmen. Wegen der Trägheit der Feuerung mit festen Brennstoffen ist zur Verhinderung von Übertemperatur meist eine thermische Ablaufsicherung erforderlich. Diese wirkt in der Weise, dass bei einer Temperatur von etwa 100 °C der Wasserablauf am Warmwassererwärmer (oder an einem besonderen Wärmeaustauscher) geöffnet wird, so dass die überschüssige Wärme abgeführt wird. Für Heizkessel mit Absicherungstemperaturen über > 110 °C gilt DIN EN 12953 (Großwasserraumkessel). b) Niederdruckdampfheizkessel Jeder Dampfkessel mit Absicherungsdrücken bis 0,5 bar ist sicherheitstechnisch nach TRD701 auszurüsten, Dampfkessel mit Absicherungsdrücken über 0,5 bis 1 bar nach DIN EN 12953. Die Grundausrüstung für öl- und gasbefeuerte Niederdruckdampfkessel besteht aus: Sicherheitsventil, Wasserstandsregler, Wasserstandsbegrenzer, Wasserstandsanzeiger, Druckregler, Druckbegrenzer, Manometer, Speisewasserpumpe, Abschlamm- und Absalzeinrichtung.

1016

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Dampfkessel werden gemäß EU-Druckgeräterichtlinie in 4 Kategorien eingeteilt. Die Einstufung ist abhängig vom Absicherungsdruck × Volumen des Druckkörpers (Bild 2.2.5-129). Der Betrieb von Dampfkesseln über 0,5 bar Betriebsdruck (= Absicherungsdruck) ist gemäß Betriebssicherheitsverordnung überwachungsbedürftig. Kessel der Kategorie 1 und 2 müssen vor der ersten Inbetriebnahme durch eine befähigte Person geprüft werden. Bei Kesseln der Kategorie 3 und 4 ist dies durch eine zugelassene Überwachungsstelle (ZÜS) durchzuführen. Kessel der Kategorie 3 (wenn das Produkt aus Druck und Volumen größer 1000 ist) und 4 sind wiederkehrenden Prüfungen durch die ZÜS zu unterziehen. Für das Aufstellen und den Betrieb eines Dampfkessels der Kategorie 4 ist eine Erlaubnis der zuständigen Behörde erforderlich.

Bild 2.2.5-129. Dampfkessel-Kategorien nach EU-Druckgeräte-Richtlinie.

2.2.5-2.7

Wärmeverluste und Wirkungsgrade1)

Bei der Verbrennung der Brennstoffe im Heizkessel wird die erzeugte Wärme nicht vollständig auf das Heizwasser übertragen, sondern es entstehen Verluste. Der Wirkungsgrad des Heizkessels ist · · · ηK = Q N /Q F = Q N /BHi · Q N = Kesselleistung = nutzbare Wärme; bei Wasserkesseln = Produkt aus umlaufendem Wasserstrom und Erwärmung in kW (kJ/s); · Q F = Feuerungsleistung in kW; B = Brennstoffmenge kg/s oder mn3/s; Hi = Heizwert kJ/kg oder kJ/mn3. Für die Prüfung von Heizkesseln sind in EN 303 genaue Angaben über Versuchsbedingungen, Prüfstandaufbau, Messverfahren und Auswertung der Versuche gemacht. Die Verluste sind in % der Feuerungsleistung hauptsächlich folgende: 2.2.5-2.7.1

Abgasverlust

(Schornsteinverlust) qA, der durch den Unterschied des Wärmeinhalts der Abgase im Schornstein und der Verbrennungsluft verursacht wird, bei weitem der größte Verlust in der Bilanz der Verlustwärmeströme (betr. Kesselwirkungsgrad, siehe Abschnitt 2.2.5-2.7.5.

1)

DIN 4702-2 „Heizkessel; Begriffe, Prüfung, Anforderungen“, 03-1990. Plate, J.; Tenhumberg, J.: HLH (1983), Nr. 1; HLH (1984), Nr. 3. Wagner, G.: HLH (1985), Nr. 1, S. 7–14. Heinisch, R. et al.: HLH (1987), Nr. 3, S. 105–109; (1987), Nr. 4, S. 163ff. Böhm, G.: Wärmetechnik (1995), Nr. 2 und 3; Buderus Magazin (1999), Nr. 2, S. 25.

1) Ausgenommen sind Thermoelement, Akku und Sondersensoren. Weiteres entnehmen Sie bitte unseren AGB.

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2.2.5 Erzeugung

1019

V A ⋅ C pA qA = --------------------- (tA – tL) Hi

in % 3

3

mn mn VA = VAtr + VW = trockene Abgasmenge + Wasserdampf in --------- oder --------3- , kg mn zu berechnen nach Abschnitt 1.3.8 aus der Zusammensetzung des Brennstoffs und der Abgase. V CO 2 VAtr = -----------CO 2 V CO +SO + CO 2 2 genauer VAtr = ---------------------------------------------( CO 2 + SO 2 ) + CO CpA = mittlere spezifische Wärmekapazität der Abgase nach Bild 1.3.8-8 in kJ/(mn3 K) tA = Abgastemperatur °C tL = Lufttemperatur °C CO2 = gemessener Volumengehalt an CO2 im trockenen Abgas in % Siehe auch die Tafel 1.3.8-7 sowie Bild 1.3.8-1, Bild 1.3.8-2 und Bild 1.3.8-3. Gemäß 1. BImSchV, Novellierung vom 3.12.2009, werden die Abgasverluste wie folgt ermittelt A1 + B qA = (tA – tL) ·  --------- CO  2 oder falls anstelle des CO2-Gehalts (Vol.-%) der Sauerstoffgehalt O2 in % gemessen wird A2 - + B qA = (tA – tL) ·  ---------------- 21 – O  2 Beiwerte A und B nach Tafel 2.2.5-11. Normale Abgastemperaturen konventioneller Kessel 200…250 °C, bei großen Kesseln noch weniger. Tendenz zu Abgastemperaturen < 180 °C, bei Niedertemperatur- und Brennwertkesseln bis unter Taupunkt. Tafel 2.2.5-11 Beiwerte zur Berechnung des Abgasverlusts (1. BImSchV) Beiwert

A1 A2 B

Heizöl

0,50 0,68 0,007

Erdgas

0,37 0,66 0,009

Stadtgas

0,35 0,63 0,011

Kokereigas

0,29 0,60 0,011

Flüssiggas und FlüssiggasLuft-Gemische 0,42 0,63 0,008

Näherungswerte für einige Brennstoffe siehe Bild 2.2.5-130. Nach der Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen (1. BImSchV vom 3.12.2009, vgl. Abschnitt 1.9.4-2) sind ab 1.1.1998 die Abgasverluste wie folgt zu begrenzen: Kessel über 4 bis 25 kW 11 % Kessel über 25 bis 50 kW 10 % Kessel über 50 kW 9% Nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz werden die Abgasverluste von den Schornsteinfegern regelmäßig überprüft. Zu Anlagen, die bis zum 31.12.1997 errichtet wurden, siehe Abschnitt 1.9.4-3.

2

1020

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-130. Abgasverluste von Heizkesseln bei der Verbrennung von Heizöl EL, Erdgas und Koks.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-2.7.2

1021

Verlust durch unverbrannte Gase

im Wesentlichen CO: v Atr ⋅ 12640 ⋅ CO qu =  ----------------------------------------- in %   Hi 12640 = Heizwert von CO in kJ/mn3. CO = Volumengehalt m3/m3 Angenähert nach Brauss 69 ⋅ CO 52 ⋅ CO bei Koks: qu = ------------------------- ; bei Heizöl: qu = ------------------------- in %. CO + CO 2 CO + CO 2 Auch sehr geringe CO-Gehalte bedeuten bereits erhebliche Wärmeverluste, überschläglich 5 bis 7 % Verlust je 1 % CO-Gehalt. Zulässiger Wert < 0,1 %. 2.2.5-2.7.3

Verlust durch brennbare Rückstände

nur bei festem Brennstoff: R ⋅ c ⋅ 32000 qF = ----------------------------B ⋅ Hi

2

R = Rückstände in kg/s c = Kohlenstoffgehalt der Rückstände in kg/kg 32000 = Heizwert von Kohle in KJ/kg 2.2.5-2.7.4

Verluste durch Strahlung und Konvektion

sind die sogenannten Restverluste, da sie bei der Wärmebilanz als Restglied anfallen. Bei alten Kesseln sehr hoch, 3…5 %, bei modernen Kesseln durch gute Wärmedämmung und kompakte Bauart je nach Größe auf 0,5 bis 2 % verringert. Sie sind auf dem Prüfstand zu ermitteln. Der Strahlungsverlust qs hängt ab von der mittleren Temperatur des Kesselwassers, der Kesselgröße, der Größe der nicht wärmegedämmten Oberflächen, z. B. Türen u. a. Richtwerte in Bild 2.2.5-131. Besonders gering sind die Strahlungsverluste bei modernen Kesseln, die mit gleitender statt konstanter Wassertemperatur betrieben werden (Niedertemperatur- und Brennwertkessel) und die außerdem eine modulierende Feuerung haben (Bild 2.2.5-132).

Bild 2.2.5-131. Strahlungsverluste von Heizkesseln (VDI 3808:1993-01). 1 Spezialkessel für feste Brennstoffe, umgestellt auf Ölfeuerungsbetrieb 2 Gasspezialheizkessel mit Brennern ohne Gebläse 3 Umstellbrand- und Wechselbrandheizkessel bei Betrieb mit Öl- bzw. Gas-Gebläsebrennern 4 Spezialheizkessel für Öl- bzw. Gasfeuerung mit Gebläsebrennern

1022

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-132. Kesselwirkungsgrad bei unterschiedlicher Betriebsweise.

2.2.5-2.7.5

Kesselwirkungsgrad1)

Abgasverluste qA und Strahlungsverluste qs bestimmen den Kessel- oder feuerungstechnischen Wirkungsgrad ηK = 1 – qA – qs bzw. · · · · QN = QF – QA – QS Beispiel: Mineralisches Heizöl mit Hi = 10 kWh/l = 42700 kJ/kg und CO2max = 15,5 % Gemessen CO2-Gehalt = 11 % Abgastemperatur tA = 270°C Lufttemperatur tL = 20°C Wie groß ist der Abgasverlust qA? Abgasmenge nach Bild 1.3.8-2: VA = 15,3 mn3/kg Mittlere spezifische Wärmekapazität nach Abschnitt 1.3.8-3.5: CpA=1,42 kJ/mn3 K 15 ,3 ⋅ 1 ,42 Abgasverlust qA = ------------------------- (270–20) · 100 = 12,7 %. 42700 Dasselbe Ergebnis erhält man annähernd aus Bild 2.2.5-130. Nach BlmSchV ergibt sich qA = 13,1 %. Luftzahl λ = 1,38. Zulässige Emissionen von Staub, Ruß, SO2 s. Abschnitt 1.9 und 2.2.5-2.3.5. Die Unterschiede im Kesselwirkungsgrad bei Nennleistung moderner NT-Kessel sind bei den verschiedenen Herstellern verhältnismäßig gering; sie betragen bei modernen Kesseln deutlich über 90 %. Durchführung der Messung regelt EN 303. 2.2.5-2.7.6

Nutzungsgrad

Die nach VDI 2067 ermittelten Jahresnutzungsgrade werden durch die jeweiligen kesselspezifischen Größen, wie Kesselwirkungsgrade ηk bei Nennlast und den Betriebsbereitschaftsverlust qB, sowie durch die Betriebszeit und die sogenannten Vollbenutzungsstunden rechnerisch bestimmt. Teillast-Nutzungsgrade ηϕ, siehe Bild 2.2.5-135, sind nicht Gegenstand der VDI 2067. Eine reproduzierbare und für Vergleichszwecke geeignete Messgröße für die energetische Effizienz von Heizkesseln bildet der Normnutzungsgrad ηN nach DIN 4702-8.2) QH jährlich abgegebenen Heizwärme Norm-Nutzungsgrad ηN = ---------------------------------------------------------------------------------------- = ------QF jährlich zugeführte Feuerungswärme 1) 2)

Lillich, K.-H.: Ges.-Ing. (1986), Nr. 3, S. 141ff. Bach, H.: HLH (1988), Nr. 2, S. 53–55. DIN 4702-8 „Heizkessel. Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades und -Emissionsfaktors“, 03-1990. Höbel, R.; Oehler, H.; Schlapmann, D.: HLH (1988), Nr. 3, S. 107–111. Bechtem, L.; Schlapmann, D.: HLH (1988), Nr. 7. S. 339–341. Plate, J.: SBZ (1993), Nr. 4.

2.2.5 Erzeugung

1023

Der jährliche Wärmebedarf und damit die abgegebene Heizwärme hängt ab von der Häufigkeitsverteilung der Außentemperatur. Zur Vereinfachung bezieht sich die Norm auf den Mittelwert von 10 deutschen Großstädten. Dafür ist in Bild 2.2.5-133 der Wärmebedarf = Kesselbelastung (relative Kesselleistung) über der Zahl der Heiztage dargestellt. Da die Vollbenutzungsstundenzahl dieser Kurve mit 2789 h gegenüber bekannten Werten zu hoch ist, wird in der Norm eine Reduzierung der Kesselbelastung durch innere Wärmequellen und Nachtabsenkung vorgenommen. Die modifizierte Häufigkeitsverteilung (Bild 2.2.5-134) hat die realistische Vollbenutzungsstundenzahl 1838 h.

2 Bild 2.2.5-133. Summenhäufigkeit der Außentemperatur und Kesselbelastung, gemittelt für 10 deutsche Städte.

Bild 2.2.5-134. Modifizierte Summenhäufigkeit der Kesselbelastung gem. DIN 4702-8.

Die Norm ersetzt diese Kurve durch 5 flächengleiche Rechtecke, um die Messung des Kessel-Teillastnutzungsgrades und die Berechnung des Norm-Nutzungsgrades zu vereinfachen. Die Normdaten der 5 Rechtecke sind in Bild 2.2.5-134 auch zahlenmäßig angegeben. Mit dieser Vereinfachung berechnet sich der QH Σ51 Q· H ⋅ ϕi ⋅ Zi 5 = ------------------------------------- = -------------------Norm-Nutzungsgrad ηN = ------5 5 · QF QH ⋅ ϕi ⋅ Zi 1  ------------------------- --------i=1

η ϕ ,i

i=1

η ϕ ,i

Dabei bedeuten · Q H = Nennwärmeleistung des Kessels in kW ϕi = Relative Kesselleistung (Belastung) in % bei der Belastung i Zi = Anzahl der Heiztage bei der Belastung i ηϕ ,i = Teillast-Nutzungsgrad in % bei der Belastung i. Nach DIN 4702-8 wird der Norm-Nutzungsgrad bei den Nennleistungs-Auslegungstemperaturen 75/60 °C und 40/30 °C ermittelt. Bild 2.2.5-135 zeigt das Ergebnis einer Messreihe an einem Gas-Brennwertkessel mit modulierendem Brenner in graphischer Darstellung. Abweichend von der Norm wurde der Teillast-Nutzungsgrad auch mit der Auslegungstemperatur 90/70 °C gemessen. In der nachfolgenden Tabelle ist das Berechnungsergebnis für die Auslegung 75/60 °C dargestellt.

1024

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Auslegungstemperatur 75/60 °C HeizkreisBelastung

Heizmitteltemperaturen

Tagesnutzungsgrad

Rechenwert

ϕ HK [%]

t VL/t RL [°C]

[%]

ηi

1/ηi [1/%]

13

27,0/25,0

109,5

0,009132

30

37,0/32,0

108,4

0,009225

39

42,0/36,0

107,2

0,009328

48

46,0/39,0

105,7

0,009461

63

55,0/45,0

103,0

0,009708 Σ= 0,046854

5 Norm-Nutzungsgrad ηN = ---------------------- = 106,7 % 0 ,046854 Es wurden gemessen (nach DIN 4702 T8) bei Auslegungstemperatur für 90/70 °C ηN = 103,8 %, für 75/60 °C ηN = 106,7%, für 40/30 °C ηN = 109,0 %. In DIN 4702 T8 wird auch ein Norm-Emissionsfaktor definiert, der ebenfalls bei den vorgenannten 5 Normkesselbelastungen ermittelt wird, und es gilt 1 EN = -- ⋅ 5

5

 e i in mg/kWh i=1

wobei ei = Teillast-Emissionsfaktor in mg/kWh bei Belastung i.

Bild 2.2.5-135. Gemessene Teillast-Nutzungsgrade an einem Gas-Brennwertkessel.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-3

Wärmepumpe

2.2.5-3.1

Allgemeines

1025

Wärme ist in der Wahrnehmung der meisten Menschen eher ein Gefühl als ein messbarer Wert. Einen sonnigen Sommertag oder ein geheiztes Haus im Winter empfindet der Mensch als warm, das Gegenteil wird als kalt beschrieben. Physikalisch ist diese Sichtweise nicht korrekt, denn bis zum absoluten Nullpunkt (0 K = –273,15 °C) enthält Materie noch Wärmeenergie. Mit Wärmepumpen ist es möglich, diese Energie auf ein für die Gebäudebeheizung und Trinkwassererwärmung nutzbares Temperaturniveau zu heben. Dazu benötigen sie Zusatzenergie für ihren Antrieb. Bis heute ist Strom die vorherrschende Antriebsenergie für den Verdichter. In größeren Leistungsbereichen werden aber seit etwa 30 Jahren auch gasbetriebene Verbrennungsmotoren verwendet, deren Wärme aus den Abgasen ebenfalls in die Wärmeversorgung eingekoppelt wird.

2.2.5-3.2

Elektrowärmepumpe

2.2.5-3.2.1

Heizen mit Wärmepumpen1)

2.2.5-3.2.1.1

Allgemeines

Das Grundprinzip der elektrisch betriebenen Wärmepumpe ist Wärme durch Verdampfung bei relativ niedriger Temperatur aufzunehmen und auf einem höheren Temperaturniveau durch Kondensation wieder abzugeben. Da diese Phasenübergänge bei gleichbleibenden Druck aber ohne Temperaturänderung (isotherm) erfolgen würden, muss der Druck mit Hilfe von mechanischer Energie erhöht werden, um ein höheres Temperaturniveau erreichen zu können.

Bild 2.2.5-136. Funktionsprinzip der Elektrowärmepumpe: Das Kältemittel verdampft bei niedrigen Temperaturen und nimmt dabei Wärme auf. Das Verdichten erhöht die Temperatur des Dampfes und durch Kondensation wird die Wärme wieder abgegeben. (Viessmann)

Als primäre Wärmequelle nutzen Elektrowärmepumpen überwiegend Wärme aus der Außenluft, dem Erdreich oder Grundwasser (Bild 2.2.7-16). Eine Wärmepumpe kann aber auch zum Beispiel ungenutzte Abwärme aus industriellen Produktionsprozessen sinnvoll verwerten.

1)

Göricke, P.; Rink, Th.: Wärmetechn. (1982), Nr. 1, S. 16. Rostek, H. A.: HLH (1982), Nr. 3, S. 97–101. Argebau: Wärmepumpen-Richtlinien 10.83. Test-Sonderheft Heizwärmepumpen (1983), Nr. 3. Liebermann, W.: Ki (1984), Nr. 4, S. 145–148. Jelonnek, K.: ETA (1984), Nr. 5, S. A156–A161. Pielke, R.: KKT (1984), Nr. 10, S. 510. Haarmann, N. A.: Ki (1985), Nr. 1, S. 17–22. Marx, K.; Lang, R.: IKZ-Haustechnik (2002), Nr. 21, S. 38ff.; (2002), Nr. 22, S. 44ff. Frehn, B.: IKZ-Haustechnik (2000), Nr. 10, S. 118ff. Kölbl, J.; Wagner, S.: Moderne Gebäudetechnik (2003), Nr. 6, S. 8ff.

2

1026

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-137. Übliche Wärmequellen bei einer Wärmepumpenheizung für Wohngebäude.

a) Luft/Wasser-Wärmepumpe1) Luft/Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft Wärmeenergie und nutzen diese zum Heizen und zur Warmwassererwärmung. Ist die Wärmepumpe so konstruiert, dass der Kältekreislauf umgekehrt, die Wärmepumpe also reversibel betrieben werden kann, so kann eine Luft/Wasser-Wärmepumpe im Sommer auch zum Kühlen der Räume eingesetzt werden. Außenluft als Wärmequelle kann einfach, ohne großen baulichen Aufwand und nahezu überall erschlossen werden. Hierfür sind keine Genehmigungen erforderlich. Allerdings sind baurechtliche Vorschriften hinsichtlich des Lärmschutzes zu beachten. Luft/Wasser-Wärmepumpen können sowohl außen als auch innen aufgestellt werden. Luft/Wasser-Wärmpumpen sind ganzjährig einsetzbar. Solange die Außentemperatur höher als die Siedetemperatur des verwendeten Kältemittels ist, ist ein Wärmeentzug möglich, also auch bei Außentemperaturen weit unter 0 °C. Allerdings wird mit sinkender Außentemperatur der Wirkungsgrad kleiner. Neuentwickelte Luft/Wasser-Wärmepumpen mit drehzahlgeregeltem Verdichter, auch als Inverter Verdichter bezeichnet, verbessern den Wirkungsgrad durch eine genauere Leistungsanpassung an den Bedarf. Da der Wirkungsgrad mit fallender Außentemperatur geringer wird, sollte die Heizungsanlage mit möglichst geringer Verflüssigungs- bzw. Heizmitteltemperatur betrieben werden (Niedertemperaturheizung, besonders Fußbodenheizung). Ein Kennlinienfeld einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zeigt Bild 2.2.5-138. Beispiel: Bei 35 °C Wassertemperatur und +2 °C Außenlufttemperatur hat die Wärmepumpe eine Heizleistung von 8,09 kW. Die Leistungsaufnahme von Verdichter und Ventilator beträgt 2,14 kW. Daraus ergibt sich eine Leistungszahl von εw = 8,09/2,14 = 3,78. Man begrenzt in vielen Fällen, vor allem beim Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe im Bestandsgebäude, die Leistung der Wärmepumpe derart, dass der Wärmebedarf nur bis zu einer Außentemperatur von etwa –5 °C gedeckt wird. Bei tieferen Temperaturen wird dann eine zusätzliche Heizquelle benötigt, meistens eine in die Wärmepumpe integrierte Elektro-Heizpatrone. Anlagen, die mit zwei Energieträgern heizen, heißen bivalente Heizungen. Die Außentemperatur, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe gerade noch den ganzen Wärmebedarf deckt, heißt Gleichgewichts-, Abschalt-, Bivalenz- oder Einsatzpunkt. Die Umschaltung zwischen den Wärmeerzeugern erfolgt in der Regel automatisch. Wenn nur ein Energieträger verwendet wird, liegt monovalenter Betrieb vor. Im allgemeinen Sprachgebrauch meint man damit meist, dass außer der Wärmepumpe kein zusätzlicher Wärmeerzeuger eingesetzt wird. Wie aus der Kurve der Temperaturhäufigkeit (Jahresdauerlinie, Bild 2.2.5-139) hervorgeht, ist die Zahl der Tage unter 3 °C etwa 90, und der Wärmebedarf für diese Zeit beträgt im Mittel 50% des gesamten jährlichen Wärmebedarfes, wenn man 20 °C Außentemperatur als Heizgrenze ansetzt (wenn Heizgrenze bei 15 °C: ca. 65 %). 1)

Hering, H. J.: Öl + Gasfg. (1978), Nr. 5 bis 8. Fox, U.; Schneider, W.: HLH (1978), Nr. 8, S. 299–301. Kamm, K.: Ki (1980), Nr. 3, S. 105–109. Hadenfeld, A.: ETA (1981), Nr. 5, S. A263–A267.

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-138. Kennlinien einer Luft/ Wasser-Wärmepumpe.

Bild 2.2.5-139. Bivalente Wärmebedarfsdeckung durch Wärmepumpe. a) im Alternativbetrieb b) im Parallelbetrieb. *) Die Verwendung der Temperatur-Häufigkeitskurve zur gleichzeitigen Darstellung des Wärmebedarfs setzt voraus, dass der Wärmebedarf mit fallender Außentemperatur stetig linear ansteigt.

Die Wärmepumpe kann unterhalb des Gleichgewichtspunktes entweder parallel mit der Zusatzheizung betrieben werden (Betrieb = bivalent parallel gem. Bild 2.2.5-139b), oder sie wird ausgeschaltet, so dass die konventionelle Heizung den gesamten Wärmebedarf deckt (Betrieb = bivalent alternativ gem. Bild 2.2.5-139a). Es bestehen also folgende Möglichkeiten für den Betrieb: Monovalent ohne einen zweiten Energieträger ist relativ teuer, da die Wärmepumpe für · volle Heizleistung Q c bemessen werden muss. Monoenergetisch. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe arbeitet bis zu einer Außentemperatur von –20 °C mit Außenluft. Bei Unterschreitung des Bivalenzpunktes schaltet eine integrierte elektrische Zusatzheizung ein. Bivalent im Alternativbetrieb (Bild 2.2.5-139a). Aufteilung des Jahresenergiebedarfs konventionelle Heizung: Wärmepumpe ≈ 50:50 %. Wärmepumpe läuft nur oberhalb des Einsatzpunktes. Sie ist nie gleichzeitig mit der konventionellen Heizung · · in Betrieb. Elektrische Anschlussleistung der Wärmepumpe P ≈ 0,25 · Q N, da εw = Q /P ≈ 4. Oberhalb des Einsatzpunktes von· 3 °C Außentemperatur läuft WP getaktet mit Teillast. Heiz· kesselleistung ist für 100 % Q max auszulegen (Q N ist der Wärmebedarf im Einsatzpunkt). Bivalent im Parallelbetrieb (Bild 2.2.5-139b). Heute übliche Betriebsart für Luft/WasserWärmepumpen. Auslegung der Wärmepumpe erfolgt für die Abdeckung der Heizlast bei –5 °C Außentemperatur. Die Wärmepumpe deckt dann 50 % der Heizlast am NormAuslegungspunkt ab, verrichtet aber rund 95 % der Jahresheizarbeit (siehe DIN 470110). Die Wärmepumpe benötigt eine automatische Abtauvorrichtung.

1027

2

1028

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bei eingeschränktem Heizungsbetrieb (nachts oder an Wochenenden) ändern sich die Wärmebedarfskurven. In diesen Fällen muss eine gesonderte Berechnung des Wärmebedarfs erfolgen. Eine Kompakt-Wärmepumpe nach dem Luft/Wasser-System zeigt das Schema Bild 2.2.5-140. Außenluft wird von einem Ventilator angesaugt, im Verdampfer entwärmt und in einiger Entfernung wieder ins Freie geblasen. Der Kältemitteldampf wird im Verflüssiger verflüssigt und die Verflüssigerwärme an das Heizwasser übertragen. Ansicht einer derartigen Wärmepumpe für Innenaufstellung in Bild 2.2.5-141. Wenn die großen Luftquerschnitte für den Verdampfer im Gebäude nicht zu realisieren sind, muss der Verdampfer im Freien angeordnet werden. Hierzu kann das ganze Kompaktgerät benutzt werden, wenn es witterungsbeständig ausgeführt und nach Herstellerangabe für Aufstellung im Freien geeignet ist. Anderenfalls muss eine sogenannte SplitAusführung gewählt werden mit Verdampfer im Freien, Verflüssiger im Heizungsraum, Verdichter und sonstiges Zubehör entweder mit Verdampfer oder mit Verflüssiger in einem Gehäuse zusammengebaut. Zwischen Innen- und Außenteil müssen Kältemittelleitungen verlegt werden (beachte Abschnitt 5.5.6), häufig als vorgefertigte, schon mit Kältemittel gefüllte und mit Schnellkupplungen versehene Schlauchleitungen. Verbindung von Wärmepumpe und Heizkessel im bivalenten Betrieb nach Bild 2.2.5-142 entweder parallel oder in Serie. Parallelschaltung bei bivalent-alternativem Betrieb, Heizwasser zirkuliert entweder nur durch Wärmepumpe oder nur durch Kessel. Serienschaltung bei bivalent-parallelem Betrieb, da nur so die Wärmeabgabe der Wärmepumpe vorrangig voll ausgenutzt wird. Dabei muss die Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe unter der vom Hersteller angegebenen Grenze – meistens etwa 55 °C – bleiben, da sonst Störungsabschaltung über Druckbegrenzer erfolgt.

Bild 2.2.5-140. Schema einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Rechts: Einbau der Wärmepumpe in einer Kellernische

Bild 2.2.5-141. Luft/WasserWärmepumpe mit Scroll-Verdichter (Stiebel Eltron).

2.2.5 Erzeugung

1029

Bild 2.2.5-142. Luft/Wasser-Wärmepumpe. Links: Kessel und Wärmepumpe in Serie; rechts: Kessel und Wärmepumpe parallelgeschaltet

b) Luft/Luft-Wärmepumpe1) Hierzu gehören vor allem so genannte Fenster- und Raumklimageräte mit Wärmepumpen-Heizbetrieb. Reine Luft/Luft-Heizwärmepumpen sind in Deutschland selten, da Luftheizungen hier nicht üblich sind. Betrieb meist bivalent (parallel oder alternativ) mit Einsatzpunkt bei etwa +3 °C. Kompaktgeräte und Splitgeräte sind meistens vorwiegend für Kühlbetrieb im Sommer vorgesehen. Betriebliches Verhalten s. Bild 2.2.5-143. Die Wärmepumpe deckt den Wärmebedarf bis zu einer Außentemperatur von etwa 5 °C. Darunter ist bei dauernd laufender Wärmepumpe zusätzliche Heizleistung erforderlich.

Bild 2.2.5-143. Betriebsverhalten einer Luft/Luft-Wärmepumpe. a)Temperaturen für Luft, Verflüssiger und Verdampfer b)Gleichgewichtspunktc)Leistungszahl

c) Wasser/Wasser-Wärmepumpen2) Mit Grundwasser als Wärmequelle kann in der Regel der volle Wärmebedarf am kältesten Tag gedeckt werden, zusätzliche Heizeinrichtungen sind dann nicht erforderlich. Mit hohen Leistungszahlen bei Niedertemperatur-Heizsystemen sind hier die größten Vorteile gegenüber konventionellen Heizungen zu erwarten. Voraussetzung ist allerdings, dass Grundwasser mit vertretbarem Aufwand erschlossen werden kann und die Entnahme behördlich genehmigt wird. Ausführung der Wärmepumpe fast nur als Kompaktgerät.

1) 2)

Thiemann, A.: TAB (2003), Nr. 5, S. 47ff. Specht, O.: ETA (1978), Nr. 2, S. A101–A104. Kuhrwall, H.: Wärmepumpentechnologie III (1979), S. 42–48. Schneider, H.: CCI (1981), Nr. 3, S. 63 (Brunnen). Fox, F.: HLH (1986), Nr. 1, S. 16–18.

2

1030

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

See- und Flusswasser als Wärmequelle sind meist nur bei größeren öffentlich geförderten Objekten wirtschaftlich möglich. Ferner besteht die Möglichkeit, das zur Beheizung nötige Grundwasser den einzelnen Häusern von einer zentralen Brunnenanlage zu liefern. Das Wasser gelangt mit einer Temperatur von etwa 10 °C über ein Rohrnetz zu den Wärmepumpen der Häuser, wo es um etwa 5 K abgekühlt wird, und dann wieder über den Rücklauf zum Schluckbrunnen strömt (Bild 2.2.5-144).1)

Bild 2.2.5-144. Grundwasser/Wasser-Wärmepumpenanlage für eine Wohnsiedlung.

Bei einem anderen System wird das Heizwasser in einer zentralen Wärmepumpenanlage erwärmt und dann den Häusern wie in einer Fernheizung durch ein wärmegedämmtes Rohrnetz zugeführt. Kalte Fernwärme nutzt die Abwärme bei der Stromerzeugung. Kondensatorwasser mit 25…30 °C steht ganzjährig zur Verfügung. d) Sole/Wasser-Wärmepumpen2) Diese Bauart dient zur Erschließung der Wärmequellen Erdreich und Umwelt (Erdreichkollektoren, Erdsonden). Die zirkulierende Sole, meistens Glycollösung, durchströmt den Verdampfer der Wärmepumpe und gibt hier die aus der Wärmequelle aufgenommene Wärme ab. Ausführung der Wärmepumpe fast nur als Kompaktgerät. Erdreich wird im Winter kälter als Grundwasser, die für den Sole-Zwischenkreislauf erforderliche zusätzliche Temperaturdifferenz drückt die Verdampfungstemperatur noch weiter nach unten. Die Deckung des vollen Wärmebedarfs ist möglich und sinnvoll, der Verdichter wird aber größer und die mittlere Leistungszahl etwas geringer als bei Grundwasser als Wärmequelle. Bei Nutzung der Umweltenergie über Absorberflächen spielt die Sonnenenergie die wesentliche Rolle. Bei fehlender Sonnenstrahlung ist praktisch nur der Wärmeinhalt der Außenluft nutzbar, wie bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, jedoch mit um die Temperaturdifferenz des Sole-Zwischenkreislaufes tieferer Verdampfungstemperatur. Deshalb Zusatzheizung, bivalenter Betrieb, erforderlich. Als Alternative zur Wärmequellenerschließung mittels Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren bietet sich seit kurzem der so genannte Eisspeicher an. Dabei handelt es sich um einen Primärquellen-Pufferspeicher, in dem Wärme aus der Umgebungsluft, der solaren Strahlung und dem Erdreich für die Nutzung durch eine Sole/Wasser-Wärmepumpe bevorratet wird, siehe Bild 2.2.5-145. Der Speicherbehälter wird mit unbehandeltem Leitungswasser gefüllt und im Erdreich eingegraben. Da keine tiefen Bohrungen für Erdwärmesonden gesetzt werden und der Inhalt für das Grundwasser völlig unbedenklich ist, kann der Eisspeicher ohne behördliche Genehmigung installiert und betrieben werden. Ein Wärmetauscher aus Kunststoffrohr überträgt die Wärme aus der Außenluft und die solare Strahlungswärme auf den Speicherinhalt. Erdwärme gelangt über die Behälterwand in das Innere. Über einen zweiten Wärmetauscher entzieht die Wärmepumpe die Energie zum Heizen und zur Trinkwassererwärmung. Reicht die Energiezufuhr aus der

1) 2)

SHT (1980), Nr. 9/10, S. 739. Fischer, M.: ETA (1985), Nr. 5, S. A163–A171. Ruhm, D.: SHT (1980), Nr. 3, S. 177–182. Schinke, H.; Mostofizadeh, C.: HLH (1981), Nr. 3, S. 108–114. Kraneburg, P.: HR (1984), Nr. 5, S. 279. Kranter, J.: HR (1988), Nr. 10, S. 386.

2.2.5 Erzeugung

1031

Umgebung nicht aus, um den Wärmebedarf zu decken, wird dem Eisspeicher die energie nach und nach entzogen und der Inhalt bis zum Gefrierpunkt abgekühlt. Die bei weiterer Wärmeentnahme entstehende Vereisung ist gewollt, denn der Phasenwechsel von Wasser zu Eis bringt einen weiteren Energiegewinn (deshalb der Name Eisspeicher). Beim Vereisungsprozess werden 93 Wh/(kg K) Kristallisationsenergie von der Wärmepumpe entzogen und zum Heizen genutzt. Der zusätzliche Energiegewinn entspricht bei einem Speicherinhalt von zum Beispiel 10 Kubikmetern dem Energieinhalt von rund 100 Litern Heizöl. Mit steigenden Temperaturen und zunehmender Sonneneinstrahlung erfolgt die Regeneration des Speicherinhalts.

2

Bild 2.2.5-145. Prinzipieller Aufbau einer Wärmepumpenanlage mit Eisspeicher. (Viessmann)

2.2.5-3.2.2

Kühlen mit Wärmepumpen1)

Der Markt bietet neben reinen Trinkwasser- und/oder Heizungswärmepumpen auch eine Vielzahl von Kombigeräten zur zusätzlichen, kontrollierten Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung oder zur Kühlung von Gebäuden. Bei der Gebäudekühlung mit Wärmepumpen wird zwischen passiver und aktiver Kühlung unterschieden. Den Hauptunterschied beider Systeme stellt dabei der Betrieb mit Verdichter (aktiv) bzw. ohne Verdichter (passiv) dar. Die passive Kühlung eignet sich bei Wärmepumpen, die Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle nutzen. Die Wärmeübertragung erfolgt z. B. aus dem Gebäude ins Erdreich. Das Erdreich, das der Sole/Wasser-Wärmepumpen als Wärmequelle dient, hat in Tiefen von mehr als 8 m ganzjährig eine Temperatur von etwa 9 bis 10 °C. Damit ist es nicht nur während der Heizsaison eine hervorragende Wärmequelle, sondern auch im Sommer ein ausgezeichnetes „Kältereservoir“, so dass die Wärmequellenanlage im Sommer zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden kann. Dabei wird die den Räumen über die Heiz- bzw. Kühlflächen entzogene Wärme mittels eines zusätzlichen Plattenwärmeübertragers auf den Solekreislauf übertragen. Die Sole gibt die Wärme anschließend über die Erdwärmesonde an das Erdreich ab. Die Temperatur der Sole, die aus dem Erdreich in die Wärmepumpe eintritt, liegt bei etwa 15 °C. Damit lassen sich Kaltwassertemperaturen von etwa 17 °C oder mehr erreichen, mit denen das Wasser des Heiz- bzw. Kühlkreises dann den Raumkühlflächen zugeführt wird. Der Verdichter ist dabei nicht in Betrieb und die Kühlung erfolgt passiv. 1)

Für die 77. Ausgabe neu erstellt von Dipl.-Ing. Uta Krone, Berlin

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Um Kühlen zu können, wird lediglich ein zusätzlicher Plattenwärmeübertrager sowie ein soleseitiges Umschaltventil benötigt. Mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe ist die passive Kühlung aufgrund der geringen Erdreichtemperatur oft ausreichend. Bei Wärmepumpen, die als natürliche Wärmequelle die Außenluft nutzen, ist nur die aktive Kühlung möglich, da im Sommer die Wärmequellentemperatur über der erforderlichen Kühltemperatur liegt. Zur Realisierung der aktiven Kühlung muss die Wärmepumpe über einen reversierbaren Kältekreislauf verfügen, Wärmequelle und Wärmesenke werden hierbei getauscht. Die richtigen Kühlflächen Als Raumkühlflächen für Wärmepumpen kommen beispielsweise Gebläsekonvektoren, Fußbodenheizung/-kühlungssysteme oder eine Wandflächenheizung/-kühlung in Frage. Gebläsekonvektoren haben gegenüber den Flächensystemen den Vorteil, dass eine Unterschreitung der Taupunkttemperatur kein Problem darstellt, da eine Kondensatwasserabfuhr vorhanden ist. Die Kaltwassertemperatur muss so nicht nach unten begrenzt werden. Bei der Kühlung über die Wand- oder Fußbodenfläche muss eine Unterschreitung des Taupunkts vermieden werden. Zur Vermeidung von Kondensatbildung auf Kühlflächen kann ein Raumtemperatur- und Raumfeuchtefühler eingesetzt werden. Der Wärmepumpenregler kann auf dieser Basis die minimal zulässige Kaltwassertemperatur berechnen. Des Weiteren ist auf eine absolut diffusionsdichte Ausführung der Rohrleitungen, Ventile und sonstigen Armaturen zu achten, um mögliche Kondensschäden zu vermeiden. 2.2.5-3.2.3 KÖPFE recknagel-online.de

Anwendungsfall Schwimmbäder

a) Hallenbäder1) In der Vergangenheit waren Schwimmhallen mit typischen Schwimmerbecken ausgestattet. In einigen Fällen war dazu ein Nichtschwimmer Becken oder gar ein Sprungbecken vorhanden. In der heutigen Zeit sind viele Schwimmhallen mit umfangreichen Wasserattraktionen und Rutschen ausgestattet. Die Wasserattraktionen erhöhen die verdunstende Wassermenge in der Schwimmhalle in nicht unerheblicher Weise. Das verdunstete Wasser gelangt in Form von Wasserdampf in die Luft und erhöht somit den absoluten Wassergehalt der Schwimmhallenluft. Eine Zunahme des absoluten Wassergehaltes in der Schwimmhallenluft auf Werte über 14,3 g/kg erhöht die Wahrscheinlichkeit einer möglichen Taupunktunterschreitung und damit das Risiko der Kondensatbildung an Gebäudeteilen. Überschreitet der absolute Wassergehalt die 14,3 g/kg Marke, so überschreitet der absolute Wassergehalt zudem die Schwülegrenze für uns Menschen und wir beginnen uns unbehaglich zu fühlen. Damit die Schwimmhalle vor möglichen Bauschäden durch Kondensat geschützt wird und der Aufenthalt in der Schwimmhalle für uns Menschen angenehm wird, muss die Feuchtigkeit aus der Schwimmhalle abgeführt werden. In der Vergangenheit wurden dazu sehr häufig Systeme eingesetzt, die einen Teil der Luft aus der Schwimmhalle über einen Verdampfer geführt haben. Hierbei wurde die Luft bis unter den Taupunkt abgekühlt. Das Kondensat wurde aus dem Gerät geleitet. Die so gekühlte und getrocknete Luft wurde im Kondensator wieder erwärmt und der Schwimmhalle wieder zugeführt. In Kombination der Wärmepumpe mit einem Rekuperator können so niedrige elektrische Leistungsaufnahmen für die Trocknung der Schwimmhallenluft realisiert werden. Ein weiteres Verfahren zur Trocknung der Schwimmhallen Luft besteht darin, die in der Regel trockenere Außenluft in die Schwimmhalle zu fördern und die feuchte Schwimmhallenluft aus der Halle zu entfernen. Diese Funktion wird durch Geräte mit einem Rekuperator erfüllt. Dabei wird die warme und feuchte Abluft aus der Schwimmhalle über den einen Weg des Rekuperators geführt, die trockene und in der Regel kältere Außenluft über den zweiten Weg des Rekuperators. Dabei werden die sensible und auch ein Teil der latenten Wärme der Abluft über die Trennflächen des Rekuperators auf die Außenluft übertragen. Der Rekuperator überträgt dabei keine Feuchtigkeit von der Abluft auf die Außenluft. Der Lüftungswärmebedarf kann so sehr klein gehalten werden. Mit einer Wärmepumpe kann zusätzlich in der Fortluft gespeicherte Energie entzogen werden und über einen luftgekühlten Kondensator in die Zuluft abgegeben werden.

1)

Überarbeitet für die 77. Aufllage von Dipl.-Ing. (FH) Christian Zywicki.

2.2.5 Erzeugung

1033

Die Entfeuchtung der Schwimmhalle mit Außenluft ist für öffentliche Bäder im Badebetrieb nach VDI 2089 bindend. Im Ruhebetrieb kann die Schwimmhalle wahlweise mit Außenluft oder auch mit einer entsprechend dimensionierten Wärmepumpe im Umluftbetrieb entfeuchtet werden.

2 Bild 2.2.5-146. Schema eines Schwimmbadentfeuchtungsgerätes mit Rekuperator und Wärmepumpe bei der Entfeuchtung mit Außenluft.

2.2.5-3.3

Brennstoffbetriebene Wärmepumpe Überarbeitet von Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska, Dresden

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2.2.5-3.3.1

Allgemeines

Die brennstoffbetriebenen Wärmepumpen können grundsätzlich, wie in Bild 2.2.5-147 dargestellt, in zwei technische Prinzipien: Kompressions- und Sorptions-Wärmepumpen unterteilt werden. Bei beiden Prinzipien wird einer Wärmequelle Umgebungswärme mittels Verdampfer entzogen. Diese steht nach Drückerhöhung anschließend im Verflüssiger zur Einspeisung in ein Wärmenetz auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung. Zur Aufnahme und Abgabe von Wärme wird kontinuierlich der Aggregatzustand des Kältemittels geändert.

Bild 2.2.5-147. Einteilung von brennstoffbetriebenen Wärmepumpen

Der Unterschied zwischen beiden Technologieprinzipien liegt in der Art der Verdichtung. Bei den Kompressions-Wärmepumpen kommt ein mechanischer Kompressor, der über einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, zum Einsatz. Bei Sorptions-Wärmepumpen findet eine thermische Verdichtung über Sorption und Desorption statt. Die Sorptions-Wärmepumpen werden weiterhin nach Art des Prozesses in Absorptionsund Adsorptions-Wärmepumpen unterschieden.

1034

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Die brennstoffbetriebenen Wärmepumpen werden derzeit (Stand 01/2016) als MotorGaswärmepumpen, Adsorptions-Gaswärmepumpen und Absorptions-Gaswärmepumpen für den Betrieb mit Erdgas gegebenenfalls mit biogenen Anteilen bzw. Flüssiggas ausgeführt. Heizöl als Brennstoff ist technisch auch möglich. Bis jetzt sind jedoch keine ölbetriebenen Wärmepumpen marktverfügbar, entsprechende Entwicklungsaktivitäten finden allerdings statt. Es kann davon ausgegangen werden, dass ölbetriebene Wärmepumpen ebenfalls Marktreife erlangen, wenn sich die gasbetriebenen Wärmepumpen (GWP) als Nachfolger der Brennwerttechnik auf dem Wärmemarkt etablieren. Ein Gaswärmepumpensystem besteht hauptsächlich aus der Gaswärmepumpe, der Wärmequelle, dem Warmwasserspeicher (falls die GWP zur Warmwasserbereitung eingesetzt wird) sowie dem Regelungs- und Abgassystem. Die Sorptions-Gaswärmepumpen greifen wie die meisten konventionellen Anlagensysteme auf die bewährten Regelsysteme zu. Sie werden überwiegend mit der witterungsgeführten Regelung (außentemperaturgeführten Vorlauftemperaturregelung) kombiniert. Was das Abgassystem anbelangt, so stellen die Sorptions-Gaswärmepumpen keine besonderen Anforderungen: die für die Brennwerttechnik typischen Systeme zur Luft-/Abgasführung können auch bei Gaswärmepumpen eingesetzt werden. Die Nutzung von Umweltwärme kann bei einer Gaswärmepumpe prinzipiell durch Erschließung folgender Wärmequellen erfolgen: – Luft – Erdreich/Grundwasser – Solarstrahlung Die Erschließung von Luft als Wärmequelle ist oft mit dem geringsten technischen und finanziellen Aufwand verbundenen. In vielen Fällen, z. B. bei größeren innerstädtisch gelegenen Bestandsgebäuden mit dichter Bebauungsstruktur ist Luft die einzige sinnvolle bzw. aus technischen Gründen mögliche Lösung. Erdreich als Wärmequelle ist dagegen in der Regel mit höheren Erschließungskosten und höherem technischem Aufwand sowie einem größeren Eingriff auf dem vorhandenen und genutzten Grundstück verbunden. Die Erschließungskosten sind bei den Gaswärmepumpen jedoch deutlich geringer als bei den Elektro-Wärmepumpen. Bei Solarenergie als Wärmequelle greift man auf marktverfügbare und ausgereifte Komponenten zu. Die Wärmequellenerschließung ist nur dann problematisch, wenn keine geeigneten Aufstellflächen verfügbar sind oder vorhandene Flächen aus anderen Gründen, z. B. Denkmalschutz, nicht genutzt werden können. Vorteilhaft bei Solarkollektoren ist die Möglichkeit einer passiven Nutzung der Solarwärme zur Trinkwassererwärmung und gegebenenfalls auch zur Heizungsunterstützung. Nachteilig ist die bei normalen Solarkollektoren vorhandene Wärmedämmung, die eine Nutzung von Umgebungswärme analog zum Luftkollektor in strahlungsarmen Zeiten erschwert. Die Einsatzbereiche von Sorptions-Gaswärmepumpen sind nahezu identisch mit denen von Gas-Brennwertgeräten: Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie Gewerbe. Die marktverfügbaren bzw. sich kurz vor der Markteinführung befindlichen Gaswärmepumpen können sowohl in Neubauten als auch in Bestandsgebäuden eingesetzt werden. Der Einsatzbereich von marktverfügbaren Adsorptions-Wärmepumpen ist aufgrund der Nennleistung auf Ein- bis Zweifamilienhäuser begrenzt. Die im Leistungsbereich zwischen 20 bis ca. 40 kW modulierenden Absorptions-Wärmepumpen (keine AbsorptionsKältemaschinen) decken dagegen den Bedarf von mittelgroßen Mehrfamilienhäusern und Nichtwohngebäuden ab. Bei höheren Leistungen lässt sich die Absorptions-Gaswärmepumpe in Kaskade schalten bzw. mit einem oder mehreren Spitzenlastkesseln ohne Weiteres kombinieren, so dass Anlagen sogar über 300 kW mit den AbsorptionsWärmepumpen realisiert werden können (s. Bild 2.2.5-148). Im deutlich höheren Leistungsbereich (sogar bis 20 MW, Einzelanfertigung) können die Absorptions-Kälteanlagen auch als Wärmepumpen genutzt werden, wobei sie nicht primär zu Heizzwecken eingebaut werden. Sowohl im kleinem als auch im höheren Leistungsbereich können Sorptions-Gaswärmepumpen mit einer thermischen Solaranlage zur Unterstützung der Warmwasserbereitung kombiniert werden. Für die optimale Betriebsweise der Sorptions-Gaswärmepumpe wird von Herstellern der Einsatz bei hydraulisch abgeglichenen Niedertemperatur-Heizkreisen (Vorlauftemperatur < 40 °C) z. B. in Verbindung mit Flächenheizung empfohlen. Höhere Vorlauftemperaturen bis max. 70 °C in Verbindung mit freien Heizflächen (Radiatoren) sind jedoch

2.2.5 Erzeugung

1035

auch möglich. Damit ist im Sanierungsfall ein Heizflächenaustausch nicht zwingend erforderlich, die vorhandenen Heizkörper können weiter genutzt werden. Der hydraulische Abgleich sollte im Rahmen einer Heizungsmodernisierung jedoch erfolgen.

2 Bild 2.2.5-148. Hydraulisches Systembeispiel mit zwei in Kaskade geschalteten GasabsorptionsWärmepumpen in Kombination mit einem Spitzenlastkessel (Buderus, Logatherm GWPS)

Im kleinen Leistungsbereich (Ein- bis Zweifamilienhäuser) ist kein Pufferspeicher erforderlich. Im höheren Leistungsbereich werden die Gaswärmepumpen in der Regel auch ohne Pufferspeicher eingebaut. Die Kombination mit einem Pufferspeicher kann jedoch in einem konkreten Auslegungsfall erforderlich sein. Die energetische Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpen erfolgt in Deutschland vor allem nach VDI 4650 Blatt 2 – „Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen“. Die VDI 4650 Blatt 2:2013-01 weist zur energetischen Bewertung von Sorptions-Gaswärmepumpenanlagen zwei Größen aus: den Jahresnutzungsgrad und die Jahresheizzahl einer Gaswärmepumpe. Der Jahresnutzungsgrad einer Gaswärmepumpe entspricht dem Verhältnis der im Jahr abgegebenen Nutzwärme (Heizung und/oder Warmwasser) bezogen auf die heizwertbezogene Brennstoffenergie. Dieser soll einen direkten Vergleich mit Heizkesseln ermöglichen. Die Jahresheizzahl einer Gaswärmepumpe ist das Verhältnis der im Jahr abgegebenen Nutzwärme (Heizung und/oder Warmwasser) bezogen auf die Summe aus der heizwertbezogenen Brennstoffenergie und der eingesetzten elektrischen Energie. Die Jahresheizzahlen für Gaswärmepumpen entsprechen thermodynamisch den Jahresarbeitszahlen für Elektrowärmepumpen nach VDI 4650 Blatt 1. Der Jahresnutzungsgrad und die Jahresheizzahl werden sowohl für die Raumheizung als auch für die Warmwasserbereitung für jede Gaswärmepumpe als Produktkennwert ermittelt und vom Hersteller angegeben. Je nach Geräteart wird die solare Unterstützung für die Raumheizung und/oder Warmwasserbereitung bei der Berechnung der o. g. Kennzahlen berücksichtigt. Die wirtschaftliche Bewertung von Gaswärmepumpen ist relativ stark von den konkreten Randbedingungen abhängig. Insbesondere bei den Investitionskosten gibt es noch viel Bewegung im jungen Markt. Gaswärmepumpen, wie andere Effizienztechnologien, sind mit höheren Investitionskosten als die preiswerten Gasbrennwertlösungen, auch wenn diese durch Solarthermie ergänzt werden, verbunden. Die Preise bewegen sich auf dem Niveau von Pelletkesseln oder elektrisch betriebenen Sole/Wasser-Wärmepumpen. Die Entwicklungen auf dem Wärmemarkt zeigen jedoch, dass die Marktanteile von Effizienztechnologien in den vergangenen Jahren stetig angestiegen sind. Eine analoge Entwicklung ist bei den Gaswärmepumpen zu erwarten, besonders, wenn aufgrund von steigenden Absatzzahlen die Investitionskosten zukünftig reduziert werden können.

1036

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.5-3.3.2

Absorptions-Wärmepumpen

Bei der Absorptions-Gaswärmepumpe wird das verdampfte Kältemittel in einer Lösung (z. B. Ammoniak/Wasser oder Wasser/Lithiumbromid) absorbiert/aufgenommen. Bild 2.2.5-149 stellt das allgemeine Funktionsprinzip einer Absorptions-Gaswärmepumpe dar. Sie nutzt anstelle eines mechanischen Kompressors, einen thermischen Verdichter, bestehend aus Austreiber, Absorber, Drosselventil und Lösungsmittelpumpe. Das Kältemittel wird im Verdampfer mittels der aufgenommenen Umweltwärme verdampft und in den Absorber geleitet. Dort wird das verdampfte Kältemittel unter Wärmefreisetzung (Absorptionswärme) im Lösungsmittel absorbiert. Die Lösungsmittelpumpe fördert das Kältemittel-/Lösungsmittel-Gemisch zum Austreiber, wo unter Zufuhr der Brennerenergie die Austreibung des Kältemittels aus dem Gemisch erfolgt. Das Kältemittel tritt in den Kondensator ein und wird unter Wärmeabgabe verflüssigt. Anschließend erfolgt eine Entspannung des verflüssigten Kältemittels im Drosselventil und der Prozess fängt mit dem Eintritt des Kältemittels in den Verdampfer erneut an. Der beschriebe Vorgang ist damit ein kontinuierlicher Prozess.

1 2 3 4 5 6

Verdampfer Absorber Lösungsmittelpumpe Austreiber Kondensator Drosselventil

Bild 2.2.5-149. Funktionsprinzip einer Absorptions-Wärmepumpe

Im Leistungsbereich bis ca. 40 kW sind seit 2009 modulierende Absorptions-Wärmepumpen mit Wärmequelle Erdreich, Außenluft und Wasser der italienischen Firma Robur GmbH in Deutschland erhältlich. Der Einsatzbereich dieser Gaswärmepumpen erstreckt sich aufgrund der Heizleistung auf mittelgroße Mehrfamilienhäuser und Nichtwohngebäude. Die Geräte werden mit geringen Anpassungen inzwischen durch andere Heiztechnikanbieter wie z. B. Bosch Thermotechnik GmbH, De Dietrich Remeha GmbH und OERTLI-ROHLEDER Wärmetechnik GmbH in Deutschland vertrieben. Die Bosch Thermotechnik GmbH bietet in der Buderus-Produktpalette seit Herbst 2011 die Absorptions-Gaswärmepumpe Logatherm GWPL41 mit Außenluft als Wärmequelle und seit Herbst 2012 die Logatherm GWPS41 und Logatherm GWPW41 mit Erdreich und Wasser als Wärmequelle an (s. Bild 2.2.5-150 und Bild 2.2.5-151) Die o. g. Absorptions-Wärmepumpen erreichen in Abhängigkeit von der Wärmequelle und der Heiznetztemperatur folgende gemäß VDI 4650 Blatt 2 gemessene Werte: – Jahresnutzungsgrad für die Raumheizung: 1,36 bis 1,58 – Jahresheizzahl für die Raumheizung: 1,30 bis 1,48 Dabei werden erwartungsgemäß bei der Wärmequelle Erdreich und der niedrigen Heiznetztemperaturen höhere Werte erreicht. Für die zuvor genannte Absorptions-Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle ist nur Außenaufstellung möglich. Die Geräte mit Erdreich bzw. Wasser als Wärmequelle können in der Regel sowohl innen als auch außen aufgestellt werden. Aufgrund der Kältemittelfüllmenge (ca. 7 kg) dürfen die Geräte nach DIN EN 378-1 nicht in öffentlichen Bereichen und Wohnbereichen sondern nur in nicht frei zugängigen, verschlossenen Räumen installiert werden.

2.2.5 Erzeugung

1037

2 Bild 2.2.5-150. Schnittbild einer Luft/WasserAbsorptions-Gaswärmepumpe (Buderus, Logatherm GWPL 41)

Bild 2.2.5-151. Schnittbild einer Sole/WasserAbsorptions-Gaswärmepumpe (Buderus, Logatherm GWPS 41)

Für Ende 2016 ist eine Erweiterung der Buderus-Produktpalette um eine AbsorptionsWärmepumpe mit einer Nennwärmeleistung von 18 kW, zwei Wärmequellen (Erdsonde, Außenluft) und einer Innenaufstellung geplant. Für die Variante mit Außenluft als Wärmequelle wird zusätzlich eine Außeneinheit bestehend aus einem Lüfter und Wärmetauscher installiert. Bedingt durch die Nennwärmeleistung und die Möglichkeit eines Betriebes mit Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C kann die GWP als eine Sanierungsvariante in unsanierten Ein- und Zweifamilienhäusern eingesetzt werden. Gleichzeitig ist der Einsatz in neu errichteten bzw. sanierten Mehrfamilienhäusern möglich Auch die überwiegend für industrielle Zwecke genutzten Absorptions-Kälteanlagen lassen sich als Wärmepumpen verwenden.1) Aufbau und Funktion siehe Abschnitt 5.2.3. · Die Nutzwärme Q ist auch hier die Summe aus der am Verflüssiger N · · abgegebenen Wärmemenge QC und der am Absorber abgegebenen Wärmemenge QA. Das Verhältnis von · Nutzwärme zu Heizwärmeverbrauch Q H wird entsprechend den Begrifflichkeiten im Abschnitt 5.2.3-3 als Wärmeverhältnis ζW bezeichnet: · · QC + QA ζ w = -------------------· QH Etwa erreichbare Wärmeverhältnisse in Abhängigkeit von Verdampfungstemperatur to und gewünschter Nutzwärmetemperatur tNp sind in Bild 2.2.5-153 dargestellt,2) die dafür mindestens erforderliche Heizmitteltemperatur beim Austritt aus dem Austreiber zeigt

1)

2)

Siehe auch Abschnitt 5.2.3. DIN 33830 Teile 1 bis 4 „Anschlussfertige Heiz-Absorptionswärmepumpen“, 1988-06. Steimle, F.: 21. Kongreßbericht 1980, S. 16–19. Lotz, R.: 21. Kongreßbericht 1980. S. 20/22. Wärmepumpentechnologie Bd. IV (1979) u. Bd. VI (1980). Schirp, W.: IKZ (1980), Nr. 20, 6 S. Loewer, H.: Ki (1981), Nr. 5, S. 255–262; Ki Extra (1981), Nr. 14 (mit 16 Beiträgen). Lindner, H.: Feuerungstechnik (1981), Nr. 6, S. 42–46. Mühlmann, P.; Wessing, W.: Gas (1982), Nr. 1, S. 24. Bayer, L.: Gas (1982), Nr. 3, S. 148–153. Hensgens, C.: HR (1983), Nr. 9, S. 465–470; (1983), Nr. 10, S. 535. Gazinski, B.: Ki (1984), Nr. 7/8, S. 289–293. Schnitzer, H.: Ki (1987), Nr. 4, S. 195–198. Sippel, T.: Kl (2002), Nr. 12, S. 586ff. Mühlmann et al.: Gaswärme international (1986), Nr. 9, S. 472–478.

1038

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-152. Beachten: Die Prozesstemperatur to liegt mindestens etwa 5 K unter der Austrittstemperatur der Wärmequelle aus dem Verdampfer. Zur genaueren Berechnung kann aus Bild 5.2.3-4 das ideale Wärmeverhältnis ζKC für die unter den gewünschten Bedingungen arbeitende Kältemaschine ermittelt werden. Mit dem Carnotschen Gütegrad ηCK ergibt sich dann das reale Wärmeverhältnis zu

ζ w = ζ KC ⋅ η CK + 1 Beachte: Die Temperaturen sind die des Kreisprozesses, TO ist etwa 5 K tiefer als die Austrittstemperatur der Wärmequelle aus dem Verdampfer, TC ist etwa 5 K höher als die Austrittstemperatur der Nutzwärme aus Verflüssiger und Absorber, TH ist etwa 5 K niedriger als die Austrittstemperatur des Heizmediums aus dem Austreiber. Die mit ζ bezeichnete Primärenergie-Nutzungszahl oder Heizzahl, vgl. Abschnitt 5.2.7, ergibt sich zu

ζ = ηF + ζw wobei ηF den Wirkungsgrad der Feuerung bei direkt beheiztem Austreiber darstellt bzw. den Wirkungsgrad von Heizkessel und Wärmeübertragung, ca. 0,8, bei indirekt beheiztem Austreiber.

Bild 2.2.5-152. Absorptions-Wärmepumpen: Mindestens erforderliche Heizmittel-Austrittstemperatur tH, um bei gegebener Verdampfungstemperatur to eine gewünschte Nutzwärmetemperatur tN zu erreichen.

Bild 2.2.5-153. Absorptions-Wärmepumpen: Etwa erreichbares reales Wärmeverhältnis ζw, Zuordnung der Heizmitteltemperatur tH gemäß Bild 2.2.5-152.

Natürlich kann auch die Kälteleistung alternativ oder gleichzeitig als Nutzleistung verwendet werden, Schaltungsarten siehe Abschnitt 5.6.5. Regelung der Nutzwärmeleistung erfolgt bei kleinen Anlagen nur durch Regelung der Heizwärmezufuhr zum Austreiber, durch stetiges Regelventil oder, bei direkter Befeuerung, durch Ein-/Aus-Betrieb. Bei größeren Anlagen wird zusätzlich stetiges Regelventil im Lösungsmittelkreislauf zur Verbesserung des Teillastverhaltens eingesetzt. Der Vorteil gegenüber der Kompressions-Wärmepumpe liegt darin, dass außer der Lösungsmittelpumpe keine bewegten Teile vorhanden sind. Die Wärmeentnahme an der Wärmequelle ist gegenüber der Elektro-Wärmepumpe deutlich geringer. Die Maschinen arbeiten in der Regel nur bis zu einer Außentemperatur von 0 oder –5 °C. Bei tieferen Außentemperaturen wird das umlaufende Heizungswasser direkt in einem Wärmeerzeuger erwärmt. Die aktuell marktverfügbaren Gasabsorptionskälteanlagen, die auch zu Heizzwecken eingesetzt werden können, werden überwiegend mit dem Stoffpaar Lithiumbromid/ Wasser (z. T. noch Ammoniak/Wasser) angeboten. Ein Wärmeleistungsbereich von ca. 35 bis 15.000 kW kann mit den Geräten abgedeckt werden, wobei bei einem hohen Be-

2.2.5 Erzeugung

1039

darf in der Regel eine Einzelanfertigung erfolgt. Der Einsatzbereich von den Gasabsorptionskälteanlagen sind Nichtwohngebäude, vor allem industrieller Bereich. Für die Wärmeversorgung von Wohngebäuden werden diese nicht eingesetzt. 2.2.5-3.3.3

Adsorptionswärmepumpe

Bei der Adsorptions-Gaswärmepumpe verdampft das Kältemittel und wird an der Oberfläche eines Feststoffes (z. B. Zeolith, s. Bild 2.2.5-154.) adsorbiert/angelagert. Der Sorptionsprozess einer Adsorption-GWP verläuft in zwei Phasen, die Desorptions- und die Adsorptionsphase.

Bild 2.2.5-154. Zeolith – keramikähnliches kristallines Mineral (Vaillant)

Bild 2.2.5-155. Desorptions- und Adsorptionsphase einer Adsorptions-Wärmepumpe, Zeolith-Gaswärmepumpe N Brennwerteinheit, O Adsorber (Zeolith-Modul), P Kältemittel (Wasserdampf), Q Kältemittel (kondensiert), R Kältemittel (verdampft), S Kältemittel dampfförmig

In der ersten Phase wird das im Adsorbens (z. B. Zeolith) enthaltene Kältemittel (z. B. Wasserdampf) ausgetrieben. Durch den Adsorber/Desorber (2) strömt der Wärmeträger Wasser, der mit Hilfe des Gasbrenners (1) erhitzt wird und über einen internen Wasserkreislauf übertragen wird. Das dadurch erwärmte Adsorbens gibt das gespeicherte Kältemittel ab – das Kältemittel desorbiert und strömt als heißer Dampf in den unteren Teil des Moduls. Hier kondensiert der Dampf und gibt dabei seine Kondensationswärme an den unteren Wärmetauscher bzw. das Heizsystem ab. Dieser Schritt ist beendet, wenn das Adsorbens einen bestimmten Trocknungsgrad erreicht hat und das gesamte Kältemittel sich im unteren Teil des Moduls befindet.

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Im weiteren Verlauf wird der Gasbrenner (1) ausgeschaltet, das Zeolith-Modul (2) kühlt zunächst auf Rücklauftemperaturniveau ab und die Adsorptionsphase beginnt. Während der zweiten Phase wird die Umgebungswärme eingekoppelt. Die Verdampfungswärme für das Kältemittel kann z. B. durch Solarkollektoren zur Verfügung gestellt werden. Sobald die Temperatur des Verdampfers unter das Temperaturniveau der Umgebungswärmequelle gesunken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet. Die durch eine Umweltwärmequelle (z. B. geothermische Bohrung oder Solarkollektoren) erwärmte Sole führt dem Verdampfer „kalte“ Energie zu. Das Kältemittel im unteren Teil des Adsorbers verdampft, der Dampf strömt in den oberen Teil des Adsorbers und wird durch das Adsorbens adsorbiert. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme wird ebenfalls als Nutzwärme genutzt. Wenn das Kältemittel im unteren Teil des Adsorbers vollständig verdampft ist, beginnt der Prozess erneut. Auf dem deutschen Markt bieten aktuell zwei Hersteller die Adsorptions-Gaswärmepumpen für den Zielmarkt: Ein- und Zweifamilienhäuser an. Die Zeolith-GWP zeoTHERM der Firma Vaillant GmbH mit Solarkollektoren als Wärmequelle ist seit Frühjahr 2010 marktverfügbar. Zum Marktstart wurde die Zeolith-Gaswärmepumpe zeoTHERM VAS 106/3 mit einer Nennwärmeleistung von 10 kW nur im System mit drei Flachkollektoren und einem bivalenten Warmwasserspeicher angeboten. Inzwischen sind auch Systemkombinationen mit Vakuum-Röhrenkollektoren bzw. mit einer vorhandenen thermischen Solaranlage im Modernisierungsfall möglich (s. Bild 2.2.5-156.). Das Angebot wurde im zweiten Halbjahr 2012 um eine Zeolith-GWP mit einer Nennwärmeleistung von 15 kW (zeoTHERM VAS 156/4) erweitert, was den Einsatz der Gaswärmepumpe nicht nur im Neubau, sondern auch im (teil-)sanierten Bestand ermöglicht.

Bild 2.2.5-156. Zeolith-Gaswärmepumpe mit Vakuum-Röhrenkollektoren als Wärmequelle und bivalentem Warmwasserspeicher (Vaillant, zeoTHERM 106/4)

Die Markteinführung der Zeolith-Gaswärmepumpe Vitosorp 200-F der Firma Viessmann Werke GmbH & Co. KG fand im Frühjahr 2014 statt. Sie wird mit einer Nennwärmeleistung von 10 kW und mit Umweltwärmequelle Erdsonde angeboten. Ab September 2014 wird die Vitosorp 200-F mit Solarkollektoren als Umweltwärmequelle und zwei weiteren Erdreich-Wärmequellenvarianten angeboten: – Spiral-Erdkollektor (max. Tiefe 5 m) – Erdflachkollektor mit einer Länge von 150 m als Lösung im Neubau zur Verlegung unter der Bodenplatte bzw. als Erdringkollektor in der ohnehin vorhandenen Baugrube. In allen drei Fällen (Erdsonde, Spiral-Erdkollektor und Erdflachkollektor) ist ein frostfreier Betrieb mit reinem Wasser möglich. Bei der Solarthermie als Umweltwärmequelle sind zwei Lösungen möglich: – 1-Speicher-Lösung mit einem 750 l multivalenten Heizwasserpufferspeicher

2.2.5 Erzeugung

– 2-Speicher-Lösung mit einem bivalenten Solarspeicher und einem Pufferspeicher (ca. 300–400 l) Durch die Möglichkeit der Erschließung von unterschiedlichen Umweltwärmequellen (Erdsonde, Spiral-Erdkollektor, Erdflachkollektor und Solarthermie) steigt der potentielle Einsatzbereich der GWP deutlich an. Ab Frühjahr 2015 wurde das Angebot um eine GWP mit einer Nennleistung von 15 kW erweitert. Diese Zeolith-GWP könnte daher sowohl im Neubau als auch im (teil-)sanierten Bestand eingesetzt werden. Ein Schnittbild der GWP und des eingebauten wartungsfreien Zeolith-Moduls stellt Bild 2.2.5-157. dar. Die Prüfstandsmessungen gemäß der VDI-Richtlinie VDI 4650 Blatt 2 ergaben für die Adsorptions-Wärmepumpen in Abhängigkeit von der Wärmequelle, der Heiznetztemperatur und der Systemkombination folgende Gesamtkennzahlen unter Annahme eines 18-prozentigen Anteils für den Warmwasserbedarf: – Gesamt-Jahresnutzungsgrad: 1,24 bis 1,52 – Gesamt-Jahresheizzahl: 1,21 bis 1,45 Die höchsten Werte werden bei der niedrigeren Heiznetztemperatur von 35/28 °C und unter Berücksichtigung der solaren Unterstützung für die Warmwasserbereitung ermittelt. Die Effizienz von Gaswärmepumpen hängt in der Praxis, wie bei anderen Wärmeerzeugern, von vielen Faktoren ab. Dazu zählen u. a. die Dimensionierung der Anlage, Systemtemperaturen und nicht zuletzt das Nutzerverhalten. Die im Rahmen der IGWP1) durchgeführten Feldtestmessungen zeigen, dass bei richtig ausgelegten und betriebenen Anlagen die am Prüfstand gemessenen Nutzungsgrade erreicht werden können.

Bild 2.2.5-157. Zeolith-Gaswärmepumpe: Gas-Brennwert-Wärmezelle (1), Nachschalt-Wärmetauscher (2), Systemtrennung (3), Hochtemperatur-Sorberkreispumpe (4), NiedertemperaturSorberkreispumpe (5), Heizkreispumpe (6), Pumpe Wärmequelle (7), interner Prozesspuffer (8), Regelventil (9) und Zeolith-Modul (10). (Viessmann, Vitosorp 200-F)

1)

IGWP Initiative Gaswärmepumpe hat die Gaswärmepumpentechnologie auf dem Weg zur Marktreife begleitet und durch verschiedene Aktivitäten wesentlich dazu beigetragen, dass SorptionsGaswärmepumpen als innovative Erdgasanwendung wahrgenommen werden.

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2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Die Adsorptions-Wärmepumpen werden für die Innenaufstellung konzipiert. Aufgrund der geringen Geräuschemissionen und eines vergleichsweise geringen Platzbedarfes können die Gaswärmepumpen nahe bzw. sogar in den Aufenthaltsräumen aufgestellt werden. Der Wartungsaufwand ist bei den Sorptions-Gaswärmepumpen, besonders bei den Adsorptions-Wärmepumpen, relativ gering, da diese Geräte über wenig mechanisch bewegte Teile verfügen. Das in den Adsorptions-Wärmepumpen enthaltene Zeolith-Modul ist praktisch wartungsfrei. Alle anderen wartungsrelevanten Bauteile sind im Handwerk weitgehend bekannt. 2.2.5-3.3.4

Gasmotorische Wärmepumpe1)

Eine brennstoffbetriebene Wärmepumpe besteht hauptsächlich aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger/Kondensator und einem Expansionsventil. Das im System zirkulierende Kältemittel wird im Verdampfer unter Zufuhr von Umweltwärme verdampft und gelangt anschließend zum Verdichter. Das dort auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebrachte Kältemittel (im gasförmigen Zustand) wird in den Verflüssiger geleitet und wieder verflüssigt. Die dabei abgegebene Wärme kann in das Heizsystem eingekoppelt werden. Das im Kondensator verflüssigte Kältemittel wird im Expansionsventil entspannt und zum Verdampfer wieder geleitet. Der Kreisprozess beginnt damit erneut. Bei diesen Maschinen wird zum Antrieb des Verdichters statt eines Elektromotors ein brennstoffbetriebener Verbrennungsmotor verwendet. Es lässt sich dabei eine besonders große Ersparnis an Primärenergie erreichen, da zusätzlich zur Umgebungswärme die im Kühlwasser und in den Abgasen enthaltenen Wärmemengen ausgenutzt werden können (Bild 2.2.5-158).

Bild 2.2.5-158. GasmotorLuft/Wasser-Wärmepumpe mit Hoch- und Niedertemperaturheizkreis.

1)

Siehe auch: ASUE e.V.: Heizen und Kühlen mit Gaswärmepumpen/Gasklimageräten. Juni 2006. Marktübersicht Gaswärmepumpen 2013/14. Juli 2013. DIN 33831 Teile 1 bis 4 „Wärmepumpe, verbrennungsmotorisch angetrieben“, 05-1989. Wärmetechnologie. Band VI, Tagung Nürnberg 1980, Vulkan-Verlag, Essen. Jüttemann, H.: HLH (1982), Nr. 3, S. 97–101. Rostek, H. A.: GWF Gas (1982), Nr. 10/11, S. 505–514. Cube, L. von: Fernwärme (1982), Nr. 4, S. 216–220. Hunold, F.: KKT (1982), Nr. 10, S. 438. Bussmann, W.: Gas (1982), Nr. 5, S. 274–282. Brinkmann, A.: TAB (1983), Nr. 1, S. 51–54. Vossen, W.: HLH (1984), Nr. 1, S. 32–39. Wärmepumpenrichtlinien der „Argebau“ 9.83. DVGW-Schriftenreihe Nr. 36, 1984. Grunenberg, H.: Ki (1985), Nr. 6, S. 245–249 (Wohnungskomplex). Genath, B.: Sanitär+Heizungstechnik (2001), Nr. 1, S. 48ff.

2.2.5 Erzeugung

1043

Damit stellt eine brennstoffbetriebene Wärmepumpe Wärme auf vier unterschiedlichen Temperaturniveaus zur Verfügung, die bei Bedarf auch unterschiedlich angewendet werden können: – Verdampferwärme: 10 °C und tiefer, je nach Wärmequelle – Kondensatorwärme aus dem Wärmepumpenprozess: 40 bis 50 °C – Kühlwasserabwärme des Verbrennungsmotors: ca. 90 °C – Sensible Wärme aus dem Abgas des Verbrennungsmotors: ca. 600 bis 100 °C Als Verbrennungsmotor kann sowohl ein Dieselmotor als auch ein Gasmotor zum Einsatz kommen. U. a. aus Wirtschaftlichkeitsgründen bevorzugt man heute Gasmotoren. Weitere Ausführungen beziehen sich daher auf Gasmotorwärmepumpen. Die gasmotorisch betriebenen Wärmepumpen haben die gleichen Wärmequellen und Betriebsweisen wie die elektromotorischen Wärmepumpen. Die Heizzahl einer Gasmotorwärmepumpe hängt von der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses, dem Wirkungsgrad des Gasmotors und dem Anteil der nutzbaren Abwärme des Gasmotors ab. Um dies zu verdeutlichen, werden im Bild 2.2.5-159 theoretisch mögliche Heizzahlen einer Gasmotorwärmepumpe bei maximaler/vollständiger Abwärmeausnutzung dargestellt.

Bild 2.2.5-159. Theoretisch mögliche Heizzahl einer Gasmotorwärmepumpe bei vollständiger Abwärmeausnutzung

Real werden geringfügig niedrigere Heizzahlen erreicht. Etwa 10 % der theoretisch nutzbaren Wärme des Gasmotors wird durchschnittlich als Verlust definiert. Bei einem Wirkungsgrad von 35 % erreicht eine Gasmotorwärmepumpe in Abhängigkeit von der Leistungszahl folgende Heizzahlen: – Bei einer Leistungszahl von 2,6: ζ = 0,35 · 2,6 + 0,55 ≈ 1,46 – Bei einer Leistungszahl von 3,0: ζ = 0,35 · 3,0 + 0,55 ≈ 1,60 – Bei einer Leistungszahl von 3,8: ζ = 0,35 · 3,8 + 0,55 ≈ 1,88. Der Vorteil des Verbrennungsmotors gegenüber Elektromotor ist umso größer, je geringer die Leistungszahl der Wärmepumpe ist, z. B. bei Außenluft als Wärmequelle. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass ein Teil der Nutzwärme mit hohen Temperaturen bis nahe 100 °C zur Verfügung steht. Anwendung findet diese Art von Wärmepumpen besonders dann, wenn die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallende Wärme gleichzeitig genutzt werden kann. Ein typischer Anwendungsfall wären z. B. Schwimmbäder und Sportzentren. Das Beckenwasser wird hier durch die Kondensatorwärme erwärmt. Die Kühlwasser- und Abgaswärme kann für Heizzwecke und Duschen verwendet werden. Als Wärmequelle können Brunnen, Außenluft oder auch die zur Luftentfeuchtung dienenden Verdampfer verwendet werden. Anhand eines fiktiven Beispiels wird näherungsweise die Brennstoffeinsparung beim Einsatz einer Gasmotorwärmepumpe gegenüber einem Brennwertkessel in einem Freibad mit Duschen bestimmt: Wärmeenergiebedarf = 0,50 kW/m2 Leistungszahl e = 4,0 Heizzahl z = 4 · 0,35 + 0,55 = 1,95 Gasmotor-Brennstoffleistung 0,50/1,95 = 0,26 kW/m2

2

1044

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Vollbetriebsstunden = 1500 = 385 kWh/m2 Jährlicher Brennstoffbedarf 1500 · 0,26 Heizkessel-Wirkungsgrad = 0,95 Jährlicher Brennstoffbedarf eines Brennwertkessels 1500 · 0,50/0,95 = 790 kWh/m2 Brennstoffeinsparung gegenüber Brennwertkessel = 51 %. Der Einsatz von Gasmotorwärmepumpen für die Gebäudeheizung, ist besonders dann vorteilhaft, wenn gleichzeitig die Kühlleistung der Wärmepumpen ausgenutzt werden kann, z. B. in Kaufhäusern, Supermärkten, Krankenhäusern, im industriellen Bereich. – Im Winterbetrieb dient die Kondensatorwärme zuzüglich der Kühlwasser- und Abgaswärme für Heizzwecke. Wenn die aus den Kühlern gewonnene Wärme nicht ausreicht, kann zusätzlich Wärme aus der Fortluft des Gebäudes gewonnen werden. – Im Sommerbetrieb wird überschüssige Kondensatorwärme durch ein Rückkühlwerk an die Außenluft abgegeben, soweit sie nicht zur Brauchwassererwärmung oder zu anderen Zwecken verwendet werden kann. Eine Gasmotorwärmepumpe kann sowohl monovalent als auch bivalent parallel, vorzugsweise mit einem Heizkessel, betrieben werden. Beim bivalent parallelem Betrieb wird die Gasmotorwärmepumpe als Grundlastwärmeerzeuger ausgelegt. Die Wirtschaftlichkeit der Lösung hängt von vielen Faktoren, u. a. von den Investitionskosten und der Auslastung der Anlage ab und muss in jedem Fall durch eine besondere Rechnung geprüft werden. Eine Gasmotor-Verdichter-Einheit mit den integrierten Motorwärmetauschern (Zylinder-, Abgas-, Ölkühlung) zeigt Bild 2.2.5-160, Antriebsleistung etwa 110 kW. Diese Art von Gasmotorwärmepumpen wird nur für verhältnismäßig große Heizleistungen, z. B. von der Firma Johnson Controls Systems & Service GmbH, individuell ausgelegt. Im kleineren Leistungsbereich finden zunehmend die sogenannten Gasklimageräte (=gasmotorischen Wärmepumpen) mit Außenaufstellung Anwendung (s. Bild 2.2.5-161 – Bild 2.2.5-163). Die Technologie wurde in Japan entwickelt, hat sich weltweit als Alternative zu den Stromklimageräten etabliert und wird seit ein paar Jahren auch in Deutschland u. a. von den Firmen Berndt-EnerSys, KKU CONCEPT GmbH und Alfred Kaut GmbH + Co. vertrieben. Auf dem Markt sind Geräte der Firmen AISIN, YANMAR, Panasonic und SANYO im Wärmeleistungsbereich von 25 bis 95 kW erhältlich. Durch Kaskadenschaltung können höhere Leistungen realisiert werden. Die erreichbaren Heizzahlen liegen bei ca. 1,50 und können durch die Nutzung der Motorwärme weiter gesteigert werden.

Bild 2.2.5-160. Gasmotor-Schraubenverdichter-Einheit mit integrierten Motor-Wärmetauschern, Antriebsleistung ca. 110 kW (früher MDE, aktuell MTU Onsite Energy ).

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-161. Gasmotorwärmepumpe als Außeneinheit mit 80 kW Heizleistung und 3 Axialventilatoren, für Anschluss von max. 40 Innengeräten geeignet (Berndt-EnerSys, YANMAR ENCP710J).

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Bild 2.2.5-162. Schnittbild einer Gasmotorwärmepumpe mit rückseitigen Anschlüssen (Berndt-EnerSys, YANMAR ENCP710J).

Bild 2.2.5-163. Gasverbrennungsmotor mit einem Wartungsintervall von 10000 h und Motorölwechselintervall von 30000 h (Berndt-EnerSys, AISIN AXGP 355 E1 N).

Durch einfaches Umschalten können die Gasmotorwärmepumpen zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten eingesetzt werden, wobei die Fließrichtung des Kältemittels einfach umgekehrt wird. Im Heizbetrieb wird das gasförmige Kältemittel durch den Verdichter zu den Innengeräten bzw. zum Wärmeübertrager gefördert und dort unter Wärmeabgabe an den Raum oder das Heizmedium kondensiert. Im Kühlbetrieb wird das Kältemittel zum Raum geführt, in den Innengeräten unter Wärmeaufnahme aus dem Raum oder im Wärmeübertrager verdampft und im Kondensator unter Wärmeabgabe an die Umgebung wieder verflüssigt. Die Gaswärmepumpen lassen sich variabel je nach Anwendungsfall einsetzen. Folgende Installationsarten sind grundlegend denkbar: – ein wassergeführtes System mit Kühl- und Heizdecken, Lüftungskonvektoren, Betonkerntemperierung, Lüftungsanlagen und Fußbodenheizung (mit der GWP über das separate bzw. geräteintegrierte Hydraulikmodul als Schnittstelle verbunden, siehe Bild 2.2.5-164) – VRF-System (Direktexpansion/-kondensation) mit Innengeräten, siehe Abschnitt 3.3.3-3.2.4 (siehe Bild 2.2.5-165) – ein direkter Anschluss an zentrales Lüftungsgerät (s. Bild 2.2.5-166) – ein Mischsystem, bei dem das wassergeführte System mit dem kältemittelgeführten VRF-System kombiniert wird und das das gleichzeitige Kühlen und Heizen ermöglicht.

2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Der Einsatzbereich der o. g. Gaswärmepumpen ist vielseitig. Die Geräte lassen sich sowohl im Wohn- und Nichtwohngebäudebereich als auch im individuellen Anlagenbau für Industrie und Produktion zur Erzeugung von Prozesswärme und -kälte (Neubau und Bestand) einsetzen. Durch die Außenaufstellung der Gaswärmepumpe ist üblicherweise keine Abgasanlage erforderlich.

Bild 2.2.5-164. Mögliche Installationsarten einer Gasmotorwärmepumpe in Verbindung mit einem wassergeführten System (Berndt-EnerSys)

Bild 2.2.5-165. VRF-System mit der Gasmotorwärmepumpe (Berndt-EnerSys)

Bild 2.2.5-166. Eine direkt an ein zentrales Lüftungsgerät angeschlossene Gasmotorwärmepumpe (Berndt-EnerSys)

2.2.5 Erzeugung

1047

2.2.5-4

Wärmekraftmaschinen (KWK)/Vernetzung

2.2.5-4.1

Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen

In den Dampfkraftmaschinen wird die Brennstoffenergie mittelbar mit Hilfe des in den Dampfkesseln erzeugten Wasserdampfes ausgenutzt. Bei den Kolbendampfmaschinen leistet der Dampf durch Ausdehnung in einem Dampfzylinder und Bewegung eines Kolbens Arbeit. In den Dampfturbinen wird die Dampfenergie zunächst in kinetische Energie (Geschwindigkeitsenergie) umgesetzt und diese in den Laufschaufeln der Turbinen in mechanische Arbeit verwandelt. Die Arbeit, die der Dampf in einer verlustlosen Maschine leistet, ist gleich der Abnahme seiner Enthalpie h (Wärmeinhalt). Ist h1 die Enthalpie des Dampfes beim Eintritt in die Maschine, h2 die Enthalpie beim Austritt, so ist die geleistete Arbeit L = h1 – h2. Den Betrag h1 – h2 nennt man auch das adiabatische Arbeitsgefälle. Im h,s-Diagramm ist es durch den senkrechten Abstand zwischen den Zustandspunkten des Dampfes vor und hinter der Maschine gegeben (Bild 2.2.5-167). Im Ts-Diagramm (Bild 2.2.5-168) stellt sich der theoretische Arbeitsprozess der Dampfkraftmaschinen einschließlich der Vorgänge im Dampfkessel wie folgt dar: 1…2 Erwärmung des Wassers von Kondensator- auf Verdampfungstemperatur im Vorwärmer und Dampfkessel 2…3 Verdampfung des Wassers im Dampfkessel 3…4 Überhitzung des Dampfes im Überhitzer 4…5 Adiabate Expansion des Dampfes in der Dampfkraftmaschine 5…1 Kondensation des Dampfes im Kondensator und Abgabe der Verdampfungswärme an das Kühlwasser.

Bild 2.2.5-167. Dampfmaschinenprozess im h,s-Diagramm.

Bild 2.2.5-168. Dampfmaschinenprozess im Ts-Diagramm.

Die von Dampf in Arbeit umgewandelte Wärme ist durch die schraffierte Fläche dargestellt, die aufgewendete Wärme durch die Fläche a 1 2 3 4 5 b. Man nennt diesen theoretischen Prozess einen Clausius-Rankine-Prozess und benutzt ihn als idealen Vergleichsprozess zur Beurteilung der Güte ausgeführter Wärmekraftmaschinen. Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch: a) Zwischenüberhitzung des Dampfes (Bild 2.2.5-169) b) Speisewasservorwärmung mit Anzapfdampf (Bild 2.2.5-170) c) Höhere Drücke und Temperaturen, Luftvorwärmung u. a. Der effektive Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der nutzbaren von der Maschinenwelle abgegebene Arbeit Pe zu der dem Dampf zugeführten Wärmemenge Q = h1 – hsp an. Dieser Wert ist für die praktische Beurteilung der Wärmeausnutzung einer Maschine maßgebend. Er kann durch Messung der Maschinenleistung und des Dampfverbrauches nachgeprüft werden. Weitere Verluste bei der Stromerzeugung werden durch den Generator- und Klemmenwirkungsgrad erfasst.

2

1048

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-169. Dampfmaschinenprozess mit Zwischenüberhitzung des Dampfes (links).

Bild 2.2.5-170. Dampfmaschinenprozess mit Speisewasservorwärmer (rechts).

Im Vergleich mit anderen Maschinen benutzt man statt des Wirkungsgrades ηges meist den spezifischen Wärmeverbrauch q je kWh oder den spezifischen Dampfverbrauch d je kWh. Es ist: 3600 spezifischer Wärmeverbrauch q = ----------- in kJ/kWh

η ges

spezifischer Dampfverbrauch d =

3600 q --------------------------------- = -----------------h 1 – h sp

η ges ( h 1 – h sp )

in kg/kWh.

Bild 2.2.5-171. Vereinfachtes Schaltbild eines modernen Kraftwerkes mit vierstufiger Speisewasservorwärmung und Zwischenüberhitzung.

Moderne Dampfkraftwerke erreichen Frischdampfdrücke (am Eintritt der Turbine) von über 200 bar, teilweise auch Drücke oberhalb des kritischen Drucks (221 bar), bei Frischdampftemperaturen zwischen 500 °C und 580 °C. Ausführung mit 1–2stufiger Zwischenüberhitzung und mehrstufiger Vorwärmung (Bild 2.2.5-171). Großkraftwerke erreichen damit Gesamtwirkungsgrade um 40 %. 2.2.5-4.1.1

Verbrennungskraftmaschinen

Bei diesen Maschinen erfolgt die Verbrennung der Brennstoffe unmittelbar in der Maschine. Nach der Art der Verbrennung unterscheidet man Verpuffungs- und Gleichdruckmaschinen sowie Gasturbinen.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-4.1.2

1049

Verpuffungsmaschinen (oder Ottomotoren)

Brennstoffe sind teils brennbare Gase, insbesondere Generatorgase, Gichtgase und Koksofengase, teils Leichtöle wie Benzin oder Benzol, die vor der Verbrennung durch Vergaser oder Einspritzung fein zerstäubt werden. Das angesaugte Brennstoff-Luftgemisch wird in dem Zylinder der Maschine durch elektrische Funken entzündet, wodurch die Verbrennungsgase bei fast gleichbleibendem Volumen explosionsartig auf hohen Druck und hohe Temperatur gebracht werden und bei der dann folgenden Expansion mechanische Arbeit durch Bewegung eines Kolbens leisten. Verdichtungsgrade bei Kraftwagen ε = 6…9. Einsatz der Gasmotoren heute vorwiegend als ortsfeste Anlagen zum Antrieb von Generatoren, Maschinen, Gebläsen usw., der Benzinmotoren in erster Linie im Kraftverkehr. Otto-Motoren profitieren von der über hundertjährigen Entwicklungszeit beim Einsatz in Kraftfahrzeugen und haben somit die längste Erfahrung im Großserieneinsatz. Die KWK-Anlagen werden gewöhnlich mit einem Pufferspeicher abgerüstet, um bei geringerem Wärmebedarf ein häufiges Takten des Motors zu vermeiden. In kleinen MirkoKWKs werden überwiegend 1-Zylinder-Motoren als Antrieb eingesetzt, die eine Lebensdauer bis zu 80.000 Stunden erreichen können. Verglichen mit Motoren für Kraftfahrzeuge sind die Wartungsintervalle mit bis zu 4.000 Stunden sehr lang und entsprechen einer Fahrstrecke von über 100.000 km. In einem Brennraum verbrennt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Wärmeausdehnung der verbrannten Gase bewegt einen Hubkolben, der über eine Kurbelwelle einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die Ausdehnung der heißen Verbrennungsgase treibt den Kolben an. Wenn das verbrannte Gas die Arbeit verrichtet hat, strömt es in einen Wärmetauscher und überträgt die Restwärme an den Heizkreislauf, an den auch die Wärme des Motorkühlwassers übertragen wurde.

Bild 2.2.5-172. Funktionsprinzip des Ottomotors

Bild 2.2.5-173. Honda Vaillant Ecopower

2

1050

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

2.2.5-4.1.3

Gleichdruck-Verbrennungsmaschinen (Dieselmotoren)

Bei diesen Maschinen wird im Gegensatz zu den Ottomotoren in die auf 30 bis 60 bar hochverdichtete Luft (550…600 °C) flüssiger Brennstoff so eingespritzt, dass die Verbrennung bei nahezu gleichem Druck erfolgt. Brennstoffe sind Mittelöle (Gasöle, Dieselöle). Der Hauptunterschied der Dieselmotoren gegenüber den Ottomotoren besteht darin, dass der Brennstoff in flüssigem und nicht in dampfförmigem Zustand in den Zylindereintritt und dass die Zündung nicht durch elektrische Funken, sondern durch Selbstentzündung in der hochverdichteten Luft erfolgt. Normale Verdichtungsgrade bei Kraftwagen ε =12 bis 20. Der Arbeitsprozess der Dieselmotoren verläuft bei höheren Temperaturen als der der Ottomotoren, daher höhere Wirkungsgrade. Gesamtwirkungsgrade bis über 40 %. Dieselmotoren werden sowohl im Kraftverkehr als auch in ortsfesten Anlagen eingesetzt. Gesamtwirkungsgrade von Otto- und Dieselmotoren s. Tafel 2.2.5-12. Im Teillastbetrieb stark fallende Wirkungsgrade. Faustformel: Der eingesetzte Brennstoff ergibt etwa zu je einem Drittel mechanische Arbeit, Wärme im Abgas, Wärme im Kühler. Tafel 2.2.5-12 Gesamtwirkungsgrad εges sowie spezifischer Wärme- und Kraftverbrauch bei Brennkraftmaschinen Motorart

Kraftstoff

Ottomotoren Gasmotoren, klein Gichtgas Gasmotoren, groß Generatorgas Fahrzeugmotor Benzin Flugzeugmotor Benzin Dieselmotoren klein Dieselöl groß Dieselöl Kraftwagenmotor Dieselöl Gasturbinen klein Heizöl groß Heizöl

{

2.2.5-4.1.4

Spez. WärmeGesamtverbrauch wirkungsgrad ηges qe kWh/kWh %

Spez. Brennstoffverbrauch be Kg/kWh

0,25…0,30 0,30…0,35 0,20…0,25 0,28…0,32

4,0…3,3 3,3…2,8 5,0…4,0 3,5…3,1

– – 0,43…0,34 0,31…0,27

0,30…0,35 0,35…0,40 0,25…0,30

3,3…2,8 2,8…2,5 4,0…3,3

0,28…0,24 0,24…0,22 0,34…0,28

0,20…0,25 0,25…0,30

5,0…4,0 4,0…3,0

0,43…0,34 0,34…0,28

Gasturbinen

Bei den Gasturbinen (Verbrennungsturbinen) geben die bei der Verbrennung von Brennstoffen (Gas, Öl) entstandenen heißen Verbrennungsgase durch Ausdehnung die Energie an die Schaufeln der Turbine ab, die einen Generator antreibt. Hauptbestandteile einer vollständigen Gasturbinenanlage sind Verdichter (meist mehrstufiger Axialverdichter), Brennkammer (meist ringförmig) und Turbine. Turbine treibt den Verdichter an, beide sitzen auf gemeinsamer Welle. Im pv- und Ts-Diagramm (Bild 2.2.5-174 und Bild 2.2.5-175) verläuft der ideale Arbeitsprozess wie folgt: 1…2 adiabate Verdichtung (oder isothermische Verdichtung 1…2′) der Luft im Verdichter von p1 auf p2 2…3 Verbrennung bei konstantem Druck p2 in der Brennkammer 3…4 adiabate Ausdehnung der Verbrennungsgase von p2 auf p1 in der Gasturbine 4…1 Austritt der Verbrennungsgase ins Freie. Die schraffierte Fläche ist die Nutzarbeit.

2.2.5 Erzeugung

Praktisch erreichbare Wirkungsgrade bei 600 °C Gastemperatur bei 800 °C Gastemperatur

1051

ohne mit Abgaswärmeausnutzung ca. 20% ca. 30%

ca. 25 bis 30% ca. 35 bis 40%

Ausführungsformen: Offener Kreislauf. Luft wird aus dem Freien angesaugt und im Verdichter auf 3 bis 8 bar Überdruck verdichtet, Verbrennung in der Brennkammer mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen bei etwa 1500 °C, Eintrittstemperatur in Turbine 600…800 °C, Entspannung und Arbeitsleistung in der Turbine (Bild 2.2.5-176). Etwa 2/3 der Leistung werden im Verdichter verbraucht. Verbesserung des Wirkungsgrades durch Vorwärmung der Luft in einem Wärmeübertrager, der durch die Abgase der Turbine beheizt wird. Geschlossener Kreislauf (Heißluftturbinen). Luft oder andere Gase, wie z. B. Helium, von 10 bis 30 bar laufen in einem geschlossenen Kreislauf um. Erhitzung der Luft in besonderen Heizkesseln mit beliebigen Brennstoffen. Entspannung in der Turbine, Verdichtung im Verdichter (Bild 2.2.5-177). Ein Teil der Abwärme wird an Kühlwasser abgegeben.

Bild 2.2.5-174. Gasturbinenprozess im pv-Diagramm.

Bild 2.2.5-175. Gasturbinenprozess im Ts-Diagramm.

Bild 2.2.5-176. Schema einer offenen Gasturbine. a = Anwurfmotor b = Generator

Bild 2.2.5-177. Schema einer geschlossenen Gasturbine (Heißluftturbine). A = Anwurfmotor G = Generator K = Kühler WA = Wärmeaustauscher

Abgasturbinen werden bei Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Verdichtern benutzt, um den Motoren eine höhere Leistung zuzuführen (Abgasturbolader). Abgastemperaturen bis 1100 °C. Offene Gasturbinen am häufigsten gebaut. Fast alle flüssigen und gasförmigen Brennstoffe verwendbar. Größe bis etwa 150 MW.

2

1052

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Vorteile: Geringe Anfahrzeit, 10…20 min; geringer Raumbedarf (kein Kesselhaus); kein Speisewasser, geringe Bedienungskosten; geringer Kühlwasserverbrauch für Öl- und Luftkühlung; geringe Anschaffungskosten. Nachteile: Geräusche; geringer thermischer Wirkungsgrad, etwa 25…30 %, bei Teillast stark fallend. Verwendung besonders: zur Spitzenlastdeckung, als Notstromaggregat, als Zusatzkraftmaschine. Wirtschaftliche Bedeutung gewinnen die kombinierten Gasturbinen-Dampfkraftwerke (GUD-Kraftwerke), Bild 2.2.5-178. Das mit ca. 450 °C aus der Turbine austretende Abgas befeuert ohne weiteren Brennstoffaufwand einen Dampfkessel, dessen Dampf einen Generator antreibt. Neue GUD-Kraftwerke erreichen derzeit Wirkungsgrade von 50–60 %. Bei Verwendung in Heizkraftwerken Abkühlung der Rauchgase bis auf etwa 100 °C. Beispiel.

Bild 2.2.5-178. Kombiniertes Gasturbinen-Dampfkraftwerk.

2.2.5-4.2

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen haben hohe elektrische Wirkungsgrade bei geringen Emissionen. Seit Mitte der 90er Jahre werden wieder verstärkt sowohl mobile als auch stationäre Anwendungen weiterentwickelt. 2.2.5-4.2.1

Funktionsprinzip

Die Primärenergie eines Brennstoffes wird in einem elektrochemischen Prozess direkt in elektrische und thermische Energie umgewandelt. In einer Brennstoffzelle befinden sich zwei Elektroden, eine positive Anode und eine negative Kathode, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der Anode wird Wasserstoff zugeführt der über einen Katalysator die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen aufspaltet. Während die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode wandern, fließen die Elektronen über einen elektrischen Stromleiter zur Kathode und es fließt elektrischer Strom. An der Kathode verbinden sich die Protonen und Elektronen mit dem Luftsauerstoff zu Wasserdampf. Brennstoffzellen benötigen als Energieträger reinen Wasserstoff, der in der Natur ungebunden nicht vorkommt. Er muss in einem Reformer aufbereitet wird. Da Brennstoffzellen keine mechanisch beweglichen Teile haben, arbeiten sie sehr leise und wartungsfrei. Sie zeichnen sich durch besonders hohe elektrische Wirkungsgrade aus. Für die Hausenergieversorgung wurden PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) die im Bereich von 60–70 °C arbeiten und für Temperaturen von 650–1.000 °C Feststoffoxid-Brennstoffzelle SOFC (Solid Oxyd Fuel Cell) entwickelt.

2.2.5 Erzeugung

1053

Bild 2.2.5-179. Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

2.2.5-4.2.2

Typen

Die fünf Brennstoffzellentypen werden nach dem eingesetzten Elektrolyten benannt. Dieser bestimmt auch die Betriebstemperatur, da die verschiedenen Materialien erst bei unterschiedlichen Temperaturen eine ausreichende Ionenleitfähigkeit erreichen. Niedertemperatur-Brennstoffzellen vertragen nur sehr geringe Mengen an CO im Brenngas, da CO den Elektrodenkatalysator deaktiviert. Je höher die Temperatur, desto unkritischer wird dieser Prozess. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können CO sogar direkt als Brenngas verwenden. Die alkalische Brennstoffzelle benötigt hochreinen Wasserstoff und Sauerstoff. Neben einigen Versuchen im automobilen Einsatz wird ihre Zukunft hauptsächlich in Nischenanwendungen gesehen, deshalb wird sie hier nicht weiter betrachtet.1) Die PEFC kann in einer speziellen Ausführung auch direkt mit einem Methanol-Wasser-Gemisch betrieben werden und wird dann als DMFC bezeichnet (Direct Methanol Fuel Cell). Falls die Leistungsdichten noch erhöht werden können, kommt sie neben portablen Anwendungen auch für den Einsatz im Automobil in Betracht. Tafel 2.2.5-13 Brennstoffzellentypen Alkaline Fuel Cell AFC

Proton Exchange Membran Fuel Cell PEFC

Phosphoric Acid Fuel Cell

Molten Carbonate Fuel Cell

Solid Oxide Fuel Cell

PAFC

MCFC

SOFC

Elektrolyt

Kalilauge

Polymermembran

Phosphorsäure

Schmelzkarbonat

Keramik

Betriebstemperatur

60–90 °C

60–90 °C

180–200 °C

650 °C

750–1000 °C

el. WirkungsgradSystem

32–42 % 55–60 % (reines H2)

37–42 %

50–55 % mit 50–55 % mit GUD > 60 % GUD > 60 %; Kleinsystem 30–50 %

ca. 80–90 %

ca. 90 %

Gesamtnutzungsgrad

1)

ca. 80 %

ca. 90 %

Wegen potentiell niedriger Kosten wird die Technologie vereinzelt wieder aufgegriffen, z. B. www.astrisfuelcell.com, www.electricauto.com.

2

1054

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Tafel 2.2.5-13 Brennstoffzellentypen H2 aus Erd-/ Bio-/Kohlegas

Brennstoff

H2

Besonderheiten

hochreines CO < 100 ppm H2, O2

Anwendung Raumfahrt, mobil, BHKW mobil Stand

2.2.5-4.2.3

Raumfahrt, U-Boote, Feldtests mobil

H2 aus Erd-/ H2, CO aus Bio-/Kohlegas Erd-/Bio-/ Kohlegas

H2, CO aus Erd-/Bio-/ Kohlegas

CO < 2 %

Gasaufber. mit StackAbwärme

Gasaufber. teilweise intern

BHKW

KW, BHKW KW, BHKW

Kleinserie Prototypen 2–5 kW, 250 kW 200 kW sowie mobil (H2, Methanol)

Demonstration 300 kW, 2 MW

Feldtests 1 kW, Demos 250 kW, bald: 2 MW

Systeme

Die grundlegenden Bestandteile eines stationären Systems sind Gasaufbereitung, Brennstoffzellenstapel, Transformator oder Wechselrichter gegebenenfalls mit Netzschutzeinrichtung, Wassermanagement, Kühlung/Wärmeübergabe, Regelung und gegebenenfalls Zusatzwärmeerzeuger. Für den netzunabhängigen Betrieb ist eine Batterie erforderlich, die den Leistungsbedarf der Peripherie (Pumpen, Gebläse/Verdichter, Steuerungseinrichtungen) beim Start deckt. Zu Forschungszwecken existieren weiterhin Anlagen, die Wasserstoff über Elektrolyse mit Photovoltaik-Strom erzeugen, wodurch die Gasaufbereitung überflüssig würde. Stationäre Brennstoffzellen-Anlagen werden in Abwesenheit einer H2-Infrastruktur meist mit Erdgas betrieben. Die Nutzung von Kohle- oder Biogas (z. B. Klärgas) ist mit entsprechenden Reinigungsstufen ebenfalls möglich. Das entschwefelte Gas wird in katalytischen Reaktoren (oft insgesamt nach einem möglichen Verfahrensschritt „Reformer“ genannt) zunächst zu H2, CO und weiter zu H2 und CO2 umgesetzt. MCFC und SOFC können direkt mit CO betrieben werden, daher entfallen die aufwendigen weiteren Stufen. Es wird hier daran gearbeitet, die Umwandlung des Erdgases direkt in der Zelle durchzuführen. In Entwicklung befindet sich die katalytische Aufspaltung von CHn in C und H2, wobei das mit Kohlenstoff beladene Katalysatorbett periodisch regeneriert werden muss. Der Gesamtprozess ist sehr schadstoffarm, insbesondere bezüglich der Emissionen von CO, NOx, und SOx. Geräuschemissionen entstehen lediglich durch die Peripherieaggregate (Verdichter).

Bild 2.2.5-180. Systemskizze einer stationären Brennstoffzellenanlage zur Strom- und Wärmeerzeugung (ohne Zusatzwärmeerzeuger und Prozessdampfnutzung).

2.2.5-4.2.4

Anwendungen

a) BHKW Der meistverbreitete und erste kommerziell erhältliche Typ ist mit über 150 Anlagen weltweit die 200 kWel-PAFC der Firma ONSI. Die Technologie lässt jedoch keine drastische Senkung der derzeitigen Kosten von ca. 1100 $/kW erwarten, sodass sich die Entwicklungsanstrengungen auf andere Typen konzentrieren.

2.2.5 Erzeugung

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen MCFC wurden in den USA für Kraftwerks- und Schiffsanwendungen erprobt. Das von MTU entwickelte kompakte 250 kW-BHKW „Hot Module“ befindet sich auf dem Weg zur Serienproduktion. SOFC versprechen besonders hohe Wirkungsgrade durch Nutzung der heißen Abgase in Gasturbinen. Die dafür notwendige Technologie röhrenförmiger Zellen und Kombination mit einer Mikro-Gasturbine wurde von Siemens Westinghouse im 220 kW-Maßstab demonstriert. Auch PEFC sollen als BHKW zum Einsatz kommen. 250 kW-Anlagen von Alstom/Ballard Generation Systems wurde bei Bewag und EnBW demonstriert. Die Abwärme hat jedoch eine zu niedrige Temperatur, um sie direkt zur Versorgung eines Nahwärmenetzes einzusetzen. b) Hausenergieversorgung Für die Hausenergieversorgung werden sowohl Niedertemperatur-(PEFC) als auch Hochtemperatur (SOFC)-Systeme in Betracht gezogen. Sulzer Hexis hat basierend auf einem planaren SOFC-Konzept eine 1 kWel-Anlage entwickelt, die in Feldtests erprobt wurde und je nach Lastzustand > 30 % elektrischen Wirkungsgrad und > 85 % Gesamtnutzungsgrad erreichen soll. 2,5 kWth sind direkt auskoppelbar; darüber hinaus benötigte Wärmewird mit einem Zusatzbrenner erzeugt. Da der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich auf hoher Temperatur gehalten werden muss, sind lange Laufzeiten und damit kleine Leistung günstig. Die Firma Vaillant führt seit längerem Feldtests mit 4,6 kWel-Systemen in Mehrfamilienhäusern und Gewerbe durch. Projekte dieser Leistungsklasse gibt es auch bei Buderus und RWE Fuel Cells, während die Entwicklungen bei der European Fuel Cell GmbH mit 2 bzw. 1,5 kWel auch auf den Einfamilienhauseinsatz abzielen. Die Abwärmetemperaturen von PEFC sind für Heizungen geeignet. Als einer der ersten Hersteller führt Viessmann seit dem Frühjahr 2014 ein in Serie produziertes Brennstoffzellenheizgerät für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern in den europäischen Markt ein. Das Gerät ist eine Gemeinschaftsentwicklung mit der Panasonic Corporation, wobei Viessmann für die Integration der PEM-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran) in das Gesamtsystem verantwortlich zeichnet. Die mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle wurde vom Kooperationspartner in Japan bereits über 34000mal installiert und hat sich dort bewährt. Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle beträgt bis zu 750 W, die thermische Leistung 1 kW. Ein integrierter Gas-Brennwertkessel deckt Spitzenlasten mit einer zusätzlichen Wärmeleistung bis 19 kW, siehe Bild 2.2.5-182.

Bild 2.2.5-181. Systemschema der SOFC-Anlage von Sulzer Hexis*) (links), Brennstoffzellen-Heizgerät von Vaillant**) (rechts) *) **)

http://www.hexis.ch http://www.vaillant.de

1055

2

1056

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-182. Marktverfügbares Brennstoffzellenheizgerät Vitovalor 300-P (Viessmann)

2.2.5-4.2.5

Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit

Die Anlagendimensionierung erfolgt nach Strom- und Wärmebedarfskennlinien wie bei konventionellen Kraftwärmekopplungs-Anlagen. Vorteile der Brennstoffzellentechnik sind potentiell kleinere Leistungen, hohe Stromzahlen sowie Modulation weitgehend ohne Wirkungsgradeinbuße. Beim Einsatz in der Hausenergieversorgung lassen sich durch wärmegeführte Betriebsweise die höchsten Primärenergieeinsparungen im Vergleich zu konventioneller Strom- und Wärmeerzeugung erzielen.1) Die Wirtschaftlichkeit richtet sich jedoch nach Gas- und Strompreisen inkl. möglicher Steuervergünstigungen sowie Einspeisevergütung, sodass bei geringer Einspeisevergütung und Verwendung eines Wärmespeichers eine stromgeführte Betriebsweise günstiger sein kann. Denkbar ist auch der Betrieb durch EVU, die dezentral erzeugte Wärme und Strom verkaufen könnten. Verschiedene EVU beteiligen sich daher an Demonstrationsprojekten. Nachteilig ist bei Brennstoffzellen die längere Startphase (Kaltstart) im Vergleich zu motorischen KWK Anlagen. Um diese zu verbessern, werden derzeit umfangreiche Forschungsaktivitäten an unterschiedlichen universitären Einrichtungen vorgenommen. 2.2.5-4.2.6

Energetische Bewertung

Die normative Bewertung im Sinne der Energieeinsparverordnung (EnEV) ist für die Brennstoffzellen nicht ohne Weiteres möglich. Gegenwärtig (EnEV 2014) existiert innerhalb der energetischen Systemnormung (DIN V 18599 und DIN V 4701-10) kein Verfahren, mit dem Brennstoffzellen als spezielle Form der Kraft-Wärme-Kopplung berechnet werden können. Die in Dezember 2014 erschienene DIN SPEC 32737 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Brennstoffzellen“ schafft eine normative Grundlage für die energetische Bewertung von wärmegeführten Brennstoffzellen im kleinen Leistungsbereich. Das Bewertungsverfahren für Brennstoffzellen knüpft an die Systematik der DIN V 18599-9:2011-12. Die Initiative Brennstoffzelle bietet eine Berechnungshilfe zur Nutzung der DIN SPEC 32737 kostenlos zum Download (http://www.ibzinfo.de/berechnungs-hilfe.html) an. Die Berechnungshilfe soll für Anwender von EnEVBerechnungssoftwarelösungen als einfache Ergänzung dienen, um auch Brennstoffzellen-Heizgeräte bei der energetischen Bewertung von Wohngebäuden nach der aktuellen EnEV berücksichtigen zu können. Da allerdings die DIN SPEC 32737 in der EnEV 2014 1)

Hutter, C.; Krammer, T.: Stationäre Anwendung von Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung. Wasserstoff-Initiative Bayern, Februar 2000.

2.2.5 Erzeugung

1057

nicht unmittelbar in Bezug genommen wird, ist gegebenenfalls eine Prüfung des EnEVNachweises durch die zuständige Behörde (in der Regel die untere Baubehörde) im Einzelfall erforderlich.

2.2.5-4.3

Stirlingmotor

Stirlingmotoren haben in den vergangenen Jahren als Antriebe für Mikro-KWK ein Comeback erfahren. Die Wärme wird von außen an das Arbeitsgas (z. B. Helium) im inneren Zylinder übertragen. Wie bei einem konventionellen Motor steigen durch die Wärmezufuhr der Druck und die Temperatur des Arbeitsgas im Zylinder. Es expandiert und setzt einen Kolben in Bewegung. Anschließend wird das Gas vom dem warmen zu dem kalten Sektor des Motors transportiert, und dort weiter abgekühlt. Um den Prozess im Gang zu halten, schiebt ein Verdrängerkolben das Arbeitsgas innerhalb des geschlossenen Kreislaufs ständig zwischen dem warmen und kalten Sektor hin und her, was den Arbeitskolben und damit den Generator antreibt. Weil die Wärme von außen zugeführt wird, können Stirlingmotoren praktisch jede Art von Wärme nutzen, vorausgesetzt die Temperatur ist hoch genug. Werden Brennstoffe eingesetzt, lässt sich die Verbrennung außerhalb des Motors gut kontrollieren und die Emissionen mindern. Da im Inneren des Motors keinerlei explosionsartige Verbrennung stattfindet, arbeiten Stirlingmotoren sehr geräuscharm. Für KWK-Anlagen wurden Vier- Zwei- und Einzylinder-Stirlingmotoren entwickelt. Einzylindrige Stirlings sind als lineare Freikolbenmaschinen ohne Kurbeltrieb ausgeführt. Der Arbeitskolben ist direkt mit dem Lineargenerator verbunden und oszilliert mit 50 Hz in hin- und her und erzeugt dabei 230 Volt Wechselstrom. Alle beweglichen Teile schwingen in axiale Richtung, was einen sehr geräusch- und wartungsarmen Betrieb gewährleistet.

Bild 2.2.5-183. Funktions -prinzip des Stirlingmotors

Bild 2.2.5-184. Microgen Linear Stirlingmotor

2

1058

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

KÖPFE recknagel-online.de

2.2.5-4.4 2.2.5-4.4.1

Virtuelle Kraftwerke1) Einleitung/Begrifflichkeit

Unter dem Begriff der Virtuellen Kraftwerke wird die Verknüpfung (Pooling) von dezentralen elektrischen Erzeugern in der Weise verstanden, dass eine nennenswerte Gesamtleistung entsteht. Der Betrieb der einzelnen elektrischen Erzeugungseinheiten erfolgt dabei koordiniert (vgl. Bild 2.2.5-185). In der aktuellen Diskussion werden dem Begriff der Virtuellen Kraftwerke auch steuerbare Energieverbraucher zugeordnet. Signifikante Merkmale eines Virtuellen Kraftwerkes sind: – die Verknüpfung des Betriebes unterschiedlicher Erzeugungseinheiten über eine räumliche Distanz, – Verknüpfung des Betriebes von Erzeugungseinheiten mit unterschiedlichen Primärenergieträgern bzw. Kopplung dieser mit regenerativen Energiesystemen – hohe Redundanz und damit geringes Ausfallrisiko. In Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bestehen unterschiedliche Vermarktungsstrategien. Klassisch ist die Vermarktung der erzeugten Elektroenergie an der EEX.2) Virtuelle Kraftwerke werden jedoch auch zur Bereitstellung von Regelenergie eingesetzt. Derzeit noch eher unüblich ist die Direktvermarktung der erzeugten Elektroenergie. Eine Grundvoraussetzung für die Funktionalität von Virtuellen Kraftwerken ist, dass alle integrierten Erzeugungsanlagen sowie evtl. eingebundene passive Verbraucher extern ansteuerbar sein müssen. Folglich ist ein hoher Anteil an Informations- und Kommunikationstechnologie notwendig, die ihrerseits zuverlässig arbeiten muss. Darüber hinaus sind für den koordinierten Betrieb der unterschiedlichen Erzeugungseinheiten komplexe Betriebsalgorithmen notwendig, die den Betrieb des gesamten Virtuellen Kraftwerkes entsprechend der Vermarkungsstrategie optimieren. Auf elektrischer Seite kann aufgrund der dezentralen Anordnung der Erzeugungsanlagen eine größere Belastung des Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzes auftreten. Aus diesem Grund wurden in den zurückliegenden Jahren sogenannte „Regionale Virtuelle Kraftwerke“ (RVK) als Konzepte entwickelt. Im Gegensatz zu den übergeordneten Virtuellen Kraftwerken sollen diese bereits auf lokaler Ebene, d. h. innerhalb eines Niederspannungs- bzw. Mittelspannungsnetzes den Bilanzausgleich ermöglichen und die Restriktionen des elektrischen Verteilnetzes berücksichtigen.

Bild 2.2.5-185. Virtuelles Kraftwerk in der Struktur der Energieerzeugung. 1) 2)

Für die 77. Auflage neu erstellt von PD Dr.-Ing. habil. J. Seifert, Dresden, Dipl.-Ing. A. Meinzenbach, Dresden, und Prof. Dr.-Ing. P. Schegner, Dresden. EEX – European Energy Exchange.

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-4.4.2

1059

Technologie

In Hinblick auf die Struktur eines Virtuellen Kraftwerkes können prinzipiell die bekannten klassischen Erzeugungseinheiten – BHKW-Systeme (Stirling- und Verbrennungsmotoren) – Mini- und Mikro Gasturbinen – Brennstoffzellen – PV- Anlagen – sowie Windkraft- und Biogasanlagen in unterschiedlichen Leistungsklassen eingesetzt werden. Als steuerbare Verbraucher sind – Wärmepumpen – sowie Elektrodirektheizungen wiederum in unterschiedlicher Leistungsklasse anzusehen. Anzumerken ist, dass bei KWK-Systemen oftmals zusätzlich ein thermisches Speichersystem mitinstalliert wird um eine möglichst hohe Flexibilität beim Einsatz der Erzeugungseinheiten zu erreichen. 2.2.5-4.4.3

Integration eines Virtuellen Kraftwerkes ins Marktumfeld

Die Liberalisierung des Strommarktes ermöglicht es dem Virtuellen Kraftwerk am Markt teilzunehmen. Zum anderen stehen dem Virtuellen Kraftwerk verschiedene Marktteilnehmer mit unterschiedlichen Interessen gegenüber. Bild 2.2.5-186 zeigt dies exemplarisch. Der Anlagennutzer stellt seine Anlage dem virtuellen Kraftwerksbetreiber zur Verfügung. Mit Hinblick auf die KWK-Technologie muss jedoch gewährleistet sein, dass die Anlage selbst für den Nutzer betreibbar ist. Dies bedeutet, dass speziell bei der KWKTechnologie die als Nebenbedingung geforderte Bereitstellung von Heizwärme jederzeit gewährleistet sein muss. Verknüpft ist das Virtuelle Kraftwerk mit den Netzbetreibern (Gas/Elektroenergie) sowie mit den unterschiedlichen Marktplätzen. Zu nennen sind hier in erster Linie die EEX, sowie die Plattform zur Vermarktung von Regelenergie. Ergänzend, jedoch nicht in Bild 2.2.5-186 dokumentiert, ist die Direktvermarktung an einen Großabnehmer zu sehen.

Bild 2.2.5-186. Marktteilnehmer im Umfeld eines Virtuelles Kraftwerks nach [1].

2.2.5-4.4.4

Kommunikationsstrukturen/Aufbau eins Virtuellen Kraftwerks

Der Aufbau eins Virtuellen Kraftwerkes kann in der einfachsten Form die gezielte Zusammenschaltung einzelner weniger Großerzeugungsanlagen darstellen. Eine wesentlich komplexere Form ist beim Regionalen Virtuellen Kraftwerk vorzufinden, welches nachfolgend detaillierter erläutert werden soll. Typisch für ein Regionales Virtuelles Kraftwerk ist die starke Durchsetzung mit kleinen dezentralen Erzeugungseinheiten, die gleichzeitig den Wärmebedarf von Liegenschaften

2

1060

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

sicherstellen müssen. Damit befinden sich die Anlagen überwiegend im Niederspannungsnetz, welches üblicherweise als Strahlennetz aufgebaut ist. Für ein typisches elektrisches Verteilnetz ist ein Regionales Virtuelles Kraftwerk der Bild 2.2.5-187 zu entnehmen.

Bild 2.2.5-187. Konzeption eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks nach [2].

Bezogen auf Bild 2.2.5-187 beschreibt die Ebene 0 die lokale Gebäudeebene in der z. B. die KWK-Anlagen angeordnet sind. Vorstellbar ist hier auch die Installation von passiven Systemen im Sinne des Elektroenergieverbrauches (z. B. Wärmepumpen/elektrischen Direktheizungen). In der Ebene 1 sind mehrere Einheiten der Ebene 0 lokal zusammengefasst. Bezogen auf das elektrische Strahlnetz (Verteilung) kann z. B. innerhalb eines Abgangs eine Zusammenfassung der installierten Systeme erfolgen. In der Ebene 2, z. B. ein komplettes Niederspannungsnetz, sind die direkt untergeordneten Ebenen 1 zusammengefasst. Die Zuordnung der einzelnen Ebenen dieses hierarchischen Ansatzes ist nicht willkürlich gewählt, sondern orientiert sich an den wesentlichen Randbedingungen. So ist auf lokaler Ebene 0 die Bereitstellung der thermischen Energie signifikant, was wiederum auf der überlagerten Ebene keine Rolle spielt. Hier sind die elektrischen Netzrestriktionen von Bedeutung, die bei Nichteinhaltung zu einer Abschaltung der Erzeuger führen kann. Um die Netzrestriktionen optimal in die Betriebsführung eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks implementieren zu können, ist es notwendig, die Ebenen-Bildung unter regionalen bzw. netzstrukturtechnischen Gesichtspunkten durchzuführen. Der Spielraum für die Strukturierung eines RVK ist dabei sehr hoch. Prinzipiell ist es möglich, dass bereits ein Niederspannungsnetz als Regionales Virtuelles Kraftwerk betrieben werden kann oder mehrere Niederspannungsnetze zu einem RVK zusammengefasst werden. Notwendig hierbei ist jedoch, dass zur Steuerung eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks signifikante Statusinformationen an die jeweils über bzw. untergeordnete Ebene übergeben werden. Bezogen auf die bereits beschriebene Struktur ist ein Signalflussplan zwischen den einzelnen Ebenen der Bild 2.2.5-188 zu entnehmen. Um prognostizierbar und damit auch vermarktungsfähig elektrische Energie anbieten zu können, müssen aus der Ebene 0 die Informationen über die minimale und maximale Elektroenergieproduktion für einen vorher definierten Zeitraum vorliegen. Weiterhin muss der Status der technischen Anlage (an/aus) der Ebene 1 übergeben werden. In der Ebene 1 werden diese Daten zusammengefasst und in Kombination mit Kenndaten des elektrischen Netzes an die Ebene 2 übertragen. In der Ebene 2 erfolgt anschließend wieder eine Bündelung der Daten und Aufbereitung zur Vermarktung. Im Umkehrschluss ist die Rücktransformation, d. h. die Erstellung des Fahrplans für jedes Gerät auf der Ebene 0 von signifikanter Bedeutung. Auch hier wird jeweils von einer Ebene zur untergeordneten Ebene eine Leistungsvorgabe benannt. Die jeweiligen Geräte auf der Ebene 0 müssen diese Leistungsvorgabe dann zeitlich einhalten.

2.2.5 Erzeugung

1061

Bild 2.2.5-188. Informationsfluss zwischen den einzelnen Ebenen eins Regionalen Virtuellen Kraftwerks nach [1].

Das RVK stellt den globalen Bilanzkreis dar. Es ist für die Zuteilung der einzelnen Fahrpläne an die untergeordneten Ebenen und für die Gewährleistung der größtmöglichen Wirtschaftlichkeit zuständig. Anhand der aus den unterlagerten Ebenen gelieferten Daten muss das RVK die zur Verfügung stehende Leistung gezielt an der Börse platzieren. Zusätzlich übernimmt das RVK die Gewährleistung sowie die Abrechnung der vereinbarten Einspeiseleistung. 2.2.5-4.4.5

Hemmnisse und Chancen

Virtuelle Kraftwerke sowie Regionale Virtuelle Kraftwerke unterliegen derzeit einigen Hemmnissen. Zu nennen sind in erster Linie die höheren spezifischen Investitionskosten als bei konventionellen Kraftwerksbauten. Weiterhin ist für den koordinierten Betrieb eine leistungsfähige Kommunikationstechnologie mit den dafür notwenigen Betriebsalgorithmen notwendig Die Nutzungsgrade der Erzeugungseinheiten wie z. B. BHKWSystemen/Wärmepumpen sind aufgrund häufigerer Start-Stopp-Zyklen geringer als bei Systemen die außerhalb eines Virtuellen Kraftwerks innerhalb der Grundlastversorgung betrieben werden. Als wesentliche Chance der Virtuellen Kraftwerke werden derzeit die hohe Flexibilität sowie die gute Integration von regenerativen Erzeugungsanlagen angesehen. Im speziellen Fall der Regionalen Virtuellen Kraftwerke ist zu nennen, dass diese lokal einen elektrischen Bilanzausgleich realisieren können, wodurch die Transportkapazitäten optimiert und teilweise erhöht werden können. Weiterhin wird für den Anlagenbetreiber die Möglichkeit geschaffen an einer übergeordneten Vermarktung von Elektroenergie teilzunehmen, welche speziell den kleinen Erzeugungseinheiten heutzutage verwehrt bleibt. Zu erwähnen ist, dass Virtuelle und Regionale Virtuelle Kraftwerke eine hohe Versorgungssicherheit aufweisen, da durch den Ausfall einer Anlage nicht die gesamte Elektroenergieerzeugung zum Erliegen kommt. Aus ökologischer Sicht ist weiterhin der geringere CO2-Ausstoß im Vergleich zu konventionellen Braunkohlekraftwerken zu sehen. Symbole Pel

elektrische Leistung

SAnlage

Status der Anlage

SNetz

Status des elektrischen Netzes

W

Wel,max,A maximal bereitzustellende elektrische Energie der Anlage kWh Wel,min,A minimal bereitzustellende elektrische Energie der Anlage kWh Wel,max,N maximal bereitzustellende elektrische Energie des Netzes kWh Wel,min,N minimal bereitzustellende elektrische Energie des Netzes ϕmin

Belastungsgrad

kWh

2

1062

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Literatur [1] Seifert, J.: Mikro BHKW Systeme für den Gebäudebereich. VDE Verlag, Berlin 2013 — ISBN 978-3-8007-3475-7 [2] Hess, T.; Schegner, P.; Seifert, J.; Werner, J.: Regionale Virtuelle Kraftwerke – Aufbau und Chancen. Tagungsbeitrag zum Kraftwerkstechnischen Kolloquium 2012, Dresden

2.2.5-5

Solarthermische Anlagen für Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung1)

2.2.5-5.1

Allgemeines

KÖPFE recknagel-online.de

Bis 2020 soll der erneuerbare Anteil an der gesamten Wärme- und Kälteversorgung Deutschlands von heute etwa 10 % auf 14 % steigen. Mittelfristig muss die Solarwärme ihren bisher sehr geringen Anteil an der erneuerbaren Wärmeversorgung von 5 % deutlich steigern, da die Ressourcen der heute dominierenden Biomasse in Deutschland begrenzt sind. Insgesamt liegt der Anteil der Solarthermie am deutschen Wärmeverbrauch noch unter 1 %. Solarthermische Anlagen erfüllen neben Biomasse, Geothermie und Umweltwärme die Auflagen des 2009 verabschiedeten erneuerbare-Energien-Gesetz Wärme (EEWärmeG), wenn im Neubau 15 % des Wärmeenergiebedarfs solar gedeckt wird. In einigen Bundesländern wie Baden-Württemberg besteht zusätzlich eine Pflicht zum Einsatz erneuerbarer Wärme im Bestand, wenn die Heizungsanlage ausgetauscht wird. Mit 0,04 m2 Kollektorfläche pro Quadratmeter Wohnfläche sind auch hier die Anforderungen erfüllt. Mit der Novellierung des Bundes EEWärmeG im Mai 2011 gilt die Nutzungspflicht nicht nur für Neubauten, sondern auch für bestehende öffentliche Gebäude mit ihrer besonderen Vorbildfunktion. Die Nutzungspflicht erneuerbarer Wärme muss auch beachtet werden, wenn die öffentliche Hand Gebäude anmietet. Seit Mitte der achtziger Jahre ist die jährlich installierte Kollektor-und Absorberfläche von 0,025 Millionen auf mehr als 1 Millionen Quadratmeter angestiegen. Der Absatzmarkt schwankt jedoch stark mit 2,1 Millionen m2 im Spitzenjahr 2008, einem Abfall auf 1,15 Millionen in 2010 und einem leichten Anstieg auf 1,25 Millionen bzw. 1,2 Millionen m2 in 2011 und 2012 sowie einem Marktrückgang auf 0,9 Millionen m2 in 2014. Mit insgesamt etwa 18,4 Millionen m2 installierter Kollektorfläche bzw. 12,6 GW installierter Leistung werden jährlich etwa 7000 GWh Wärme bereitgestellt und etwa 1,7 Million Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid vermieden. Die europäische Solarthermieplattform ESTTP geht davon aus, dass 2030 rund 50 % des Gesamtwärmebedarfs der EU durch Solarthermie gedeckt werden kann. Solarthermische Kollektoren werden zur Trinkwassererwärmung, zur Heizungsunterstützung von Gebäuden, zur Schwimmbadbeheizung, für die Prozesswärmeerzeugung und die solare Kühlung eingesetzt. Das vorrangige Einsatzgebiet ist immer noch im Einoder Zweifamilienhaus. 53 % der deutschen Wohneinheiten und damit des Wärmebedarfs liegen jedoch in Mehrfamilienhäusern, in denen jedoch nur etwa 1 % der Solarwärmeanlagen installiert wurde. Bis 2050 soll der Endenergiebedarf für Wärme halbiert werden und die Solarthermie 25 % des Wärmebedarfs in Deutschland decken. Dazu ist ein Strukturwandel von den heute mit 88 % dominierenden Einzelheizungen zu netzgebundener Versorgung erforderlich. 2050 soll der Anteil von netzgebundener Wärme von heute 12 % auf 60 % steigen (Nitsch, 2015).2) Solarthermische Anlagen können am effizientesten in große solar gestützte Nahwärmenetze mit oder ohne saisonale Speicher eingebunden werden. Insgesamt müssen etwa 250 Millionen Quadratmeter Kollektorfläche installiert werden, um 25 % des Bedarfs zu decken. Auch solare Prozesswärme hat ein hohes Potential in Deutschland mit etwa 100 GW substituierbarer thermischer Leistung. Für den Temperaturbereich über 100 °C sind mittlerweile doppelt verglaste Kollektoren zur Reduzierung der Wärmeverluste marktverfügbar. Inzwischen sind in Deutschland rund 2 Millionen Solaranlagen installiert. In den letzten 15 Jahren ist Solarwärme etwa 40 % billiger geworden und große solarthermische Anla-

1) 2)

Für die 77. Auflage grundlegend überarbeitet von Prof. Dr. Ursula Eicker, Stuttgart. Nitsch, J.: Szenarien der deutschen Energieversorgung und ihre Auswirkungen auf den Wärmesektor. 25. OTTI-Symposium Thermische Solarenergie 2015.

2.2.5 Erzeugung

1063

gen können heute wirtschaftlich betrieben werden. Mehr als 75 % der Wertschöpfung verbleibt im Inland.

2.2.5-5.2

Kollektoren

Thermische Solarkollektoren werden ihrer Bauart und dem Wärmeträgermedium nach unterschieden. Die meisten Kollektoren verwenden Wasser als Wärmeträger, versetzt mit Frostschutzmittel, einige Systeme werden mit Luft betrieben. Kollektoren für Schwimmbadanlagen, Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren unterscheiden sich im Wesentlichen durch die abnehmenden Wärmeverluste zwischen Absorber und Umgebung. Verglaste Abdeckungen reduzieren die langwelligen Strahlungs- und Konvektionsverluste, eine zusätzliche Evakuierung zwischen Absorber und Verglasung vermeidet fast vollständig die Konvektionsverluste. Während in Deutschland bisher nur 12 % des Kollektormarktes aus Vakuumröhren bestehen, werden im größten Abnehmerland solarthermischer Anlagen China fast ausschließlich Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Der Flachkollektor besteht aus meist selektiv beschichteten Metallabsorbern aus Kupfer oder Aluminium mit integrierten Rohren für die Trägerflüssigkeit. Zur Verringerung von Wärmeverlusten an die Umgebung ist die Rückseite des Absorbers gedämmt und die Oberfläche wird mit einer ein- oder zweischichtigen Glasscheibe abgedeckt (Bild 2.2.5-189). Zur Gewichtsreduktion können für die zweite Schicht auch dünne Polymer Folien verwendet werden.

Bild 2.2.5-189. Querschnitt durch einen Flachkollektor.

Flachkollektoren lassen sich als Indachlösung mit guter Optik und geringer Windangriffsfläche integrieren. Bei nachträglichen Installationen werden oft Aufdachlösungen gewählt mit Kollektorbefestigungen über Sparrenanker bei einem Abstand zur Eindeckung von etwa 6–8 cm. Bei Flachdächern werden meist aufgeständerte Anlagen gebaut (Bild 2.2.5-190). Bei solaren Großanlagen ist die Aufständerung etwa 20–30 % teurer als die Dachintegration von Großflächenkollektoren. Die Bruttodachfläche wird nur zu etwa 50 bis maximal 60 % genutzt, da gegenseitige Verschattung der Kollektoren vermieden werden muss. Bei Schrägdächern kann die Ausnutzung bis zu 90 % betragen. Die Anforderung an die Statik aufgrund der Windlasten ist bei Aufständerung deutlich höher. Bei Kollektoranlagen über 50 m2 sollten die einzelnen Module mindestens 5 m2 groß sein. Bewährt haben sich komplette Kollektordächer, die eine sehr schnelle Montage innerhalb von ein bis zwei Tagen auch für sehr große Anlagen mehrerer hundert Quadratmeter ermöglichen. Um die Dachdichtigkeit zu gewährleisten, sollte die Dachneigung mindestens 20° betragen. Ein Standard-Flachkollektor kostet je nach Hersteller etwa 120 bis 300 €/m2 Kollektorfläche und liefert jährlich ca. 300 bis 550 kWh/m2 Solarwärme. Beim Vakuum-Röhrenkollektor befindet sich der Absorber in einem evakuierten Glasrohr. Der Absorber ist entweder als Metallstreifen analog zum Flachkollektor oder als Beschichtung einer evakuierten Doppelglasröhre ausgeführt. Der Wärmetransport erfolgt direkt, indem die Wärmeträgerflüssigkeit die Absorberrohre durchströmt (Bild 2.2.5-191), oder indirekt mittels Wärmerohr (heat pipe). Beim Wärmerohrprinzip transportiert ein Kältemittel Wärme vom Absorber zum Wärmetauscher am oberen Kollekto-

2

1064

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

rende. Das Kältemittel, z. B. Wasser oder Alkohol, verdampft durch die Wärmeaufnahme und steigt im Wärmerohr auf. Die Wärmeträgerflüssigkeit, die den Wärmetauscher durchströmt, nimmt die Wärme auf, und das Kältemittel kondensiert. Das flüssige Kältemittel fließt durch das gegebene Kollektorgefälle wieder nach unten. Zur Reduzierung von Wärmeverlusten und mechanischen Beanspruchungen durch die Metall-Glas-Verbindung wurde die sogenannte „Sidney“-Röhre mit einem evakuierten Doppelglas entwickelt, auf deren Innenseite der Absorber aufgedampft ist. Zur Nutzung der kompletten runden Absorberfläche werden oft zusätzliche Reflektoren als sogenannte CPC Kollektoren eingesetzt (siehe Bild 2.2.5-192). Der externe Spiegel unterliegt jedoch Witterungseinflüssen. Alternativ können Reflektoren auf der Innenseite des äußeren Glasrohres eingesetzt werden. Vakuum-Röhrenkollektoren kosten zwischen 200 und 400 €/m2 für Kleinanlagen. Neue Entwicklungen von kosteneffizienten Vakuum Röhrenkollektoren mit sehr kostengünstigen Sidneyröhren (2 bis 4 € pro Einzelröhre) ergaben Bruttokosten von nur knapp 50 € pro Quadratmeter bzw von 95–165 €/m2 inklusive Feldverrohrung für 300 m2 Bruttokollektorfläche1). Luftkollektoren (Bild 2.2.5-193) werden derzeit in Deutschland in geringerem Umfang eingesetzt. Luftheizsysteme auf solarer Basis nutzen Kollektoren zur direkten Beheizung der Außenluft. Luftkollektoren lassen sich gut mit mechanischen Lüftungssystemen kombinieren oder als Wärmequelle für eine Wärmepumpe betreiben. Über einen Wärmetauscher ist auch die Trinkwarmwassererzeugung möglich.

Bild 2.2.5-190. Montagevarianten für Flachkollektoren im Dachbereich: Indach, Aufdach, Aufgeständert.

Bild 2.2.5-191. Vakuumröhrenkollektoren mit direkter Durchströmung und als Wärmerohr ausgeführt (A = Absorber, B = Doppelrohr, C = Vakuum-Glasröhre, D = Rohrverschraubung, E = Wärmetauscher mit Kondensator, F = Wärmerohr mit Wasser oder Alkoholfüllung)

1)

Vukits et al.: AEE Intec 2015 – Entwicklung von hocheffizienten und kostenoptimierten Mitteltemperaturkollektoren für solarthermische Großanlagen. 25. OTTI-Symposium Thermische Solarenergie.

2.2.5 Erzeugung

1065

Bild 2.2.5-192. Doppelglas-Vakuumröhrenkollektor mit CPC Reflektor

2 Bild 2.2.5-193. Aufbau eines solarthermischen Luftkollektors.

Die Stillstandtemperatur (keine Wärmeabnahme) von Flachkollektoren liegt bei etwa 160–200 °C, bei Vakuumröhren zwischen 200 und 300 °C. Bei solchen Temperaturen muss unbedingt temperaturbeständige Wärmedämmung verwendet und Weichlöten der Solarkreisverrohrung vermieden werden. Für hocheffiziente Vakuumröhren sollten spezielle Solarflüssigkeiten verwendet werden, um Ablagerungen im Kollektor zu vermeiden. Ein Vorteil von Vakuumröhrenkollektoren mit Heat Pipes liegt in der Begrenzung der maximalen Stillstandstemperatur auf etwa 130–150 °C, bei welcher der komplette Absorberinhalt verdampft ist und sich im Kondensator befindet. Die Lebensdauer solarthermischer Kollektoranlagen liegt bei etwa 30 Jahren, die der elektronischen Komponenten bei etwa 20 Jahren. Herstellergarantien sind meist auf 10 bis 12 Jahre begrenzt. Vorschriften über Sicherheit, Prüfung und Wirkungsgrade befinden sich in den europäischen Normen EN 12975, EN 12976 und EN 12977. Die energetische Bewertung solarthermischer Anlagen erfolgt auf der Basis der DIN 4701-10. 2.2.5-5.2.1

Wirkungsgrade

Die Nutzleistung und der Wirkungsgrad thermischer Kollektoren werden durch die optischen Eigenschaften der transparenten Abdeckung und des Absorbers sowie die Wärmeverluste zwischen Absorber und Umgebung bestimmt. Ist die mittlere Absorbertemperatur Ta bekannt, erhält man die flächenbezogene Nutzleistung aus einer einfachen Leistungsbilanzbetrachtung. Die durch die Abdeckung mit dem Transmissionsgrad τ transmittierte und mit dem Absorptionsgrad α absorbierte Einstrahlung G minus · den Wärmeverlusten gegenüber Umgebungstemperatur To ergibt die Nutzleistung Q n pro Quadratmeter Aperturfläche A. Bei der Angabe der Bezugsfläche muss unbedingt zwischen Absorberfläche und Aperturfläche unterschieden werden, da insbesondere bei Vakuumröhrenkollektoren die Absorberfläche deutlich kleiner als die Aperturfläche oder auch die Bruttokollektorfläche ist. Q· ------n = G τα – U t ( T a – T o ) A

{

Der Wirkungsgrad des solarthermischen Kollektors ergibt sich aus dem Verhältnis der flächenbezogenen Nutzleistung durch die Einstrahlung in der Kollektorebene. ( Ta – To ) Q· η = -------n- = τα – U t ---------------------G AG

ηo

1066

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

η0 stellt den optischen Wirkungsgrad des Kollektors dar. Der Wärmedurchgangskoeffizient des Kollektors Ut setzt sich aus den Verlusten über die Kollektorvorder- und Rückseite sowie die Seitenflächen zusammen. Das Verhältnis aus der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung Ta –To und Einstrahlung G wird als reduzierter Parameter bezeichnet. Die Temperatur auf dem Absorberblech Ta ist jedoch eine komplizierte Funktion des Abstands von den wärmeabführenden Fluidröhren sowie der Absorberlänge, so dass der Mittelwert nicht einfach verfügbar ist. Messbar ist dagegen die Fluideintrittstemperatur in den Kollektor oder auch die mittlere Fluidtemperatur, die bei nicht zu geringen Durchflussmengen durch den arithmetischen Mittelwert zwischen Ein- und Auslasstemperaturen gegeben ist. Vor allem die Darstellung der Nutzenergie als Funktion der Fluideintrittstemperatur ist für Systemsimulationen sehr nützlich, da die Fluideintrittstemperatur durch die Speichertemperatur vorgegeben ist. In der Kollektorprüfung hat sich für die Wirkungsgradkennlinie die Verwendung der mittleren Fluidtemperatur durchgesetzt. Der Wirkungsgradfaktor F´ aus der Lösung der Temperatur-Differentialgleichungen gibt das Verhältnis der tatsächlichen Nutzleistung zu der höheren Nutzleistung an, die sich für ein Absorberblech auf der niedrigen mittleren Fluidtemperatur Tm ergeben würde (mit entsprechend geringeren Wärmeverlusten). (T – T )

  

m o η = F ′τα – F ′ U t ----------------------G η o, eff

Die Temperaturabhängigkeit des Wärmeverlustkoeffizienten, die insbesondere bei hohen Kollektortemperaturen zu einem nichtlinearen Abfall des Wirkungsgrades führt, wird durch eine einfache lineare Funktion angenähert . F´Ut = a1 + a2 (Tm – To) Daraus ergibt sich für die Kennlinie folgende einfache Gleichung: 2

a1 Δ T a2 Δ T η = η 0, eff – ------------ – --------------G

G

Die Parameter der Kennlinien werden nach dem in EN 12975-1 beschriebenen Verfahren experimentell bestimmt. Beispielhafte Werte für einen Flachkollektoren bezogen auf die Absorberfläche liegen für η0,eff zwischen 75 und 85 %, mit einem linearen Wärmeverlustkoeffizienten a1 zwischen 2,6 und 4,0 Wm–2 K–1 und einem quadratischen Wärmeverlustkoeffizienten a2 zwischen 0,006 und 0,022 Wm–2 K–2. Bei Vakuumröhren liegen typische optische Wirkungsgrad zwischen 62 und 77 %, der Wert a1 zwischen 0,8 und 1,7 Wm–2 K–1 und a2 zwischen 0,001 und 0,02 Wm–2 K–2. Mittlerweile sind sehr effiziente Großkollektoren (13 m2 Fläche) mit η0,eff von 84 % a1 von 2.685 W m–2 K–1 und a2 von 0,007 marktverfügbar. Eine Reihe von Kennlinien heute verfügbarer Flach- und Vakuumröhrenkollektoren sind in Bild 2.2.5-194 dargestellt. Die Abbildung charakterisiert die Arbeitsbereiche für Solaranlagen. Mit zunehmendem Temperaturunterschied sinkt der Wirkungsgrad des Flachkollektors deutlich stärker gegenüber den Vakuumröhrenkollektoren. Aus dem Schnittpunkt der Kennline mit der Ordinate ergibt sich der Konversionsfaktor η0,eff als maximaler optischer Wirkungsgrad bei ΔT = 0 K. Um eine gegebene Temperaturdifferenz zur Umgebung zu erzeugen, werden bei zunehmender Solareinstrahlung höhere Wirkungsgrade erzielt (der reduzierte Parameter ist kleiner).

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-194. Wirkungsgradkennlinien handelsüblicher Flach- und Vakuumröhrenkollektoren.

Einfaches dynamisches Kollektormodell Die effektive Wärmekapazität Ceff des Kollektors wird in dynamischen Testverfahren nach EN 12975-2:2001, Teil 2 flächenspezifisch ermittelt (in kJm–2 K–1). Damit kann die Nutzenergie dynamisch berechnet werden. dT m ( t ) ·c Q· ------n = m ------- (Taus – Tein) = η0 · Gt – a1 (Tm (t) – T0) – a2 (Tm (t) – T0)2 – Ceff -----------------dt A A Wird vereinfacht die mittlere Fluidtemperatur als Mittelwert zwischen Einlass- und Auslasstemperatur angenommen, kann die Kollektorgleichung umgeformt und die Differenzialgleichung gelöst werden. Bei bekannter Anfangstemperatur des Kollektors Tm,0 zum Zeitpunkt t = 0 ist die Lösung der Differentialgleichung b⋅t  b⋅t  – --------– -------- C eff  C  b ⋅ T m,0 + a ⋅ e eff – a e   Tm(t) = -----------------------------------------------------------------------b

Dammit werden die zwei Parameter a und b mit den Werten des jeweils letzten Zeitschritts berechnet. · ⋅c⋅T 2⋅m 2 ein a = η 0 ⋅ G + a 1 ⋅ T 0 – a 2 ⋅ ( T m ( t ) – T 0 ) = -------------------------------A · ⋅c 2⋅m b = a 1 – -----------------A Der Unterschied beider Ansätze ist klar erkennbar. Das statische Modell springt bei Einstrahlungsänderungen sofort auf die stationäre Endtemperatur, während das dynamische Modell langsamerer Temperaturänderungen aufweist. Ein Problem bei dem dynamischen Einknotenmodell sind jedoch Änderungen im Kollektormassenstrom. Wenn nach einer Pumpenabschaltung der Kollektormassenstrom wieder erhöht wird, steigt die Austrittstemperatur signfikant über die mittlere Fluidtemperatur an. Dieses unrealistische Verhalten wird durch die vereinfachte Annahme der mittleren Fluidtemperatur als arithmetischer Mittelwert aus Ein- und Austrittstemperatur verursacht (Taus = 2Tm –Tein): Wird nach einem Stillstand mit hoher mittlerer Fluidtemperatur die neue Austrittstemperatur aus alter Fluidmittelwert- und kalter Eintrittstemperatur berechnet, ergeben sich unrealistisch hohe Austrittstemperaturen.

1067

2

1068

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Das Problem kann durch weitere Diskretisierung in Strömungsrichtung behoben werden. Der Kollektor wird dazu in gleich große Segmente unterteilt und die Segmenteintrittstemperatur jeweils aus der Austrittstemperatur des vorigen Elementes berechnet.

Bild 2.2.5-195. Vergleich des statischen und dynamischen Kollektormodells

2.2.5-5.2.2

Energieertrag Kollektoren

Optimale Neigungswinkel von Kollektoren liegen bei Südorientierung etwa bei der geographischen Breite minus 10°, also in Deutschland um die 40°. Zwischen 20° und 60° Neigung reduziert sich die jährliche Einstrahlung um lediglich 5 % bei Südausrichtung. Azimut-Abweichungen von der Südorientierung bis zu 50° führen zu einer Einstrahlungsminderung von 10 % (siehe Bild 2.2.5-196). Die Strahlungsenergie der Sonne auf eine horizontale Fläche in Deutschland liegt je nach Region zwischen 915 bis 1170 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Dieser Wert entspricht etwa 90 % der maximalen jährlichen Einstrahlung. In Südeuropa sind Werte bis 1600 kWh/m2 a möglich (siehe Bild 2.2.5-198). Typische Systemnutzungsgrade von thermischen Solaranlagen liegen zwischen 30 und 40 %, so dass sich je nach Standort und Einstrahlung Systemerträge von 350-500 kWh/ m2a in Deutschland ergeben.

Bild 2.2.5-196. Prozentuale Einstrahlungsverluste für Flächen mit unterschiedlichen Azimutwinkeln (0° entspricht Süd) und Neigungswinkeln (0° entspricht der Horizontalen, 90° einer Fassade) für den Standort Stuttgart. Alle Einstrahlungswerte wurden mit der Simulationsumgebung INSEL berechnet (www.insel.eu).

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-197. Jährliche Einstrahlung auf die horizontale Fläche in kWh pro Quadratmeter generiert aus der INSEL-Wetterdatenbank (www.insel.eu).

Systemtechnik Die Systemtechnik von Solaranlagen umfasst die Hauptkomponenten Kollektor und Speicher sowie die Solarkreishydraulik und Sicherheitstechnik. Bei kleinen Solaranlagen erfolgt die Wärmeübertragung über speicherintegrierte Wärmetauscher. Innenliegende Wärmetauscher sind mit Flächen von 1 bis 2 m2 in 200 bis 500 Liter Speichern auf etwa 5 kW Leistung begrenzt. Bei größeren Anlagen müssen daher externe Wärmetauscher eingesetzt werden, die einen zweiten Pumpenkreislauf erfordern. Durch die erzwungene Strömung an beiden Seiten der wärmeübertragenden Fläche steigen die Übertragungsleistungen von Gegenstrom-Plattenwärmetauschern auf 1000–4000 W/m2K, womit bei Plattenabständen von wenigen Millimetern pro m3 Bauvolumen sehr hohe Leistungen übertragen werden können. Für die Trinkwassererwärmung im Einfamilienhaus sind Speichervolumen von 200 bis 500 Litern ausreichend. Die Speicherkosten liegen bei etwa 3000 Euro pro m3. Große Solaranlagen mit geringen Deckungsanteilen werden mit Kurzzeitspeichern (Tagesspeicher) gebaut. Kostengünstige Standard-Stahlspeicher mit maximal 5 m3 Volumen können dann in Serie bis zu 3 Einheiten geschaltet werden. Die Speicherkosten liegen bei 700 bis 1500 € pro m3. Bei Anlagen mit Mehrtagesspeichern können Stahlpufferspeicher bis zu 200 m3 Volumen verwendet werden. Die Energiedichten von Wasserspeichern liegen bei etwa 60 kWh/m3, abhängig vom nutzbaren Temperaturniveau. Latentwärmespeicher auf Basis von Salzhydraten oder Paraffinen weisen etwa doppelt so hohe Speicherdichten auf. Thermochemische Speicher basieren auf Adsorptionsprozessen an Silikagelen oder Zeolithen mit 2- bis 3-facher Speicherdichte oder chemischen Reaktion bis zu 10-facher Speicherdichte von Wasserspeichern. Bei der Dehydratisierung von Salzhydraten im Temperaturbereich von 100 bis 150 °C werden Speicherdichten von 630 kWh/m3 erzielt. Erste Prototypen sind mittlerweile im Labortest. In den meisten solarthermischen Anlagen wird der Wärmeträger in einem geschlossenen Rohrsystem mit einer Pumpe zwangsumgewälzt. Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,4 und 0,7 ms–1 sind für Wasser-Glykolgemische empfehlenswert, um die Druckverluste gering zu halten und eine gute Entlüftung zu gewährleisten. Bei Anlagengrößen bis 40 m2 liegen typische Gesamtdruckverluste zwischen 0,3 · 105 Pa und 0,8 · 105 Pa, jeweils zu einem Drittel durch das Kollektorfeld, die Rohrleitungen und den Wärmetauscher verursacht. Bei Anlagen zwischen 40–100 m2 ist ein Kollektorfelddruckverlust von 0,4 · 105 Pa akzeptabel, der restliche Solarkreis sollte auf 0,6 · 105 Pa begrenzt bleiben. Bei Großanlagen über 100 m2 sind typische Druckverluste von 0,7 · 105 Pa im Kollektorfeld und 0,9 · 105 Pa im Solarkreis zu erwarten. Die elektrische Jahresarbeitszahl als Verhältnis des solaren Nutzertrags zur jährlichen elektrischen Hilfsenergie liegt bei kleinen Solaranlagen typisch bei 20, bei größeren Anlagen mit hocheffizienten Pumpen bis 50 (Wesselak und Schabbach, 2009).1)

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2

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2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Ein Ausdehnungsgefäß ist wesentlicher Bestandteil des Überhitzungsschutzes: da bei Anlagenstillstand und üblichem Systemdruck von 3 bis 6 × 105 Pa die Solarkreisflüssigkeit im Kollektor siedet, nimmt bei kleinen Anlagen das Ausdehnungsgefäß nicht nur die Volumenvergrößerung der Solarkreisflüssigkeit von etwa 10 %, sondern auch den kompletten verdampfenden Kollektorinhalt von etwa 0,5 bis 2 Litern pro Quadratmeter Kollektorfläche auf. Betriebserfahrungen mit großen Solaranlagen haben gezeigt, dass verdampfter Wärmeträger im gesamten Kollektorfeld, in der Kollektorfeldverrohrung und in etwa einem Drittel der Kollektorkreisverrohrung auftritt. Teilweise tritt Dampf bis in den Heizungskeller auf. Es ist sinnvoll, die Ausdehnungsgefäße auf dieses Volumen auszulegen und gegebenenfalls das Sicherheitsventil auf Abblasen bei höheren Druckniveaus (bis etwa 8 bar) zu dimensionieren. Trinkwassererwärmung Bild 2.2.5-198 zeigt eine thermische Solaranlage mit speicherintegrierten Wärmetauschern für Solaranlage und zentrale Nachheizung. Die Pumpe geht bei einer Temperaturdifferenz von etwa 5–8 K zwischen Kollektor und Speicher in Betrieb und schaltet bei Absinken der Temperaturdifferenz auf 2–3 K wieder ab. Der durchschnittliche jährliche Deckungsgrad für die Trinkwarmwasserbereitung liegt bei etwa 60 %, wobei in den strahlungsreichen Sommermonaten 100 % des Bedarfs gedeckt werden. Dafür werden etwa 1–1,5 m2 Flachkollektorfläche oder 0,8–1,3 m2 Vakuumröhrenkollektoren pro Person benötigt. Der dazugehörige Trinkwasserspeicher bemisst sich nach der Anzahl der Personen und dem durchschnittlichen Verbrauch von etwa 40 Liter pro Tag: übliche Speichergrößen für einen 4 Personenhaushalt liegen bei 300 Litern, bei sechs Personen sind 500 Liter empfehlenswert. Die Systemkosten betragen abhängig von Fabrikat und Bauart zwischen 600 und 1500 €/m2 Kollektorfläche. Die gesamten Systemkosten teilen sich im Durchschnitt wie folgt auf: 36 % Kollektormodule, 21 % Montage, 26 % Speicher mit Wärmetauscher, 8 % Solarstation inkl. Regelung und 9 % Sonstiges. Bei Investitionskosten von 4000 bis 6000 € für eine Solaranlage zur Trinkwassererwärmung und einer Lebensdauer von 20 Jahren liegen die Wärmegestehungskosten für Kleinanlagen ohne Förderung zwischen 0,14 und 0,30 €/kWh. Bei solaren Großanlagen über 100 m2 Brutto-Kollektorfläche sind je nach Speichergröße Systemkosten von 450 bis 600 €/m2 Brutto-Kollektorfläche realistisch. Daraus ergeben sich dann Wärmepreise, die zwischen 0,05 und 0,15 €/kWh liegen und damit durchaus konkurrenzfähig sind. Die energetische Amortisationszeit einer Solaranlage zur Warmwassererzeugung liegt zwischen 12 und 24 Monaten. 2.2.5-5.2.3

Heizungsunterstützung

Heizungsunterstützende solarthermische Anlagen dominieren mittlerweile den Markt. Zwischen den monatlichen solaren Einstrahlungs- bzw. Kollektorertragsmaxima und dem Heizwärmebedarf von Gebäuden besteht eine etwa halbjährige Phasenverschiebung. Sensible Wärmespeicher haben jedoch nur eine geringe Wärmespeicherkapazität von wenigen Tagen. Dies hat zur Folge, dass heizungsunterstützende Anlagen meist für nicht mehr als 15–30 % Deckungsgrad des Heizwärmebedarfs ausgelegt werden, da sonst sommerliche Überhitzung, längerer Anlagenstillstand und sinkende flächenspezifische Kollektorerträge unvermeidlich sind. Kollektorflächen zwischen 10–20 m2 pro Wohneinheit können jedoch neben der ganzjährigen Trinkwassererwärmung ohne nennenswerte Ertragsreduzierung für die Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Am Beispiel eines 2005 errichteten Stuttgarter Mehrfamilienhauses mit 1600 m2 Grundfläche wird die Notwendigkeit der Energiespeicherung für hohe solare Deckungsgrade deutlich. Wird die Solaranlage von 60 m2 für Trinkwassererwärmung (enspricht 1,5 m2/ Person) auf 150 m2 zur Heizungsunterstützung vergrößert (bei Speichervolumen von 3,6 und 9 m3), entstehen in den Sommermonaten hohe Solarerträge, die nur teilweise genutzt werden können (siehe Bild 2.2.5-199).

1)

Wesselak, V.; Schabbach, T.: Regenerative Energietechnik. Springer Verlag, Berlin 2009 — ISBN 978-3-540-95881-9.

2.2.5 Erzeugung

Als Anlagenkonzepte werden kostengünstige Kombispeicher (Bild 2.2.5-200) oder Frischwasserstationen (Bild 2.2.5-201), immer seltener Zwei-Speicherkonzepte, eingesetzt. Wichtig für einen hohen Solarertrag ist die Temperaturschichtung des Speichers, da lange Laufzeiten der Kollektorkreispumpe nur bei geringen Temperaturniveaus im unteren Speicherbereich möglich sind. Um das Verkeimungsrisiko des Trinkwassers bei langen Standzeiten im Speicher zu verringern, wird das Trinkwasser in Frischwasserstationen nur bei Zapfung erwärmt. Dazu ist eine drehzahlgeregelte Pumpe erforderlich und ein Wärmeübertrager hoher Leistung (Bild 2.2.5-201). Für die Nachheizung werden bei solarthermischen Anlagen entweder fossil oder Biomasse befeuerte Heizkessel oder elektrische Wärmepumpen eingesetzt. Bei der Kombination mit Wärmepumpen sind verschiedene Systemkonfigurationen möglich: entweder heizen Solaranlage und Wärmepumpe auf denselben Speicher (Trinkwasser oder Pufferspeicher), oder die thermische Energie der Solaranlage wird als Quelle für den Verdampfer der Wärmepumpe genutzt. Dadurch sind beträchtliche Steigerungen der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe möglich. Zum einen reduziert die thermische Solaranlage die Laufzeit der Wärmepumpe für die Trinkwassererwärmung, die aufgrund der hohen Temperaturen energetisch ungünstig ist. Zum anderen steigt durch die Solarwärme die Quellentemperatur der Wärmepumpe mit entsprechender Leistungszahlsteigerung. Da nach dem EEWärmeG die Jahresarbeitszahl von Luft/Wasserwärmepumpen im Neubau bei mindestens 3,5, im Bestand bei 3,3 liegen muss, bei Sole/Wasser WP bei 4,0 bzw. 3,8, kann die thermische Solaranlage zum Erreichen der anspruchsvollen Zielwerte beitragen. Bei einer solarthermischen Anlage mit 15 m2 Kollektorfläche steigt die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe bei Trinkwassererwärmung und thermischer Unterstützung der Wärmepumpenverdampfung um 5 %. Wird der thermische Ertrag der Solaranlage dem Wärmepumpensystem komplett zugeschlagen, ergibt sich eine Jahresarbeitszahlsteigerung von etwa 35 %. Die Systemgrenze für die Ermittlung der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe berücksichtigt jedoch nach VDI 4650-2009 den Solarertrag nicht.1)

Bild 2.2.5-198. Trinkwassererwärmung durch Solarkollektoren mit zentraler Nachheizung.

1)

Lang, R.: Potentiale der Effizienzsteigerung durch Kopplung von Solarthermie und Wärmepumpen. VDI-Berichte 2074, 2009.

1071

2

1072

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-199. Heizwärme und Warmwasserbedarf eines Mehrfamilienhauses zusammen mit solarer Nutzenergie für Warmwasser und des möglichen Ertrags einer Heizungsunterstützenden Anlage. Neben den Messwerten des Heizwärmeverbrauchs sind die Angaben der EnEV 2001 dargestellt sowie die heute gültigen niedrigen Bedarfswerte nach EnEV 2009.

Bild 2.2.5-200. Solaranlage zur Heizungsunterstützung mit Kombispeicher.

Bild 2.2.5-201. Solaranlage zur Heizungsunterstützung mit Frischwasserstation

2.2.5 Erzeugung

2.2.5-5.2.4

Solare Großanlagen

Während der Hauptmarkt für solarthermische Anlagen weiterhin der Ein- und Zweifamilienhausbereich ist, bieten erst große Solaranlagen ein deutliches Kostenreduktionspotential. Solare Großanlagen für die Warmwasserbereitung mit Kurzzeitspeichern werden dabei typisch für 10–20 % solaren Deckungsanteil ausgelegt, um auch bei sommerlichen Schwachlastzeiten den Stillstand zu vermeiden. Bei gleichzeitiger zentraler Raumwärmeversorgung werden oft Vier-Leiter Netze verwendet, um die unterschiedlichen Temperaturbereiche für die Warmwassererwärmung und Raumheizung besser regeln zu können. Die Brauchwassererwärmung erfolgt hier zentral, so dass eine Zirkulationsleitung mit entsprechenden Wärmeverlusten erforderlich wird. Bei Zwei-Leiter-Netzen benötigt jede Wohneinheit eine eigene Übergabestation für die Trinkwasserbereitung mit entsprechenden Kostensteigerungen (Bild 2.2.5-202). Die Vorlauftemperaturen liegen je nach Auslegung zwischen 50 und 65 °C. Die Rücklauftemperaturen können bei gutem hydraulischen Abgleich bei etwa 30 °C gehalten werden und sorgen für eine hohe Gesamteffizienz. Vor allem bei kleinen bis mittleren Geschosswohnungsbauten lassen sich sowohl energetische als auch ökonomische Vorteile gegenüber den 4-Leiter-Netzen erzielen, vor allem wenn die Brauchwassererwärmung in Frischwasserstationen und nicht über dezentrale Speicher erfolgt. Detaillierte Messungen an 10 solar unterstützten Wärmenetzen zeigten, dass bei solaren Gesamtdeckungsgraden von 12 bis 20 % Amortisationszeiten von 10 bis 25 Jahren erreicht wurden bei Anlagenlebensdauern von mindestens 25 Jahren.1) Eine geschichtete Einspeicherung der Solarwärme ist durch innenliegende Steigrohre mit Membranklappen möglich, die einen Austritt erwärmten Fluids geringer Dichte erst in einer Höhe ermöglichen, an der das umgebende Speicherfluid ebenfalls eine geringe Dichte und damit hohe Temperatur aufweist. Die Heizwärme wird aus dem oberen Speicherbereich abgezogen und in Abhängigkeit von der Heizungsrücklauftemperatur geschichtet wieder eingespeichert. Alternativ kann die Einspeisung extern über Dreiwegeventile temperaturabhängig gesteuert werden. Große zentrale Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung mit Kollektorflächen größer 100 m2 eignen sich besonders für Gebäude mit kontinuierlich hohem Warmwasserbedarf > 5 m3/Tag wie Krankenhäuser, Pflege- und Altenwohnheime und große Wohnanlagen. Alle Großanlagen verfügen über zentrale Pufferspeicher mit Speicherinhalt > 5 m3 und differieren vorwiegend im Konzept der Wärmeumladung auf das Brauchwasser. Verbreitet sind Konzepte zur Vorwärmung des Brauchwassers im Durchlaufprinzip über einen externen Wärmetauscher mit konventioneller Nacherhitzung in einem Brauchwasserspeicher. Da am verbrauchsseitigen Eintritt in den externen Wärmetauscher stets die Kaltwassertemperatur des Leitungsnetzes angeboten wird, ist die Rücklauftemperatur in den Pufferspeicher bei diesem Konzept niedrig und der Solaranlagenertrag bis zu 10 % höher als bei klassischen Ladespeicherkonzepten. Neben der speziellen Regelungsproblematik durch stark schwankende Zapfraten lassen sich bei dieser Variante die Zirkulationsverluste jedoch nicht über den Solarpuffer decken.

1)

1073

Fink, C.; Riva, R.; Pertl, M.; Wagner, W.: OPTISOL – messtechnisch begleitete Demonstrationsprojekte für optimierte und standardisierte Solarsysteme im Mehrfamilienwohnungsbau. Endbericht, AEE Gleisdorf, 2006.

2

1074

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bild 2.2.5-202. Systemschema für große Solaranlagen im Geschosswohnungsbau zur Heizungsunterstützung mit Frischwasserstation

Bild 2.2.5-203. Brauchwasservorerwärmung über externe Wärmetauscher geregelt über den gemessenen Brauchwasserdurchfluss.

Das klassische Ladespeicherkonzept basiert auf der Umladung von Wärme aus dem Pufferspeicher in einen Brauchwasserspeicher, sobald das Temperaturniveau im Puffer oberhalb des Brauchwassertemperaturniveaus im Speicher liegt. Bei bereits bestehenden Anlagen können existierende Speicher als Nachheizspeicher verwendet werden und der zusätzliche Brauchwasserspeicher für die Solaranlage ist ein reiner Vorwärmspeicher. Nachteilig ist auch dann die fehlende Deckung der Zirkulationsverluste. Wird ein großer Brauchwasserspeicher für Vorwärmung und Nachheizung verwendet, lassen sich auch die Zirkulationsverluste solar bereitstellen. Der Vorwärmbereich ist entweder als separater Speicher ausgeführt oder als großer Standspeicher kombiniert mit dem Nachheizbereich. Um den Vorwärmbereich zur Vermeidung von Legionellenbildung durchheizen zu können, kann Wärme aus dem oberen Speicherbereich entnommen werden.

2.2.5 Erzeugung

Bild 2.2.5-204. Umladung aus zentralem Pufferspeicher in Brauchwasserspeicher.

Beladeregelung Die Beladeregelung des Pufferspeichers erfolgt entweder wie bei den Kleinanlagen über eine Temperaturdifferenzregelung zwischen Kollektor und unterem Speicherbereich oder häufig über eine kombinierte Einstrahlungs-/Temperaturdifferenzregelung. Da bei großen Solaranlagen die Wärmeübertragung an den Puffer über externe Wärmetauscher erfolgt und oft große Leitungslängen vorhanden sind, muss zusätzlich zur Kollektoraustrittstemperatur T1 die Kollektorkreistemperatur am Wärmetauschereintritt T2 erfasst werden, die letztlich für die Wärmeübertragung an den Puffer relevant ist. Für das Einschalten der Kollektorkreispumpe wird entweder ein Temperatursignal des Kollektors oder ein Strahlungssensor verwendet.1) Die Kontrollstrategie lautet: P1 an, wenn T1 – T3 > 8 K; P2 an, wenn T2 – T3 > 7 K und wenn P1 an ist.

Bild 2.2.5-205. Prinzipschaltbild von Beladeregelungen. 1)

Peuser, F.; Croy, R.; Wirth, H.: Erfahrungen mit Regelungen für thermische Solaranlagen im Programm Solarthermie 2000. Teilprogramm 2, Tagungsband 10. Symposium thermische Solarenergie, Staffelstein 2000.

1075

2

1076

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Bei einer reinen Temperaturdifferenzregelung wird die Kollektorkreispumpe P1 angeschaltet, wenn die Kollektortemperatur T1 etwa 8 K über der unteren Speichertemperatur T3 liegt. Bei langen Außenleitungen ist eine Mindestlaufzeit der Pumpe von einigen Minuten erforderlich, damit die erwärmte Kollektorflüssigkeit den Wärmetauschereintritt T2 erreicht. Um ein Vereisen des Wärmetauschers heizkreisseitig sicher zu vermeiden, muss bei langen Außenleitungen ein Bypass vor den Wärmetauscher geschaltet werden. Die Speicherpumpe P2 geht erst dann in Betrieb, wenn auch T2 etwa 7 K über der unteren Speichertemperatur T3 liegt und wenn gleichzeitig die Kollektorpumpe P1 läuft. So wird vermieden, dass bei hohen Heizraumtemperaturen die Speicherpumpe durch eine hohe Fühlertemperatur T2 z. B. nachts anspringt. Die Abschalttemperaturdifferenz sollte wie bei Kleinanlagen mit etwa 2–3 K deutlich niedriger liegen als die Einschalttemperaturdifferenz. Alternativ zur Kollektortemperatur T1 kann ein Strahlungssensor S1 für das Schalten der Kollektorkreispumpe verwendet werden mit einer typischen Einschalteinstrahlung von 200 W/m2. Wieder wird die Speicherpumpe P2 nur in Betrieb genommen, wenn die Wärmetauschertemperatur etwa 7 K oberhalb der unteren Speichertemperatur liegt. Schaltet die Speicherpumpe während der Mindestlaufzeit der Kollektorpumpe nicht zu, wird bei Erreichen eines unteren Einstrahlungswertes von etwa 150 W/m2 wieder abgeschaltet. Bei zugeschalteter Speicherpumpe sollte jedoch allein die Temperaturdifferenz am Wärmetauschereintritt zur Speichertemperatur als Abschaltkriterium verwendet werden und nicht mehr das Einstrahlungssignal. Bei Erreichen der Maximaltemperatur T4 des Speichers muss nicht nur die Speicherpumpe, sondern auch die Kollektorpumpe abgeschaltet werden. Dadurch geht der Kollektor in den Stillstand, die Kollektorflüssigkeit verdampft und wird in das Ausdehnungsgefäß gedrückt oder kontrolliert abgeblasen. Da die Komponenten in Kollektornähe (Entlüftungsventil, Sensoren, Wärmedämmung) auf die hohen Stillstandstemperaturen ausgelegt sind, entsteht kein Problem. Wird die Kollektorpumpe nicht abgeschaltet, zirkuliert dagegen im gesamten Kollektorkreis das Wärmeträgerfluid mit hoher Temperatur und führt zu einer sehr starken thermischen Belastung aller Komponenten. Entladeregelung Die regelungstechnisch höchsten Anforderungen entstehen für eine Trinkwassererwärmung im Durchlaufprinzip. Da sich die besten Wärmeübertragungswirkungsgrade bei gleichem Durchfluss auf Pufferspeicher- und Zapfseite ergeben, muss die Pufferspeicherentladepumpe P3 stufenlos als Funktion des Zapfvolumenstroms drehzahlgeregelt werden. Das Regelungssignal wird entweder durch eine direkte Volumenstrommessung erhalten oder indirekt durch eine dynamische Temperaturdifferenzmessung. Beispielsweise reagiert ein Tauchfühler im Kaltwassereinlauf (T5) sehr viel schneller als ein Rohranlegefühler auf Temperaturänderungen des Fluids: bei Wasserentnahme führt diese unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit zu einem anfänglich hohen Temperaturdifferenzsignal, welches für die Volumenstrommessung verwendet werden kann.

Bild 2.2.5-206. Entladeregelung des Pufferspeichers bei Brauchwasservorwärmung im Direkt-durchfluss.

2.2.5 Erzeugung

1077

Bild 2.2.5-207. Entladeregelung bei Umladung in einen Brauchwasserspeicher.

Einfacher ist die Umladung vom Solarpuffer in einen Brauchwasserspeicher über einen externen Wärmetauscher, der über eine Temperaturdifferenzmessung zwischen oberer Pufferspeichertemperatur T4 und unterer Brauchwasserspeichertemperatur T5 geregelt wird. Die Pufferspeicherentladepumpe P3 und die Brauchwasserumladepumpe P4 laufen, wenn die Pufferspeichertemperatur T4 etwa 7 K oberhalb der unteren Temperatur im Vorwärmspeicher T5 liegt. Bei einer Temperaturdifferenz kleiner 3 K werden beide Pumpen abgeschaltet. Auslegung großer Solaranlagen für die Trinkwassererwärmung Bei großen Solaranlagen hat sich eine knappe Dimensionierung der Kollektorfläche auf den minimalen sommerlichen Bedarf bewährt, um Stillstandszeiten des Kollektorfeldes möglichst zu vermeiden und bei hohen Solarerträgen wirtschaftliche Lösungen anbieten zu können. Bei bedarfsbezogen niedrigen Kollektorflächen werden typische Jahresdeckungsgrade um 20 % erreicht, während bei Kleinanlagen mit deutlich höherer Systemkostendegression pro Quadratmeter Kollektorfläche eine leichte Überdimensionierung im Sommer mit Jahresdeckungsgraden von 60 % durchaus sinnvoll ist. Verbrauchsmessungen an einer Reihe von Gebäudetypen zeigen, dass während der Sommerperiode urlaubsbedingt mit Schwachlastperioden zu rechnen ist, die eine Verbrauchsreduktion bis zu 50 % des Mittelwertes verursachen. Liegt der Verbrauch in einem Krankenhaus täglich bei etwa 50-60 Litern pro Vollbelegungsperson (VP), können in sommerlichen Schwachlastzeiten im zweiwöchigen Mittel nur 35 Liter auftreten (Messwerte bezogen auf die gleiche Planbelegungszahl). Unter der Vorgabe einer Dimensionierung auf diese Schwachlastzeiten kann mit folgenden Werten ausgelegt werden (Croy, 2000): Tafel 2.2.5-14 Spezifischer Warmwasserverbrauch in Litern pro Vollbelegungsperson (VP) und Tag bei 60°C ermittelt aus sommerlichen Schwachlastzeiten.

spez. Verbrauch [l/VP Tag]

Wohngebäude

Krankenhaus

Seniorenheim

Studentenheim

20-25

30-35

30-35

20-25

Ausgehend von dem so berechneten täglichen gesamten Trinkwasserdurchsatz kann die Kollektorfläche abgeschätzt werden. Jahresertragsrechnungen ergeben ein Minimum der solaren Wärmekosten bei einer Auslastung von 70 l Warmwasserbedarf pro Quadratmeter Kollektorfläche. Größere Kollektorflächen bedeuten eine geringere Auslastung der Solaranlage mit höheren Stillstandszeiten, geringerem Ertrag und höheren Systemkosten. Eine höhere Auslastung, d. h. Unterdimensionierung der Kollektorfläche ist dagegen unkritisch. Das spezifische Solarpuffervolumen pro Quadratmeter Kollektorfläche hängt sowohl von der Gleichmäßigkeit des Zapfprofils als auch von der Auslastung des Systems ab. Bei

2

1078

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

gleichmäßigem Zapfprofil in Mehrfamilienhäusern, Krankenhäusern, Seniorenheimen etc. und einer Auslastung von 70 l Warmwasser pro Quadratmeter Kollektorfläche reicht eine Pufferdimensionierung von 40–50 l pro m2 Kollektor aus. Bei größeren Kollektorflächen, d. h. geringerer Auslastung von 40–50 l/m2 sollte auch das Puffervolumen auf 60–70 l/m2 zunehmen. Bei Gebäuden mit stark reduziertem Verbrauch beispielsweise am Wochenende (Gewerbebetriebe) wird eine Pufferdimensionierung je nach Auslastung von 70–100 l/m2 empfohlen. Tafel 2.2.5-15 Systemwirkungsgrad und Pufferspeichervolumen in Abhängigkeit der Auslastung und der Gleichmäßigkeit des Zapfprofils. Auslastung [Liter WW/m2 Kollektorfläche]

Gleichmäßigkeit Zapfprofil

Systemwirkungsgrad [%]

spez. Puffervolumen [l/m2 Kollektorfläche]

70

gleichmäßiges Zapfprofil Mehrfamilienhaus

47

40-50

40

gleichmäßiges Zapfprofil Mehrfamilienhaus

37

60-70

70

Zapfprofil Werkstatt ohne Wochenendverbrauch

36-38

60-80

40

Zapfprofil Werkstatt ohne Wochenendverbrauch

26-28

70-100

Solare Nahwärme Mit solarer Nahwärme wird die zentrale Wärmeversorgung von größeren Wohn- oder Gewerbesiedlungen bezeichnet. Ein solares Nahwärmenetz besteht aus Heizzentrale mit Pufferspeicher und Heizkessel für die Nachheizung, Wärmeverteilnetz, Hausübergabestationen für Heizung und Warmwasser sowie dem oft dezentral auf Gebäuden verteilten Kollektorfeld. Zusätzlich zu dem Kurzzeitpufferspeicher in der Heizzentrale kann über einen Langzeitwärmespeicher die sommerliche Wärmemenge saisonal in die Heizperiode verschoben und der solare Deckungsgrad erhöht werden. Über das solare Nahwärmenetz kann Energie sowohl für die Trinkwassererwärmung als auch für die Heizungsunterstützung bereitgestellt werden. Für eine überschlägige Auslegung muss sowohl der Wärmebedarf der Heizung als auch der Trinkwassererwärmung bekannt sein. Folgende Anhaltswerte können für eine Grobdimensionierung verwendet werden: Tafel 2.2.5-16 Grobdimensionierung solarer Nahwärmesysteme Solare Nahwärme mit Kurzzeitspeicher

Solare Nahwärme mit Langzeitspeicher

Mindestanlagengröße

ab 30–40 Wohneinheiten oder ab 60 Personen

ab 100–150 Wohneinheiten

Flachkollektorfläche

0,8–1,2 m2 pro Person

1,4–2,4 m2 pro MWh jährlichem Wärmebedarf 0,14–0,2 m2 pro m2 Wohnfläche

Speichervolumen (Wasseräquivalent)

0,05–0,1 m3/m2

1,5–4 m3/MWh 1,4–2,1 m3/m2 Flachkollektor

Solare Nutzenergie

350–500 kWh/m2 a

230–350 kWh/m2 a

Solarer Deckungsgrad

WW: 50 % gesamt: 10–20 %

gesamt: 40–70 %

2.2.5 Erzeugung

1079

Die Nahwärmesysteme unterscheiden sich vor allem in der Art des Wärmeverteilnetzes. Bei einer zentralen Brauchwasserbereitung werden von der Heizzentrale Vor- und Rücklaufleitung für die Heizung sowie eine Warmwasser- und eine Zirkulationsleitung für die Brauchwasserversorgung zu jedem Gebäude geführt (4-Leiter-Netz). Vor- und Rücklauf des Kollektorfeldes benötigen zwei weitere Leitungen zur Heizzentrale (4+2-LeiterNetz). Aufgrund hoher Zirkulationsverluste der Trinkwasser führenden Leitungen ist ein solches Konzept nur für kleinere Anlagen mit 20–30 Wohneinheiten sinnvoll.

2 Bild 2.2.5-208. 4+2 Leiternetz: Vor- und Rücklauf Heizung mit Hausübergabestation, Warmwasserund Zirkulationsleitung für die direkte Trinkwassererwärmung sowie 2 Leitungen für das Kollektorfeld.

Bei größeren Nahwärmesystemen ist die Verwendung einer zweiten Hausübergabestation für die Warmwasserbereitung aufgrund der hohen Zirkulationsverluste vorteilhafter. Das Wärmeverteilnetz wird auf 2 Leiter reduziert, die allerdings das für die Trinkwassererwärmung erforderliche Temperaturniveau von 60–70 °C ganzjährig halten müssen. Weiterhin sind wie oben 2 Leitungen für das Kollektorfeld erforderlich (2+2-LeiterNetz). Dabei ist vorteilhaft, wenn die Gebäude mit den thermischen Kollektoren möglichst nahe an der Heizzentrale liegen. Der Wärmetauscher der Warmwasserübergabestation kann entweder für eine Durchflusserwärmung des Warmwassers (bei geringem Verbrauch von Ein- bis Zweifamilienhäusern) oder aber für eine Umladung auf Brauchwasserspeicher ausgelegt werden.

Bild 2.2.5-209. 2+2 Leiternetz: Vor- und Rücklaufleitungen für die Hausübergabestationen Heizung und Warmwasser fallen zusammen.

Eine weitere Leitung kann eingespart werden, wenn lediglich der heiße Kollektorvorlauf (sekundärkreisseitig) in den Pufferspeicher der Heizzentrale geführt wird, die Solarrücklaufleitung aber mit der Wärmerücklaufleitung zusammenfällt. Über eine solarseitige Hausübergabestation kann bei Wärmebedarf im Gebäude der Heizungs- bzw. Warmwasserrücklauf direkt in der Solarübergabestation erwärmt werden (Rücklauftemperaturanhebung) und fließt erst dann über die Solarvorlaufleitung zur Heizzentrale. Die Wärmerücklaufleitung wird in dem Fall nicht benutzt. Bei Wärmebedarf ohne Solarenergieangebot wird heißes Pufferwasser über die Wärmevorlaufleitung aus dem oberen Speicherbereich gezogen und ohne Rücklaufanhebung durch die Solaranlage über die

1080

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Wärmerücklaufleitung zurück in den Puffer gespeist. Besteht kein Wärmebedarf und liefert die Solaranlage Energie, dreht sich die Strömungsrichtung in der Wärmerücklaufleitung um und aus dem unteren Pufferspeicherbereich wird Speicherwasser zur Erwärmung in die Solarübergabestation gezogen und wieder über die Solarvorlaufleitung in den Puffer gebracht.

Bild 2.2.5-210. 3-Leiter-Netz mit Heizungsvorlauf, sekundärseitigem Solarvorlauf und gemeinsamer Solar- und Heizungsrücklaufleitung. Mit dem Langzeitwärmespeicher kann die Solarwärme saisonal gespeichert werden.

Die Nachheizung kann entweder seriell (wie in obigen Abbildungen) oder parallel zum Pufferspeicher eingebunden werden. Bei einer parallelen Einbindung wird ein Teil des Puffervolumens ständig nachgeheizt, so dass insgesamt höhere Wärmeverluste entstehen und der Solarertrag durch höhere Speichertemperaturen gemindert wird. Allerdings ist eine parallele Einbindung sinnvoll, wenn nur wenige Abnehmer im Netz mit hohen Leistungsschwankungen vorhanden sind und die Leistungsanforderung somit stark schwankt. Außerdem taktet ein seriell eingebundener Kessel verstärkt, wenn die Pufferspeichertemperatur nur wenige Grad unter der gewünschten Vorlauftemperatur liegt. Solaranlagen mit Mehrtagesspeichern können Deckungsgrade bis etwa 35 % erreichen. In Kombination mit einer Wärmepumpe kann der solare Deckungsgrad auf 40–50 % gesteigert werden. Höhere Deckungsgrade können nur mit saisonalen Speichern erreicht werden. Bei saisonaler Speicherung mit Heißwasserspeichern sind etwa 1,5–2,5 m3 pro Quadratmeter Kollektorfläche erforderlich, bei Speichern mit geringerer Wärmekapazität wie KiesWasser-Speicher etwa 2,5–4 m3 pro m2. Erdsondenspeicher benötigen etwa 8–10 m3 pro m2 und Aquiferspeicher 4 bis 6 m3 pro m2 Kollektorfläche. Seit Mitte der 90er Jahre sind etwa 10 solare Großanlagen mit saisonalen Speichern gebaut worden mit Deckungsanteilen zwischen 40 und 50 %. Projekterfahrungen aus Friedrichshafen mit 4050 m2 Kollektorfläche und 12.000 m3 Heißwasserspeicher sowie aus Neckarsulm mit 5670 m2 sowie einem großen Erdsondenspeicher mit 63.360 m3 zeigen, dass solare Deckungsanteile am Gesamtwärmebedarf (Trinkwarmwasser und Heizwärme) durchaus hoch liegen können. Im Jahr 2007 wurden für 390 Wohneinheiten 33 % Deckungsanteil in Friedrichshafen und 45 % für 300 Wohneinheiten in Neckarsulm gemessen.1) Durch Netzverteilung und Speicherverluste liegen die Bruttowärmeerträge meist geringer als bei Anlagen zur Trinkwarmwasserbereitung. Netto ins Netz eingespeist wurde in obigen Anlagen zwischen 218 und 238 kWh/m2 a.

1)

Bauer, D.; Heidemann, W.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Panthalookaran, V.; Raab, S.: Solar unterstützte Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicher. Forschungsbericht zum BMU-Vorhaben 0329607J, 2009.

2.2.5 Erzeugung

1081

Tafel 2.2.5-17 Zusammenstellung der Charakteristiken von Langzeitwärmespeichern. Speichertyp

Heißwasserspeicher

Kies/Wasserspeicher

Erdsondenspeicher

Speicherkonzept

Behälter- oder Erdbeckenspeicher

Erdbecken mit Kies/Wasserfüllung ohne tragende Deckenkonstruktion

Wärmeübertragerrohre im Erdreich bis 150 m Tiefe

Konstruktion

Stahlbeton, Stahl oder glasfaserverstärkter Kunststoff bzw. Grube mit Abdichtung und Deckel, Edelstahlblech oder Folienabdichtung, alternativ Spezialbeton

Abdichtung mit Kunststofffolien

U-förmige koaxiale Kunststoffrohre mit 1,5–3 m Abstand

maximal/minimal sinnvolle Volumina

max. 100000 m3, größter bisher ausgeführter Speicher 28000 m3

—

> 100000 m3 wegen hohen seitlichen Wärmeverlusten

Wärmedämmung

15-30 cm am Deckel sowie Speicherwänden, bei genügender Druckfestigkeit auch unter dem Speicher

wie Wasserspeicher

nur in der Deckschicht (5-10m von der Geländeoberkante)

Speichervolumen/ Flachkollektorfläche

1,5–2,5 m3/m2

2,5–4 m3/m2

8–10 m3/m2

Überschlägige Kosten [€/m3] bei 20000 m3 Speichervolumen

70–80

65–85

25

Sonstiges

Behälterspeicher kostenaufwendig

bei Kiesanteil von 60–70 Vol.-% etwa 50 % größeres Bauvolumen als Wasserspeicher

geringer Bauaufwand

Nahwärmenetze mit solarthermischen Anlagen müssen auf niedrige Vorlauftemperaturen von etwa 55–65 °C und möglichst geringe Rücklauftemperaturen um 30 °C ausgelegt sein. Eine hohe Temperaturspreizung reduziert den erforderlichen Pumpenstrom für die Verteilung. Eine gleitende Vorlauftemperaturregelung reduziert die Verteilverluste im Netz. 2.2.5-5.2.5

Schwimmbadheizung

Die Schwimmbadbeheizung kann mittels einfacher kostengünstiger Absorber erfolgen, da die Beckenwassertemperatur in der Regel unter 30 °C liegt. Das Schwimmbecken dient als Speicher für die Solarenergie. Ein zusätzlicher separater Speichertank wie bei der Wassererwärmung entfällt. Bei der Freibadbeheizung liegt der Energiebedarf von Mai bis September zeitlich gleich mit einem relativ hohen Sonnenenergieangebot. Solaranlagen zur Beheizung von Freibädern können daher mit Wärmepreisen von etwa 0,04– 0,07 €/kWh wirtschaftlich betrieben werden.

2

1082

2. Heizung / 2.2 Zentrale Heizungssysteme

Das Schwimmbeckenwasser wird direkt durch die Absorber geleitet und um 2 bis 4 K erwärmt. In der Regel reichen 0,5 bis 0,8 m2 Absorberfläche pro m2 Wasserfläche aus. Bei den geringen Temperaturerhöhungen sind hohe Durchflüsse von 80–110 l/m2h üblich. Der jährliche Wärmegewinn beträgt etwa 250–300 kWh/m2 a. Die Absorber werden als Kunststoffmatten oder als Rohrsysteme hauptsächlich aus Polypropylen (PP) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren (EPDM) gefertigt. PP-Absorber sind im gefüllten Zustand nicht frostsicher. In den Wintermonaten muss der wassergefüllte Absorber entleert werden. Die Haltbarkeit von PP-Absorbern wird mit mehr als 20 Jahren angenommen. Die Haltbarkeit von EPDM-Kunststoff liegt erfahrungsgemäß bei über 30 Jahren. Diese Absorber sind auch im gefüllten Zustand frostsicher. Kunststoffabsorber lassen sich direkt auf Flachdächern oder Dächern mit geringer Neigung ohne Ständergerüst kostengünstig installieren. Ohne Installation kostet 1 m2 Kollektorfläche ca. 35 €. Für eine Großanlage mit 1500 m2 Kollektorfläche und Gesamtkosten von etwa 100 € pro m2 inklusive Planung, Montage und Verrohrung kann ein Wärmepreis unter 0,05 € pro kWh erzielt werden und somit eine Amortisationszeit unter 5 Jahren. Von 3500 öffentlichen Freibädern in Deutschland sind heute etwa 800 Bäder mit Solaranlagen ausgestattet.

2.2.5-5.3

Ausblick

Neben der klassischen Dachmontage von Solarkollektoren werden zunehmend gebäudeintegrierte Solaranlagen realisiert, um Nullemissionshäuser verwirklichen zu können. Besonders die Fassadenintegration von Kollektoren ermöglicht hohe Kollektorflächen für die Heizungsunterstützung bei geringerem Überhitzungsproblem im Sommer. Energiespeicherung bleibt ein wichtiges Thema, da der solare Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf steigen soll. Mittelfristig werden aus Kostengründen Wasserspeicher den Markt bestimmen, zur Erhöhung der Speicherdichte sind jedoch Latentwärmespeicher mit etwa doppelten Speicherdichten oder thermochemische Speicher mit bis zu 10fachen Speicherdichten sehr vielversprechend. Solarthermische Anlagen werden heute noch vorwiegend im Ein- und Zweifamilienhaus bereich eingesetzt. Für Mehrfamilienhäuser sind zunehmend standardisierte Anlagenpakete mit modularer Hydraulik und effizienter Anlagenregelung samt Fernüberwachung und Parametrierung verfügbar. Dieser Trend reduziert den Planungsaufwand und die Kosten und erhöht die Anlageneffizienz. Große Solaranlagen sind deutlich kostengünstiger zu betreiben als dezentrale Kleinanlagen, die derzeit noch den Markt dominieren. Bei Großanlagen mit Kurzzeitspeichern für die Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung liegen die solaren Deckungsgrade meist zwischen 10 und 20 %. Erst die solare Nahwärme mit saisonalen Speichern ermöglicht Deckungsgrade von 50 % oder mehr. Durch den zunehmenden Ausbau von netzgebundener Wärmeversorgung soll der Anteil der Solarthermie am Gesamt Wärmebedarf Deutschlands bis 2050 auf 25 % steigen. Effiziente Zweileiter-Netze mit Wohnungsstationen werden zukünftig vermehrt in Mehrfamilienhäusern und Wohnsiedlungen eingesetzt. Bei Kollektorflächen weit über 100 m2, hoher ganzjähriger Wärmeabnahme und gewerblicher Nutzung sind bereits heute sehr günstige Wärmegestehungskosten von 0,05 bis 0,10 €/kWh möglich.

2.3.1 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen

1083

2.3

Dezentrale Geräte

2.3.1

Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen1)

2.3.1-1

Allgemeines

Einzelheizungen, die mit festen Brennstoffen betrieben werden, sind entsprechend der aktuellen europäischen Normung in mehrere Feuerstättengruppen unterteilt: DIN EN 13229: Kamineinsätze2) DIN EN 13240: Raumheizer3) DIN EN 12815: Herde4) DIN EN 14785: Holzpellet-Raumheizer5) DIN EN 15250: Speicherfeuerstätten6) Darin sind Anforderungen, Prüfverfahren und Konformitätsverfahren (CE-Zeichen) auf europäischer Ebene festgelegt. Die dort festgelegten geringen Grenzwerteanforderungen für Wirkungsgrad und Emissionen, werden in Deutschland durch Novellierung der 1. BImSchV (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen) erhöht, indem neue Grenzwerte für CO- und Staub-Emissionen sowie Wirkungsgrad vorgeschrieben werden. Die Höhe der Grenzwerte richtet sich nach Art der Feuerstätte, außerdem werden zwei Stufen festgelegt. Die erste Stufe gilt seit 22. März 2010, die zweite Stufe seit dem 1. Januar 2015. Tafel 2.3.1-1

Auszug aus der 1. BImSchV (Stand: 26.01.10) Stufe 1

Stufe 2

Technische Regeln

Mindestwirkungsgrad in %

CO*)

Staub*)

CO*)

Staub*)

g/m3

g/m3

g/m3

g/m3

Raumheizer mit Flachfeuerung

DIN EN 13240 Zeitbrand

73

2,0

0,075

1,25

0,04

Speichereinzelfeuerstätten

DIN EN 15250

75

2,0

0,075

1,25

0,04

Kamineinsatz (geschlossene Betriebsweise)

DIN EN 13229

75

2,0

0,075

1,25

0,04

Heizungsherd

DIN EN 12815

75

3,5

0,075

1,50

0,04

Pelletofen ohne Wassertasche

DIN EN 14785

85

0,40

0,05

0,25

0,03

Pelletofen mit Wassertasche

DIN EN 14785

90

0,40

0,03

0,25

0,02

Feuerstättenart

*)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

KÖPFE recknagel-online.de

Die Emissionen beziehen sich auf Normzustand und 13 % O2 im Abgas. Überarbeitung für die 78. Auflage von Dipl. Ing (FH) Jochen Schmidt, Marburg (Lahn). DIN EN 13229 „Kamineinsätze einschließlich offene Kamine für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen“, 10-2005. DIN EN 13240 „Raumheizer für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen“, 10-2005. DIN EN 12815 „Herde für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen“, 09-2005. DIN EN 14785 „Raumheizer zur Verfeuerung von Holzpellets – Anforderungen und Prüfverfahren“, 09-2006. DIN EN 15250 „Speicherfeuerstätten für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfverfahren“, 06-2007.

2

1084

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Diese Grenzwerte gelten für neue Feuerstätten, die durch eine Typprüfung bei einer benannten Stelle überprüft werden müssen. Für bestehende Einzelfeuerungsanlagen gibt es eine Übergangsregelung, bei der durch einen Herstellernachweis oder eine Überprüfung vor Ort nachgewiesen werden muss, dass die Staubemissionen unter 0,15 g/m3 und die CO-Emissionen unter 4 g/m3 liegen; sollte dies nicht der Fall sein, müssen Einrichtungen zur Reduzierung von Staubemissionen eingesetzt werden (z. B. elektrostatische Abscheider) oder die Anlage muss außer Betrieb genommen werden. Außerdem gibt es noch eine Ausnahmeregelung, bei der keine Emissionsanforderungen eingehalten werden müssen, z. B. bei historischen Öfen. Auf diesem Weg wird dem Bestreben zur Energieeffizienz und zum Umweltschutz (vor allem Feinstaub) Rechnung getragen und vereinzelte kommunale Anforderungen ausgeweitet. Neben allgemeingültigen Prüfgrundlagen1) und Einhaltung normativer Anforderungen ist bei den Einzelheizungen die Frage des Komfortgewinns2) einerseits und andererseits die Steigerung der Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Senkung der Emissionen3) wichtig. Die Verbrennungsluftansaugung erfolgt wahlweise aus dem Aufstellraum oder über einen Kanal aus dem Freien. Letzteres ist bei modernen Gebäuden in luftdichter Bauweise oder mit maschineller Lüftungsanlage notwendig. Entwicklungsgeschichte Die zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgekommenen eisernen Öfen (Zimmeröfen) wurden fast ausschließlich mit Kohle betrieben. Um lange Abbrandzeiten pro Kohlefüllung zu gewährleisten wurden die Zimmeröfen zu kohlebefeuerten Dauerbrandöfen weiterentwickelt. Seit den 1970er Jahren wird überwiegend Holz verbrannt und die Kohleöfen wurden fast vollständig durch die Kaminöfen abgelöst. Diese besitzen eine geänderte Feuerraumgeometrie mit Flachfeuerung. Aus den Entwicklungen der offenen Kamine zu Kaminkassetten sind heute die Kamineinsätze hervorgegangen. Kachelöfen, sofern nicht handwerklich errichtet, sondern mit Heizeinsätzen ausgestattet, werden zu den Kamineinsätzen gezählt. Um die Feuerung mit festen Brennstoffen zu automatisieren wurden schließlich die Pelletöfen entwickelt. Heizleistung Die Nennwärmeleistung von Einzelraumfeuerstätten zur Verfeuerung von festen Brennstoffen liegt üblicherweise im Bereich von 4…12 kW. Bei kleinerer Leistung ist in der Regel keine saubere Verbrennung mit den üblichen Scheitholzgrößen möglich. Ausnahmen stellen dabei naturgemäß die Pelletöfen dar. Nach oben hin wird die Leistung durch die Aufstellbedingungen der 1. BImschV begrenzt, die eine Korrelation zwischen der Größe und der Wärmedämmung des Aufstellraums und der maximal zulässigen Nennleistung herstellt. Ab 15 kW Nennleistung fallen die Geräte unter die Messpflicht durch den Schornsteinfeger. Brennstoffe Verfeuert wird hauptsächlich naturbelassenes, trockenes, stückiges Holz (Scheitholz). Die Holzfeuchte darf nach der 1. BImSchV 25 % nicht überschreiten. Holzbriketts aus gepressten Spänen dürfen ebenfalls verfeuert werden. Bei vielen Geräten ist auch der Betrieb mit Braunkohlebriketts BB7 zulässig. Holzpellets sind sowohl aus Hartholz (Buche, Eiche) wie auch aus Weichholz erhältlich.

2.3.1-2

Raumheizer nach DIN EN 13240

Die Raumheizer nach DIN EN 13240 werden im allgemeinen Sprachgebrauch als Kaminöfen bezeichnet. Kaminöfen werden aus Stahlblech oder Gusseisen gefertigt und haben zumeist eine mit einer Sichtscheibe aus Glaskeramik ausgestattete Feuertür. Die Wärmeabgabe erfolgt über Strahlung und Konvektion, wobei der Großteil der Strahlungswärme über die Sichtscheibe abgegeben wird. Der Brennraum besitzt eine Auskleidung aus Schamotte oder Vermiculite. Vermiculite ist zwar weniger verschleißbeständig, es zeichnet sich jedoch durch bessere Wärmedämmeigenschaften aus, woraus höhere 1) 2) 3)

Sprung, J.: Bauphysik (2002), Nr. 3, S. 145–149. Sprung, J.: König, N.: HLH (2002), Nr. 11, S. 26–34. Zollner, H.: Schornsteinfegerhandwerk (2005), Nr. 7, S. 19–25. Sprung, J.: Bauphysik (1998), Nr. 6, S. 254–256. Astfalk, D.: Schornsteinfegerhandwerk (1998), Nr. 12, S. 25–43.

2.3.1 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen

1085

Verbrennungstemperaturen und ein einfacheres Anheizen des Ofens resultieren. Der Feuerraumboden ist bei manchen Geräten aus Gusseisen ausgeführt. Kaminöfen werden oft mit Naturstein- oder Keramikverkleidungen versehen. Dies dient in erster Linie der Geräteoptik, die Wärmespeicherkapazität ist meist als gering einzustufen. Kaminöfen sind Fertigprodukte und somit transportabel. Sekundärluft (Scheibenspülluft)

Abgasaustritt

Vorwärmung der Sekundärluft an der Sichtscheibe Tertiärluft

2 Ascherost Primärluft

Bild 2.3.1-1. Verbrennungsluftführung im Kaminofen (Werkbild: Oranier Heiztechnik GmbH).

Schornsteinanschluss Nach EN 13240 werden die Geräte bei Nennlast mit einem Förderdruck von 12 ± 2 Pa geprüft. Da es sich um Naturzugfeuerstätten handelt hat der Förderdruck einen entscheidenden Anteil auf die Verbrennungshygiene (Schornstein = „Motor der Feuerungsanlage“). In der Praxis stellen sich je nach Schornstein häufig abweichende Förderdrucke ein. Hier sind entsprechende Maßnahmen zu ergreifen (Nebenluftvorrichtung, Drosselklappe, Rauchgassauger) um den Förderdruck auf das nötige Niveau einzustellen. Verbrennungsluftführung1) Für eine optimale Verbrennung ist neben einer ausreichend hohen Temperatur eine gute Vermischung der Brenngase mit Luft und eine lange Verweildauer von Brenngas und Luft im Gerät erforderlich. Alle drei Faktoren werden maßgeblich durch die Verbrennungsluftführung beeinflusst. Man unterscheidet zwischen Primärluft, die von unten durch den Ascherost zugeführt wird und Sekundärluft, welche meist als Scheibenspülluft von oben zugeführt wird. Ein Teil der Sekundärluft wird oft auch als so genannte Tertiärluft durch düsenförmige Bohrungen von hinten dem Brennraum zugeführt. Nicht alle Ofentypen sind mit einem Primärlufteinlass ausgestattet, da diese zunächst nur für die Verfeuerung von Braunkohle Briketts und als Anzündhilfe benötigt wird. Geräte mit Anzündautomatik besitzen eine thermisch gesteuerte Klappe (Bimetall, Kapillarrohr, Dehnstoff), die die Primärluftzufuhr nach der Anheizphase schließt bzw. drosselt. Dauerbrand – Zeitbrand Kaminöfen werden üblicherweise mit Scheitholz im Zeitbrand betrieben. Einige Kaminöfen sind auch als Dauerbrand-Feuerstätten für Braunkohlebriketts (BB7) zugelassen, wobei nach DIN EN 13240 Zeitbrand-Feuerstätten pro Aufgabe eine Mindestbrenndauer mit Holz von 45 Minuten (BB7: 60 Minuten) und Dauerbrand-Feuerstätten 90 Minuten mit Holz (BB7: 4 h) erzielen müssen. Geräte mit Wärmespeicher Bei diesen Typen werden zusätzliche Massesteine aus Schwerschamotten, Speckstein oder ähnlichem an den Ofenkorpus angebracht. Ziel ist eine verlängerte und gleichmäßigere Wärmeabgabe. In der Praxis ist das Speichervermögen durch die kompakten Gerätemaße jedoch recht begrenzt.

1)

Schmidt, J.: Ratgeber wasserführende Kamin- und Pelletöfen. S. 20–27.

1086

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Bild 2.3.1-2. Kaminofen mit Wärmespeicher (Oranier Heiztechnik GmbH).

Geräte mit Sturzbrandtechnik (Holzvergaseröfen) Analog zu den Holzvergaserkesseln besitzen diese Öfen zwei Brennkammern. In der oberen Brennkammer erfolgt die Pyrolyse und Vergasung des Brennstoffs. In einer zwischen oberer und unterer Brennkammer liegenden Düse wird dem Brenngas gezielt Luft zugemischt, der Ausbrand erfolgt sodann in der unteren Brennkammer. Durch die hohen Verbrennungstemperaturen im Düsenbereich und die gezielte Luftführung können Emissionen signifikant gesenkt und der Wirkungsgrad gesteigert werden. Die erreichbarren Staubgehalte liegen im Bereich der Nachweisgrenze der Messverfahren der Typprüung. Einen weiteren Vorteil bringt die Verlängerung der nötigen Beschickungsintervalle. Angezündet werden Holzvergaseröfen zunächst in der oberen Brennkammer. Nachdem sich ein ausreichendes Glutbett ausgebildet hat, wird der Rauchgasabzug der oberen Brennkammer durch eine Klappe verschlossen und die Brenngase werden mittels des Kaminzugs durch die Düse in die untere Brennkammer gefördert.

Bild 2.3.1-3. Holzvergaserofen (Oranier Heiztechnik GmbH).

Geräte für raumluftunabhängigen Betrieb In Gebäuden mit Lüftungsanlagen können im Fehlerfall Unterdrücke im Aufstellraum entstehen, welche zu Qualmaustritt aus den Feuerstätten führen. Mit Hilfe installierter Unterdruckwächter können Lüftungsanlagen entsprechend abgeschaltet werden. Sogenannte raumluftunabhängige Kaminöfen müssen erhöhte Anforderungen bezüglich Dichtheit erfüllen. Feuerraumtüren müssen selbstschließend und selbstverriegelnd aus-

2.3.1 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen

1087

geführt sein. Durch den Einsatz raumluftunabhängiger Kaminöfen kann in vielen Fällen auf einen Unterdruckwächter verzichtet werden.

2.3.1-3

Kamineinsätze nach DIN EN 13229 und offene Kamine

Kamineinsätze nach DIN EN 13229 sind aus Stahl gefertigt und werden entweder in einen handwerklich erstellten Ofenkorpus oder in einen industriell gefertigten Korpus aus Stein oder Blech eingebaut. Ihre Feuerungstechnik gleicht im Wesentlichen der von Kaminöfen. Durch die Installation von Nachheizkästen oder die Verwendung keramischer Züge kann die Abgastemperatur weiter als bei kompakten Kaminöfen gesenkt werden, was den Wirkungsgrad erhöht. Ein steinerner Ofenkorpus fungiert zusätzlich als Massespeicher für eine gleichmäßigere Wärmeabgabe der Feuerstätte. Offene Kamine sind entsprechend DIN 188961) zu errichten und zu betreiben. Unterschieden wird zwischen offenen Kaminen – mit Kamineinsätzen, die sowohl offen als auch geschlossen betrieben werden können (bisher nach DIN 18895-12) als Bauart A bezeichnet), – mit Kamineinsätzen mit selbstschließenden Türen (bisher nach DIN 18895-33) als Bauart A1 bezeichnet) und – ohne Kamineinsätze (bisher DIN 18895-1 als Bauart B bezeichnet), die keine Heizgaszüge haben dürfen. Bestehende offene Kamine ohne Kamineinsatz können mit Kaminkassetten nachgerüstet werden, die mit Kamineinsätzen vergleichbar sind. Dies ist insbesondere deshalb ratsam, da der Wirkungsgrad eines offenen Kamins nur rund 30 % beträgt. Aus gleichem Grund dürfen offene Kamine nach der 1. BImSchV nur „gelegentlich“ betrieben werden. Bei den Kaminkassetten wird unterschieden zwischen – Kaminkassetten, die sowohl offen als auch geschlossen betrieben werden können (bisher nach DIN 18895-3 als Bauart C bezeichnet) und – Kaminkassetten mit selbstschließenden Türen (bisher nach DIN 18895-3 als Bauart C1 bezeichnet).

2.3.1-4

Herde nach DIN EN 12815

Bei Herden für feste Brennstoffe nach EN 12815 handelt es sich um handbeschickte Feuerstätten, deren Hauptfunktion das Kochen und deren weitere Funktion die Beheizung des Aufstellraums ist. Herde können auch erwärmtes Brauchwasser und/oder erwärmtes Wasser für Zentralheizungsanlagenliefern. Herde besitzen eine Kochfläche und optional ein Back- bzw. Bratfach. Bei der Ausführung mit Backfach kann die Rauchgasführung typischerweise durch eine Klappe so umgelenkt werden, dass das Backfach von den Rauchgasen umspült und gleichmäßig erwärmt wird. Analog zu Raumheizer nach DIN EN 13240 werden Herde häufig mit Sichtscheiben für den Brennraum und einer Anzündautomatik ausgestattet. In den verwendeten Werkstoffen, der Verbrennungstechnik und der sonstigen Bauausführung gleichen Herde ebenfalls den Raumheizern gemäß DIN EN 13240.

1) 2)

3)

DIN 18896 „Feuerstätten für feste Brennstoffe – Technische Regeln für die Installation, Anforderungen an die Bedienungsanleitung“, 02-2014. DIN 18895-1 „Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Anforderungen, Aufstellung und Betrieb“, 08-1990. DIN 18895-2 „Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Prüfung und Registrierung“, 08-1990. DIN 18895-3 (Entwurf) „Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Kaminkassetten zum Bau von oder zum nachträglichen Einbau in offene Kamine sowie Kamineinsätze und Kaminkassetten mit selbstschließenden Türen; Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung“, 09-1994.

2

1088

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Bild 2.3.1-4. Heizungsherd für feste Brennstoffe (Oranier Heiztechnik GmbH).

Sommer-/Winterbetrieb Einige Geräte ermöglichen eine alternative Betriebsweise im Sommerbetrieb mit geringerer Wärmeleistung als im Winter. Typischerweise erfolgt die Umstellung auf Sommerbetrieb durch eine Verkleinerung des Brennraums, wobei der Feuerrost in eine höhere Position gefahren wird.

2.3.1-5

Speicherfeuerstätten DIN EN 152501)

Kachelöfen sind dadurch gekennzeichnet, dass im Verbrennungsraum durch Verbrennung der Brennstoffe schnell ein- oder zweimal täglich (in 3/4 bis 1 Stunde) Wärme erzeugt wird, die von den Rauchgasen in der schweren Masse der Öfen gespeichert und langsam im Laufe des Tages an die Umgebung abgegeben wird. Die Kachelöfen sind also Wärmespeicheröfen. Sie geben infolge ihrer großen Heizfläche eine milde, angenehme Wärme ab, namentlich in der Nähe des Ofens. Die Regulierfähigkeit ist jedoch schlecht, die Wärmeabgabe ungleichmäßig (Bild 2.3.1-5), Temperaturunterschiede im Raum erheblich. Der Platzbedarf ist groß.

Bild 2.3.1-5. Speicherofen (Nordpeis AS).

Moderne Speicherfeuerstätten, die entweder handwerklich (TR-OL) errichtet sind oder auch als Bausätze konstruiert und überprüft sind (DIN EN 15250) erfüllen vielfach alle Anforderungen an Emissionen und Wirkungsgrad, die in Deutschland (1. BImSchV) gestellt sind. Zudem bieten sie die Möglichkeit durch ihre Speicherfähigkeit den geringen Wärmebedarf moderner Gebäude mit einer sauberen Holzverbrennung zu realisieren.

1)

Erganzungen zur 74. Auflage von Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen.

2.3.1 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit festen Brennstoffen

1089

Man unterscheidet die Speicherfeuerstätten nach dem Gewicht (leichte, mittlere und schwere Öfen) und nach der Zahl der beheizten Zimmer (Einzimmeröfen und Mehrzimmeröfen). Die Größe der Kachelöfen richtet sich nach dem Wärmebedarf des Raumes und der Heizflächenleistung. Der Wärmebedarf des Raumes ist nach DIN EN 12831 zu ermitteln oder überschlägig aus Tabellen zu entnehmen. Mittlere Wärmeabgabe je nach Wanddicke bei schwerer Bauart ≈ 0,7 kW/m2 bei mittelschwerer Bauart ≈ 1,0 kW/m2 bei leichter Bauart ≈ 1,2 kW/m2. Die Wärmeabgabe erfolgt je etwa zur Hälfte durch Konvektion und Strahlung. Sie ändert sich zeitlich in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur. Technisch genaue Berechnungen sind nicht üblich, man verwendet Erfahrungswerte.

2.3.1-6

Raumheizer zur Verfeuerung von Holzpellets nach DIN EN 14785

Pelletöfen bieten die Möglichkeit einer weitgehend automatisierten Holzverbrennung und erlauben dem Nutzer den Blick auf das Feuer. Pelletöfen arbeiten üblicherweise mit der so genannten Fallschachtfeuerung. Aus dem im Gerät befindlichen Vorratstank werden die Pellets zunächst mittels einer Förderschnecke zu einer Öffnung in der Brennkammerrückwand gefördert. Von dort rutschen sie über eine Fallrinne in den Brennertopf. Die Zündung der Pellets erfolgt über einen Glühzünder, in dem durchströmende Luft auf circa 800 °C erhitzt und dem Brennertopf gezielt zugeführt wird. Für den nötigen Luftzug sorgt ein abgasseitig angeordnetes Saugzuggebläse. Die Verbrennungsluft wird also in den Brennraum hineingezogen und die Abgase werden anschließend in den Schornstein gefördert. Dieser muss unbedingt korrekt ausgelegt werden, da das Saugzuggebläse in der Regel nur Zug unterstützend wirkt. Die Steuerung der Verbrennung – also die momentane Wärmeleistung – wird meistens über einen Temperatursensor eingestellt. Die Leistung wird aus der Abgas- oder Brennraumtemperatur ermittelt. Die Anpassung erfolgt dann über die Drehzahl des Saugzuggebläses (Verbrennungsluftzufuhr) und die Fördergeschwindigkeit der Förderschnecke (Brennstoffmenge).

Bild 2.3.1-6. Pelletofen mit Wassertasche (Oranier Heiztechnik GmbH).

Pelletöfen können modulierend geheizt werden, die Nennwärmeleistung liegt dabei typischerweise in Bereichen zwischen 2 und 12 kW. Ein dauerhafter Betrieb in der niedrigsten Leistungsstufe ist zwar technisch möglich, in der Praxis kommt es durch die niedrige Verbrennungstemperatur häufig zu einem erhöhten Ruß- und Ascheanfall.

2

1090

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Pelletöfen besitzen zumeist automatische Rostreinigungseinrichtungen, diese wirken entweder mechanisch oder der Rost wird von Zeit zu Zeit durch eine Erhöhung des Luftzugs bei gleichzeitig reduzierter Fördermenge freigebrannt. Durch die Verfeuerung von Pellets schlechter Qualität kann es zu erhöhten Ablagerungen am Rost und zu Verstopfungen der Förderschnecke kommen. Neben dem Rindenanteil beinflussen Abrieb und Staub (durch Umschlag und Transport oder durch mangelhafte Bindung) die Pelletqualität negativ. Die Befüllung des Vorratstanks erfolgt in der Regel manuell mit Sackware. Automatisierte Befülleinrichtungen, die die Pellets aus einem Vorratslager zum Gerät fördern werden aufgrund der hohen Kosten nur selten installiert. Pelletöfen sind wie Kaminöfen auch in raumluftunabhängiger und/oder in wasserführender Ausführung verfügbar. Sonderbauformen kommen ohne elektrischen Strom aus, die Pelletzufuhr erfolgt dabei mittels Schwerkraft.

2.3.1-7

Wasserführende Einzelraumfeuerstätten

Die Technologie wasserführender Einzelraumfeuerstätten ermöglicht es, die im Heizgerät erzeugte Wärme auf weitere Räume im Haus zu verteilen. Kaminöfen, Kamineinsätze, Herde und Pelletöfen sind in wasserführender Ausführung marktgängig. Auch Speicheröfen werden mit Wasserwärmetauscher (bei diesen Geräten jedoch vorrangig im Speichermantel untergebracht) ausgeführt. Die Leistungsgrenzen werden in der 1. BImschV geregelt. Auch bei den wasserführenden Geräten richtet sich die maximal zulässige Nennleistung (Wasseranteil + Luftanteil) nach der Größe des Aufstellraums und des Dämmstandards.

Bild 2.3.1-7. Wasserführender Kaminofen (Oranier Heiztechnik GmbH).

Bei handbeschickten Feuerstätten ist aufgrund der schwankenden Wärmezufuhr und zum Speichern von Erzeugungsspitzen ein Pufferspeicher erforderlich. Bei automatisch beschickten Feuerstätten (Pelletöfen) dient der Pufferspeicher zur Sicherstellung einer Mindestbrenndauer im optimalen Lastbereich. Der Pufferspeicher stellt die Wärme dann für Heizkreise oder zur Brauchwassererwärmung zur Verfügung. Die Wärmeübertragung vom Brennraum erfolgt mittels eines wasserdurchflossenen Wärmetauschers, welcher bevorzugt im Abgasweg angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Brennraum nicht unnötig gekühlt wird und gleichzeitig die Abgastemperatur gesenkt und damit der Wirkungsgrad der Feuerstätte gesteigert wird. Zur Vermeidung von Teerbildung am Wärmetauscher muss der Wasserkreislauf mit einer thermischen Rücklaufanhebung ausgestattet werden. Üblicherweise werden thermomechanische Mischventile mit einer Stelltemperatur von 55 °C eingesetzt.

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

1091

Bei Handbeschickten Feuerstätten in geschlossenen Systemen ist eine Thermische Ablaufsicherung vorzusehen. Bei Überhitzung des Wärmetauschers, (z. B. bei Ausfall der Ladepumpe) öffnet ein Ventil und kaltes Brauchwasser strömt durch eine Kühlschlange im Wärmetauscher. Bei elektrisch gesteuerten Pelletöfen kann diese Sicherheitsfunktion durch einen STB, welcher die Pelletzufuhr unterbricht gewährleistet werden. Größe des Pufferspeichers1) Die Dimensionierung kann nach Wärmebedarf, Heizzeit oder nach den Vorgaben der BImschV erfolgen. In der Praxis hat sich bei den handbeschickten Einzelraumfeuerstätten eine Größe von etwa 100 l/kW wasserseitiger Leistung bewährt. Pelletöfen sollten analog zu Pelletkesseln mit Pufferspeichern von mindestens 35 l/kW (wasserseitig) ausgestattet werden.

2.3.2

Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas2)

2.3.2-1

Allgemeines

Gasheizgeräte finden Anwendung zur Beheizung von Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden, hier insbesondere Büroräume, Verkaufsräumen, Schulen, Sporthallen, Lagerhallen, Industrie- und Gewerbehallen sowie Terrassen und Tribünen. Relevante Normen und Vorschriften: DIN EN 437 „Prüfgase – Prüfdrücke – Gerätekategorien“ DIN EN 613 „Konvektions-Raumheizer für gasförmige Brennstoffe“ DVGW-TRGI 2008 „Technische Regel Gas-Installation des DVGW“ DVFG-TRF 2012 „Technische Regeln Flüssiggas“ M-FeuVo Muster Feuerungsverordnung DIN EN 416-1 „Dunkelstrahler mit Brenner für gewerbliche und industrielle Anwendungen; Sicherheit“ DIN EN 416-2 „Dunkelstrahler mit Brenner für gewerbliche und industrielle Anwendungen; Rationelle Energienutzung“ DIN EN 419-1 „Hellstrahler mit Brenner ohne Gebläse für gewerbliche und industrielle Anwendungen; Sicherheit“ DIN EN 419-2 „Hellstrahler mit Brenner ohne Gebläse für gewerbliche und industrielle Anwendungen; Rationelle Energienutzung“ DIN EN 13410 „Heizungsanlagen mit Gas-Infrarot-Strahlern: Be- und Entlüftung von gewerblich und industriell genutzten Räumen“ DIN EN 777-1 bis -4 „Dunkelstrahlersysteme mit mehreren Brennern“ DVGW G 638-1 „Heizungsanlagen mit Hellstrahlern; Planung – Installation – Betrieb“ DVGW G 638-2 „Heizungsanlagen mit Dunkelstrahlern; Planung – Installation – Betrieb“

2.3.2-2

Bauarten

Man unterscheidet Heizstrahler (Gas-Infrarotstrahler), die ihre Wärme zum überwiegenden Teil durch Wärmestrahlung abgeben, und Konvektionsheizgeräte, die ihre Wärme überwiegend durch erwärmte Luft und Konvektion abgeben. Gas-Infrarotstrahler3) Zur Beheizung von Großräumen wie Industrie- und Gewerbehallen, Logistikhallen, Lagerhallen, Kirchen, Sporthallen oder auch Freiflächen wie z. B. Tribünen und Terrassen werden Gas-Infrarot-Strahlungsheizungen eingesetzt. Bei diesen Heizgeräten, die ihre Nutzwärme zum größten Teil durch Wärmestrahlung abgeben, unterscheidet man zwei Typen: Hellstrahler und Dunkelstrahler. Wärmestrahlen sind elektromagnetische Wellen ähnlich dem sichtbaren Licht. Sie folgen den gleichen physikalischen Gesetzen, durch1) 2) 3)

Schmidt, J.: Ratgeber wasserführende Kamin- und Pelletöfen. S. 107–123. Ergänzungen für die 78. Auflage von Dipl.-Ing. Uwe Flohren, Köln, und Dipl. Ing. (FH) Jochen Schmidt, Marburg (Lahn). DVGW-Regelwerk G 638-1 und G 638-2. Kämpf, A.: Untersuchungen von Gasinfrarotstrahlern. Dissertation.

KÖPFE recknagel-online.de

2

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2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

dringen die Luft nahezu verlustlos und erwärmen erst beim Auftreffen auf Materie. Die empfundene Raumtemperatur wird maßgeblich durch die Lufttemperatur und die Erwärmung der Umschließungsflächen im Aufenthaltsbereich, der sogenannten Strahlungstemperatur, beeinflusst. Auf Grund der physikalischen und physiologischen Besonderheiten (siehe Abschnitt 2.3.2-6) ist der Energieverbrauch bei Strahlungsheizungen in der Regel geringer als bei konvektiven Heizungssystemen (siehe auch BMVBS StudieGAEEH „Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden“ – z. B. unter www.sysstemvergleich-hallenheizung.de), die Aufheizzeiten sind deutlich kürzer. Ferner sind Teilflächen- oder Arbeitsplatzbeheizungen mit Strahlungsheizungen besonders gut zu realisieren. Siehe auch Abschnitt 2.3.2-6. a) Hellstrahler nach DIN EN 419-1 Hellstrahler eignen sich besonders für die Beheizung von höheren Großräumen, sie können mit Biogas, Erdgas und Flüssiggas betrieben werden. Sie bestehen aus einer Mischkammer, einem Venturirohr zur freien Ansaugung der notwendigen Verbrennungsluft per Injektorwirkung, der Gasdüse, einem Reflektor sowie der Strahlfläche, meistens aus keramischen Brennerplatten. Das sich bildende Gas-Luft-Gemisch wird homogenisiert und gleichmäßig in der Mischkammer verteilt. Durch die besondere Anordnung der Mischkammerlage kann die Abgaswärme zur Gemischvorwärmung genutzt werden und damit den Wirkungsgrad erhöhen (siehe Bild 2.3.2-1). Die keramischen Brennerplatten ihrerseits bestehen aus einer exakt dosierten Rezeptur natürlicher Rohstoffe, wie Ton, Quarz, Silikat etc. Die Keramikplatten zeichnen sich durch sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Porosität aus. In eine Vielzahl von Bohrungen mit einem Durchmesser von ca. 1 mm tritt das Gas-Luft-Gemisch ein und wird gezündet. Es entstehen also sehr viele kleine Flammen, die auf Grund der gerätespezifischen Einstellungen in den Bohrungen der Keramik bzw. direkt an der Oberfläche brennen. Die Verbrennungswärme wird zum großen Teil von der Keramik aufgenommen, wodurch an ihrer Oberfläche eine Temperatur von ca. 900 °C entsteht und diese somit sichtbar rot „strahlt“. Die Geräte werden deshalb Hellstrahler genannt. Die Rückseite der stark isolierenden Keramikplatte ist dabei nur etwa 120 °C warm. Als besonders vorteilhaft hat sich die sogenannte Effekt-Keramikplatte erwiesen, bei der durch Einbringen von Tiefenstrukturen die Oberfläche um bis zu 60 % vergrößert wird, was eine erhebliche Erhöhung des Strahlungsfaktors mit sich bringt.

Bild 2.3.2-1. Prinzip-Skizze eines GasInfrarot-Kombistrahlers mit Mischkammer, Vollisolierung, Gemischvorwärmung. (Werkfoto Schwank GmbH, Köln)

Durch einen Hochspannungsfunken wird der Strahler gezündet und die Verbrennung mittels Ionisationsfühler überwacht. Ein mikroprozessorgesteuerter Feuerungsautomat überwacht permanent die einwandfreie Funktion, so dass nie unverbranntes Gas ausströmen kann. Die Verbrennung bei Hellstrahlern ist umweltschonend. Durch die direkte Wärmeabgabe der Flammen an die Keramik (niedrige Flammentemperatur) liegen die Konzentrationen von NOx im Abgas unter 10 ppm. Der Strahlungsfaktor, d. h. der Anteil der eingesetzten Energie, der durch Strahlung abgegeben wird, entscheidet über die Effektivität und Energieeinsparung einer Strahlungsheizung. Hohe Strahlungsfaktoren erreichen moderne Kombistrahler mit vollkommen geschlossenem Reflektor. Das Abgas strömt an den Reflektorinnenseiten entlang und heizt diese auf ca. 400 °C auf. Neben der direkten Strahlung durch die Keramikplatten wird so zusätzlich „Dunkelstrahlung“ in den Aufenthaltsbereich abgegeben. Des Weiteren emittiert das warme Abgaspolster innerhalb des geschlossenen Reflektors zusätzlich Gasstrahlung. Diese Kombistrahler haben einen Strahlungsfaktor von gut 60 % gemessen nach DIN EN 419-2. Durch Vollisolierung des kompletten Strahlers sowie zusätzlichem Einsatz weiterer Elemente wird der

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

1093

Strahlungsfaktor noch einmal erheblich gesteigert. Bei dem abgebildeten Kombistrahler (Bild 2.3.2-2))liegt der Strahlungsfaktor zwischen 76,3 % und 80,9 % (gemessen nach DIN EN 419-2 durch das DVGW-Prüflabor). Einfache Hochleistungsstrahler haben ein offenes Gehäuse und erreichen nur geringere Faktoren. Hellstrahler können 1-stufig, 2-stufig oder stufenlos modulierend regelbar betrieben werden. Die stufenlos regelbare Variante passt sich dem wechselnden Heizbedarf (Außentemperatur, Schichtbetrieb, Kälteeinfall durch offene Tore, Sonneneinstrahlung …) am besten an, erhöht den Komfort und spart Energie. Diese Technologie ist auch bei anderen Systemen (Brennwertkesseln etc.) der Stand der Technik und führt zudem in der Berechnung nach DIN V 18599 (EnEV) zu besseren Produktwerten. Die Abgasführung erfolgt ohne direkten Abgasanschluss bzw. Kamin. Hellstrahler unterliegen nicht der 1.BImSchV und somit der Messpflicht des Schornsteinfegers. Das DVGW-Arbeitsblatt G 638-1 sowie die DIN EN13410 regeln die sichere Abführung der Abgase. Diese sind je nach Projekt und Möglichkeiten mittels Abluftventilatoren, die oberhalb der Strahler anzuordnen sind, oder auch mittels freier Lüftung der Halle, möglich. Bei richtiger Planung und Ausführung kann kein Abgas in den Aufenthaltsbereich gelangen, Kondensatbildungen sind ausgeschlossen. Pro installiertem kW müssen 10 m3/h Abluft sichergestellt werden. Diese Abluftmenge ist nach G 638-1 Bestandteil des natürlichen Luftwechsels des Gebäudes und erhöht den Energieverbrauch somit nicht.

Bild 2.3.2-2. Kombistrahler mit Vollisolierung. (Werkfoto Schwank GmbH, Köln)

Neben dem Strahlungsfaktor gibt der Anlagenwirkungsgrad Auskunft darüber, wie viel Prozent der eingesetzten Energie unter Berücksichtigung aller Einflüsse (Abgasführung etc.) dem Raum zur Beheizung zur Verfügung gestellt wird. Dieser Anlagenwirkungsgrad beträgt bei Hellstrahlern durch das optimierte indirekte Abluftsystem ca. 95 % (siehe auch DIN EN 15316-4 bis -8). Hellstrahler werden in einem Leistungsbereich von ca. 3–42 kW angeboten. Je nach Gebäudegeometrie und Wärmebedarf werden Strahler als Senkrecht- oder Schrägstrahler angeordnet (siehe Bild 2.3.2-3 und Bild 2.3.2-4). Eine Mindestaufhängehöhe – je nach Nennwärmebelastung des Strahlers (siehe G 638-1) mindestens 2,3 Meter – ist einzuhalten. Auf Grund der hohen Strahlungsintensitäten bei Hellstrahlern sind praktisch alle Aufhängehöhen darüber möglich. Alle weiteren für Installation und Betrieb notwendigen Vorschriften wie Sicherheitsabstände etc. werden im Regelwerk G 638-1 sowie den Aufstellrichtlinien der Hersteller beschrieben. Zur weiteren Effizienzsteigerung moderner Hallenheizungssysteme mit Gas-InfrarotStrahlern bieten einige Hersteller Wärmerückgewinnungssysteme, auch „Hybrid-Systeme“ genannt, an. Mit dem Begriff „Hybrid-System“ wird eine Kombination zweier Technologien bezeichnet: hier energieeffiziente Gas-Infrarotheizungen und innovative Abgaswärmerückgewinnung. Die mit speziellen Wärmetauschern zurück gewonnen Energie kann effizient und ggf. auch als Ersatzmaßnahme nach EEWärmeG genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Systems kann auf bis zu 108 % bezogen auf den Heizwert (ähnlich moderner Brennwertkessel) gesteigert werden. Kombiniert man die Wärmerückgewinnung aus den Abgasen mit vorhandener Abwärme z.B. von Maschinen, Wärmeprozessen und Beleuchtung können noch weit höhere Nutzungsgrade erzielt werden und den ROI senken.

2

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2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Bild 2.3.2-3. Beispiel einer Anordnung von Hellstrahlern zur gleichmäßigen Beheizung einer Fabrikhalle.

Bild 2.3.2-4. Beispiel einer Anordnung von Hellstrahlern zur gleichmäßigen Beheizung einer Tribüne.

b) Dunkelstrahler nach DIN EN 416-1 und DIN EN 777-1 bis -4 Dunkelstrahler folgen den gleichen physikalischen und physiologischen Gesetzen und mit ähnlichen energetischen Vorteilen wie bei den unter a) beschriebenen Hellstrahlern, sie können ebenfalls mit Biogas, Erdgas und Flüssiggas betrieben werden. Die Temperatur der strahlenden Rohre beträgt je nach Hersteller, Bauform und Anwendung zwischen 150 °C und 750 °C. Die strahlenden Flächen der Dunkelstrahler sind bei gleicher Leistung somit erheblich größer als bei Hellstrahlern. So lassen sich besonders Hallen mit geringerem spezifischen Wärmebedarf und niedrigerer Höhe mit Dunkelstrahlern effektiv beheizen (die Mindestaufhängehöhe nach DVGW-Regelwerk G 638-2 ist 2,3 Meter). Der eigentliche Verbrennungsvorgang findet in einem geschlossenen Rohr statt, welches nicht sichtbar rot glüht. Deshalb werden die Geräte Dunkelstrahler genannt. Dunkelstrahler bestehen im Wesentlichen aus einem U-förmig gebogenen bzw. geraden Strahlrohr, Reflektoren und einem Gasbrenner mit Gebläseunterstützung. Bei einigen Herstellern sind die Gebläse als Unit am Brenner integriert und arbeiten als „drückende Systeme“. Das Gebläse kommt so nicht mit dem heißen Abgas in Berührung. Eine lange, laminare Flamme wird durch das Gebläse in das Strahlrohr gezogen bzw. gedrückt. Die heißen Abgase zirkulieren in dem geschlossenen Strahlrohr. Um einen besseren Wärmeübergang vom heißen und feuchten Kernstrom zur Rohroberfläche zu erzielen, verwenden einige Hersteller sogenannte Turbulatoren, die in den Strahlungsrohren eingebracht sind. Sie erzeugen an den Innenwänden der Rohre eine turbulente Strömung und erhöhen somit die Wärmeübertragung. Ein Feuerungsautomat mit Hochspannungszündkerze und Ionisationselektrode überwacht die einwandfreie Verbrennung. Über den Strahlungsrohren befinden sich Reflektoren, die die Infrarotstrahlen in den zu beheizenden Bereich reflektieren. Wichtig ist, dass die Reflektoren an den Stirnseiten geschlossen sind. Somit werden die Rohre von einem Wärmeluftpolster umgeben und der Wirkungsgrad erhöht sich. Hochleistungsgeräte verfügen über gedämmte/isolierte Reflektoren, die den Strahlungsfaktor der Geräte wesentlich erhöhen. Der Strahlungsfaktor nach DIN EN 416-2 variiert je nach Gerätetyp zwischen ca. 40 % und 80 %. Dunkelstrahler werden im Leistungsbereich von 6 kW bis zu ca. 1000 kW bei Anlagensystemen angeboten. Die DIN EN 416-1, sowie die DIN EN 777/1-4 regeln alle unterschiedlichen Dunkelstrahlersysteme inkl. ihrer Abgasführungen. Unterteilt werden die Geräte wie folgt: 1) Standardgeräte (Einzelstrahler): Geräte mit linear bzw. U-förmig angeordneten Rohren, Reflektoren über den Rohren, Brenner und Ventilator. 2) Multibrenner- oder Systemanlagen: Bei diesem Typ sind auf einem Rohr mehrere Brenner hintereinander oder mehrere Strahlrohre in einer Sammelanlage angeordnet. Am Ende befindet sich ein Abgasventilator (Systeme nach DIN EN 777/1-4). 3) Rezirkulationsstrahler: Mit Strahlungsrohren bis zu ca. 450 mm Durchmesser und einer Länge bis über 100 Metern sind dies die größten Dunkelstrahler. Sie haben nur einen Brenner. Über eine Rezirkulationskammer zirkulieren die Heizgase in dem Strahlrohr und erwärmen dieses gleichmäßig. Dunkelstrahler können 1-stufig, 2-stufig oder stufenlos modulierend regelbar betrieben werden. Die stufenlos regelbare Variante passt sich dem wechselnden Heizbedarf (Außentemperatur, Schichtbetrieb, Kälteeinfall durch offene Tore, Sonneneinstrahlung …) am besten an, erhöht den Komfort und spart Energie. Diese Technologie ist auch bei anderen Systemen (Brennwertkesseln etc.) der Stand der Technik und führt zudem in der Berechnung nach DIN V 18599 (EnEV) zu besseren Produktwerten. Wichtig bei regelbaren Dunkelstrahlern ist, dass nicht nur die Gasmenge je nach Leistungsbedarf angepasst

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

wird, sondern in gleichem Maße auch die Gebläse unterstützte Verbrennungsluft. Nur so bleibt die Effizienz des Dunkelstrahlers uneingeschränkt hoch. Zur weiteren Effizienzsteigerung moderner Hallenheizungssysteme mit Gas-InfrarotStrahlern bieten einige Hersteller Wärmerückgewinnungssysteme, auch „Hybrid-Systeme“ genannt, an. Mit dem Begriff „Hybrid-System“ wird eine Kombination zweier Technologien bezeichnet: hier energieeffiziente Gas-Infrarotheizungen und innovative Wärmerückgewinnung. Die mit speziellen Wärmetauschern zurück gewonnen Energie kann in Speichern gesammelt und für weitere effiziente Nutzungen vorgehalten werden. Bei einer Abkühlung der Abgase der Gas-Infrarotstrahler (ähnlich moderner Brennwertkessel) kann der Wirkungsgrad des Systems auf bis zu 108 % bezogen auf den Heizwert gesteigert werden. Diese gewonnen Energie kann direkt in dem Raum aber auch sinnvoll als Ersatzmaßnahme nach EEWärmeG für angrenzende Büro- und Sozialräume genutzt werden. Kombiniert man die Wärmerückgewinnung aus den Abgasen mit vorhandener Abwärme z. B. von Maschinen, Wärmeprozessen und Beleuchtung können noch weit höhere Nutzungsgrade erzielt werden. Dunkelstrahler unterliegen der Messpflicht nach der 1. BImSchV. Die Abgasführung kann über Einzelschornsteine mit und ohne Verbrennungsluftversorgung, über Abgasführungen mit gemeinsamem Schornstein für zwei Dunkelstrahler, über Abgassammelanlagen für viele Dunkelstrahler mit einem Abgassammelventilator oder auch über eine baurechtliche Ausnahme mit indirekter Abgasführung erfolgen. Die Abnahme und Aufstellrichtlinien der Systeme und Abgasanlagen regelt das DVGW-Regelwerk G 638-2 sowie das ZIV-Arbeitsblatt 904. Durch die Möglichkeit der Verbrennungsluftversorgung über den Luft-Abgas-Kamin oder einer Sammelanlage kann mit Dunkelstrahlern ein raumunabhängiger Betrieb realisiert werden. Der Anlagenwirkungsgrad einer Heizungsanlage mit Dunkelstrahlern liegt mindestens bei den Anforderungen der 1.BimSchV (89–91 %), in der Regel aber höher. Alle weiteren für die Installation und den Betrieb notwendigen Vorschriften wie Mindestabstände werden im Regelwerk G638-2 sowie den Aufstellrichtlinien der Hersteller beschrieben. Gasraumheizer mit Schornsteinanschluss Nach DIN EN 613 gebaute Einzelraumheizungen der Art B11BS werden bis ca. 11 kW Leistung gefertigt und geben ihre Wärme größtenteils durch Konvektion ab. Rohrförmige Brennersysteme, im unteren Teil des Wärmetauschers (Brennkammer) angebracht, sind heute in der Regel zur Verbrennung von Erdgas und Flüssiggas ausgelegt. Die heißen Verbrennungsprodukte steigen in dem Wärmetauscher nach oben und werden im oberen Bereich, nach möglichst gleichmäßiger Belastung der Tauscherflächen, gesammelt und über eine Rückstromsicherung dem Schornstein zugeführt. Die Rückstromsicherung (Zugunterbrechung) hat die Aufgabe, die Verbrennung, auch bei Störungen im Schornsteinbereich (Stau/Rückstrom), innerhalb vorgegebener Grenzen zu gewährleisten. Bei einer derartigen Störung gelangen die Verbrennungsprodukte über die Rückstromsicherung in den Aufstellungsraum. Heute vorgeschriebene thermische Abgassicherungen sorgen im Störfall für eine selbsttätige Unterbrechung des Betriebes. Bei Geräten, die für den Betrieb mit verschiedenen Gasarten zugelassen sind, erfolgt die jeweils erforderliche Anpassung durch den Wechsel der Brennerdüsen und die zugehörige Einstellung des Düsendruckes. Der Betrieb bei gemischt belegten Schornsteinen ist ggf. durch den Einbau einer Bimetall gesteuerten Abgasklappe möglich. Die ungehinderte Zuführung von Verbrennungsluft ist sicherzustellen (TRGI, FeVO). Die meist komplett abnehmbaren Geräteverkleidungen sind in unterschiedlichem Design erhältlich.

1095

2

1096

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Bild 2.3.2-5. Raumheizer kamingebunden (Werkbild ORANIER Heiztechnik GmbH).

Bild 2.3.2-6. Außenwand-Raumheizer (Werkbild ORANIER Heiztechnik GmbH).

Außenwand-Gasraumheizer1) Bei diesen, ebenfalls nach DIN EN 613 gebauten Gasraumheizern der Art C11, handelt es sich um Geräte die raumluftunabhängig arbeiten. Der Leistungsbereich entspricht etwa dem der schornsteingebundenen Ausführungen. Sie sind gegenüber dem Aufstellungsraum abgedichtet und benötigen keinen Schornsteinanschluss. Abgas und Frischluft werden über ein in der Regel konzentrisches Rohrsystem durch eine Öffnung in der Außenwand mittels einer besonders gestalteten Windschutzvorrichtung so abgeschlossen, dass auch bei Windanfall ein störungsfreier Betrieb erreicht wird. Sie können, unter Beachtung der in der TRGI angegebenen Abstände untereinander und zu anderen Lüftungseinrichtungen, an jeder Stelle einer Außenwand aufgestellt werden. Die Anordnung unterhalb von Fenstern setzt dabei voraus, dass die vom Gerät ausgehende Emission (CO/NOx) den für diesen Fall reduzierten zulässigen Werten entspricht. Die gasspezifischen Merkmale dieser Bauart sowie die Auswahl der in Form und Farbe unterschiedlichen Verkleidungen sind vergleichbar mit denen der schornsteingebundenen Varianten. LAS-Raumheizer Sie haben, wie die Außenwand-Raumheizer, eine gegenüber dem Aufstellungsraum geschlossene Brennkammer, sind jedoch an einen Luft-Abgas-Schornstein (LAS) angeschlossen. Dieses LAS-System erlaubt zum einen den raumluftunabhängigen Betrieb der Feuerstätte und ermöglicht zum anderen die Ableitung der Abgase über Dach, wobei Abgasaustritt und Frischlufteintritt nahe beieinander im gleichen Druckbereich liegen. Gas-Kaminöfen Das Merkmal dieser Raumheizer ist das, die Brennkammer (Wärmetauscher) zum Aufstellungsraum hin verschließende Sichtfenster. Es ermöglicht die Beobachtung der Verbrennung von außen, die in ihrem Erscheinungsbild die Verbrennung von Holz zum Vorbild hat. Voraussetzung ist dabei, dass an Stelle der normalerweise mit großem Blauanteil brennenden Gasflamme eine „warmgelbe“, möglichst ungleichmäßige Flamme erreicht wird, die durch Holzimitatstücke hindurch abbrennt. Die Qualität der Verbrennung (CO, CO2, NOx und Ruß) muss den Anforderungen der DIN EN 613 entsprechen. Gültigkeit haben auch alle die Art B11BS und C11 betreffenden Anforderungen, nach der diese Gerätegruppe ausgelegt werden kann. Wegen der diffizilen Abstimmung auf die verschiedenen Gasarten, werden diese Raumheizer oft nur in Eingasausführung hergestellt, wonach eine nachträgliche Umstellung nicht möglich ist.

2.3.2-3

Sicherheitsvorrichtungen

Thermoelektrische Zündsicherung Bei diesem Sicherungssystem wird der Gasdurchfluss durch ein im Gasweg angeordnetes Sicherheitsventil (Magneteinsatz) verhindert. Durch das Eindrücken dieses Ventils von Hand wird der Gasweg zu einem Brenner mit kleiner Belastung (Zündbrenner) für die Zeitspanne der Betätigung freigegeben und gezündet. Ein im Flammenbereich angeord1)

Beckmann, W. et al.: Schornsteinfegerhandwerk (1984), Nr. 7, S. 13–19.

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

1097

netes Thermoelement wird dadurch erwärmt und der entstehende Thermostrom dem Magnet im Sicherheitsventil zugeleitet. Nach ausreichender Erwärmung des Thermoelements wird die angedrückte Ankerplatte im Ventil selbsttätig solange gehalten, bis beispielsweise der Thermostrom durch Wegbleiben der Flamme unterbrochen wird. Diese Unterbrechung des Thermostroms wird heute oft für weitere sicherheitsrelevante Funktionen benutzt, wie beispielsweise der Funktion der thermoelektrischen Abgasüberwachung, bei der der Thermostrom durch einen zwischengeschalteten Thermostaten im Störfall unterbrochen wird.

2 Bild 2.3.2-7. Thermoelektrische Zündsicherung.

Ionisations-Überwachung Automatische Zündsicherungssysteme für gasbetriebene Brenner verwenden in der Regel das Ionisationsprinzip als Erkennungssignal für eine vorhandene Gasflamme. Bei der Verbrennung wird der Flammenbereich eines Gasbrenners elektrisch leitend (ionisiert). Legt man an einen im Flammenbereich angeordneten Sensor (Ionisationselektrode) eine elektrische Wechselspannung an, so fließt der Strom in Richtung zum geerdeten Brennergehäuse ab (Gleichstromeffekt). Dieser Strom (> 0,2 μA/DC) wird elektronisch (Feuerungsautomat) ausgewertet und signalisiert bei ausreichender Größe den Zustand „Flamme vorhanden“.

2.3.2-4

Zündeinrichtungen

Piezozünder Raumheizer mit manueller Bedienung sind heute mit Piezo-Zündeinrichtungen ausgerüstet. Diese sind als eigenständige Funktionseinheit oft Bestandteil der Regeleinrichtung. Zünder dieser Bauart nutzen den Effekt, dass in Piezokristallen, bei schlagartiger Belastung (Auslösen eines vorgespannten Stößels), ein Hochspannungsfeld entsteht, dass sich als Stromstoß von ca. 20 kV über Zündleitung und Zündelektrode gegen Brennermasse entlädt. Die Verwendung dieser Zünder erlaubt einen stromnetzunabhängigen Geräteaufbau und zeichnet sich durch einen robusten Aufbau der Zündeinrichtung aus.

Bild 2.3.2-8. Piezozünder.

Taktfunkenzünder Bei halbautomatischen und automatischen Flammenüberwachungen, die eine Verbindung mit dem Stromnetz oft zwingend erforderlich machen, werden Zünder eingesetzt, die bei einem elektrischen Anschluss eine Hochspannung von ca. 20 kV, mit einer Taktfrequenz von 4 Hz erzeugen.

1098

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

2.3.2-5

Regelung Einzelraumheizer

Manueller Betrieb Heute werden praktisch nur noch sogenannte Mehrfachstellgeräte eingesetzt, die neben den sicherheitsrelevanten Funktionen (z. B. Magneteinsatz) auch die selbsttätige, thermostatische Raumtemperaturregelung übernehmen und eine Anpassung an die Bedingungen der Gasartumstellung (Druckregelung und Definition der Kleinstellung) ermöglichen. Im Bereich zwischen der max. und min. Gasmenge arbeiten diese Stellgeräte modulierend, d. h. sie passen den Gasdurchsatz der benötigten Wärmemenge an. Der Temperaturfühler wird, vor direkter Beeinflussung durch den Heizkörper des Raumheizers durch Abschirmungen geschützt, am Gerät angeordnet. Er kann jedoch auch aus seiner geräteseitigen Halterung entnommen werden und außerhalb des Gerätes angeordnet werden, um günstigere Messbedingungen zu erlangen. Halbautomatischer Betrieb Bei Raumheizern mit dieser Einrichtung erfolgt die Inbetriebnahme manuell, d. h. es wird eine Zündflamme bzw. ein Zündbrenner gezündet, der dann permanent brennt. Die Zuschaltung des Hauptbrenners erfolgt dann über ein im Gasweg des Hauptbrenners angeordnetes Magnetventil, welche durch externe Geber (Thermostate) ein- bzw. abgeschaltet werden kann. Der zugeschaltete Hauptbrenner wird dabei immer in max. Stellung betrieben. Beispiel Bild 2.3.2-9.

Bild 2.3.2-9. Elektrische Fernzündung für Gasheizöfen mit Temperaturregler und Schaltuhr (Junkers). 1 = Temperaturregler, 10 = Thermoelement, 3 = Schaltuhr auf Schalttafel, 4 = Magnetventil in Gasleitung, 5 = Signallampe

Automatischer Betrieb Alle Schaltvorgänge werden selbsttätig durchgeführt und überwacht. Für die Koordinierung der Abläufe ist ein Feuerungsautomat zuständig. Ein Thermostat übernimmt auch hier die Temperaturüberwachung. Bei fehlendem Wärmebedarf schaltet das Gerät komplett ab (Bild 2.3.2-10).

Bild 2.3.2-10. Vollautomatische Schaltung bei einem Gasheizofen.

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

1099

Fernbedienung Zur Erhöhung des Bedienkomforts können Raumheizer auch mit Fernbedienungen ausgestattet werden. In der einfachsten Form wird, bei brennender Zündflamme lediglich die Flammengröße (Heizleistung) per Fernbedienung individuell eingestellt. In- und Außerbetriebnahme erfolgen dabei manuell. Komfortlösungen gestatten die komplette In- und Außerbetriebnahme sowie die thermostatische Raumtemperaturregelung über einen im Handsender integrierten Temperatursensor. Daneben sind auch ein manueller Betrieb und Timerfunktionen einstellbar, die eine zeitlich definierte besondere Betriebsweise (z. B. Nachtabsenkungen oder reduzierter Betrieb tagsüber) ermöglichen.

2.3.2-6

Planung

a) Gas-Infrarotstrahler Bei der Berechnung der erforderlichen Heizleistung bei Strahlungsheizungen mit Hellund Dunkelstrahlern müssen die Besonderheiten der Wärmeübertragung durch Strahlung berücksichtigt werden (s. a. Abschn. 2.3.1). Die empfundene Raumtemperatur setzt sich nach DIN EN ISO 7730, DIN EN 12831 und den Technischen Regeln für Arbeitsstätten „ASR“ generell – bei Vernachlässigung extremer Luftfeuchten oder Luftbewegungen – als arithmetisches Mittel aus der Lufttemperatur tL und der durchschnittlichen Strahlungstemperatur des Raumes ts (also der Oberflächentemperatur der Umschließungsflächen) zusammen. tR = (tL + tS ) / 2 Während in durchgehend beheizten, gut isolierten und niedrigen Räumen (z. B. in Wohngebäuden) bisher in der Regel keine Differenzierung nach Temperaturanteilen notwendig erscheint, treten in hohen und großen Räumen mit evtl. nur zeitweiser Nutzung in Abhängigkeit vom gewählten Heizsystem merkliche Unterschiede zwischen Luft- und Strahlungstemperatur sowie Temperaturgradienten der Luft über der Raumhöhe auf. Bei Strahlungsheizungs-Systemen liegt aufgrund der Wärmeübergangsmechanismen die Raumtemperatur stets höher als die Lufttemperatur des Raumes – umgekehrt bei konvektiven Systemen. Da die mittlere Strahlungstemperatur eines Raumes nur mit aufwändigen Messungen oder Berechnungen zu ermitteln ist, wird sie in der Planung durch die Umrechnung der von den Strahlungsheizgeräten am Boden erzeugten Strahlungsintensität I [W/m2] ersetzt. tR = tL + K · I Der Konversionsfaktor K berücksichtigt mögliche unterschiedliche Anordnungen der Strahler im Raum. Genaue Berechnungsmethoden findet man in den DVGW-Arbeitsblättern G 638-1 für Hellstrahler und G 638-2 für Dunkelstrahler, die an dieser Stelle für Anwender hierfür sehr empfohlen werden. Um beispielsweise eine Raumtemperatur von 17 °C zu erzielen, wird eine Lufttemperatur benötigt, die um den Anteil des Strahlungsterms niedriger ist. Der Strahlungsterm K · I reduziert bei modernen Hallen die erforderliche Lufttemperatur um ca. 2–3 °C. Die niedrige Lufttemperatur wird physiologisch als angenehm empfunden. Je höher der Strahlungswärmeanteil im Aufenthaltsbereich, desto niedriger die Lufttemperatur und damit auch die Transmissions- und Lüftungsverluste. Bekannt ist, dass eine um 1 °C niedrigere Lufttemperatur den Energieverbrauch allgemein um ca. 6 % reduziert. Mit modernen Strahlungsheizungen sind so Energieeinsparungen von ca. 20 % bei neuen Anlagen und teilweise mehr als 50 % bei Sanierungen möglich. Neben der korrekten Planung der r Anlage ist für diese Einsparung der Strahlungsfaktor der Geräte entscheidend, also der Leistungsanteil des Heizgeräts, der in Wärmestrahlung umgesetzt wird. Je höher der Strahlungsterm (Strahlungsfaktor), desto niedriger die Lufttemperatur und damit die Transmissions- und Lüftungsverluste. Strahler mit hohen Strahlungsfaktoren reduzieren somit erheblich die Energiekosten. Berechnung: Zunächst wird der bauliche Normheizlast nach DIN EN 12831 ermittelt. Auf dieser Basis wird die erforderliche Heizleistung der Strahler unter Berücksichtigung der energetischen Qualität des Strahlertyps (Strahlungsfaktor), der geforderten gleichmäßigen thermischen Behaglichkeit, der Installationshöhen und -winkel der Strahler sowie des Anlagenwirkungsgrades errechnet. Hieraus ergibt sich in der Regel eine gegenüber konvektiven Heizsystemen deutlich niedrigere zu installierende Gesamtheizleistung für Strahler.

2

1100

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Die DIN V 18599 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Beheizung, Kühlung, Belüftung, Beleuchtung und Warmwasserbereitung – Teil 5: Berechnung von Heizsystemen“ beschreibt den Energiebedarf von neuen wie Bestandsgebäuden, darunter auch Räumen höher 4 Meter mit unterschiedlichen Heizsystemen. Zum 01.05.2014 tritt die neue EnEV 2014 in Kraft. Ein Kernelement der neuen EnEV ist die Anhebung der Effizienzanforderungen für alle Neubauten (Wohn- und Nichtwohngebäude) ab dem 1.Januar 2016 um 25 %. Mit einer Ausnahme: erstmals betrachtet die EnEV Nichtwohngebäude differenziert: klassische Industriegebäude, Lager-, Logistik- und Werkhallen sind richtigerweise anders zu bewerten als Krankenhäuser, Kindergärten und Schulen. Und: die EnEV 2014 berücksichtigt die hohe Effizienz von dezentralen Gas-Heizsystemen wie Gas-Infrarot-Hell- und Dunkelstrahler. Sie lässt die energetischen und umweltrelevanten Vorteile mit in die neue Verordnung einfließen, die Verschärfung um 25 % ab 1.1.2016 gilt nicht für diese Heizsysteme. Damit werden diese Systeme für die Anwendungen in Nichtwohngebäuden mit mehr als 4 m Raumhöhe energetisch überaus positiv bewertet, sie erfüllen bei entsprechendem baulichen Wärmeschutz in der Regel immer die Anforderungen der EnEV 2009/2014 und des EEWärmeG und geben dem Planer viele Möglichkeiten, die Gesetze zu erfüllen. Auch berücksichtigt die neue EnEV 2014 die tatsächlichen Effizienzkriterien der verschiedenen Systeme und Produkte zur Hallenheizung. Der bisherige pauschale Bonusfaktor von 0,85 für Hallenheizsysteme mit Strahlungswirkung in hohen Räumen (Fußbodenheizung, Deckenstrahlplatten, Dunkelstrahler und Hellstrahler) entfällt, es gehen erstmals die System- und Produktwerte (bei Strahlern z. B. die tatsächlichen Strahlungsfaktoren) in die Berechnung ein. Damit werden, wie man es bereits von Wohngebäuden kennt, effizientere Systeme und Produkte adäquat im EnEV-Nachweis berücksichtigt. Hell- und Dunkelstrahlerlösungen weisen danach in der Regel bei gewöhnlichen höheren Hallenbauten energetisch die geringsten Energieverbräuche auf (siehe auch BMVBS Studie GAEEH „Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden“ – zu finden unter www.systemvergleich-hallenheizung.de). Bei der Planung von Strahlungsheizungen sind die baulichen Merkmale und die Benutzercharakteristik des betreffenden Gebäudes zu berücksichtigen. Unter Einhaltung aller sonstigen Regeln der o.a. Arbeitsblätter können dann die Anzahl der Strahler, der Abstand der Strahler untereinander, bezogen auf die Möglichkeit der Aufhängehöhe, die Wärmeleistungen der Strahler sowie die Montageeinstellwinkel variiert werden. Um eine energetisch effektive Strahlungsheizungsanlage zu realisieren, ist in Großräumen eine ingenieurmäßige Planung erforderlich. Hierbei sind u. a. unzulässig hohe Einstrahlungsintensitäten bzw. Strahlungsasymmetrien zu vermeiden. Die Regelwerke G 638-1 und -2 des DVGW geben diesbezüglich Grenzwerte an, die allerdings in der Praxis kaum erreicht werden. Moderne Rechnerprogramme der Hersteller mit Strahlungsintensitätsverteilungskurven gewährleisten eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Gute Richtwerte findet man in den o.a. Regelwerken sowie in den Aufstellrichtlinien der Hersteller. Neben der Vollheizung eines Raumes können durch Gas-Infrarotstrahler Teilflächen und Arbeitsplätze durch Strahlungswärme gezielt beheizt werden. Industrie und Gewerbe machen sich diesen großen Vorteil schon seit mehr als 50 Jahren zu Nutze. Erfahrungswerte für die Projektierung haben die Hersteller. b) Gas-Raumheizer Es sind 3 Betriebsweisen unterschieden: Dauerheizung mit nächtlicher Absenkung der Temperatur um höchstens 5 K; Zeitheizung mit täglich 6…12 Stunden Betriebszeit (Schulen u. a.); Die besonderen Verhältnisse hinsichtlich Lage und Ausführung der Räume werden wie bei den eisernen Öfen durch ein Punktsystem berücksichtigt, bezogen auf einen Grundraum von 20 m2 Fläche. Das Verfahren ist jedoch sehr ungenau und ergibt meist zu hohe Werte, so dass eine Transmissionsrechnung vorzuziehen ist. Kurzheizung = seltene Beheizung. Hier muss die Berechnung nach dem genauen Verfahren erfolgen. Bei Dauerheizung und Zeitheizung von Räumen ist das normale Berechnungsverfahren nach DIN EN 12831 anzuwenden, siehe Abschnitt 2.6.

2.3.2 Einzelraumfeuerstätten zum Betrieb mit Gas

Tafel 2.3.2-1 Betriebsweise

1101

Beispiele der Raumheizvermögen von Gasraumheizern Raumlage

Nennleistung in kW 2

3

4

5

6

7

Rauminhalt in m3 Dauerheizung

Günstig

30

63

110

170

–

–

Weniger günstig

20

40

70

98

130

–

Zeitheizung

Günstig

24

51

90

140

210

–

Weniger günstig

15

31

55

78

110

140

Bei Kurzheizung, z. B. für Ausstellungshallen, Küchen, Versammlungsräume, ist der Wärmebedarf selten beheizter Räume ebenfalls nach DIN EN 12831 der Berechnung zugrunde zulegen, wobei auch die Wärmeeindringzahl der raumumschließenden Flächen berücksichtigt wird. Von ausschlaggebender Wichtigkeit sind dabei die Anheizzeit z und die Anfangstemperatur t1, die von Fall zu Fall nach den örtlichen Verhältnissen angenommen werden müssen.

2.3.2-6.1

Abgasführung

Die Abgase von Gasfeuerstätten, mit Ausnahme der oben erwähnten schornsteinlosen Geräte, müssen durch Abgasanlagen, wie Schornsteine, Abgasleitungen und Verbindungsstücke (Abgasrohre), so abgeführt werden, dass keine Gefahren oder unzumutbaren Belästigungen entstehen.1) Abgasrohre steigend zum Schornstein, mit Prüföffnung, möglichst kurz, korrosionsgeschützt, meist aus Stahlblech oder Aluminium, in kalten Räumen wärmegedämmt.

Bild 2.3.2-11. Funktion der Strömungssicherung für Gasfeuerstätten.*) *) Zentralinnungsverband (ZIV): Arbeitsblatt Nr. 102 (2004)

Zur Vermeidung von zu großem Zug, von Stau oder Rückstrom befindet sich bei atmosphärischen Gasfeuerstätten zwischen Schornstein und Verbrennungskammer eine Strömungssicherung (Zugunterbrecher kombiniert mit Rückstromsicherung), die ein Bestandteil der Feuerstätte ist und vom Gerätehersteller mitgeliefert wird. Bild 2.3.2-11. Gasfeuerstätten mit Strömungssicherung und einer Nennwärmeleistung von mehr als 7 kW müssen in Wohnungen und ähnlichen Nutzungseinheiten eine Abgasüberwachungseinrichtung haben, die bei Stau oder Rückströmung den Brenner ausschaltet (Bild 2.3.2-12).

1)

Musterbauordnung für die Länder der Bundesrepublik Deutschland. Fassung November 2002, (zuletzt geändert Oktober 2008) § 42 Abs. 3.

2

1102

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

In Abgasrohren von raumluftabhängigen Gasfeuerstätten dürfen Abgasklappen angebracht werden, die bei Brennerbetrieb offen und bei Brennerstillstand geschlossen sind. Die Abgasklappen müssen für die jeweilige Feuerstätte geeignet sein (Einbauanleitung). Thermisch gesteuerte Abgasklappen nach DIN 3388-4:1984-12 dürfen nur bei atmosphärischen Gasfeuerstätten und nur hinter der Strömungssicherung eingebaut werden. Mechanisch gesteuerte Abgasklappen nach DIN 3388-2:1979-09 müssen so geschaltet werden, dass der Brenner erst bei vollständig offener Klappe in Betrieb gehen kann und die Klappe erst nach Brennerabschaltung wieder schließt. Abgasanlagen sind nach DIN V 18160-1: 2006-01auszuführen. Mauerwerk wenig günstig, da bei niedrigen Abgastemperaturen leicht eine Durchfeuchtung (Versottung) eintritt. Besser sind Formstücke aus Schamotte, Beton u.dgl. In gemauerten Schornsteinen können auch starre oder flexible Metallrohre eingezogen werden. Bemessung der Abgasanlage sie Abschnitt 2.4.1. Die Abführung der Abgase jeweils einer atmosphärischen Gasfeuerstätte sowie zusätzlich eines Gasraumheizers in innenliegenden fensterlosen Räumen (Bäder) über Entlüftungsschächte nach DIN 18017-1:1987-02: Einzelschachtanlagen ohne Ventilator und DIN 18017-3:1990-08: mechanische Abluftförderung ist zulässig. Bei mechanischer Abgasabführung ist DVGW-Arbeitsblatt G 626:2006-10 zu beachten.

Bild 2.3.2-12. Elektrische Abgasrückstauüberwachung. *) PB = Notwendiger Förderdruck für die Zuluft, PW = notwendiger Förderdruck für den Wärmeerzeuger (nur für die Strömungssicherung), PFV = notwendiger Förderdruck für das Verbindungsstück, PZ = Unterdruck an der Abgaseinführung in den Schornstein *)

Zentralinnungsverband (ZIV): Arbeitsblatt Nr. 102 (2004)

Abgasanlagen sollten nur mit gleichartigen Feuerstätten mehrfachbelegt werden. Gasfeuerstätten mit Gebläsebrenner sollten also nicht an eine gemeinsame Abgasanlage mit atmosphärischen Gasfeuerstätten angeschlossen werden. Gemischtbelegung, d. h. der Anschluss von Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe an eine gemeinsame Abgasanlage mit Gasfeuerstätten, ist in der Regel nur zulässig für Feuerstätten ohne Gebläse. Die Verbindungsstücke der Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe müssen unmittelbar hinter dem Abgasstutzen eine senkrechte Anlaufstrecke von mind. 1 m haben. Die Bemessung von mehrfach- und gemischtbelegten Schornsteinen kann nach DIN EN 13384-2:2009-07 erfolgen. Bei der Aufstellung von Feuerstätten ist für eine ausreichende Verbrennungsluftversorgung zu sorgen. Bei raumluftabhängigen Feuerstätten mit einer Nennwärmeleistung bis 35 kW genügt es in der Regel, wenn der Aufstellraum einen Rauminhalt von mind. 4 m3 je 1 kW Gesamtnennwärmeleistung aller in dem Raum gleichzeitig betreibbaren Feuerstätten hat und der Raum über eine Tür oder ein zu öffnendes Fenster ins Freie verfügt. Unter bestimmten Voraussetzungen können Nachbarräume, die über eine Lüftungsöffnung von mind. 150 cm2 freien Querschnitt oder über Türen mit dem Aufstellraum verbunden sind, berücksichtigt werden. Einzelheiten sowie Anforderungen bei Nennwärmeleistungen von mehr als 35 kW siehe DVGW-TRGI 2008. Gasfeuerstätten mit Strömungssicherungen dürfen nur in Räumen aufgestellt werden, deren Rauminhalt mind. 1 m3 je 1 kW Gesamtnennwärmeleistung beträgt, wobei Nachbarräume, die mit dem Aufstellraum über 2 Öffnungen (oben und unten) mit je 150 cm2

2.3.3 Elektrische Raumheizung

1103

freiem Querschnitt verbunden sind, berücksichtigt werden dürfen. Die Aufstellung in kleineren Räumen ist zulässig, wenn diese 2 Lüftungsöffnungen ins Freie mit je 75 cm2 freien Querschnitt haben. Bei raumluftunabhängigen Gasfeuerstätten werden keine Anforderungen an die Größe des Aufstellraumes gestellt. Mögliche Ausführungen sind Außenwandfeuerstätten (s. Abschn. 2.3.1) oder Luft-Abgas-Systeme (s. Abschn. 2.3.1). 2.3.2-6.1.1

Auswahl

Raumheizstrahler sind besonders für Kamine geeignet, Wandheizgeräte für kleine Räume und in solchen Fällen, wo örtliche Anstrahlung gewünscht wird (Badezimmer). Gasraumheizer besonders für Wohnungen, Hotels, Schulen, Geschäfte und andere Aufenthaltsräume. Bei Altbauten besonders geeignet sind schornsteinlose Geräte. Gas-Infrarotstrahler (Glühstrahler) für Fabriken, Messe- und Ausstellungshallen, offene Terrassen und andere Großräume. Bei manchen Räumen bestehen besondere behördliche Vorschriften: In Kinos und Garagen z. B. sind nur Gliederheizöfen mit geschlossenem Verbrennungsraum zulässig.

2.3.3

Elektrische Raumheizung

2.3.3-1

Allgemeines

2

In Deutschland betrug die Brutto-Stromerzeugung im Jahr 2015 ca. 650 Mrd. kWh. Die Kraftwerksbetreiber haben in den letzten 10 Jahren ihren Kraftwerkspark erheblich verbessert. Braunkohle-Kraftwerke in den neuen Bundesländern wurden entweder so aufgerüstet, dass ihr Wirkungsgrad um 10 Prozentpunkte angehoben wurde, oder es wurden alte Kraftwerke durch neue Einheiten ersetzt, die Wirkungsgrade von 41 % und mehr erreichen. Ähnliches hat bei den Steinkohle-Kraftwerken stattgefunden, deren unterer Standard heute bei 42 % liegt. Im Zuge von Revisionen wurden selbst die Wirkungsgrade der Kernkraftwerke um 1 bis 2 % angehoben. Auch der Anteil der regenerativen Stromerzeugung von über 30 % im Jahr 2015 am gesamten Stromverbrauch nimmt Einfluss auf die Höhe des durchschnittlichen Wirkungsgrades in der öffentlichen Stromversorgung. Weitere Verbesserungen des Gesamtwirkungsgrades der Stromerzeugung werden mit der vom Gesetzgeber beschlossenen Abschaltung von Kernenergieanlagen einhergehen, da diesen Anlagen auf Basis internationaler Konventionen ein vergleichsweise geringer Wirkungsgrad zugeschrieben wird. Bei der Nutzung von Strom zu Heizzwecken wird mitunter kritisch angemerkt, dass im Winter geringere Anteile an erneuerbarem Strom im allgemeinen Stromnetz anliegen, als in den Sommermonaten. Hintergrund ist der in den Wintermonaten geringere Anteil von Strom aus PV-Anlagen am Erzeugungsmix (siehe Bild 2.3.3-1). 7.000 Jahresproduktion: 2013: 31.010 GWh 2014: 35.056 GWh 2015*: 38.432 GWh

in Mio. Kilowattstunden

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0 Jan

Feb

Mrz

Apr 2014

Mai 2015

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Ø

Durchschnitt 2010 - 2014

Quellen: ZSW, BDEW; Stand 01/2016

Bild 2.3.3-1. Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen einschließlich Selbstverbrauch.

* vorläufig

1104

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Mit dem in den letzten Jahren erfolgten Ausbau von Windkraftanlagen und dem zu erwartenden weiteren Anstieg von Strom aus Offshore-Windkraftanlagen und aus dem Repowering von Onshore-Windkraftanlagen wird der EE-Anteil in den kalten und dunklen Monaten des Jahres zukünftig jedoch überdurchschnittlich sein (Bild 2.3.3-2). Beispielsweise lag das Maximum der EE-Einspeisung des Jahres 2015 im Monat Dezember (siehe Bild 2.3.3-3). Das Ausbauszenario für Erneuerbare Energien in der Stromerzeugung ergibt sich aus Bild 2.3.3-4. 14.000 Jahresproduktion: 2013: 51.708 GWh 2014: 57.357 GWh 2015*: 87.974 GWh

in Mio. Kilowattstunden

12.000

10.000

8.000

6.000

4.000

2.000

0 Jan

Feb

Mrz

Apr 2014

Mai

Jun 2015

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Ø

Durchschnitt 2005 - 2014

* vorläufig

Quellen: ZSW, BDEW; Stand 01/2016

Bild 2.3.3-2. Stromerzeugung aus Windkraftanlagen onshore und offshore, brutto. Bruttostromerzeugung 2015*, Veränderung zum Vorjahr in Prozent

in Mrd. Kilowattstunden

25

20

+21,8% +27,2% +18,9%

+29,8%

15

+61,1%

+31,6% +16,8%

-6,8%

+20,6%

+5,7% +28,2% -1,5%

10

5

0 Jan Wasser Wind onshore

Feb

Mrz Apr Biomasse Geothermie

Mai

Jun Jul Siedlungsabfälle Vorjahr gesamt

Aug Sep Wind offshore

Quellen: BDEW-Schnellstatistikerhebung, Stat. Bundesamt, EEX, ZSW, BDEW; Stand: 04/2016

Okt

Nov Dez Photovoltaik

* vorläufig

Bild 2.3.3-3. Monatliche Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien

Der Zubau von Erneuerbaren Energie-Anlagen, die Verbesserung der Kraftwerks-Wirkungsgrade der konventionellen Stromerzeugung und die Abschaltung von Kernkraftwerken haben dazu geführt, dass die dem Energieträger Strom zugerechnete Primärenergie abgenommen hat. Seit dem 1.1.2016 ist der Primärenergiefaktor für den nicht erneuerbaren Anteil des allgemeinen Strommix vom Verordnungsgeber auf den Wert von 1,8 festgelegt. Eine Studie im Auftrag der Bundesregierung1) prognostiziert ein weiteres Absinken des nicht erneuerbaren primärenergetischen Aufwandes in der Strom1)

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Energieeffizienzstrategie Gebäude. 18.11.2015, S. 35, Tabelle 5.

2.3.3 Elektrische Raumheizung

1105

100% EE-Anteil Strom* (gemäß Energiekonzept der Bundesregierung)

2050: 80%

90% Normalisierter EE-Anteil Strom (gemäß Richtlinie EU 2009/28/EG**) 80%

2040: 65%

Ziele aus dem Energiekonzept der BR 2011 70% Ausbaukorridor gemäß Koalitionsvertrag 2013

2030: 50%

60% 2025: 45%

50% 2015***: 32,6%

40%

2035: 60%

2020: 35%

55%

40%

30% 2015***: 30,7%

20% 10%

Quelle: BDEW, Stand 01/2016

2050

2048

2046

2044

2042

2040

2038

2036

2034

2032

2030

2028

2026

2024

2022

2020

2018

2016

2014

2012

2010

2008

2006

2004

2002

2000

1998

1996

0%

* Anteil bezogen auf den Brutto-Inlandsstromverbrauch Deutschlands; ** Berechnung gemäß EU 2009/28/EG Art. 30 und Annex II; *** vorläufig

Bild 2.3.3-4. Beitrag und Ziele der erneuerbaren Energien.

erzeugung bis zum Jahr 2030 unter den Wert von 1 und bis zum Jahr 2050 unter den Wert von 0,5. Wärme kann aus Strom direkt über den elektrischen Widerstand, nachfolgend direkt elektrische Raumheizung oder über elektromotorische Kraft, z. B. als Antrieb eines Wärmepumpenverdichters, nachfolgend Wärmepumpe, gewonnen werden. Diese Systeme unterscheiden sich in der Effizienz der Energienutzung erheblich. Bei der direkt elektrischen Raumheizung erfolgt die Umsetzung Strom in Wärme zu nahezu 100 % bereits mit einem sehr hohen Wandlungswirkungsgrad. An einem kühlen Tag außerhalb der Heizperiode ist der Betrieb eines Elektro-Heizlüfters in einem Raum energetisch und kostenmäßig günstiger als der Betrieb einer ganzen Zentralheizung. Bei der Wärmeerzeugung in einer Wärmepumpe ist die Effizienz um ein mehrfaches höher, da jede kWh elektrische Energie zusätzlich 2–4 kWh Umweltwärme auf Heiztemperatur erhitzen und somit insgesamt 3–5 kWh Heizenergie abgeben kann. Für Wärmestromanwendungen werden von Energieversorgungsunternehmen günstigere zeitvariable Stromtarife angeboten. Zeitvariable Stromtarife unterliegen dabei detailliert geregelten Anforderungen.1) Zudem gelten verminderte Konzessionsabgaben2), was die Abgabenlast im Vergleich zu Haushaltsstromtarifen senkt. Die direkt elektrische Raumheizung zeichnet sich durch eine nahezu verlustfreie Umwandlung des Endenergieträgers Strom in Nutzenergie Raumwärme aus. Dabei ist zwischen der elektrischen Speicherheizung und der elektrischen Direktheizung zu unterscheiden.

2.3.3-2

Elektrische Direktheizung

Elektrische Direktheizungen kommen in Wohngebäuden in ausgewählten Anwendungsfällen zum Einsatz, beispielsweise als elektrische Flächenheizungen und als Ergänzungsheizung für Sanitärräume in stark gedämmten Gebäuden (Passivhäuser). Folgende Typen und Anwendungsfälle sind weit verbreitet: – Übergangsheizgeräte, z. B. Heizlüfter, Öl-Radiatoren, Handtuchtrockner, Wickeltischstrahler, Frostwächter usw. – Vollheizung, z. B. Marmor-, Konvektor-, Fußboden-, Deckenstrahlungs-, Badezimmer-Schnellheizer, Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung und elektrische Nacherwärmung (z. B. wohnungszentrales RLT-Kompaktgerät) usw. In Deutschland wird die elektrische Direktheizung ohne Steuermöglichkeit des EVU nur als Zusatz- oder Übergangsheizung eingesetzt, in einigen nordischen Ländern und auch 1) 2)

Vergleiche z. B. § 5 AbLaV – Verordnung zu abschaltbaren Lasten, tritt am 1.7.2016 außer Kraft. Maximal 0,11 Eurocent je kWh Strom gem. § 2, Abs. 3, Nummer 1 KAV.

2

1106

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

in Frankreich auf Grund anderer Erzeugungsstrukturen und/oder klimatischer Bedingungen häufig auch als Vollraumheizung. Als Vollraumheizung kommt sie in Deutschland in Häusern mit sehr niedrigem Heizenergiebedarf oft in Verbindung mit einer Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) oder als gesteuerte Direktheizung mit günstigen Strombezugskosten zum Einsatz.

2.3.3-3

Elektrische Speicherheizung

Die elektrische Speicherheizung bezieht Strom überwiegend in Zeiten schwacher Netzauslastung, z. B. während 8 Nachtstunden. In einem Wärmespeicher aus Wärmespeichersteinen, wird soviel Wärme vorgehalten, dass der Tagesbedarf gedeckt werden kann. Der sogenannte Heizstrom wird von den Energieversorgungsunternehmen (EVU) zum Teil günstiger als Haushaltsstrom angeboten. Verbreitung von elektrischen Speicherheizanlagen Elektrische Speicherheizungen sind in Deutschland in manchen Regionen und Gebäudetypen der Baujahre 1970 bis 1980 weit verbreitet. Im Jahr 2012 wurden etwa 1,37 Mio. elektrische Speicherheizanlagen in Deutschland zur Beheizung verwendet. Die Anzahl ist rückläufig, im Jahr 2008 waren es noch etwa 1,58 Mio. elektrische Speicherheizanlagen.1) Bei den neu abgesetzten elektrischen Speicherheizanlagen handelt es sich überwiegend um Modernisierung und Austausch von Altanlagen. Mit der kontinuierlichen Verschärfung der energetischen Anforderungen an Gebäude ist davon auszugehen, dass auch der zum Heizen verwendete Strombedarf in den kommenden Jahren sinken wird. Eine elektrische Speicherheizungsanlage besteht aus durchschnittlich drei elektrischen Speicherheizgeräten. Funktionsprinzip und technische Neuerungen elektrischer Speicherheizanlagen Der elektrische Strom fließt durch einen Heizelement und erhitzt dieses. Die so erzeugte Wärme wird an ein Speichermedium abgegeben. Die innere Speichertemperatur kann dabei deutlich über 500 °C betragen. Elektrische Speicherheizgeräte verfügen üblicher Weise über einen eingebauten Lüfter (früher manchmal nur einstellbare Luftklappen), welche die Raumluft zu den gewünschten Zeiten durch das Gerät am thermischen Speicher vorbei führt und mit komfortablen Temperaturen an den Raum abgibt. Viele Geräte ermöglichen es dem Nutzer die gewünschte Speichertemperatur und die bevorzugte Lüftungsintensität für jeden Raum individuell zu regeln. Dadurch verfügen diese Heizgeräte gegenüber einem Warmwasserheizkörper über eine höhere Regelungsfreiheit, da nicht die gesamte Heizanlage die Vorlauftemperatur für den wärmebedürftigsten Raum bedienen muss. Modernere elektrische Heizgeräte sind in der Lage die Wärme über einen Zeitraum von bis zu 70 Stunden zu speichern. Dadurch ist es möglich, den Zeitraum der Beladung des thermischen Speichers vom Zeitraum der Wärmenutzung deutlich zu entkoppeln. Dies bietet beispielsweise in Kombination mit Photovoltaikanlagen neue Effizienzpotenziale. Zudem kann dies zu einer systemdienlichen Entlastung der Stromnetze für den Fall von Lastspitzen beitragen. Es wird erwartet, dass die Bedeutung von netzdienlichen Eigenschaften mit dem weiteren Zubau von EE-Anlagen, mit einem intelligenteren Stromnetz und mit variablen Tarifen, wie die EU sie fordert, künftig stark wächst. Manche Fachexperten erwarten daher mittelfristig eine positivere Bewertung dieser Heiztechnologie als dies heute der Fall ist. Während ältere Speicherheizgeräte in der Regel unter Volllast bis zum Erreichen der Wunschtemperatur komplett beladen wurden, können moderne Speicherheizgeräte mit reduzierter Leistung teilbeladen werden. Diese Funktion kann in Kombination mit einer Photovoltaikanlage Effizienz- und Kostenvorteile eröffnen und zielt auf die Übergangszeiten der Heizperiode mit geringem Heizwärmebedarf. Moderne Anlagen werden mit dem Label „Smart-Grid-Ready“ (SG-Ready) angeboten und können darüber mit Wetterdaten und künftig auch mit Angaben über variable Stromtarife gekoppelt werden, die eine energie- und kosteneffiziente Betriebsweise unterstützen.

1)

BDEW: Entwicklung des Stromverbrauchs in Deutschland. Energie-Info vom 11.03.2015, S. 22.

2.3.3 Elektrische Raumheizung

Anschluss von elektrischen Speicherheizanlagen Elektrische Speicherheizanlagen beziehen in der Regel einen günstigeren Stromtarif für abschaltbare Lasten mit einer verringerten Konzessionsabgabe. Aufgrund ihrer höheren Anschlussleistung unterliegen sie zudem besonderen technischen Anschlussbedingungen (TAB) des regional zuständigen Verteilnetzbetreibers, der das technische System und die zeitlichen Details für die zeitweise An- und Abschaltung vorgibt. Der Anschluss elektrischer Speicherheizanlagen ist in der Regel vorab beim Netzbetreiber bzw. beim Energieversorger durch den dafür zugelassenen Errichter anzumelden. Der zum Heizen verwendete elektrische Strom wird meist separat vom Haushaltsstrom erfasst. Es kommen unterschiedliche Zähler- und Anschlussvarianten zur Anwendung. Üblich ist ein separater Eintarifzähler zur Messung des Wärmestroms, wobei eine Phase (Hilfsstrom) dauerhaft unter Spannung steht, um den durchgehenden Betrieb des Lüfters für die Wärmeabgabe, der Regelfunktionen und des Displays sicher zu stellen. Die Beladung des Wärmespeichers durch das Energieunternehmen erfolgt über die beiden anderen Phasen, die entsprechend der vertraglichen Vereinbarungen zeitweise abgeschaltet werden können. Alternativ kommt ein separater Zweitarifzähler zum Einsatz, der einen durchgehenden Betrieb zu unterschiedlichen Tarifniveaus ermöglicht. Manchmal kommen auch gemeinsame Zweitarifzähler zur Anwendung, die den Heizstrom und den Haushaltsstrom in einem Messgerät mit zwei Zählwerten erfassen. Der gelieferte Strom wird dabei je nach Tarifmerkmal auf dem Hochtarif-Zählwerk (HT) oder dem Niedertarif-Zählwerk (NT) erfasst. Die Geräte selbst werden meist in den Fensternischen der zu beheizenden Räume verbaut, und an eine separate Stromleitung angeschlossen. Regelwerke Die energetische Bewertung ist in den einschlägigen Normen1) geregelt. Verfahren zur Bestimmung und zur Messung der Gebrauchseigenschaften sind international geregelt2) ebenso wie die Prüfvorschrift für die Bestimmung der Luftschallemission von elektrischen Speicherheizgeräten für den Hausgebrauch3). Zum Zeitpunkt der redaktionellen Bearbeitung dieser Ausgabe war eine grundlegende Überarbeitung von EU-Normen für elektrische Heizgeräte beabsichtigt, jedoch noch nicht abgeschlossen. Auch wurde der Entwurf eines Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende und als dessen Bestandteil ein Gesetz über den Messstellenbetrieb und die Datenkommunikation in intelligenten Energienetzen4) politisch beraten. Es ist davon auszugehen, dass dieses Regelwerk mit seinem Inkrafttreten Auswirkungen auf die Anschlussbedingungen von elektrischen Speicherheizgeräten haben kann. Vorteile elektrischer Speicherheizungen – Geringe Investitionskosten – Hoher Wandlungswirkungsgrad von Strom in Wärme – Keine Feuerstätte, kein Schornstein, keine lokalen Emissionen, kein Brennstofflager – Lokale Unabhängigkeit von Brennstoffen und Wärmenetzen – Stetig zunehmende Umwelteffizienz durch wachsende Anteile erneuerbar erzeugten Stroms im allgemeinen Strommix, siehe Bild 2.3.3-5 (über 30 % im Bundesdurchschnitt in 2015 mit Zuwachsraten von bis zu über 5 % pro Jahr). Endkunden können ihre individuellen Kostentragungsanteile der Stromkennzeichnung ihrer jährlichen Stromrechnung entnehmen. – Dauerhaft hohe Umweltflexibilität durch Tarifwechsel auf rein erneuerbar erzeugten Strom ohne Umbau- oder Systemwechselkosten (siehe Bild 2.3.3-6). Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Bezug von rein erneuerbar erzeugtem Strom im Energieeinsparrecht für Gebäude nicht anrechenbar ist. – Raumweise individuelle Betriebsführung bietet vergleichsweise hohe Energiesparmöglichkeiten gegenüber gebäudezentralen Heiztechnologien und führt auch häufig zu sparsamer Anwendung – Kein zusätzlicher Wärmeträger, geringe Verteilverluste

1) 2) 3) 4)

DIN V 18599; DIN V 4701-10. DIN EN 60675; DIN EN 60531. DIN EN 60704-2-5. Messstellenbetriebsgesetz – MsbG.

1107

2

1108

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

– Geringe Wartungsintensität der Geräte, Herstellergarantien bis zu 25 Jahre, geringe Korrosion, kein Leckage-Risiko durch zusätzlichen Wärmeträger Wasser – Keine Vorkasse für Energielieferung durch Vermieter, direkte Abrechnung zwischen Energieunternehmen und Nutzer Nachteile elektrischer Speicherheizungen – Je nach Dämmstandard der baulichen Hülle, Nutzerverhalten und Stromtarif können vergleichsweise hohe Betriebskosten anfallen – Höhere Abgabenlast im Vergleich zu manch anderem Energieträger im Wärmemarkt (EEG-Umlage, ETS-Beteiligung, höhere kWh-spezifische Konzessionsabgabe usw.) – Zeitweise leises Gebläsegeräusch – Unterschiedliche technische Anschlussbedingungen der regionalen Energieunternehmen Brutto-Stromerzeugung 2015 in Deutschland: 651,8 Mrd. Kilowattstunden* Erdgas 9,1% Steinkohle 18,1%

Heizöl, Pumpspeicher und Sonstige 4,8%

Wind onshore 12,2%

Wind offshore 1,3%

Erneuerbare 30,1%

Biomasse 6,8% Wasser 3,0% Photovoltaik 5,9% Siedlungsabfälle 0,9% Geothermie 0,02%

Braunkohle 23,8% Kernenergie 14,1% Quellen: BDEW, AG Energiebilanzen Stand: 01/2016

* vorläufig

Bild 2.3.3-5. Anteil des Stroms aus regenerativen Energiequellen. 962

1000

839

900 800 700 600 500

390 398

400 300

177

200 100 0

5

10

42

93

TreibhausgasEmissionen in g CO2Äq pro kWhel

Bild 2.3.3-6. Prognose der Treibhausgas-Emissionen einzelner Stromerzeugungsarten für 2020 *). *)

Fritsche, U. R.; Greß, H.-W.: Der nichterneuerbare kumulierte Energieverbrauch des deutschen Strommix im Jahr 2014 sowie Ausblicke auf 2015 und 2020. IINAS GmbH, September 2015, nach Tabelle 4, Seite 11.

2.3.4 Sonstige Raumheizungen

1109

2.3.4

Sonstige Raumheizungen

2.3.4-1

Ölbeheizte Öfen1)

Die Verwendung von Ölöfen hatte in der Zeit der niedrigen Ölpreise bei uns erheblich zugenommen. Gegenüber koks- und kohlebeheizten Öfen haben sie zweifellos wesentliche Vorteile, insbesondere Sauberkeit, geringen Bedienungsaufwand, schnelles Aufheizvermögen, gute Regelbarkeit, wenig Platzverbrauch für Brennstoff. Für den Bau und Einbau von Ölöfen sind zu beachten: 1. DIN EN 1:2007-12: Heizöfen für flüssige Brennstoffe mit Verdampfungsbrenner und Schornsteinanschluss 2. DIN 4731:1989-07: Ölheizeinsätze mit Verdampfungsbrennern, Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung. 3. DIN EN 12514-1 und -2: 2000-05: Ölversorgungsanlagen für Ölbrenner. 4. DIN 18160-1:2001-12: Abgasanlagen. 5. Muster-Feuerungsverordnung vom September 2007. Der Einbau von Ölöfen ist in allen Ländern der BRD den zuständigen Behörden anzuzeigen. Mindestrauminhalt für die Aufstellung des Ofens 4 m3 je kW Heizleistung. Die allgemeine Wirkungsweise geht aus Bild 2.3.4-1 hervor. Aus einem meist am oder im Ofen befindlichen Tank läuft das Öl zunächst in einen Schwimmerbehälter, durch den der Ölspiegel konstant gehalten wird. Aus diesem Behälter fließt es über ein Regulierventil in den Verdampfungsbrenner, in dem das Öl verbrennt. Abzug der Abgase nach oben in den Verbrennungsraum und von dort in das Abgasrohr und zum Schornstein. Bestandteile: Der Verdampfungsbrenner ist ein meist topfförmig ausgebildeter aus hitzebeständigem Stahlblech bestehender Behälter mit zahlreichen Luftlöchern am Umfang, Durchmesser 100 bis 300 mm. Brennerringe dienen zur Flammenstabilisierung. Außer dieser Bauart gibt es auch Schalen- und Kaskadenbrenner. Regelmäßige Reinigung erforderlich. Ölregler halten das Ölniveau konstant, regeln die Heizleistung und verhindern Überflutung.2) Ein Beispiel zeigt Bild 2.3.4-2.

Bild 2.3.4-1. Schema eines Ölofens mit Verdampfungsbrenner.

Bild 2.3.4-2. Doppelschwimmerregler.

2 Schwimmer: Haupt- und Sicherheitsschwimmer. Ersterer hält den Ölspiegel konstant, letzterer verhindert das Überfließen und verriegelt die Ölzufuhr. Im Ölregler Handregelventil mit Einstellknopf für die Heizleistung. Bestimmungen über Bau, Leistung und Güte von Ölreglern in DIN 4737-1 und -2:2002-08: Ölregler für Verdampfungsbrenner. Im Brennraum steigen die Öldämpfe nach oben, verbrennen und geben dabei ihre Wärme an die Wandungen ab. Außen an den Wandungen strömt die zu heizende Raumluft nach oben. Wärmeabgabe hauptsächlich durch Konvektion. 1) 2)

Michaelis, F.: SBZ (1975), Nr. 14, S. 852–853. Bauder, W.: Öl + Gas und Feuerungstechn. (1973), Nr. 3, 3 S.

2

1110

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Der Tank fasst etwa 10 bis 15 l und ist entweder hinter dem Ofen befestigt oder auch in der Verkleidung des Ofens selbst angeordnet. Inhaltsanzeiger, Entleerungsvorrichtung, Ölauffangwanne > 1 dm3. Bei mehreren Öfen kann man einen gemeinsamen Tank für alle Brennstellen verwenden. Auch zentrale Heizölversorgung aus einem Zentraltank im Keller des Gebäudes ist möglich. Ölförderung dabei durch eine Pumpe. Tankinhalt je nach Ausstattung des Lagerraums bis zu 5000 l. In Wohnungen bis 100 l in ortsfesten Behältern zulässig. Bauvorschriften der Länder und1) regeln Anforderungen an Leitungen, Behälter und deren Ausführung. Erforderlicher Zug etwa 10…20 Pa je nach Nennleistung. Alle Verdampfungsbrenner sind sehr zugempfindlich. Sowohl zu starker Schornsteinzug wie zu schwacher Zug sind zu vermeiden. Zugregelung durch Nebenluftklappe oder Zuluftdrosselung. Letztere ist günstiger. Noch besser ist die Verwendung von kleinen Ventilatoren, die die Verbrennungsluft zwangsweise zuführen. Dabei Unabhängigkeit vom Kaminzug. Flamme kann auch waagerecht brennen (Bild 2.3.4-3). Als Brennstoff sollen nur leicht siedende Heizöle verwendet werden, die eine Viskosität von 6 mm2/s oder weniger haben müssen, insbesondere Petroleum Siedegrenze 180 bis 250 °C* Gasöl (Dieselöl) Siedegrenze 180 bis 300 °C Heizöl EL Siedegrenze 180 bis 360 °C (Gefahrklasse III) * in Deutschland nicht zugelassen, da Gefahrklasse II. Öle müssen frei von Verunreinigungen sein. Conradson-Wert < …0,05 %.

Bild 2.3.4-3. Verdampfungsbrenner mit Axial-Ventilator; a) Ventilator unterhalb des Brenners, b) Ventilator seitlich am Brenner

Schornsteinzerstörung durch Wasserdampfkondensation oder Sulfatbildung ist bei richtiger Bauart und Belastung des Schornsteins ebensowenig wie bei Kohleöfen zu befürchten. Öfen für feste und flüssige Brennstoffe können an einen gemeinsamen Schornstein angeschlossen werden, wenn der Schornsteinquerschnitt ausreichend ist, s. DIN 18160.2) Anschlüsse in der Höhe versetzt. Nach der Kleinfeuerungsanlagen-VO bei Verdampfungsbrennern ≤ 11 kW und vor dem 1. November 1996 errichtet Rußzahl < 3, bei > 11 kW < 2. Abgasverluste. Zündung durch Hand mittels Docht oder Spiritus-Tabletten oder elektrisch mittels Glühdraht bzw. Piezozünder. Regelung gewöhnlich durch Betätigung des Handregelventils mit 6 Stellungen 1 bis 6. Heizleistung dabei jedoch nur im Verhältnis von etwa 1 : 3 regelbar. Manche Ölöfen sind auch mit automatischer Regulierung und el. Zündung erhältlich. Raumthermostat steuert ein Ventil in der Brennstoffzuleitung, dadurch Ölzufluss geöffnet oder gedrosselt. Auch Ausdehnungsregler sind in Gebrauch, die das Ölzuflussventil über einen Hebel kontinuierlich öffnen und schließen. Wirkungsgrad auf dem Prüfstand bei Nennwärmeleistung > 86 %. Abgastemperaturen bei Nennleistung 180…280 °C, min. 100 K über Raumtemperatur, Luftüberschusszahl λ = 1,4…1,8, der CO2-Gehalt 9…11 %. Im gesamten Einstellbereich darf die Rußzahl den Wert Rz = 3 nicht überschreiten und die CO-Emission den Wert 0,5 g, bezogen auf eine Brennstoffmenge entsprechend Hu=1000 kJ. Größte Leistung etwa 35 kW. 1) 2)

DIN 4755 „Ölfeuerungsanlagen – Technische Regeln Ölfeuerungsinstallation (TRÖ) – Prüfung“, 11-2004. DIN 18160-1:2001-12, DIN 18160-5:1998-05 (Abgasanlagen). DIN EN 1859 „Abgasanlagen – Metall-Abgasanlagen – Prüfverfahren“, 09-2009.

2.3.4 Sonstige Raumheizungen

1111

Kennzeichen der Verbrennung s. Bild 2.3.4-4.

Bild 2.3.4-4. Abgastemperatur, Luftzahl u. Abgasmenge eines Ölofens von 5,8 kW Nennleistung.

Das äußere Gesicht der Ölöfen ist bei den verschiedenen Herstellern sehr verschiedenartig, teils den eisernen Öfen angepasst, teils den Gasöfen, teils speziell für Ölfeuerung eingerichtet. Äußerer Mantel meist emailliertes Blech. Beispiel siehe Bild 2.3.4-5.

Bild 2.3.4-5. Ölheizofen mit eingebautem Ölbehälter (Oranierofen der Frank’schen Eisenwerke).

Bestimmung der Ofengröße nach Raumheizvermögen wie bei Gasöfen (Tafel 2.3.2-1) oder ggf. auch durch Wärmebedarfsberechnung. Heizöfen mit zentraler Ölversorgung.1) Gemeinsamer Tank im Keller oder Erdreich. In der Vergangenheit Verwendung bei der Altbausanierung. Man unterscheidet 3 Bauarten: 1. Anlagen mit Saugpumpe und Ölzwischenbehälter. Saughöhe maximal 7,5 m; besonders für Ein- und Zweifamilienhäuser. 2. Anlagen mit Druckpumpe am Öltank und mit Ölbetriebsbehälter im Dachgeschoss, sonst wie vor. 3. Anlagen mit Druckpumpe und Öldruckbehälter (Bild 2.3.4-6), am meisten verwendet. Bei Mehrfamilienhäusern werden für jeden Mieter Einzelanlagen oder eine zentrale Ölversorgung in Verbindung mit Ölzählern vorgesehen. Vor jedem Ofen ein Regler, der auf den erforderlichen Druck eingestellt wird. Schwimmer im Regler hält Niveau konstant. Bei Drücken > 0,3 bar Druckminderventil. Ölleitungen aus Kupfer 6 × 1 oder 8 × 1 mm. Druckpumpenaggregate werden mit Druckbehälter, Steuer- und Sicherheitsschalter, Ölfilter, fertig verdrahtet hergestellt. Zu beachten: DIN EN 12514-1 und -2: 2000-05: Ölversorgungsanlagen für Ölbrenner. Zur Abrechnung eichfähige Ölzähler für jede Wohnung erforderlich. Einen sehr einfachen Ölofen, bei dem die Abgase direkt in den Raum eintreten, zeigt Bild 2.3.4-7. Ölgefäß ist gleichzeitig Ölbrenner. Ein Teil der Rauchgase wird in den Brenner zurückgeführt. Nachteile: Vergiftungsgefahr, Rußschäden. Verwendung in gut gelüfte-

1)

Michaelis, Fr.: SBZ (1971), S. 1414–1415.

2

1112

2. Heizung / 2.3 Dezentrale Geräte

Bild 2.3.4-6. Zentrale Ölversorgung und Öllagerung nach FeuV mit Druckpumpe.

ten Baustellen und zur Bautrocknung. Lieferbar auch mit Abgasrohr. Leistung bis ca. 35 kW. Ölofen ohne Schornsteinanschluss mit Dochtbrenner oder dergleichen, nicht für Wohnungen geeignet, da Verbrennungsgase (besonders CO2 oder SO2), Wasserdampf und Gerüche in den Raum eintreten, höchstens für vorübergehende Heizung gut gelüfteter Räume. Auch Feuergefahr vorhanden.

Bild 2.3.4-7. Ölofen für Baustellen (Heylo, Sarstedt).

2.3.4-2

Heißluft-Strahlungsheizung

Bei dieser Heizart wird als Heizungsmittel Heißluft mit Temperaturen von 150…350 °C1) verwendet, die in einem geschlossenen Rohrleitungssystem umgewälzt wird. Die Luft wird in einem öl- oder gasgefeuertem Brenner erwärmt, von einem Ventilator in die umlaufenden Rohre und zurück zum Lufterhitzer gefördert. Das Rohrsystem, das möglichst hoch im Raum angeordnet wird, besteht aus Wickelfalzrohren in Gruppen von zwei, drei oder vier Rohren je Gruppe. Die Rohre sind seitlich abgeschirmt und nach oben wärmegedämmt. Etwa 70 % der Wärme wird durch infrarote Strahlung nach unten abgegeben, wodurch sich der Fußboden erwärmt und ein günstiges Temperaturprofil entsteht. Schnelle Aufheizung, 25…33 % Energieeinsparung.2)

1) 2)

Ihle, C.: Lüftung und Luftheizung. Werner-Verlag, 1991. Hoffstedt, F.; Hülsemann, R.: HLH (1989), Nr. 5, S. 243–247.

2.4.1 Abgasanlagen

1113

2.4

Systemübergreifende Gebiete

2.4.1

Abgasanlagen1)

KÖPFE

Abgasanlagen sind Schornsteine oder Abgasleitungen sowie Verbindungsstücke (Abgasrohre oder -kanäle) zwischen Feuerstätte und senkrechtem Teil der Abgasanlage (Schornstein bzw. senkrechter Teil der Abgasleitung). Nach der Muster-Feuerungsverordnung (MFeuV) vom September 2007, zuletzt redaktionell geändert im Februar 2010, müssen alle Schornsteine insbesondere gegen Rußbrände beständig und somit für den Anschluss von Feuerstätten für feste Brennstoffe geeignet sein. Alle anderen Abgasanlagen sind, sofern nicht Verbindungsstücke, somit Abgasleitungen; daran dürfen nur Öloder Gasfeuerstätten angeschlossen werden.

recknagel-online.de

2

Bild 2.4.1-1. Kessel und Schornstein. 1 = Reinigungsöffnung, 2 = Nebenluftvorrichtung (Zugbegrenzer), 3 = Wandfutter, 4 = Strömungssicherung bei Gasfeuerstätten mit atm. Brenner.

In Anlehnung an die europäischen Normen für Abgasanlagen unterscheidet DIN V18160-1 „Abgasanlagen; Teil1: Planung und Ausführung“ vom Januar 2006 System-Abgasanlagen, die zusammengesetzt werden unter Verwendung kompatibler Bauteile, die von einem Hersteller, der die Produkthaftung für die gesamte Anlage übernimmt, bezogen oder bestimmt wurden, und Montage-Abgasanlagen, die auf der Baustelle montiert und eingebaut werden unter Verwendung einer Kombination kompatibler Bauprodukte, die von einem oder verschiedenen Herstellern kommen dürfen. Grundsätzlich müssen Bauprodukte für Abgasanlagen mit dem CE-Kennzeichen oder dem Ü-Zeichen versehen sein, ausgenommen Bauprodukte, für die es weder Technische Baubestimmungen noch allgemein anerkannte Regeln der Technik gibt und die für die Erfüllung bauordnungsrechtlicher Anforderungen nur eine untergeordnete Bedeutung haben (Bauregelliste C). Ausgeführte Abgasanlagen müssen nach DIN V 18160-1 mindestens wie z. B.2) folgt gekennzeichnet werden: Abgasanlage nach DIN V 18160-1 – Temperaturklasse Gasdichtheits-/Druckklasse Kondensatbeständigkeitsklasse Korrosionswiderstandsklasse Rußbrandbeständigkeitsklasse mit Angabe eines Abstandes zu brennbaren Baustoffen Feuerwiderstandsklasse

T400

N2

D

3

G50

L90

Die Temperaturklasse besteht aus dem Buchstaben T und der maximal zulässigen Abgastemperatur. Sie gibt an, bis zu welcher Abgastemperatur die Abgasanlage einsetzbar ist. Die Druckklasse besteht aus den Buchstaben N (= negativer Druck = Unterdruck) oder P (= positiver Druck = Überdruck bis 200 Pa) oder H (= hoher Überdruck bis 5000 Pa) 1) 2)

Überarbeitet für die 78. Auflage von Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen. Das Beispiel gilt für einen herkömmlichen 3-schaligen Schornstein (bisher nach DIN 18147).

1114

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

und der Ziffer 1 oder 2. Die Druckklasse mit der Ziffer 2 lässt größere Undichtheiten zu, weshalb Abgasanlagen der Druckklasse P2 und H2 mit Überdruck nur im Freien verwendet werden dürfen. Die Druckklasse N2 entspricht den Dichtheitsanforderungen herkömmlicher Schornsteine. Die Kondensatbeständigkeitsklasse gibt an, ob die Abgasanlage für trockene (D = dry) oder für feuchte Betriebsweise (W = wet) geeignet ist. Bei Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise darf die Temperatur an der inneren Oberfläche unterhalb der Wasserdampftaupunkttemperatur des Abgases liegen. Die Korrosionswiderstandsklasse gibt an, für welche Brennstoffe die Abgasanlage ausreichend korrosionsbeständig ist: 1 für gasförmige und flüssige Brennstoffe mit einem Schwefelgehalt ≤ 50 mg/m3, 2 für flüssige und gasförmige Brennstoffe sowie Holz für ausschließlich offen betriebene Feuerstätten, 3 für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe. Die Rußbrandbeständigkeitsklasse gibt an, ob die Abgasanlage rußbrandbeständig (Gxx) oder nicht rußbrandbeständig (Oxx) ist. Der Zahlenwert xx gibt den Abstand in mm an, der von der äußeren Oberfläche der Abgasanlage zu brennbaren Stoffen mindestens einzuhalten ist. Abweichungen hiervon können gegenüber brennbaren Stoffen auftreten, die nur mit geringer Fläche an die Abgasanlage angrenzen oder deren Wärmedurchlasswiderstand den Wert 2,5 m2 · K · W–1 überschreitet. Die Feuerwiderstandsklasse gibt die Zeitspanne an, der die Abgasanlage einer Brandbeanspruchung von außen nach außen (z. B. zwischen Geschossen) widersteht. Abgasanlagen werden entsprechend ihrer Feuerwiderstandsdauer von mind. 30 bzw. 90 Minuten in die Feuerwiderstandsklassen L30 bzw. L90 (s. DIN 4102-6) eingestuft. Bauprodukte mit Klassifizierung F30 bzw. F90 sind gleichwertig einzusetzen, sofern die Anschlüsse und Verbindungen mit in die Prüfung einbezogen wurden. Wesentliche Zusatzinformationen sind: – Wärmedurchlasswiderstand in m2 · K · W–1, – Strömungswiderstand (z. B. Innenwandrauigkeit r in mm und Einzelwiderstände ζ), – Frost-Tau-Wechselbeständigkeit. Nach den früheren Regelungen war der Begriff Schornstein (z. T. mit Zusatzbezeichnungen) umfassender und beinhaltete auch nicht rußbrandbeständige Abgasanlagen. Als „Abgasleitung“ wurden die Innenrohre und Verbindungsstücke von „Abgasanlagen für Abgase mit niedrigen Temperaturen“ bezeichnet. Um die Umsetzung der neuen Regelungen zu vereinfachen, wird im Folgenden die Gliederung beibehalten unter Verwendung der neuen Begriffe (z. B. „Unterdruck-Abgasanlagen“ anstatt „Schornsteine“ und „Überdruck-Abgasanlagen“ statt „Abgasleitungen“).

2.4.1-1

Unterdruck-Abgasanlagen (Schornsteine und Unterdruck-Abgasleitungen)1)

2.4.1-1.1

Allgemeines

Abgasanlagen haben die Aufgabe, die Abgase der angeschlossenen Feuerstätten sicher über Dach ins Freie abzuleiten und die erforderliche Verbrennungsluft anzusaugen. Der dazu benötigte Schornsteinauftrieb wird durch den Gewichtsunterschied der heißen Gase in der Abgasanlage und einer gleichen hohen kalten Außenluftsäule bewirkt. Bild 2.4.1-2. Bei Feuerstätten ohne Gebläse (sog. Naturzugkesseln) müssen die Abgasanlagen so viel Auftrieb erzeugen, dass die Widerstände der Verbrennungsluftnachströmung von außen in den Aufstellraum und von dort in den Feuerraum, der Abgasströmung innerhalb der Feuerstätte sowie der Abgasanlage überwunden werden. Dies gilt im Wesentlichen auch bei älteren Öl- und Gasheizkesseln mit Gebläsebrenner, bei denen das Gebläse lediglich die Brennstoff-Luft-Aufbereitung übernimmt.

1)

DIN V 18160-1 „Abgasanlagen – Teil 1: Planung und Ausführung“, 01-2006. DIN 18160-5 „Abgasanlagen – Teil 5: Einrichtungen für Schornsteinfegerarbeiten“, 04-2016. VdZ/ZIV-Merkblatt „Abstimmung Heizkessel–Schornstein“. 1996. ZVH-Richtlinie „Abgestimmter Schornstein“, 03-1988.

2.4.1 Abgasanlagen

1115

Bei neueren Heizkesseln (sog. Überdruckkesseln) werden die Strömungswiderstände des Kessels vom Brenner überwunden, so dass der Schornsteinauftrieb nur noch die Verbrennungsluftnachströmung in den Aufstellraum und die Abgasableitung abdecken muss, die Abgasanlagen also kleiner bemessen werden können.

2 Bild 2.4.1-2. Unterdruck bei Abgasanlagen mit Naturzug- und Überdruckkesseln.

PH (Ruhedruck) ist der Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der sich bei ruhender Gassäule einstellt. PR (Widerstandsdruck) ist der Teil des Ruhedruckes, der bei der Strömung des Gases zur Überwindung vor allem des Reibungswiderstandes im senkrechten Teil der Abgasanlage verbraucht wird. PL (Winddruck) ist der Druck, der bei ungünstiger Lage der Abgasanlagen-Mündung (z. B. weniger als 0,4 m über First ragend und weniger als 2,3 m waagerechter Abstand zur Dachfläche) durch Wind auf die Abgasanlage einwirkt. PZ ist der (nutzbare) Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der sich aus der Differenz zwischen Ruhedruck PH und Widerstandsdruck PR ergibt. PZe ist der notwendige Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der zur Überwindung der notwendigen Förderdrücke für den Wärmeerzeuger PW, das Verbindungsstück PFV und die Zuluft (Verbrennungsluftnachströmung von außen in den Aufstellraum) PB erforderlich ist. Der (nutzbare) Unterdruck PZ muss mindestens so groß sein wie der notwendige Unterdruck PZe : PZ = PH – PR – PL ≥ PW + PFV + PB = PZe Um einen Überdruck in der Abgasanlage gegenüber dem Aufstellraum zu verhindern, muss außerdem der Unterdruck PZ so groß sein wie der notwendige Förderdruck für die Zuluft PB : PZ ≥ PB Neben diesen Druckbedingungen muss bei der Bemessung einer Abgasanlage die Temperaturbedingung eingehalten werden. Diese besagt, dass bei Abgasanlagen für trockene Betriebsweise (D) der Wasserdampftaupunkt und bei Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise (W) der Gefrierpunkt an keiner Stelle dauernd unterschritten werden darf. Mit Tiob als niedrigste Temperatur der Abgasanlage an der Innenwand oben (an der Mündung) bei Beharrung und Tg als Grenztemperatur sowie Tp als Wasserdampftaupunkttemperatur gilt somit: Bei zusätzlicher Wärmedämmung des Schornsteinkopfes muss auch die Innenwandtemperatur unterhalb der zusätzlichen Wärmedämmung Tirb die Bedingung erfüllen:

1116

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Tiob ≥ Tg =

{T273,15K(0°C) p

für Abgasanlagen für trockene Betriebsweise (D) für Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise (W)

Tirb ≥ Tg Druck- und Temperaturzusammenhänge s. Bild 2.4.1-3.

(H wirksame Höhe des senkrechten Teils der Abgasanlage, HV wirksame Höhe des Verbindungsstücks, L gestreckte Länge des senkrechten Teils der Abgasanlage, LV gestreckte Länge des Verbindungsstücks, PB notwendiger Förderdruck für die Zuluft, PFV notwendiger Förderdruck für das Verbindungsstück, PH Ruhedruck im senkrechten Teil der Abgasanlage, PHV Ruhedruck im Verbindungsstück, PL Winddruck, PR Widerstandsdruck im senkrechten Teil der Abgasanlage, PRV Widerstandsdruck im Verbindungsstück, PW notwendiger Förderdruck für die Feuerstätte, PZ Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, PZe notwendiger Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage)

(Te Temperatur an der Einführung in den senkrechten Teil des Abgases, Tiob Innenwandtemperatur an der Mündung, Tirb Innenwandtemperatur unterhalb zusätzlicher Wärmedämmung, TL Außenlufttemperatur, Tm mittlere Temperatur des Abgases, TmV mittlere Temperatur des Abgases im Verbindungsstück, Tob Abgastemperatur an der Mündung, Tp Taupunkttemperatur, Trb Abgastemperatur unterhalb zusätzlicher Wärmedämmung, Tu Umgebungslufttemperatur, Tuo Umgebungslufttemperatur für den Temperaturvergleich an der Mündung, TW Abgastemperatur des Wärmeerzeugers)

Bild 2.4.1-3. Druck- und Temperaturzusammenhänge einer Feuerungsanlage nach DIN EN 13384.

2.4.1-1.2

Berechnung von Abgasanlagen-Abmessungen nach DIN EN 133841)

Die Aufgabe besteht darin, die Abgasanlage so zu bemessen, dass Druck- und Temperaturbedingung erfüllt werden. Nichterfüllen der Druckbedingung bedeutet, dass in dem Abgasweg der Feuerungsanlage Überdruck und damit Abgasaustritt in den Aufstellungsraum auftreten kann. Bei Nichterfüllen der Temperaturbedingung besteht die Gefahr einer Durchfeuchtung bzw. eines Einfrierens des Kondensats. DIN EN 13384-1, die auf der deutschen DIN 4705-1 basiert, zeigt einen Rechenweg zur Ermittlung der Drücke und Temperaturen. Ausgangspunkte der Berechnungen sind

1)

DIN EN 13384-1 „Abgasanlagen – Wärme- und strömungstechnische Berechnungsverfahren – Teil 1: Abgasanlagen mit einer Feuerstätte“, 06-2015. DIN 4705-1 „Feuerungstechnische Berechnung von Schornsteinabmessungen – Begriffe, ausführliches Berechnungsverfahren“, 10-1993. Kommentar zur DIN 4705-1. DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 1995. Stehmeier, D.: Bemessung von Schornsteinen und anderen Abgasanlagen nach DIN 4705. Schornsteinfegerhandwerk (1992), Nr. 10. Stehmeier, D.: DIN EN 13384-1 = europäische DIN 4705-1 erschienen. Schornsteinfegerhandwerk (2003), Nr. 4.

2.4.1 Abgasanlagen

· , Abgastemperatur – das sog. Wertetripel des Wärmeerzeugers (Abgasmassenstrom m TW, notwendiger Förderdruck PW) sowie die Abmessung des Abgasstutzens (Durchmesser DW), – der notwendige Förderdruck für die Zuluft PB, – die vorgesehenen Werkstoffe vom senkrechten Teil der Abgasanlage und Verbindungsstück (Bauartkennwerte Innenwandrauigkeit r bzw. rV, Wärmedurchlasswiderstand(1/Λ) bzw. (1/Λ)V), – die dafür vorgegebenen bzw. vorgeschätzten Einbaumaße (lichter Querschnitt A bzw. AV, wirksame Höhe H bzw. HV, gestreckte Länge L bzw. LV, Anteile im Freien und Umlenkungen) sowie – die Umgebungsdaten vom senkrechten Teil der Abgasanlage und Verbindungsstück (Umgebungslufttemperatur Tu, Umgebungslufttemperatur an der Mündung Tuo, Außenlufttemperatur TL und Außenluftdruck pL). Das Wertetripel sollte möglichst den Unterlagen des Feuerstättenherstellers entnommen werden. Falls dies nicht möglich ist, können die erforderlichen Größen aus Diagrammen bzw. Formeln der DIN EN 13384 abhängig von der Nennwärmeleistung QN entnommen werden. Der notwendige Förderdruck für die Zuluft PB liegt je nach Belüftung des Aufstellraums zwischen 3 und 5 Pa. Die Bauartkennwerte neuer Abgasanlagen ergeben sich aus den Zusatzinformationen zur Abgasanlagen-Kennzeichnung. Bezüglich des Wärmedurchlasswiderstandes (1/Λ) insbesondere bestehender Schornsteine ist zu berücksichtigen, dass bisher vier Ausführungsarten unterschieden wurden (s. Bild 2.4.1-4)

Bild 2.4.1-4. Schornstein-Ausführungsarten.

– Gruppe I für neue mehrschalige Schornsteine mit entsprechender allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung ((1/Λ) ≥ 0,65 m2 · K · W–1), – Gruppe II für gemauerte Schornsteine mit mind. 24 cm Wangendicke sowie sonstige mehrschalige Schornsteine ((1/Λ) ≥ 0,22 m2 · K · W–1), – Gruppe III für gemauerte Schornsteine mit mind. 11,5 cm Wangendicke sowie einschalige Schornsteine aus Leichtbeton ((1/Λ) ≥ 0,12 m2 · K · W–1) und – Gruppe IV vor allem für ungedämmte Stahlschornsteine ((1/Λ) ≥ 0); Schornsteine der Gruppe IV waren nur im Ausnahmefall zulässig. – Eine Gruppe IIa für ältere mehrschalige Schornsteine ((1/Λ) ≥ 0,40 m2 · K · W–1) wurde im „Vorschlag für einen Einführungserlass zur DIN 18160-1:1986-01“ vom DIBt genannt. Die Umgebungslufttemperatur Tu ist die über die gesamte äußere Oberfläche gemittelte Lufttemperatur in der Umgebung der Abgasanlage. Bei Abgasanlagen, die größtenteils durch beheizte Räume geführt sind, kann mit Tu = 288,15 K (tu = 15 °C) gerechnet werden, ansonsten ist flächenanteilig zu mitteln oder abschnittsweise zu rechnen. Die Umgebungslufttemperatur an der Mündung Tuo und die Außenlufttemperatur TL sind dagegen die Lufttemperaturen im Freien, und zwar Tuo für die Überprüfung der Temperaturbedingung und TL für die Überprüfung der Druckbedingung. Weil sich hohe Außenlufttemperaturen TL und niedrige Luftdrücke pL auf den Unterdruck am Eintritt in den senkrechten Teil der Abgasanlage PZ negativ auswirken, wird die Überprüfung der Druckbedingung für die ungünstigste Witterung, bei der die Abgasanlage noch funktionieren muss, durchgeführt; das ist in der Regel TL = 288,15 K (tL = 15 °C) und, je nach geodätischer Höhe, pL = 88000 bis 97000 Pa, im Mittel 93200 Pa.

1117

2

1118

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Die Überprüfung der Temperaturbedingung muss dagegen bei relativ kalter Witterung erfolgen, da die dafür maßgebende Innwandtemperatur an der Mündung Tiob bzw. unterhalb einer zusätzlichen Wärmedämmung Tirb umso ungünstiger ist, je niedriger die dortige Umgebungslufttemperatur Tuo ist. Dabei ist zu unterscheiden, ob bei Abgasanlagen für trockene Betriebsweise Taupunktunterschreitung (Tiob ≥ Tp) oder bei Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise Einfrieren (Tiob ≥ 273,15 K) zu vermeiden ist. Da bei Abgasanlagen für trockene Betriebsweise eine vorübergehende Taupunktunterschreitung normalerweise problemlos ist, kann die Überprüfung in der Regel bei Tuo = 273,15 K (tuo = 0 °C) erfolgen. Das Einfrieren der Abgasanlage würde jedoch sofort die Funktion der Feuerungsanlage beeinträchtigen, weshalb bei Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise Tuo= 258,15 K (tuo = –15 °C) zu setzen ist. Aus diesen Vorgaben werden mit den Gleichungen der Wärme- und Strömungstechnik aus DIN EN 13384 die Temperaturen und Drücke im Verbindungsstück und senkrechten Teil der Abgasanlage berechnet. Die Temperaturberechnung wird durchgeführt für Beharrung und für fehlende Beharrung; diese berücksichtigt, dass insbesondere bei intermittierend betriebenen Feuerungen nur selten stationäre Betriebsverhältnisse und damit auch -temperaturen erreicht werden. Die fehlende Beharrung wird durch den Korrekturfaktor SH = 0,5 dargestellt, mit dem die Wärmedurchlasswiderstände (1/Λ) von Verbindungsstück und senkrechten Teil der Abgasanlage zu multiplizieren sind. Die Kontrolle der Druckbedingung sollte immer für fehlende Beharrung erfolgen, da auch kontinuierlich betriebene Feuerungen zumindest in der Anfahrphase nicht stationär arbeiten. Die Überprüfung der Temperaturbedingung kann dagegen in der Regel für Beharrung durchgeführt werden, weil anfangs angefallenes Kondensat später, z. B. während des Brennerstillstands, wieder abtrocknen kann. Für Unregelmäßigkeiten bei Betrieb und Ausführung der Abgasanlage (z. B. Überbelastung, Falschluft, größere Rauigkeiten, Maßabweichung) ist bei der Berechnung der Widerstandsdrücke PR und PRV die strömungstechnische Sicherheitszahl SE = 1,5 vorzusehen. Da die Berechnung nach DIN EN 13384 recht komplex und aufwendig ist, stehen für die praktische Anwendung zahlreiche EDV-Programme1) und Auslegungsdiagramme (Abschn. 2.4.1-1.4) zur Verfügung. Bei der Vorgehensweise ist zu unterscheiden, ob eine Abgasanlage neu zu dimensionieren ist oder ob die Eignung einer vorhandenen Abgasanlage für einen neuen Wärmeerzeuger zu überprüfen ist: – Bei einer Neudimensionierung wird zunächst der Querschnitt A vorgeschätzt und dafür die Funktionskontrolle durchgeführt. Wenn eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, wird die Überprüfung mit einem anderen handelsüblichen Querschnitt wiederholt, und zwar mit dem nächstgrößeren, wenn die Druckbedingung nicht erfüllt ist, oder mit dem nächstkleineren, wenn die Temperaturbedingung nicht erfüllt ist. Wenn noch erhebliche Druckreserven vorhanden sind, kann u.U. ebenfalls ein kleinerer Querschnitt gewählt werden. – Bei einer vorhandenen Abgasanlage liegt der Querschnitt A schon vor. Zeigt die Berechnung, dass die Funktion nicht gewährleistet ist, kann für verschiedene Anpassungsmaßnahmen die Funktionskontrolle wiederholt werden. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass bei Nichterfüllen der Druckbedingung ein zu kleiner Querschnitt vorliegt, bei dem die relativ hohe Abgasgeschwindigkeit wm einen hohen Widerstandsdruck in der Abgasanlage PR bewirkt. Nichterfüllen der Temperaturbedingung deutet dagegen auf einen zu großen Querschnitt hin, bei dem das Abgas relativ langsam durch die Abgasanlage strömt und dabei zu weit abkühlt; außerdem ist bei niedriger Abgasgeschwindigkeit wm der Wärmeübergang αi schlechter, so dass die Innenwand der Abgasanlage weniger temperiert wird. Bei Erneuerung der Heizungsanlage wird im Allgemeinen die vorhandene Abgasanlage für den neuen Wärmeerzeuger zu groß bemessen sein, so dass vor allem die Gefahr der Durchfeuchtung besteht. 1)

Steiglechner, J.: Prüfung von PC-Programmen zur feuerungstechnischen Berechnung von Schornsteinabmessungen nach DIN 4705-1 und DIN 4705-3. Schornsteinfegerhandwerk (1998), Nr. 5. Bemessung von Abgasanlagen nach DIN EN 13384-1. Schornsteinfegerhandwerk (2004), Nr. 2. Erstes Berechnungsprogramm zur DIN EN 13384-1 mit dem Zertifikat ECA-ESCHFOE-Empfohlen ausgezeichnet. Schornsteinfegerhandwerk (2004), Nr. 12.

2.4.1 Abgasanlagen

2.4.1-1.3

1119

Anpassungsmaßnahmen für bestehende Abgasanlagen bei Anschluss eines neuen Heizkessels

Bei Nichterfüllen der Temperaturbedingung bieten sich bei bestehenden Abgasanlagen als Anpassungsmaßnahmen vor allem eine zusätzliche Wärmedämmung oder Verkleidung des Schornsteinkopfes, eine Querschnittsverminderung oder der Einbau einer Nebenluftvorrichtung an. Eine allseits angebrachte zusätzliche Wärmedämmung des Schornsteinkopfes oder noch besser des gesamten Kaltbereichs der Abgasanlage kann bei der Berechnung der Innenwandtemperatur an der Mündung Tiob berücksichtigt werden. Durch die damit bewirkte Anhebung der Wandtemperatur ist es in vielen Fällen möglich, die Temperaturbedingung zu erfüllen. Ebenfalls berücksichtigt werden kann eine belüftete Verkleidung des Schornsteinkopfes, sofern der Luftspalt zwischen 1 und 5 cm dick ist. Die Verkleidung wirkt als Windschutz, wodurch der äußere Wärmeübergang am Schornsteinkopf verringert wird. Bei Querschnittsverminderungen an Abgasanlagen sollten neben den Einbauanleitungen der Produkthersteller die entsprechenden bauaufsichtlichen Richtlinien beachtet werden. Querschnittsverminderungen können durch Innenauskleidung der Abgasanlagen mit Leichtbeton oder Leichtmörtel oder durch Einbau von Innenschalen in die Abgasanlage vorgenommen werden. Voraussetzung ist, dass die bestehenden Abgasanlagen abgesehen vom Querschnitt den baurechtlichen bzw. bauaufsichtlichen Bestimmungen entsprechen. Die Innenschalen können aus allgemein bauaufsichtlich zugelassenen oder europäischen Produktnormen entsprechenden Innenschalenformstücken aus Keramik oder metallischen Rohren ggf. in Verbindung mit Dämmstoffen hergestellt werden. Innenschalen sind zentrisch so einzubringen, dass keine Mörtelbrücken entstehen. Der Zwischenraum zwischen Innenschale und Abgasanlagewänden kann auf seiner ganzen Höhe mit Dämmstoffen ausgefüllt werden. Dämmstoffe (Dämmplatten und Dämmmatten) müssen zur Herstellung einer Dämmstoffschicht bei Abgasanlagen allgemein bauaufsichtlich zugelassen sein.

Bild 2.4.1-5. Temperatur- und Druckzusammenhänge bei Nebenluftvorrichtungen im Verbindungsstück oder im senkrechten Teil der Abgasanlage (nach DIN EN 13384-1).

Bezüglich des Wärmedurchlasswiderstands (1/Λ) gilt nach dem „Muster für einen Einführungserlass – Fassung September 1988 –“ zur o. g. bauaufsichtlichen Richtlinie: Schornsteine der Wärmedurchlasswiderstands-Gruppe III können ohne Nachweis der Gruppe II und Schornsteine der Gruppe II der Gruppe IIa zugerechnet werden, wenn eine nachträglich eingebrachte Dämmstoffschicht über die ganze Höhe aus Dämmassen mindestens 2,0 cm oder aus Dämmplatten mindestens 1,5 cm dick ist; Schornsteine der

2

1120

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Gruppe III können der Gruppe IIa zugerechnet werden, wenn die Dämmstoffschicht mindestens 4,0 cm bzw. 3,0 cm dick ist. Eine praxisbewährte Maßnahme bei zu großen Abgasanlagequerschnitten ist häufig der Einbau einer Nebenluftvorrichtung. Zu unterscheiden ist nach DIN 47951) zwischen – selbsttätig arbeitenden Nebenluftvorrichtungen (Zugbegrenzer), die in Abhängigkeit vom Unterdruck eine Öffnung freigeben, durch die Luft in die Abgasanlage einströmt (s. Bild 2.4.1-5), – zwangsgesteuerten Nebenluftvorrichtungen, die während der Stillstandszeit der Feuerstätte (Brenner) motorisch eine entsprechende Öffnung freigeben, und – kombinierten Nebenluftvorrichtungen, in denen beide Funktionen vereint sind. Zugbegrenzer sorgen zum einen für möglichst konstante Druckverhältnisse in der Abgasanlage. Zum anderen vermindert die Nebenluft insbesondere durch die Erhöhung des · oft die Gefahr einer Durchfeuchtung. Außerdem sorgen die Abgasmassenstromes m Zugbegrenzer während der Stillstandszeit der Feuerstätte für eine Durchlüftung und ggf. Abtrocknung der Abgasanlage. Dieser Effekt wird durch zwangsgesteuerte bzw. kombinierte Nebenluftvorrichtungen noch verstärkt.

2.4.1-1.4

Diagramme für die Abgasanlagen-Bemessung

Für die Abgasanlagen-Auslegung in der Praxis können Bemessungsdiagramme sehr hilfreich sein. Solche Diagramme werden z. B. von Abgasanlagen-Herstellern speziell für die Auslegung ihrer Systeme angeboten. Bei dem in Bild 2.4.1-6 beispielhaft gezeigten Diagramm ist für eine vorgegebene Abgasanlagehöhe (Abszisse) und Wärmeleistung des Heizkessels (linke Ordinate) der geeignete Abgasanlagen-Durchmesser abzulesen. Wichtig ist, dass die den Diagrammen zugrunde liegenden Annahmen bezüglich Abgastemperatur TW, notwendigem Förderdruck PW (rechte Ordinate), Abgasrohrlänge LV usw. beachtet werden.

Bild 2.4.1-6. Abgasanlagenquerschnitte für Öl- und Gasfeuerung bei Kesseln mit niedrigem Zugbedarf gemäß rechtem Ordinaten-Maßstab.

1)

DIN 4795 „Nebenluftvorrichtungen für Hausschornsteine – Begriffe, Sicherheitstechnische Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung“, 04-1991.

2.4.1 Abgasanlagen

Beispiel: · Ein Ölheizkessel mit Q = 50 kW Wärmeleistung, tW = 190 °C Abgastemperatur und einem notwendigen Förderdruck von PW = 5 Pa soll an eine H = 10 m hohe Abgasanlage angeschlossen werden. Da die sonstigen Randbedingungen eingehalten sind, · kann das Diagramm in Bild 2.4.1-6 angewendet werden. Für Q = 50 kW und H = 10 m liest man einen Abgasanlagen-Durchmesser von D = 16 cm ab. Die Diagramme in Bild 2.4.1-71) sind besonders dafür vorgesehen, die Eignung vorhandener Abgasanlagen für neue Wärmeerzeuger zu überprüfen, und zwar ggf. unter Berücksichtigung einer Nebenluftvorrichtung. Die Diagramme sind unterteilt nach Brennstoffart (Erdgas und Heizöl EL), notwendigem Förderdruck für die Zuluft PB und den Wärmeerzeuger PW, der Wärmedurchlasswiderstandsgruppe und dem lichten Abgasanlagenquerschnitt A. Die zugrunde gelegten Randbedingungen sind unter den Diagrammen aufgeführt. · Aufgetragen ist die Abgasanlagenhöhe H über der Wärmeleistung Q des Wärmeerzeugers für verschiedene notwendige Abgasverluste qAmin. Die unteren (durchgezogenen) Kurven gelten gleichermaßen für Abgasanlagen mit und ohne Nebenluftvorrichtung. Die oberen gestrichelten Abschnitte entsprechen der maximal zulässigen Höhe von Abgasanlagen ohne Nebenluftvorrichtung, die durchgezogenen derjenigen von Abgasanlagen mit Nebenluftvorrichtung. Die jeweils von den Kurven eingeschlossenen Felder sind die Bereiche, in denen die Funktionsbedingungen nach DIN 4705-1:1993-102) erfüllt sind. Das bedeutet, dass der Schnittpunkt von Wärmeleistung und wirksamer Abgasanlagenhöhe den kleinstmöglichen Abgasverlust (notwendiger Abgasverlust) ergibt, bei dem die sichere Funktion der Anlage gewährleistet ist. Ist der tatsächliche Abgasverlust kleiner als dieser Wert, ist zumindest eine der Funktionsbedingungen nicht erfüllt. Beispiel: · Ein neuer Ölheizkessel mit Q = 50 kW Wärmeleistung, qA = 9 % Abgasverlust und einem notwendigen Förderdruck von PW = 5 Pa soll an eine H = 10 m hohe gemauerte Abgasanlage mit A = 20 cm × 20 cm lichter Weite und 11,5 cm Wanddicke angeschlossen werden, wobei der notwendige Förderdruck für die Zuluft 4 Pa beträgt. Aus dem entsprechenden Diagramm (Brennstoff: Heizöl, 11,5 cm Wanddicke, Lichte Weite = 20 cm × 20 cm, siehe Bild 2.4.1-7) erhält man für 50 kW Wärmeleistung und 10 m Abgasanlagenhöhe einen minimalen Abgasverlust von über 12 % ohne Nebenluftvorrichtung (gestrichelte Kurve) und knapp 9 % mit Nebenluftvorrichtung. Bei 9 % Abgasverlust wäre also eine Nebenluftvorrichtung (mindestens der Gruppe 5 nach DIN 4795) erforderlich, um den Funktionsnachweis zu erbringen. Ohne Nebenluftvorrichtung ist mit einer Durchfeuchtung zu rechnen. Die notwendigen Abgasverlust-Werte gelten alle für ein 1,5 m langes ungedämmtes Abgasrohr; eine Umrechnung auf andere Längen sowie die Berücksichtigung einer Wärmedämmung sind mit dem Nomogramm in Bild 2.4.1-8 möglich. Bei kürzerem, gedämmtem Abgasrohr könnten demnach die notwendigen Abgasverluste noch um bis zu 1 % niedriger sein als nach Bild 2.4.1-7.

1) 2)

ZIV-Arbeitsblätter 801 und 802. 06-1996. VdZ/ZIV-Merkblatt „Abstimmung Heizkessel/Schornstein“, 03-1997. Diagramme nach DIN EN 13384-1 sind noch nicht verfügbar; Unterschiede sind jedoch gering, so dass Ergebnisse übertragbar.

1121

2

Brennstoff: Heizöl EL Lichte Weite: 20 cm × 20 cm

Brennstoff: Erdgas Lichte Weite: 13,5 cm × 13,5 cm

Brennstoff: Erdgas Lichte Weite: 20 cm × 20 cm

*) ZIV-Arbeitsblätter 801 und 802, 06-1996. VdZ/ZIV-Merkblatt „Abstimmung Heizkessel/Schornstein“, 03-1997.

Bild 2.4.1-7. Abgasanlagen-Bemessungsdiagramme für Wärmeerzeuger mit Öl- und Gasgebläsebrennern*)

Gemauerte Abgasanlage mit mindestens 11,5 cm Wanddicke; für Zuluft und Wärmeerzeuger notwendiger Förderdruck = 10 Pa; Abgasrohr ungedämmt; Querschnitt = Stutzen, Länge = 1,5 m, Zeta = 1,8; Zugbegrenzer Gruppe 3 (DIN 4795) in der Abgasanlage 30 cm oberhalb Abgasrohr; Lufttemperatur = 15°C; Luftdruck = 93200 Pa, rel. Luftfeuchte = 60 %; Luftverhältnis ohne Nebenluft entsprechend DIN 4702-1:1990-03

Brennstoff: Heizöl EL LichteWeite:13,5 cm × 13,5 cm

1122 2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

2.4.1 Abgasanlagen

1123

Bild 2.4.1-8. Umrechnung der notwendigen Abgasverluste bei wärmegedämmten (mindestens 3 cm dicke Mineralfaser mit λ ≤ 0,06 W/m2 K) und unterschiedlich langen Abgasrohren.

2.4.1-1.5

Schornstein- und Unterdruck-Abgasleitungs-Bauarten

Folgende Schornsteinbauarten sind zu unterscheiden: Einschalige Schornsteine sind aus Mauersteinen (Mauerziegel, Kalksandsteine oder Hüttensteine) oder aus Formstücken (nach DIN 18150, DIN EN 1856-1 oder DIN EN 1858) gebaut. Die Wangen (Wandungen) von gemauerten Schornsteinen müssen eine Dicke von mindestens 11,5 cm, bei lichten Querschnitten von mehr als 400 cm2 mindestens 24 cm haben; die Zungen (Wandungen zwischen den Schornsteinen einer Schornsteingruppe) müssen mindestens 11,5 cm dick sein. Gemauerte Schornsteine mit mindestens 11,5 cm Wangendicke sind wie folgt zu kennzeichnen: Abgasanlage DIN V 18160-1 – T400 N2 D 3 G50 L90 Der Wärmedurchlasswiderstand beträgt bei mindestens 11,5 cm Wangendicke 0,12 m2 · K · W–1 und bei mindestens 24 cm Wangendicke 0,22 m2 · K · W–1, die Innenwandrauigkeit 0,005 m (Zusatzkennzeichnung). Mehrschalige Schornsteine bestehen im Allgemeinen aus einer abgasführenden Innenschale, einer Dämmstoffschicht und einer Außenschale (dreischalig, s. Bild 2.4.1-9); sie bedürfen einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung oder können aus Bauprodukten nach europäischen Normen entsprechend DIN V 18160-1:2006-01 hergestellt werden. Für die einzelnen Schalen dürfen jeweils nur Formstücke bzw. Materialien desselben Herstellers mit derselben Artikelnummer verwendet werden. Außenschalen dürfen auch aus Mauersteinen erstellt werden, wobei ähnliche Anforderungen wie bei einschalig gemauerten Schornsteinen gelten. Die Kennzeichnung ist von den Bauprodukten und der Bauart abhängig (s. z. B. Abschn. 2.4.1). Der Wärmedurchlasswiderstand eines mehrschaligen Schornsteins geht aus seinem Registrierbescheid, seiner allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung oder den Herstellerunterlagen hervor. Stahlschornsteine nach DIN 4133 und freistehende Schornsteine in Massivbauart nach DIN 1056 werden meist für industrielle Feuerungsanlagen vor Ort angefertigt.

Bild 2.4.1-9. Dreischaliger Schornstein.

2

1124

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Folgende Bauarten im Bestand sind nicht rußbrandbeständig und fallen deshalb nach der Muster-Feuerungsverordnung (MFeuV) vom September 2007, zuletzt redaktionell geändert im Februar 2010 nicht mehr unter den Begriff „Schornstein“: Stahlschornsteine für verminderte Anforderungen sind vermindert dauerhaft und gegen Rußbrände im Innern des Schornsteins sowie Brände in Gebäuden vermindert widerstandsfähig. An Stahlschornsteine ohne Dämmstoffschicht sind hinsichtlich des Materials und der Wanddicke bestimmte Anforderungen gestellt. Sie haben keinen Wärmedurchlasswiderstand. Damit ergibt sich z. B. folgende Kennzeichnung: Abgasanlage DIN V 18160-1 – T400 N2 D 2 O400 L00 Schornsteine mit begrenzter Temperaturbeständigkeit sind nur gegen Abgas von Gasfeuerstätten mit Abgastemperaturen von nicht mehr als 350 °C widerstandsfähig, also nicht geeignet für Rußbrände im Innern des Schornsteins. Sie sind nur für Gasfeuerstätten mit Brennern ohne Gebläse mit einer Nennleistung von nicht mehr als 30 kW und einer Abgastemperatur von nicht mehr als 300 °C bestimmt. Eine mögliche Kennzeichnung ist: Abgasanlage DIN V 18160-1 – T300 N2 O D 1 O200 L00 Luft-Abgas-Systeme (LAS) sind bauliche Anlagen zur Verbrennungsluftversorgung von der Mündung über Dach her zu mehreren, unabhängig voneinander betriebenen Gasfeuerstätten und zur gemeinsamen Abgasabführung über Dach.1) Die heute üblichen Bauarten sind in Bild 2.4.1-10 dargestellt. Luft-Abgas-Systeme müssen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung haben.

Bild 2.4.1-10. Luft-Abgas-Systeme.

Die vorgenannten Abgasanlagen können jeweils sowohl für trockene als auch für feuchte Betriebsweise errichtet sein:

1)

Birkicht, W.: Luft-Abgas-Systeme zur Verbrennungsluftzuführung und Abgasabführung von raumluftunabhängigen Gasfeuerstätten. Schornsteinfegerhandwerk (1995), Nr. 12.

2.4.1 Abgasanlagen

1125

Abgasanlagen für trockene Betriebsweise (Kennzeichnung D) müssen so betrieben werden, dass die Wasserdampftaupunkttemperatur der Abgase an keiner Stelle dauernd unterschritten wird. Bei länger anhaltender Taupunktunterschreitung würde das entstehende Kondensat in die Abgasanlagenwandung eindringen, diese durchfeuchten und schließlich schädigen. Kurzzeitige Taupunktunterschreitung ist dagegen zulässig, wenn das Kondensat anschließend wieder abtrocknen kann. Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise (Kennzeichnung W) sind so konstruiert, dass auch bei dauernder Taupunktunterschreitung die Abgasanlagenwange nicht durchfeuchtet und geschädigt wird. Dabei sind grundsätzlich zu unterscheiden – Abgasanlagen mit wasserdichten Innenrohren z. B. aus Edelstahl, glasiertem Schamotte oder Glas, wobei auch jeweils die Fugenausbildung dicht sein muss, und – Abgasanlagen mit Hinterlüftung des Innenrohres. Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise können sowohl ein- als auch mehrschalig ausgeführt sein; sie bedürfen einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung oder sie müssen europäischen Produktnormen entsprechen.

2.4.1-1.6

Ausführung1)

Die Abgase von Feuerstätten müssen bei allen bestimmungsgemäßen Betriebszuständen ordnungsgemäß ins Freie abgeführt werden. Dazu sind Abgasanlagen in solcher Anzahl, Beschaffenheit und Lage herzustellen, dass die vorgesehenen Feuerstätten in den Gebäuden ordnungsgemäß an Abgasanlagen angeschlossen und betrieben werden können. Damit Feuer und Rauch nicht in andere Geschosse oder Brandabschnitte übertragen werden können, müssen Abgasanlagen, die Geschosse überbrücken, eine Feuerwiderstandsdauer von mindestens 90 Minuten aufweisen oder in einem entsprechenden Schacht geführt sein. Bei Abgasleitungen in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 und 22) genügt eine Feuerwiderstandsdauer von mindestens 30 Minuten. Keine Feuerwiderstandsdauer ist erforderlich für Abgasleitungen in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 und 2, die durch nicht mehr als eine Nutzungseinheit führen,3) und für einfach belegte Abgasleitungen im Aufstellraum der Feuerstätte. Abgasanlagen müssen durchgehend sein; sie dürfen insbesondere durch Decken nicht unterbrochen sein. Schornsteine müssen unmittelbar auf dem Baugrund gegründet oder auf einem feuerbeständigen Unterbau errichtet sein; für Schornsteine in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 bis 3,4) für Schornsteine, die oberhalb der obersten Geschossdecke beginnen sowie für Schornsteine an Gebäuden genügt ein Unterbau aus nichtbrennbaren Baustoffen. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, müssen Abgasanlagen eine Sohle (unterer Abschluss des senkrechten Teils der Abgasanlage) haben, so dass die Abgaseinführung nicht von unten, sondern von der Seite erfolgt. Damit die Abführung der Abgase durch Verbrennungsrückstände und Ablagerungen nicht beeinträchtigt wird, sollte die Sohle mind. 20 cm unterhalb des untersten Feuerstättenanschlusses angeordnet sein. Die senkrechten Teile von Abgasanlagen sind im Wesentlichen durchgehend mit einheitlichen Baustoffen, mit einheitlichen Abmessungen in einheitlicher Bauart und möglichst lotrecht herzustellen. Unterdruck-Abgasanlagen dürfen im senkrechten Teil einmal um maximal 30° schräg geführt werden. Die Funktions-, Brand- und Standsicherheit von Abgasanlagen darf durch fremde Bauteile und Einrichtungen nicht gemindert werden. Bei unterschiedlicher Ausführung des Verbindungsstückes und des senkrechten Teils der Abgasanlage sind für den Anschlussbereich geeignete Formstücke zu verwenden. Damit durchströmendes Abgas sowie ggf. Rußbrände im Innern einen Brand im Gebäude nicht auslösen können, müssen Abgasanlagen und Schächte von Abgasleitungen von

1) 2)

3) 4)

DIN V 18160-1 „Abgasanlagen – Teil 1: Planung und Ausführung“, 01-2006. Lt. Musterbauordnung vom November 2002, zuletzt geändert durch Beschluss der Bauministerkonferenz vom November 2012, Gebäude mit einer Höhe der Fußbodenoberkante des höchstgelegenen Geschosses, in dem ein Aufenthaltsraum möglich ist, über der Geländeoberfläche im Mittel bis zu 7 m mit nicht mehr als zwei Nutzungseinheiten und insgesamt nicht mehr als 400 m2. Lt. MFeuV vom September 2007, zuletzt redaktionell geändert im Februar 2010. Lt. Musterbauordnung vom November 2002, zuletzt geändert durch Beschluss der Bauministerkonferenz vom November 2012, Gebäude mit einer Höhe der Fußbodenoberkante des höchstgelegenen Geschosses, in dem ein Aufenthaltsraum möglich ist, über der Geländeoberfläche im Mittel bis zu 7 m.

2

1126

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

brennbaren Baustoffen so weit entfernt sein, dass an diesen bei Nennleistung der Feuerstätte keine höheren Temperaturen als 85 °C und bei Rußbränden im Innern von Schornsteinen keine höheren Temperaturen als 100 °C auftreten können. Dies gilt erfüllt, wenn die in der Tafel 2.4.1-1 aufgeführten Anforderungen eingehalten sind. Tafel 2.4.1-1

Abstände von Abgasanlagen zu brennbaren Bauteilen *)

Abstände von Schornsteinen mit Temperaturklasse bis T400, Abstandsklasse G50 oder kleiner und Feuerwiderstandsdauer L90 zu brennbaren Bauteilen bei großflächig angrenzenden Bauteilen

5 cm

bei Holzbalken und Bauteilen mit ähnlichen Abmessungen

2 cm

bei Bauteilen, die nur mit geringer Fläche angrenzen (Fußleisten, Dachlatten), wenn diese außenseitig frei liegen oder nicht zusätzlich wärmegedämmt sind

kein Abstand

Abstände von Unterdruck-Abgasleitungen mit einer Feuerwiderstandsdauer L90 oder L30 zu brennbaren Bauteilen bei Temperaturklasse bis T120

kein Abstand

bei Temperaturklasse größer T120

wie bei Schornsteinen

Abstände von Abgasleitungen ohne Feuerwiderstandsdauer zu brennbaren Baustoffen bei Temperaturklasse bis T300

20 cm

bei Temperaturklasse bis T300 und – Abgasleitung mit mindestens 2 cm Wärmedämmung oder – Abgastemperatur bei Nennwärmeleistung ≤ 160°C

5 cm

bei Temperaturklasse über T300 bis T400

40 cm

bei Temperaturklasse über T300 bis T400 und Abgasleitung mit mindestens 2 cm Wärmedämmung

20 cm

Abstände von Reinigungsöffnungen zu brennbaren Baustoffen

*)

bei Schornsteinen

40 cm

bei Schornsteinen mit Strahlungsschutz

20 cm

bei Abgasleitungen oder Schächten für Abgasleitungen und Temperaturklasse über T160 bis T400

20 cm

bei Abgasleitungen oder Schächten für Abgasleitungen und Temperaturklasse bis T160

5 cm

Schutz von Fußböden aus brennbaren Baustoffen vor Reinigungsöffnungen in Schornsteinen

50 cm nach vorn und je 20 cm seitlich

Stehmeier, D.; Michel, R.: DIN 18160-1 „Abgasanlagen – Planung und Ausführung“ ist erschienen. Schornsteinfegerhandwerk (2002), Nr. 2 bis 4.

Abgasanlagen müssen so angeordnet sein, dass ihre Mündungen nicht in unmittelbarer Nähe von Fenstern, Zuluftöffnungen und Balkonen liegen. Abgasanlagen von terrassenförmigen Gebäuden sollten aus dem Dach des höchsten Gebäudeteils austreten. Mündungen von Abgasanlagen dürfen über Dachflächen mit allseitig geschlossener Brüstung von mehr als 50 cm nur liegen, wenn die Brüstungen Öffnungen haben, die ein gefährliches Ansammeln von Abgasen verhindern.

2.4.1 Abgasanlagen

Abgasanlagen in oder an Gebäuden mit Dächern, die eine größere Neigung als 20° haben, sollten so angeordnet werden, dass die Mündungen in der Nähe der höchsten Dachkante liegen. Die Mündungen von Abgasanlagen müssen – den First um mindestens 40 cm überragen oder von der Dachfläche mindestens 1 m entfernt sein; bei raumluftunabhängigen Feuerungsanlagen für flüssige und gasförmige Brennstoffe genügt ein Abstand von der Dachfläche von 40 cm, wenn die Summe der Nennleistungen der angeschlossenen Feuerstätten nicht mehr als 50 kW beträgt und das Abgas durch Ventilatoren abgeführt wird, – Dachaufbauten, Gebäudeteile und Öffnungen zu Räumen, auch an Nachbargebäuden, um mindestens 1 m überragen, soweit deren Abstand zu den Abgasanlagen weniger als 1,5 m beträgt, – ungeschützte Bauteile aus brennbaren Baustoffen, ausgenommen Bedachungen, um mindestens 1 m überragen oder von ihnen mindestens 1,5 m entfernt sein, – bei Feuerstätten für feste Brennstoffe in Gebäuden mit weicher Bedachung am First austreten und diesen um mindestens 80 cm überragen. Die Mündungen von Abgasanlagen sollten Dachaufbauten auch dann um mindestens 1 m überragen, wenn deren Abstand zur Abgasanlage kleiner als deren 1,5-fache Höhe über Dach ist. Weitergehende Anforderungen an die Höhe der Mündungen über Dach können aufgrund bauaufsichtlicher Vorschriften, aus Gründen des Umweltschutzes oder der örtlichen Gelegenheiten erforderlich sein. Abgasanlagen müssen leicht und sicher gereinigt bzw. auf ihren freien Querschnitt hin überprüft werden können. Dies wird in der Regel ermöglicht durch untere und ggf. obere Reinigungsöffnungen, deren Unterkanten jeweils in einem Bereich von 0,4 bis 1,4 m über einer Standfläche liegen. Die Mindestmaße der Reinigungsöffnungen sind abhängig von Abgasanlagenart und -größe. Die untere Reinigungsöffnung (zur Rückstandsentnahme) ist in der Regel unterhalb des untersten Feuerstättenanschlusses an der Sohle des senkrechten Teils der Abgasanlage anzuordnen. Abgasanlagen, die nicht von der Mündung aus gereinigt werden können, müssen eine weitere (obere) Reinigungsöffnung bis zu 5 m unterhalb der Mündung haben. Bei Abgasanlagen mit einem Abstand zwischen Mündung und unterer Reinigungsöffnung von höchstens 5 m ist die weitere Reinigungsöffnung nicht nötig. Auf die obere Reinigungsöffnung kann ebenso verzichtet werden, wenn die untere Reinigungsöffnung nicht mehr als 15 m von der Mündung entfernt ist, der hydraulische Durchmesser des senkrechten Teils der Abgasanlage höchstens 20 cm beträgt und an die Abgasanlage nur Feuerstätten für gasförmige oder flüssige Brennstoffe in derselben Nutzungseinheit (z. B. Wohneinheit, Gewerbeeinheit) angeschlossen sind. Schornsteine mit einer Schrägführung größer als 15° benötigen weitere Reinigungsöffnungen in einem Abstand von höchstens 1,0 m zu den Knickstellen.

2.4.1-1.7

Abgasanlagenbelegung

Bezüglich der Belegung von Abgasanlagen gilt folgendes: An eine eigene Abgasanlage ist anzuschließen (Einfachbelegung): – jeder offene Kamin, jedes Schmiedefeuer und jede andere Feuerstätte mit offen zu betreibendem Feuerraum und – jede Sonderfeuerstätte. Andere als die vorgenannten Feuerstätten dürfen gegebenenfalls an eine gemeinsame Abgasanlage angeschlossen werden (Mehrfachbelegung), wenn durch die Bemessung die Ableitung der Abgase für jeden Betriebszustand sichergestellt ist.1) Erfahrungsgemäß sind bis zu drei Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe oder bis zu drei Gasfeuerstätten und unter bestimmten Umständen bei speziellen Feuerstättenarten und bei älteren Gebäuden auch höhere Belegungszahlen möglich. Jede Feuerstätte sollte mit eigenem Verbindungsstück angeschlossen werden; die Verbindungsstücke sollten eine senkrechte Anlaufstrecke unmittelbar hinter dem Abgasstutzen der Feuerstätten haben. Um eine gegenseitige negative Beeinflussung der Feuerstätten zu vermeiden, dürfen die Verbindungsstücke einerseits nicht in gleicher Höhe in den senkrechten Teil der Abgasanlage

1)

DIN EN 13384-2 Abgasanlagen – Wärme- und strömungstechnische Berechnungsverfahren – Teil 2: Abgasanlagen mit mehreren Feuerstätten“, 06-2015. Stehmeier, D.: Neue DIN 4705-3 – Berechnungsverfahren für Mehrfachbelegung. Schornsteinfegerhandwerk (1997), Nr. 8.

1127

2

1128

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

eingeführt werden; andererseits darf der Abstand zwischen der Einführung des untersten und des obersten Verbindungsstückes nicht mehr als 6,5 m betragen. Bei bestimmten Gasfeuerstätten sind auch gemeinsame Verbindungsstücke zulässig. Falls die gemeinsame Ableitung der Abgase nicht sichergestellt ist, dürfen mehrere Feuerstätten an eine gemeinsame Abgasanlage angeschlossen werden, wenn jeweils nur eine Feuerstätte betrieben werden kann und die Abgasanlage für jede Feuerstätte geeignet ist. Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe dürfen mit Gasfeuerstätten an eine gemeinsame Abgasanlage angeschlossen werden (Gemischtbelegung). Die Verbindungsstücke der Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe müssen unmittelbar hinter dem Abgasstutzen eine senkrechte Anlaufstrecke von mindestens 1 m haben. Feuerstätten mit und ohne Gebläse sollten nicht an eine gemeinsame Abgasanlage angeschlossen werden.

2.4.1-1.8

Zubehör

Schornsteinaufsätze sollen die Windeinflüsse aufheben oder den Wind zur Erhöhung des Auftriebs nutzen. Beispiel Bild 2.4.1-11, Bild 2.4.1-12 und Bild 2.4.1-13. Leistung der verschiedenen Bauarten unterschiedlich. Aufsätze für Abgasanlagen benötigen allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis (lt. Bauregelliste A Teil 2).

Bild 2.4.1-11. Schornsteinaufsatz mit Zugverstärkung.

Bild 2.4.1-12. Schornsteinaufsatz Orkan (Basten, St. Goar).

Bild 2.4.1-13. Schornsteinaufsatz mit Zugverstärkung (Schwendilator).

Abgasventilatoren werden bei sehr niedrigen Abgastemperaturen, hohem notwendigen Förderdruck des Kessels und hohen Kesselbelastungen angewendet. Man unterscheidet: Unterwind. Die Verbrennungsluft wird durch einen Ventilator unter dem Rost in den Aschenfall geblasen. Besonders günstig bei großem Rostwiderstand durch stark schlackenden oder feinkörnigen Brennstoff. Immer erforderlich bei Zonenrosten mit Regulierung der Luftzufuhr zu den einzelnen Zonen des Rostes. Vorwärmung bis 350 °C möglich. Saugzug. Bei dem mittelbaren Saugzug wird ein Teil der Abgase durch einen Ventilator angesaugt und injektorförmig in den Schornstein geblasen. Bei dem heute meist ausgeführten unmittelbaren oder direkten Saugzug wird die gesamte Abgasmenge in den Schornstein gefördert. Leistungsbedarf des Saugzugventilators:  m 3 N mN  V· h P = ------- in W  -----------2- = --------- =W η s sm 

·

V = Gesamter Abgasvolumenstrom im Betriebszustand m3/s h = Förderdruck (Zugstärke) N/m2 η = Wirkungsgrad des Ventilators = 0,6 bis 0,8. Beispiel: Wie groß ist der Leistungsbedarf eines Ventilators, der 12000 mn3/h Abgase bei 250 °C gegen 400 Pa Druck fördert?

2.4.1 Abgasanlagen

1129

Abgasstrom

273 + 250 · V = 12000 · ----------------------- = 23000 m3/h = 6,39 m3/s 273

Leistungsbedarf

6 ,39 ⋅ 400 P = ----------------------- = 3,65 kW 1000 ⋅ 0 ,7

Motorleistung um etwa 25 bis 50 % größer wählen, da bei Kaltluftförderung erheblich größerer Kraftbedarf. Für schlecht ziehende Abgasanlagen Abgasventilatoren ähnlich Bild 2.4.1-14 verwendbar. Teilstrom des Abgases wird durch Ventilator injektorartig in die Abgasanlage eingeblasen. Automatische Einschaltung des Ventilators durch Thermostat in Abgasstrom oder durch einen Unterdruckfeinregler. Eine andere Bauart in Bild 2.4.1-15. Moderne Großkesselanlagen arbeiten mit sehr hohen Abgasgeschwindigkeiten, etwa 25 m/s und mehr.

2

Bild 2.4.1-15. Schornsteinkopfventilator (WVT). Bild 2.4.1-14. Zugverstärker (Kabe).

2.4.1-1.9

Immissionsschutz

Bei der Ausführung der Abgasanlagen sind auch die Vorschriften über die Reinhaltung der Luft im Immissionsschutzgesetz zu beachten (siehe Abschnitt 1.9.3). Nach § 19 „Ableitbedingungen für Abgase“ der der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV vom 26. Januar 2010) gilt: (1) Die Austrittsöffnung von Schornsteinen bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe, die ab dem 22. März 2010 errichtet oder wesentlich geändert werden, müssen 1. bei Dachneigungen a) bis einschließlich 20 Grad den First um mindestens 40 Zentimeter überragen oder von der Dachfläche mindestens 1 Meter entfernt sein, b) von mehr als 20 Grad den First um mindestens 40 Zentimeter überragen oder einen horizontalen Abstand von der Dachfläche von mindestens 2 Meter und 30 Zentimeter haben; 2. bei Feuerungsanlagen mit einer Gesamtwärmeleistung bis 50 Kilowatt in einem Umkreis von 15 Meter die Oberkanten von Lüftungsöffnungen, Fenstern oder Türen um mindestens 1 Meter überragen; der Umkreis vergrößert sich um 2 Meter je weitere angefangene 50 Kilowatt bis auf höchstens 40 Meter. (2) Abweichend von Absatz 1 hat die Höhe der Austrittsöffnung bei Gas- und Ölfeuerungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von 1 Megawatt bis 10 Megawatt 1. die höchste Kante des Dachfirstes um mindestens 3 Meter zu überragen und 2. mindestens 10 Meter über Gelände zu liegen. Bei einer Dachneigung von weniger als 20 Grad ist die Höhe der Austrittsöffnung auf einen fiktiven Dachfirst zu beziehen, dessen Höhe unter Zugrundelegung einer Dachneigung von 20 Grad zu berechnen ist. Satz 1 Nummer 1 gilt nicht für Feuerungsanlagen in Warmumformungsbetrieben, soweit Windleitflächenlüfter eingesetzt werden.

1130

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

(3) Abweichend von Absatz 1 sind die Abgase von Feuerungsanlagen nach § 11 über einen oder mehrere Schornsteine abzuleiten, deren Höhe nach den Vorschriften der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft vom 24. Juli 2002 (GMBl. 2002, S. 511) zu berechnen ist.

Bild 2.4.1-16. Nomogramm zur Ermittlung der Schornsteinhöhe.

Im Geltungsbereich der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) vom 28.2.86 (siehe Tafel 1.9.4-2)1) muss bei der Ermittlung der Schornsteinhöhe auch geprüft werden, ob der Immissionsgrenzwert für Staube und Gase in der Umgebung nicht überschritten wird. Denn der Schornstein hat auch die Aufgabe, luftverunreinigende Bestandteile der Abgase möglichst weit von der Erdoberfläche zu entfernen, besonders SO2. Fast der gesamte Schwefel des Brennstoffs verbrennt im Kessel zu SO2, das je nach Luftfeuchte mehr oder weniger langsam zu SO oxidiert und als stark verdünnte Schwefelsäure auf die Erde fällt. Berechnungsmethode s. TA-Luft. Als Beispiel zur Berechnung einer Schornsteinhöhe auf Grund der SO2-Emission dient das Bild 2.4.1-16, das sich auf eine Feuerungsleistung von ca. 30 MW mit Heizöl S bezieht. Der ermittelte Wert für die Schornsteinhöhe muss noch wegen sonstiger Einflüsse wie die Höhe der benachbarten Bebauung oder des Bewuchses, Vorbelastung, Windrichtung u. a. korrigiert werden.2)

1) 2)

Weitere Angaben in VDI 3781:1981-08 Bl.2 und VDI 3781:1980-11 Bl.4. Weitere Angaben in VDI 3781:1981-08 Bl.2 und VDI 3781:1980-11 Bl.4.

2.4.1 Abgasanlagen

1131

2.4.1-2

Überdruck-Abgasanlagen (Überdruck-Abgasleitungen)1)

2.4.1-2.1

Allgemeines

Im Folgenden werden nur die Abgasleitungen behandelt, die früher als „Abgasanlagen für Abgase mit niedrigen Temperaturen“ eine entsprechende allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) benötigten. Da aus Gründen der Energieeinsparung verstärkt Feuerungsanlagen mit niedrigen Abgastemperaturen, wie z. B. Brennwertkessel, eingesetzt werden, gewinnen diese Abgasanlagen ständig an Bedeutung. Sie unterscheiden sich von anderen Abgasanlagen wie Schornsteinen vor allem dadurch, dass sie ganz oder teilweise aus anderen Materialien bestehen können. Dadurch ist einerseits die Möglichkeit gegeben, die Abgasanlagen gasdichter auszuführen und somit auch unter Überdruck zu betreiben. Andererseits sind diese Materialien meist thermisch weniger beständig und somit nur für entsprechend niedrige Betriebstemperaturen geeignet. Abgasanlagen sind Bauteile in oder an Gebäuden, die dazu bestimmt sind, Abgase von geeigneten Feuerstätten über Dach ins Freie zu fördern. Überdruck-Abgasleitungen sind in der Regel in Schächten (senkrechte Ummantelungen) und Kanälen (waagerechte Ummantelungen) geführt mit den dazwischen befindlichen Hinterlüftungen (Bild 2.4.1-17).

Bild 2.4.1-17. Abgasanlage für Abgase mit niedrigen Temperaturen.

Überdruck-Abgasleitungen sind dichte, abgas- und kondensatbeständige Leitungen für die Abgasabführung. Sie bestehen aus Rohren und Formstücken einschließlich ihrer Verbindungen, Halterungen und ggf. zusätzliche Dämmschichten, Verkleidungen und Kondensatableitungen. Schächte sind senkrechte Bauteile in oder an Gebäuden, die die Abgasleitung umschließen, einschließlich ggf. zusätzlicher Dämmschichten und Dampfsperren. Kanäle sind entsprechende waagerechte Bauteile. Für die Hinterlüftung dienen die Zwischenräume zwischen den Abgasleitungen und den Schächten bzw. Kanälen in Verbindung mit den Ein- und Austrittsöffnungen. Für den Anschluss an solche Abgasanlagen geeignet sind Feuerstätten für Heizöl EL oder Gas, bei denen aufgrund ihrer Bauart im Abgasstutzen keine höheren Abgastemperaturen auftreten als für die Abgasleitung zulässig. Die Einhaltung der Abgastemperatur muss auch bei Nennwärmeleistung bzw. bei der höchsten, festeingestellten und bescheinigten Wärmeleistung sichergestellt sein.

1)

Stehmeier, D.: Abgasanlagen für Abgase mit niedrigen Temperaturen, HLH 2/94.

2

1132

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Bei Überdruck-Abgasanlagen müssen ebenfalls die Druck- und Temperaturbedingungen (Abschn. 2.4.1-1.1) eingehalten werden. Dabei darf der Überdruck PZO nicht größer sein als der maximal nutzbare Überdruck PZOe und der höchste zulässige Auslegungsdruck der Abgasleitung PZexcess: PZO = PR – PH + PL ≤ PWO – PFV – PB = PZOe PZO ≤ PZexcess PZO + PFV ≤ PZVexcess PH (Ruhedruck) ist der Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der sich bei ruhender Gassäule einstellt. PR (Widerstandsdruck) ist der Druck, der bei der Strömung des Gases zur Überwindung vor allem des Reibungswiderstandes im senkrechten Teil der Abgasanlage verbraucht wird. PL (Winddruck) ist der Druck, der bei ungünstiger Lage der Abgasanlagen-Mündung (z. B. weniger als 0,4 m über First ragend und weniger als 2,3 m waagerechter Abstand zur Dachfläche) durch Wind auf die Abgasanlage einwirkt. PZO ist der Überdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der der Differenz zwischen Widerstandsdruck PR und Ruhedruck PH entspricht. PZOe ist der maximal nutzbare Überdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Teil der Abgasanlage, der sich aus dem zur Verfügung stehenden Förderdruck des Wärmeerzeugers PWO, vermindert um die notwendigen Förderdrücke für das Verbindungsstück PFV und die Zuluft PB, ergibt. PZexcess und PZVexcess sind die höchsten zulässigen Auslegungsdrucke der Abgasleitung und des Verbindungsstückes. Da Überdruck-Abgasleitungen im Allgemeinen für feuchte Betriebsweise geeignet sind, gilt mit Tiob als niedrigste Temperatur der Abgasleitung an der Innenwand oben (an der Mündung) bei Beharrung und Tg als Grenztemperatur: Tiob ≥ Tg = 273,15 Κ (0°C) Die feuerungstechnische Bemessung von Abgasleitungen kann nach DIN EN 13384-1 (Abschn. 2.4.1-1.4) erfolgen. In vielen älteren Zulassungen sind außerdem Bemessungsdiagramme enthalten, die allerdings nur für die dort beschriebenen Anwendungsfälle gelten.

2.4.1-2.2

Bauarten

Die Abgasleitungen werden unterschieden a) nach maximal zulässiger Abgastemperatur, b) nach Art der Abgasabführung, c) nach Art der Hinterlüftung und d) nach Einbauort: a) Abgasleitungen wurden früher in folgende Typen abhängig von den maximal zulässigen Abgastemperaturen eingeteilt: – Typ A zulässig für Abgastemperaturen bis maximal 80 °C (T80), – Typ B zulässig für Abgastemperaturen bis maximal 120 °C (T120), – Typ C zulässig für Abgastemperaturen bis maximal 160 °C (T160). b) Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen Abgasleitungen, bei denen die Ableitung der Abgase planmäßig durch thermischen Auftrieb, d. h. bei statischem Unterdruck gegenüber dem Aufstellraum (s. Abschn. 2.4.1), oder durch Gebläse, also mit statischem Überdruck gegenüber dem Aufstellraum, erfolgt. Dabei ist nicht ausschlaggebend, welche Druckverhältnisse sich vor Ort tatsächlich einstellen, sondern wofür die Anlage geplant ist. c) Erfolgt die Hinterlüftung einer Abgasleitung durch natürlichen Auftrieb, wird die Luft aufgrund der Thermik von unten nach oben strömen, also im Gleichstrom mit dem Abgas. Nutzt man dagegen die Hinterlüftung für die Verbrennungsluftzuführung raumluftunabhängiger Feuerstätten (LAS-Prinzip), wird die Luft im Gegenstrom zum Abgas gefördert (s. Bild 2.4.1-18).

2.4.1 Abgasanlagen

1133

2 Bild 2.4.1-18. Temperatur- und Druckzusammenhänge nach DIN 13384 bei Überdruck-Abgasanlagen.

d) In der Regel müssen Abgasleitungen durch Kanäle und Schächte oder zumindest innerhalb von Gebäuden geführt werden. Bei entsprechender Zulassung und Dimensionierung besteht aber auch die Möglichkeit, Abgasleitungen außen an Gebäuden anzubringen (s. Bild 2.4.1-19).

Bild 2.4.1-19. Abgasanlage mit außenliegender Abgasleitung.

In der Praxis sind die verschiedensten Kombinationen dieser Eigenschaften denkbar. Wichtig ist jedoch, dass immer nur die in der zugehörigen Zulassung genannten Möglichkeiten zur Anwendung kommen. Bisher übliche Überdruck-Abgasleitungen des Typs A wären z. B. wie folgt zu kennzeichnen Abgasanlage DIN V 18160-1 – T080 P1 W 1 O00 L00

2.4.1-2.3

Anforderungen an die Feuerungsanlage

Abgasleitung und Feuerstätte müssen aufeinander abgestimmt sein. An eine Abgasleitung darf nur eine Feuerstätte angeschlossen werden, bei der bei Nennleistung die für den Abgasleitungstyp zulässige Abgastemperatur im Abgasstutzen sicher nicht über-

1134

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

schritten wird. Der Nachweis der Eignung der Feuerstätte ergibt sich in der Regel aus den Herstellerunterlagen. Unter bestimmten Voraussetzungen genügt auch eine Bescheinigung des Herstellers oder Fachunternehmers, dass keine höhere Abgastemperatur als für den verwendeten Abgasleitungstyp zulässig auftritt.

2.4.1-2.4

Ausführung

Grundsätzlich gelten für die Ausführung von Überdruck-Abgasanlagen die gleichen Anforderungen wie für Unterdruck-Abgasanlagen (s. Abschn. 2.4.1-1.6). Darüber hinaus ist folgendes zu beachten: Innerhalb der Aufstellräume sind Abgasleitungen für Überdruck in längsbelüfteten Kanälen aus nichtbrennbaren und formbeständigen Baustoffen anzuordnen. Darauf kann verzichtet werden, wenn der Aufstellraum eine Öffnung oder entsprechende Leitungen ins Freie mit einem freien Querschnitt von 150 cm2 hat. In Gebäuden dürfen Abgasleitungen nur in eigenen Schächten angeordnet werden. Die Anordnung mehrerer Abgasleitungen in nur einem Schacht ist zulässig, wenn die Feuerstätten in einem gemeinsamen Aufstellraum stehen oder nur in Räumen, die die Anforderungen an Heizräume erfüllen. Die Schächte dürfen außerhalb des Aufstellraumes der Feuerstätte keine Öffnungen haben; ausgenommen davon sind erforderliche Prüf- und Reinigungsöffnungen, die mit Schornsteinreinigungsverschlüssen zu versehen sind. Eine Abgasleitung für Überdruck muss über ihre gesamte Länge hinterlüftet sein; der Abstand zwischen dem größten Außenmaß der Abgasleitung (Muffenmaß) und der Innenseite des Schachtes sollte – bei rundem lichten Querschnitt der Abgasleitung in einem Schacht mit rechteckigem lichten Querschnitt mindestens 2 cm, – bei rundem lichten Querschnitt der Abgasleitung in einem Schacht mit rundem lichten Querschnitt mindestens 3 cm und – bei rechteckigem lichten Querschnitt der Abgasleitung in einem Schacht mit rechteckigem lichten Querschnitt mindestens 3 cm betragen. Die Eintrittsöffnung für die Belüftung des Schachtes muss im Aufstellraum der Feuerstätte in der Nähe der Abgaseinführung angeordnet sein; die Größe der Eintrittsöffnung muss mindestens der erforderlichen Hinterlüftungsfläche entsprechen. Die Hinterlüftung der Abgasleitung kann auch durch eine Verbrennungsluftansaugung von der Mündung aus erfolgen. Der Hinterlüftungsquerschnitt darf nicht für die erforderliche Entlüftung von Heizräumen verwendet werden, da deren Funktion im Notfall, wie beispielsweise beim Versagen der Abgasleitung, nicht sichergestellt wäre. Aus Brandschutzgründen muss der Schacht eine Feuerwiderstandsdauer von mindestens 90 Minuten, in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 und 21) von mindestens 30 Minuten haben. Keine Feuerwiderstandsdauer ist erforderlich für Abgasleitungen in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 und 2, die durch nicht mehr als eine Nutzungseinheit führen.2) Der Nachweis über die Feuerwiderstandsdauer ist durch ein allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis zu führen. Eines solchen Nachweises bedarf es nicht, wenn der Schacht aus klassifizierten Bauteilen nach DIN 4102-4 besteht oder die regelmäßigen Anforderungen an Schornsteine nach DIN V 18160-1 erfüllt. Für Abgasleitungen, die oberhalb des Aufstellraumes der Feuerstätte nur durch dauernd gut belüftete Dachräume führen, die keine Aufenthaltsräume sind, genügen längsbelüftete Schächte aus nichtbrennbaren und formbeständigen Baustoffen. Die Schächte müssen mindestens dieselbe Feuerwiderstandsdauer wie die dabei durchbrochene Decke haben. Bei Aufstellung der Feuerstätte in dauernd gut belüfteten Dachräumen dürfen die Abgasleitungen ohne Schächte oder Kanäle errichtet werden. Im Bereich der Dachdurchführung sind die Abgasleitungen in Schutzrohren aus nichtbrennbaren, formbeständigen Baustoffen zu führen, wobei Abstände zu Bauteilen aus brennbaren Baustoffen einzuhalten sind. Abgasleitungen, die beim regelmäßigen Betrieb der Feuerungsanlage Oberflächentemperaturen von mehr als 80 °C haben können, müssen bis zu einer Höhe von 2 m über 1)

2)

Lt. Musterbauordnung vom November 2002, zuletzt geändert durch Beschluss der Bauministerkonferenz vom November 2012 Gebäude mit einer Höhe der Fußbodenoberkante des höchstgelegenen Geschosses, in dem ein Aufenthaltsraum möglich ist, über der Geländeoberfläche im Mittel bis zu 7 m mit nicht mehr als zwei Nutzungseinheiten und insgesamt nicht mehr als 400 m2. Lt. MFeuV vom September 2007, zuletzt redaktionell geändert im Februar 2010.

2.4.1 Abgasanlagen

Fußböden oder sonstige zum Betreten bestimmter Flächen gegen unbeabsichtigte Berührung geschützt sein. Der Berührungsschutz muss aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen und darf die Luftströmung um die Abgasleitung nicht beeinträchtigen. Bei Überdruck-Abgasanlagen darf bei geeigneter Feuerstätte die Sohle des senkrechten Teils in gleicher Höhe mit dem untersten Feuerstättenanschluss angeordnet sein. So kann der Übergang vom waagerechten Teil der Abgasanlage (Verbindungsstück) in den senkrechten Teil z. B. mittels 90°-Bogen erfolgen, wobei die Unterseite des Bogens dann die Sohle bildet. Bei solchen Abgasanlagen darf die untere Reinigungsöffnung auch im senkrechten Teil der Abgasanlage direkt oberhalb der Einführung des Verbindungsstückes oder seitlich im Verbindungsstück höchstens 0,3 m entfernt von der Umlenkung in den senkrechten Teil der Abgasanlage oder an der Stirnseite eines geraden Verbindungsstücks höchstens 1,0 m entfernt von der Umlenkung in den senkrechten Teil der Abgasanlage angeordnet werden. Bei einer derartigen Anordnung der unteren Reinigungsöffnung kann auf die obere Reinigungsöffnung verzichtet werden, wenn die untere Reinigungsöffnung nicht mehr als 15 m von der Mündung entfernt ist, der hydraulische Durchmesser der Abgasanlagen höchstens 15 cm beträgt, die Umlenkung in den senkrechten Teil durch einen Bogen mit einem Biegeradius gleich oder größer dem Durchmesser der Abgasanlage oder einer für die Reinigung vergleichbaren Geometrie erfolgt, der senkrechte Teil der Abgasanlage höchstens einmal bis zu 30° schräggeführt ist und an die Abgasanlage nur Feuerstätten für gasförmige oder flüssige Brennstoffe in derselben Nutzungseinheit (z. B. Wohneinheit, Gewerbeeinheit) angeschlossen sind.1) Abgasleitungen müssen in Schächte und Kanäle so eingebaut sein, dass eine Prüfung und ggf. Reinigung des Hinterlüftungsquerschnitts möglich ist.

2.4.1-3

Verbindungsstücke2)

Ein Verbindungsstück zwischen Feuerstätte und senkrechtem Teil der Abgasanlage kann als Abgasrohr oder als Abgaskanal ausgeführt werden: Das Abgasrohr ist ein Verbindungsstück aus Rohren und Formstücken, die frei in Räumen verlegt sind. Zur Herstellung dürfen verwendet werden: – Abgasrohre nach DIN 1298 oder europäischen Produktnormen (z. B. DIN EN 1856-2), – nicht genormte Abgasrohre, wenn sie aus Werkstoffen und mit Wanddicken sinngemäß nach DIN 1298 hergestellt sind, – Abgasrohre aus Bauteilen für Abgasanlagen (Schornsteine oder Abgasleitungen). Der Abgaskanal ist ein Verbindungsstück in Massivbauart. Zur Herstellung dürfen die Baustoffe für Abgasanlagen (Schornsteine oder Abgasleitungen) verwendet werden. Verbindungsstücke von Feuerstätten für feste Brennstoffe müssen nicht rußbrandbeständig (wie Schornsteine) sein, sondern nur soweit widerstandsfähig, dass die Sicherheit während eines Rußbrandes erhalten bleibt. Verbindungsstücke, die mit Überdruck betrieben werden, müssen aus Bauprodukten für Überdruck-Abgasanlagen oder durchgehend aus geschweißten Stahlrohren bestehen. Damit das Abgas mit geringem Druckverlust und geringem Wärmeverlust abgeleitet wird, sollen Verbindungsstücke kurz und ansteigend geführt werden. Teile von Verbindungsstücken dürfen fallend geführt werden, wenn es sich um eine einfach belegte Abgasanlage handelt, die Feuerungsanlage mit Gebläsebrenner oder Saugzuggebläse ausgerüstet ist und der Aufstellraum eine obere und untere Öffnung ins Freie mit einem Querschnitt von je mindestens 150 cm2 hat. Verbindungsstücke für feuchte Betriebsweise müssen mit einem Gefälle zum Kondensatablauf von mindestens 3° angeordnet werden. Es ist darauf zu achten, dass das Kondensat auf der gesamten Länge ungehindert abfließen kann. Sofern die Ableitung von anfallendem Kondensat nicht über die Feuerstätte erfolgen kann, ist im Verbindungsstück ein Kondensatablauf anzuordnen. Der Kondensatablauf ist gegen den Austritt von Abgas mit einer Abgassperre zu versehen, z. B. durch einen Siphon mit ausreichend großer Sperr-

1) 2)

DIN 18160-5 „Abgasanlagen – Teil 5: Einrichtungen für Schornsteinfegerarbeiten“, 04-2016. DIN V 18160-1 „Abgasanlagen – Teil 1: Planung und Ausführung“, 01-2006.

1135

2

1136

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

wasserhöhe. Der Innendurchmesser des Kondensatablaufs sollte mindestens 15 mm betragen. Verbindungsstücke dürfen nicht in Decken, Wänden oder unzugänglichen Hohlräumen angeordnet oder in andere Geschosse geführt werden. Durch Wände, die wegen des Raumabschlusses feuerwiderstandsfähig sein müssen, dürfen Verbindungsstücke nur so geführt werden, dass die Feuerwiderstandsfähigkeit der Wand nicht vermindert wird. Verbindungsstücke müssen von brennbaren Stoffen so weit entfernt sein, dass an diesen bei Nennwärmeleistung der Feuerstätte keine höheren Temperaturen als 85 °C und bei Rußbränden im Innern von Schornsteinen keine höheren Temperaturen als 100 °C auf treten können. Dies gilt als erfüllt, wenn die in Tafel 2.4.1-2 aufgeführten Anforderungen eingehalten sind. Verbindungsstücke sind so in den senkrechten Teil der Abgasanlage einzuführen, dass sie möglichst nahe an den lichten Querschnitt der Abgasanlage reichen und die Anschlüsse ausreichend gas- und kondensatdicht sind. Bei einschaligen Abgasanlagen empfiehlt sich die Verwendung von Doppelwandfuttern; bei mehrschaligen Abgasanlagen kann der Zwischenraum zwischen Verbindungsstück und Anschlussformstück bzw. Wandung der Abgasanlage mit nicht brennbaren und wärmedämmenden Stoffen, z. B. Keramikfaserschnur, gestopfte Mineralfaser ausgefüllt werden. Sofern Verbindungsstücke zum Zwecke der Reinigung und Überprüfung nicht leicht und sicher de- und montierbar sind, ist mindestens eine Reinigungsöffnung erforderlich. Die Mindestmaße der Reinigungsöffnungen sind abhängig von Verbindungsstückart und größe. Die Abstände zwischen den Reinigungsöffnungen sollten die in Tafel 2.4.1-3 angegebenen Werte nicht überschreiten, wobei an allen Umlenkungen größer 45° Reinigungsöffnungen anzuordnen sind. Gegebenenfalls ist eine weitere Reinigungsöffnung in der Nähe der Feuerstätte erforderlich, wenn Kehrrückstände nicht in die Feuerstätte gelangen dürfen. Tafel 2.4.1-2

Abstände von Abgasanlagen zu brennbaren Bauteilen*)

Abstände von Verbindungsstücken (VS) zu brennbaren Bauteilen VS von Feuerstätten für feste Brennstoffe bei Abgastemperaturen bis 400 °C

40 cm

VS von Feuerstätten für feste Brennstoffe mit mindestens 2 cm Wärmedämmung bei Abgastemperaturen bis 400 °C

10 cm

VS von Feuerstätten für flüssige oder gasförmige Brennstoffe bei Abgastemperaturen größer 160 °C bis 400 °C

20 cm

VS von Feuerstätten für flüssige oder gasförmige Brennstoffe bei Abgastemperaturen größer 85 °C bis 160 °C

5 cm

VS von Feuerstätten für flüssige oder gasförmige Brennstoffe bei Abgastemperaturen bis 85 °C

kein Abstand

VS bei Temperaturklasse über T300 bis T400 zu hochwärmegedämmten Wänden sowie Decken

40 cm

VS bei Temperaturklasse über T300 bis T400 mit 2 cm Wärmedämmung des VS zu hochwärmegedämmten Wänden sowie Decken

10 cm

VS entsprechend Schornsteine und Feuerwiderstandsdauer L90

wie bei Schornsteinen

2.4.2 Brennstofflagerung

Tafel 2.4.1-2

1137

Abstände von Abgasanlagen zu brennbaren Bauteilen*) (Forts.)

Wanddurchführungen von Verbindungsstücken durch Bauteile mit oder aus brennbaren Baustoffen mit Schutzrohr aus nichtbrennbaren Baustoffen oder Ummantelung mit nichtbrennbaren Baustoffen geringer Wärmeleitfähigkeit

20 cm

bei Abgastemperaturen bis 160 °C oder bei angeschlossenen Gasfeuerstätten mit Strömungssicherung

5 cm

*) Stehmeier, D., Michel, R.: DIN 18160-1 „Abgasanlagen – Planung und Ausführung“ ist erschienen, Schornsteinfegerhandwerk (2002), Nr. 2 bis 4.

Tafel 2.4.1-3

Maximaler Abstand zwischen Reinigungsöffnungen in Abhängigkeit vom Brennstoff und der Anordnung*)

Brennstoff

2

Maximaler Abstand in m bei seitlicher Anordnung

bei Anordnung an der Stirnseite eines geraden Abschnitts

bei festen und flüssigen Brennstoffen

2m

4m

bei gasförmigen Brennstoffen

4m

4m

*) DIN V 18160-1 „Abgasanlagen – Teil 1: Planung und Ausführung“, 01-2006.

2.4.2

Brennstofflagerung

2.4.2-1

Öllageranlage1) 2)

KÖPFE recknagel-online.de

2.4.2-1.1 2.4.2-1.1.1

Öltank Allgemeines

Bei der Lagerung von Heizöl EL gilt für die Öltanks das Prinzip der doppelten Sicherheit. Das heißt, sollte der Tank undicht werden, so verhindert ein spezieller Auffangraum oder eine zweite Tankwandung,3) dass das Heizöl EL in die Umwelt gelangt. Durch dieses Prinzip wird eine umweltgerechte und sichere Lagerung von Heizöl EL gewährleistet. Mit dem Inkrafttreten, voraussichtlich in 2017, der zukünftig bundesweit gültigen Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV) und der im Februar 2015 veröffentlichten Technischen Regel wassergefährdender Stoffe (TRwS 791) – Heizölverbraucheranlagen Teil 1: „Errichtung, betriebliche Anforderungen und Stilllegung von Heizölverbraucheranlagen“ ergeben sich erhebliche Änderungen im Bereich der Aufstellung und Installation für Heizöllageranlagen.

1) 2)

3)

Neubearbeitet für die 78. Auflage von Dipl.-Ing. Jörg Franke, Hamburg Ergänzungen für 75. Auflage von Dipl.-Ing. A. Jeromin und Dipl.-Ing. T. Uber: Zusammenfassung aus Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“, Institut für Wärme und Oeltechnik e.V. (www.troel.de). In vielen Bundesländern gibt es Ausnahmeregelungen für GFK-Öltanks.

1138

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

45 759 029 -E 78234-098549

standortgefertigter Tank

Erdtank

Batterietank

Bild 2.4.2-1. Bauarten von Öltanks – Übersicht.

Der Aufstellort der Öltanks führt zu zwei grundsätzlichen Bauarten, den oberirdischen und den unterirdischen Öltanks. a) Oberirdische Öltanks Als oberirdische Öltanks gelten vereinfacht alle Öltanks, die in begehbaren Räumen aufgestellt sind und inspiziert werden können. Ein Öltank in einem Keller unter Erdgleiche ist demnach auch ein oberirdischer Öltank.

17 17

6

4

7

3 2

14 14 5 11

10 10 10 8

12 12

9

15 15

1

16 16 13 13

1

2 3 4 5 6

doppelwandiger Öltank Grenzwertgeber Füllleitung Lüftungsleitung Entnahmeeinrichtung Füllstandsanzeige

11

Antiheberventil Absperreinrichtung Heizölentlüfter mit Ölfilter Brenner Regelung

12

Ölgerät

7 8 9 10

13 14 15 16 17

Warmwasserspeicher Umwälzpumpe Membranausdehnungsgefäß Abgassystem elektrischer Notschalter bei Kesselleistung > 100 kW

Bild 2.4.2-2. Anlage mit oberirdischem Öltank.

Grundsätzlich gelten für Lagervolumen größer 1000 Liter folgende Anforderungen: – Die Öltanks sind doppelwandig auszuführen und dürfen unterhalb des maximal zulässigen Füllstandes keine Stutzen oder Durchführungen haben. Undichtheiten der Tankwände werden durch ein Leckanzeigegerät / einen Leckageanzeiger selbsttätig angezeigt, oder

2.4.2 Brennstofflagerung

1139

– einwandige Öltanks werden in einem flüssigkeitsdichten Auffangraum aufgestellt1). Auffangräume sind so zu bemessen, dass ein dem Rauminhalt des Öltanks entsprechendes Lagervolumen zurückgehalten werden kann. Dient der Auffangraum mehreren oberirdischen Öltanks, so ist für die Bemessung nur der Rauminhalt des größten Öltanks maßgebend. Kommunizierende Öltanks gelten als ein Öltank. Die oberirdischen Öltanks werden unterschieden in werksgefertigte und standortgefertigte Öltanks. Werksgefertigte Öltanks werden in der Regel als Batterietank oder Einzeltank bezeichnet und ein- oder doppelwandig aus Stahl und/oder Kunststoff hergestellt. Werksgefertigte Öltanks aus Kunststoff besitzen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung mit Zulassungsnummer, die sich auch auf dem Tank befinden muss. Weitere werksgefertigte Öltanks gibt es aus Stahl, so genannte DIN-Tanks nach DIN EN 12285-2: 2005-05 (früher DIN 6616). DIN-Tanks benötigen keine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Auf dem Herstellerschild müssen mindestens Hersteller oder Herstellerzeichen, die Herstellnummer, die Typbezeichnung, das Baujahr, das Volumen, falls doppelwandig das Volumen des Überwachungsraums und der Werkstoff angegeben sein. Standortgefertigte Öltanks werden ein- oder doppelwandig aus Stahl und/oder Kunststoff am Lagerort hergestellt. Standortgefertigte Öltanks aus Stahl werden in der Regel entsprechend der DIN 6625 gefertigt. Standortgefertigte Öltanks aus Kunststoff (GFK) benötigen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. b) Unterirdische Öltanks Unterirdische Öltanks sind vollständig oder teilweise im Erdreich eingebettet und heute grundsätzlich doppelwandig. Für in der Vergangenheit installierte einwandige unterirdische Öltanks werden in der Regel verschärfte Prüfintervalle und Auflagen gefordert, so dass eine Umrüstung zur Doppelwandigkeit eine sinnvolle Maßnahme darstellt. Dies kann beispielsweise durch eine nachträgliche Leckschutzauskleidung erfolgen (Innenhülle).

9

10 13 8 6 4

3

5 11

12

2

1

doppelwandiger Erdtank

2

Grenzwertgeber

3

Domschacht

4

Füllleitung

5

Peilstab im Schutzrohr

6

Abdeckung

7

Ölleitung als selbstsichernde Saugleitung

8

Lüftungsleitung

9

Füllstandsanzeige

7

10 Leckanzeigegerät 11 Absperreinrichtung 1

12 Ölfilter mit Entlüfter 13 Ölgerät

Bild 2.4.2-3. Anlage mit unterirdischem Öltank und selbstsichernder Saugleitung.

Unterirdische Öltanks werden aus Stahl nach der DIN EN 12285-1:2003-07 (früher DIN 6608) oder aus einem GFK-Verbundwerkstoff in einem speziell patentierten Verfahren werksgefertigt.

1)

In vielen Bundesländern gibt es Ausnahmeregelungen für GFK-Öltanks.

2

1140

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

2.4.2-1.1.2

Aufstellung der Öltanks

2.4.2-1.1.2.1

Allgemeines

Öltanks sind so zu installieren, dass das Heizöl frost- und lichtgeschützt gelagert wird. Bei der Aufstellung der Öltanks sind die Gewässerschutz-, Bau- und Brandschutzvorschriften des jeweiligen Bundeslandes zu beachten. Einbau, Instandhaltung, Instandsetzung und Prüfung von Öltanks richten sich nach der jeweiligen (Landes-)Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS)1), der jeweiligen Landesbauordnung (LBO) und der jeweiligen (Landes-)Feuerungsverordnung (FeuV)2). Fachbetriebspflicht Ab einem Lagervolumen größer 10000 Liter, je nach Bundesland aber auch schon bei Anlagen über 1000 Liter, dürfen Öltanks nur von Fachbetrieben nach Verordnung zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS)1) eingebaut, aufgestellt, instandgehalten, instand gesetzt und gereinigt werden. Besteht also je nach Lagervolumen die so genannte Fachbetriebspflicht, so hat der Betreiber für diese Tätigkeiten Fachbetriebe zu beauftragen. Allerdings können die Länder Tätigkeiten bestimmen, die nicht von Fachbetrieben ausgeführt werden müssen. Tätigkeiten an Anlagen oder Anlagenteilen, die keine unmittelbare Bedeutung für die Sicherheit der Öllageranlagen haben, können sein: – Tätigkeiten an Feuerungsanlagen inklusive des Vorfilters, – Herstellen von baulichen Einrichtungen für den Einbau von Anlagen, Grob- und Vormontagen von Anlagen und Anlagenteilen, – Herstellen von Räumen für die spätere Verwendung als Auffangraum, – Aufbringen von Dämmungen, Anstrichen und Beschichtungen, sofern diese nicht Schutzvorkehrungen sind, – Ausheben von Baugruben für alle Anlagen, – Einbauen, Aufstellen, Instandhalten und Instandsetzen von Elektroinstallationen einschließlich Mess-, Steuer-, und Regelanlagen mit Ausnahme des Grenzwertgebers und Leckanzeigegeräten. – Tätigkeiten, die in einer wasserrechtlichen Bauartzulassung, in einem baurechtlichen Verwendbarkeitsnachweis oder in einer arbeitsschutzrechtlichen Erlaubnis oder in einer Eignungsfeststellung näher festgelegt und beschrieben sind. Auffangräume Einwandige Öltanks müssen in Auffangräumen aufgestellt werden.3) Das Fassungsvermögen von Auffangräumen ist so zu bemessen, dass das dem Rauminhalt des Öltanks entsprechende Volumen zurückgehalten werden kann. Dient der Auffangraum mehreren oberirdischen Öltanks, so ist für seine Bemessung nur der Rauminhalt des größten Öltanks maßgebend, dabei müssen aber mindestens 10 % des Gesamtvolumens der Anlage zurückgehalten werden. Kommunizierende Öltanks (kein Rückflussverhinderer/Fußventil) gelten als ein Behälter. Innerhalb von Auffangräumen dürfen außer den Öltanks nur Rohrleitungen, Armaturen und Pumpen vorhanden sein, die für den Betrieb der Öllageranlage erforderlich sind. Auffangräume müssen öldicht sein, Fugen und Bodenabläufe sind unzulässig. Bis zu einem Lagervolumen von 40000 Litern dürfen Auffangräume gemauert sein. Ab 40000 Litern Lagervolumen sind Auffangräume aus Stahlbeton herzustellen.4) Der Boden ist mit einem Zementestrich, Mauerwerk mit einem Zementputz zu versehen, der Übergang vom Boden zu den Wänden ist als Hohlkehle auszuführen. Die Wände dürfen bis zur Höhe des vorgesehenen Rückhaltevolumens keine Öffnungen und Durchlässe, auch nicht für Rohrleitungen, aufweisen.

1) 2) 3) 4)

Zukünftig: Bundes-Anlagenverordnung (AwSV). siehe Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“. Für GFK-Öltanks gelten noch länderspezifische Regelungen, siehe Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“. Nach dem Standsicherheits- und Brauchbarkeitsnachweis für beschichtete Auffangräume aus Stahlbeton zur Lagerung wassergefährdender Flüssigkeiten in der Fassung vom Januar 1989 des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt).

2.4.2 Brennstofflagerung

1141

Auffangräume müssen bis zur Höhe des vorgesehenen Rückhaltevolumens und am Boden mit einer ganzflächigen ölbeständigen Oberfläche (z. B. mittels mehrlagigem Schutzanstrich mit einer zugelassenen ölbeständigen Farbe oder einer öldicht verschweißten zugelassenen Kunststoffauskleidung) versehen sein. Anforderungen aus der Feuerungsverordnung Bei der Aufstellung oberirdischer Öltanks sind neben den Anforderungen des Gewässerschutzes aus der Landes-VAwS auch die der Landes-Feuerungsverordnung (FeuV) zum Brandschutz zu beachten. Die FeuV fordert z. B. bei einem Lagervolumen von mehr als 5 000 Litern einen separaten Brennstofflagerraum. Hinweis: Im Folgenden werden die Anforderungen der Muster-Feuerungsverordnung dargestellt. Verbindlich sind allein die Regelungen der Feuerungsverordnungen der jeweiligen Bundesländer.1) Allgemein gilt, dass oberirdische Öltanks nicht über Feuerstätten, Rauchrohren, Rauchoder Heißluftkanälen aufgestellt werden dürfen. Ebenso ist die Aufstellung unzulässig: – in Durchgängen und Durchfahrten, – in Treppenräumen außer in Wohngebäuden mit nicht mehr als zwei Wohnungen, – in allgemein zugänglichen Fluren, – auf Dächern von Wohnhäusern, Krankenhäusern, Bürohäusern und ähnlichen Gebäuden sowie in deren Dachräumen, – in Arbeitsräumen2), – in Gast- und Schankräumen. Grundsätzlich sind einwandige Öltanks in einem entsprechend ausgeführten Auffangraum aufzustellen. Lagerung von Brennstoffen Außerhalb von Brennstofflageräumen Muster-Feuerungsverordnung (MFeuV)

Möglichkeit zur Belüftung

Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern

nur bei Gesamtnennleistung > 100 kW: – elektrischer Notschalter – Schild „NOTSCHALTER-FEUERUNG“ – Einrichtung zur Unterbrechung der Heizölzufuhr (z. B. Reißleine oder Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern)

Mindestabstand 0,4 m oder Nachweis, dass bei Nennleistung Temperatur an brennbaren Bauteilen < 85 °C

Mindestabstand 1 m oder

Öltank

0,5 m mit beiderseits belüftetem Strahlungsschutz oder 0,1 m, wenn nachgewiesen ist, dass die Oberflächentemperatur der Feuerstätte 40 °C nicht überschreitet

keine Öffnungen gegenüber anderen Räumen, außer dichtund selbstschließenden Türen

Ölgerät

brennbare Bauteile

max. 5.000 Liter Grafik: IWO

außerhalb ggf. vorhandener Auffangräume Befinden sich Feuerstätte und Lagerung von > 1.000 l, jedoch ≤ 5.000 l Heizöl in einem Raum oder handelt es sich um eine Feuerstätte > 100 kW, darf der Aufstellraum nicht anderweitig genutzt werden, ausgenommen zur Aufstellung von Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken und ortsfesten Verbrennungsmotoren sowie zur Lagerung von Brennstoffen.

vorhandene Bodenabläufe nur mit Heizölsperre Für die Verbrennungsluftversorgung ist bei raumluftabhängigem Betrieb des Ölgeräts z. B. eine Öffnung ins Freie von ≥ 150 cm² erforderlich (zu weiteren Möglichkeiten siehe MFeuV bzw. die jeweilige Landesfeuerungsverordnung); bei raumluftunabhängigem Betrieb des Ölgeräts gibt es keine Anforderungen.

Bild 2.4.2-4. Öltank kleiner 5000 Liter im Aufstellraum des Ölgerätes (Anforderungen laut Muster-FeuV. Stand September 2007 – Hinweis: Verbindlich sind allein die Regelungen der gültigen Landes-FeuV).

In Wohnungen darf bis zu 100 Liter Heizöl gelagert werden. In Räumen außerhalb von Wohnungen darf bis zu 1000 Liter Heizöl gelagert werden. In sonstigen Räumen darf bis zu 5000 Liter Heizöl je Gebäude oder Brandabschnitt gelagert werden, wenn – sie gegenüber anderen Räumen keine Öffnungen, ausgenommen für Türen haben, – sie Türen haben, die dicht schließen, – und sie gelüftet werden können. 1) 2)

siehe Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“. Es darf, sofern die Lagerung mit dem Schutz der Arbeitnehmer vereinbar ist und in besonderen Einrichtungen gemäß der TRbF 22 (Lagerung in Sicherheitsschränken) erfolgt, Heizöl mit einer Höchstmenge von 5000 l in einem Arbeitsraum gelagert werden.

2

1142

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Sind in diesen Räumen auch Feuerstätten/Ölgeräte aufgestellt, müssen diese – außerhalb eines vorhandenen Auffangraumes der Öltanks stehen und – einen Abstand von mindestens 1 m zu Öltanks einhalten, soweit nicht ein Strahlungsschutz vorhanden ist. Dieser Abstand kann bis auf die Hälfte verringert werden, wenn ein beiderseits belüfteter Strahlungsschutz vorhanden ist. Ein Abstand von 0,1 m genügt, wenn nachgewiesen ist, dass die Oberflächentemperatur der Feuerstätte/des Ölgeräts 40 °C nicht überschreitet. Für bauartzugelassene Öltanks aus thermoplastischen Kunststoffen (PE/PA) sind die brandschutztechnischen Anforderungen an den Aufstellraum der Öltanks Gegenstand der Bauartzulassung und zu berücksichtigen. Lagerung von Brennstoffen in Brennstofflageräumen Möglichkeit zur Belüftung, z. B. Fenster;

Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern

F 90 nur Leitungen durch Decken und Wände zum Betrieb des Raumes sowie Heizrohr-, Wasser- und Abwasserleitungen

F 90

Muster-Feuerungsverordnung (MFeuV)

Möglichkeit zur Beschäumung kann bei > 20.000 l verlangt werden.

Schild „HEIZÖLLAGERUNG“

F 90

Tür T 30, selbstschließend

Öltank > 5.000 Liter, Tank ≤ 100.000 Liter

keine anderweitige Nutzung, d. h. keine Feuerstätte, zulässig Grafik: IWO

F 90

vorhandene Bodenabläufe nur mit Heizölsperre

Bild 2.4.2-5. Öltank größer 5000 Liter im Lagerraum (Anforderungen laut Muster-FeuV – Hinweis: Verbindlich sind allein die Regelungen der gültigen Landes-FeuV)

Bei der Lagerung von mehr als 5000 Liter Heizöl ist ein Brennstofflagerraum erforderlich, der nicht anderweitig genutzt werden darf. In Brennstofflagerräumen darf das Fassungsvermögen des Öltanks insgesamt 100000 Liter Lagervolumen je Gebäude oder Brandabschnitt nicht übersteigen. Entsprechend landesspezifischer Regelungen müssen Wände, Stützen und Decken des Brennstofflagerraumes feuerbeständig sein. Klappen und Türen müssen mindestens feuerhemmend und in Fluchtrichtung zu öffnen sowie selbstschließend sein. Für feuerbeständige Bauteile gilt die DIN 4102. Durch Decken und Wände von Brennstofflagerräumen dürfen keine Leitungen geführt werden, ausgenommen Leitungen, die zum Betrieb dieser Räume erforderlich sind sowie Heizrohrleitungen, Wasserleitungen und Abwasserleitungen. Bedachungen von Brennstofflagerräumen müssen widerstandsfähig gegen Flugfeuer und strahlende Wärme sein, es sei denn, die Dächer sind durch ausreichend tragfähige feuerbeständige Decken von dem Brennstofflagerraum abgetrennt. Durchbrüche durch Wände und Decken in angrenzende Räume müssen durch Abschottungen gegen Brandübertragung gesichert sein. Die Feuerwiderstandsdauer der Abschottung muss der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer der durchbrochenen Wand bzw. Decke entsprechen. Wände und Fußboden eines Brennstofflagerraums dürfen auch Teile eines Auffangraumes sein. Fußböden müssen aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen. Brennstofflagerräume für Heizöl – müssen gelüftet und von der Feuerwehr vom Freien aus beschäumt werden können, – müssen an den Zugängen mit der Aufschrift „HEIZÖLLAGERUNG“ gekennzeichnet sein.

2.4.2 Brennstofflagerung

2.4.2-1.1.2.2

1143

Einbau unterirdischer Öltanks

Sofern in den Herstellerangaben oder dem Prüfbescheid keine abweichenden Maße genannt werden, so sind folgende Mindestabstände einzuhalten: – 1 m zu Gebäuden, Nachbargrundstücken und öffentlichen Versorgungsleitungen1) – 0,4 m zu anderen unterirdischen Behältern

2 Bild 2.4.2-6. Mindestabstände für unterirdische Öltanks

Unmittelbar vor dem Einbau ist die Isolierung des Öltanks mit einer Hochspannungsprüfung nach Maßgabe des Herstellers durch den Sachkundigen zu prüfen. Die Unversehrtheit des Öltanks muss unmittelbar vor dem Absenken in die Tankgrube durch den Sachverständigen oder je nach Landesverordnung durch den Sachkundigen des Fachbetriebes festgestellt und bescheinigt werden. Unterirdische Öltanks müssen unter Aufsicht des Sachkundigen und unter Verwendung von Geräten, durch die eine Beschädigung ausgeschlossen wird, in die vorbereitete Baugrube abgesenkt werden. Die Erddeckung des Öltanks darf in der Regel nicht mehr als 1,50 m betragen, andernfalls ist ein statischer Nachweis erforderlich. Der ordnungsgemäße Einbau der Öltanks ist vom Sachverständigen oder je nach Landesverordnung vom Sachkundigen zu bescheinigen.

1)

Geringere Abstände zu öffentlichen Versorgungsleitungen sind mit Erlaubnis des Versorgungsunternehmens zulässig.

1144

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

1

8 2 3

5

6

7

1

Leckanzeigegerät

2

Lüftungsleitung

3

Grenzwertgeber

4

Tankdeckel

5

Peilrohr mit Peilrohrverschluss

6

Füllrohr mit Füllrohrverschluss

7

Entnahmesystem mit Absperreinrichtung

8

Füllstandsmessgerät mit Kondensatgefäß

9

Saugleitung

10

Prüfstutzen

11

Peilstab

9 4

10

11

Bild 2.4.2-7. Doppelwandiger Erdtank – Anschlüsse und Ausrüstung

Über jeder Einstiegsöffnung (Domdeckel bzw. Mannloch) eines vollständig im Erdreich eingebauten Öltanks muss ein Domschacht angeordnet sein. Domschächte müssen dicht und so ausgebildet sein, dass bereits geringe Leckagemengen zurückgehalten, erkannt und beseitigt werden können. Anschlüsse an Entwässerungsleitungen sind in Domschächten nicht zulässig. Auch müssen Domschächte so geräumig sein, dass alle Rohranschlüsse zugänglich sind und die erforderlichen Arbeiten und Prüfungen im Schacht ungehindert durchgeführt werden können. Die lichte Weite des Domschachtes soll 1 m nicht unterschreiten und mindestens 0,2 m größer als der Domdeckel sein. Der Schacht kann nach oben hin eingezogen sein. Die lichte Weite der Schachtabdeckung muss so gewählt werden, dass der Domdeckel ausgebaut werden kann. Der Domschacht muss unfallsicher abgedeckt sein. Die Abdeckung muss das Eindringen von Oberflächenwasser sicher verhindern. Im Verkehrsbereich muss die Schachtabdeckung den zu erwartenden Belastungen standhalten.1) 2.4.2-1.1.2.3

Aufstellung oberirdischer Öltanks

Abstände bei Aufstellung für Bestandsanlagen Um eine visuelle Untersuchung auf Undichtheiten zu ermöglichen, sind die Abstandsmaße entsprechend den Herstellervorgaben aus der Zulassung einzuhalten. Abstandsregelung für vor dem 01.03.2015 eingebaute Öltanks Für vor März 2015 eingebaute oberirdische Batterietanksysteme gelten folgende Mindestabstandsregelungen:2) – Zwischen Öltank und Fußboden: Batteriebehälter aus Stahl: 10 cm Kunststoffbehälter: 0 cm – Zwischen Öltank und Decke: Bei einreihiger Aufstellung: 25 cm Bei mehrreihiger Aufstellung: 60 cm – Zwischen Öltank und Wänden: 40 cm für zwei aneinandergrenzende, zugängliche Seiten; an den übrigen Seiten und untereinander muss der Abstand mindestens 5 cm betragen.

1) 2)

Dies ist z. B. erfüllt, wenn die Klassifikationen und Anforderungen der DIN EN 124:2015-09 „Aufsätze und Abdeckungen für Verkehrsflächen“ erfüllt sind. In den Bauartzulassungen können abweichende Abstände festgelegt sein.

2.4.2 Brennstofflagerung

1145

Entsprechend der Zulassung können doppelwandige Batterietankanlagen (max. 5 in einer Reihe) abweichend für drei aneinandergrenzende Seiten mit 5 cm und an einer Seite mit 40 cm Mindestabständen zwischen Behälter und Wänden aufgestellt werden. Einwandige Öltanks aus Stahl nach DIN 6625 in einer Auffangwanne – Zwischen Öltank und Fußboden: 10 cm – Zwischen Öltank und Decke: bei einer Nennweite der Einstiegsöffnung von 60 cm sind mindestens 50 cm zur Decke einzuhalten bzw. bei Einstiegsöffnung mit einer Stutzenhöhe von maximal 25 cm reicht eine Nennweite der Einstiegsöffnung von mindestens 50 cm aus. Hier sind mindestens 60 cm zur Decke freizuhalten. – Zwischen Öltank und Wänden: 40 cm für zwei aneinandergrenzende, zugängliche Seiten; an den übrigen Seiten muss der Abstand mindestens 25 cm betragen Doppelwandige Öltanks aus Stahl nach DIN 6625 mit Innenhülle – Zwischen Öltank und Fußboden: 10 cm – Zwischen Öltank und Decke: bei einer Nennweite der Einstiegsöffnung von 60 cm sind mindestens 50 cm zur Decke einzuhalten bzw. bei Einstiegsöffnung mit einer Stutzenhöhe von maximal 25 cm reicht eine Nennweite der Einstiegsöffnung von mindestens 50 cm aus. Hier sind mindestens 60 cm zur Decke freizuhalten. – Zwischen Öltanks und Wänden: 40 cm für zwei aneinandergrenzende, zugängliche Seiten; an den übrigen Seiten muss der Abstand mindestens 10 cm betragen. Werden die Abstände zu Wand und Boden nicht eingehalten, so dass Undichtheiten nicht zuverlässig und schnell erkannt werden können, so ist die Tankanlage einer unterirdischen Anlage gleichzustellen1), d. h. die Tankanlage ist doppelwandig mit Leckanzeigegerät (optischer und akustischer Alarm) auszuführen und wiederkehrend durch einen Sachverständigen zu überprüfen. Abstände bei Aufstellung für Neuanlagen Abstandsregelung für nach dem 01.03.2015 eingebaute Öltanks Für Öltanks, die ab März 2015 eingebaut wurden und werden gelten die Anforderungen der TRwS 791-1. Diese berücksichtigen folgende 3 Merkmale einer Tankanlage zur Einstufung in 11 Systeme: – Die Art der Leck- und Leckageerkennung – Die Art der Rückhaltung/Rückhalteeinrichtung – Die Art der Sicherheitseinrichtung gegen Überfüllen.

1)

Sollten in der Praxis die erforderlichen Abstände jedoch nur geringfügig unterschritten werden und eine Beurteilung der Auffangwanne und des Öltanks nicht wesentlich beeinträchtigen, so ist dies als Mangel festzustellen, führt aber nicht zur Einstufung als unterirdische Anlage.

2

1146

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Tafel 2.4.2-1 System

1

2

Einteilung der Systeme zur Abstandsregelung

Sicherheitseinrichtung gegen Überfüllen

Art der Rückhalteeinrichtung

Art der Leck- bzw. Leckageerkennung und ggf. Alarmierung

1 Tank mit Grenzwertgeber, die weiteren Tanks mit je einem Fü ? llstandsbegrenzer

doppelwandig

Leckanzeigegerät, automatisch (3.4.10)

integrierte Rückhalteeinrichtung

Leckageerkennungssystem, automatisch (3.4.11)

3

Leckageerkennungssystem, mechanisch, visuell (3.4.11)

4

transluzent (durchscheinend), visuell

5

6

7

1 Tank mit Grenzwertgeber

vor Ort gefertigte Rückhalteeinrichtung

visuell

doppelwandig

Leckanzeigegerät, automatisch

integrierte Rückhalteeinrichtung

Leckageerkennungssystem, automatisch

8

Leckageerkennungssystem, mechanisch, visuel

9

transluzent (durchscheinend), visuell

10

werksgefertigte, nicht integrierte Rückhalteeinrichtung

11

vor Ort gefertigte Rückhalteeinrichtung

visuell

2.4.2 Brennstofflagerung

1147

Diese 11 Systeme werden in 5 Gruppen zusammengefasst, zu denen die einzuhaltenden Abstände zugeordnet werden: Tafel 2.4.2-2 Gruppe

a)

b)

c) d)

Einteilung der Gruppen zur Abstandsregelung

System

Einzeltank

1-reihig

2-reihig a)

3-reihig a

I

1

KA + SE

KA + SE

KA + SE

KA + SE

II

2

G1

G1 oder S b)

G1 + S + D20 oder G2

G1 c) + S + D50 oder G1 + S b + D20 oder G2 + S

III

3 4 5 6 7

G1, Ausnahme: System 6 wie Gruppe I

G1

G1 d) + S + D50 oder G2

G1 cd + S + D20 oder G2 + S

IV

8 9 10

G1

G1

G2 + D50

G + D50

V

5 11

G4

G4 + D20

G4 + D50

G4 + D50 + G

Einzelne Öltanks einer Reihe am Gang können weggelassen werden. Wird vor einer 1-reihigen Aufstellung mehrerer Batterietanks ein einzelner Batterietank aufgestellt, wird dieser einzelne Batterietank bei der Zuordnung der HVA zu einer 1- oder 2-reihigen Aufstellung nicht berücksichtigt, da die von dem einzelnen Tank verdeckten Tanks trotzdem gut erreichbar im Sinne der AwSV sind. Dies gilt grundsätzlich auch dann, wenn anstelle eines einzelnen Batterietanks mehrere Batterietanks im rechten Winkel zu der anderen Reihe Batterietanks aufgestellt werden und beide Reihen jeweils mit einem Gang erreichbar sind. Es muss durch geeignete an den Öltanks vorhandene Hilfsmittel (z. B. durch eine Zwangsführung des Sensors) sichergestellt werden, dass der Sensor aus dem Öltank bzw. der Rückhalteeinrichtung entnommen und wieder eingeführt werden kann, ohne dass ein Öltank oder ein Gerüst bestiegen werden muss. Nur bei zwei- und einreihiger Aufstellung. Bei System 4 ist für eine ausreichende Beleuchtung der Räume zwischen den Öltanks zu sorgen.

Dabei bedeuten die Symbole in der Tabelle:

2

1148

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Tafel 2.4.2-3

Symbole für die Abstandsregelung

Zeichen

Anforderungen

G

Jeder Öltank muss von mindestens einer Seite von einem 40 cm breiten Gang aus erreichbar sein.

G1

Ein 40 cm breiter Gang an einer Längsseite, je 5 cm an den anderen Seiten

G2

2 je 40 cm breite, zugängliche Gänge an beiden Längsseiten und je 5 cm an den anderen Seiten (die schraffierte Fläche in der grafischen Darstellung ergibt sich aus Gründen der Zugänglichkeit)

G4

4 je 40 cm breite Gänge um den Öltank bzw. das Batterietanksystem

D20

Abstand Decke–Tankscheitel: ≥ 20 cm, wenn durch geeignete Hilfsmittel (z. B. durch eine Zwangsführung des Sensors) sichergestellt ist, dass der Sensor aus dem Tank bzw. der Rückhalteeinrichtung entnommen und wieder eingeführt werden kann, ohne dass ein Tank oder ein Gerüst bestiegen werden muss

D50

Abstand Decke–Tankscheitel: ≥ 50 cm

S

Sicherheitseinrichtungen (mechanische oder elektronische Leckageerkennungssysteme, Grenzwertgeber und Einrichtungen zur Vermeidung von Überfüllungen) müssen für die Kontrolle/Prüfbarkeit auf Funktionsfähigkeit erreichbar sein (Abstand vom Gang: ≤ 1,25 m; größere Abstände sind zulässig, wenn die durch Personen zu erwartenden Lasten durch den Öltank oder eine Stützkonstruktion getragen werden und die Sicherheitseinrichtungen nicht auf andere Art und Weise kontrollierbar/prüfbar sind).

SE

Sicherheitseinrichtungen (Leckanzeigegerät, Grenzwertgeber und Einrichtungen zur Vermeidung von Überfüllungen) müssen für die Kontrolle/ Prüfbarkeit auf Funktionsfähigkeit erreichbar sein; Abstände werden nicht festgelegt.

KA

keine Anforderungen an die Abstände über die montagebedingten Abstände hinaus

Eine ausführliche Darstellung der Abstandregelungen der TRwS 791-1 mit Beispielanwendungen finden Sie im Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“. 2.4.2-1.1.3

Ausrüstung der Öltanks

2.4.2-1.1.3.1

Fülleinrichtungen

An Anlagen mit einem Lagervolumen bis 1000 Liter werden keine Anforderungen an die Fülleinrichtung gestellt. Sie dürfen aus Straßentankfahrzeugen oder Aufsetztanks im Vollschlauchsystem mit einem selbsttätig schließenden Zapfventil und Füllraten unter 200 l/min im freien Auslauf befüllt werden. Für Anlagen mit einem Lagervolumen größer 1000 Liter gelten folgende Anforderungen: – Öltanks müssen mit Einrichtungen versehen sein, die den sicheren Anschluss einer fest verlegten Rohrleitung ermöglichen. – Die Fülleinrichtung umfasst Bauteile, Komponenten und Armaturen, mit denen die Befüllung des Öltanks mit Heizöl sichergestellt wird. Diese müssen ausreichend fest,

2.4.2 Brennstofflagerung

– – – – – –

formbeständig, gegen Öldämpfe und Alterung beständig sein und für den Einsatz geeignet und zugelassen sein. Die Füllleitung muss mit stetigem Gefälle zum Öltank verlegt werden. Wenn dies nicht möglich ist, muss sichergestellt werden, dass nach der Befüllung kein Heizöl im Füllleitungssystem verbleibt. Dazu ist ggf. eine entsprechende Armatur einzusetzen. Die Füllleitung muss spannungsfrei verlegt werden. Wenn Setzungen des Öltanks (z. B. Kunststofftanks) zu erwarten sind, sind geeignete Vorrichtungen (Entlastungsbögen, Kompensatoren) zur Entlastung vorzusehen. Die Auslauföffnung der Füllleitung ist im unteren Drittel des Öltanks anzuordnen, um das Aufschäumen beim Füllvorgang zu reduzieren. Bei Öltanks, die von unten befüllt werden (nur noch bei Bestandsanlagen), muss sich der Füllstutzen mindestens 300 mm über der Oberkante des Öltanks befinden. Wenn sich der Füllstutzen einer Öllageranlage außerhalb des Gebäudes befindet, muss er gut zugänglich und zur Überwachung des Befüllvorgangs beobachtbar sein. Der Füllstutzen ist mit Anschlüssen bevorzugt als Bajonettverschluss für den Abfüllschlauch und mit einer Verschlusskappe auszurüsten.

2.4.2-1.1.3.2

Lüftungseinrichtung

Jeder Öltank muss mit einer Be- und Entlüftungseinrichtung versehen sein, die das Entstehen von Über- und Unterdrücken im Öltank verhindert. Bei standortgefertigten Öltanks muss zusätzlich eine Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung einen unzulässigen Überdruck im Öltank sicher verhindern (z. B. Berstscheibe oder federbelasteter Deckel an der Einstiegsöffnung bzw. eine entsprechend ausgelegte Gummidichtung für den Mannlochdeckel bei standortgefertigten GFK-Öltanks). Bei Öllageranlagen mit einem Gesamtvolumen größer 1000 Liter1) ist die Be- und Entlüftung über eine fest verlegte Lüftungsleitung ins Freie sicherzustellen. Für die Lüftungsleitung und deren Öffnung gilt folgendes: – Sie muss bei den zu erwartenden Beanspruchungen ausreichend fest, formbeständig und gegen Dämpfe des Lagergutes beständig bleiben. Sie muss ferner im erforderlichen Maße alterungsbeständig und für den Einsatz geeignet sein. – Sie darf nicht in geschlossenen Räumen und nicht in Domschächten münden. – Sie muss gegen das Eindringen von Regenwasser geschützt sein. – Sie ist in der Nähe des Füllstutzens anzuordnen. – Sie darf nicht über Dachflächen münden. – Bei Öltanks unter Erdgleiche (z.B. unterirdischen Öltanks und Öltanks in Kellern) muss sie mindestens 500 mm über Erdgleiche münden und mindestens auf gleicher Höhe wie der zugehörige Füllstutzen sein. – Querschnittsverengungen, z. B. Siebe, sind unzulässig. – Die Öffnung muss so hoch über Erdgleiche münden, dass kein Schnee und kein Wasser eindringen können. – Sie dürfen nicht verschlossen werden und nicht absperrbar sein. – Mehrere Öltanks dürfen über eine gemeinsame Lüftungsleitung belüftet und entlüftet werden. – Die Lüftungsleitung ist mit stetem Gefälle zum Tank zu verlegen. Soweit die Installationsvorschriften des Herstellers nichts Anderes besagen, ist die Lüftungsleitung bei werksgefertigten Öltanks in der Mindestnennweite DN 40 und bei standortgefertigten Öltanks in der Mindestnennweite DN 50 auszuführen. Die Anschlussnennweite der Entlüftungsleitung von Batterietankanlagen ist zu berücksichtigen.

1)

1149

Zukünftig 1250 Liter, siehe Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“.

2

1150

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

2.4.2-1.1.3.3

Entnahmeeinrichtungen

Die Entnahmeeinrichtung eines Öltanks umfasst Bauteile, Komponenten und Armaturen, mit denen die Heizölentnahme aus dem Öltank sichergestellt wird. Bei werksgefertigten Öltanks ist die vom Hersteller vorgeschriebene Entnahmeeinrichtung zu verwenden. Ölleitungsanschlüsse am Öltank für eine Entnahmeeinrichtung unterhalb des maximal zulässigen Flüssigkeitsstandes sind unzulässig. Der Mindestabstand zwischen Saugöffnung der Entnahmeeinrichtung und Boden des Öltanks soll 50 bis 100 mm betragen. Bei Fußventilen mit Abstandshalter darf der Abstandshalterstift bzw. -käfig den Öltankboden nicht mechanisch beschädigen und dort keine Kontaktkorrosion verursachen. Ein Rückflussverhinderer (Fußventil) ist ein richtungsgebundenes Ventil. Es verhindert das Abfallen der Ölsäule bei Brennerstillstand. Ob und an welcher Stelle ein Rückflussverhinderer erforderlich ist, geht aus den Hersteller- bzw. Montageangaben hervor. Soweit bei Öltanks Fußventile als Rückflussverhinderer in der Zulassung vorgeschrieben sind, dürfen diese nicht entfernt werden. Schwimmende Entnahmeeinrichtungen können die Betriebssicherheit erhöhen. Schwimmende Entnahmeeinrichtungen dürfen nicht verwendet werden bei Erdtankanlagen und sind nicht zu verwenden bei Öltanks mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung, soweit eine schwimmende Entnahmeeinrichtung nicht Gegenstand der Zulassung ist. Bei standortgefertigten Stahltanks mit Aussteifungen sind schwimmende Entnahmeeinrichtungen nur als so genannte geführte Entnahme zu verwenden, um ein ggf. mögliches Verhaken der Entnahme an den Aussteifungen zu vermeiden. 2.4.2-1.1.3.4

Füllstandsanzeiger

Jeder Öltank, bei Batterietanksystemen jeder einzelne Batterietank, ist mit einem Füllstandsanzeiger zu versehen. Ausgenommen sind durchscheinende oberirdische Öltanks aus Kunststoff. Der maximal zulässige Füllstand muss auf dem Anzeiger oder dem Öltank gekennzeichnet sein. Als Füllstandsanzeiger sind Peilstäbe, mechanische, pneumatische oder elektronische Messgeräte zulässig. 2.4.2-1.1.3.5

Überfüllsicherung/Grenzwertgeber

Bei Öltanks mit einem gemeinsamen Rauminhalt von mehr als 1000 Liter ist ein Grenzwertgeber vorgeschrieben. Der Grenzwertgeber bildet in Verbindung mit der Abfüllsicherung des Tankwagens bei der Befüllung der Behälter die gesetzlich vorgeschriebene Überfüllsicherung. Der Grenzwertgeber funktioniert nach dem Prinzip eines temperaturabhängigen, elektrischen Widerstands (Kaltleiter). Wichtiger Tipp: Der Kaltleiter ist von einer Schutzhülse umgeben. Bei Grenzwertgebern alter Bauart (vor 1984) war diese Hülse mit Bohrungen versehen, damit das Heizöl in die Hülse gelangen konnte. Da diese Bohrungen sich zusetzen können und ein sicheres Ansprechen des Grenzwertgebers dann nicht mehr gewährleistet ist, werden Grenzwertgeber heute nur noch mit einer funktionssicheren, geschlitzten Schutzhülse angeboten. Grenzwertgeber alter Bauart sollten zur Vermeidung von Überfüllschäden möglichst vor der nächsten Heizöllieferung durch einen Fachbetrieb gegen einen Grenzwertgeber mit geschlitzter Hülse ausgetauscht werden. Es empfiehlt sich, den Grenzwertgeber regelmäßig, zumindest aber im Rahmen einer Tankinspektion bzw. Tankreinigung, auf seinen Zustand und seine Funktion überprüfen zu lassen. Der Anschluss des Grenzwertgebers ist dem zugehörigen Füllstutzen der Tankanlage eindeutig zuzuordnen. Bei Tankanlagen, die von oben befüllt werden, befindet sich der Grenzwertgeber in Füllrichtung gesehen auf dem ersten Öltank. Bei Tankanlagen älterer Bauart, die von unten befüllt werden, befindet sich der Grenzwertgeber in Füllrichtung gesehen auf dem letzten Öltank.

1151

Kontrollmaß Y

Kontrollmaß Y

Kerbe als Markierung

Einstellmaß X

Sondenrohr

Einstellmaß X

Sondenlänge Z

Sondenlänge in mm dauerhaft eingeprägt

Kaltleiter

für Tank nach DIN 6608

für Tank nach DIN 6625

Batterietank

Sondenlänge Z

700

480

305

2.4.2 Brennstofflagerung

Grafik: IWO

Bild 2.4.2-8. Grenzwertgeber, Kontrollmaß y und Einstellmaß x gemäß Zulassung bzw. Einbauanleitung.

Bei Öltanks ist durch den Grenzwertgeber der maximal zulässige Füllungsgrad einzustellen. Der zulässige Füllungsgrad beträgt für oberirdische und unterirdische Öltanks (die weniger als 0,3 m unter Erdgleiche liegen) 95 % des Fassungsvermögens. Bei unterirdischen Öltanks mit einer Erddeckung von mindestens 0,3 m beträgt der zulässige Füllungsgrad 97 % des Fassungsvermögens. Einzeln benutzte oberirdische Behälter mit einem Rauminhalt von nicht mehr als 1000 Litern1) dürfen mit einem selbsttätig schließenden Zapfventil befüllt werden und benötigen deshalb keinen Grenzwertgeber. 2.4.2-1.1.3.6

Leckanzeigegerät

Doppelwandige unterirdische Öltanks sind generell mit einem Leckanzeigegerät auszurüsten. Bei oberirdischen doppelwandigen Öltanks werden Leckanzeigegeräte oder Lecksichtgeräte zur Überwachung eingesetzt. Ein Leckanzeigegerät ist ggf. Bestandteil der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung des Öltanks. Leckanzeigegeräte müssen jedes Leck optisch und akustisch anzeigen. Der optische Alarm muss durch einen Leuchtmelder deutlich angezeigt werden. Er darf nicht abschaltbar sein. Der akustische Alarmgeber muss für Dauerbetrieb geeignet und bei Alarm abschaltbar sein. Hierzu verwendete Schalter müssen in der „Ein“-Stellung plombierbar sein. Als Überwachungsmedien in Leckanzeigegeräten dienen Flüssigkeiten sowie Luft oder inerte Gase in Unter- oder Überdrucksystemen. Für unterirdische Öltanks sind nur Unter- oder Überdrucksysteme zulässig. Im Sinne des Bestandsschutzes bleiben die bislang eingebauten Leckanzeigegeräte auf Flüssigkeitsbasis bis auf weiteres zulässig. 2.4.2-1.1.3.7

Leckageerkennungssystem

Soweit bei oberirdischen werksgefertigten Öltanks mit integrierter Rückhalteeinrichtung die äußere Hülle nicht durchscheinend ist, werden diese mindestens mit einem Leckageerkennungssystem ausgerüstet. Die herstellerseitigen Leckageerkennungssysteme sind Bestandteil der Zulassung des jeweiligen Öltanks. Als Überwachungsraum dient hier die integrierte Rückhalteeinrichtung des Öltanks. Das Austreten von Heizöl in den Überwachungsraum wird durch eine Kontrolleinrichtung sichtbar. So wird ein Defekt der Wandung des Öltanks zuverlässig und schnell erkannt.

1)

Zukünftig 1250 Liter, siehe Fachbuch „Technische Regeln Ölanlagen“.

2

1152

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Beschädigungen der Rückhalteeinrichtung werden durch regelmäßige Sichtkontrollen des Anlagenbetreibers erkannt. 2.4.2-1.1.3.8

Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung

Bei standortgefertigten Öltanks, z. B. Stahltanks nach DIN 6625 oder standortgefertigten GFK-Tanks, muss ein Überdruck im Öltank sicher verhindert werden. Hierzu ist eine Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung einzubauen. Als technische Maßnahme hierfür werden eingesetzt: Berstsicherungen in Form von federbelasteten Schrauben oder einer Gummilippe am Domdeckel oder spezielle Berstsicherungen/Berstscheiben. Bei werksgefertigten Öltanks aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ist eine zugelassene Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung erforderlich.

2.4.2-1.2 2.4.2-1.2.1

Ölleitungen Allgemeines

Die Ölleitungen sind sämtliche ölführende Rohrleitungen ab der Entnahmeeinrichtung des Öltanks bis zur Absperreinrichtung vor dem Ölgerät einschließlich aller Bauteile, Armaturen, Schlauchleitungen, Formstücke und Dichtmittel. Arbeiten an Ölleitungen unterliegen, abhängig vom Lagervolumen der Öllageranlage, der Fachbetriebspflicht. Die verwendeten Rohrleitungen und das Zubehör müssen so beschaffen und eingebaut sein, dass sie den im Betrieb auftretenden mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen standhalten. Außerdem müssen sie im erforderlichen Maße alterungsbeständig und für den Einsatz geeignet und zugelassen sein. Weiterhin müssen Ölleitungen so beschaffen sein, dass Heizöl aus ihnen nicht auslaufen kann. Sie sind so anzuordnen, dass sie gegen unbeabsichtigte Beschädigung gesichert sind. Weiterhin dürfen Ölleitungen verwendet werden, wenn sie eine entsprechende Zulassung besitzen. 2.4.2-1.2.2

Bauarten

2.4.2-1.2.2.1

Einstrangsystem

Die Ölversorgung ist grundsätzlich im Einstrangsystem zu errichten. Beim Einstrangsystem wird über eine Rohrleitung Heizöl aus dem Öltank dem Ölgerät zugeführt und kein Heizöl zum Öltank zurückgeführt. Zur Entlüftung der Ölleitungen empfiehlt sich die Installation eines Heizölentlüfters. 2.4.2-1.2.2.2

Zweistrangsystem (nur im Bestand)

Beim Zweistrangsystem wird Heizöl aus dem Öltank über eine Rohrleitung (Vorlauf) dem Ölgerät zugeführt und über eine zweite Rohrleitung (Rücklauf) nicht verbrauchtes Heizöl vom Ölgerät in den Öltank im freien Auslauf zurückgeführt. Absperreinrichtungen in Rücklaufleitungen sind unzulässig, mit Ausnahme von Überströmventilen beim Betrieb mit Ölförderaggregaten. Der Rücklauf muss so in den Öltank münden, dass eine Verwirbelung des Heizöls im Öltank vermieden wird, indem das zurückgeführte Heizöl an der Tankwandung oder an der Entnahmeleitung zurückläuft. Die Rücklaufleitung muss oberhalb des maximal möglichen Füllstandes im Öltank enden oder so ausgebildet sein, dass eine Heberwirkung sicher ausgeschlossen ist. Falls eine Rücklaufleitung undicht wird, muss dies sicher erkannt werden. Unterirdische Rücklaufleitungen sind daher in einem flüssigkeitsdichten Schutzrohr oder Kanal zu installieren, austretendes Heizöl muss in einer Kontrolleinrichtung sichtbar oder von einem Leckageerkennungssystem angezeigt werden. 2.4.2-1.2.3

Betriebsweise

Die Ölversorgung der Ölgeräte mit Heizöl kann durch Unter- und/oder Überdruck erfolgen. Saugleitung-Unterdruck Das Öl fließt durch Unterdruck dem Ölgerät zu. Der Unterdruck wird saugseitig durch die Ölbrennerpumpe und/oder eine Ölförderpumpe in einem Ölförderaggregat erzeugt. Man spricht von einer Saugleitung.

2.4.2 Brennstofflagerung

1153

Druckleitung-Überdruck Das Öl fließt durch Überdruck dem Ölgerät zu. Die Druckerhöhung und Druckhaltung erfolgt mittels eines Ölförderaggregats. Mit Überdruck betriebene Ölleitungen müssen durch geeignete Vorrichtungen gegen unzulässige Drücke gesichert sein. Der bestimmungsgemäße Betriebsdruck angeschlossener Ölgeräte darf nicht überschritten werden (z. B. durch Öldruckminderer). Die Anforderungen an Druckleitungen, insbesondere bezüglich der Rückhalteeinrichtung, sind deutlich höher, als bei Saugleitungen. 2.4.2-1.2.4

Oberirdische Ölleitungen

Frei verlegte Ölleitungen in begehbaren unterirdischen Räumen (Keller) sind oberirdisch. Oberirdisch sind auch Rohrleitungen, die in einem begehbaren unterirdischen Schutzrohr oder Schutzkanal verlegt oder in einem nicht begehbaren Schutzrohr oder Schutzkanal leicht einsehbar sind. Soweit Ölleitungen in Bauteilen eingebettet sind, die nicht unmittelbar mit dem Erdreich in Berührung stehen und eine Leckage sicher erkannt werden kann, sind diese oberirdischen Ölleitungen gleichgestellt. Oberirdische Ölleitungen dürfen auch unter Putz verlegt werden. Oberirdische Ölleitungen müssen fest verlegt werden, gefährliche Lageänderungen dürfen nicht eintreten. Sie dürfen nicht an anderen Leitungen befestigt werden und dürfen nicht als Träger für andere Leitungen oder Lasten dienen. Ein Durchhängen muss vermieden werden. Oberirdische Ölleitungen sind in Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit ihrer Rohrverbindungen mittels Rohrhalterungen (z. B. Rohrschellen) an Bauteilen mit ausreichender baulicher Festigkeit mittels handelsüblicher Befestigungsmittel zu befestigen. Eine galvanische Elementbildung zwischen Rohrleitung und Befestigungsmittel (blankes Kupferrohr – Stahlschelle) ist unzulässig, ggf. sind isolierte Rohrschellen zu verwenden. 2.4.2-1.2.5

Unterirdische Ölleitungen

Unterirdische Ölleitungen sind nur zulässig, wenn sie einer der folgenden Anforderungen entsprechen: – Ausbildung als selbstsichernde Saugleitung: Die Ölleitung ist als Saugleitung ausgebildet (Einstrangsystem), in der die Flüssigkeitssäule bei Undichtheit abreißt. Die Saugleitung muss mit stetigem Gefälle zum Öltank verlegt sein und die Ölleitung darf, außer am Ölgerät, kein Rückschlagventil haben. Fußventile sind unzulässig. – Verlegung im flüssigkeitsdichten Schutzrohr oder Kanal: Die Ölleitung ist mit einem flüssigkeitsdichten Schutzrohr versehen oder in einem flüssigkeitsdichten Kanal verlegt, wobei austretendes Heizöl in einer Kontrolleinrichtung sichtbar (stetiges Gefälle zur Kontrolleinrichtung) oder von einem Leckageerkennungssystem angezeigt wird. Die Schutzrohre für Rohrleitungen müssen formstabil, flüssigkeitsdicht und gegen Korrosion beständig oder geschützt sein. Geeignet sind z. B. Kunststoffrohre PE-hart und PVC-hart, hierbei sind entsprechend ölbeständige Dichtungen zu verwenden. – Doppelwandige Ölleitung: Die Ölleitung ist doppelwandig ausgeführt. Undichtheiten der Rohrwände werden durch ein Leckanzeigegerät selbsttätig angezeigt. Dabei dient der Zwischenraum zwischen äußerem und innerem Rohr als entsprechender Überwachungsraum. Bei unterirdischen Ölleitungen sind, außer in Kontrollschächten, lösbare Rohrverbindungen unzulässig. Unterirdische Ölleitungen müssen so verlegt sein, dass: – sie gegen mögliche Beschädigungen geschützt sind. Dies gilt für unterirdische Ölleitungen z. B. als erfüllt, wenn sie durch Abdecksteine oder eine feste Fahrbahn geschützt oder unter mindestens 800 mm Erddeckung verlegt sind. – der Korrosionsschutz nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt in der Regel als erfüllt, wenn für die Vorbereitung der Sohle und zum Verfüllen der Rohrgräben oder -kanäle Sand (Korngröße ≤ 2 mm) oder andere Baustoffe verwendet werden, die frei von scharfkantigen Gegenständen, Steinen, Asche, Schlacke und anderen bodenfremden und aggressiven Stoffen sind. – sie in Rohrgräben oder -kanälen gleichmäßig aufliegen. – ein Abstand von mindestens 1 m zu öffentlichen Versorgungsleitungen vorhanden oder die Sicherheit auf andere Weise sichergestellt ist. Zu den öffentlichen Versorgungsleitungen gehören insbesondere Gas-, Wasser- und Abwasserleitungen, elektrische Leitungen und Leitungen von Fernmeldeanlagen.

2

1154

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Auf die Einhaltung des Mindestabstandes kann mit Einverständnis der zuständigen Stellen verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, dass durch geeignete Maßnahmen eine Gefährdung der Leitungen ausgeschlossen ist.

selbstsichernder unterirdischer Abschnitt Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern oberirdischer Abschnitt

Grafik: IWO

Bild 2.4.2-9. Ölleitung in 2 Abschnitten – unterirdischer Ölleitungsteil (selbstsichernd) und oberirdischer Ölleitungsteil mit Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern.

2.4.2-1.2.6

Bauteile der Ölleitung

2.4.2-1.2.6.1

Rohrverbindungen

Eine umfängliche Darstellung der zugelassenen Verbindungstechniken findet sich im Fachbuch "Technische Regeln Ölanlagen – TRÖl 2.0". Verbindungsstellen zwischen einzelnen Rohren werden als Schweiß-, Hartlöt- oder Pressverbindungen (unlösbare Verbindungen) bzw. als Flansch-, Schraub- oder Schraubmuffenverbindungen oder als Schneidringverschraubungen (lösbare Verbindungen) ausgeführt. Saugleitungen dürfen auch weichgelötet werden. Tafel 2.4.2-4

Zulässige Verbindungsarten.

unlösbar

lösbar

Zulässige Verbindungen für ölführende Leitungen

oberirdisch

unterirdisch

Bemerkung

Schneidringverschraubung

×

–

bis DN 32

Schraubverbindung

×

–

bis DN 32

Flanschverbindung

×

–

Hartlöten

×

×

Weichlöten

×

–

nur Saugleitungen bis DN 32

Schweißen

×

×

geprüfter Schweißer

Pressen

×

×

bis DN 50 sind für die Herstellung von Pressverbindungen nur Pressfittings mit speziellem Dichtelement entsprechend bauaufsichtlichem Verwendbarkeitsnachweis einzusetzen

bis DN 32 bei Kupferrohren nach DIN EN 1057, DIN EN 12449 und DVGW-Arbeitsblatt GW 392; bis DN 15 bei Präzisionsstahlrohren nach DIN EN 10305-1, -2, -4

2.4.2 Brennstofflagerung

1155

Die Verwendung von so genannten Quetschverschraubungen1) ist nicht zulässig. Steckmuffenverbindungen mit Dichtung und Sicherungsschellen dürfen nur für Füll- und Lüftungsleitungen verwendet werden. Flansch- und Schraubverbindungen sowie Schneidringverschraubungen müssen in für Kontrollen gut zugänglichen Bereichen angeordnet sein und sind in unterirdischen Abschnitten von Ölleitungen, außer in Kontrollschächten, nicht zulässig. 2.4.2-1.2.6.2

Absperreinrichtung

Ab einer bestimmten Gesamtnennwärmeleistung, festgelegt in der jeweiligen LänderFeuerungsverordnung2) müssen Brenner und Brennstofffördereinrichtungen durch einen außerhalb des Aufstellraumes angeordneten elektrischen Notschalter abgeschaltet werden können, wenn sich Ölgerät und Heizöllagerung im selben Raum befinden. Ist der Raum für die Heizöllagerung nur vom Aufstellraum zugänglich, muss die Heizölzufuhr von der Stelle des Notschalters aus durch eine entsprechend gekennzeichnete Absperreinrichtung unterbrochen werden können. Eine Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern ist in diesem Fall eine gleichwertige Absperreinrichtung. Weiterhin müssen Absperreinrichtungen in Ölleitungen vorhanden sein: – vor Ölfiltern bzw. unmittelbar vor jeder Verbrauchseinrichtung, – vor jedem Öldruckminderer, – zwischen einer festen Saugleitung und einer flexiblen Ölleitung, – am Ausgang eines Förderaggregates. In Rücklaufleitungen darf keine Absperreinrichtung eingebaut sein. Eine mögliche doppelseitige Verblockung (zwei Absperreinrichtungen) der Rohrleitung ohne Druckentlastung ist unzulässig. 2.4.2-1.2.6.3

Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern

Eine Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern ist erforderlich, wenn der maximal zulässige Füllstand im Öltank oberhalb des tiefsten Punktes einer Saugleitung oder Ölversorgungsleitung eines Ölförderaggregats liegt. Die Sicherheitseinrichtung wird oberhalb des maximalen Füllstandes des Heizöls im Tank und bevor die Ölleitung erstmalig unter dieses Niveau geführt wird gemäß den Herstellerangaben eingebaut. Sicherheitseinrichtungen gegen Aushebern dürfen nicht in Rücklaufleitungen eingebaut werden. Die Sicherheitseinrichtungen gegen Aushebern können nach verschiedenen Funktionsprinzipien ausgeführt werden. Mechanische Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern (membrangesteuertes oder kolbengesteuertes Antiheberventil) Eine mechanische Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern arbeitet mechanisch mit Federkraft und öffnet bei einem einstellbaren Mindestunterdruck (der maximale Unterdruck in der Saugleitung sollte 0,4 bar nicht übersteigen). Mit dem Abschalten des Brenners schließt das Ventil und verhindert so ein Aushebern des Tankinhalts. Elektromagnetische Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern (Elektromagnetisches Antiheberventil) Ein elektromagnetisches Antiheberventil öffnet, indem der Kolben/Anker durch das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule angezogen wird. Das elektromagnetische Antiheberventil wird der Brennersteuerung elektrisch vorgeschaltet. Mit dem Abschalten des Brenners schließt das Magnetventil und verhindert so ein Aushebern des Tankinhalts.

1)

2)

Quetschverschraubungen sind nur bei bauartzugelassenen Batterietanksystemen für die Montage der Entnahmeeinrichtungen zulässig, wenn diese im Lieferumfang des Herstellers enthalten sind und nach Montageanweisung installiert werden. Nach Muster-Feuerungsverordnung 100 kW, abweichend davon in einigen Länder-Feuerungsverordnungen 50 kW.

2

1156

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

möglicher Einbauort zwischen den Punkten A und B

0

0

A B max. Füllbestand

Ölgerät

Einbau oberhalb des maximal möglichen Füllbestands des Heizöls im Tank, bevor die Ölleitung erstmalig unter dieses Niveau geführt wird.

Grafik: IWO

Bild 2.4.2-10. Einbauort der Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern.

2.4.2-1.2.6.4

Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung

In die Ölleitung werden in Bereichen die beidseitig verschlossen werden können Druckausgleichseinrichtungen eingebaut um einen Druckanstieg im verblockten Bereich zu verhindern. Bei der Wahl aller Bauteile (z. B. Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern) in der Ölleitung ist zu prüfen, ob eine integrierte Druckentlastung vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, muss der Druckausgleich durch eine Druckausgleichseinrichtung sichergestellt werden. Druckausgleichseinrichtungen sind, soweit erforderlich, z. B. zwischen Bauteilen in folgenden Abschnitten der Ölleitung einzubauen: – zwischen Umschaltarmatur und Sicherheitsabsperrventil am Ölgerät – zwischen zwei Absperreinrichtungen – zwischen Absperreinrichtung der Entnahmeeinrichtung des Öltanks und Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern, wenn diese Bauteile keine integrierten Druckentlastung haben – zwischen Rückflussverhinderer der Entnahmeeinrichtung (z. B. Fußventil) und Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern ohne integrierte Druckentlastung in Richtung Kessel – zwischen Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern ohne integrierte Druckentlastung in Richtung Öltank und Absperreinrichtung vor dem Ölgerät. 2.4.2-1.2.6.5

Heizölfilter

Heizölfilter haben die Aufgabe, Bauteile vor Verschmutzung zu schützen und Störungen zu vermeiden. Ölfilter werden sowohl in Bauteilen integriert (z. B. in der Ölbrennerpumpe, in der Öldüse und in Förderaggregaten) oder als Vorfilter ausgeführt. Vor jedem Ölkessel ist ein Vorfilter in die Ölleitung eingebaut. Bei einigen Ölkesseln befindet er sich schon werkseitig montiert im Kesselgehäuse. Eingangsseitig vor dem Ölvorfilter muss eine Absperreinrichtung angeordnet sein, um Arbeiten am Ölfilter durchführen zu können. Ölvorfilter sind mittels Halterungen fest zu installieren.

2.4.2 Brennstofflagerung

1157

Die Auswahl und der Ersatz des Filtereinsatzes erfolgen nach Vorgabe des Herstellers des Ölkessels. Tafel 2.4.2-5

Filtereinsätze nach Filtermaterial und Filterfeinheit

Filtereinsätze nach Filterfeinheit

Papierfeinstfilter

Papierfilter

Wechselfilter

Sinterkunststoff

Filz

Sinterbronze

Metallgewebe

Filtereinsatz

Filterfeinheit in μm

Bemerkungen

Papierfeinstfilter

2

mit Polyester beschichteter Papierfilter, Einsatz bei sehr kleinen Brennerleistungen, nur in der Baugröße „lang“ erhältlich

Papierfilter

5 bis 20

sehr große Filterfläche, Verwendung bei kleinen und kleinsten Öldüsen

Wechselfilter

ca. 25

sehr große Filterfläche, lange Standzeit, keine Filtertasse

Sinterkunststoff

25 bis 40 50 bis 75

Standardfiltereinsatz bei Heizölverbraucheranlagen im Bereich privater Haushalte

Filz

50 bis 75

Einsatz nicht empfohlen, da sich Filzhaare lösen und zu Störungen an der Düse führen können

Sinterbronze

20 bis 25 25 bis 40 50 bis 100

kleine Filteroberfläche, kann bedingt gereinigt werden

Metallgewebe

100 bis 150

Einsatz bei Großbrennern, kann gereinigt werden

Ölvorfilter bestehen aus – einem Gehäuse, – einer abnehmbaren Filtertasse und einem auswechselbaren Filtereinsatz oder – einem Wechselfilter. Filtertassen sind aus Kunststoff oder in der druckfesten Version aus Metall. Für die Filterfeinheit gilt als grobe Faustregel: „Je größer die Brennerleistung, desto geringer die benötigte Filterfeinheit.“ Die Filterfeinheit bewegt sich im Bereich von 2 Mikrometern (Papierfeinstfilter) für sehr kleine Brenner bis 100 Mikrometer (Metallgewebe) für Großbrenner. Im Standardfall liegt die Filterfeinheit zwischen 20 und 75 Mikrometer. Materialien für Heizölfilter sind Papier, Sinterkunststoff (SiKu), Metallgewebe, Sinterbronze und Filz.

2

1158

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

2.4.2-1.2.6.6

Heizölentlüfter

Bei Saugleitungen kann es durch den anliegenden Unterdruck zu Ausgasungen aus dem Heizöl kommen. Bei der Installation der Ölleitung sind Lyra-Bögen zu vermeiden, um eine Ansammlung von Gasbläschen und einen eventuellen Abriss der Heizölsäule zu unterbinden. Um einen sicheren Betrieb der Ölheizung zu gewährleisten, sollte das Heizöl im Betrieb kontinuierlich entlüftet werden. Dies erfolgt durch den Einbau von Entlüftungseinrichtungen. Entlüftungseinrichtungen sind nur für den Einsatz im Einstrangsystem mit Rücklaufzuführung geeignet, denn eine Entlüftung des Heizöls kann nur in Abschnitten der Ölleitung ohne Unterdruck erfolgen. Heizölentlüfter werden direkt zwischen Vorfilter und Ölbrenner in die Ölleitung eingebaut. Eine sehr komfortable Alternative stellen die Kombinationen aus Heizölentlüfter und Vorfilter dar. 2.4.2-1.2.7

Montage und Verlegung

– Ölleitungen dürfen nicht in Aufzugsschächten, Lüftungsleitungen, Kohlenschütten und Müllabwurfanlagen verlegt, nicht durch Schornsteine geführt oder in Schornsteinwandungen eingelassen werden. – Ölleitungen und Bauteile sind vor Frost zu schützen. Die Ölleitungen sind entsprechend zu verlegen, zu dämmen und/oder zu beheizen. – Die verwendeten Bauteile sind für den maximalen Betriebsdruck auszulegen. Eine mögliche doppelseitige Verblockung (zwei Absperreinrichtungen) der Rohrleitung ohne Druckentlastung ist unzulässig. – Befindet sich der Leitungsverlauf der Saugleitung des Ölgeräts unterhalb des maximal zulässigen Füllstandes des Öltanks, so sind geeignete Sicherheitseinrichtungen (Antiheberventil) gegen ein Aushebern des Tankinhalts einzusetzen. – Feste Ölleitungen dürfen durch den Betrieb keinen Schwingungen ausgesetzt werden; in schwingungsgefährdeten Anlagen (z. B. Ölförderaggregat, Blockheizkraftwerk) ist die feste Ölleitung durch eine flexible Ölleitung mechanisch zu entkoppeln. – Beim Zusammenfügen von Ölleitungen dürfen die einzelnen Rohre nicht unzulässig beansprucht oder verformt werden. Dies gilt als erfüllt, wenn durch die Richtarbeiten, insbesondere durch das Biegen der Rohre, die Güteeigenschaften des Werkstoffes nicht beeinträchtigt und die einzelnen Rohre so zusammengefügt werden, dass Spannungen und Verformungen, die die Sicherheit der Rohrleitungen beeinträchtigen können, ausgeschlossen sind. – Bei der Verlegung von Ölleitungen sind auftretende temperaturbedingte Dehnungen zu berücksichtigen. 2.4.2-1.2.8

Druckprüfung der Ölleitung

Die Ölleitung ist auf einwandfreien Zustand und fachgerechte Installation zu prüfen und einer abschließenden Druckprüfung zu unterziehen: – vor der ersten Inbetriebnahme, – bei unterirdischen Ölleitungen vor Überdeckung, – nach Arbeiten an der Ölleitung, ausgenommen Ölfilterwechsel. Die Druckprüfung kann mit Luft, einem inerten Gas oder mit Heizöl erfolgen. Die Druckprüfung ist durchzuführen für Druckleitungen: – für das Prüfmedium Luft bzw. inertes Gas mit dem 1,1-fachen maximal zulässigen Betriebsdruck oder – für das Prüfmedium Heizöl mit dem 1,3-fachen maximal zulässigen Betriebsdruck – jedoch mindestens mit 5 bar. Die Druckprüfung ist durchzuführen für Saugleitungen: – für die Prüfmedien Luft, inertes Gas oder Heizöl mit 2 bar. Die Ölleitung gilt als dicht, wenn nach einer Wartezeit von 10 Minuten für den Temperaturausgleich der Prüfüberdruck während der anschließenden Prüfzeit von 10 Minuten (oberirdische Leitung) bzw. 30 Minuten (unterirdische Leitung) nicht fällt. Prüfbescheinigungen und Protokolle über die Druckprüfung sind dem Auftraggeber/Betreiber zu übergeben.

2.4.2 Brennstofflagerung

2.4.2-1.3

Betrieb und Instandhaltung

2.4.2-1.3.1

Pflichten des Betreibers

Für die Inbetriebnahme und soweit die Anlage wiederkehrend durch einen Sachverständigen zu überprüfen ist, sind diese Überprüfungen durch den Betreiber zu beauftragen. Der Betreiber hat – für Arbeiten an der Öllageranlage Fachbetriebe nach Wasserrecht zu beauftragen – das Merkblatt „Betriebs- und Verhaltensvorschriften“ gut sichtbar in der Nähe der Lageranlage aufzuhängen – die Anlage regelmäßig auf ihren ordnungsmäßigen Zustand zu kontrollieren – die vorgeschriebenen Prüfungen der Anlage durch einen Sachverständigen zu veranlassen – die bei Sachverständigenprüfungen festgestellten Mängel zu beseitigen – nach der Beseitigung eines erheblichen Mangels die Anlage erneut durch einen Sachverständigen prüfen zu lassen – den Austritt einer nicht nur unerheblichen Menge Heizöl der Behörde oder der Polizei zu melden – eine Anlagendokumentation zu führen und bei Aufforderung diese dem Sachverständigen, der Behörde oder dem beauftragten Fachbetrieb vorzulegen – dem Tankwagenfahrer bei der Befüllung der Tanks den Zugang für Kontrollgänge zu gewähren. Die Anlagendokumentation umfasst u. a. – Bauaufsichtliche Verwendbarkeitsnachweise für alle zugelassenen Bauteile mit unterschriebener Einbaubescheinigung – Nachweis der Fachbetriebseigenschaft des beauftragten Handwerksbetriebes – Bescheinigung über die Druck- und Dichtheitsprüfung – Übergabeprotokoll/Einweisung in die Anlage – Herstellerunterlagen/Bedienungsanleitungen sowie – alle Prüfberichte des Sachverständigen. Es empfiehlt sich, einen Wartungsvertrag abzuschließen und gegebenenfalls ein Wartungsbuch zu führen. 2.4.2-1.3.2

Hinweise zur Befüllung von Heizöltanks

Der Tankwagenfahrer muss vor der Befüllung die Freimenge bestimmen. Dabei ist bei Batterietanksystemen auf gleichmäßigen Füllstand aller Tanks zu achten. Nur eine Menge, die sicher in dem zu befüllenden Heizöltank Platz findet, darf am Tankwagen als Abgabemenge eingestellt werden. Heizöltank und eventuell vorhandene Auffangwanne sind auf Beschädigungen zu kontrollieren. Leckanzeigegeräte müssen in Betrieb sein. Heizöltanks bis zu 1000 Liter Volumen dürfen mit der Zapfpistole ohne festen Schlauchanschluss befüllt werden. Heizöltanks mit einem Gesamtlagervolumen größer 1000 Liter dürfen nur über einen festen Schlauchanschluss befüllt werden. Die Abfüllsicherung des Tankwagens muss mit dem Grenzwertgeber des Tanks verbunden sein. Der Befüllvorgang ist unter ständiger Kontrolle von Tank, Rückhalteeinrichtungen und Lüftungsleitung durchzuführen. Die Befüllung endet beim Erreichen der eingestellten Abgabemenge. Eine vorsätzliche Befüllung bis zum Ansprechen des Grenzwertgebers ist nicht erlaubt.

1159

2

1160

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Grafik: IWO

Bild 2.4.2-11. Überfüllsicherung = Tankwagenabfüllsicherung + Grenzwertgeber

2.4.2-2 KÖPFE

Lagerung von Flüssiggas Neubearbeitet von Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Jens Mischner, Erfurt, und Dr.-Ing. Olaf Schmidt, Brühl/Dresden

recknagel-online.de

2.4.2-2.1 2.4.2-2.1.1

Flüssiggase Zusammensetzung

Die sichere Lagerung und Bereitstellung des Gebrauchs-, d. h. des Endenergieträgers „Flüssiggas“ (FLG) setzt die Kenntnis seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften voraus. Hierzu ist es erforderlich, die Zusammensetzung des Flüssiggases zu kennen, um reglementierte anwendungstechnische Parameter einzuhalten, die für eine ordnungsgemäße und sichere Betriebsführung der Gasanwendungsanlagen unabdingbar sind. Flüssiggase sind gemäß DVGW G 2601) der 3. Gasfamilie zuzuordnen. Dort werden mit Verweis auf DIN 516222) für die öffentliche Gasversorgung zwei Flüssiggasarten unterschieden: 1. Propan 2. Propan/Butan-Gemische für Haushaltszwecke mit einem Masseanteil an C4-Kohlenwasserstoffen von höchstens 60 Masse-%. In gewerblichen (nicht öffentlichen) Gasanwendungsanlagen ist die Verwendung anderer Gemische, bis hin zu reinem Butan, zulässig. Der Nennwert des Anschlussdrucks von Gasanwendungsanlagen liegt für die öffentliche Gasversorgung bei 50 mbar; in Caravans, Booten usw. für Campingzwecke bei 30 mbar bzw. 50 mbar. Die Anforderungen an die Zusammensetzung und die Reinheit von Flüssiggasen regelt DIN 51622. Gemäß DIN 51622 sind unter Flüssiggasen die handelsüblichen technischen Qualitäten der C3- und C4-Kohlenwasserstoffe, d. h. Propan, Propen, Butan, Buten und deren Gemische zu verstehen. In Anlehnung an den Einsatzbereich der Brenngase, der durch DVGW-G 260 erfasst wird, sollen im vorliegenden Abschnitt jedoch primär die Flüssiggasarten „Propan“ und „Propan-Butan-Gemische“ bis hin zu „Butan“ behandelt werden, da die Gase dieser Zusammensetzung bevorzugt im energetischen Bereich eingesetzt

1) 2)

DVGW G 260 „Gasbeschaffenheit“, 03-2013. DIN 51622 „Flüssiggase. Propan, Propen, Butan, Buten und deren Gemische, Anforderungen“, 12-1985.

2.4.2 Brennstofflagerung

1161

werden. Formal sind die Anforderungen an die genannten Flüssiggase in DIN 51622 festgelegt: Propan Handelsübliches Propan ist ein Gemisch aus mindestens 95 Masse-% Propan und Propen; der Propangehalt muss überwiegen. Der Rest darf aus Ethan, Ethen, Butan- und Butenisomeren bestehen. Butan Handelsübliches Butan ist ein Gemisch aus mindestens 95 Masse-% Butan und Butenisomeren; der Gehalt an Butanisomeren muss überwiegen. Der Rest darf aus Propan, Propen, Pentan- und Pentenisomeren bestehen. Gemische Propan-Butan-Gemische bestehen aus den oben genannten „Einzelgasen“ Propan und Butan in – im allgemeinsten Falle – beliebigem Mischungsverhältnis. Für Haushalt und Gewerbe sollen Brenngasgemische nach DIN 51622 nicht mehr als 60 Masse-% Butan und nicht weniger als 40 Masse-% Propan Sinne enthalten. Weitergehende Forderungen hinsichtlich der Gaszusammensetzung/Reinheit regelt wiederum DIN 51622. Beim Einsatz von Flüssiggasen als Kraftstoff wäre DIN EN 589 zu berücksichtigen. Aus thermodynamischer oder chemisch-physikalischer Sicht stellt Flüssiggas immer ein Gemisch dar, das aus mehreren Stoffen in veränderlichem Mengenverhältnis besteht. Die Stoffe liegen in molekularer Verteilung vor. Systeme, die diese Bedingung erfüllen, sind echte homogene Mischungen. Nachfolgend soll für die Mischung „Flüssiggas“ im flüssigen Aggregatzustand ideales Verhalten unterstellt werden; für den gasförmigen Aggregatzustand kann in erster Näherung ebenfalls Idealgasverhalten angenommen werden, sonst ist die Berücksichtigung des Realgasverhaltens erforderlich. Flüssiggas ist streng genommen immer eine Vielkomponentenmischung. Oft wird jedoch eine weitere Vereinfachung getroffen, indem man Flüssiggas modellhaft als Zweikomponentengemisch, bestehend aus Propan (C3H8) und Butan (C4H10) betrachtet, ohne hierdurch die Genauigkeit der Aussagen über die Mischungseigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen. Flüssiggas wird dabei immer als homogene Mischung aus chemisch beständigen Verbindungen betrachtet. Auf beide Vereinfachungen und ihre Zulässigkeit wird in der Literatur1) 2) ausdrücklich hingewiesen. Die Flüssiggase nach DIN 51622 fallen bei der Gewinnung und Verarbeitung des Erdöls und Erdgases, bei der Synthese von Kohlenwasserstoffen und bei petrolchemischen Prozessen an. Der zunehmende Anteil der Flüssiggasdarbietung aus der Erdölverarbeitung führt zu vorwiegend gesättigten Kohlenwasserstoffen (Alkane C2H6, C3H8, C4H10). Butan und Pentan zeigen Isometrie; d. h., es tritt eine Verzweigung der sonst geradkettigen Alkane auf. Bestimmte physikalische Eigenschaften geradkettiger und verzweigter Alkane sind geringfügig unterschiedlich3). Die Annahme geradkettiger Kohlenwasserstoffe stellt für den energetischen Einsatzzweck in der Regel eine genügend genaue Näherung dar, so dass Flüssiggas als Propan-Butan-Gemisch modellmäßig dargestellt werden kann. Flüssiggas enthält hauptsächlich die gesättigten Kohlenwasserstoffe (Alkane) Propan und Butan. Der einfachste Kohlenwasserstoff dieser Reihe ist das Methan (CH4) als Hauptbestandteil des Erdgases. Zu dieser Reihe gehören u. a. Methan CH4, Ethan C2H6, Propan C3H8, Butan C4H10 und Pentan C5H12. Geradkettige Kohlenwasserstoffe werden als normale (n-) Kohlenwasserstoffe bezeichnet, z. B. n-Butan n-C4H10. Bei Butan tritt in einer Modifikation eine Verzweigung auf; diese Kohlenwasserstoffe werden durch den Präfix „iso-“ oder kürzer „i-“ gekennzeichnet (i-Butan i-C4H10). Alle Alkane gehorchen der allgemeinen Summenformel CnH2n+2. Alkane sind verhältnismäßig stabile Verbindungen. Neben Alkanen dürfen in Flüssiggasen auch ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten sein. Das sind Kohlenwasserstoffe, bei denen Kohlenstoffatome Zweifachbindungen eingehen; diese werden als Alkene bezeichnet und sind gegenüber Alkanen wesentlich reaktionsfreudiger, weisen im Grundsatz aber ähnliche physikalische Eigenschaften wie diese

1) 2) 3)

Kurth, K. et al.: Flüssiggas-Handbuch. 3., überarbeitete Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1986. Preobraschenskij, N. I.: Schischennye uglevodorodnye gažy (Flüssiggase). Nedra, Leningrad 1975. Berghoff, W.: Erdölverarbeitung und Petrolchemie – Tabellen und Tafeln. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1968.

2

1162

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

auf. Hierzu gehören insbesondere Ethen C2H4, Propen C3H6, Buten C4H8 und Penten C5H10. Alle Alkene gehorchen der allgemeinen Summenformel CnH2n. Eine Dreifachbindung zwischen Kohlenstoffatomen liegt bei Alkinen vor, diese sind daher die chemisch aktivsten Kohlenwasserstoffe dieser Reihung. Alle Alkine gehorchen der allgemeinen Summenformel CnH2n-2. 2.4.2-2.1.2

Ausgewählte Stoffdaten

Flüssiggase sind bei Umgebungstemperatur unter Druck verflüssigbar. Sie werden im flüssigen Zustand bevorratet und üblicherweise im gasförmigen Zustand verbraucht. In Lagerbehältern liegt des Flüssiggas als Flüssigphase und als Dampf („Gasphase“) vor. Flüssiggaslagerbehälter dürfen aus sicherheitstechnischen Erwägungen niemals voll mit Flüssigphase gefüllt sein. Im Zusammenhang mit der Lagerung und der Anwendung von Flüssiggasen sind eine Reihe von Stoffdaten von Bedeutung. Die in diesem Kontext wichtigsten Stoffdaten sollen nachfolgend kurz zusammengestellt werden. Ausführlichere Darstellungen zu diesem Problemfeld finden sich in der Literatur1). Molare Masse, Dichte, kritische Größen, Heiz- und Brennwert, Zündgrenzen In vielen technischen Berechnungen hat man auf grundlegende Größen zurückzugreifen. Hierzu zählen insbesondere Angaben zur molaren Masse (M), Normdichte (ρn) sowie zu kritischen Größen (kritischer Druck pkr, kritische Temperatur Tkr). Bei Flüssiggasen interessiert neben der Dichte des Dampfes auch die Dichte der Flüssigphase (ρL). Die Flüssigkeitsdichte wird hier für eine Temperatur von 20 °C beim entsprechenden Sättigungsdampfdruck pS angegeben. Aus Sicht der Gasanwendung ist u. a. der chemisch gebundene Energieinhalt von Brennstoffen (Heizwert Hi, Brennwert Hs) eine wichtige Maßgröße. Heiz- bzw. Brennwert werden massebezogen ausgewiesen. In der Gaswirtschaft ist sonst eine auf Normvolumina bezogene Angabe üblich. Im Hinblick auf sicherheitstechnische Aspekte interessieren häufig die Zündgrenzen von Gasen in Luft. Bei der Aufstellung von Gasanwendungsanlagen bzw. beim Betrieb von Lagerbehälteranlagen wird typischerweise angestrebt, die Konzentration von brennbaren Gasen auf Werte zu begrenzen, die deutlich unterhalb der unteren Zündgrenze (Zu) liegen. Die obere Zündgrenze (Zo) spielt in dieser Beziehung keine praktische Rolle. Ausgewählte Daten für Flüssiggase sind in Tafel 2.4.2-6 zusammengestellt worden. Zum Vergleich werden die entsprechenden Kenngrößen für Methan und Luft angegeben. Tafel 2.4.2-6 Stoff

Ausgewählte Stoffwerte von Flüssiggasen a) b) c)

M

R

kg/kmol kJ/(kg·K)

ρn kg/m3

ρL

Hi

Hs

Zu

Zo

kg/m3 kWh/kg kWh/kg Vol.-% Vol.-%

pkr

Tkr

bar

K

Propan Propen n-Butan

44,097 42,081 58,123

188,6 197,6 143,1

2,010 1,914 2,709

505 518 582

12,87 12,71 12,70

13,98 13,58 13,75

1,7 2,0 1,4

10,9 11,1 9,3

42,48 369,83 46,00 364,90 37,96 425,12

Methan Luft

16,043 28,963

518,3 287,2

0,718 1,293

— —

13,90 —

15,42 —

4,4 —

16,5 —

45,99 190,56 37,66 132,51

Anmerkungen a) b) c)

1,01325 20 °C, bar, 0 °C pS

1,01325 bar, 20 °C, in Luft

Cerbe, G. et al.: Grundlagen der Gastechnik. Gasbeschaffung, Gasverteilung, Gasverwendung. 7., vollständig neu bearbeitete Auflage. Hanser, München 2008. Poling, B. E.; Prausnitz, J. M.; O’Connell, J. P.: The Properties of Gases and Liquids. 5. Auflage, McGraw Hill, New York 2000. Hempel, P.: Flüssiggas. Die Bibliothek der Technik, Band 306, Verlag Moderne Industrie, München 2007.

Vergleicht man die Dichte von gas- bzw. dampfförmigem Flüssiggas mit der von Luft, ist festzustellen, dass die Dichte der Flüssiggase höher als die von Luft ist; Flüssiggase sind „schwerer als Luft“. Das ist bei der Aufstellung und für den sicheren Betrieb von Flüssig-

1)

Mischner, J.; Juch, Th.; Kurth, K.: Flüssiggasanlagen – Entwurf, Planung, Optimierung. Verlag für Bauwesen, Berlin 1999.

2.4.2 Brennstofflagerung

1163

gasbehälteranlagen stets zu beachten. Die Flüssigphase hingegen weist eine geringere Dichte als Wasser auf. Dampfdruck Eine für die Flüssiggastechnik wesentliche Eigenschaft der Flüssigkeiten ist ihre Verdampfungsfähigkeit. Bei jeder Temperatur kann ein Teil der Moleküle unter dem Einfluss der Molekülbewegung in den gasförmigen Zustand übergehen. Die Verdampfungsneigung ist stoffabhängig und nimmt mit steigender Temperatur zu. Findet die Verdampfung in einem abgeschlossenen, teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Raum statt, dann stellt sich zwischen Flüssigkeit und Dampf ein Gleichgewicht ein; der Raum über der (siedenden) Flüssigkeit ist dabei mit Dampf gesättigt. Der sich bei diesem Vorgang einstellende Druck wird als Dampfdruck (Sättigungsdampfdruck) pS bezeichnet. Für Propan und Butan können folgende Näherungsgleichungen (Gültigkeitsbereich: T = 230 bis 350 K) verwendet werden: 987 Propan: lgp S = 6 ,2886 – -------T ,14Normalbutan: lgp S = 6 ,5586 – 1245 -----------------T In beiden Gleichungen sind folgende Einheiten zu verwenden: [pS ] = kPa [T] = K Die Sättigungsdampfdrücke einiger Flüssiggase sind in Bild 2.4.2-12 ausgewiesen; in Bild 2.4.2-13 wurde der Sättigungsdampfdruck von Propan-Butan-Gemischen angegeben.

Bild 2.4.2-12. Sättigungsdampfdruck ausgewählter Flüssiggase.

Legt man eine maximal zulässige Betriebstemperatur von 40 °C bei der Flüssiggaslagerung zugrunde, dann ist anhand der Dampfdruckkurven erkennbar, dass Teile von Flüssiggasanlagen, die mit Behälterdruck beaufschlagt sind, in aller Regel für einen Nenndruck von PS 16 bzw. PS 25 zu bemessen sind. Letzteres wird auf alle Baugruppen, die mit sogenannter „ungeregelter Gasphase“ bzw. mit Flüssigphase beaufschlagt sind, angewandt. Hierin ist ein signifikanter „Sicherheitszuschlag“ enthalten.

2

1164

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Bild 2.4.2-13. Sättigungsdampfdruck von PropanButan-Gemischen.

Verdampfungsenthalpie Die Verdampfungsenthalpie ist diejenige Wärmemenge, die zur Umwandlung einer Mengeneinheit siedender Flüssigkeit in trocken gesättigten Dampf bei konstantem Druck aufzuwenden ist. Sie wird zur Sprengung der Bindungskräfte und zur Raumausdehnung benötigt; sie äußert sich nicht durch Temperaturzunahme. Beim umgekehrten Vorgang, der isobaren Kondensation, wird sie als Kondensationswärme wieder freigesetzt. Für das Stoffgemisch Flüssiggas sind folgende Verdampfungsenthalpien zu unterscheiden1): Die Gleichgewichtsverdampfungsenthalpie ist diejenige Wärmemenge, die bei der Verdampfung einer Mengeneinheit aus einer sehr großen Flüssigkeitsmenge bei konstanter Temperatur und gleichbleibendem Druck in die entsprechende Gleichgewichtskonzentration des Dampfes aufzubringen ist, ohne dass sich die Zusammensetzung der Flüssigphase, resp. die jeweilige Konzentration der Einzelbestandteile merklich ändert. Die integrale isobare Verdampfungsenthalpie ist diejenige Wärmemenge, die aufgebracht werden muss, um eine Mengeneinheit einer Flüssigkeit bei konstantem Druck und konstanter Konzentration zu verdampfen. Die Temperatur des Systems steigt bei diesem Vorgang vom Siedepunkt zum Taupunkt an. Die Gleichgewichtsverdampfungsenthalpie ist bei der Gasentnahme aus dem Dampfraum von Flüssiggaslagerbehältern anzusetzen; bei Verdampfern (Entnahme aus der Flüssigphase) muss mit der integralen isobaren Verdampfungsenthalpie gerechnet werden. Für Flüssiggas beträgt die Verdampfungsenthalpie im Mittel, was für technische Berechnungen ausreichend genau sein sollte, etwa Δh V ≈ 420 kJ/kg ≈ 0 ,116 kWh/kg Ausdehnungskoeffizienten Kondensierte (feste und flüssige) Körper ändern bei Druck- bzw. Temperaturänderung ihr Volumen. Zur Beschreibung dieser Änderungen dienen u. a. der Volumenausdehnungskoeffizient β und der isotherme Kompressibilitätskoeffizient χ. Im Unterschied zur Mehrzahl der Flüssigkeiten, deren Dichte oder spezifisches Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur nur geringfügig ändert, sind bei Flüssiggasen erhebliche Änderungen in der Flüssigphase zu berücksichtigen. Das ist besonders beim Befüllen von Behältern zu beachten (maximal zulässiger Füllgrad). Vergleicht man die Werte von Propan und Wasser im entsprechenden Temperaturbereich, dann erweist sich der thermische Volumenausdehnungskoeffizient des Flüssiggases etwa um den Faktor 16 größer als der des Wassers. Angaben zur Druck- und Temperaturabhängigkeit der oben angegebenen Ausdehnungskoeffizienten finden sich in Tafel 2.4.2-7. 1)

Kurth, K.: Beiträge zur Bemessung von Flüssiggas-Verwendungsanlagen. Dissertation B, Technische Universität Dresden, 1981.

2.4.2 Brennstofflagerung

Tafel 2.4.2-7

Stoff

1165

Volumenausdehungskoeffizient β und Kompressibilitätskoeffizient χ von Propan und n-Butan bei verschiedenen Drücken und Temperaturen.

Druck p in MPa

β · 105 in 1/K

χ · 105 in 1/MPa

T = 293 K

313 K

333 K

293 K

313 K

333 K

Propan

2 4 6 8 10 15 20

313 293 277 261 248 223 205

384 345 312 287 265 227 204

— 480 406 353 311 251 218

451 420 393 364 343 295 256

755 674 602 544 492 394 320

— 1250 1040 884 758 542 404

n-Butan

2 4 6 8 10 15 20

226 217 209 202 195 182 169

225 212 201 191 182 164 151

247 227 210 195 182 164 151

247 238 230 223 215 200 185

355 335 319 303 284 256 229

533 488 450 415 386 313 273

In dem Fall, dass die Flüssigphase das gesamte geometrische Volumen eines Lagerbehälters ausfüllt, führt jede Temperaturänderung ΔT zu einer entsprechenden Druckänderung Δp im Behälter1), die sich berechnen lässt: p2 – p1 Δp β ------- = ----------------- = --T2 – T1 ΔT χ Index „1“ kennzeichnet den Einfüllzustand, „2“ bezeichnet den Lagerzustand des Flüssiggases. Die Druckerhöhung infolge Volumenausdehnung in einem nur mit Flüssigphase gefüllten Behälter beträgt demgemäß für Propan im Mittel ≈ 0,75 MPa/K (≈ 7,5 bar/K). Aus Sicherheitsgründen ist daher ein maximaler Füllgrad fG,max zu beachten, der sicherstellt, dass über dem Flüssigkeitsspiegel auch bei Erwärmung der Flüssigphase im Lagerbehälter ein genügend großes Dampfpolster vorhanden ist. Als Füllgrad fG bezeichnet man das Verhältnis des Volumens, das mit Flüssigphase ausgefüllt (VL) ist in Relation zum geometrischen Volumen des Behälters (Vgeo): VL f G = --------V geo Will man verhindern, dass das in den Behälter eingefüllte Flüssiggas das gesamte Behältervolumen einnimmt (fG,2 = 1), kann der beim Einfüllen höchstens zulässige Füllgrad infolge Erwärmung im Lagerzustand (fG,1 = fG,max) aus der Bedingung 1 f G,max ≤ -----------------------1 + β ⋅ ΔT berechnet werden. ΔT bezeichnet hier die Temperaturdifferenz im Behälter zwischen seiner Befüllung und im Betriebsfall. Einrichtungen zur Füllstandsbegrenzung sind so einzustellen, dass der Füllgrad eines Lagerbehälters bei der maximal zulässigen Betriebstemperatur 95 % des Gesamtrauminhalts nicht überschreitet. Unter dieser Prämisse wäre der maximale Füllgrad wie folgt abzuschätzen: 0 ,95 f G,max ≤ -----------------------1 + β ⋅ ΔT 1)

Staskjevič, N. L.; Vigdorčik, D. Ja.: Spravočnik po schischennym uglevodorodnym gažam (Handbuch Flüssiggase). Nedra, Leningrad 1986.

2

1166

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

In der Praxis ist es üblich, von maximalen Füllgraden von fG,max = 0,85 (85 %) auszugehen.

2.4.2-2.2 2.4.2-2.2.1

Lagerung und Bereitstellung von Flüssiggas Lagerkapazität, Schutzziele, Begriffe

Flüssiggas wird auf dem Weg von der Quelle bis zu den Verbrauchsgeräten mehrfach umgeschlagen und gelagert. Lagerung von Flüssiggas liegt vor, wenn Flüssiggas in Behältern gespeichert, d. h. länger als für einen Zeitraum von 24 Stunden bevorratet wird. Befindet sich das Flüssiggas unmittelbar im Produktions- bzw. Arbeitsgang, dann handelt es sich um eine Bereitstellung, jedoch nicht um eine Lagerung von Flüssiggas. Ein solcher Arbeitsgang umfasst beispielsweise das Verwenden, Bearbeiten und Umfüllen sowie das Bereitstellen von Flüssiggas zum alsbaldigen Transport. Die Bevorratung des Flüssiggases erfolgt in flüssigem Zustand. Die Bereitstellung von Flüssiggas ist sowohl in der gasförmigen als auch in der flüssigen Phase möglich. Flüssiggas wird in Druckgasbehältern gelagert. Das können sowohl ortsfeste als auch ortsbewegliche Druckgasbehälter sein. Druckgasbehälter sind Behälter, in denen durch die Betriebsweise ein Betriebsüberdruck herrscht oder entstehen kann, der größer als 0,1 bar ist. Als Druckgasbehälter werden aber auch solche Behälter bezeichnet, in denen tiefkalte, flüssige Gase bevorratet werden, wenn in ihnen ein Betriebsüberdruck herrscht oder entstehen kann, der größer als 0,01 bar ist. Diese Bedingungen sind beim Lagern von flüssigem Flüssiggas erfüllt. Flüssiggaslagerbehälter werden für Betriebsüberdrücke von 15,6 bar, bezogen auf eine Betriebstemperatur von 40 °C ausgelegt. Aus Sicherheitsgründen werden alle Bauteile der Leitungsanlage, die mit sog. ungeregelter, d. h. unter Behälterdruck stehender Gasphase und mit Flüssigphase beaufschlagt sind, für einen Nenndruck von 25 bar ausgelegt. Grundsätzlich verbleiben Druckgasbehälter zum Lagern von Flüssiggas stationär am einmal eingerichteten Aufstellungsort; sie sind sogenannte ortsfeste Druckgasbehälter. Ortsbewegliche Druckgasbehälter hingegen sind Druckgasbehälter, die mit Druckgasen gefüllt sind und nach dem Füllen zur Entnahme der Druckgase an einen anderen Ort verbracht werden (z. B. Flüssiggasflaschen, Druckgasbehälter auf Tankkraftwagen/Eisenbahnkesselwagen). In diesem Prozess ist technologisch im Allgemeinen auch ein Lagern des Flüssiggases enthalten. Als Lagern von Flüssiggas in Druckgasbehältern wird allgemein das Aufbewahren zur späteren Verwendung und/oder zur Abgabe an Dritte verstanden. Gemäß der technologischen Zweckbestimmung des Lagerns von Flüssiggas in der Bereitstellungskette werden folgende Typen von Lägern unterschieden: Umschlagläger sind ortsfeste Druckanlagen, die dem Umschlag von Flüssiggas von einem Verkehrsmittel auf ein anderes Verkehrsmittel dienen. Verteilläger sind ortsfeste Druckanlagen, die dem Umfüllen von Flüssiggas aus ortsfesten Druckgasbehältern in ortsbewegliche Druckgasbehälter dienen. Verbrauchsläger sind ortsfeste Druckanlagen, die der Versorgung von Flüssiggasverbrauchseinrichtungen dienen. Die unterschiedliche Benutzung der Begriffe „Lagern“ und „Bereitstellung“ bei Anlagen mit ortsbeweglichen Druckgasbehältern (Flüssiggasflaschen) und Anlagen mit ortsfesten Druckgasbehältern (z. B. ortsfesten Flüssiggaslagerbehältern) sei nochmals wie folgt deutlich gemacht: Während der ortsfeste Lagerbehälter einer Flüssiggasversorgungsanlage ein ortsfester Druckgasbehälter ist, in dem Flüssiggas bevorratet, d. h. gelagert wird (=> Lagerbehälter), ist die zur Entnahme an eine Flüssiggasversorgungsanlage angeschlossene Flüssiggasflasche unter „Bereitstellen“ eines ortsbeweglichen Druckgasbehälters und nicht unter „Lagern“ einzuordnen. Beim Herstellen, Aufstellen und Betreiben von Flüssiggaslagerbehälteranlagen, resp. ortsfesten Druckanlagen, sind Regeln einzuhalten, die ein wirtschaftliches und sicheres Lagern von Flüssiggas ermöglichen. Diese sollen nachfolgend mit Bezug auf „Verbrauchsläger“ erläutert werden. Das Lagern von Flüssiggas in ortsfesten Druckgasbehältern erfolgt in sogenannten Flüssiggas-Lagerbehälteranlagen. Darunter versteht man die Gesamtheit aller notwendigen sowie in Reserve stehenden Einrichtungen für das Lagern von und zur Versorgung von Verbrauchsanlagen und Füllanlagen mit Flüssiggas.

2.4.2 Brennstofflagerung

Für die Einordnung im Technischen Regelwerk ist das Nennfüllgewicht der Lagerbehälteranlage, d. h. sein Fassungsvermögen, maßgebend. Das Fassungsvermögen (Lagerkapazität) einer Flüssiggaslagerbehälteranlage entspricht der Summe der zulässigen Nennfüllmengen der Gase in den ortsfesten Druckgasbehältern. Das durch den zulässigen Füllgrad bestimmte maximal zulässige Fassungsvermögen wird durch den Einbau von Überfüllsicherungen begrenzt. Flüssiggaslagerbehälteranlagen werden nach ihrem Fassungsvermögen und der Art der Gasentnahme in folgende Gruppen eingeteilt: Gruppe 0 Lagerkapazität < 3 t Entnahmeart: beliebig Gruppe A Lagerkapazität ≥ 3 t bis < 200 t Entnahme aus der Gasphase Gruppe B Lagerkapazität ≥ 3 t bis < 30 t Entnahme aus der Flüssigphase Gruppe C Lagerkapazität ≥ 30 t bis < 200 t Entnahme aus der Flüssigphase Gruppe D Lagerkapazität ≥ 200 t Entnahmeart: beliebig Flüssiggaslagerbehälteranlagen mit einer Lagerkapazität kleiner 3 t unterliegen grundsätzlich dem Baurecht1). Dieses ist in den Technischen Regeln Flüssiggas (TRF 20122)) umgesetzt; zusätzliche Erläuterungen finden sich in der Kommentierung der TRF3) und dem Prüfhandbuch für Flüssiggasanlagen4). Für Lagerbehälteranlagen mit einer Lagerkapazität ≥ 3 t gilt die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV5)) in Verbindung mit den Technischen Regeln der Betriebssicherheitsverordnung (TRBS 3146/TRGS 7266)); ergänzend – im Hinblick auf die Findung technischer Lösungen zweckdienlich, als Vorschrift jedoch nicht (mehr) bindend – siehe gegebenenfalls auch das AD2000-Merkblatt HP 801 Nr. 257). Flüssiggaslagerbehälteranlagen mit einer Kapazität von unter 3 t bedürfen üblicherweise keiner Genehmigung, diese sind „verfahrensfrei“. Flüssiggaslagerbehälteranlagen mit einer Kapazität ab 3 t müssen ein Genehmigungsverfahren gemäß Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) durchlaufen. Bei der Festlegung der erforderlichen Lagerkapazität (mFLG) wird man sich im ersten Ansatz von der benötigten Jahresenergiemenge (Endenergie, Qa,EndE) leiten lassen und die Anzahl der Füllvorgänge pro Jahr (n) sowie den chemisch gebundenen Energiegehalt des Brennstoffs (Heizwert, Hi) entsprechend berücksichtigen: Q a,EndE m FLG = ---------------Hi ⋅ n Zusätzlich ist ggf. der maximal aus dem Behälter entnehmbare Gasmengenstrom („Gas· leistungsfähigkeit“) zu bedenken. Der erforderliche Flüssiggasmassestrom ( m FLG ) kann mit Hilfe der erforderlichen Wärmeleistung der zu versorgenden Gasverbrauchsanlage ( Q· FLG ), die unter Beachtung der Zeitspanne ihrer Inanspruchnahme zu fixieren ist, wie folgt errechnet werden: Q· FLG · m FLG = -----------Hi In der oben angegebenen Berechnungsgleichung ist in aller Regel der Heizwert zu verwenden, da der Leistungsbedarf zumeist mit Hilfe von Wirkungsgraden abgeschätzt wird, die üblicherweise heizwertbezogen sind. Kennt man hingegen den maximal aus einem Lagerbehälter entnehmbaren Gasmengenstrom, dann lässt sich die Brennstoffleistung entsprechend berechnen: · Q· FLG = m FLG ⋅ H i 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

Musterbauordnung (MBO). Fassung November 2002, zuletzt geändert durch Beschluss der Bauministerkonferenz vom 21.09.2012. Technische Regeln Flüssiggas 2012 (TRF 2012). wvgw, Bonn 2012. Kurth, K. et al.: Flüssiggas-Anlagen nach den Technischen Regeln Flüssiggas TRF 2012 – Kommentar. wvgw, Bonn 2014. DVFG Deutscher Verband Flüssiggas e.V. (Hrsg.): Prüfhandbuch für Flüssiggas-Anlagen. wvgw, Bonn 2013. Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln (Betriebssicherheitsverordnung – BetrSichV). 3. Februar 2015. TRBS 3146/TRGS 726 „Ortsfeste Druckanlagen für Gase“, 04-2014. AD2000-Merkblatt HP 801 Nr. 25 „Herstellung und Prüfung von Druckbehältern. Besondere Druckbehälter: Flüssiggaslagerbehälteranlagen“, 02-2004.

1167

2

1168

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Nachfolgend sollen auf der Basis von TRBS 3146 einige Begriffe, die im Zusammenhang mit der Aufstellung von Flüssiggaslagerbehälteranlagen von Bedeutung sind, zusammengestellt werden. Diese gelten allgemein für alle Flüssiggaslagerbehälteranlagen. Bereiche mit möglicher Gefährdung sind Bereiche, in denen gefährliche Gaskonzentrationen aufgrund der örtlichen und betrieblichen Verhältnisse nicht ausgeschlossen werden können, z. B. infolge betriebsbedingter Freisetzung von Gasen beim Anschließen oder Lösen von Leitungsverbindungen oder beim Öffnen von Peilventilen. Sicherheitsabstand im Sinne der TRBS 3146 ist der erforderliche Abstand zwischen einer ortsfesten Druckanlage für Gase und einem Schutzobjekt. Schutzobjekte sind Einrichtungen, Gebäude und Anlagen, in denen oder bei denen sich dauernd oder regelmäßig Beschäftigte oder andere Personen aufhalten, zu deren Schutz nicht ebensolche Vorsorgemaßnahmen getroffen sind, wie für die im Bereich der ortsfesten Druckanlage für Gase selbst Beschäftigten (z. B. Maßnahmen zur Alarmierung und Gefahrenabwehr). Schutzabstände sind Abstände zwischen ortsfesten Druckanlagen für Gase und benachbarten Anlagen, Einrichtungen, Gebäuden oder öffentlichen Verkehrswegen, wobei die Schutzabstände die Druckanlage und damit die Beschäftigten und andere Personen vor einem Schadensereignis wie Erwärmung infolge Brandbelastung oder mechanischer Beschädigung schützen sollen. Als Brandlast gilt ein brennbarer Stoff in der Umgebung der ortsfesten Druckanlage für Gase, der im Brandfall eine potentielle Gefährdung für die ortsfeste Druckanlage darstellt. Im Brandfall können in Folge der Wärmeübertragung von der Brandlast Gefahren durch Flammenberührung oder Wärmestrahlung ausgehen. Für die Aufstellung von Flüssiggaslagerbehältern gelten folgende Prämissen: – Ortsfeste Druckgasbehälter dürfen nicht in Durchgängen, Durchfahrten, allgemein zugänglichen Fluren, Treppenräumen oder an Treppen von Freianlagen aufgestellt werden. Sie müssen ferner so aufgestellt werden, dass Verkehrswege, Fluchtwege oder die Zugänglichkeit nicht eingeschränkt werden. – Ortsfeste Druckgasbehälter sind so aufzustellen, dass für Reinigung, Prüfung und Instandhaltung, für Flucht- und Rettungswege sowie für die Maßnahmen zur Kühlung ausreichende Abstände vorhanden sind. Die Forderung hinsichtlich eines ausreichenden Abstandes für Reinigung und Instandhaltung ist erfüllt, wenn der Abstand zum nächsten Behälter oder zu einer Wand mindestens 1 m und bei Behälterwandungen ohne Öffnung mindestens 0,5 m beträgt, sofern die jeweiligen betrieblichen Belange nicht einen größeren Abstand erfordern. Bei erdgedeckten Druckgasbehältern bezieht sich diese Anforderung auf die zugänglichen Bauteile bzw. Bereiche des Druckgasbehälters. – Ortsfeste Druckgasbehälter sind so aufzustellen bzw. einzulagern, dass sie für Prüfungen und Überprüfungen zugänglich sind oder zugänglich gemacht werden können und das Typenschild gut erkennbar ist. – Oberirdische ortsfeste Druckgasbehälter müssen allseitig besichtigt werden können. Die Bedienung des Druckgasbehälters und seiner Ausrüstung muss von einem sicheren Stand aus möglich sein. Ortsfeste Druckgasbehälter sind so zu gründen, dass durch die Gründung selbst, durch das Eigengewicht des Druckgasbehälters einschließlich des enthaltenen Gases oder des Druckprüfmittels bei der Druckprüfung oder durch äußere Kräfte keine Gefährdungen Beschäftigter oder anderer Personen durch Beschädigungen des Druckgasbehälters, seiner Anschlüsse oder seiner Ausrüstung aufgrund von Verlagerungen oder Neigungen eintreten können. – Ortsfeste Druckgasbehälter sind so aufzustellen bzw. einzulagern, dass sie ihre Lage nicht unzulässig ändern können. Muss mit einer Veränderung der Lage durch Grundwasser oder Hochwasser gerechnet werden, so muss der Druckgasbehälter gegen Aufschwimmen gesichert werden, z. B. durch Verankerung im Boden oder in den Seitenwänden, Abstützung gegen die Raumdecke oder entsprechende Belastung, z. B. bei erdgedeckter Aufstellung eine Erdüberdeckung ≥ 1 m oder Aufbringen einer den Druckgasbehälter überdeckenden Betonplatte. Die Verankerung oder Belastung muss eine mindestens 1,3-fache Sicherheit gegen den Auftrieb des leeren Behälters haben, bezogen auf den höchsten zu erwartenden Wasserstand. Die Auftriebssicherungen dürfen die Behälterumhüllung nicht beschädigen. – Ortsfeste Druckanlagen für Gase müssen so aufgestellt werden, dass sie ausreichend umlüftet sind.

2.4.2 Brennstofflagerung

1169

– Bei ortsfesten Druckanlagen für Flüssiggase (Gase schwerer als Luft) dürfen 5 m um betriebsbedingte Freisetzungsstellen keine offenen Kanäle, keine gegen Gaseintritt ungeschützte Kanaleinläufe, keine offenen Schächte, keine Öffnungen zu tieferliegenden Räumen oder Luftansaugöffnungen angeordnet sein. – Ortsfeste Druckgasbehälter und ihre Stützen oder Standzargen sind gegen mögliche Brandlasten in der Umgebung zu schützen. Dabei ist abhängig vom Gefahrenpotential abzuschätzen, welche Brandschutzmaßnahmen erforderlich sind. Im Hinblick auf die Bewertung der Brandlasten bieten sowohl die TRF 20121) als auch der Kommentar zur TRF 20122) entsprechende Hilfen an. Außerdem ist eine sogenannte Unterfeuerung bzw. Selbstbefeuerung von Lagerbehältern sicher zu verhindern. Die Forderung nach Brandschutzmaßnahmen gilt als erfüllt, wenn ortsfeste Druckgasbehälter gegen unzulässige Erwärmung während 90-minütiger Brandeinwirkung geschützt sind. Das kann erreicht werden z. B. durch einen Schutzabstand, eine Schutzwand, eine Erddeckung, eine Brandschutzdämmung bzw. Brandschutzisolierung oder eine Wasserberieselung bzw. Wasserbeflutung. Der Schutzabstand ist bei oberirdischer Aufstellung ab der senkrechten Projektion des ortsfesten Druckgasbehälters zu bemessen. Bei in Gruppen aufgestellten Druckgasbehältern ist der Schutzabstand von den am Rand stehenden ortsfesten Druckgasbehältern aus festzulegen. Bei erdgedeckten ortsfesten Druckgasbehältern ist der Abstand zum Domschacht des Druckgasbehälters maßgebend. Bei der Bewertung der Brandlasten wird in „unerhebliche Brandlasten“ (Gruppe 1), „geringe Brandlasten“ (Gruppe 2) und „Brandlasten“ (Gruppe 3) unterschieden. Für Brandlasten der Gruppe 3 sind gemäß TRF 2012 in Abhängigkeit von der Breite der Brandlast die Abstände gemäß Tafel 2.4.2-8 zu beachten. Tafel 2.4.2-8

Abstände zu Brandlasten (Gruppe 3) in Abhängigkeit von der Brandlastbreite gemäß TRF 2012.

Breite der Brandlast in m

≤4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Abstand des Flüssiggasbehälters zur Brandlast in m

5

6,4

7,2

8,0

8,7

9,5

10,2

10,9

11,6

12,3

12,9

13,6

Bei erdgedeckten ortsfesten Druckgasbehältern ist die Berechnung des Schutzabstandes nicht erforderlich. Bei diesen Druckgasbehältern ist ein Schutzabstand zum Schutz der Armaturen im Domschacht von 3 m bei einem Fassungsvermögen < 3 t und entsprechend 5 m bei einem Fassungsvermögen ≥ 3 t ausreichend. Eine Erddeckung als Schutz gegen eine Brandlast erfordert eine allseitige Deckung des ortsfesten Druckgasbehälters mit Erde oder Sand von mindestens 0,5 m Schichtdicke, die im Brandfall gewährleistet, dass die zulässigen Betriebsparameter des ortsfesten Druckgasbehälters nicht überschritten werden. Im Ausnahmefall (z. B. aus betriebstechnischen Gründen) kommen anstelle einer Erddeckung auch Brandschutzdämmungen bzw. -isolierungen in Betracht. Das stellt jedoch nicht den Regelfall dar. Beim Betrieb von Lagerbehälteranlagen sind neben Maßnahmen zum Brandschutz auch solche im Hinblick auf den Explosionsschutz zu ergreifen. An dieser Stelle wird zwischen dem primären und sekundären Explosionsschutz unterschieden. Maßnahmen zum primären Explosionsschutz zielen darauf ab, die Entstehung explosionsfähiger Atmosphäre zu verhindern bzw. einzuschränken. Daher werden Anlagen dauerhaft technisch dicht errichtet, Armaturen vorzugsweise in der Gasphase angeordnet und die Aufstellorte von Lagerbehältern ausreichend umlüftet. Sekundärer Explosionsschutz wird immer dann erforderlich, wenn, z. B. betriebsbedingt, die Bildung explosionsfähiger Atmosphäre nicht vermieden werden kann. Unter diesen Bedingungen ist logischerweise die Vermeidung von Zündquellen unabdingbar. Für solche Fälle werden explosionsgefährdete Bereiche definiert. Deren räumliche Abmessungen berücksichtigen die Häufigkeit und die Dauer der Ausbildung explosionsfähiger Atmosphäre. Diesbezüglich gelten folgenden Bedingungen: 1) 2)

Technische Regeln Flüssiggas 2012 (TRF 2012). wvgw, Bonn 2012. Kurth, K. et al.: Flüssiggas-Anlagen nach den Technischen Regeln Flüssiggas TRF 2012 – Kommentar. wvgw, Bonn 2014.

2

1170

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Zone 0:

Bereiche, in denen ständig oder langzeitig explosionsgefährdete Atmosphäre vorhanden ist Zone 1: Bereiche, in denen damit zu rechnen ist, dass gefährliche explosionsfähige Atmosphäre gelegentlich aufritt Zone 2: Bereiche, in denen damit zu rechnen ist, dass gefährliche explosionsfähige Atmosphäre nur selten und dann auch nur kurzzeitig aufritt. Ex-Zone 0 hat im Zusammenhang mit Flüssiggasanlagen keine praktische Bedeutung. Bei Lagerbehälteranlagen der Gruppen A bis D sind zu betriebsmäßig lösbaren Verbindungen in Anlagenteilen, in denen sich Flüssigphase befindet, zusätzlich Sicherheitsabstände zu Wohngebäuden und betriebsfremden Anlagen und Einrichtungen einzuhalten. Diese Sicherheitsabstände sind im Einzelfall durch Ausbreitungsrechnungen für schwere Gase (z. B. gemäß VDI 3783 Blatt 2) zu ermitteln. Außerhalb dieses Sicherheitsabstandes darf davon ausgegangen werden, dass keine zündfähige Gas-LuftMischung vorliegt, also die untere Zündgrenze sicher unterschritten ist. 2.4.2-2.2.2

Flüssiggaslagerbehälteranlagen < 3 t Nennfüllgewicht

Im nachfolgenden Abschnitt sollen Flüssiggaslagerbehälteranlagen mit einem Nennfüllgewicht 5 m als Grundriss (unten).

Um zu vermeiden, dass Pellets beim Einblasen an der Rückwand des Lagers zerbrechen, bzw. durch ihr abrasives Verhalten die Wand beschädigen, muss eine Prallmatte aus abrieb- und reißfestem Material in einem Abstand zwischen 20 und 50 cm freischwingend vor der Rückwand angebracht werden. Als Prallmatten haben sich HDPE-Folien mit einer Stärke von mindestens 2 mm oder abriebfeste Gummiwerkstoffe mit einer Dicke von 1–3 mm bewährt. Großlager Die Ausführungen zu kleinen Lagern lassen sich im Wesentlichen auch auf Großlager übertragen. Die Besonderheiten von größeren Lagern sind in der Lagergröße und der Logistik zu sehen.

1182

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Das Einblasen einer Komplettladung (26 t) Holzpellets kann bis zu 2 Stunden dauern. In dieser Zeit laufen sowohl der Motor als auch der Kompressor. Deshalb sollte der Lärmschutz bei der Lagerplanung (Stellplatz des Lieferfahrzeugs) miteinbezogen werden. Alternativ zum Einblasen kann auch die Lieferung mit Schubbodenfahrzeugen oder Kipperfahrzeugen eine sinnvolle Lösung sein. Dann werden die Pellets abgeschüttet. Dazu ist entweder ein Tiefbunker notwendig, in den direkt geschüttet werden kann, oder es sind zusätzliche Förderaggregate wie Schnecken und Trogkettenförderer mit einer ausreichenden Förderleistung notwendig, um die Standzeit des Lkw zu minimieren. Für die Planung bei Großlagern ist neben der installierten Kesselleistung auch die Lieferlogistik zu berücksichtigen. Die folgende Abbildung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Nennleistung des Kessels und Nutzvolumen des Lagers. Im Regelfall werden große Lager mit Komplettladungen von ca. 26 t beliefert. Da das Lager nicht vor jeder Befüllung komplett leergefahren wird, sollte das Fassungsvermögen ca. 60 % höher sein als die Nutzlast der anliefernden Transporteinheit.

Bild 2.4.2-22. Empfohlenes Nutzvolumen in Abhängigkeit zur Kesselleistung

Feinanteile im Lager Als Feinanteile werden Bruchstücke von Pellets bezeichnet, die ein Sieb mit einer Lochung von 3,15 mm passieren (nach DIN EN ISO 17225-2). Durch Entmischungsvorgänge beim Austrag der Pellets konzentriert sich der Feinanteil im Laufe der Zeit im unteren Bereich des Pelletlagers. Um eine optimale Funktion der Pelletheizung sicherzustellen, sollte das Lager spätestens nach zwei Jahren vollständig geleert und der Feinanteil entfernt werden (Lager mit mehr als 40 t Kapazität jährlich). Dazu bieten sich die Sommermonate an.

Entmischung von Feinanteil und Pellets

© Deutsches Pelletinstitut

Sanduhreffekt bei der Entnahme von Pellets t

1FMMFUT
XFSEFO
WPO
PCFO
C[X
PCFSIBMC

EFS
4DIOFDLF
FOUOPNNFO t

&OUNJTDIUFS
'FJOBOUFJM
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TJDI
JN

VOUFSFO
#FSFJDI
BVG
EFO
4DISµHFO Quelle: Deutsches Pelletinstitut (DEPI)

Bild 2.4.2-23. Entmischungs- und Entnahmeverhalten von Holzpellets

2.4.2 Brennstofflagerung

Füllstandsermittlung im Pelletlager Für den größtmöglichen Komfort des Heizungsbetreibers gibt es mittlerweile Füllstandsmesssysteme, die ein Ablesen der verbleibenden Pelletmenge außerhalb des Lagers ermöglichen. Hier gibt es verschiedene Techniken: – Kapazitive Messung: mit Hilfe von Drähten, die bei Sacksilos in das Silogewebe eingewoben werden bzw. sich im Lagerraum befinden, wird anhand des elektrischen Widerstandes der Füllstand ermittelt. – Wiegen ist eine Option für Fertigsilos: unter den Silofüßen sind Drucksensoren angebracht. Da die Menge der eingeblasenen Pellets genau bekannt ist, wird aus der Differenz von Einblasgewicht und aktuellem Gewicht der Füllstand berechnet. – Messung über die Drehzahl der Schnecke oder Zellradschleuse: Über das bekannte Fördervolumen pro Zeiteinheit kann die gesamte geförderte und verbrannte Menge an Pellets näherungsweise abgeschätzt werden. – Weiterhin gibt es Füllstandsmesssysteme, die mittels eines Drucksensors melden, wenn der Pelletbestand einen Minimumstand erreicht. Die letzten zwei sehr preisgünstigen Methoden der Füllstandsermittlung eignen sich nicht zur Abrechnung von Nebenkosten bei Mietimmobilien. Lagerraumsicherheit und -belüftung Bei der Planung und dem Betrieb eines Pelletlagers muss neben dem Aspekt der Pelletqualität auch die Sicherheit eine wichtige Rolle einnehmen. Wie bei anderen Brennstoffen sind auch bei Pellets das Lager selbst wie auch Rohrleitungen und elektrische Anlagen so zu konzipieren, dass sie elektrostatische Aufladungen ableiten können und somit eine Funkenbildung ausgeschlossen werden kann. Zur Staubreduktion im Lager sollte das Lager alle zwei Jahre gereinigt werden, Lager mit mehr als 40 t Kapazität jährlich. Da es bei der Lagerung von Holzpellets zu Geruchsbildung und Ausgasung (z. B. von Kohlenmonoxid) kommen kann, ist es wichtig, für eine ausreichende dauerhafte Belüftung zu sorgen. Das kann bei Lagerräumen bis 40 t und kurzen Befüllleitungen mit belüftenden Deckeln erfolgen. Die Deckel werden sowohl am Einblas- als auch am Absaugstutzen angebracht. Bei Befüllleitungen über 2 m Länge sind separate Lüftungsöffnungen zu schaffen oder eine mechanische Lüftung zu installieren, die mit der Lagerraumtür gekoppelt wird. Ebenfalls wichtig ist, dass das Pelletlager vor dem Betreten mindestens 15 Minutenlang gelüftet und nur unter Aufsicht einer zweiten Person betreten wird. Für Lager mit einem Fassungsvermögen größer 10 t und bei erdvergrabenen Lagern gilt grundsätzlich eine Messpflicht von CO vor dem Betreten und während des Aufenthalts. Eine mobile CO-Warneinrichtung sollte ständig am Körper getragen werden. Ein kurzzeitiges (max. 30-minütiges) Betreten des Pelletlagers wird erst empfohlen, wenn die CO-Konzentration im Lagerraum einen Wert von maximal 60 ppm aufweist. Bei Werten über 60 ppm ist das Lager zu verlassen. Auf jeden Fall sollten an der Tür zum Lager von innen und außen Aufkleber mit Sicherheitshinweisen gut sichtbar angebracht werden. Solche Aufkleber in den Varianten „Lagermenge weniger als 10 t“ und „Lagermenge größer 10 t und erdvergrabene Lager“ können kostenlos beim Deutschen Pelletinstitut unter www.depi.de/shop bezogen werden. Sie entsprechen der neuen VDI-Richtlinie 3464.

1183

2

1184

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Tafel 2.4.2-16 Überblick über die technischen Anforderungen an die Lüftung zur Vermeidung gesundheitsrelevanter CO-Konzentrationen für Pelletlager und Vorsichtsmaßnahmen vor dem Betreten des Lagers gemäß VDI 3464 Lagergröße in t Fassungsvermögen ≤ 10

> 10

Notwendige Maßnahmen beim Betreten des Pelletlagers

– mind. 15 Minuten vor dem Betreten Querlüftung von Einstiegstür zur Lüftungsöffnung – nur Betreten mit zweiter Person vor dem Lager – in den ersten vier Wochen nach der Befüllung nur mit CO-Warner betreten – Ausnahme bei erdvergrabenen Lagern: generelle Messpflicht mit einem mobilen CO-Warngerät vor und während des Betretens des Lagers

– mind. 15 Minuten vor dem Betreten Querlüftung von Einstiegstür zur Lüftungsöffnung – nur Betreten mit zweiter Person vor dem Lager – generelle Messpflicht mit einem mobilen CO-Warngerät vor und während des Betretens des Lagers

Länge der fest installierten Befüllleitung in m

Deckellüftung mit folgenden Anforderungen: – Zwei belüftende Verschlussdeckel auf zwei Storz-A-Kupplungen – Lüftung ins Freie oder in belüfteten Aufstellraum der Heizanlage

Deckellüftung (nur bis Lager ≤ 40 Tonnen) mit folgenden Anforderungen: – Mindestens zwei belüftende Verschlussdeckel auf zwei Storz-A-Kupplungen – Querschnitt mind. 4 cm2/t Fassungsvermögen – Lüftung ins Freie oder in belüfteten Aufstellraum der Heizanlage

eine Lüftungsöffnung mit folgenden Anforderungen: – Öffnung der Lüftungsleitung mindestens 100 cm2 – lichte Öffnung mindestens 80 cm2 – Lüftung ins Freie

separate Lüftungsöffnung mit folgenden Anforderungen: – Lüftung ins Freie – Öffnung je Lüftungsleitung ≥ 100 cm2 – Gesamtlüftungsquerschnitt mindestens 10 cm2/t Fassungsvermögen – lichte Öffnung mindestens 8 cm2/t Fassungsvermögen

≤2

Länge der fest installierten Lüftungsleitung in m > 2 bis 5

Länge der fest installierten Lüftungsleitung in m > 5 bis 20

mechanische Belüftung mit folgenden Anforderungen: – Lagerbelüftung über Lüftungsleitung mit Ventilator – Ventilator mit dreifacher Luftwechselrate pro Stunde bezogen auf das Bruttovolumen des Lagerraums – Die Funktion des Ventilators ist mit dem Öffnen der Lagerraumtür zu koppeln.

2.4.3 Anlagen zum Korrosions- und Steinschutz

Sicherheitshinweise für Pelletlager > 10 Tonnen und erdvergrabene Lager Lebensgefahr durch geruchloses Kohlenstoffmonoxid (CO)!

Kohlenmonoxid

Vor dem Betreten und Befüllen Heizung ausschalten! Vor dem Betreten mindestens 15 Minuten über GLH(LQVWLHJVWUOIWHQ²¬ZlKUHQGGHV=XWULWWV die Tür geöffnet halten! Betreten nur mit mobilem CO-Warngerät!

1185

Sicherheitshinweise IU3HOOHWODJHU”7RQQHQ /HEHQVJHIDKUGXUFKJHUXFKORVHV .RKOHQVWRIIPRQR[LG&2  9RUGHP%HWUHWHQXQG%HIOOHQ+HL]XQJ DXVVFKDOWHQ 9RUGHP%HWUHWHQPLQGHVWHQV0LQXWHQ EHUGLH(LQVWLHJVWUOIWHQ²¬ZlKUHQGGHV =XWULWWVGLH7UJH|IIQHWKDOWHQ 'DXHUKDIWH%HOIWXQJQDFKDX‰HQVLFKHUVWHOOHQ J  ]% EHUEHOIWHQGH'HFNHOgIIQXQJRGHU9HQWLODWRU

Dauerhafte Belüftung g nach außen sicherstellen, z.B. über belüftende Deckel, Öffnung oder Ventilator!

9HUOHW]XQJVJHIDKUGXUFKEHZHJOLFKH%DXWHLOH

Verletzungsgefahr durch bewegliche Bauteile!

5DXFKHQ)HXHUXQGDQGHUH =QGTXHOOHQYHUERWHQ

Rauchen, Feuer und andere Zündquellen verboten!

7UHQYHUVFKORVVHQKDOWHQ=XWULWWQXUIU %HIXJWHXQWHU$XIVLFKWHLQHUDX‰HUKDOEGHV /DJHUUDXPVVWHKHQGHQ3HUVRQ

Türen verschlossen halten. Zutritt nur für Befugte unter Aufsicht einer außerhalb des Lagerraums stehenden Person!

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Bitte beachten Sie auch die Richtlinie VDI 3464! Deutscher Energieholz- und Pellet-Verband e.V. (DEPV) | www.depv.de

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Bild 2.4.2-24. Aufkleber mit Sicherheitshinweisen für die Lagerraumtür für Lager mit einem Fassungsvermögen kleiner und größer 10 Tonnen

2.4.3

Anlagen zum Korrosions- und Steinschutz (siehe auch Abschnitt 1.10 )

2.4.3-1

Allgemeines1)

Da das Ausmaß der in Wasserheizungsanlagen möglichen Korrosion im Wesentlichen durch den Sauerstoffgehalt des Heizwassers bestimmt wird, werden gegebenenfalls Anlagen benötigt, die den Sauerstoff aus dem Heizwasser entfernen. Die Möglichkeit, Korrosion auch bei Anwesenheit von Sauerstoff durch Zugabe von Korrosions-Inhibitoren zu unterbinden, ist als weniger sicher anzusehen. Näheres zu diesen Fragen ist in Abschnitt 1.10.2-12 zu finden. Bei der Vermeidung von Steinbildung geht es im Wesentlichen um die Entfernung des im Wasser enthaltenen Calciumhydrogencarbonats, was mit Hilfe von Ionenaustauschern (siehe Abschnitt 1.10.3-3) erfolgt.

2.4.3-2

Anlagen zur physikalischen Entgasung

Eine Anlage zur thermischen Entgasung zeigt Bild 2.4.3-1. Das zu entgasende Wasser wird von oben über Rieselbleche geleitet, während von unten Dampf eingeleitet wird. Durch das Aufheizen des Wassers auf nahezu 100°C und die dadurch verringerte Löslichkeit der Gase Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid werden diese praktisch vollständig aus dem Wasser entfernt. Die Entgasung kann auch bei niedrigen Temperaturen ohne Dampf durchgeführt werden, wenn Vakuum-Entgaser zum Einsatz kommen. In den letzten Jahren werden Druckstufenentgaser als atmosphärische oder VakuumEntgaser eingesetzt. Effektive Entgasung über Unterdruck oder sogar Vakuum, atmosphärische Entgasung nicht so effizient. Bereits in Anlagen ab ca. 100 kW sorgen sie als zentrale „Entlüfer“ für blasenfreies Wasser und verhindern, bzw. verringern Erosion, Korrosion, Geräusche und Zirkulationsstörungen der angeschlossenen Anlage. In Druckstufen-Entgasern wird der Druck mittels Hilfsenergie weit unter die Sättigungsgrenze für Gase gesenkt. Selbst gelöste Gase desorbieren teilweise zu Blasen und können

1)

VDI 2035, Blätter 1–3.

2

1186

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

Bild 2.4.3-1. Anlage zur thermischen Entgasung.

abgeführt werden. Die Entgasung ist relativ unabhängig von den Anlagenparametern und deshalb universell einsetzbar. Vakuum-Entgaser sind in der Lage den Gasgehalt nahezu gegen Null zu senken. Da sie einfach in bestehende Anlagen nachrüstbar sind, kommen sie sehr häufig als „Problemlöser“ zum Einsatz in mangelhaften Anlagen (Kunststoffleitungen ohne Sperrschicht, unzureichend entlüftete bzw. entlüftbare Anlagen, Anlagen mit unterdimensioniertem Ausdehnungsgefäß). Vakuum-Entgaser senken darüber hinaus den Sauerstoffgehalt des Nachspeisewassers spürbar.

Bild 2.4.3-2. Spezielles Entgasungsgefäß für VakuumDruckstufen-Entgaser (Pneumatex)

2.4.3 Anlagen zum Korrosions- und Steinschutz

2.4.3-3

1187

Anlagen zur chemischen Sauerstoffbindung

Bei der chemischen Sauerstoffbindung muss dem Heizwasser die erforderliche Menge eines in Wasser gelösten Sauerstoffbindemittels zugegeben werden. Dies erfolgt im Wesentlichen kontinuierlich über eine Dosieranlage, bestehend aus einem Vorratsbehälter, einer Pumpe und einer Dosierstelle (Bild 2.4.3-4). Bei Kleinanlagen ist auch eine diskontinuierliche Dosierung über eine Handpumpe oder eine Einziehschleuse (Bild 2.4.3-3) möglich.

2 Bild 2.4.3-3. Einziehschleuse.

Die Ansteuerung der Dosierpumpe wird durch die Art des Sauerstoffzutritts bestimmt. Bei ausschließlichem Zutritt von Sauerstoff mit dem Füll- und Ergänzungswasser wird die Dosierpumpe zweckmäßigerweise über einen Kontaktwasserzähler angesteuert. Bei ständigem Sauerstoffzutritt z. B. über gasdurchlässige Bauteile muss die Zugabe unabhängig von der Menge des Füll- und Ergänzungswassers mit Hilfe einer Zeitschaltuhr auf die täglich erforderliche Menge an Sauerstoffbindemittel eingestellt werden. Eine aufwendigere Lösung für größere Anlagen besteht in der Kombination mit einer Redoxelektrode, die in Verbindung mit einem geeigneten Regler bei Unterschreitung eines (von der Konzentration an Sauerstoffbindemittel abhängigen) Redoxpotentials die Dosierung auslöst.

Bild 2.4.3-4. Dosierpumpenanlage für Sauerstoffbindemittel.

Die üblichen Dosierstationen sind für eine automatische Zugabe von Sauerstoffbindemittel nicht geeignet, weil der Vorratsbehälter zur Atmosphäre hin offen ist. Ein erhebli-

1188

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

cher Teil der Sauerstoffbindekapazität geht dann durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff verloren. Bild 2.4.3-4 zeigt das Schema einer Anlage, bei der sich das Sauerstoffbindemittel in einem Beutel aus einer sauerstoffdichten Kunststoff-Folie in einem Pappkarton (sog. bag in box) befindet. Der Ansaugstutzen der Pumpe ist so aufgeschraubt, dass keine Verbindung zur Atmosphäre besteht. Dementsprechend faltet sich der Beutel bei der Entnahme des Sauerstoffbindemittels zusammen.

2.4.3-4

Anlagen zur elektrochemischen Sauerstoffbindung

Die einfachste Anlage zur elektrochemischen Sauerstoffbindung durch kathodische Sauerstoffreduktion an einer Metalloberfläche besteht aus einem Behälter, der im Rücklauf vor dem Heizkessel angeordnet (Bild 2.4.3-5) ist. Im Innern des Behälters reagiert der im Heizwasser enthaltene Sauerstoff mit aktivem Metall, das aus Zinkblechen oder aus speziell geformten Eisenblechen mit Edelmetallbeschichtung besteht. Bei einem weiteren ähnlichen Verfahren (ELYSATOR, CH) ist das aktive Metall in Form von Magnesiumanoden im Innern des Stahlbehälters angeordnet. Ausschlaggebend für die SauerstoffAbbindegeschwindigkeit ist die Größe der Oberfläche, an der die kathodische Sauerstoffreduktion stattfinden kann.

Bild 2.4.3-5. Reaktionsbehälter im Rücklauf vor dem Heizkessel.

Gegenüber der chemischen Sauerstoffbindung haben alle diese Verfahren den Nachteil, dass die Sauerstoffentfernung erst am Einbauort einsetzt. Wenn zwischen der Stelle des Sauerstoffzutritts (z. B. über nicht sauerstoffdichte Kunststoffrohre) und dem Behälter Stahl-Rohrleitungen angeordnet sind, findet ein erheblicher Teil der Sauerstoffentfernung bereits durch Korrosion in diesen Rohrleitungen statt. Vorteilhaft sind hingegen der geringere Wartungsbedarf, der bei größeren Anlagen stärker ins Gewicht fallende geringere Preis der metallischen Reduktionsmittel und die gleichzeitige Wirkung des Behälters als Schlammfang. Eine Sonderstellung nimmt ein Verfahren mit fremdstromgespeisten Eisenanoden (GULDAGER, Gelsenkirchen) ein, bei dem die Sauerstoffreduktion nicht nur an der Behälterwandung stattfindet, sondern bei der durch den aufgeprägten Gleichstrom eine Elektrolyse stattfindet, die zur Bildung von Eisen(2)-Ionen führt. Die Eisen(2)-Ionen können als chemisches Sauerstoffbindemittel an allen Teilen der Anlage wirksam werden.

2.4.3-5

Ionenaustauscher

Zur Vermeidung von Steinbildung werden dem Wasser üblicherweise Calcium- und Magnesium-Ionen durch Behandlung in einem Ionenaustauscher entzogen (Bild 2.4.3-6). Die Kunstharz-Kügelchen der Austauschermasse sind mit Natrium-Ionen beladen, die gegen die Calcium- und Magnesium-Ionen des zu behandelnden Wassers ausgetauscht werden. Wenn die Austauscherkapazität erschöpft ist, findet eine Regenerierung mit Natriumchlorid-Lösung statt, wobei die dann in höherer Konzentration vorliegenden Natrium-Ionen die an das Harz gebundenen Calcium- und Magnesium-Ionen wieder verdrängen. Diese Anlagen werden vielfach als Doppelanlagen installiert, wobei nach Er-

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2.4.4 Schallschutz

1191

schöpfung der ersten Anlage automatisch auf die zweite Anlage umgeschaltet wird, während die erste Anlage dann in dieser Zeit regeneriert wird.

Bild 2.4.3-6. Ionenaustauscher.

Auch das entsalzte Wasser, das in speziellen Fällen zweckmäßig sein kann (z. B. beim Betrieb von Schnelldampferzeugern), wird üblicherweise mit Ionenaustauschern hergestellt. Hierbei werden allerdings zwei verschiedene Austauschermassen benötigt, mit Wasserstoff-Ionen beladene Kationenaustauscherharze und mit Hydroxyl-Ionen beladene Anionenaustauscherharze. Die Regenerierung muss einerseits mit Mineralsäure (Salzsäure, Schwefelsäure) und andererseits mit Natronlauge erfolgen.

2.4.3-6

Anlagen zur Umkehrosmose

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von entsalztem Wasser bietet das Verfahren der Umkehrosmose, bei dem neben dem entsalzten Wasser als Nebenprodukt Wasser mit erhöhtem Salzgehalt anfällt. Dieses Verfahren hat sich vor allem bei größerem Bedarf an entsalztem Wasser als wesentlich preisgünstiger erwiesen. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Verfahren mit Ionenaustauscher besteht darin, dass keine vergleichbar aufwendige Regenerierung erforderlich ist. Nachteilig ist der niedrige Entsalzungsgrad. Wenn eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist, muss ein Mischbett-Ionenaustauscher nachgeschaltet werden.

2.4.4

Schallschutz1)

a) Geräuschquellen Verbrennungsgeräusche bei Öl- und Gasbrennern entstehen durch Wirbelbildungen oder Druckschwankungen am Ventilator oder Verbrennungsraum. Abstrahlung als Luftschall von der Kesselwandung. Verstärkung manchmal durch Resonanz zwischen Verbrennungsraum und Schornstein. Hauptfrequenz im niederen Bereich 100…500 Hz. Brenner-Kessel-Abstimmung erforderlich. Beim Anfahren größere Geräusche durch plötzliche Druckerhöhung. Weitere Geräuschquellen einer Kesselanlage: Umwälzpumpen bei Unwucht, Lagerschäden, Ablagerungen; Armaturen bei hohen Wassergeschwindigkeiten; Wärmespannungen (Knackgeräusche). b) Geräuschfortpflanzung durch Luftschall vom Kessel über Decke, Wände, Schornstein in Nachbarraum; durch Körperschall über das Fundament, Rohrleitungen, Pumpen, besonders bei großen Anlagen und Dachheizzentralen. 1)

VDI 2715 „Schallschutz an heiztechnischen Anlagen“, 11-2011; DIN 4109 „Schallschutz im Hochbau; Anforderungen und Nachweise“, 11-1989; DIN 4109 A1 „Schallschutz im Hochbau – Anforderungen und Nachweise; Änderung A1“, 01-2001.

2

1192

2. Heizung / 2.4 Systemübergreifende Gebiete

c) Zulässige Schallpegel Übliche Schallpegel in Heizungsräumen bei normalem Bauaufwand etwa bei Kesseln s. Bild 2.4.3-7.

Bild 2.4.3-7. Schallpegel in Heizräumen (Äquivalente Absorptionsfläche 10 m2).

Die Werte können durch geeignete Maßnahmen um bis 15 dB verringert werden. Hauptfrequenzen 500…2000 Hz. In angrenzenden Räumen müssen die Richtwerte für Schalldruckpegel entsprechend Tafel 3.5.3-1 (siehe Abschnitt 3.5.3) eingehalten werden. Wände sind dementsprechend zu dämmen. Im Heizraum soll 85 dB(A) nicht überschritten werden, anderenfalls gilt die Heizzentrale im Sinne der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (LärmVibrationsArbSchV)1) als Lärmbereich, in dem Gehörschutz zu tragen ist. d) Bauliche Schallschutzmaßnahmen Wände und Decken der Heizzentralen müssen eine ausreichende Schalldämmung aufweisen. Da bei den Geräuschen, die von Heizungsanlagen ausgehen, die tiefen Frequenzanteile sehr hoch sind, sollte im Gebäudeentwurf möglichst vermieden werden, dass Heizzentralen unmittelbar an schutzbedürftige Räume angrenzen. Das erforderliche Schalldämm-Maß der Wände und Decken von Heizzentralen wird entsprechend Abschnitt 1.5.7-2 berechnet. Diese Berechnung ist für alle Terzbänder im Bereich von 100 Hz bis 3150 Hz durchzuführen. Liegen keine frequenzabhängigen Werte für den Schalldruckpegel in der Heizzentrale vor, kann entsprechend VDI 2715 auch mit dem A-bewerteten Gesamtschalldruckpegel gerechnet werden. In der Gleichung in Abschnitt 1.5.7-2 wird dann das Schalldämm-Maß durch das bewertete Schalldämm-Maß (siehe Abschnitt 1.5.7-3) ersetzt. Um die großen tieffrequenten Geräuschanteile zu berücksichtigen, wird zusätzlich ein Korrekturfaktor eingeführt. Die Gleichung für das resultierende Schalldämmmaß R′W,erf lautet damit: S2 R′W,erf = LA1 – LA2 + 10 · lg ------ + K in dB A2 mit LA1 = A-bewerteter Schalldruckpegel in der Heizzentrale in dB LA2 = A-bewerteter Schalldruckpegel im Nachbarraum in dB S2 = Fläche der trennenden Wand bzw. Decke auf der Seite des Nachbarraumes in m2 A2 = äquivalente Absorptionsfläche im Nachbarraum in m2 K = Korrektur für den Frequenzgang des Geräusches. Bei Heizungsanlagen gilt: K = 8 dB e) Weitere Maßnahmen Verbrennungsgeräusche lassen sich beeinflussen durch Änderung der Öl-Luft-Mischung, Düsengröße und Düsenwinkel, Pumpendruck, Elektrodenabstand u. a. Weitere Maßnahmen zur Verringerung der Geräusche und Geräuschübertragung s. Bild 2.4.3-8. Sie sind je nach Größe der Anlage und örtlichen Verhältnissen zu wählen. Besonders wichtig sind Abgasschalldämpfer und schalldämmende Brennerhauben. Beide Bauteile

1)

Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung vom 6. März 2007 (BGBl. I S. 261), die zuletzt durch Artikel 3 der Verordnung vom 19. Juli 2010 (BGBl. I S. 960) geändert worden ist.

2.4.4 Schallschutz

1193

werden von Fachfirmen geliefert. Brennerhauben bewirken 10…20 dB Pegelminderung, Abgasschalldämpfer bei 1 m Länge etwa 10…15 dB. Bei Dachheizzentralen empfiehlt sich schwimmendes Betonfundament auf Dämmplatten oder sogar elastische Lagerung der ganzen Heizzentrale in einer Betonzelle.

Bild 2.4.3-8. Schallschutzmaßnahmen bei Heizungskesseln. 1 = Schalldämpfer bei der Ansaugöffnung nach außen, 2 = Schalldämmende Haube über Brenner, Dämmung 10…15 dB, 3 = Isolierung der Rohre bei Wand- und Deckendurchführungen sowie bei Aufhängungen, 4 = Körperschalldämmende Unterlagen für Kessel und Pumpen, 5 = Schalldämpfer in Abgasleitungen (Dämmung ca. 10 dB, 6 = Isolierung des Abgasrohres bei der Schornsteineinführung, 7 = Kompensatoren zwischen Kessel und Rohrleitungen

2

1194

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

KÖPFE

2.5

Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen1)

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Der Wärmeverbrauch eines Raumes oder Hauses ist zeitlichen Schwankungen unterworfen. Er hängt von der Außenlufttemperatur, von den Windverhältnissen, der Sonneneinstrahlung, den inneren Wärmequellen und anderen Einflüssen ab. Die fortwährende Anpassung der Heizleistung von Heizkörpern und Heizkesseln an den veränderlichen Wärmebedarf kann nur von einer selbsttätig arbeitenden Regelung effizient erfüllt werden. Bei der Wahl der Raumtemperatursollwerte ist zwischen Ökonomie, Ökologie und dem Komfortbedürfnis abzuwägen. Außerdem soll die Regelung die für die Heizung erforderliche Wärmeerzeugung überwachen und so steuern, dass die Wärmeverluste so gering wie möglich sind.2) Durch die Zusammenführung der Wärmeschutzverordnung (WSchV) und der Heizungsanlagenverordnung (HeizAnlV) zur Energieeinsparverordnung 2002 (EnEV 2002) erfolgte erstmals eine gesamtheitliche Betrachtung von Gebäudehülle und Anlagentechnik. Die Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes und die Erhöhung der anlagentechnischen Effizienz wurden als wichtigste Wege zur Senkung des Energieverbrauchs bei der Gebäudeversorgung berücksichtigt. Über die Jahre hin wurde die EnEV mehrmals überarbeitet. Mit der am 01.05.2014 in Kraft getretenen Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV 2014) wurden die Anforderungen an neu zu errichtende Gebäude im Hinblick auf den EU-Niedrigstenergiegebäudestandard weiter angehoben. Ab dem Jahr 2021 sollen nach europäischen Vorgaben dann alle Neubauten nach diesem EU-Niedrigstenergiegebäudestandard errichtet werden. Für Behördengebäude soll dies bereits ab 2019 gelten. Die entsprechenden Vorgaben dazu sollen bis spätestens Ende 2016 (Behördengebäude) bzw. bis 2018 für alle Neubauten gemacht werden. Bei der Sanierung bestehender Gebäude wurde keine Verschärfung vorgenommen, da die Anforderungen bei der Modernisierung im Gebäudebestand bereits sehr anspruchsvoll sind. Erweitert wurde in der EnEV 2014 die Austauschpflicht für alte Konstanttemperaturkessel mit Jahrgängen älter als 1985 bzw. wenn diese älter als 30 Jahre sind. Diese Regelung galt bisher für Heizkessel, die vor 1978 eingebaut wurden. Für die Austauschpflicht gibt es aber einige Ausnahmen, die in der EnEV 2014 genauer beschrieben sind bzw. seit der EnEV 2002 auch weiterhin gelten. Die Energieeinsparverordnung regelt für die Errichtung und Änderung von beheizten oder gekühlten Gebäuden u. a.: • die Anforderungen für Wohn- und Nichtwohngebäude mit einigen wenigen Ausnahmen wie Traglufthallen, Ställen, Gewächshäusern oder Kirchen, • die Mindestanforderungen an Heizungs-, Kühl- und Raumlufttechnik sowie an die Warmwasserbereitung, • die Anforderungen an die Höchstwerte für den Jahres-Primärenergiebedarf und den auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlust, • die jeweils vorgeschriebenen Berechnungsmethoden, • die energetische Inspektion von Klimaanlagen, • die Vorgaben zum Energieausweis sowie • den Vollzug der Verordnung. Die EnEV schreibt auch weiterhin vor, dass „Zentralheizungen mit zentral selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Verringerung und Abschaltung der Wärmezufuhr sowie zur Ein- und Ausschaltung elektrischer Antriebe in Abhängigkeit von 1. der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und 2. der Zeit auszustatten sind“. Weiterhin sind „heizungstechnische Anlagen mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur auszustatten“, z. B. Thermostatventile 1) 2)

Überarbeitet für die 77. Ausgabe durch Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach am Herzberg. Wolff, D.: Wärmetechnik (1991), Nr. 3, S. 180ff.; Nr. 5, S. 280ff.; Nr. 6, S. 325ff.; Nr. 7. Andreas, U.; Wolff, D.: HLH (1984), Nr. 8, S. 361–370. Winter, A.; Wolff, D.: HLH (195), Nr. 3, S. 120ff. Diverse Autoren zum Thema Heizungsregelung: atp Automatisierungstechnische Praxis (1995), Nr. 1.

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2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

1197

oder elektronische Einzelraumtemperaturregelungen. Soweit die geforderte Ausstattung bei bestehenden Gebäuden nicht vorhanden ist, muss der Eigentümer sie nachrüsten. Dies gilt auch für Fußbodenheizungen, bei denen rücklauftemperaturgesteuerte Regeleinrichtungen nicht zulässig sind. Ausgenommen sind Fußbodenheizungen, die vor dem 1. Februar 2002 eingebaut worden sind. Diese dürfen auch mit Einrichtungen zur raumweisen Anpassung der Wärmeleistung an die Heizlast ausgestattet werden. Beibehalten wurde auch die Leistungsgrenze zum Einbau von selbsttätig, geregelten Umwälzpumpen in Zentralheizungsanlagen für die Heizkreise. Verlangt wird weiterhin, dass bereits bei Kesselleistungen von mehr als 25 kW die elektrische Leistungsaufnahme der Heizkreispumpen in mindestens drei Stufen dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig angepasst wird. Bei Anlagen mit konstanten Volumenströmen (z. B. Speicherladepumpe) entfällt die Forderung nach einer regelbaren Pumpe. Warmwasser-Zirkulationspumpen müssen, wie bisher, mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Ein- und Ausschaltung ausgestattet werden.

2.5.1

Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung1)

Aufgabe dieser Regler ist es, die Temperatur eines einzelnen Raumes durch Einstellung der Wärmezufuhr zum Heizkörper oder zu Heizflächen auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Die verschiedenen Raumtemperaturregelungssysteme kann man wie folgt klassifizieren: • Thermostatische Heizkörperventile – ohne Hilfsenergie – mit Hilfsenergie • mit Zeitschaltuhr • mit Netzwerkanbindung • Elektronische Einzelraumtemperaturregelung – autarke Einzelraumregelungssysteme – Einzelraumtemperaturregelung vernetzt mit Zentralgerät • Kabelgebunden • per Funk

2.5.1-1

Thermostatische Heizkörperventile

Neben den reinen thermostatischen Heizkörperventilen ohne Hilfsenergie gibt es heute Thermostatköpfe mit eingebauter oder zusätzlicher Elektronik (mit Hilfsenergie), mit der Möglichkeit einer individuellen Heizzeitenprogrammierung über eine einfach zu bedienende und abnehmbare Elektronikbox oder einer separaten Zeitschaltuhr.

2.5.1-1.1

Regler ohne Hilfsenergie2)

Thermostatische Heizkörperventile (THKV) sind die kostengünstigste Lösung für die nach der EnEV geforderten selbsttätigen Einrichtungen zur raumweisen Temperaturregelung. Die technischen Anforderungen für Thermostatventile sind heute europaweit in der DIN EN 2153) genormt. Für alle Thermostatventile, die das CE-Konformitätszeichen führen, gelten einheitliche Qualitätsstandards. Bei den thermostatischen Heizkörperventilen unterscheidet man anhand des Fühlerelementes, d. h. mit welchem Medium das Fühlerelement gefüllt ist. Man unterscheidet zwischen: • Flüssigkeitsgefüllten und • gasgefüllten Thermostatventilen. Die gasgefüllten Thermostatventile schließen schon bei einer um 1 °C erhöhten Raumtemperatur. Herkömmliche Thermostatventile sind zu diesem Zeitpunkt noch zu 50 % geöffnet und schließen erst bei einer um 2 °C erhöhten Raumtemperatur. Gegenüber den flüssigkeitsgefüllten Thermostatventilen sparen die gasgefüllten Thermostatventile bis zu 5 % an Energie. 1) 2) 3)

Pfannstiel, D.: Energieeinsparung und Komfortverbesserung. HLH (2009), Nr. 1–4. VDMA 24199 „Regelungstechnische Anforderungen an die Hydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte-, Trinkwarmwasser- und raumlufttechnischen Anlagen“, 05-2005. DIN EN 215 „Thermostatische Heizkörperventile, Anforderungen und Prüfung“, 03-1988.

2

1198

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Thermostatische Heizkörperventile werden anstelle gewöhnlicher handbedienter Radiatorventile verwendet, um die Wärmeabgabe eines Heizkörpers automatisch dem jeweiligen Wärmebedarf des Raums durch Änderung des Volumenstromes des Heizmittels anzupassen. Sie werden zweiteilig hergestellt: Ventil (Unterteil) und Regler (Oberteil), Bild 2.5.1-1

Bild 2.5.1-2. Prinzip eines thermostatischen Heizkörperventils. Bild 2.5.1-1. Thermostatisches Heizkörperventil – Ventil und Regler (Oventrop).

Bild 2.5.1-3. Temperaturregler mit Fernfühler für einen Heizkörper.

Im Regler befindet sich der Thermostat, der in einem Behälter eine dampfförmige, flüssige oder feste (pastenartige) Substanz enthält Bild 2.5.1-2. Diese dehnt sich bei Erwärmung aus und schließt das Ventil gegen Federdruck. Der Hubliegt etwa bei 0,5 bis 1 mm. Meist ist der Regler mit eingebautem Fühler direkt am Ventil angebaut. Die Ventilspindel ist möglichst waagerecht zu montieren, damit der Fühler von der Raumluft umströmt wird, andernfalls ist eine Korrektur des Sollwerts nötig (ca. 2 K). Bei ungünstigen Einbauverhältnissen kann eine Trennung des Thermostats vom Ventil in Verbindung mit einem Kapillarrohr erfolgen (Bild 2.5.1-3). Die Spindel wird durch O-Ringe oder durch eine Stopfbuchse abgedichtet. Es sind heute viele Fabrikate auf dem Markt1) zu denen auch das entsprechende Auslegungsdiagramm angegeben wird (Bild 2.5.1-4). Die Ventile sind regelungstechnisch gesehen Proportional-Regler mit einem Proportionalbereich von 1…3 K, der sich aus der Rohrnetzbemessung und aus der Ventilauswahl ergibt. Zu jeder Fühlertemperatur gehört eine bestimmte Ventilstellung. Bei steigender Fühlertemperatur schließt das Ventil, bei fallender Temperatur öffnet es. Zwischen der Schließ- und der Öffnungskennlinie besteht durch Reibung in der Stopfbuchse eine geringe Temperaturdifferenz (Hysterese), Bild 2.5.1-5. Der Sollwert wird durch Vorspannung einer Gegendruckfeder festgelegt. Der Sollwertbereich (Einstellbereich)liegt meist zwischen 5 und 30 °C. Die Heizleistung des Heizkörpers ist nicht proportional dem Massenstrom oder Ventilhub, sondern hängt ab von der Kennlinie des Heizkörpers. Der Zusammenhang zwischen Massenstrom und Ventilhub ist durch die Ventilkennlinie und die Ventilautorität av, d. h. den anteiligen Druckabfall des geöffneten Ventils zum Gesamtdruckabfall des Netzteiles gegeben. Dadurch erhält man für die Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperatur Diagramme wie in Bild 2.5.1-5 dargestellt. Man erkennt, dass bei einem Temperaturanstieg von 1,0 K bereits etwa 65 % der Heizleistung abgedrosselt werden. Das P-Band (Proportionalabweichung) beträgt hier 2 K. Durch Reibung im Ventil ent-

1)

Stiftung Warentest, test (2008), Nr. 5.

2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

Bild 2.5.1-4. Auslegungsdiagramm für Thermostatventil RA-N 15 (Danfoss).

1199

Bild 2.5.1-5. Heizkörperleistung in Abhängigkeit von der Raumtemperatur (Proportionalbereich 2 K).

steht die Öffnungs- und die Schließkennlinie, die im Beispiel des Bild 2.5.1-5 eine Hysterese von 1 K erzeugt. Dadurch ergibt sich ein effektives P-Band von 3 K. Eine Verbesserung der Regelkennlinie kann durch einen konstanten Druckabfall am Ventil erreicht werden, was empfehlenswert ist (Bild 2.5.1-6). Dies verringert den Energieverbrauch infolge einer verringerten Regelabweichung und durch eine bessere Nutzung der Fremdwärme (z. B. Sonneneinstrahlung, elektr. Geräte usw.). Einen ähnlichen Einfluss wie die Fremdenergie hat eine zu hohe Heizwasser-Vorlauftemperatur. Durch Wärmeleitung im Ventilkörper wird im Fühler eine höhere Temperatur erzeugt als die tatsächliche Raumtemperatur beträgt. Bei Auslegung mit kleinen Proportionalbereichen und hohen Fremdwärmeanteilen verstärkt sich dadurch der Wassertemperatureinfluss. Regelschwingungen bzw. Zweipunktverhalten sind dann möglich. Die DIN EN 215 gibt 1,5 K pro 30 K Wassertemperaturerhöhung vor (größter Einfluss). Thermostatköpfe von hochwertigen Thermostatventilen weisen einen Einfluss von 0,5–0,8 K pro 30 K auf. Gemäß EnEV ist bei allen Heizungsanlagen mit einer Kesselnennwärmeleistung > 25 kW gesetzlich vorgeschrieben, dass zusätzlich zur Raumtemperaturregelung die elektrische Leistungsaufnahme der Heizkreispumpen dem betriebsbedingten Förderbedarf selbsttätig in mindestens drei Stufen angepasst wird.. Für die Bemessung der Ventile sind aus der Rohrnetzdimensionierung Angaben über den Differenzdruck Δpv des Ventils und den Massenstrom erforderlich. Mit diesen Werten kann das geeignete Ventil aus den Diagrammen der Hersteller ausgewählt werden. Beispiel Bild 2.5.1-4, das sich auf einen Proportionalbereich von 2 K bezieht. Max. Differenzdruck 0,15…0,2 bar, da sonst Geräusche entstehen. Ventilautorität av möglichst 0,3…0,7, um eine günstige Regelcharakteristik zu erhalten. Dimemsionierungsbeispiel: Wärmebedarf Q = 0,7 kW Abkühlung über Heizkörper ΔT = 20°C Wassermenge durch Heizkörper: 0, 7 kv = ----------------------- = 0,03 m3/h = 30 Liter/h 20 × 1, 16 Druckabfall über dem Ventil: Δp = 0,1 bar = 1 mWS Einstellung am Ventil: RA-N 10: 2 RA-N 15: 2 (aus Bild 2.5.1-4) RA-N 20/25: 1.

2

1200

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bild 2.5.1-6. Öffnungs- und Schließkennlinie eines thermostatischen Heizkörperventils bei konstantem und variablem Differenzdruck der Pumpe. A=Auslegungspunkt.

Bei den meisten Herstellern werden Ventile mit variabler Voreinstellung verwendet, wodurch sich stufenlos Massenstrom und Druckverhältnis den Betriebsverhältnissen anpassenlassen. Sinnvoll ist der Einsatz von Thermostatventilen mit verschiedenen Ventilkegeleinsätzen (verschiedene kvs-Werte), während zusätzlich einstellbare Widerstände im Ventil-Gehäuse die Ventilautorität und damit die Regelgüte verschlechtern. Derartige Ventile sind besonders für Anlagen, z. B. Fern- oder Nahwärmesysteme mit großen Temperaturdifferenzen zwischen Vorlauf und Rücklauf zweckmäßig.1) Thermostatische Heizkörperventile (THKV) sind die kostengünstigste Lösung für die nach der EnEV geforderten selbsttätigen Einrichtungen zur raumweisen Temperaturregelung. Die richtige Planung und Auswahl von THKVlegt die Grundlage für eine gleichmäßige Versorgung aller Verbraucher (Heizkörper), die Ausnutzung von Fremdwärme und damit verbunden einen niedrigen Jahresheizwärmebedarf und die Einhaltung einer geforderten Solltemperatur unter üblichen Betriebsbedingungen in den beheizten Räumen.2) Die technischen Anforderungen für Thermostatventile sind heute europaweit einheitlich genormt (DIN EN 215). Für alle Thermostatventile, die das CEN-Konformitätszeichen führen, gelten einheitliche Qualitätsstandards. Die Mindestanforderungen für die Funktion eines thermostatischen Heizkörperventils bezüglich Hysterese, Differenzdruckeinfluss, Einfluss des statischen Druckes und andere Eigenschaften sowie andere wichtige Einflussfaktoren sind genau definiert. Aber auch eine genaue Auslegung und die Betriebsbedingungen des Thermostatventils sind wichtige Kriterien für die Funktion eines thermostatischen Heizkörperventils. So ist der kv-Wert des Ventils beispielsweise über eine im Ventil integrierte Voreinstellung exakt auf die Wärmeleistung des Heizkörpers und den daraus resultierenden Massenstrom anzupassen. Energiesparverordnung und DIN 4701-10 unterscheiden hier zwischen dem bisher üblichen Auslegungsproportionalbereich von 2 K und dem für höhere Energieeinsparung optimierten P-Bereich von xp = 1 K. Besonders gut erfüllen diese Anforderungen Fühlerelemente mit großem spezifischem Hub wie die reaktionsschnellen gasgefüllten Fühlerelemente. Für weiter optimierte Regeleigenschaften ist der Differenzdruck am Thermostatventil im Bereich von 5 bis 10 kPa konstant zu halten und darf auch im Teillastfall 10 bis 20 kPa nicht übersteigen. Hierzu sind entsprechende Pumpen auszuwählen – beziehungsweise je nach Anlage zusätzlich dezentrale Differenzdruckregler einzusetzen. Eine witterungsgeführte Vorregelung ist erforderlich wegen des erwähnten negativen Effektes zu hoher Vorlauftemperaturen auf die Regelgüte. Zu große Differenzdrücke durch Pumpen mit flacher Kennlinie oder Drehzahlregelung sowie durch Differenzdruckregler in größeren Anlagen vermeiden. Ferner Rohrnetz so dimensionieren, dass Differenzdruck am Ventil ≤ 0,1 bar (Bild 2.5.1-6). Bei Zweirohrheizungen ist auf ausreichenden Gesamtvolumenstrom auch bei geschlossenen Thermostatventilen zu achten, z. B. durch Bypassventile oder besser Differenzdruckventile. Für Einrohrheizungen sind Thermostatventile ebenfalls verwendbar. Es gibt Ausführungen mit unterem Anschluss und solche mit 2 Anschlüssen (oben und unten), die günstiger sind. 1) 2)

Bartsch, D.: HLH (1983), Nr. 10, S. 424–426. Wolff, D. et al.: Wärmetechnik (1998), Nr. 7.

2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

2.5.1-1.2

1201

Regler mit Hilfsenergie

Die einfachen thermostatischen Heizkörperventile können mit einer zusätzlichen Elektronik (Zeitsteuerung oder Netzwerkanbindung) relativ einfach aufgewertet bzw. intelligenter gemacht werden und reduzieren dadurch zusätzlich den Energieverbrauch. Die thermostatischen Heizkörperventile gibt es heute mit eingebauter oder zusätzlicher Elektronik, mit der Möglichkeit einer individuellen Heizzeitenprogrammierung über eine einfach zu bedienende und abnehmbare Elektronikbox oder einer separaten Zeitschaltuhr. 2.5.1-1.2.1

Mit Zeitschaltuhr

Man findet die verschiedensten Thermostate, mit der Möglichkeit direkt am Heizkörperventil Heiz- und Absenkzeiten einschließlich der Absenktemperatur einzustellen. Bei diesen Systemen handelt es sich um autarke Systeme, d.h. diese kommunizieren mit keinem anderen Gerät im Haus. Daher müssen die Schaltzeiten, die an diesen Thermostaten eingestellt werden, mit den Schaltzeiten der Heizungsregelung abgeglichen, d.h. manuell eingestellt werden. Einfache Einzelraum-Temperaturregelsysteme verwenden z.B. eine Zeitschaltuhr in Verbindung mit einem speziellen Thermostat (Bild 2.5.1-7). Das Thermostat selbst hat die Funktion eines üblichen Thermostaten ohne Hilfsenergie. Bei Bedarflässt es sich mit einem Steckernetzteil und einer Zeitschaltuhr zu einem sogenannten Energiespar-Set aufrüsten. Für den Anschluss des Steckernetzteiles (230 V, 24 V) ist in dem Thermostat eine entsprechende Aufnahmebuchse vorhanden. Ein voreingestellter Sollwert wird am Thermostat um ca. 4 °C während der programmierten Zeitintervalle abgesenkt. Die eingesstellten Schaltzeiten können einfach geändert werden. Eslassen sich dabei individuelle eizzeiten für jeden Wochentag einstellen. Räume, die nicht durchgehend benutzt werden, können dadurch bedarfsgerecht und energiesparend beheizt werden.

Bild 2.5.1-7. Energiespar-Set (Oventrop).

Bild 2.5.1-8. Elektronischer Heizkörperregler HR 40 (Honeywell)

Bild 2.5.1-9. Programmierbarer Heizkörperthermostat (Danfoss). Links: Ansicht; rechts: Programmierung der Schaltzeiten

In den Geräten nach Bild 2.5.1-8 und Bild 2.5.1-9 ist die Zeitschaltuhr direkt am Thermostat angebracht. Der Vorteil dieser Geräte ist, dass hier kein Netzanschluss benötigt wird, Diese Heizkörperregler werden über Batterien versorgt, die ca. erst nach 4 bis 5 Jah-

2

1202

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

ren ausgetauscht werden müssen. Der Thermostatkopf kann auf gängige Ventilunterteile aufgesetzt werden. Er besitzt einen Elektromotor als Antriebseinheit sowie einen Mikroprozessor. Es stehen beim System nach Bild 2.5.1-8a vier Schaltzeiten pro Tag zur Verfügung, die individuell programmierbar sind. Den eingestellten Schaltzeiten können aber keine individuellen Temperaturen zugeordnet werden, d. h. die Heiz- und Spartemperatur gelten für alle eingestellten Schaltzeiten gleichermaßen. Die Fuzzylogik, die Fensterfunktion (bei Kaltlufterfassung schließt der Regler das Heizkörperventil) und die automatische Sommer-/Winterzeitumschaltung sorgen bei diesem System für einen sparsamen Heizbetrieb und für den entsprechenden Komfort. Die Frostschutzfunktion und der automatische Wartungslauf (Schutz vor Verkalkung) verhindern ein Einfrieren ddes Heizkörpers sowie ein Festsitzen des Ventils. Im Sommerbetrieb kann der Heizkörperregler von Hand ausgeschaltet werden. Beim System nach Bild 2.5.1-9 stehen zwei individuell veränderbare Zeitprogramme zur Verfügung, die dem jeweiligen Wochentag zugeordnet werden können. Durch die individuelle Programmierung der Heizzeiten kann für 7 Wochentage jeweils pro Tag das passende Heizprogramm gewählt werden, d. h. für Zeiten, in denen nicht geheizt werdensoll, kann der Raum um ca. 3 °C abgesenkt werden. D. h. eingestellt wird am Thermosttatkopf nur die Temperatur für den Heizbetrieb und anhand des zugeordneten Programmes wird die Heiz- oder Absenkphase für den jeweiligen Wochentag aktiviert. Durch einfaches Betätigen der Komfort-Taste kann unabhängig davon, ob zurzeit die Heizphase oder die Absenkphase aktiviert ist, in den jeweils anderen Zustand geschaltet werden. Diese Übersteuerung gilt bis zur nächsten einprogrammierten Schaltphase. 2.5.1-1.2.2

Mit Netzwerkanbindung

Systeme mit Netzwerkanbindung erlauben, die einfachen thermostatischen Heizkörperventile in Verbindung mit einem installierten Netzwerk anzusteuern. Wird der Thermostat mit Spannung beaufschlagt, so wird das Fühlerelement entsprechend der Spannungshöhe erwärmt. Der Thermostat schaltet auf Absenkbetrieb. Jeder Thermostat wird über einen Applikationsrouter an das gebäudeinterne Datennetz angeschlossen und nutzt die im Gebäude vorhandene Infrastruktur wie Kabelkanäle und / oder das Computernetzwerk (Bild 2.5.1-10). Ergänzt werden kann das System noch mit Funk-Fenster-

Bild 2.5.1-10. Thermostatische Heizkörperventile mit Netzwerkanbindung (Oventrop)

2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

1203

griffen. Der Fenstergriff arbeitet ohne Verkabelung oder sonst üblicher Batterie. Die erforderliche Energie wird beim Drehen des Griffes erzeugt. Durch Drehbewegung des Fenstergriffes wird ein Signal an den Router gesendet. Der Router wertet das Signal aus und schaltet bei geöffnetem Fenster den Thermostaten im Raum auf Absenkbetrieb. Wird das Fenster geschlossen, werden die Heizkörper wieder normal beheizt. Der Einsatz des mit dem Datennetz verbundenen und programmierbaren Thermostaten ermöglicht es, von jedem im Netzwerk integrierten PC oder durch Zugriff über Internet die Einstellung einzelner Thermostate zu checken und zu bedienen.

2.5.1-2

Elektronische Einzelraumregelungssysteme

Man kann bei den elektronischen Einzelraumtemperaturregelungen zwischen autarken Systemen, d. h. Einzelraumtemperaturregelungen nur für einen Raum mit Raumregler und Stellglied (Uhrenthermostat) und vernetzten Einzelraumtemperaturregelungssystemen mit Zentralgerät unterscheiden. Hier werden kabelgebundene als auch funkbasierte Systeme am Markt angeboten.

2.5.1-2.1

Autarke elektronische Einzelraumregelungssysteme

Die autarken elektronischen Einzelraumtemperaturregelungen (Uhrenthermostate) werden vorwiegend nur für eine raumweise Regelung der Raumtemperatur in Einfamilienhäusern, Etagenwohnungen, Heizzonen, Büros, Verkaufsräumen, Werkstätten, Praxen oder Ferienwohnungen eingesetzt (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) und sind dadurch nicht mit einem Zentralgerät vernetzt bzw. vernetzbar. Zur Energieeinsparung sind diese Systeme gut einsetzbar, da bedarfsabhängig die Wohnung / das Haus damit ausgestattet und geregelt werden kann. Bei dem Uhrenthermostat mit Funksteuerung nach Bild 2.5.1-11 ist der Raumtemperaturregler mit Zeitschaltuhr vom Stellglied räumlich getrennt. Für Heizkreisverteiler, Umwälzpumpen oder Handtuchheizer werden 1- bzw. 2-Kanal-Funkempfänger zur Wandmontage angeboten. Hier können diese Geräte direkt über einen Schuko-Stecker am Funkempfänger angeschlossen werden. Es handelt sich dabei um einen digitalen Temperaturregler mit komfortablem Wochenprogramm, Party- und Ferienprogramm. Weiterhin steht ein Dauerschalter für Komfort und Frostschutz zur Verfügung. Der Regler kann sowohl an der Wand montiert werden als auch mit einem Tischfuß auf dem Tisch aufgestellt werden. Die Reichweite des Funksystems beträgt ca. 25 bis 30 m. Die Inbetriebnahme ist einfach möglich, da Elektroheizgeräte z. B. einfach über einen Zwischenstecker angeschlossen werden können, weil der 1-Kanal-Empfänger einen Schuko-SteckerAusgang besitzt. Eine digitale Codierung des Senders und des Empfängers sorgen für eine hohe Störfestigkeit. Die Batterielebensdauer des Uhrenthermostates mit eingebautem HF-Sender (433 MHz) wird mit ca. 2 Jahren angegeben.

Bild 2.5.1-11. Uhrenthermostat mit Funksteuerung (Theben).

2

1204

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.1-2.2

Vernetzte elektronische Einzelraumregelungssysteme

Bei den vernetzen elektronischen Einzelraumtemperaturregelungen wird zwischen kabelgebundenen und funkbasierten Systemen unterschieden, wobei mittlerweile die funkbasierten Systeme überwiegen, da der Schwerpunkt in der Nachrüstungliegt. 2.5.1-2.2.1

Kabelgebundene Einzelraumtemperaturregelungen

Die kabelgebundenen Systeme kommen im Neubaubereich oder bei einer Sanierung zum Einsatz, da hier die Möglichkeit einer kompletten Verlegung der Kabel besteht. Im Nachrüstbereich ist eine kabelgebundene Lösung meist schwierig, da Aufputzkabelkanäle zu einem optisch nicht gut aussehen und zum anderen die Unterputzmontage der Kabel erheblichen Schmutzaufwand bedeuten. Die im Bild 2.5.1-12 dargestellte kabelgebundene Einzelraumtemperaturregelung kann zum Heizen/Kühlen von Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen in Verbindung mit den verschiedenen Raumthermostaten eingesetzt werden. Der Hauptregler dient zum Verteilen der elektrischen Signale und als Spannungsversorgung für die Raumgeräte sowie für die thermischen Stellantriebe und wird im Schrank des Bodenheizungsverteilers eingebaut. Die Schaltimpulse (Raumreglerbefehl oder Zeitbefehl) der verschiedenen Einzelraumregler werden individuell an die entsprechenden Stellantriebe weitergeleitet. In Verbindung mit einer externen Zeitschaltuhr oder einem Raumgerät mit Pilotuhr können alle weiteren Einzelraumregler in einem Zeitprogramm auf reduzierten Betrieb umgeschaltet werden. Durch den entsprechenden Anschluss können alle weiteren Zonen zeitabhängig abgesenkt werden. Mit einem externen Betriebsartenschalter oder durch eine Wärmepumpe kann das Einzelraumregelungssystem von Heizen auf Kühlen umgestellt werden, mit einer Kühlsperre für Räume, die nicht gekühlt werden sollen. Ein Taupunktwächter zur Vermeidung von Kondensation kann mit einem Taupunktwächtermodul direkt an den Hauptregler angeschlossen werden. Weiterhin kann auch eine Pumpe direkt angesteuert werden. Die Pumpenlogik dient zur bedarfsabhängigen Ansteuerung der Pumpe. Die Pumpe geht in Betrieb, sobald ein Stellantrieb aktiv ist. Bei der Verwendung von Stellantrieben „Stromlos offen“, wird die Pumpe abgeschaltet, wenn der Stellantrieb angesteuert wird, d. h. das Ventil geschlossen wird. Über eine weitere Klemme kann ein zusätzlicher Temperaturbegrenzer angeschlossen werden. Damit werden die Pumpe und der Wasserkreislauf ausgeschaltet, wenn die Wassertemperatur im Heizkreis aus irgendeinem Grund zu hoch ist.

Bild 2.5.1-12. Kabelgebundene Einzelraumtemperaturregelung für Flächenheiz- oder Flächenkühlsysteme (Sauter).

Ein anderes Prinzip einer kabelgebundenen Einzelraumtemperaturregelung zeigt Bild 2.5.1-13 in Verbindung mit dezentralen Pumpen. Heute werden die Stränge einer Hei-

2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

1205

zungsanlage durch eine zentrale Pumpe versorgt (Bild 2.5.1-13,links). Thermostatventile sorgen für eine Drosselung an den Heizkörpern und regeln so die Wärmezufuhr. Jede Drosselung bedeutet aber Verlust. Bei der dezentralen Pumpenregelung werden extrem kleine Pumpen direkt am Verbraucher (Heizkörper) angebracht und dadurch wird jede Heizfläche im Haus einzeln mit Wärme versorgt (Bild 2.5.1-13, rechts). Mit den dezentrralen Umwälzpumpen direkt an den Heizflächenlassen sich die hydraulischen Verluste ermeiden. Zusätzlich können die Kosten für Drossel- und Thermostatventile eingespart werden, da die dezentralen Pumpen diese nicht benötigen. Die dezentrale Pumpe soll nicht mehr Leistung anbieten, als der Verbraucher fordert. Die hierzu erforderliche Pumpenleistung wird drehzahlgeregelt mit einer durchschnittlichen Leistung von ca. 1 Watt betrieben. Die dezentralen Heizungspumpen sind extrem sparsam und können geräuschlos auch in Wohnräumen betrieben werden.

2

Bild 2.5.1-13. Zentrale (links) und dezentrale (rechts) Heizungspumpe (WILO)

Geregelt wird die dezentrale Pumpe durch eine Raumbediengerät (Bild 2.5.1-14). Zur Einstellung der optimalen Vorlauftemperatur werden die Raumbediengeräte über eine Zentraleinheit verbunden, die die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Räumme auswertet und an den Kessel kommuniziert, um die Heizungsvorlauftemperatur zu ptimieren. Dadurch kann die Vorlauftemperatur auf den tatsächlich eingestellten Bedarf eingestellt werden. Weiterhin bietet das dezentrale Pumpensystem Vorteile beim hydraulischen Abgleich, da dieser nicht mehr durchgeführt werden muss. Das dezentrale Pumpensystem sorgt zu jedem Zeitpunkt automatisch dafür, dass die Anlage hydraulisch abgeglichen ist. Neben der Installationssicherheit steht die Pumpe auch für mehr Funktionalität. Solässt sie sich beispielsweiseleicht in ein vorhandenes Gebäudeleitsystem einbibinden. Zudem kann sie auch die Daten für die Heizkostenverteilungliefern. Das Einasparpotenzialliegt bei ca. 20 % der bisher für die Heizung eingesetzten Primärenergie. eben dem Einsatz bei den Warmwasserheizungssystemen können die dezentralen mpen auch in der Klimatechnik eingesetzt werden.

Bild 2.5.1-14. Raumregler zur dezentralen Pumpe (WILO AG)

1206

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.1-2.2.2

Funkbasierte Einzelraumtemperaturregelungen

Die funkbasierten Systeme zur Einzelraumtemperaturregelung in Verbindung mit Fußbodenheizungen oder Radiatorensystemen eignen sich besonders gut für die Nachrüstung in bestehenden Wohnungen bzw. Häusern, da der Hauptregler direkt beim Verteiler angebracht wird und zu den Raumreglern durch die Funkübertragung keine Leitungen verlegt werden müssen. Weiterhinlassen sich diese Systeme einfach und schnell installieren. Durch die Bustechnik bietet sich auch das Einbinden weiterer Komponenten in solch ein Einzelraumregelungssystem an wie z. B. Komponenten zur Sicherheit, Verbrauchserfassung, Fernzugriff u. a. Man spricht dann von einem Hausautomationssystem (Abschn. 6.1.4-1). Das Bild 2.5.1-15 zeigt eine funkgesteuerte Einzelraum-Temperaturregelung. Dieses System kann in Anlagen mit Fußbodenheizung, Radiatorheizung oder auch in gemischten Systemen eingesetzt werden. Es besteht aus einem Hauptregler CF-MC mit 5 oder 10 Stellantriebsausgängen (24 V NC oder NO) und frei platzierbaren Raumthermostaten CF-R in verschiedenen Versionen, wie z. B. Standard-Raumthermostat mit Dreh/Druckknopf (CF-RS), als Behördenmodell mit Schutz vor unbefugten Zugriff (CF-RP), als Raumthermostat mit digitaler Anzeige (CF-RD) und als Raumthermostat mit digitaler Anzeige und Infrarotbodenfühler (CF-RF). Als Option erhältlich ist eine Fernbedienung CF-RC und ein Signalverstärker CF-RU, der eine Kommunikation auch über große Entfernungen ermöglicht. Die Kommunikation zwischen dem Hauptregler und den angeschlossenen Anlagekomponenten erfolgt über eine 2-Wege-Funkübertragung auf der 868 MHz-Frequenz. Für größere Anlagen kann das CF2-System auf bis zu 3 Hauptreglern mit max. 30 Ausgängen erweitert werden. Mit der Fernbedienung CF-RC besteht die Möglichkeit, bis zu 3 Hauptregler zu programmieren und weitere Funktionen zu nutzen,z. B. individuelle Einstellungen für jeden Ausgang des Hauptreglers, Übersteuern und Sperren der jeweiligen Raumtemperatureinstellungen, Nachtabsenkung, Urlaubsprogrammierung oder Abfrage des Systemstatus. Die wesentlichen Merkmale dieses elektronischen Regelungssystems sind: – Einfache Montage auf die marktgängigen Ventilunterteile ohne Entleerung des Heiznetzes und ohne elektrischen Verdrahtungsaufwand. – Einfache Nachrüstung in bestehenden Anlagen. – Komfortverbesserung und energiesparende Regelung durch individuell der Nutzung anpassbare Temperatur- und Zeitprogramme. – Energieeinsparung durch Schließen des Ventils bei Fensterstoßlüftung, Wochenschaltprogramm für jeden Tag oder blockweise Werktage und Wochenende. – Einfache Bedienbarkeit,leichte Ablesbarkeit durch LCD-Display mit zusätzlichem Anzeige-Balken für das jeweilige Programm. – Spontaneingriff mit Wechsel des aktuellen Programms bis zum nächsten programmierten Schaltpunkt durch einfachen Tastendruck.

Bild 2.5.1-15. Funkgesteuerte Einzelraum-Temperaturregelung (Danfoss). Links: Schema; rechts: CF2-System mit den Komponenten

Ein anderes System besteht aus 3 unterschiedlichen Modulen (CM67z, HR80 und R6660D), die drahtlos über das Frequenzband 868 MHz miteinander kommunizieren (Bild 2.5.1-16). Das zentrale Bediengerät CM67z ist für 2 Regelzonen für individuelle Sollwerte und Schaltzeiten einstellbar und kann mehrere Heizkörperregler und Empfängerrelais der zugeordneten Regelzonen steuern. Tages-, Wochen- und Ferienprogramm sind mit dem CM67z einstellbar und eine automatische Sommer-Winterzeit-Umschaltung ermöglichten eine individuelle Einzelraum- und Zonenregelung für Radiatoren-

2.5.1 Systeme zur Einzelraum-Temperaturregelung

und Fußbodenheizkreise. Die Radiatoren sind direkt über den Heizkörperregler HR80 und Zonenventile sowie die Thermoantriebe der Fußbodenkreise sind durch Ansteuerung des Empfänger-Relais R6660D regelbar. Der HR80 empfängt individuelle Schaltzeiten und Sollwerte der Raumtemperatur vom CM67z und sendet die Wärmeanforderung an den Wärmeerzeuger über das Empfängerrelais R6660D. Über ein Stellrad kann die Temperatur am HR80 manuell vor Ort eingestellt werden und über ein Display werden die Solltemperatur, die Betriebsart und der Gerätestatus (Fenster offen, Batteriewechsel, Adaptionsprozess, etc.) angezeigt. In Verbindung mit den elektronischen Raumtemperaturreglern wird eine Vielzahl von Stellantrieben für die Heizkörperventile angeboten und eingesetzt. Das Bild 2.5.1-17 links zeigt die Bandbreite der eingesetzten kabelgebundenen Stellantriebe. Diese reichen von den einfachen elektrothermischen Zweipunkt-, Dreipunkt- und Proportionalantrieben bis hin zu den busfähigen EIB- und LON-Proportionalantrieben. Den busfähigen Stellantrieben kann meist ein Fensterkontakt mit aufgeschaltet werden, der dann an die Zentraleinheit weitergeleitet wird und eine Lüftung signalisiert, entsprechend wird dann in dem jeweiligen Raum während der Lüftung die Energiezufuhr abgeschaltet. Andere Heizkörperregler erkennen eine Fensterlüftung sowohl über optional installierbare Fensterkontakte als auch automatisch (Bild 2.5.1-17 rechts).

Bild 2.5.1-16. Einzelraum- und Zonenregelsystem für Radiatoren und Fußbodenheizungen (Honeywell).

Bild 2.5.1-17. Stellantriebe für Heizkörperventile. Links: Verschiedene Stellantriebe (Heimeier); rechts Heizkörperregler (Techem)

1207

2

1208

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.2

Regler für Kessel und Wandgeräte

2.5.2-1

Kesselwassertemperaturregelung

Bei Kesseln oder Wandgeräte mit Befeuerung durch Öl, Gas oder elektrischen Strom verwendet man elektronische Regler mit Zweipunkt-, Dreipunkt- oder stetigem Ausgang. Sie steuern unter Beachtung der Sicherheitseinrichtungen die Brenner ein- oder mehrstufig oder modulierend an (Bild 2.5.2-1).

2.5.2-1.1

Regelung mit unstetigem Regler

• Kesselwassertemperaturregler, der die Kesselwassertemperatur auf einem vorgegebenen Wert konstant hält oder als obere Begrenzung bei Niedertemperatur-Kesseln διεντ (Βεγρενζυνγ ζ. Β. 75°C). – Mechanischer Kesselwassertemperaturregler (Temperaturregler). Das Messprinzip beruht meist auf der Ausdehnung von Flüssigkeiten (siehe auch Abschnitt 1.7.33.1.1) Bei Über- oder Unterschreitung des Sollwertes wird die Wärmezufuhr ab- bzw. eingeschaltet, Schaltdifferenz zwischen 4 bis 20 K, meist fest eingestellt. Der Sollwert ist von außen verstellbar. – Elektronischer, witterungsgeführter Kesselwassertemperaturregler, der die Kesselwassertemperatur gleitend nach der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße sowie der Zeit zwischen 75°C und 40°C oder tiefer regelt. • Kesselwassertemperaturwächter, die die Wärmezufuhr bei Erreichen eines fest eingestellten Grenzwertes abschalten und erst nach wesentlichem Absinken der Temperatur wieder freigeben. Sie sind gegen Verstellung durch Unbefugte gesichert, nur mit Werkzeug verstellbar, z. B. durch einen Deckel über der Sollwerteinstellung. • Sicherheitstemperaturbegrenzer schalten bei einer fest eingestellten Grenztemperatur aus und verriegeln. Sielassen sich von Hand oder mit Werkzeugen wieder in Betrieb setzen, z. B. Abschrauben eines Deckels und Betätigung eines Rückstellknopfes. Häufig geliefert als Doppeltemperaturregler (Regler und Begrenzer). Sie müssen erweiterte Sicherheit nach DIN 3440 erfüllen. • Kesselwassertemperaturbegrenzer wie vor, jedoch Wiedereinschalten von Hand.

Bild 2.5.2-1. Blockschaltbild der Kesselwassertemperaturregelung mit Zweipunktregler.

Zur Absicherung der höchsten Vorlauftemperatur werden bei offenen Warmwasserheizungen ein Temperaturregler und ein Temperaturwächter, bei geschlossenen Warmwasserheizungen ein Temperaturregler und ein Sicherheitstemperaturbegrenzer am Kessel installiert. Dreipunktregler erlauben drei verschiedene Schaltzustände, z. B. aus – klein – groß oder aus – 1. Stufe – 2. Stufe.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

2.5.2-1.2

1209

Modulierende Regelung

Moderne Gas-Wandkessel verwenden statt des Zweipunktreglers einen stetigen Regler zur Leistungseinstellung (modulierende Regelung). Feuerungsautomat und Kesselregelung sind bei den Wandgeräten auf einer kompakten Platine angeordnet (Bild 2.5.2-2). Der Brenner arbeitet dabei nicht im Ein-/Ausbetrieb, sondern verstellt die Leistung kontinuierlich. Dies führt zu einerlängeren Brennerlaufzeit, zu wenigen Brennerstarts und zu einer konstanten Vorlauftemperatur.

2

Bild 2.5.2-2. Regelungen für Gas-Wandgeräte. Links: LMU 54, rechts: LMU 64 (Siemens Building Technologies)

Bild 2.5.2-3. Modulationsbereich einer stetigen Regelung.

Im Gegensatz zum unstetigen Reglerliefert der Modulationsregler ein kontinuierliches Ausgangssignal. Begrenzt wird das Ausgangssignal (Modulationsgrad) durch die physikalisch mögliche Leistungseinstellung (min. und max. Leistung). Dieses Signal wirkt auf den Lüfter (Verstellen der Drehzahl) und über den Gas-/Luftverbundregler, der anhand der Luftmenge die Höhe der zugeführten Gasmenge bestimmt, wird die Gasmenge der Luftmenge nachgeführt. Die Kesselwassertemperatur wird wie bei der Kesselwassertemperaturregelung mit unstetigem Regler über den Kesselfühler mit Tauchhülse gemessen. Dieser beeinflusst auch hier das Regelverhalten. Die Leistung kann nur zwischen einer minimalen und einer maximalen einstellbaren Leistung kontinuierlich variiert werden. Diesen Bereich nennt man „Modulationsbereich“ (Bild 2.5.2-3). Die Leistung wird oberhalb der maximalen Leistung auf diese be-

1210

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

grenzt („Begrenzung“). Unterhalb des Minimalwertes schaltet der Brenner aus physikalischen Gründen in den Ein-/Aus-Betrieb um („Zweipunktbetrieb“). Die maximale Begrenzung ist notwendig, damit der Brenner z. B. von der maximalen Leistung her an den Kessel angepasst werden kann bzw. damit für Heiz- und Brauchwassererwärmung unterschiedliche maximale Leistungen zur Verfügung stehen.

2.5.2-2

Regelung nach der Raumtemperatur – Testraumregelung1)

2.5.2-2.1

Unstetige Regelung

In einem geeigneten Raum des Gebäudes – dem Testraum – wird ein Raumthermostat angebracht, der die Temperatur in diesem Raum unabhängig vom Wärmebedarf der übrigen Räume konstant hält. Im Testraum ist das Heizkörperthermostat entweder entfernt oder ganz aufgedreht. Die Wärmeleistung der übrigen Heizkörper des Gebäudes gleicht sich derjenigen des Testraumes, wobei dort am Heizkörper ein Heizkörperthermostat installiert ist. Anwendung findet die Testraumregelung besonders in Etagenheizungen oder kleinen Einfamilienhäusern mit Umlauf-Gaswasserheizer oder bei einfachen Zonenregelungen in Schulen und Verwaltungsgebäuden. Bei größeren Gebäuden mit erheblichen Unterschieden des Wärmebedarfs der einzelnen Gebäudeteile ist die Regelungsart nicht so gut geeignet. Die Ausführung erfolgt meist mit elektrischen Zwei- oder Dreipunktreglern. Das Bild 2.5.2-4 zeigt das Schema der Regelung bei gas- oder ölbefeuerten Kesseln. Der Raumthermostat im Testraum schaltet dabei den Brenner ein und aus. Der Sollwert für den Kesselwassertemperaturregler muss je nach Außentemperatur von Zeit zu Zeit verstellt werden (= manuelle Anpassung). Auch ein Ein- oder Ausschalten der Pumpe ist bei konstanter Kesseltemperatur möglich. In beiden Fällen ist auf alle Fälle eine thermische Rückführung erforderlich, um die Schwingungsbreite zu verringern (Bild 1.7.3-4), da sonst wegen der großen Totzeit des Systems erhebliche Temperaturschwankungen im Raum auftreten. Gleichzeitig wird damit aber die Schalthäufigkeit erhöht. Wichtig ist die richtige Plazierung des Raumthermostaten im Raum (Ort, richtige Höhe, nicht verdeckt durch Möbel, keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt).

Bild 2.5.2-4. Schema der raumtemperaturabhängigen Kesselregelung bei Gas-oder Ölfeuerung. 1 = Kesseltemperaturregler, 2 = Begrenzungsregler, 3 = Raumthermostat

Bild 2.5.2-5. Schema einer Raumtemperaturzonenregelung mit Zonenventilen.

Bei der Zonenregelung nach Bild 2.5.2-5 wird die Kesseltemperatur durch einen Kesselthermostaten annähernd konstant gehalten, während die Raumthermostate die Zonenventile ein- und ausschalten. Bei Verwendung von Thermostaten mit kombinierter Schaltuhr ist auch eine automatische Nachtabsenkung möglich. 1)

Beedgen, O.: Wärmetechnik (1982), Nr. 6, S. 236–240. Siehe auch Abschnitt 1.7. Ki (1985), Nr. 3 (Forum über Regelung).

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

2.5.2-2.2

1211

Stetige Regelung

Die Grundschaltung einer elektronischen Raumtemperaturregelung mit Motor-Mischer oder Mischventil geht aus Bild 2.5.2-6 hervor. R1 bis R4 sind Widerstände in einer Messbrücke. Ändert sich die Raumtemperaturam Fühler R1, wird durch den Diagonalstrom über Verstärker und Relais das Mischventil in Bewegung gesetzt. Dadurch ändert sich auch die Vorlauftemperatur am Fühler R4, so dass die Brücke wieder ins Gleichgewicht kommt, allerdings bei einer etwas veränderten Raumtemperatur (P-Wirkung). Einstellung des Proportionalbereichs am Potentiometer.

2 Bild 2.5.2-6. Schaltschema einer elektronischen Raumtemperaturregelung mit Mischventil. R1, R2, R3, R4 = Widerstände

2.5.2-2.3

Regelkreisverhalten

Die Temperaturschwankung Δx im Raumlässt sich nur ermitteln, wenn die Kennwerte der Regelstrecke – Verzugszeit Tu und Ausgleichszeit TG – bekannt sind (siehe Abschnitt 1.7.2). Beispiel 1: Raumthermostat schaltet Ölbrenner. Gegeben sind Verzugszeit Tu = 10 min, Ausgleichszeit TG = 60 min, Stellwirkung Xh = 35 K, Schaltdifferenz des Reglers Xd = 0,5 K. Raumtemperaturschwankung Δx = Xh · Tu/TG + Xd = 35 · 10/60 + 0,5 = 6,3 K Dauer einer Temperaturschwankung bei mittlerer Leistung: To ≈ 4 (Tu + TG · Xd/Xh) = 4 · (10 + 60 · 0,5/35) = 43,4 min. Sehr ungünstig. Verbesserung durch Thermostate mit thermischer Rückführung (dadurch Verringerung der Temperaturschwankung auf etwa 1/3), richtige Lage des Fühlers zum Heizkörper einstellen. Beispiel 2: Proportionalregelung nach Bild 2.5.2-6. Konstante Kesseltemperatur 90°C, Verzugszeit Tu = 6 min, sonst wie vor. Optimale P-Einstellung Xopt = Tu/TG · Xh = 6/60 · 35 = 3,5 K.

2.5.2-2.4

Einzelraumtemperaturregelung

Soll die Temperatur in einzelnen Räumen unabhängig vom Testraum geregelt werden, sind thermostatische oder elektrische Heizkörperventile zu verwenden (s. Abschn. 2.5.1-1). Dies gilt in erster Linie für Wohnbauten. Bei Nichtwohnbauten im kommunalen wie im gewerblichen Bereich erfolgt die Einzelraum-Temperaturregelung mehr und mehr über DDC-Systeme. Der Sensor und meist auch das Stellglied sind dabei im Raum selbst angeordnet, während die Regelung, die Sollwertvorgabe, das Zeitprogramm oder ein manueller Eingriff zentral erfolgen.

1212

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Ein entscheidender Vorteilliegt in der möglichen Beeinflussung der Wärmeerzeugung vom Einzelraum aus. Das bietet eine Minimierung des Energieeinsatzes1).

2.5.2-2.5

Wohnungsweise Regelung

Geringeren Aufwand als die Einzelraumregelung erfordern Systeme zur wohnungsweisen Raumtemperaturregelung mit gleichzeitiger Heizkostenerfassung und mit der Möglichkeit des Rückgriffs auf die zentrale Vorlauftemperaturregelung (siehe Bild 2.5.2-8 und Bild 2.5.2-7).

Bild 2.5.2-7. Digitale Raumbediengeräte mit Sollwertverstellung (Siemens Building Technologies).

Bild 2.5.2-8. System für Raumtemperaturregelung und Energiekostenerfassung in Wohnbauten: 1. Regel- und Heizkostenverteilventil, 2. Analoges Raumgerät, 3. Digitales Raumgerät, 4. Universaladapter, 5. Gebäudezentrale, 6. Speicherkarte, 7. Steuerung Wärmeerzeugung, 8. Gebäudebus.

Das dargestellte System integriert folgende Funktionen: – Raumtemperaturregelung und verbrauchsabhängige Heizkostenerfassung mit einem Regel- und Heizkostenverteilventil sowie mit einem Raumbediengerät inkl. Raumtemperaturfühler und Energiespartaste,

1)

Kunze, H.: HLH (1988), Nr. 10, S. 462. Schnietka, H. W.: DDC-Regelsystem für Heizung und Fernwärme. Heizungsjournal (2003), Nr. 3.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

1213

– Erfassung der Impulse von zusätzlichen Zählern, z. B. Warmwasser, Kaltwasser, Gas etc., – Zentrale Steuerung der Wärmeerzeugung in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der einzelnen Wohnungen.

2.5.2-3

Regelung nach der Außentemperatur1) Außentemperaturgeführte (witterungsgeführte) Kessel- oder Vorlauftemperatur-Regelung

2.5.2-3.1

Prinzip der außentemperaturgeführten Regelung

Ein in der Außenluft befindlicher Temperaturfühler (ATS) gibt seinen Messwert an das elektronisch arbeitende Zentralgerät (Bild 2.5.2-9). Die hier eingestellte Heizkennlinie (Steuerglied) gibt den Zusammenhang zwischen Außen- und Vorlauftemperatursollwert für eine angepasste Wärmezufuhr für das Gebäude. Durch ein Verstellen des Mischers und/oder Schalten des Brenners wird die notwendige Vorlauf- bzw. Kesseltemperatur eingehalten. Kontrolle durch Vorlauftemperaturfühler oder Kesselfühler. Der Außentemperaturfühler wird an der klimatisch ungünstigsten Stelle der Hausfassade angebracht, in der Regel sonnengeschützt auf der Nordseite (keine Morgensonne, nicht direkt über einem Fenster). Der Zusammenhang zwischen Außen- und Kessel- bzw. Vorlauftemperatur ist den Ausλεγυνγστεμπερατυρεν δερ Ηειζφλχηε ανζυπασσεν, ζ. Β. δεραρτ, δασσ βει 15 °C die Vorlauftemperatur 70 °C und bei +10 °C nur 37 °C beträgt, Bild 2.5.2-10. Die Heizkennlinien sind normalerweise nach oben gekrümmt. Der Krümmungsverlauf ist abhängig vom Heizsystem und seiner Wärmeabgabe (Konvektion und Strahlung), ausgedrückt durch den Faktor m der Heizkörper-Kennlinie. Bei Radiatoren ist m = 1,3. Die Heizkurve kann parallel verschoben und in ihrer Neigung geändert werden. Neigung = Kessel- bzw. Vorlauftemperaturänderung/Außentemperaturänderung. Die heutigen Regler bieten auch die Möglichkeit, die Heizkennlinie in Krümmung und Neigung automatisch zu adaptieren (Adaption der Heizkennlinie). Das Prinzip der außentemperaturgeführten Regelung mit Mischer geht aus dem Bild 2.5.2-11 hervor.

Bild 2.5.2-9. Außentemperaturgeführte Kesselund Vorlauftemperatur-Regelung mit Mischer

1)

Pöppe, R.; Köller, H.: Feuerungstechnik (1979), Nr. 2, 5 S. DIN EN 12098-1 „Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen für Heizungen“, 1996-09. Nitschke, E.: Feuerungstechn. (1981), Nr. 1, S. 8. Beedgen, O.: Wärmetechnik (1981), Nr. 7, S. 359–364. Gilch, H.: IKZ (1981), Nr. 6, S. 122. Winter, A.; Wolff, D.: HLH (1985), Nr. 3, S. 120–129.

2

1214

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bild 2.5.2-10. Heizkennlinien bei einer außentemperaturgeführten Regelung.

Bild 2.5.2-11. Blockschaltbild einer außentemperaturgeführten Regelung mit Mischer.

Eine verfeinerte Ausführung ist der Einsatz von Zusatzfühlern, die als getrennte oder kombinierte Fühler auch zusätzlich Sonnenstrahlung, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchte erfassen können. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass die „richtige Vorlauftemperatur“ nicht nur von dem Außenluftzustand, sondern auch von vielen weiteren Faktoren abhängt, z. B. der Bauart der Heizung, der Luftdurchlässigkeit der Fenster, der Wandtemperatur, dem Montageort des Außenfühlers usw. Am Regelgerätlassen sich noch weitere Schaltmöglichkeiten erreichen, die an einem Wahlschalter eingestellt werden, z. B. 1. Raumtemperatur tagsüber normal, nachts reduziert, 2. Raumtemperatur tagsüber normal, nachts abgeschaltet, 3. Reduzierte Raumtemperatur für Tag und Nacht, 4. Normale Raumtemperatur für Tag und Nacht, 5. Automatik ausgeschaltet; Vorlauftemperatur am Kesselthermostat einstellen, 6. Heizung ausgeschaltet. Mindestanforderungen an die außentemperaturgeführten Regelungen sind in der EN 12098-1 festgelegt. Es ist einleuchtend, dass bei einer außentemperaturgeführten Regelung nicht alle Räume absolut gleiche Temperaturen haben können. Um z. B. bei Einfamilienhäusern wenigstens einen Raum auf der gewünschten Temperatur zu halten und die Fremdwärme zu nutzen, kann zusätzlich für diesen Raum ein Raumfühler installiert werden, wie in Bild 2.5.2-6 angegeben. Der Raumfühler bewirkt dabei eine Verschiebung des Sollwertes der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der Raumtemperatur (Kaskadenschaltung). Moderne Regeleinrichtungen für Wohn- und Nichtwohnbauten (Bild 2.5.2-12) umfassen heute nicht nur die Ansteuerung der Wärmeerzeugung und ein oder zwei Mischkreise, sondern regeln auch die Temperatur der Warmwasser-Speicher, schalten bedarfsgeführt die Heizkreispumpen und gestalten einen zeitoptimierten Betrieb der Anlage. Die digita-

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

1215

len Regelgeräte bieten darüber hinaus eine zentrale Überwachung der Betriebszustände und Temperaturen (Ist- und Sollwerte) sowie eine Fehler- und Systemdiagnose. Über Fernbedienungs- und Anzeigegeräte im Wohnraum erfolgt die Kommunikation zwischen dem Nutzer und der Regeleinrichtung.

Bild 2.5.2-12 Außentemperaturgeführte Regelungen für Kessel- und Vorlauftemperatur. Links: Vitotronic 200 (Viessmann); rechts: Logamatic 2107 / 2107 M (Buderus)

Durch Wahl einer entsprechenden Schaltuhr (analog oder digital) ist auch ein Wochenoder Jahresprogramm möglich, z. B. für Geschäftshäuser, Fabriken, Schulen und Verwaltungsgebäude. Bei diesen Objekten mit instationärem Heizbetrieb sind durch Einsatz einer Heizungsoptimierung weitere Energieeinsparungen möglich. Zum Funktionsablauf einer Heizungsoptimierung gehört: – Reduzierter Betrieb zum frühestmöglichen Zeitpunkt (optimum off), – Tatsächlich tiefere Absenkung der Nachttemperatur durch Sperrung der gesamten Energiezufuhr (evtl. auch Kessel), – Verlängerung des Absenkbetriebes auf den maximal möglichen Zeitraum, d. h. morgendliche Wiedereinschaltung der Heizung zum spätest zulässigen Zeitpunkt (variabler Einschaltpunkt – optimum on), – Aufheizung in kürzest möglicher Zeit mit der maximal zur Verfügung stehenden Heizleistung. Der tiefen Absenkung sind, trotz aller wirtschaftlichen Vorteile durch bauphysikalische Gegebenheiten und durch den Problemkreis der Behaglichkeit, nach unten hin Grenzen gesetzt. Heizungsregelungen gibt es in den verschiedensten Ausführungsformen. Von der Technologie her gesehen sowohl in Digitaltechnik als auch noch in Analogtechnik, wobei die Digitaltechnik heute aber überwiegt. Der Markt bietet heute eine Fülle von Heizungsregelungen, die als Baueinheit ein oder mehrere außentemperaturgeführte (witterungsgeführte) Regelungen für verschiedene Heizkreise beinhalten. Für einzelne Räume oder Raumgruppen müssenlaut EnEV zusätzlich Einzelraum-Temperaturregler (z. B. thermostatische Heizkörperventile oder Zonenregler) zur Nachregelung eingebaut werden, um hier die Raumtemperatur auf den gewünschten Werten zu halten und eine Überheizung der Räume zu vermeiden. Digitale Regeleinrichtungen sind heute Stand der Technik in der Wohnhausbeheizung und sind im kommunalen Bereich (Schulen und Verwaltungen) sowie auch im gewerblichen Bereich bei Anlagen mit mehreren Regelkreisen im Einsatz. Für die Kommunikation zwischen Bediener und Regelung sind verschiedene Bedienphilosophien und Display-Ausführungen auf dem Markt vertreten. Das geht über Einstellknöpfe, wie beim Analogregler, Funktionstasten mit Vor- und Rücklauftaste, bis zu Funktionstasten mit Bit-Generator, der die Drehbewegung als bedienerverständliches Element einschließt. Die Displays variieren zwischen Zahlen-Symbol-Kombination und ein- und mehrzeiligen Klartextanzeigen. Die Heizungsregler ermöglichen dadurch nicht nur eine vereinfachte Einregulierung und Überwachung der Anlagen, sondern auch die Integration von Diagnose-Systemen mit Anzeige des Fehlers und deren Ursache. Weiterhin bieten sie zusätzliche Funktionen, die in Analog-Technik nicht oder nur schwer realisierbar sind: z. B. Adaption der Heizkennlinie und der Optimierungsparameter, wodurch viel Zeit bei der Einregulierung gespart werden kann. Die integrierte

2

1216

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Jahresuhr senkt den Energieverbrauch, da die Betriebszeiten der Nutzung im Haus/Gebäude angepasst werden können. Ferner kann eine ständige Funktionskontrolle der Anlage, je nach Ausführung, durch Messung und Anzeige von Abgastemperatur, feuerungstechnischen Wirkungsgrad u.a. erfolgen. Folgende Funktionen werden heute z.B. angeboten: – Kesselschaltungen (auch gestufter oder modulierender Betrieb) mit Einstellung für minimale Kesseltemperatur, Mindestschaltzeit und Schaltdifferenz der Kesseltemperatur. Dabei kann der Kessel auch mit gleitender Temperatur betrieben werden. – Optimierte Absenkung in der Nacht auf die tiefstmögliche Temperatur, morgendliche Wiederanschaltung zum spätesten Zeitpunkt und in kürzester Zeit; der Einschaltpunkt der Heizung wird dabei vom Gerät selbständig unter Berücksichtigung des Speicherverhaltens des Gebäudes ermittelt (Bild 2.5.2-13 und Bild 3.7.9-3). Verringert Nachtabsenkung bei tiefen Außentemperaturen, um morgens die Anheizspitze zu dämpfen und Bauschäden zu vermeiden. Frühabschaltung am Nachmittag; bei mehreren Heizkreisen für jeden Kreis ein besonderer Fühler. Im Wohnbereich abends Absenkung der Vorlauftemperatur um z. B. 3 K, um eingeschaltete elektrische Verbraucher zu kompensieren.

Bild 2.5.2-13. Temperaturverlauf bei Optimierung und Heizungsregelung.

– Aufschaltungen zur Kompensation des Einflusses von Wind oder der Sonne. – Begrenzung (minimal oder maximal) der Vorlauftemperatur bei Niedertemperaturoder Fernheizung oder der Zulufttemperatur bei Lüftungsanlagen. – Begrenzung der Rücklauftemperatur z. B. bei der Fernheizung konstant oder gleitendnach der Außentemperatur; Begrenzung der Raumtemperatur z. B. bei Fremdwärme-Einwirkung. – Pumpenabschaltung z. B. beim Absenkbetrieb in der Nacht oder an Wochenenden. Beidrehzahlgeregelten Pumpen evtl. Erhöhung der Vorlauftemperatur um z. B. 5 K, um Durchfluss zu kompensieren. – Kesselfolgeschaltungen bei zwei oder mehr Kesseln, ein-, mehrstufig oder modulierender Brenner; verschiedene Strategien;lastmäßig nicht benötigte Kessel werden ausgeschaltet und wasserseitig abgesperrt; Führungskessel-Wahlschaltungen. – Vorrangschaltung und zeitabhängiger Betrieb des Warmwasserspeichers, periodisch Aufheizung zur Entkeimung (Legionellen).

2.5.2-3.2 2.5.2-3.2.1

Zusatzfunktionen ohne Raumtemperatursensor Sparfunktion

Der Raumsollwert wird um 2 K abgesenkt. Die Vorlaufsolltemperatur wird dabei über die Heizkennlinie reduziert. 2.5.2-3.2.2

Partyfunktion

Durch Drücken der Partytaste wird die Raumsolltemperatur durch die Partytemperatur ersetzt und nach dieser geregelt. Absenk- oder Abschaltbetrieb wird dadurch aufgehoben. Meist wird mit Einleiten der Partyfunktion auch automatisch die Warmwasserbereitung freigegeben.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

2.5.2-3.2.3

1217

Frostgefahr bzw. Frostschutz

Frostgefahr wird anhand der momentanen Außentemperatur erkannt. Wird die Heizungsanlage im Abschaltbetrieb betrieben, so wird z. B. bei Unterschreiten der Außentemperatur von 1 °C der Brenner eingeschaltet und nach Heizkennlinie geregelt. Steigtdie Außentemperatur über 3 °C an, so wird die Beheizung wieder abgeschaltet. Esliegt somit hier eine Schalthysterese von 2 K zugrunde.. 2.5.2-3.2.4

Ferienfunktion

Für die Dauer des Ferienprogrammes wird die Heizung auf den eingestellten Raumsollwert geregelt. Frostschutz ist während des Ferienprogrammes für Heizung und Warmwasser sichergestellt. Nach Ende des Ferienprogrammes wird die Heizung nach der eingestellten Betriebsart geregelt. 2.5.2-3.2.5

Heizkreispumpenlogik-Funktion

Diese Funktion macht den Vorlaufsollwert zu Null, wenn die Außentemperatur den eingestellten Raumsollwert um mehr als 1 K überschreitet. Die Heizkreispumpe wird abgeschaltet. 2.5.2-3.2.6

Eco-Funktion

Der Vorlaufsollwert wird auf Null gesetzt, wenn der aus der Heizkennlinie berechnete Vorlaufsollwert kleiner als die Außentemperatur ist. Die Heizkreispumpe wird bei dieser Funktion nicht abgeschaltet.

2.5.2-3.3 2.5.2-3.3.1

Zusatzfunktionen mit Raumtemperatursensor Adaption der Heizkennlinie

Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei der Vorgabe des Temperatursollwertes über die Heizkennlinie um eine Steuerung. Bei einer automatischen Adaption der Heizkennlinie wird zusätzlich über einen Raumtemperatursensor die Raumtemperatur erfasst. Anhand der Abweichung der Raum-Isttemperatur vom eingestellten RaumtemperaturSollwert werden Neigung und Niveau der Heizkennlinie in Abhängigkeit der Außentemperatur und damit dem jeweiligen Belastungszustand korrigiert. Hierbei sind zusätzliche Parameter (z. B. Sperrvermerke, in denen nicht adaptiert werden darf), zu berücksichtigen. Bei der Heizkennlinienadaption handelt es sich um eine indirekte Sollwertkorrektur, da der Sollwert (Kessel- bzw. Vorlauftemperatur) über die Verstellung der Heizkennlinie korrigiert wird. In dem für die Gesamtanlage repräsentativen Raum (Testraum), wo der Raumtemperatursensor installiert ist, dürfen keine Thermostatventile vorhanden bzw. nicht im Regeleingriff sein. 2.5.2-3.3.2

Raumtemperaturaufschaltung

Um kurzfristige Schwankungen der Raumtemperatur auszugleichen, ist ein Raumeinfluss einstellbar. Bei einer Raumtemperaturaufschaltung erfolgt in Abhängigkeit von der Soll-Istwertabweichung im Raum eine direkte Korrektur des Vorlauftemperatursollwertes. 2.5.2-3.3.3

Einschaltoptimierung

Die Raumtemperatur soll zu Beginn der Belegungszeit die eingestellte Raumsolltemperatur gerade erreicht haben. Um dies zu erreichen, wird die Aufheizzeit berechnet und die Startzeit für den Heizbeginn nach einer Nachtabsenkung oder Nachtabschaltung wird um diese Zeit vorverlegt. 2.5.2-3.3.4

Ausschaltoptimierung

Die Raumtemperatur soll am Ende der Belegungszeit die eingestellte Raumsolltemperatur z. B. um 1 K unterschritten haben. Um dies zu erreichen, wird die Abkühlzeit berechnet und der Absenk- bzw. Abschaltbetrieb wird um diese Zeit vorverlegt. 2.5.2-3.3.5

Schnellaufheizung

Bei der Schnellaufheizung wird der Vorlaufsollwert solange angehoben, bis der Raumistwert den neuen Raumsollwert erreicht hat.

2

1218

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.2-3.3.6

Schnellabsenkung

Bei der Schnellabsenkung wird der Vorlaufsollwert solange auf Null gesetzt, bis der Raumistwert den neuen Raumsollwert erreicht hat. 2.5.2-3.3.7

Heizkreispumpenlogik-Funktion

Diese Funktion schaltet die Heizkreispumpe ab, wenn die Außentemperatur einen eingestellten Außentemperaturwert überschreitet.

2.5.2-4

Regelung nach dem Wärmebedarf

Die Regelungen nach dem Wärmebedarf orientieren sich an dem aktuell benötigtem Wärmebedarf im Haus und nicht oder nur zum Teil an der Außentemperatur. Daherlegen diese Regelungen, da sie interne Wärmegewinne berücksichtigen, den Sollwert für die Kessel- bzw. Vorlauftemperatur meist niedriger als eine witterungsgeführte Regelung fest (siehe Abschnitt 2.5.2-3). Dadurch sind die Verteilungsleitungen und Heizkörper nicht unnötig warm und die Wärmeverluste im Verteilungssystem reduzieren sich.

2.5.2-4.1

Wärmebedarfsgeführte Regelung ohne Außentemperatursensor

In der Heizungstechnik wurde 1993 eine Heizungsregelung ohne Außentemperatursensor auf Fuzzy-Logik-Basis entwickelt (Arend & Pfannstiel, 1993, siehe Abschnitt 1.7.8), die nach dem aktuellen Wärmebedarf den Sollwert für die Kessel- bzw. Vorlauftemperatur einstellt. Mit Hilfe der Fuzzy-Logik wird bei dieser Regelung der Sollwert für die Kesselwassertemperatur-Regelung aus internen ermittelten Größen berechnet (Bild 2.5.2-18 oben). Obwohl diese Fuzzy-Heizungsregelung nur die Kesselwassertemperatur erfasst ergibt sich eine bessere Einstellung der Kesselwasser-Solltemperatur an den aktuellen Wärmebedarf des Gebäudes als bei einer außentemperaturgeführten Regelung. Denn mit Hilfe der Fuzzy-Logik werden aus dem Verlauf der Kesselwasertemperatur und aus

Bild 2.5.2-14. Heizungsregelung mit Fuzzy-Logik. Oben: Blockschaltbild, unten: Prinzip.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

1219

den Brennerschaltungen verschiedene interne Größen wie „Wärmetendenz von gestern zu heute“, „Durchschnittlicher Energieverbrauch = Brennerlaufzeit gestern und heute (aktuell)“ oder „Kurzzeittendenz = Störungen wie Fensteröffnen“ gebildet, die in Verbindung mit der Fuzzy-Logik-Wissensbasis zu einer besseren Anpassung der Vorlauftemperatur an den aktuellen Wärmebedarf führen und auch einen Außentemperaturfühler überflüssig machen (Bild 2.5.2-14 unten). Laständerungen werden von der Heizungsregelung schnell erkannt und die Kesselwasser-Solltemperatur wird somit auch schneller an den momentanen Wärmebedarf angepasst.

2.5.2-4.2

Wärmebedarfsgeführte Regelung mit Außentemperatursensor

Andere Prinzipien zur wärembedarfsgeführten Regelung setzen auf die außentemperaturgeführte (witterungsgeführte) Kessel-/Heizkreisregelung mit Außentemperatursensor auf. Es wird dabei zusätzlich entweder – die Rücklauftemperatur oder – der Wärmeverbrauch in Verbindung mit elektronischen Funkheizkostenverteilern ausgewertet. 2.5.2-4.2.1

Auswertung der Heizungsrücklauftemperatur

Ein anderes Prinzip der Regelung nach dem Wärmebedarf beruht auf der Auswertung der Rücklauftemperatur in Verbindung mit der Außentemperatur. Bei dieser Regelung ist ein hydraulischer Abgleich der gesamten Heizungsanlage zwingend notwendig, damit alle Räume gleichmäßig mit Wärme versorgt werden. Die Temperatur, auf die der Kessel hochheizt (Heizkurve), wird nicht nur von der Außentemperatur, sondern zusätzlich vom Wärmebedarf des Gebäudes bestimmt. Dieser Wärmebedarf zeigt sich durch die Auskühlungsgeschwindigkeit des von der Heizung zum Kessel zurückfließenden Wassers. Das gesamte Heizwasser wird vom Heizkessel auf die notwendige Temperatur aufgeheizt. Dadurch ergeben sich konstante Brennerlaufzeiten. Nach dem Aufheizen wird der Brenner ausgeschaltet und das erwärmte Wasser kühlt in den Heizkörpern ab. Wenn das Wasser in der Heizung schneller abkühlt, besteht ein höherer Heizbedarf zum Beispiel durch einen Kälteeinbruch oder offene Fenster. Wenn das Wasserlangsam abkühlt, dann ist durch Sonneneinstrahlung oder durch viele Personen der Heizbedarf geringer. Die Regelung erfasst die Temperatur des von den Heizkörpern zurückströmenden Wassers (Rücklauf). Bei Null Grad Außentemperatur wird z. B. der Kessel gestartet, wenn die Rücklauftemperatur 32 °C erreicht hat (Bild 2.5.2-15).

Bild 2.5.2-15. Temperaturverlauf der Regelung nach der Rücklauftemperatur.

Der Brennerläuft dann solange, bis das vom Heizkörper zurückfliessende Wasser auf 38 °C erwärmt ist. Bei dieser Temperatur reicht die Kapazität der Heizkörper auch für die Erwärmung desjenigen Raumes noch aus, der die meiste Wärme benötigt. Innerhalb eines Zeitraumes von 24 Stunden sind bei dieser Außentemperatur und dem tatsächlichen

2

1220

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Wärmebedarf ca. 15 bis 20 Brennerstarts notwendig, bei 9 °C Außentemperatur sind es dann nur noch 7 bis 12 Brennerstarts. Nachdem das Wasser erwärmt ist, wird der Heizkessel abgeschaltet und die Pumpenleistung wird deutlich reduziert. In dieser Auskühlphase fließt weiter Wasser durch das Heizsystem. Am Rücklauf kann gemessen werden, wie schnell das Wasser abkühlt. Wenn die Temperatur des zurückfließenden Wassers z. B. um 6 Grad abgekühlt ist wird der Brenner wieder eingeschaltet. Wegen der geringen bedarfsangepassten Wassertemperatur schließen die Thermostatventile seltener und das umlaufende Wasservolumen ist deutlich höher. Dadurch kann mehr Wärme im Heizwasser gespeichert werden. Damit sollen weitgehend die Prüfstand-Testbedingungen nach DIN 4702 in der realen Anlage erzeugt werden. 2.5.2-4.2.2

Auswertung des Heizkörperwärmebedarfs

Bei dem ecotech-System, das den Heizwärmebedarf der Heizkörper auswertet, werden die elektronischen Funkheizkostenverteiler nicht nur für die Verbrauchserfassung sondern auch für eine Korrektur der Vorlaufsolltemperatur des Heizkreises verwendet. D. h. es erfolgt somit eine automatische Adaption der Heizkennlinie auf Basis von Messwerten der Funkheizkostenverteiler. Voraussetzung ist hier in den Wohnungen neben einer thermostatischen Raumtemperaturregelung die Ausstattung der Heizkörper mit geeigneten Funkheizkostenverteilern. Die Funkheizkostenverteiler, die in modifizierter Ausführung auch für die Erfassung der Vorlauftemperatur genutzt werden, übertragen per SRD-Funk im ISM-Band 868 MHz zyklisch nicht nur die Heizkörperverbrauchsdaten, sondern auch die Heizkörperwärmebedarfsdaten, welche von den installierten Datensammlern erfasst werden und von diesen ebenfalls per SRD-Funk im ISM-Band 868 MHz an den Fernablese- und ecotech-Masterdatensammler übertragen werden (Bild 2.5.2-16).

Bild 2.5.2-16. Bedarfsgeführte Vorlauftemperaturadaption mit Funkheizkostenverteilern (Techem)

Aus den Heizkörperwärmebedarfsdaten errechnet der ecotech-Masterdatensammler zyklisch zunächst Heizkörperversorgungszustände. Dabei gilt als Überversorgung ein Zustand des Heizkörpers, bei dem die aktuelle relative Heizkörperleistung, bezogen auf die aktuelle Vorlauftemperatur, kleiner als 80 % ist. Analog entspricht dem Zustand „Unterversorgung“ eine aktuelle relative Heizkörperleistung größer als 80 %. Aus den Heizkörperversorgungszuständen wird zyklisch für jeden geregelten Gebäudeheizkreis ein Gebäudeversorgungszustand mit Hilfe einer Fuzzy-Logic bestimmt. Die Regelbasis der eingesetzten Fuzzy-Logic ist so entworfen, dass einerseits Heizkörperunterversorgungszustände stärker gewichtet werden als Überversorgungszustände und dem angestrebten Zustand „Gebäudenormalversorgung“ eine mittlere Heizkörperleistung, bezogen auf die aktuelle Vorlauftemperatur, von ca. 80 % entspricht. Diesem angestrebten Betriebspunkt „Gebäudenormalversorgung“ entspricht ein mittlerer Heizkörpermassestrom von et-

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

wa30 bis 40 % bezogen auf den Nennmassestrom bzw. ein Heizkörperventilhub, abhängig von der Ventilautorität, von etwa 30 bis 50 %.. Die ermittelten Gebäudeheizkreisversorgungszustände sind ein Maß für den aktuellen Gebäudewärmebedarf und werden genutzt, um für jeden geregelten Heizkreis innerhalb der festgelegten Tageszeitintervalle (ecotech-Profilzeiten) ‚Nacht’, ‚Vormittag’, ‚Nachmittag’ und ‚Abend’ für die Tagestypen ‚Werktag’ und ‚Wochenende’ individuelle Vorlauftemperatur-Korrekturkurven in Abhängigkeit der Außentemperatur iterativ zu erlernen. Liegt ein Gebäudeheizkreisüberversorgungszustand vor, so kann die Vorlauftemperatur abgesenkt werden. Wird dagegen ein Gebäudeheizkreisunterversorgungszustand detektiert, so muss die Vorlauftemperatur angehoben werden. Diese Korrekturkurven sind einem stetigen Adaptionsprozess unterworfenen. Sie stellen sich im Ergebnis so ein, dass innerhalb der ecotech-Profilzeiten unter Berücksichtigung der mittleren realen Heizlast, resultierend aus den Witterungsbedingungen, dem Zustand der Gebäudehülle, der Heizungsanlagentechnik und aus dem Nutzerverhalten, eine im Sinne der Fuzzy-Logic mittlere Heizkörperleistungsreserve von ca. 20 % erzielt wird. Diese Leistungsreserve wird den Heizkörpern zur Verfügung gestellt, um innerhalb der ecotech-Profilzeiten auftretende kurzfristige Heizlastschwankungen ausregeln zu können. Aus den erlernten bzw. trainierten Korrekturkurven wird zyklisch in Abhängigkeit der Außentemperatur, des Tagestyps und der Tageszeit für jeden geregelten Heizkreis ein Korrektursignal erzeugt, das an den Vorlauftemperaturregler beispielsweise als 0 bis 10 Volt-Signal übergeben wird. Aufgabe des Vorlauftemperaturreglers ist es, dieses Korrektursignal zu skalieren und dem außentemperaturabhängigen Basissollwert der Vorlauftemperatur, der über die Heizkennlinie ermittelt wurde, hinzuzuaddieren. Im Ergebnis berechnet der Vorlauftemperaturregler einen wärmebedarfsabhängigen korrigierten Sollwert der Vorlauftemperatur (Bild 2.5.2-17).

Bild 2.5.2-17. Basis Heizkennlinie und wärmebedarfsabhängig korrigierte Heizkennlinie durch ecotech (Techem)

2.5.2-5

Kesselfolgeschaltungen1)

Bei großen Anlagen werden zum Teil aus Sicherheitsgründen zwei, drei oder mehr Kessel aufgestellt, die je nach Belastung in Betrieb gehen. Hierfür gibt es folgende Regelungsmöglichkeiten:

1)

VDMA-Einheitsblatt 24770. Dittrich, A.: HLH (1981), Nr. 11, S. 451–452. Schaer, M.: Heizung und Lüftung (1987), Nr. 4, S. 6ff. Bolfing, L.: Feuerungstechnik Spezial (1988), Nr. 7, S. 12–19; (1988), Nr. 8, S. 16–19.

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2

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2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

• Freigabe eines Folgekessels über die Vorlauftemperatur. Ein Kessel übernimmt die Grundlast; die weiteren Kessel werden je nach Temperaturabweichung zugeschaltet. Ungünstig, da je nach Belastung die notwendige Vorlauftemperatur nicht erreicht wird. Der Einsatz von PI-Reglern mit großer Nachstellzeit oder die Aufschaltung der Außentemperatur bietet eine Verbesserung. • Freigabe über die Außentemperatur; je nach der Außentemperatur werden die Kessel der Reihe nach eingeschaltet. Jeder Kessel hat zusätzlich seinen eigenen Kesselthermostat. Regelung nicht verwendbar bei stoßartig großem Wärmebedarf (z. B. Anheizbetrieb) oder für andere Zwecke als Hezung, z. B. Brauchwasser in Wäschereien, Industriewärme u. a.. • Freigabe über Rücklauftemperatur (Bild 2.5.2-18); bei fallender Leistung steigt bei konstantem Volumenstrom die Rücklauftemperatur. Zu jeder Leistung gehört eine ganz bestimmte Temperaturdifferenz. Der erste Kessel bleibt dauernd in Betrieb, der zweite und dritte Kessel werden freigegeben, wenn die Rücklauftemperatur auf einen bestimmten Wert gesunken ist, z. B. bei drei Kesseln mit 90/70 °C Auslegung auf 20/3 ≈ 7 °C. Die Freigabe erfolgt jeweils durch Einschalten der Brenner. Die Kesselabsperrung wird erst geöffnet, wenn die Kesseltemperatur den eingestellten Wert erreicht hat.

Bild 2.5.2-18. Folgeschaltung bei drei Kesseln abhängig von der Rücklauftemperatur.

4. Da nicht die Temperatur, sondern die von den Wärmeabnehmern benötigte Leistung entscheidend ist, sind durch die Möglichkeiten der digitalen Regler neue Verfahren der Kesselfolgeschaltungen entwickelt worden. Dabei berücksichtigt die Regelung die Wärmeanforderung der nachgeschalteten Wärmeabnehmer, z. B. durch Messung der Brennerein- und -ausschaltzeiten oder des stetigen Signals für modulierende Brenner, und schaltet durch eine frühzeitige Trendrechnung, auch z.B. über den zeitlichen Kesseltemperaturanstieg,leistungsabhängig die notwendigen Kesseleinheiten zu. Bei modernen Kesseln mit niedrigen Strahlungs- und Bereitschaftsverlusten, vor allem Brennwertkesseln, wird zunehmend ein Parallelbetrieb anstelle eines Kesselfolgebetriebs gefahren, da hierdurch bei zweistufig oder modulierend geregelten Brennern geringere Abgasverluste und höhere Gesamtnutzungsgrade erreicht werden. Dies gilt nicht für Kessel mit atmosphärischen Brennern und größeren inneren Auskühlverlusten. Für Mehrkesselanlagen wird meist ein Kaskadenmanager in Verbindung mit Kesselmodulen eingesetzt. Die Kesselmodule können dabei bis zu 2-stufige Brenner schalten. Zur Bus-Schnitt stehe ermöglicht die Einbindung des Kaskadenmanagers in geregelte Heizungsanlagen mit mehreren Heizkreisen (z. B. bis zu 16). Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion der Kesselfolgeschaltung im Zusammenwirken mit der Heizungsanlage ist eine einwandfreie Hydraulik im Kessel- und im Heizkreis. Für jeden Kessel eine eigene Pumpe und ein hydraulischer Ausgleich zwischen Kessel- und Heizkreis (z. B. über einen hydraulischen Entkoppler) – gehört zu den Grundforderungen bei der Ausführung. Dies gilt nicht für Kessel ohne Anforderungen an einen Mindestvolumenstrom. Die „hydraulische Weiche“ dient der Entkopplung von Kesselkreis und nachgeschalteten Heizkreisen, daher auch hydraulischer Entkoppler genannt.1) Sie besteht aus einer Rohrverbindung zwischen Kesselvor- und Kesselrücklauf, die in ihrer Dimension so groß ist,

1)

Rosemeier, K.: HLH (1988), Nr. 1, S. 25–26. Greb, F.: HLH (1988), Nr. 3, S. 121. Parma, W.: HLH (1988), Nr. 10, S. 463–468.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

1223

2 Bild 2.5.2-19. Mehrkesselanlage mit Kaskadenmanager und Kesselmodulen (Elster GmbH).

dass bei Auslegungsvolumenstrom die Fließgeschwindigkeit in der hydraulischen Weiche ca. ≤ 0,2 m/s beträgt (Bild 2.5.2-20). Überwiegt der Volumenstrom im Kesselkreis, so erfolgt der Ausgleich über die „hydraulische Weiche“ vom Kesselvor- zum Kesselrücklauf. Die den Heizkreisen angebotene Temperatur entspricht dann der momentanen Kesseltemperatur. Ist der von den Heizkreisen abgenommene Volumenstrom größer als der von den Kesseln angebotene, so strömt über den hydraulischen Entkoppler Rücklaufwasser direkt zum Vorlauf zu den Heizkreisen und mischt sich dem Kesselvorlaufwasser bei. Das führt zu einer gewollten Temperatur-Reduktion im Vorlauf. Bei einer eventuell daraus resultierenden Unterschreitung des momentanen Sollwertes der Kesselfolgeschaltung führt dies, je nach Trendrechnung durch die Regeleinrichtung zur Anforderung weiterer Kessel. Ein Drosselventil in jedem Kesselkreis dient zum Abgleich der Kesselvolumenströme. Bei Störungen an einer Kesseleinheit muss, kombiniert mit der entsprechenden Signalisierung, automatisch auf einen anderen Kessel umgeschaltet werden. Ein defekter Kessel muss auch hydraulisch von der Anlage abgekoppelt werden können. Einfachere Lösungen sind möglich, wenn an die Kessel keine Anforderungen an einen Mindestkesselwasserstrom und/oder an eine Mindestrücklauftemperatur gestellt werden.

Bild 2.5.2-20. Schema des hydraulischen Entkopplers.

1224

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.2-6

Kommunikationsfähige Regelungen1)

Elektronische Regelungen in der Heizungstechnik sind heute Stand der Technik. Ohne Elektronik ist ein energiesparender, wirtschaftlicher und zugleich umweltschonender Betrieb von Heizungsanlagen heutzutage nicht mehr möglich. Im Bereich der Heizungstechnik erlaubt ein digitaler Kommunikationsbus den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Regelungssystemen. Über das Bus-System können z. B. mehrere Heizkreisregelungen mit der Kesselregelung kombiniert werden und bei Mehrkesselanlagen kann die Kesselfolgeschaltung über diesen Bus realisiert werden. Uhrzeit, Temperaturen, Fehlermeldungen, Ist- und Sollwerte der Heizkreise oder Daten, die für die Schaltzeitoptimierung, Anfahrschaltung, Trinkwasservorrangschaltung oder zur Regelung eines modulierenden Brenners wichtig sind, werden ausgetauscht. Ddurch kennt die Regelung z. B. immer den aktuellen Bedarf der einzelnen Heizkreise und kann die entsprechend gerade benötigte Wärme bereitstellen. Sind Sonnenkollektoren installiert, solässt sich dann die Solarregelung mit auf dieses Bus-System aufschalten. DieHeizungsregelung kann z. B. von der Solarregelung über das Bus-System für die Trinkkwassererwärmung gesperrt werden, wenn ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht. Zusätzlich zu diesem Bussystem, mit dem die unterschiedlichen Heizungsregelsysteme miteinander verbunden werden, kann die Bedieneinheit, wenn sie aus der Regelung herausgenommen wird, auch über ein Bussystem als Fernbedienung an die Regelung angeschlossen werden.

2.5.2-6.1

Fernbedienen, Fernabfragen und Fernüberwachen von Heizungsanlagen

Mit kommunikationsfähigen Heizungsregelungen ist das Fernbedienen, Fernabfragen sowie die Fernüberwachung der Heizungsanlage als 24-Stunden-Service einfach möglich. Über die Kommunikationsschnittstelle kann die Heizungsregelung fernbedient werden oder die Kommunikationsschnittstelle meldet selbsttätig Daten oder Störungen der Heizungsanlage an die entsprechende Heizungsfachfirma oder an den entspechenden Server (Bild 2.5.2-21, Bild 2.5.2-22). Folgende Kommunikationswege werden heute verwendet: • Analoges Telefonnetz • ISDN-Telefonnetz • Mobilfunknetz (GSM, GPRS) • Ethernet Die Kommunikationsschnittstellen sind meist auf die verschiedenen Anwendergruppen und Einsatzgebiete zugeschnitten. Man unterscheidet bei den Anwendern zwischen: • Wärmeversorger (Versorgungsunternehmen) • Heizungsfachbetrieb • Anlagenbetreiber Für diese Anwender stehen unterschiedliche Geräte zur Verfügung, mit denen ein Energie-, Heizungs- und Störungsmanagement möglich ist. Preiswerte Geräte werden meist zur Fernüberwachung und Fernbedienung von Heizungsanlagen in Ein- und Zweifamilienhäusern oder Sportlerheimen eingesetzt. Mit diesen einfachen Geräten kann z. B. über einen Digitaleingang nur eine Störungsmeldung der Heizungsregelung aufgeschaltet und versendet werden und von außerhalb nur die Betriebsart der Heizungsregelung umgeschaltet werden. Komfortablere Geräte ermöglichen ein effizientes und kostengünstiges Heizungsmanagement für mehr Service- und Versorgungssicherheit. Diese Geräte werden z. B. in privaten Wohngebäuden, kleinen Nutzgebäuden oder in öffentlichen Einrichtungen eingesetzt und erlauben das Verstellen von Schaltzeiten, Betriebs- und Ferienprogramm, Sollwerte, Parameter der Heizkennlinie sowie das Abfragen von Betriebszuständen und Temperaturen. Soll neben dem Bedienen und Überwachen der Heizungsanlage, die Heizungsanlage auch energetisch optimiert werden, so werden in großen Wohn- und Nutzobjekten Kom-

1)

Pfannstiel, D.: Kommunikation im Haus- und Gebäudebereich breitet sich aus. HLH (2002), Nr. 17.

2.5.2 Regler für Kessel und Wandgeräte

munikationsgeräte zur professionellen Fernbedienung, Fernüberwachung und Ferneinrichtung von Heizungsanlagen benötigt und eingesetzt (Bild 2.5.2-22). Neben dem Verstellen von Schaltzeiten, Betriebs- und Ferienprogramm, Sollwerte, Parameter der Heizkennlinie sowie das Abfragen von Betriebszuständen und Temperaturen ist mit diesen Geräten neben einem Verstellen der Parametrierung über Codieradressen auch eine energetische Optimierung der Heizungsanlage möglich. Vorteile einer Fernüberwachung und Fernbedienung von Heizungsanlagen sind: – Erhöhte Betriebssicherheit durch Fernüberwachung. Unregelmäßigkeiten beim Betrieb der Heizungsanlage können frühzeitig erkannt und abgestellt werden. – Fernabfrage von Temperaturwerten. – Aufschaltmöglichkeit zur Übertragung weiterer Überwachungsfunktionen: z. B. Ölstand, Ölleckage, Temperaturüberwachung in Verbindung mit Kühlanlagen. – Fernbedienung und externe Parametrierung z.B. Schaltzeiteneinstellung, Umschalten von Heiz- auf Abschaltbetrieb, Verstellen von Sollwerten und der Heizkennlinienparameter. – Übertragung der Informationen an die Leitstelle einer Heizungsfachfirma bzw. Service-Firma oder an ein Telefaxgerät oder auf ein Mobiltelefon/Smartphone. – Anfahrt zur Heizungsanlage entfällt. Programmierarbeiten an der Heizungsregelung können direkt vom Büro aus durchgeführt werden (Schaltuhr bzw. Uhr einstellen). Bei Störungen können gleich die richtigen Ersatzteile mitgenommen werden. – Bei Abwesenheit wird automatisch der Servicetechniker informiert.

Bild 2.5.2-21. Fernüberwachung und Fernbedienung von Heizungsanlagen (Elster).

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2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bild 2.5.2-22. Kommunikationsschnittstelle Vitocom 300 (Viessmann)

2.5.2-6.2

Direktanbindung der Heizungsregelung an verschiedene Bus-Systeme

Die heutigen Heizungsregelungs-Systeme können direkt oder über eine Kommunikationsschnittstelle (Gateway) an andere Bus-Systeme angeschlossen werden und Daten austauschen, z. B. Anbindung der Heizungsregelung an Gebäudeleittechnik-Systeme (GLTSysteme) oder externe Service-Leitstellen. Durch die Verwendung einer meist genormten Kommunikationsschnittstelle (Gateway), ist man nicht auf ein spezielles GLT-System beschränkt. Mit diesem Gatewaylässt sich die Heizungsanlage direkt auf GLT-Systeme der verschiedensten Leittechnik-Hersteller aufschalten. Neben der Funktion der zentrallen Überwachung und Bedienung der verschiedenen Gewerkeliegt eine wesentliche Aufabe der GLT im Energiemanagement mit den Schwerpunkten Energieeinsparung und Schadstoffreduzierung. Mit einer entsprechenden Kommunikationsschnittstelle (externes Gerät oder in der Heizungsregelung integriert) ist auch die Anbindung der Heizungsanlage an den EIB/KNX und LON möglich. Auf die Datenpunkte wie Uhrzeit, Temperaturen (z. B. Außentemperatur, Speichertemperatur, u. a.), Soll- und Istwerte der Heizkreise, Fehlermeldungen kann vom EIB/KNX oder LON aus zugegriffen werden, d. h. diese Werte können sowohl gelesen als auch verändert werden. Damit ist dann in Verbindung mit der Heizungsregelung ein energiesparender Betrieb durch Führung der Vorlauftemperatur der dazugehörigen Heizkreise in Abhängigkeit von elektronischen Einzelraumtemperatureglern auch im Hausbereich möglich. Ist ein Bussystem, wie z. B. der KNX/EIB oder LON im Haus installiert und sind zudem elektronische Einzelraumtemperatur-Regler eingebaut, so kann damit auch eine wärmebedarfsgeführte Regelung erfolgen. Zudem kann der Zustand von Fenstern (geschlossen, geöffnet) mit auf den KNX/EIB oder LON als Zustandswert gelegt werden. Damit ist es dann auch möglich, dass der Einzelraum-Temperaturregler bei geöffnetem Fenster automatisch die Heizleistung des Heizkörpers reduziert, indem das Ventil geschlossen wird (siehe Abschnitt 6.1.3-1). Sinnvoll ist, wenn elektronische Einzelraumtemperatur-Regler installiert sind, einelastabhängige Regelung der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit vom Wärmebedarf der Räume. Die elektronische Einzelraumtemperatur-Regelung übernimmt die Temperaturfeinregelung im Raum, während die zentrale Regelung für den Wärmeerzeuger oder für den Heizkreis weiterhin als Grobregelung arbeitet. Somit muss die Heizungsregelung auch an den KNX/EIB oder LON mit angeschlossen werden und es muss ein Datenaustausch zzwischen diesen Systemen möglich sein. Für einelastabhängige Vorlauftemperaturregeung stehen über den KNX/EIB oder LON die Daten der Einzelraumregler wie z. B. aktuelle Ventilstellung und Raumisttemperatur, eingestellter Raumtemperatursollwert, aktuelle Betriebsart und noch andere Datenwerte auf dem Bus zur Verfügung. Diese DaDatenwerte brauchen von derlastabhängigen Regelung nur noch ausgewertet zu werden. n der Heizungsregelung stehen auch die entsprechenden Daten zur Verfügung bzw. die Sollwerte der Kessel- und Heizkreisregelung können von extern über den Bus beeinflusst werden. Dies wird dann meist im Rahmen eines Hausautomationssystems realisiert (siehe Abschnitt 6.1.3-1).

2.5.3 Regler für Solaranlagen

2.5.3

1227

Regler für Solaranlagen1)

Der Solarregler (Bild 2.5.3-1) bei einer thermischen Solaranlage übernimmt das Energiemanagement und sorgt dafür, dass die Sonnenwärme effektiv genutzt wird. Eingesetzt werden elektronische Regler mit Zweipunkt- oder stetigem Ausgang, sie erfassen die Temperaturen am/im Kollektor und im Speicher und steuern die Pumpen sowie Umschaltventile an. Meist handelt es sich um autarke Systeme, d. h. diese kommunizieren nicht mit der Kesselregelung. Solarregelung und Kesselregelung von einem Hersteller sind eher in der Lage miteinander zu kommunizieren und erlauben dadurch einen effizienteren Betrieb der gesamten Anlage.

2 Bild 2.5.3-1. Solarregler ES 651x (TEM)

Bei Solaranlagen unterscheidet man zwischen – Anlagen zur Trinkwassererwärmung. – Anlagen zur Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung. – Anlagen zur Trinkwassererwärmung und zur Schwimmbaderwärmung. Weiterhin unterscheidet man auch nach Art der verwendeten Speicher (Bild 2.5.3-2): – Anlagen mit einem bivalenten Speicher zur Trinkwassererwärmung (Bild 2.5.3-2, links). – Anlagen mit zwei Speichern: Monovalenter Solarspeicher als Vorspeicher zur Trinkwassererwärmung) oder ein Speicher zur Trinkwassererwärmung und ein Pufferspeicher zur Heizungsunterstützung (Bild 2.5.3-2, Mitte). – Kombispeicher zur Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung (Bild 2.5.3-2, rechts).

Bild 2.5.3-2. Unterscheidung nach Art des verwendeten Speichers Links: Bivalentes Speichersystem zur Trinkwassererwärmung, Mitte: Monovalenter Solarspeicher als Vorspeicher zur Trinkwassererwärmung, Rechts: Kombispeicher zur Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung (Viessmann Werke)

Bei den Kollektoren unterscheidet man zwischen: – Einfeld-Kollektoranlage (Bild 2.5.3-3,links). – Zweifeld-Kollektoranlage mit Ost-/Westdach-Ausrichtung (Bild 2.5.3-3, rechts).

1)

Pfannstiel, D.: Neue Wärmepumpen und Solarregelungen. HLH (2009), Nr. 11, S. 65–69.

1228

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bild 2.5.3-3. Unterscheidung nach Art der Kollektoranlage Links: Einfeld-Kollektoranlage, Rechts: Zweifeld-Kollektoranlage mit Ost-/Westdach-Ausrichtung (Buderus)

Weiterhin werden auch noch externe Wärmetauscher zur Schwimmbad- und zur Trinkwassererwärmung (Frischwasserstation) oder bei einem Vorspeicher eingesetzt. Bei Anlagen mit zwei Speichern oder bei Anlagen zur Trinkwasser- und Schwimmbaderwärmung kann statt zwei Solarpumpen auch eine Solarpumpe mit einem Umschaltventil verwendet werden. Entsprechend diesen vielfältigen Ausführungsmöglichkeiten von Solaranlagen, beinhalten die Solarregelungen neben den gängigen Grundfunktionen eine Vielzahl von Zusatzfunktionen, um die verschiedenen Anlagenschemen von der regelungstechnischen Seite her abdecken zu können. Für eine höchstmögliche Gesamtanlageneffizienz und damit eine möglichst hohe Energieeinsparung durch die Nutzung der Solarwärme ist auch das Zusammenspiel der verschiedenen Wärmeerzeuger von großer Bedeutung. Thermische Solaranlagen werden über den Solarregler gesteuert bzw. geregelt. Die Anforderungen, die ein Regler erfüllen soll, können sehr unterschiedlich sein. Sie sind abhängig von der Art der Anlage und den gewünschten Funktionen. Bei den Funktionen wird unterschieden zwischen: – Grundfunktionen. – Sicherheitsfunktionen. – Sonstige Funktionen. – Funktions- und Ertragskontrolle.

2.5.3-1

Grundfunktionen

Die Grundfunktionen beschreiben die standardmäßig implementierten Funktionen zu den verschiedenen Anlagenschemen. Die optionalen Funktionen können zusätzlich zu diesen Grundfunktionen in den Regelungen aktiviert werden. Die heutigen Solarregelungen decken die verschiedenen Anlagenschemen ab und die dazugehörigen Funktionen können über eine Parametrierebene freigeschaltet werden. Zur Speicherbeladung findet man in den Regelungen unterschiedliche Strategien, diese sind: – Differenztemperaturregelung. – Zieltemperatur-Regelung. – Ereignis-Regelung.

2.5.3-1.1 2.5.3-1.1.1

Differenztemperaturregelung Einspeichersysteme

Bei der Differenztemperaturregelung für Einspeichersysteme werden zwei Temperaturen (Kollektor- und Speichertemperatur) gemessen und die sich daraus ergebende Differenz ermittelt. Die Solarkreispumpe wird eingeschaltet, sobald die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher den voreingestellten Wert überschritten hat (EinschaltTemperaturdifferenz). Der Wärmeträger transportiert dann die Wärme vom Kollektor zum Speicher-Wassererwärmer. Wird eine zweite, kleinere Temperaturdifferenz unter-

2.5.3 Regler für Solaranlagen

1229

schritten, schaltet die Solarkreispumpe ab (Ausschalt-Temperaturdifferenz). Der Unterschied zwischen Ein- und Ausschalt-Temperaturdifferenz wird Hysterese genannt. Der Einschaltpunkt für die Solarkreispumpe muss so gewählt sein, dass sich der Wärmetransport vom Kollektor zum Speicherlohnt, also am Wärmetauscher eine ausreichend große Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und Speicherwasser vorhanden ist. Außerdem darf das System bei beginnendem Wärmetransport aus dem Kollektor nicht sofort wieder abschalten, wenn der kalte Wärmeträger aus den Rohrleitungen den Kollektorfühler erreicht. Bei üblichen Solaranlagen mit internen Wärmetauschern im Solarspeicher hat sich ein Einschaltwert von 8 K und ein Ausschaltwert von 4 K Kollektortemperatur über Speichertemperatur bewährt. Je nach Anlagenausführung erfolgt ein Betrieb entweder mit konstantem Volumenstrom (Low-Flow oder High-flow) oder mit einem variablen Volumenstrom (Matched-flow). Für den Matched-flow-Betrieb wird eine Solarpumpe benötigt, die in der Drehzahl verstellt werden kann. Die Ansteuerung dieser Pumpe kann über ein PWM-Signal, über 0 bis 10 Volt oder kommunikativ über einen Bus (z. B. KM-Bus) erfolgen. 2.5.3-1.1.2

Mehrspeichersysteme

In Solarsystemen mit mehreren Speichern oder Verbrauchern ist es notwendig, verschiedene Temperaturdifferenzmessungen/-regelungen miteinander zu kombinieren. Bei Mehrspeichersystemen (zwei Pumpen oder eine Pumpe und 3-Wege-Umschaltventil, Bild 2.5.3-4) können je nach Anforderung unterschiedliche Regelungsstrategien gewählt werden: – Parallelbeladung. – Kältester Speicher (Regelung nach Effizienz). – Vorrangig Speicher 1. – Vorrangig Speicher 2.

Bild 2.5.3-4. Mehrspeicheranlage Links: 2-Pumpenlösung, Rechts: 1 Pumpe und 3-Wege-Umschaltventil (Viessmann Werke)

a) Parallelbeladung: Ist bei beiden Speichern die Einschaltdifferenz erfüllt, so wird die Solarpumpe eingeschaltet und die beiden Speicher werden parallel geladen. Bei dem System mit 3-Wege-Umschaltventil ist keine Parallelbeladung möglich. Eine Betriebsweise, bei der beide Pumpen auch parallellaufen können, ist zwar theoretisch möglich, aber in der praktischen Anwendung nur in seltenen Fällen sinnvoll. Es ist zu bedenken, dass eine solche Betriebsweise unterschiedliche Volumenströme im Primarkreis zur Folge hat. b) Kältester Speicher: Es erfolgt immer die Beladung des kältesten Speichers und dieser wird solange geladen bis dessen Temperatur über der des anderen Speichersliegt. Dann wechselt die Beladung auf den anderen Speicher. Auf diese Weise werden die Speicher abwechselnd gleichmäßig bis zur Speicher-Maximaltemperatur beladen.

2

1230

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

c) Vorrangladung Speicher 1 oder Speicher 2: Ist bei dem Speicher 1 die Einschaltdifferenz erfüllt, so wird die Solarpumpe eingeschaltet und der Speicher wird geladen. Kann der Vorrangspeicher 1 nicht geladen werden, so wird der Nachrangspeicher 2 auf die Einschaltdifferenz hin überprüft. Ist diese Einschaltbedingung erfüllt, so wird der Speicher 2 für eine gewisse Zeit geladen. Danach wird die Beladung für Speicher 2 abgebrochen. Ist nach einer Wartezeit die Einschaltbedingung für die Beladung von Speicher 1 nicht erfüllt, so erfolgt, wenn die Einschaltbedingung für die Speicher 2 erfüllt ist, die weitere Beladung des Speichers 2, ansonsten wird zuerst der Speicher 1 geladen. 2.5.3-1.1.3

Zwei-Kollektoranlage

Bei ungenügendem Platzangebot auf einer Dachfläche wird für die Anlagenhydraulik eine Ost- /West-Ausrichtung gewählt (Bild 2.5.3-3, rechts). Dabei werden die Kollektoren auf zwei Dachflächen verteilt, was besondere Ansprüche an die Hydraulik und Regelung stellt. Eine Ausführung mit zwei Pumpen hat den Vorteil, dass beide Kollektorfelder mittags gleichzeitig betrieben werden können. Abhängig davon, zwischen welchem Kollektorfeld und dem Speicher die Einschalttemperaturdifferenz erreicht wird, wird die Solarpumpe für das jeweilige Kollektorfeld eingeschaltet. Wird für beide Kollektorfelder die Einschalttemperaturdifferenz erreicht, so werden die beiden Pumpen eingeschaltet. Wird die Ausschalttemperaturdifferenz zwischen dem jeweiligen Kollektorfeld und dem Speicher oder eine Sicherheitsbegrenzung erreicht, so wird die jeweilige Solarpumpe abgeschaltet. Je nach Regelung wird zusätzlich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kollektoren überwacht und damit der kältere Kollektor abgschaltet. Damitlässt sich das „Mitziehen“ des kälteren Kollektors als Folge von Mischtemperaturen vermeiden. 2.5.3-1.1.4

Mit Bypass

Eine Bypass-Pumpe kann das Anlaufverhalten einer Solaranlage verbessern, z. B. bei sehrlangen Zuleitungen zum Speicher oder beiliegend montierten Vakuum-Röhrenkollektoren auf Flachdächern. Beim Überschreiten der eingestellten Temperaturdifferenz zum Speichertemperaturfühler wird die Bypass-Pumpe eingeschaltet, d. h. es wird zuerst der Kollektorkreis erwärmt. Dies sorgt dafür, dass zunächst nur die Rohrleitungen erwärmt werden. Wird dann die voreingestellte Temperaturdifferenz zwischen BypassFühler und Speichertemperaturfühler überschritten, so wird die Solarkreispumpe einund die Bypass-Pumpe ausgeschaltet (Bild 2.5.3-5). Dadurch wird vermieden, dass der Speicher bei beginnender Ladung zuerst auskühlt.

Bild 2.5.3-5. Regelung mit Bypass-Pumpe (Viessmann Werke)

2.5.3-1.1.5

Mit Heizungsunterstützung

Bei der Heizungsunterstützung unterscheidet man zwischen: – Heizkreiskreis wird aus dem Pufferspeicher (Kombispeicher) versorgt (Bild 2.5.3-6, links) oder – Anhebung der Heizungsrücklauftemperatur (Bild 2.5.3-6, rechts). Bei einer Anlage mit Pufferbeladung wird der Speicher durch die Solaranlage oder den Heizkessel auf Vorlauftemperatur gebracht. Aus dem Heizwasser-Pufferspeicher heraus erfolgt dann direkt die Versorgung des Heizkreises. Das Laden des Solarspeichers regelt die Solarregelung.

2.5.3 Regler für Solaranlagen

1231

Bei einem System mit Rücklauftemperaturanhebung wird der Heizkreis generell vom Kessel versorgt und über den Solarspeicher wirdlediglich der Heizungsrücklauf in der Temperatur angehoben. Dazu wird die Solarwärme in den Heizkreis eingespeist, wenn ddie Temperatur des Heizungsrücklaufs unter der Temperatur im Speicherliegt. Die Umchaltung erfolgt über ein 3-Wege-Umschaltventil. Reicht die Rücklauftemperaturanhebung aus, um die gewünschte Vorlauftemperatur für den Heizkreis zu erreichen, so braucht der Heizkessel nicht nachzuheizen. Ansonsten muss der Heizkessel nachheizen, um die geforderte Vorlauftemperatur für den Heizkreis zu erreichen. Die Funktion zur Rücklauftemperaturanhebung ist in den meisten Solarregelungen implementiert.

2 Bild 2.5.3-6. Solare Heizungsunterstützung Links: Versorgung des Heizkreises aus dem Pufferspeicher, Rechts: Anhebung der Heizungsrücklauftemperatur (Viessmann Werke)

2.5.3-1.1.6

Mit externem Wärmetauscher

Da der Kollektorkreis mit Frostschutzmittel gefüllt ist, muss zur Systemtrennung für die Beheizung eines Schwimmbads ein Wärmetauscher zwischengeschaltet werden. Auf der Kollektorseite werden zwei Pumpen (Bild 2.5.3-7) und im Schwimmbadkreis hinter dem Wärmetauscher wird eine zusätzliche Pumpe benötigt. Die Pumpe für den Schwimmbadkreis wird eingeschaltet, wenn die Einschalttemperaturdifferenz zwischen Kollektorkreis und Schwimmbadkreis überschritten ist. Als Ladestrategien wird man hier eher die Vorrangschaltung für den Trinkwasserspeicher auswählen. D. h. es wird die Anlage so geregelt, dass vorrangig das Trinkwasser solar erwärmt wird. Erst wenn der Trinkwasserspeicher seine Zieltemperatur erreicht hat, soll die Solaranlage das Schwimmbad erwärmen. Mit dieser Ladestrategie wird in Kauf genommen, dass die Solaranlage mit einem etwas schlechteren Wirkungsgrad arbeitet, da sie nicht vorrangig das kältere Beckenwasser erwärmt.

Bild 2.5.3-7. Schwimmbaderwärmung mit externem Wärmetauscher (Viessmann Werke)

2.5.3-1.2

Zieltemperaturregelung

Bei der Zieltemperaturregelung wird der Kollektor auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten (z. B. 70 °C), um den Speicher schnellerladen zu können. Die ZieltemperaturRegelung ist dabei wie eine Schnellbeladung zu sehen.

2.5.3-1.3

Ereignisregelung

Bei der Ereignisregelung wird eine Funktion aktiviert, wenn eine oder mehrere Voraussetzungen erfüllt sind. Ist z. B. die Speicher-Maximaltemperatur von Speicher 1 erreicht, so wird auf Speicher 2 umgeschichtet.

1232

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.3-2

Sicherheitsfunktionen

Die Sicherheitsfunktionen sind den normalen Steuer- und Regelungsfunktionen überlagert und entweder hard- oder softwaremäßig realisiert.

2.5.3-2.1 2.5.3-2.1.1

Hardwaremäßig realisierte Sicherheitsfunktionen Sicherheitstemperaturbegrenzung

Der Solarregler begrenzt die Speichermaximaltemperatur und beendet bei Erreichen dieser Temperatur die Ladung durch die Solaranlage. Ein Defekt in der Regelung kann dazu führen, dass die Pumpe bei hoher Einstrahlung weiterläuft und der Speicher dadurch überhitzt wird. Dieser Fall tritt ein, wenn die Erzeugungsleistung des Kollektors über der Verlustleistung des Speichers und des Primarkreisesliegt. Diese Gefahr besteht iinsbesondere dann, wenn ein deutlich geringeres Speichervolumen als 50 l/m Absorberfläche zur Verfügung steht. Um eine Dampfbildung im Trinkwarmwassernetz zu unterbinden, wird ein Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) am Kopf des Speichers montiert, der bei Überschreiten von 95 °C die Stromzufuhr zur Solarkreispumpe unterbricht (Bild 2.5.3-8).

Bild 2.5.3-8. Speicher-Sicherheitstemperaturbegrenzung (Viessmann Werke)

2.5.3-2.1.2

Schutz vor Verbrühungen

Ist die Speichermaximaltemperatur höher als 60 °C eingestellt, müssen geeignete Maßnahmen zum Schutz vor Verbrühung getroffen werden. Möglich ist: – Entweder einen thermostatisch geregelten Warmwassermischer hinter den Warmwasseranschluss des Speichers einzubauen oder – an allen Zapfstellen die Mischtemperatur z. B. mit Thermostatbatterien oder voreinstellbaren Einhebelmischbatterien zu begrenzen (im Wohnungsbau sind Maximaltemperaturen von 45 °C bis 60 °C als zweckmäßig anzusehen). Einen sicheren Schutz vor Warmwasserübertemperaturen (Verbrühungsgefahr) bietet ein thermostatisch geregelter Warmwassermischer (WWM). Die thermostatische Warmwasser-Mischergruppe ist für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern und für alle Trinkwasserspeicher mit einer Betriebstemperatur bis 90 °C geeignet. Sie dient als Verbrühungsschutz besonders auch für solare Trinkwasseranlagen. Der thermostatisch geregelte Warmwassermischer mischt dem Warmwasser aus dem Speicher so viel Kaltwasser bei, dass die Temperatur einen eingestellten Sollwert nicht überschreitet. In Verbindung mit einer Zirkulationsleitung ist eine Bypass-Leitung zwischen dem Zirkulationseintritt am Speicher und dem Kaltwassereintritt in den thermostatisch geregelten Warmwassermischer erforderlich. Liegt die Speichertemperatur über dem am thermostatisch geregelten Warmwassermischer eingestellten Sollwert, während kein

2.5.3 Regler für Solaranlagen

1233

Warmwasser gezapft wird, fördert die Zirkulationspumpe einen Teil des Zirkulationsrücklaufs direkt über die Bypass-Leitung zum nun offenen Kaltwassereingang des Warmwassermischers. Das vom Speicher kommende Warmwasser mischt sich mit dem kälteren Wasser des Zirkulationsrücklaufs. Um eine Schwerkraftzirkulation zu vermeiden, ist der thermostatisch geregelte Warmwassermischer unterhalb des Warmwasseraustritts des Speichers einzubauen. Ist dies nicht möglich, ist eine Wärmedämmschleife oder ein Rückflussverhinderer unmittelbar am Anschluss des Warmwasseraustritts (AW) vorzusehen. Dies verhindert Einrohr-Zirkulationsverluste. Rückflussverhinderer sind einzuplanen, um eine Fehlzirkulation und damit ein Auskühlen und Mischen des Speicherinhalts zu vermeiden. Die Zirkulationspumpe kann entweder von der Heizungsregelung aus angesteuert werden oder von der Solarregelung. 2.5.3-2.1.3

Blitzschutz

Der Kollektor-Temperaturfühler im Führungskollektor kann wegen seiner exponierten Lage auf dem Dach während eines Gewitters Überspannungen auffangen. Diese Überspannungen können den Sensor und / oder die Solarregelung zerstören. Der Überspannungsschutz ist kein Blitzableiter. Er ist für den Fall konzipiert, dass ein Blitz im weiteren Umfeld der Solaranlage einschlägt und dabei Überspannungen erzeugt. Schutzdioden begrenzen diese Überspannungen auf einen für die Regelung unschädlichen Wert. Die Anschlussdose ist im Bereich der Kabellänge des Kollektortemperaturfühlers vorzusehen.

2.5.3-2.2 2.5.3-2.2.1

Softwaremäßig realisierte Sicherheitsfunktionen Kollektornotabschaltung

Bei Erreichen bzw. Überschreiten der eingestellten Kollektorgrenztemperatur wird die dazu gehörige Solarpumpe ausgeschaltet, um einer schädlichen Überhitzung der Solarkomponenten vorzubeugen. 2.5.3-2.2.2

Kollektorkühlfunktion

Bei Überhitzung des Kollektors werden der oder die Speicher bis zu einer maximalen Abschalttemperatur von z. B. 90 °C aufgeladen, um den Kollektor abzukühlen. 2.5.3-2.2.3

Kollektorfrostschutz

Bei Unterschreiten einer eingestellten Frostschutztemperatur am Kollektor wird die dazugehörige Solarpumpe eingeschaltet, wenn die Anlage nicht mit Frostschutzmittel gefüllt ist.

2.5.3-3

Sonstige Funktionen

Die sonstigen Funktionen können zusätzlich zu den Grundfunktionen oder zu den entsprechenden Anlagenschemen automatisch oder manuell aktiviert werden.

2.5.3-3.1

Automatische Sommer-/Winterzeitumschaltung

Automatische Umschaltung zwischen Sommer- / Winterzeit und umgekehrt. In den meisten Regelungen kann in der Einstellebene der Umschaltzeitpunkt für Frühjahr und Herbst eingestellt werden.

2.5.3-3.2

Betriebsstundenzähler für die einzelnen Relais

Für die Relaisausgänge sind entsprechende Betriebsstundenzähler integriert, die die Betriebsstunden der Pumpen aufsummieren. Das Aufsummieren der Betriebsstunden erfolgt meist intern im Minutenbereich und es werden meist nur volle Stunden an der Solarregelung angezeigt.

2.5.3-3.3

Kollektor-Enteisungsfunktion

Die Solarpumpe kann zur Enteisung des Kollektors eingeschaltet werden. Dabei wird warmes Wasser aus dem Speicher zum Kollektor transportiert, um diesen zu enteisen, d.h. abzutauen.

2

1234

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.3-3.4

Kollektor-Minimaltemperatur

Die Kollektorminimaltemperatur ist eine Mindest-Einschalttemperatur, die überschritten werden muss, damit die Solarpumpe 1 oder 2 eingeschaltet wird. Diese Minimaltemperatur soll ein zu häufiges Einschalten der Solarpumpe bei zu geringen Kollektortemperaturen verhindern.

2.5.3-3.5

Unterdrückung der Nachheizung durch den Heizkessel

Zur Effizienzsteigerung der Solaranlage kann die konventionelle Nachheizung des Trinkwasserspeichers entweder solange verzögert werden, bis keine Solarwärme mehr geliefert wird oder vorzeitig blockiert werden. Besteht zwischen der Solarregelung und der Kessel-/Heizungsregelung eine Kommunikationsverbindung, so kann auf diesem Wege die Nachheizung des Trinkwasserspeichers durch den Heizkessel blockiert werden. Am Heizungsregler wird wie üblich eine Nachheiztemperatur für das Trinkwarmwasser eingestellt. Zusätzlich wird eine Minimaltemperatur eingestellt. Wenn die Nachheizunterdrückung aktiviert ist und der Speicher solar beladen wird,lässt die Kesselregelung ein Unterschreiten der Warmwassertemperatur bis zur eingestellten Minimaltemperatur zu und regelt somit nicht starr auf den eingestellten Trinkwassersollwert von z. B. 60 °C. Der Speicher-Wassererwärmer wird erst dann vom Heizkessel beheizt wenn dieser Minimalwert unterschritten wird. Ohne eine Kommunikationsverbindung wird die Nachheizungsunterdrückung von der Solarregelung ausgeführt, indem von der Solarregelung bei Überschreitung der vorgegebenen Mindesttemperatur ein Relaisausgang geschaltet wird. Damit kann entweder über einen Schalteingang an der Kesselregelung die Warmwasserbereitung gesperrt werden oder es wird ein Widerstand in Reihe zum Speichertemperatursensor der Kesselregelung geschaltet. Damit wird dem Heizkessel eine höhere Speichertemperatur vorgetäuscht. Wird die Mindesttemperatur unterschritten, so wird der zugeschaltete Widerstand wieder weggenommen und die Kesselregelung sieht und erfasst wieder die tatsächliche Speichertemperatur.

2.5.3-3.6

Pumpenkick

Um ein Festsetzen der Solarpumpe zu vermeiden, werden nacheinander diejenigen Ausgänge für eine kurze Zeit angesteuert, die in den letzten 24 Stunden nicht angesteuert wurden.

2.5.3-3.7

Röhrenkollektorfunktion

Bei Röhrenkollektoren ist der Kollektortemperatursensor oft an einer ungünstigen Stelle angebracht und erfasst somit bei Stillstand der Solarpumpe nicht die aktuelle Kollektortemperatur. Um die tatsächliche Kollektortemperatur im Kollektor zu erfassen wird in bestimmten Zeitabständen die Solarpumpe kurz eingeschaltet.

2.5.3-3.8

Speicherkühlfunktion

Die Speicherkühlfunktion kühlt den Speicher wieder auf die Speicher-Maximaltemperatur ab, wenn der Speicher durch die Kollektorkühlfunktion über die Speicher-Maximaltemperatur geladen wurde.

2.5.3-3.9

Speichermaximaltemperaturbegrenzung

Die Speichermaximaltemperatur ist eine Begrenzungstemperatur für die Regelung und kann nur durch eine Sicherheitsfunktion (z. B. Kollektorkühlung) außer Kraft gesetzt werden. Bei Erreichen der eingestellten Speichermaximaltemperatur wird die dazugehörige Solarpumpe ausgeschaltet.

2.5.3-3.10 Urlaubsfunktion Bei der Urlaubsfunktion wird der Kollektor mit einem schlechten Wirkungsgrad geladen, um die Ladezeit zu verlängern, um somit eine Kollektorstagnation zu vermeiden. Da im Urlaub kein Warmwasser verbraucht wird, wird z. B. nachts der Speicher „gekühlt“, damit am nächsten Tag der Speicher, zur Stagnationsvermeidung, wieder geladen werden kann.

2.5.3 Regler für Solaranlagen

1235

2.5.3-3.11 Wärmemengenbilanzierung Eine Bilanzierung der Wärmemenge kann entweder zwischen Kollektor- und Rücklauftemperatur oder zwischen Speichervorlauf- und Speicherrücklauftemperatur erfolgen. Neben den Temperatursensoren wird ein elektronischer Durchflussmesser benötigt. Die Wärmemengenbilanzierung kann in der Solarregelung erfolgen oder es kann direkt ein Wärmemengenzähler an die Solarregelung angeschlossen werden.

2.5.3-4

Funktions- und Ertragskontrolle

Wie bei jeder technischen Einrichtung sind auch bei einer thermischen Solaranlage Störungen nicht ganz auszuschließen. Bei anderen Anlagen wird ein Fehler oder eine Störung normalerweise schnell bemerkt, bei einer Solaranlage dagegen übernimmt in diesem Fall automatisch der Heizkessel die Erwärmung des Warmwassers. Eine Störung ist bei einer Solaranlage deshalb nicht immer offensichtlich. Die Kontrolle einer Solaranlage kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen: – durch eine Funktionskontrolle oder – durch eine Ertragskontrolle.

2.5.3-4.1

Funktionskontrolle

Mit Hilfe der Funktionskontrolle kann die Funktion bzw. Fehlfunktion der gesamten Anlage oder von Einzelkomponenten erfasst werden. Dies kann manuell oder automatisch geschehen. 2.5.3-4.1.1

Sensorüberwachung

Der Solarregler detektiert einen Defekt in der Fühlerleitung sofort, da die Sensoren auf einen Kurzschluss oder auf eine Unterbrechung hin überwacht werden. 2.5.3-4.1.2

Temperaturüberwachung

Am Regler können Maximaltemperaturen für Speicher und Kollektor definiert werden, ab denen der Regler eine Fehlermeldung erzeugt. Vor der Definition dieser Temperaturwerte muss anlagenbezogen genau geprüft werden, wie hoch diese Werte sein müssen, damit es nicht zu irreführenden Fehlermeldungen kommt. 2.5.3-4.1.3

Differenztemperaturüberwachung

Eine weitere Möglichkeit der Funktionskontrolle ist die Überwachung von Temperaturdifferenzen, in der Regel zwischen Kollektor und Speicher. Mit Hilfe dieser automatischen Funktionskontrolle können typische Fehler angezeigt werden. Diese Fehler führen dazu, dass keine Energie mehr aus dem Kollektor an den Speicher abgeführt wird, obwohl der Speicher noch Energie aufnehmen könnte. Mögliche Ursachen sind: – Defekte Kollektorkreispumpe. – Unterbrochene Stromversorgung zur Kollektorkreispumpe. – Hydraulische Probleme im Kollektorkreis (z. B. Luft, Leckagen, Ablagerungen). – Fehlstellung von Ventilen (z. B. Bypassventil schaltet nicht zurück). – Fehlerhafte oder sehr stark verschmutzte Wärmetauscher. 2.5.3-4.1.4

Volumenstromüberwachung

Ist ein Volumenstromsensor für die Ertragskontrolle installiert, so kann dieser auch für eine Funktionskontrolle mit verwendet werden. Mit dem Volumenstromsensor kann z.B. eine Schwerkraftzirkulation durch eine fehlende oder defekte Schwerkraftbremse detektiert werden.

2.5.3-4.2

Ertragskontrolle

Bei einer Ertragskontrolle werden gemessene Wärmemengen pro Zeiteinheit mit festgelegten oder errechneten Sollwerten verglichen. Eine Ertragskontrolle kann manuell oder automatisch erfolgen. Eine einfache und wirkungsvolle Kontrolle ist der Vergleich der realen Pumpenlaufzeit mit erwarteten Werten. Für eine durchschnittliche Solaranlage rechnet man mit 1500 bis1800 Stunden pro Jahr. Genauere Werte für die erwartete Pumpenlaufzeitliefert eine Jahressimulation der Anlage.

2

1236

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.4

Regler für Brennstoffzellenheizgeräte1)

Brennstoffzellenheizgeräte (BZH) zur Strom- und Wärmeerzeugung für die Hausenergieversorgung sind so ausgelegt, dass sie die Grundlast des Strom- und Wärmebedarfs des Gebäudes abdecken (siehe auch Abschnitt 2.2.5-4.2). Das Brennstoffzellenheizgerät (Bild 2.5.4-1) ist meist zusätzlich mit einem konventionellen Heizgerät (Brennwertgerät) ausgestattet, das die erforderliche Wärme zur Abdeckung der Bedarfsspitzen im Heizund Warmwasserbetriebliefert. Die Regelungen für das konventionelle Heizgerät und für den Heizkreis entsprechen denen nach Abschnitt 2.5.2 und werden auch bei den Anlagen mit einem BZH weiterhin eingesetzt. Die Brennstoffzellenheizgeräte befinden sich zurzeit noch in der Entwicklungs- und in der Felderprobungsphase. Daher sind die BZHRegelungen, aus Flexibilitätsgründen, meist noch als SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ausgeführt und erst für die Seriengeräte sind integrierte Hardwarelösungen vorgesehen bzw. zu erwarten.

Bild 2.5.4-1. Brennstoffzellenheizgerät für den Hausbereich, elektrische Leistung: 1,5 kW, thermische Leistung 3,0 kW, Heizgerät: 3,5 bis 15 kW (Baxi Innotech).

Das Regelgerät für das BZH beinhaltet mehrere Ablaufsteuerungen, Regelkreise und Überwachungsfunktionen für den Betrieb. Da die Brennstoffzelle nur mit Wasserstoff arbeitet, muss dieser aus dem Erdgas gewonnen werden. Der Wasserstoff wird aus dem Prozessgas auf chemischem Wege bei Temperaturen um 800°C und durch Mitwirkung von Katalysatoren in der Brenngasaufbereitung der Anlage erzeugt (Reformierung). Wichtigster Regelkreis ist somit die Reformertemperaturregelung, mit der beim Reformierungsprozess eine gleich bleibende Wasserstoffqualität sichergestellt wird. Nachgeschaltete Temperaturregelungen in Verbindung mit einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung reduzieren den CO-Anteil im Reformat und sorgen für eine gute Wasserstoffqualität für die Brennstoffzelle. Die in der Brennstoffzelle anfallende Prozesswärme sowie die im Abgas (Wasserdampf) enthaltene Wärme werden durch einen Kühlkreislauf über einen Wärmeübertrager an das Wärmenetz abgegeben. Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu erzielen, sind Wärmenetze mit niedrigen Vor- und Rücklauftemperaturen zu bevorzugen. Der erzeugte elektrische Strom wird entweder für den Eigenverbrauch im Haus genutzt oder in das Energieversorgungsnetz eingespeist. Die übergeordnete Regelung des Brennstoffzellenheizgerätes in Verbindung mit einem konventionellen Heizgerät übernimmt dabei der Energiemanager. Der Energiemanager hat die Aufgabe das Brennstoffzellensystem unter energetischen Gesichtspunkten (Strom, Wärme) in Verbindung mit dem Nutzerverhalten optimal zu betreiben.

1)

Pfannstiel, D.: Steuerung und Regelung von Brennstoffzellen-Heizgeräten. HLH (2007), Nr. 1 u. 2.

2.5.5 Regler für Stirling-Heizgeräte

1237

2 Bild 2.5.4-2. Schema des Brennstoffzellenheizgerätes mit den wärmetechnischen Schnittstellen (Baxi Innotech)

Mögliche Betriebsweisen eines Brennstoffzellenheizgerätes: – Stromgeführter Betrieb – Wärmegeführter Betrieb – Betrieb als virtuelles Kraftwerk durch ein Energieversorgungsunternehmen.

2.5.5

Regler für Stirling-Heizgeräte1)

Der Stirlingmotor ist vom Konzept her älter als Kraftmaschinen mit einer internen Verbrennung. Er wurde 1816 vom damals 25-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein abgeschlossenes Arbeitsgas wie Luft oder Helium von außen an zwei verschiedenen Bereichen abwechselnd erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Der Stirlingmotor arbeitet nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses und ist ein Beispiel für die Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform (mechanische Energie). Der Stirlingmotor kann mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden. Es gibt Modelle, die bereits bei Anfassen durch die Wärme der menschlichen Hand in Gang kommen. Ein Gasbrenner erzeugt eine temperaturbedingte Druckwelle in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse. Die Druckwelle setzt einen Arbeitskolben in dem Gehäuse in Bewegung. Ein Generator wandelt diese Kolbenbewegung in Elektrizität um. Dies ist vor allem der äußeren Verbrennung zuzuschreiben. Hier kann mit kontinuierlicher Flamme gearbeitet werden, was sehr geringe Abgasemissionen mit sich bringt und auch verschiedenste gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe zulässt. Der Motor kann je nach Brennerkonstruktion beispielsweise Erdgas oder Flüssiggas, Heizöl, Pflanzenöl oder auch Holzpellets nutzen. Der Stirlingmotor kann über einen weiten Bereich moduliert werden, allerdings erreicht er nicht die guten elektrischen Wirkungsgrade der Verbrennnungsmaschine. Im Gesamtwirkungsgrad kommt er allerdings auf über 90 %. Wenn das erät in Betrieb ist, wird neben Wärme mit dem erdgasbetriebenen Stirlingmotor auch Strom erzeugt. Der erzeugte Stromlässt sich im Wohnhaus über die normalen Leitungen nutzen. Wenn der Eigenverbrauch im Haus niedriger ist, so wird der Überschuss über den Stromzähler ins Netz eingespeist. Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, die als Stirlingmotor betrieben wird, hat den großen Vorteil, dass nur noch ein bewegtes Teil vorhanden ist, der freischwingende Kolben (Bild 2.5.5-1: Nr. 6). Neben der Gasturbine ist der Freikolben-Stirlingmotor daher eine 1)

Pfannstiel, D.: Der Stirling-Motor gibt Gas! HLH (2010), Nr. 1, S. 40–44.

1238

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Wärmekraftmaschine, die ohne weitere reibungsbehaftete Teile wie Pleuel und Kurbelwelle auskommt. Daher hat ein Freikolben-Stirlingmotor das Potential kostengünstig herstellbar zu sein und verschleißarm betrieben werden zu können. Darüber hinaus ist ein geräuscharmer Betrieb möglich. Zudem sind die Wartungskosten im Vergleich zum Verbrennungsmotor aufgrund des fehlenden Schmierölbedarfs geringer.

Bild 2.5.5-1. Aufbau einer FreikolbenWärmekraftmaschine (Bild: Viessmann Werke)

Der Linear-Freikolbenstirling arbeitet mit einem geschlossenen System, bei dem Helium als Arbeitsmedium zwischen einer permanent heißen und einer permanent kalten Zone hin und her bewegt wird. Durch dieses abwechselnde Erhitzen und Abkühlen verändert sich das Volumen im Arbeitsmedium. Dadurch wird der Arbeitskolben in Bewegung gesetzt und mechanische Energie erzeugt, die durch einen integrierten Lineargenerator in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Arbeitstemperatur im Kolben beträgt bis zu 500 °C. Dadurch entsteht Abwärme, die zur Heizungs- und Trinkwassererwärmung genutzt wird. Gleichzeitig wird aus der Kolbenbewegung Strom gewonnen. Der Motor selbst ist ein geschlossenes System. Das heißt, das Arbeitsmedium Helium verbleibt im Inneren. Deshalb gibt es keine Ventile oder Zuleitungen. Weitere Merkmale eines Stirlinggerätes sind: – Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden. – Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen (z. B. Flachplatten-Stirlingmotor ). – Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte. – Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen Stirlingmotor sehrleise. – Der Verbrauch von Schmieröl ist gering. – Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehrlangsam und deshalb für Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Andere Methoden der Leistungsregelung sind möglich, jedoch in der Regel aufwändiger. So kann die Leistung eines Stirlingmotors über den mittleren Betriebsdruck (Abblasen oder Zupumpen von Arbeitsgas) oder über Phasenverschiebung der Kolben geregelt werden. – Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmeübertrager und sind deshalb schwer. – Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen.

2.5.6 Ventile im Regelkreis

– Es gibt sehr viele verschiedene Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht. – Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen. – Bestimmte Bauformen können selbständig unter Last anlaufen. Das Stirling-Heizgerät ist zusätzlich mit einem konventionellem Heizgerät (Brennwertgerät) ausgestattet. Typischerweiseliefert das Stirlinggerät eine elektrische Leistung von 1 kW und eine thermische Leistung von ca. 5 kW. Die Modulation des Stirlings erfolgt im Bereich von 3 bis 5 kW (thermisch). Das Zusatzheizgerät hat typischerweise eine maximale Leistung von 25 kW. Somit stehen zur Raumbeheizung und beim Kombigerät zur Warmwasserbereitung dann ca. 30 kW zur Verfügung. Das Stirling-Heizgerät besitzt eine witterungsgeführte Regelung, wodurch die Heizleistung in Verbindung mit dem Zusatzheizgerät an den aktuellen Wärmenedarf angepasst werden kann. Die Regelungen entsprechen denen für das konventionelle Heizgerät und für den Heizkreis aus Abschnitt 2.5.2. Mit der witterungsgeführten Regelung bei dem Stirlingheizgerät nach Bild 2.5.5-2 kann ein Heizkreis ohne Mischer und die Warmwasserbereitung geregelt werden. Über ein Erweiterungsmodul ist der Anschluss von 2 zusätzlichen Mischerheizkreisen an die Heizungsregelung bei diesem Gerät möglich. Das Zusatzheizgerät als auch der Stirling haben jeweils eine separate Regelung, die miteinander kommunizieren. Die Regelung für den Stirling beinhaltet dabei auch die Startprozedur für den Stirling. Beim Start heizt der Brenner den Kopf des Stirlings auf und ist eine bestimmte Temperatur überschritten, so wird der Stirling dann über den Generator gestartet. Er startet sich somit quasi selbst.

Bild 2.5.5-2. Stirling-Heizgerät für den Hausbereich, elektrische Leistung: 1,0 kW, thermische Leistung: 5,0 kW, Heizgerät 18,0 kW bzw 23,0 kW für die Warmwasserbereitung (Bild: Remeha)

2.5.6

Ventile im Regelkreis1)

2.5.6-1

Hydraulische Schaltungen2)

Die wasserseitige Zusammenschaltung eines Stellgliedes mit der Wärmeerzeugung, der Pumpe und dem Wärmeverbraucher zu einer funktionsfähigen Anlage bezeichnet man als hydraulische Schaltung. Als Grundlage der Regelaufgaben in wasserführenden Systemen ist die Kenntnis hydraulischer Schaltungen und deren Wirkungen auf die Anlagenfunktionen Voraussetzung. Die Regelung ermöglicht dann, den Wärmeransport durch das Stellglied zu verändern und so automatisch dem jeweiligen Bedarf anzupassen.

1) 2)

Haueis, J.: SBZ (1975), Nr. 21, 8 S. Frotscher, H.: TAB (1974), Nr. 6, S. 431–440. SWKI-Richtlinien 79-1 (Schweizer Verein von Wärme- u. Klimaingenieuren). Schmitz, H.: HLH (1980), Nr. 12, S. 445–451. Die hydraulische Einregulierung. Druckschrift der TA Tour Andersson GmbH, 1985. Schaer, M.: Heizung und Lüftung (1986), Nr. 5, S. 13ff.; (1987), Nr. 2, S. 6ff.; (1987), Nr. 4, S. 6ff.

1239

2

1240

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Die in der Heizungs- und Klimatechnik üblichen Schaltungenlassen sich auf einige Grundschaltungen zurückführen, die in Bild 2.5.6-1 dargestellt sind. Die Wahl einer Schaltung ist im Wesentlichen von den Anforderungen der Verbraucher und Energieerzeuger abhängig. Erst nach der Festlegung der hydraulischen Schaltung wird die Dimensionierung bzw. Auslegung der einzelnen Systemkomponenten vorgenommen. Man unterscheidet zwei Hauptschaltungen: Verteiler ohne Hauptpumpe. Jede Umwälzpumpe einer Heizgruppe fördert nur so viel Wärme, wie dem Bedarf entspricht. Sie muss sowohl den Druckverlust im Verbraucherwie Kesselstromkreis überwinden. Die im Kesselkreis umlaufende Wassermenge ist variabel. Die Differenzdrücke am Verteiler sind daher unterschiedlich, und die einzelnen Regelkurven können sich untereinander beeinflussen, z. B. bei plötzlicher Laständerung einer Gruppe.

Bild 2.5.6-1. Hydraulische Schaltungen.

Verteiler mit Hauptpumpe. Im Kesselstromkreis befindet sich eine Pumpe und zwischen Verteiler und Sammler eine Kurzschlussleitung. Der Förderstrom ist konstant und der Differenzdruck gering (druckarmer Verteiler). Jede Gruppe muss eine eigene Umwälzpumpe haben. Eine Beeinflussung der einzelnen Regelkreise findet nicht statt. Die Strecken mit konstantem Volumenstrom sind durch größere Strichstärken hervorgehoben. I Drosselschaltung mit Durchgangsventil. Leistungsregelung durch Wasserstromänderung. Ventil im Vorlauf oder Rücklauf. Wasserstrom sowohl im Primär- wie Verbraucherkreis veränderlich. Druckschwankungen im Netz, große Temperaturdifferenzen im Heizkörper. Einfriergefahr bei Lufterhitzern. Stellgliedplazierung in Verbrauchernähe, um kleine Totzeit zu gewährleisten. II Umlenkschaltung mit Dreiwegeventil. Leistungsregelung wie bei I durch Wasserstromveränderung. Ventil im Vorlauf (Verteilventil) oder Rücklauf (Mischventil). Wasserstrom im Primärkreis konstant, im Verbraucherkreis veränderlich. Annähernd konstante Druckverhältnisse im Rohrnetz. Richtige Stellgliedplazierung verbessert Regelung mit geringerem Schwierigkeitsgrad. III Beimischschaltung mit Durchgangsventil und Internpumpe. Schaltung wie I, jedoch mit zusätzlicher Internpumpe. Leistungsregelung erfolgt jetzt durch Mischung von Vorlaufund Rücklaufwasser. Wasserstrom im Verbraucherkreis konstant, im Primärkreis variabel. Druckschwankungen im Netz. IV Einspritzschaltung. Kombination von II und III. Leistungsregelung durch Änderung der Vorlauftemperatur (Mischung). Dreiwegeventil im Vorlauf oder Rücklauf. Wasserstrom sowohl im Primärkreis wie Verbraucherkreis konstant. Stellgliedplazierung in Verbrauchernähe hält Wasservolumen im Sekundärkreis klein, ermöglicht schnelle Regelung. Für einwandfreien Betrieb aufwendige Abgleicharbeiten an Drossel im Primärund Sekundärkreis oder durch Einsatz differenzdruckgeregelter Pumpen erforderlich. V Beimischschaltung mit Umwälzpumpe für jeden Verbraucher. Leistungsregelung durch Änderung der Vorlauftemperatur. Ventil im Vorlauf (Mischventil) oder Rücklauf (Verteilventil). Wasserstrom im Verbraucherkreis konstant, im Primärkreis variabel. Gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Regelkreise ist möglich. Nicht geeignet, wenn zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher eine Distanz größer als 20 m vorhanden

2.5.6 Ventile im Regelkreis

1241

ist. Lange Transportzeit (= Totzeit) oder hohe Druckverluste in der Verteilleitung mit variablem Volumenstrom erschweren die Regelungsaufgaben erheblich. VI Beimischschaltung mit Kurzschlussleitung. Es ist eine Verbindungsleitung zwischen Verteiler und Sammler installiert, so dass kaum Druckdifferenz zwischen beiden besteht: Druckarmer Verteiler. Kesselpumpe überwindet nur die Widerstände im Kesselkreis. Wasserstrom im Primärkreis und Verbraucherkreis konstant. Keine Beeinflussung untereinander bei Zu- und Abschalten einzelner Heizgruppen. In allen Schaltungen sind Stellventile mitlinearer oder gleichprozentiger Kennlinie einzusetzen. Die Ventilautorität und damit die Auslegung der Regelventile sollte nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten durchgeführt werden: Kompromiß zwischen Investitionsund Betriebskosten sowie Regelgüte.

2.5.6-2

Zonenregelung1)

Eine Methode mit noch weitergehender Regelung besteht darin, für einzelne Räume oder Raumgruppen zusätzlich je einen Raumthermostat mit Zonenventil vorzusehen (Zonenregelung). Eingesetzt werden Zweipunktregler, elektrische Proportionsregler oder Ausdehnungsregler. Im Bild 2.5.6-2 sind mehrere Wege dargestellt, um einzelne Räume oder Raumgruppen unabhängig von der Außentemperaturregelung auf unterschiedlichen Temperaturen zu halten. • Im Keller befindet sich der Kessel mit Regelung der Vorlauftemperatur nach der Außentemperatur. • Im 1. Geschoss ist eine Einrohrheizung vorhanden; die Temperatur im Raum 1 wird durch einen örtlichen Fühler geregelt, der auf das Magnet- oder Motorventil des Heizkörpers einwirkt. • Raum 2 hat ebenfalls einen Raumfühler, jedoch in elektronischer Bauart mit Fernverstellung des Sollwerts von einer Schalttafel. • Im 2. Geschoss ist eine Zweirohrheizung eingebaut; die Temperaturregelung erfolgt hier ebenfalls durch einen fernverstellbaren Raumfühler, jedoch mit Rücksicht auf den Pumpenwiderstand in Verbindung mit Dreiwegeventilen.

Bild 2.5.6-2. Schematische Darstellung verschiedener Zonenregelungen in einem zentralgeheizten Gebäude. A = Außenfühler, T = Raumtemperaturfühler, V = Vorlauffühler

1)

Laibold, E.: Neue Deliwa-Zeitschr. (1978), Nr. 11, S. 89. Mayer, E.: Ges.-Ing. (1981), Nr. 1, S. 1–10; SHT (1984), Nr. 2, S. 71–75.

2

1242

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bei Verwendung einer Schaltuhrlassen sich die Temperaturen einzelner Räume nachts oder am Wochenende auch auf tiefere Werte einstellen. Neuzeitliche Regler berücksichtigen auch die effektive Nutzungszeit der einzelnen Räume und schalten automatisch vom Sollwert der Nutzungszeit auf den Sollwert der nicht genutzten Zeit, wobei gleichzeitig die Aufheizzeit für die Räume optimal eingestellt werden kann. Dadurch, was zu einer zusätzlichen Energieersparnis führt. Schulen, Hotels und Geschäftshäusern sind für Zonenregelungen prädestiniert.

2.5.6-3

Anhebung der Kesselrücklauftemperatur

Wenn bei schwefelhaltigen Brennstoffen, z. B. Heizöl S oder EL, die Rücklauftemperatur zu gering ist, besteht die Gefahr, dass im Kessel stellenweise Schwefelsäure H2SO4 kondensiert und die sogenannte Niedertemperatur-Korrosion verursacht (siehe Abschnitt 1.10.5). Neuere Kesselkonstruktionen, sog. Niedertemperatur-Kessel, sind durch verbesserte Konstruktion und Materialwahl gegen diese Korrosion geschützt. Für größere Einheiten, insbesondere bei Kesselfolgeschaltungen, empfehlen die Kesselhersteller jedoch in den meisten Fällen eine Anhebung der Kessel-Rücklauftemperatur. Die Rücklaufanhebung gewinnt auch zunehmend Bedeutung bei der Vermeidung zu niedriger Abgastemperaturen zum Schutz des Schornsteins. Für die Anhebung der Rücklauftemperatur gibt es verschiedene Schaltungen, s. Bild 2.5.6-3 bis Bild 2.5.6-5. Der Vierwegemischer (Bild 2.5.6-3) dient gleichzeitig zur Regelung der Vorlauftemperatur mit stetiger Regelung und zur Beimischung von heißem Vorlaufwasser zum Kesselrücklauf. Die Montage sollte über der Oberkante vom Kessel erfolgen, da Umlauf nur durch Schwerkraftwirkung erfolgt. Bessere Wirkung durch besondere Rücklauf-Temperaturbegrenzung T2, die Priorität vor T1 hat, und eigene Kesselpumpe. Hauptpumpe im Kesselkreis sowie eine oder mehrere Gruppenpumpen. Vierwegemischer vermeidet Fehlzirkulation über offene Kurzschlussleitung undleistet definierte Rücklaufbeimischung im Vor- und Rücklauf. Kessel- und Netzwassermenge konstant. Bei Spitzenlast (Aufheizung) sperrt Rücklaufthermostat stetig Gruppenmischventil und verhindert Absinken der Kesselrücklauftemperatur unter den eingestellten Wert. Verwendung besonders in zentralgeregelten Regelkreisen. Maßgebend sind folgende Grundsätze: – Die Kesselrücklauftemperatur soll mit Sicherheit, namentlich bei Kesseln, die für konstant angehobenen Betrieb konzipiert sind, eine gewisse Mindesttemperatur nicht unterschreiten, etwa 50°C, um Tieftemperaturkorrosionen zu vermeiden. – Die umgewälzten Wassermengen sollen in den verschiedenen Heizkreisen und im Kessel sich möglichst wenig ändern. Bei dichtschließenden Vierwegemischern ist eine drosselbare Verbindung zwischen Kessel- und Heizkreis zu schaffen, durch die sich bei „abgetrenntem“ Heizkreis der Druck ausgleicht, ohne dass die Regelfähigkeit beeinflusst wird.

Bild 2.5.6-3. Vierwegemischer. T1 = Vorlauftemperaturfühler T2 = Rücklauftemperaturfühler

2.5.7 Regler bei Umformern

1243

Bild 2.5.6-4. Nur eine Pumpe. Mengenregelung durch Dreiwege-Verteilventil. Netzwassermenge veränderlich je nach Außentemperatur, Kesselwassermenge konstant, kann jedoch sehr tief liegen. Ungünstig. Bei Lufterhitzern Temperaturschichtung mit Einfriergefahr. Regelventil kann auch im Rücklauf liegen. Kommt als Rücklauftemperatur-Regelung bei Kesselfolgeschaltungen (pro Kessel) zum Einsatz.

Bild 2.5.6-5. Einspritzsystem. Hauptpumpe im Kesselkreis sowie eine oder mehrere Gruppenpumpen mit Kurzschlussleitung. Kessel- und Netzwassermenge konstant. Bei Spitzenlast (Aufheizung) sperrt Rücklaufthermostat stetig Gruppenmischventil und verhindert Absinken der Kesselrücklauftemperatur unter den eingestellten Wert. Verwendung besonders in zentralgeregelten Regelkreisen.

Bild 2.5.6-6. Einspritzsystem über Vierwegemischer.

2.5.7

Regler bei Umformern

Bei diesen Geräten sind die Stellglieder in der Regel Ventile oder Klappen, die von Thermostaten gesteuert werden.

2.5.7-1

Regler ohne Hilfsenergie (Ausdehnungsregler)

Diese Regler eignen sich besonders dazu, gleichbleibende Wassertemperaturen in Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen zu halten. Sie arbeiten wie die HeizkörperTemperaturregler Bild 2.5.1-1 nach dem Prinzip der Flüssigkeitsausdehnung. Die Flüssigkeit im Fühler dehnt sich aus und bewegt über ein Kapillarrohr und einen MetallbalgArbeitskörper das Ventil (Bild 2.5.7-1). Die Sollwerteinstellung erfolgt hier mit einem Schlüssel. Bei der Auswahlsind der zulässige Druck und der kv-Wert zu beachten. Der Proportionalbereich liegt bei etwa 5…10 K. Das Bild 2.5.7-2 zeigt ein Einbaubeispiel. Ventile entlastet oder nichtentlastet, im ersten Fall gleicher Druck auf Ventilteller von beiden Seiten. Zu unterscheiden sind Durchgangs- oder Dreiwegeventile sowie Öffnungsventile, die bei steigender Temperatur öffnen, und Schließventile. Raum- oder außentemperaturabhängige Regler berücksichtigen auch den Einfluss der Außentemperatur und passen die Heizleistung dem wirklichen Wärmebedarf an.

2

1244

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

Bild 2.5.7-1. Temperaturregler mit Einsitzventil (Samson AG). 1 = Schlüssel, 2 = Skala, 3 = Ventilaufsatz, 4 = Arbeitskörper, 5 = Überwurfmutter, 6 = Nippel, 7 = Temperaturfühler.

Bild 2.5.7-2. Regelung der Vorlauftemperatur bei einem dampfbeheizten Umformer.

Bild 2.5.7-3 zeigt einen direkt wirkenden Regler, der die Vorlauftemperatur eines Umformers in einem bestimmten Verhältnis zur Außenluft regelt. Das Stellglied ist ein Durchgangsventil, dessen Stellmotor (Federrohr) von zwei Thermostaten gesteuert wird, die sich in der Außenluft und im Heizungsvorlauf befinden. Die Fühler der Thermostate sind durch biegsame Kapillarrohre mit dem Stellmotor des Ventils verbunden. Einer bestimmten Außentemperatur entspricht eine bestimmte Vorlauftemperatur: die Heizgerade oder die Heizkurve.

Bild 2.5.7-3. Regelung der Vorlauftemperatur bei einer Warmwasserheizung mit Umformer durch einen direkten Regler in Abhängigkeit von der Außentemperatur.

2.5.7-2

Regler mit Hilfsenergie

Bei diesen Reglern wird elektrischer Strom oder Druckluft als Hilfsenergie verwendet, sonst ist die Wirkungsweise wie bereits in Abschnitt 2.5.7-1 beschrieben.

2.5.8 Rücklauftemperaturregler

2.5.8

1245

Rücklauftemperaturregler1)

Heizkraftwerke verlangen manchmal von den Abnehmern, dass die Rücklauftemperatur möglichst einen bestimmten Wert nicht überschreiten soll, z.B. 50°C, damit die Stromausbeute des Kraftwerkes möglichst groß wird; außerdem Kostenersparnis bei den Rohrleitungen und der Pumpenarbeit. In diesem Fall kann man Rücklauftemperaturregler verwenden. Beispiel Bild 2.5.8-1 und Bild 2.5.8-2. Hauptbestandteil ist das mit einer temperaturempfindlichen Flüssigkeit gefüllte Wellrohrelement. Wasser wird erst durchgelassen, wenn es sich unter die eingestellte Temperatur abgekühlt hat. Sie können in die Rücklaufleitung einer Wohnung oder auch bei einzelnen Heizkörpern oder Lufterhitzern eingebaut werden. Bild 2.5.8-1. Schema eines Rücklauftemperaturreglers.

2 Bild 2.5.8-2. Rücklauftemperaturregler (Danfoss).

Bild 2.5.8-3 zeigt je einen Rücklauftemperaturbegrenzer für den Warmwasserbereiter und den Hausanschluss einer Fernheizung. Sie wirken in der Weise, dass sie das Heizungswasser nur dann in den Rücklauf abfließen lassen, wenn es sich auf den eingestellten Wert abgekühlt hat. Bei Einstellung auf tiefe Temperaturen, z.B. 10°C, schließt es vollkommen, daher kein Handabsperrventil im Vorlauf erforderlich. Einbaubeispiel siehe Bild 2.1.2-11.

Bild 2.5.8-3. Rücklauftemperaturbegrenzer bei einem Fernheizanschluss.

Bei manchen stetigen Regeleinrichtungen ist die Maximalbegrenzung der Fernheizrücklauftemperatur auch Bestandteil oder Zusatzfunktion der elektronischen Regler. Sie ermöglichen auch eine gleitende Begrenzung, wie sie von manchen Fernheizwerken gefordert wird.

1)

Dreizler, U.; Dreizler, W.: Wärmetechn. (1982), Nr. 3, S. 77.

1246

2. Heizung / 2.5 Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen

2.5.9

Strangregulierventile

Für die präzise Wasserverteilung zwischen den Teilsträngen einer Heizungsanlage gibt es automatische Strangregler. Durch den Differenzdruck im Strang und an den Thermostatventilen sorgen die Strangdifferenzdruckregler für optimale Regelbedingungen, mit denen ungenaue Temperaturen und Strömungsgeräusche vermieden werden. Sie begrenzen den Durchfluss auf den berechneten und eingestellten Wert – unabhängig von den Druckverhältnissen in der Anlage. Ein geringerer Energieverbrauch infolge verringerter Regelabweichung der Thermostatventile gegenüber Anlagen mit früher eingesetzten manuellen Regulierventilen ist erzielbar. USV-PV wird im Rücklauf eingesetzt und hält einen eingestellten Differenzdruck über den Strang konstant (Bild 2.5.9-1). Der Rücklaufdruck wirkt zusammen mit einer Sollwertfeder auf die Unterseite der Regelmembran (7), während der Vordruck über eine Impulsleitung von oben auf die Membran wirkt. Der Differenzdruck kann zwischen 0,05 und 0,25 bar (5 und 25 hPa) eingestellt werden.

Bild 2.5.9-1. Strangregler zum automatischen Abgleich der Anlage. Links: Ansicht; rechts: Schema USV-PV (Danfoss).

2.6.1 Berechnung der Heizlast

2.6

Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

2.6.1

Berechnung der Heizlast1) 2)

1247

KÖPFE recknagel-online.de

Der Wärmeleistungsbedarf für Raumheizung wird nach DIN EN 12831 in Verbindung mit der deutschen Umsetzung in Beiblatt 1 berechnet. Das dort beschriebene Verfahren wird hier vorgestellt.

2.6.1-1

Kurzer Rückblick auf bisherige Normen

Die „Wärmebedarfsberechnung“ wurde in der Zeit von 1929 bis 2004 in der DIN 4701 genormt. In den Ausgaben von 1929, 1944/47 und 1959 war der Berechnungsgang nahezu identisch, nur einzelne Randwerte für die Berechnung wurden dem Stand des Wissens angepasst. Die 1959 berechneten Heizlasten sind leicht geringer als die Werte von 1944/47, aber etwa 20…30 % höher verglichen mit der Ausgabe der Norm von 1983/89, da mit höheren Ansätzen für den Luftaustausch und größeren Zuschlägen für Räume mit kalten Wandflächen sowie niedrigeren Außentemperaturen gerechnet wurde. Die Ausgabe der DIN 4701 von 1983 erfolgte zunächst in zwei Teilen und brachte zahlreiche Änderungen (Berücksichtigung der Bauschwere, Mindestluftwechsel, Teilbeheizung der Nachbarräume) mit sich. Mit dem nachtäglich in Kraft getretenen Teil 3 der DIN 4701 konnte bei der Heizflächenbemessung ein Sicherheitszuschlag von 15 % pauschal angesetzt werden, wenn der Wärmeerzeuger die Vorlauftemperatur im Bedarfsfall nicht steigern kann. Diese Option wurde eingerichtet, weil es in der Praxis wegen der knappen Leistungsbemessung zur Unterversorgung kam. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Leistungsbemessung nach DIN 4701-1 und DIN 4701-2 (1983) vor Inkrafttreten des dritten Teils, d. h. ohne 15 % Zuschlag auf die Raumheizflächen, etwa das rechnerische Minimum für die Heizlast bedeutet. Sowohl mit den Normausgaben der früheren Ausgaben der Heizlastberechnung als auch mit der geltenden europäischen Norm ergeben sich größere Normleistungen, also installierte Heizkörperflächen und Wärmeerzeugerleistungen. Dies bedeutet, dass die untere Leistungsgrenze für einen behaglichen Anlagenbetrieb abgesteckt werden kann: sie liegt etwas oberhalb der Normwerte von 1983.

2.6.1-2

Überblick EN 12831

Die DIN EN 128313) ist eine europäische Norm, die einen für alle Länder verbindlichen Rechenteil (mit Formelwerk) enthält. In die Formeln einzusetzende Standardkenngrößen werden je nach Land in separaten nationalen Anhängen oder Beiblättern herausgegeben. Sofern ein Land für einzelne Größen keine Standardwerte angibt, gelten die in der DIN EN 12831 Anhang D genannten Werte statt dieser. Der nationale Anhang ist in Deutschland als Beiblatt 1 zur DIN EN 128314) verfügbar. Die Normheizlast wird berechnet aus den Anteilen für Transmission und Lüftung. Die Transmissionsheizlast enthält die Wärmeverluste nach außen aufgrund von Wärmedurchgang durch die umschließenden Flächen sowie den Wärmefluss aufgrund Wärmedurchgangs zwischen beheizten Räumen, der dadurch entsteht, dass die Räume auf unterschiedlichen Temperaturniveaus beheizt werden. Die Lüftungsheizlast enthält Wärmeverluste nach außen aufgrund der Lüftung und Infiltration durch die Gebäudehülle, sowie den Lüftungswärmefluss zwischen einzelnen beheizten Räumen innerhalb des Gebäudes.

1) 2) 3) 4)

Überarbeitet für die 78. Auflage von Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig, und Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel. Jagnow, K.; Wolff, D.: Der Energieberater – Die neue Heizlastberechnung. Loseblattsammlung, Wolters-Kluwer, Köln 2003ff. DIN EN 12831 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“, 08-2003. DIN EN 12831 Beiblatt 1 „Heizsysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der NormHeizlast – Nationaler Anhang NA“, 2008, mit Berichtigung 1, 2010.

2

1248

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Die Norm DIN EN 12831 bietet zwei Verfahren zur Bestimmung der Heizlast an, ein vereinfachtes und ein ausführliches Verfahren. Das vereinfachte Verfahren gilt in der nationalen Umsetzung in Deutschland nicht. Sonderfälle der Norm: Für die Berechnung von Räumen mit Raumhöhen über 5 Meter gelten gesonderte Formeln, die in einem Anhang niedergelegt sind. Ebenso für Gebäude, deren Luft- und mittlere Strahlungstemperatur signifikant voneinander abweichen. Die Beiblätter 21) (Gebäudeheizlast) und 32) (Raumheizlast) beschreiben Vereinfachungen für die Anwendung der Norm in bestehenden Gebäuden.

2.6.1-3

Grundsätzliche Festlegungen

Den früher üblichen Begriff „Wärmebedarfsberechnung“, der die Berechnung einer Energiemenge implizierte, ersetzt die DIN 12831 durch den Begriff „Heizlastberechnung“. Es wird eine Auslegungsleistung (in W) berechnet. Für die Bestimmung der Außenflächen und Volumina nach dem ausführlichen Rechenverfahren schreibt die Norm DIN EN 12831 keinen bestimmten Bezug auf entweder Außen- oder Innenmaße vor. Diese Entscheidung liegt im Ermessen der einzelnen europäischen Länder. In Deutschland wurde für die Berechnung der Heizlast der Außenmaßbezug gewählt. Damit wird die alte Vorgehensweise der Berechnung nach DIN 4701-1 bis DIN 4701-3 (früher Innenmaßbezug) grundlegend verändert. Das bedeutet: die der Rechnung zugrunde liegenden Abmessungen der Bauteile für Längen und Breiten von Außenbauteilen ergeben sich aus den äußeren Rohbaumaßen, für Höhen der Wände aus den Geschosshöhen, die Abmessungen der Fenster und Türen aus den Maueröffnungsmaßen. Das Volumen der Raumluft (für die Lüftungsheizlast) wird anhand der lichten Innenmaße bestimmt. Die Bestimmung der Maße ist in Bild 2.6.1-1 erläutert.

Bild 2.6.1-1. Bezugsmaße

Der Bezugspunkt für die vertikalen Maße ist die Rohdecke (die Dicke des Kellerbodens wird vernachlässigt). Der Bezugspunkt für horizontale Maße ist innerhalb des Gebäudes der Abstand der Wandmitten (d. h. bei Innenwänden wird die Hälfte der Wandstärke berücksichtigt). Das Luftvolumen (nach Innenmaßen) kann vereinfacht aus dem Volumen nach Außenmaßen bestimmt werden, indem es mit dem Faktor 0,8 umgerechnet wird.

1)

2)

DIN EN 12831 Beiblatt 2 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der NormHeizlast – Beiblatt 2: Vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung der Gebäude-Heizlast und der Wärmeerzeugerleistung“, 2012. DIN EN 12831 Beiblatt 3 (Entwurf) „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Beiblatt 3: Vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung der Raum-Heizlast“, 2014.

2.6.1 Berechnung der Heizlast

Die Außenmaße zur Heizlastbestimmung sind somit dieselben, die auch für den Energiebedarfsausweis nach EnEV (Energieeinsparverordnung) verwendet werden. Sie können in die Rechnung nach DIN EN 12831 übernommen werden. Wichtige Formelzeichen sind: – Temperatur: θ (großes Theta) in °C früher ϑ, früher β, – Luftwechselrate: n in h–1 2 früher k,· – Wärmedurchgangskoeffizient U in W/(m K) – Wärmestrom: Φ (großes Phi) in W früher Q – Wärmeverlustkoeffizient: H in W/K – Abschirmkoeffizient: e ohne Einheit früher etwa Hauskenngröße H Wichtige Indizes sind: – außen: e (Englisch: external) früher a – innen: int (Englisch: internal) früher i – unbeheizt: u (Englisch: unheated) – erdreichberührt: g (Englisch: ground) – Lüftung: V (Englisch: ventilation) früher L – Wiederaufheizung RH (Englisch: reheat)

2.6.1-4

Verknüpfung zwischen EN 12831 und nationalem Beiblatt

In Anhang D der EN 12831 werden Kennwerte (Temperaturen, Wärmebrückenzuschläge, Mindestluftwechsel etc.) und Anwendungshinweise (Flächenbezug, Anwendungsbeschränkung des vereinfachten Verfahrens) für die Berechnung angegeben. Werden in den einzelnen Ländern der EU eigene Anhänge herausgegeben, sind die nationalen Werte verbindlich, ansonsten gelten die europäischen Standardwerte. Das Beiblatt 1 enthält die in Deutschland gültigen Eingabedaten und Parameter für die Berechnung der Heizlast nach DIN EN 12831. Es gilt als nationaler Anhang. Nur Werte, die in diesem Beiblatt 1 nicht genormt sind, müssen aus Anhang D entnommen werden. Das Beiblatt legt unter anderem folgende Werte fest: – Außentemperatur θe , Innentemperaturen θint, – Wärmebrückenzuschläge ΔUWB , Temperaturreduktionsfaktoren für Wärmeverluste zu unbeheizten Zonen bu, Wärmeverluste an das Erdreich, Temperaturen von Nachbarräumen, – Mindestluftwechsel nmin, Dichtheitswerte für Gebäude n50, Abschirmungskoeffizienten für Windanströmung e, Höhenkorrekturfaktoren ε, – Wiederaufheizzuschläge ƒRH. Tafel 2.6.1-1 zeigt die Verknüpfungen der europäischen Norm EN 12831 mit dem nationalen Anhang Beiblatt 1. Für die Berechnung der wärmetechnischen Eigenschaften der Bauteile gelten mehrere europäische Normen. Dies sind: – Wärmeübergangswiderstände, Wärmedurchgangswiderstände von (nicht) homogenen Baustoffen und von Luftschichten, Wärmedurchgangskoeffizienten: EN ISO 6946 – Wärmeleitfähigkeiten: EN ISO 10456, EN 12524, EN ISO 13370 sowie nationale Normen – Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern, Türen und Rahmen, Wärmedurchgangswiderstände von Verbund- und Doppelfenstern: EN ISO 10077-1 – Wärmedurchgangskoeffizienten von Verglasung: EN 673 – Wärmebrücken: EN ISO 10211-1 und EN ISO 10211-2, EN ISO 14683

1249

2

1250

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.1-1

Verknüpfung von europäischer Norm und nationalem Anhang

EN 12831

Deutsches Beiblatt 1

1 2 3 4 5 5.1

Anwendungsbereich 1 Normative Verweisungen 2 Definitionen und Formelzeichen Grundzüge des Berechnungsverfahrens Allgemeine Betrachtungen Berechnungsverfahren für einen beheizten Raum 5.2 Berechnungsverfahren für eine Gebäudeeinheit oder ein gesamtes Gebäude 5.3 Vereinfachtes Berechnungsverfahren 6 Benötigte Angaben 3 6.1 6.2 6.3 7

Meteorologische Daten Norm-Innentemperatur Gebäudedaten Gesamt-Normwärmeverluste eines beheizten Raumes – Standardfall 7.1 Norm-Transmissionswärmeverluste 7.2 Norm-Lüftungswärmeverluste 7.3 Räume mit unterbrochenem Heizbetrieb 8 Norm-Heizlast 8.1 Norm-Heizlast eines beheizten Raumes 8.2 Norm-Heizlast einer Gebäudeeinheit bzw. eines Gebäudes 9 Vereinfachtes Berechnungsverfahren

A B C D

Anwendungsbereich Verweisungen

Tabellen für Eingabedaten und Parameter zur Heizlastberechnung 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Norm-Innentemperatur 3.3 Gebäudedaten

3.4 Norm-Transmissionswärmeverluste 3.5 Norm-Lüftungswärmeverluste 3.6 Räume mit unterbrochenem Heizbetrieb 3.7 Norm-Heizlast 3.8 Auslegungsheizlast 3.9 Vereinfachte Berechnungsmethode 4 Formblätter 5 Muster der Formblätter

Grundlegende Randbedingungen für behagliche Innenraumbedingungen Berechnungsverfahren für Norm-Wärmeverluste in Sonderfällen Beispielrechnung 6 Anhaltswerte zu den Berechnungen nach den Abschnitten 6 bis 9

Beispielrechnung

2.6.1 Berechnung der Heizlast

2.6.1-5

1251

Schema des Rechengangs

Folgende Berechnungsschritte müssen für die Bestimmung der Raumheizlasten für jeden Raum durchgeführt werden. 1. Bestimmung der meteorologischen Daten, d. h. der Werte für die Norm-Außentemperatur (minimale Außentemperatur θe bzw. unter Berücksichtigung der thermischen Zeitkonstante eine korrigierte minimale Außentemperatur θe′) und ggf. des Jahresmittels der Außenlufttemperatur (θm,e zur Berechnung der Wärmeverluste an das Erdreich). 2. Festlegung der Konditionierung der Räume (beheizt oder unbeheizt) und Festlegung der Werte für die Norm-Innentemperatur θint jedes beheizten Raumes. 3. Ermittlung der Gebäudedaten, d. h. der Abmessungen (Luftvolumen Vi , Bauteilflächen A, ggf. Längen der Wärmebrücken l) und der wärmetechnischen Eigenschaften aller Bauteile (Wärmedurchgangskoeffizienten U, gegebenenfalls längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten für Wärmebrücken ψ) für jeden beheizten Raum. 4. Berechnung des Koeffizienten für die Transmissionswärmeverluste (HT) und Multiplizieren mit der Norm-Temperaturdifferenz, um die Norm-Transmissionsheizlast (φT) zu erhalten. Berücksichtigung aller Wärmeströme: durch die Gebäudehülle nach außen, ins Erdreich, in unbeheizte Räume oder in anders temperierte Nachbarräume (bzw. aus diesen Räumen). 5. Berechnung des Koeffizienten für die Lüftungswärmeverluste (HV) und Multiplizieren mit der Norm-Temperaturdifferenz, um die Norm-Lüftungsheizlast (φV) zu erhalten. Es werden der Mindestluftwechsel, Angaben zur Gebäudedichtheit, bei Lüftungsanlagen die Zu- und Abluftrate sowie Zuströmtemperaturen benötigt. 6. Addieren der Norm-Transmissionsheizlast und der Norm-Lüftungsheizlast zur gesamten Norm-Heizlast (φHL). 7. Optionale Berechnung der Aufheizleistung (φRH) des beheizten Raumes. Dies ist eine zusätzliche Leistung für den Ausgleich zeitlich unterbrochener Beheizung. Sie muss mit dem Auftraggeber vereinbart werden. 8. Die Auslegungsheizlast (φHL,Ausl) eines beheizten Raumes ergibt sich aus der Summe der Norm-Heizlast (φHL) und der Aufheizleistung (φRH). Die einzelnen Schritte bei der Berechnung der Heizlast für eine Gebäudeeinheit oder ein gesamtes Gebäude sind folgende: 1. Summierung der Transmissionsheizlasten aller beheizten Räume, ohne den Wärmefluss zwischen den beheizten Räumen zu berücksichtigen, um die Transmissionsheizlast für die Gebäudeeinheit oder das gesamte Gebäude zu erhalten. 2. Summierung der Lüftungsheizlasten aller beheizten Räume, ohne den Wärmefluss zwischen den beheizten Räumen zu berücksichtigen, um die Lüftungsheizlast für die Gebäudeeinheit oder das gesamte Gebäude zu erhalten. Eine Verminderung der Infiltrationslüftungsverluste bzw. Mindestlüftungsverluste (Gleichzeitigkeit) ist berücksichtigt. 3. Addieren der Transmissionsheizlast aller beheizten Räume und der Lüftungsheizlast einer Gebäudeeinheit oder eines gesamten Gebäudes zur Gebäude-Norm-Heizlast. 4. Optionale Berechnung der gesamten Aufheizleistung für eine Gebäudeeinheit oder ein gesamtes Gebäude. 5. Die Auslegungsheizlast für eine Gebäudeeinheit oder ein gesamtes Gebäude ergibt sich aus der Summe der Gebäude-Norm-Heizlast und – falls vereinbart – der gesamten Aufheizleistung.

2

1252

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

2.6.1-6

Formelsammlung zum ausführlichen Verfahren

Bild 2.6.1-2 zeigt die Zusammenhänge der Berechnungsschritte bei der Heizlastberechnung, die Formelzeichen und Bedeutung der neuen Rechengrößen. Innen- und Außentemperaturen Im Anhang D der DIN EN 12831 werden keine Norm-Außentemperaturen θe [in °C] angegeben. Es muss in jedem Fall in jedem europäischen Land auf die nationalen Anhänge zurückgegriffen werden. Das deutsche Beiblatt 1 zur DIN EN 12831 enthält die Normaußentemperaturen für über 500 Orte in Deutschland (jeweils mit über 20000 Einwohnern). Weiterhin werden repräsentative Jahresmitteltemperaturen angegeben. Der tabellierte Wert der minimalen Außentemperatur θe′ wird um maximal +4 K erhöht, wenn das Gebäude eine hohe Speicherkapazität (Bauartschwere) bzw. große Zeitkonstante hat. Es gilt: θe = θe′ + Δθe Eine Übersicht über die Norm-Außentemperaturen für 15 beispielhafte Referenzstandorte (in Anlehnung an die 15 Klimazonen nach DIN 4108-6) zeigt Tafel 2.6.1-2. Tafel 2.6.1-3 zeigt die möglichen Korrekturwerte für Δθe. Die Gebäudezeitkonstante wird anhand der Speicherkapazität sowie der Verlustkoeffizienten für Transmission und Lüftung berechnet. Sowohl im Anhang D der DIN EN 12831 als auch im deutschen Beiblatt sind verschiedene Innentemperaturen θint [in °C] für unterschiedliche Raum- und Gebäudetypen festgelegt. Einen Auszug der in Deutschland relevanten Werte zeigt Tafel 2.6.1-4. Die DIN EN 12831 weist darauf hin, dass bei allen nicht tabellierten Raumtypen die der Rechnung zugrunde zu legenden Berechnungstemperaturen mit dem Auftraggeber vereinbart werden sollten.

Bild 2.6.1-2. Zusammenhänge bei der ausführlichen Berechnung.

Tafel 2.6.1-2 1 2 3 4 5

Auswahl von Normaußentemperaturen θe′ für 15 Orte in Deutschland.

Norderney Hamburg Rostock Potsdam Braunschweig

–10 °C –12 °C –10 °C –14 °C –14 °C

6 7 8 9 10

Erfurt Essen Kassel Chemnitz Hof, Saale

–14 °C –10 °C –12 °C –14 °C –18 °C

11 12 13 14 15

Würzburg Mannheim Freiburg i.Br. München GarmischPartenkirchen

–12 °C –12 °C –12 °C –16 °C –18 °C

2.6.1 Berechnung der Heizlast

Tafel 2.6.1-3

1253

Außentemperaturkorrektur.

Gebäudezeitkonstante, in [h]

Außentemperaturkorrektur Δθe, in [K]

< 100 100 bis 140 141 bis 210 211 bis 280 > 280

0 1 2 3 4

Tafel 2.6.1-4

Auswahl von Norm-Innentemperaturen.

Raumtyp

Norminnentemperatur θint, in [°C]

Wohn- und Schlafräume, Büroräume, Sitzungszimmer, Ausstellungsräume, Haupttreppenräume, Schalterhallen, Hotelzimmer, Verkaufsräume und Läden, Unterrichtsräume, Theater und Konzerträume, WC-Räume Bade- und Duschräume, Bäder, Duschen, Umkleideräume, Untersuchungszimmer (generell jede Nutzung für den unbekleideten Bereich) beheizte Nebenräume, Vorräume, Flure, Treppenräume

20 24 15

Norm-Transmissionsheizlast Die Norm-Transmissionsheizlast φT [in W] eines Raumes wird aus der Temperaturdifferenz zwischen innen (θint) und außen (θe) sowie der verschiedenen Transmissionswärmeverlustkoeffizienten des Raumes HT [in W/K] bestimmt. φT = (θint – θe) · (HT,ie + HT,uie + HT,ig + HT,ij) Die Indizierung der Transmissionswärmeverlustkoeffizienten hat folgende Bedeutung: – „ie“ Wärmeverlust des beheizten Raumes von innen (i) direkt nach außen (e), – „iue“Wärmeverlust von innen (i) über einen unbeheizten Raum (u) nach außen (e), – „ig“ Wärmeverluste von innen (i) an das Erdreich (g) und – „ij“ –Wärmeverluste an benachbarte beheizte Räume innerhalb des Gebäudes oder eines Nachbargebäudes. Die direkten Wärmeverluste des Raumes an die Umgebung HT,ie [in W/K] werden mit Hilfe der Bauteilflächen A [in m2], der Wärmedurchgangskoeffizienten der einzelnen Bauteile U [in W/(m2 K)] sowie unter Berücksichtigung von Wärmebrücken berechnet. Die Wärmebrücken werden entweder aus ihrer Länge l l [in m] und dem Längenbezogenen Wärmeverlust ψl [in W/(mK)] bestimmt oder es wird ein Zuschlag ΔUWB [in W/(m2 K)] auf den U-Wert angesetzt. Der Wärmebrückenzuschlag gilt nicht für Flächen an andere beheizte Räume. HT,ie = A · U + ψl · l l = A · (U + ΔUWB) Werte für die Wärmebrückenkorrektur ΔUWB sind im deutschen Beiblatt angegeben. Wie bei der Berechnung zur Energieeinsparverordnung beträgt der Zuschlag ohne Nachweis 0,1 W/(m2 K). Werden die Wärmebrücken nach DIN 4108 Beiblatt 2 oder gleichwertig ausgeführt gilt 0,05 W/(m2 K). Alternativ können einzelne Zuschläge für jede Wärmebrückensituation rechnerisch ermittelt und eingesetzt werden. Zur Berechnung der Wärmeverluste durch unbeheizte Räume an Außenluft HT,iue [in W/K] wird ein zusätzlicher Faktor bu [ohne Einheit] eingeführt. Er kann aus dem Verhältnis der Temperaturdifferenz zum Nachbarraum bezogen auf die Temperaturdifferenz nach außen berechnet werden. Beispiel: für einen Raum mit θint = 20 °C und einen unbeheizten Nachbarraum mit θu = 5 °C ergibt sich bei einer Außentemperatur von θe = –10 °C ein Wert bu = (20 – 5) / (20 – (–10)) = 0,5.

2

1254

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

HT,iue = A · U · bu + ψ l · l l · bu = A · (U + ΔUWB) · bu Für unbeheizte Räume mit unbekannten Innentemperaturen ist ein Rechenverfahren zur Bestimmung einer Gleichgewichtstemperatur angegeben. Im Standardfall werden Werte für bu aus nationalen Tabellen entnommen. Im deutschen Beiblatt 1 sind Werte im Bereich von 0,25…1,25 hinterlegt. Die Bestimmung der Wärmeverlust an das Erdreich HT,ig [in W/K] basiert auf den Bauteilflächen A [in m2], den äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten Uequiv [in W/(m2 K)] sowie auf drei Korrekturfaktoren Gw, fg1 und fg2 [alle ohne Einheit]. HT,ig = A · Uequiv · Gw · fg1 · fg2 Der Korrekturfaktor fg1 zur Berücksichtigung der Außentemperaturschwankung wird in Deutschland fest auf den Wert 1,45 festgelegt. Der Reduktionsfaktor für die wirksame Temperaturdifferenz des Erdreichs fg2 wird mit Hilfe der mittleren Außentemperatur des Standortes berechnet und liegt etwa bei 0,30 ... 0,45 (Ansatz wie bei der Bestimmung von bu). Der Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Grundwassereinflusses Gw ist eine feste Größe: bei Grundwassertiefen von 1 m und mehr beträgt er 1,0. Für geringere Tiefen als 1 m beträgt er 1,15. Der äquivalente Wärmedurchgangskoeffizient Uequiv wird mit Hilfe von Bildern bzw. Formeln bestimmt. Er hängt u. a. vom unkorrigierten U-Wert sowie der Fläche und des Umfangs der betreffenden erdreichberührten Bauteile ab. Er enthält auch Wärmebrückenzuschläge. Wärmeverluste an andere beheizte Räume HT,ij [in W/K] werden ebenfalls anhand der Bauteilflächen A [in m2] und deren Wärmedurchgangskoeffizienten U [in W/(m2K)] berechnet. Eine Korrektur der von der Außentemperatur abweichenden Temperatur der Nachbarräume erfolgt mit dem Faktor fij [ohne Einheit] – analog dem oben beschriebenen Verfahren für bu (Temperaturdifferenz zum Nachbarraum bezogen auf Temperaturdifferenz nach außen). Es werden keine Wärmebrücken berücksichtigt! HT,ij = A · U · fij Norm-Lüftungsheizlast Die Norm-Lüftungsheizlast φV [in W] eines Raumes wird aus der Temperaturdifferenz zwischen innen (θint) und außen (θe) sowie dem Lüftungswärmeverlustkoeffizienten des Raumes HV [in W/K] bestimmt. φV = (θint – θe ) · HV

·

Die Lüftungswärmeverluste werden über einströmende Luftvolumenströme V i [in m3/h] bestimmt. Der Lüftungswärmeverlustkoeffizient HV ist das Produkt aus dem maßgebli· chen Luftvolumenstrom V i und den Stoffeigenschaften der Luft.

·

·

HV = V i · ρ · cp = V i · 0,34 Wh/(m3 K) Der maßgebliche Volumenstrom wird für Gebäude mit und ohne mechanische Belüftung unterschiedlich berechnet. Es werden bestimmt: für alle Räume der Infiltrationsvolumenstrom; für Räume mit mechanischer Lüftung zusätzlich der Zuluftvolumenstrom und gegebenenfalls ein Luftvolumenstrom, der aus einem Abluftüberschuss resultiert; für alle Räume ohne mechanische Lüftung der Mindestluftvolumenstrom. Für Räume mit manueller (freier) Lüftung ist mit Hilfe der Mindestluftwechselrate · nmin [in h–1] und des Luftvolumens Vi [in m3] ein minimaler Luftvolumenstrom V min,i [in m3/h] festgelegt, der für die Dimensionierung der Heizflächen zugrunde gelegt wird. Das Luftvolumen kann vereinfacht aus dem umbauten Volumen Ve eines Gebäudes berechnet werden (Vi = 0,8 · Ve). Der Mindestluftwechsel nmin ist tabelliert, der Standardwert für viele Raumnutzungen beträgt 0,5 h–1. Einen Ausschnitt der Standardwerte, die das Beiblatt 1 vorschlägt, zeigt Tafel 2.6.1-5.

·

V min,i = nmin · Vi

2.6.1 Berechnung der Heizlast

Tafel 2.6.1-5

1255

Mindestluftwechsel

Raumart

Mindestluftwechsel nmin, in [h–1]

Daueraufenthaltsräume, Wohnraum, Schlafraum, Büro u. ä. (Standardfall), Küche > 20 m3, WC oder Badezimmer mit Fenster Küche ≤ 20 m3 Nebenräume, innenliegende Räume

0,5 1,0 0,0

·

Der Infiltrationsvolumenstrom V inf [in m3/h] hängt vom Raumvolumen Vi [in m3], einem Referenzluftwechsel n50 [in h–1] als Maß für die Gebäudedichtheit sowie zwei Korrekturfaktoren e und ε [beide ohne Einheit] ab.

·

V inf = 2 · Vi · n50 · e · ε Die Luftwechselrate bei einer Druckdifferenz von 50 Pa zwischen innen und außen n50 kann dem Messprotokoll einer Gebäudedichtheitsmessung entnommen werden. Typische Dichtheitswerte n50 werden alternativ anhand der Fenster- und Türausführungen in Tabellen des Beiblatts 1 bereitgestellt. Je nach Grad der Luftdichtheit und des Gebäudetyps sind bei fehlenden Messwerten typische Werte hinterlegt (n50 = 1,5...10 h–1 für sehr dicht ... weniger dicht). Der Abschirmkoeffizient e berücksichtigt den Windeinfluss bzw. die Abschirmung des Gebäudes und ist ebenfalls tabelliert. Je nach Grad der Abschirmung (windreiche Gegenden und Hochhäuser, Abschirmung durch Bäume oder andere Gebäude, Standorte im Wald oder Stadtmitte) und Anzahl der Öffnungen des Raumes nach außen ergeben sich Werte von e = 0…0,05. Der Höhenkorrekturfaktor ε berücksichtigt unterschiedliche Druckverhältnisse mit steigender Höhe über dem Erdboden. Er nimmt Werte zwischen 1,0 (Höhen bis 10 m) und 2,8 (bei 100 m) an. Der für die Berechnung maßgebliche Volumenstrom für Gebäude und Räume ohne mechanische Lüftung ist der größere Wert von Mindest- und Infiltrationsvolumenstrom. · Für Gebäude mit mechanischer Lüftungsanlage wird der Volumenstrom V i [in m3/h] aus drei Anteilen zusammengesetzt: Der erste Anteil ist der Lufteintrag durch Infiltration · V inf [in m3/h]. · Den zweiten Anteil bildet die mechanisch zugeführte Luft V SU [in m3/h]. Dieser Anteil wird ggf. mit einem Faktor fV,su [ohne Einheit] korrigiert, wenn er nicht mit Außenlufttemperatur zuströmt. Dies ist der Fall, wenn eine Wärmerückgewinnung eingesetzt wird, wenn eine zentrale Luftaufbereitung der Luft erfolgt oder wenn die Luft aus Nachbarräumen mit anderen Temperaturen einströmt. Es gilt auch für die Bestimmung von fV,su sinngemäß der oben für bu beschriebene Zusammenhang (Temperaturdifferenz innen – Zuluft bezogen auf Temperaturdifferenz innen – außen). Der dritte Anteil ergibt sich, wenn ein Abluftüberschuss im Gebäude vorhanden ist, d. h. die mechanisch abgezogene Luft aus dem Gebäude größer ist als die mechanisch zuge· führte. Die Differenz V mech,inf [in m3/h] zum Zuluftvolumenstrom muss über die Außenöffnungen in das· Gebäude strömen. Hat diese Luft keine Außenlufttemperatur, wird der Volumenstrom V mech,inf mit fV,mech [ohne Einheit] korrigiert.

·

·

·

·

V i = V inf,i + (fV,su · V su) + (fVi,mech · V mech,inf) Hinweis: Bei fehlenden Angaben zu lufttechnischen Anlagen kann der Lüftungswärmeverlust wie für eine Ausführung ohne lufttechnische Anlage gerechnet werden. Aufheizzuschlag In Räumen mit unterbrochenem Heizbetrieb kann optional eine zusätzliche Aufheizleistung berücksichtigt werden! Sie wird für die Auslegung der Raumheizflächen und des Wärmeerzeugers berücksichtigt! Die Aufheizleistung muss mit dem Auftraggeber gesondert vereinbart werden! Die zusätzliche Aufheizleistung hängt im Sinne der DIN EN 12831 von der Wärmekapazität der Bauteile, der maximal gewünschten Aufheizzeit, vom Temperaturabfall während

2

1256

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

der Absenkphase und der eingesetzten Regelung ab. Eine zusätzliche Aufheizleistung ist nicht immer notwendig, wenn das Regelsystem z. B. die Nachtabsenkung in den kältesten Tagen unterbricht und/oder die Lüftungsverluste während der Absenkphase verringert werden können.

φRH = Ai · fRH Die Aufheizleistung φRH [in W] richtet sich nach der Raumfläche Ai [in m2] und nach dem Korrekturfaktor fRH [in W/m2]. Der Korrekturfaktor ist tabelliert für unterschiedlich schwere Gebäude (leicht, mittel, schwer), unterschiedlich lange Wiederaufheizzeitdauern (0,5…6 h), verschiedenen Luftwechselraten während der Aufheizung (0,1 und 0,5 h–1) und unterschiedlich lange Absenkzeiten (2–168 h). Der Temperaturabfall während der Heizpause kann auch berechnet werden. Dazu muss die wirksame Masse und das Auskühlverhalten (Zusammen: Zeitkonstante) berechnet werden. Normheizlast Die Normheizlast eines beheizten Raumes φHL [in W] berechnet sich aus der Transmissionsheizlast φT [in W] und der Lüftungsheizlast φV [in W]. φHL = φT + φV

Auslegungsheizlast Die Auslegungsheizlast eines beheizten Raumes φHL, Ausl ergibt sich aus der Normheizlast φHL [in W] sowie dem optionalen Zuschlag für die Wiederaufheizung φRH [in W]. φHL, Ausl = φHL + φRH

Gebäudeheizlast Zur Bestimmung der Normheizlast eines gesamten Gebäudes oder Gebäudeteils φHL,Geb [in W] werden nur die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste der Räume an die Umgebung berücksichtigt. Alle Wärmeflüsse der Räume untereinander werden vernachlässigt. φHL,Geb = φT,i + φV,i

Der Lüftungswärmeverlust für das gesamte Gebäude ist kleiner als die Summe für die einzelnen Räume, weil für jeden Raum der jeweils schlechteste Wert für den einströmenden kalten Volumenstrom angenommen wurde. Für die Berechnung der Lüftungswärmeverluste gilt folgendes: Gebäude ohne mechanische Lüftung:

·

·

·

V = max [0,5 · V inf,i ⏐0,5 · V min,i] Gebäude mit mechanischer Lüftung:

·

·

·

·

V = 0,5 · V inf,i + (1 – ηV) · V SU + V mech,inf In Gebäuden ohne mechanische Lüftung ist demnach entweder der halbe Mindestvolumenstrom der Räume (Summe aller Räume) oder der halbe Infiltrationsvolumenstrom maßgeblich. Die Halbierung erfolgt, weil jeweils nur zwei Himmelsrichtungen gleichzeitig unter Windangriff liegen können. Ist eine mechanische Lüftungsanlage vorhanden, dann zählt die Summe aus Infiltrationsvolumenstrom (halbiert), Zuluftvolumenstrom (ggf. vorgewärmt mit Wärmerückgewinnungsgrad ηv) und Zusatzvolumenstrom bei Anlagen mit Abluftüberschuss. Die Auslegungsheizlast φHL,Ausl, Geb [in W] berücksichtigt neben der Normheizlast φHL,Geb [in W] auch die optional vereinbarten Aufheizzuschläge der Räume φRH [in W]. φHL,Ausl,Geb = φHL,Geb + φRH

2.6.1 Berechnung der Heizlast

2.6.1-7

1257

Formblätter zum ausführlichen Verfahren

2

Bild 2.6.1-3. Formblatt G1 (Gebäudedaten) zum ausführlichen Verfahren.

Bild 2.6.1-4. Formblatt V (Vereinbarungen) zum ausführlichen Verfahren.

1258

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.1-5. Formblatt G2 (Raumheizlast) zum ausführlichen Verfahren.

Bild 2.6.1-6. Formblatt R (Raumheizlast) zum ausführlichen Verfahren.

2.6.1 Berechnung der Heizlast

1259

2

Bild 2.6.1-7. Formblatt G3 (Gebäudeergebnisse) zum ausführlichen Verfahren.

2.6.1-8

Kritische Bemerkungen

Aufgrund der gewählten Randbedingungen der DIN EN 12831 (optionalen Zuschläge für die Wiederaufheizung, hohe Temperaturdifferenz zu Nachbarräumen) liegt die Heizlast etwas über den Werten nach DIN 4701 Ausgabe von 1983/89. Die DIN EN 12831 erlaubt flächenbezogene Aufheizzuschläge für die Heizlast eines Raumes. Diese werden in Abhängigkeit von der Gebäudeschwere, der Auskühlung des Raumes, mit der am Auslegungstag zu rechnen ist, und je nach maximal gewünschter Wiederaufheizzeit bestimmt. Es können für gut gedämmte Gebäude sehr große Überdimensionierungen zustande kommen (siehe Bild 2.6.1-8). Da die Aufheizzuschläge nicht nur auf die Heizfläche gewählt werden, sondern sich in voller Höhe auch in der notwendigen Wärmeerzeugerleistung wiederfinden, ist besonders bei Gebäuden mit gutem Baustandard die Gefahr der Überdimensionierung der Erzeuger groß.

1260

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.1-8. Mögliche Überdimensionierung von Heizflächen und Wärmeerzeugern nach DIN EN12831.

2.6.1-9

Heizlast für Räume und Gebäude im Bestand

Muss die Heizlast für Räume eines bestehenden Gebäudes berechnet werden, kann dies ebenfalls mit dem Verfahren der DIN EN 12831 Beiblatt 1 erfolgen. Dies setzt voraus, dass die Flächen und Wärmedurchgangskoeffizienten des bestehenden Gebäudes genau aufgenommen werden. Dies ist in der Regel zeitaufwendig, daher bietet sich oft eine überschlägige Berechnung an. Auch in der Überschlagsrechnung sollten die außenflächenabhängige Transmissions- und die grundflächenbezogene Lüftungsheizlast (Transmissions- und Lüftungswärmebedarf) bestimmt werden. DIN EN 12831 Beiblatt 2 Das Beiblatt stellt zwei vereinfachte Verfahren für die Ermittlung der Gebäudeheizlast im Bestand zur Verfügung: – Hüllflächenverfahren: Berechnung analog zur Raumheizlast, jedoch anhand der Hüllfläche des gesamten Gebäudes, – Verbrauchsverfahren: Erfassung und Auswertung der Endenergie bzw. der Wärmeabgabe des Erzeugers in einem bestimmten Zeitraum. Für das Hüllflächenverfahren sind im Anhang A zum Beiblatt 2 Pauschalwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten U angegeben. Sie entsprechen denen, die bei unbekannten Randdaten auch im Rahmen von EnEV-Nachweisen zum Einsatz kommen. Ebenfalls sind Vereinfachungen zum Flächenaufmaß beschrieben (Anhang B). Die Auswahl an Temperaturkorrekturfaktoren bu (bzw. in diesem Beiblatt als fx bezeichnet) zur Berücksichtigung der Nachbartemperaturen ist begrenzt auf 12 Fälle (Anhang C). Soll die Heizlast auf Messwerten basieren, ergeben sich verschiedene Detaillierungsgrade, je nach Ausgangslage der Rohdaten. Im ungünstigen Fall gibt es nur einen Jahresbrennstoffverbrauch (als Energiemenge). Es erfolgt dann die rechnerische Abtrennung der Aufwendungen für Trinkwarmwasserbereitung (Standardkennwerte), die Umrechnung in eine Feuerungswärmeleistung (über Belastungsgrade oder Gradtage) sowie die Umrechnung in die Wärmeleistungsabgabe des Erzeugers (mit standardisierten Nutzungsgraden). Im besten Fall liegen die Verbrauchswerte jedoch als Monats- oder Wochenwerte vor und entstammen Zählern auf der Wärmeabgabeseite des Erzeugers. Sie lassen sich in mittlere Leistungen (im Messintervall) umrechnen und über der Außentemperatur auftragen (siehe Bild 2.6.1-9). Durch lineare Regression ergibt sich aus dem witterungsabhängigen Teil des Verbrauchs (unterhalb der Heizgrenze) eine Steigung H. Sie fasst die Größen HT + HV zusammen. Die Heizlast ergibt sich dann zu: Φ = H · (Θint – Θe)

2.6.1 Berechnung der Heizlast

1261

Energieanalyse aus dem Verbrauch, (Basis: Wärmemengenzähler hinter Erzeuger)

Messpunkte

Winterleistung Sommerleistung

30

Leistung aus Verbrauch, in kW

25 20

Steigung: H = 0,882 kW/K

15

10

Heizgrenze: ϑHG = 15,1°C

Grundleistung:  4 = 0,768 kW

5 0 -15

-10

-5

0 5 Außentemperatur, in °C

10

15

20

Bild 2.6.1-9. Heizlast aus Verbrauch

DIN EN 12831 Beiblatt 3 Das Beiblatt 3 stellt ein vereinfachtes Verfahren für die Ermittlung der Raumheizlast im Bestand zur Verfügung. Es handelt sich ebenfalls um ein hüllflächenbezogenes Rechenverfahren. Folgende Vereinfachungen bzw. Hilfsmittel sind vorgesehen: – Aufmaß der Gebäudehülle mit Innenmaßen und pauschale Umrechnung in die allgemein notwendigen Außenflächen – Alternativ ein Schätzverfahren für die Hüllflächen auf Basis der Grundfläche und Lagebeschreibung (Eckraum, Innenraum usw.) – Vereinfachungen bei der Bestimmung der Temperaturkorrekturfaktoren bu (bzw. in diesem Beiblatt als fx bezeichnet) durch Begrenzung der Fallunterscheidungen und Vernachlässigung aller Flächen mit ≤ 4 K Temperaturdifferenz – Berechnung mit dem Mindestluftwechsel (kein Vergleich mit dem Infiltrationsluftwechsel) – Grafische (Nomogramme) oder tabellarische Bestimmung von U-Werten für typische Bestandskonstruktionen, auch nachträglich gedämmte – Keine Außentemperaturkorrektur aufgrund der Bauschwere, keine Wiederaufheizlast, keine Berechnung von Wärmebrücken. Weitere Arbeitshilfen Bereits vor Erscheinen der Beiblätter 2 und 3 gab es Arbeitshilfen, die über Jahre erprobt wurden. Teils wurden die Normtexte daran angelehnt. Allgemein lässt sich als Praxiserfahrung zusammenfassen: Bei der überschlägigen Heizlastberechnung werden aus Gründen der Vereinfachung nicht alle Begrenzungsflächen eines Raumes berücksichtigt. Es zählen nur die Flächen, mit denen der Raum an deutlich andere Temperaturbereiche grenzt. Das sind: Außenflächen, erdreichberührte Flächen und Flächen zu unbeheizten Dachräumen und Kellern. Für die vereinfachte Berechnung der Lüftungsheizlast kommt es vor allem auf das Vorhandensein einer Lüftungsanlage an, so dass in Zuluft-, Überström- und Ablufträume unterschieden wird. Da der Sanierungsgrad von Fenstern im Allgemeinen sehr hoch ist, spielt bei Fensterlüftung eher das Nutzerverhalten als die Undichtheit eine Rolle. Sehr große Lüftungsverluste treten in von Rauchern benutzten Räumen auf. Die Heizlast lässt sich z. B. mit Hilfe der Werte in Tafel 2.6.1-6 bis Tafel 2.6.1-10 abschätzen. Tabelliert sind Heizlasten q· T und q· V [in W/m2]. Die Kennwerte sind jeweils mit der Größe der Fläche A [in m2] zu multiplizieren, wobei für die Transmissionsheizlast (Transmissionswärmebedarf) die Bauteilflächen maßgeblich sind, für die Lüftungsheizlast (Lüftungswärmebedarf) jedoch die Grundfläche zählt.

2

1262

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.1-6

Transmissionsheizlast je m2 Außenwandfläche

U-Wert, in [W/m2K] 2,5…1,7

Außenwände

Transmissionsheizlast

1,69…1,2

1,19…0,7

0,69…0,3

unter 0,29

Alter

bis 1948

1949 bis 1977

1978 bis 1994

ab 1995 bis heute

heute im Niedrigenergiehaus

Art

Vollziegel bis 38 cm Fachwerk

Vollziegel 38…51 cm Gitterziegel 24 cm Bimshohlsteine

Bimsvollsteine Gitterziegel 36 cm

Konstruktionen mit Dämmschichten

Konstruktionen mit Dämmschichten

Dämmung

Konstruktion ohne extra Wärmedämmung

Konstruktion mit max. 1…2 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 3…6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 6…12 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 3…6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 12…30 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 6…12 cm Dämmung

… an Außenluft

74 W/m2

51 W/m2

33 W/m2

17 W/m2

5 W/m2

… an Erdreich oder unbeheizten Raum

44 W/m2

30 W/m2

21 W/m2

10 W/m2

3 W/m2

2.6.1 Berechnung der Heizlast

Tafel 2.6.1-7

Transmissionsheizlast je m2 Decken- oder Dachfläche

U-Wert, in [W/m2K] 2,5…1,7

Decken und Dächer

Transmissionsheizlast

1263

1,69…1,2

1,19…0,7

0,69…0,3

unter 0,29

Alter

bis 1948

1949 bis 1958

1959 bis 1977

1978 bis 1983

1984 bis heute

Art

Stahlsteindecke Stahlbetondecke Steildach mit Ziegel und Putz

Stahlbetonflachdach Steildach mit Putz und Bimsvollsteinen zwischen Sparren

Holzbalkendecke Steildach verputzt mit Heraklithplatten

Stahlbeton mit Schaumglas und Kiesschüttung

Konstruktionen mit Dämmschichten

Dämmung

Konstruktion ohne extra Wärmedämmung

Konstruktion mit max. 1…2 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 3…6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 6…12 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 3…6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 12…30 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 6…12 cm Dämmung

… an Außenluft

74 W/m2

51 W/m2

33 W/m2

17 W/m2

5 W/m2

… an Erdreich oder unbeheizten Raum

44 W/m2

30 W/m2

21 W/m2

10 W/m2

3 W/m2

2

1264

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.1-8

Transmissionsheizlast je m2 Boden- oder Kellerdeckenfläche

U-Wert, in W/m2K

2,5 … 1,7

Alter

Böden und Keller decken

Trans missionsheizlast

1,69 … 1,2 1,19 … 0,7

0,69 … 0,3

unter 0,29

vor 1918

1919 bis 1977

1978 bis heute

heute im Niedrigenergiehaus

Art

Feldsteine Stahlbeton Stahlstein mit Gussasphalt

gemauertes Gewölbe mit Dielen

Holzbalkendecke Stahlbeton mit Schlackeschüttung Stahlbeton mit Trittschall und Estrich

Konstruktionen mit Dämmschichten

Konstruktionen mit Dämmschichten

Dämmung

Konstruktion ohne extra Wärmedämmung

Konstruktion mit max. 1 ... 2 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 3 ... 6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 6 ... 12 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 3 ... 6 cm Dämmung

Konstruktion wie „sehr schlecht“ und „schlecht“ plus ca. 12 ... 30 cm Dämmung Konstruktion wie „normal“ plus ca. 6 ... 12 cm Dämmung

... an Außenluft

74 W/m2

51 W/m2

33 W/m2

17 W/m2

5 W/m2

... an Erdreich oder unbeheizten Raum

44 W/m2

30 W/m2

21 W/m2

10 W/m2

3 W/m2

Beispiel: ein Raum mit 16 m2 Grundfläche weist 18 m2 Außenwand (Vollziegel 24 cm ohne Dämmung) und 2,8 m2 Fenster (doppeltes Wärmeschutzglas, dicht, keine Lüftungsanlage) auf. Die anderen Begrenzungsflächen grenzen an andere ähnlich temperierte Innenräume. Die Raumheizlast beträgt überschlägig: 18 m2 · 74 W/m2 + 51 W/m2 · 2,8 m2 + 17 W/m2 · 16 m2 = 1750 W (Tafel 2.6.1-6, Tafel 2.6.1-9, Tafel 2.6.1-10). Die in Tafel 2.6.1-6 bis Tafel 2.6.1-10 tabellierten Werte gelten für eine minimale Auslegungstemperatur von –14 °C. Befindet sich das Gebäude an einem Ort, an dem eine andere minimale Außentemperatur maßgeblich ist, ist die Raumheizlast mit dem Faktor nach Tafel 2.6.1-11 zu korrigieren. Beispiel: der Beispielraum befindet sich in Wernigerode, es gilt eine Auslegungsheizlast von –16 °C. Die Raumheizlast beträgt dann: 1750 W · 1,06 = 1855 W (Tafel 2.6.1-11).

2.6.1 Berechnung der Heizlast

Tafel 2.6.1-9

Transmissionsheizlast je m2 Fenster und Tür

U-Wert, in W/m2K

Fenster und Türen

Transmissionsheizlast

1265

5,5 … 2,5

2,49 … 1,7

1,69 … 1,2

1,19 … 0,7

Alter

vor 1977

vor 1984

1984 bis heute

heute im Niedrigenergie- und Passivhaus

Art

Einfachverglasung

Doppelverglasung (Isolierverglasung)

doppeltes Wärmeschutzglas

dreifaches Wärmschutzglas

... an Außenluft

140 W/m2

74 W/m2

51 W/m2

33 W/m2

... an unbeheizten Raum

84 W/m2

44 W/m2

30 W/m2

21 W/m2

Tafel 2.6.1-10 Lüftungsheizlast je m2 Grundfläche Luftwechsel, in [h–1]

1,1 ... 0,8

0,79 ... 0,6

0,59 ... 0,4

0,39 ... 0,1

Raumart

Raucherräume Zulufträume bei Lüftungsanlagen WCs mit Außenfenstern

normale Raumnutzung undichte Fenster

normale Raumnutzung dichte Fenster

Ablufträume bei Lüftungsanlagen

Lüftungsheizlast

32 W/m2

23 W/m2

17 W/m2

8 W/m2

Tafel 2.6.1-11 Korrekturfaktor für die Heizlast ϑa,min = Beispielhafte Orte

Umrechnung

–18 °C

Fichtelberg, Garmisch-Partenkirchen, Mittelberg, Oberaudorf, Oberstdorf, Weihenstephan

1,11

–16 °C

Bamberg, Bayreuth, Berchtesgaden, Brocken, Burghaslach, Chemnitz, Cottbus, Doberlug-Kirchhain, Donaueschingen, Erlangen, Frankfurt/Oder, Freudenstadt, Görlitz, Göttingen, Großer Inselberg, Gschwend, Heidenheim, Hof, Kaltennordheim, Kirchheim/Teck, Mittenwald, Mühldorf, München, Münsingen, Nördlingen, Nürnberg, Plauen, Regensburg, Rosenheim, Sonneberg, St. Blasien, Torgau, Trostberg, Tübingen, Villingen, Weiden, Wernigerode

1,06

–14 °C

Angermünde, Artem, Augsburg, Bad Herrenalb, Bad Hersfeld, Bad Kissingen, Bad Kohlgrub, Bad Nauheim, Bad Salzuflen, Badenweiler, Berlin, Birkenfeld, Blankenrath, Braunlage, Braunschweig, Brilon, Buchen, Clausthal, Coburg, Dresden, Erfurt, Gardelegen, Gera, Gilserberg, Grünow, Gütersloh, Halle, Hannover, Herchenhain, Hüll, Isny, Jena, Leipzig, Lindenberg, Magdeburg, Marnitz, Müncheberg, Neuglobsow, Neuruppin, Neustrelitz, Nürburg, Öhringen, Passau, Pommelsbrunn, Potsdam, Ravensburg, Rothenburg, Salzwedel, Ulm, Wahnsdorf, Wittenberg, Wittenberge, Witzenhausen, Zehdenick

1,00

2

1266

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.1-11 Korrekturfaktor für die Heizlast (Forts.) ϑa,min =

Beispielhafte Orte

–12 °C

Aachen, Alzey, Bad Ems, Bad Kreuznach, Baden-Baden, Bergzabern, Boizenburg, Bremen, Darmstadt, Dillenburg, Dortmund, Elsdorf, Frankfurt/Main, Freiburg, Friedrichshafen, Geisenheim, Gelnhausen, Gießen, Goldberg, Greifswald, Hamburg, Hameln, Herford, Hilgenroth, Iserlohn, Karlsruhe, Kassel, Lüdenscheid, Mannheim, Münster, Neumünster, Neuwied, Pforzheim, Pirmasens, Saarbrücken, Schwerin, Stuttgart, Teterow, Trochtelfingen, Ueckermünde, Waren, Weilburg, Wertheim, Wildbad-Sommerberg, Worms, Wuppertal, Würzburg

0,94

–10 °C

Arkona, Aulendorf, Bensheim, Bernkastel, Boltenhagen, Bonn, Borkum, Bremerhaven, Cuxhaven, Duisburg, Düsseldorf, Emden, Essen, Heidelberg, Husum, Kiel, Kleve, Köln, Lingen, List auf Sylt, Lübeck, Neustadt, Norderney, Oldenburg, Putbus, Schleswig, St. Peter, Travemünde, Trier, Warnemünde, Wiesbaden

0,89

Umrechnung

Die Heizlast der einzelnen Räume hängt stark von der Lage innerhalb des Gebäudes (Anzahl der Außenflächen und Fenstergrößen) ab, so dass in der Praxis die außenflächenbezogene Heizlastberechnung zu bevorzugen ist (vgl. Bild 2.6.1-10).

Bild 2.6.1-10. Vergleich der Raumheizlasten für einen Innen- und einen Eckraum.

2.6.2 Auslegung der Wärmeerzeuger

2.6.2

Auslegung der Wärmeerzeuger1)

1267

KÖPFE recknagel-online.de

Im Folgenden werden Aussagen zu Dimensionierung von Wärmeerzeugerleistungen zur: – Heizung, – Trinkwarmwasserbereitung, – kombinierten Heizung und Trinkwarmwasserbereitung gemacht. Die Heizleistung eines Wärmeerzeugers wird nach der Gebäudeheizlastberechnung (DIN EN 12831) festgelegt, wobei es keine verbindlichen Vorschriften gibt. Sofern mit dem Bauherren bereits zusätzliche Zuschläge für die Wiederaufheizung der Räume vereinbart wurden, ist auch die Gebäudeheizlast nach DIN EN 12831 bereits um diese Zuschläge erhöht. Hier müssen also keine weiteren „Angstzuschläge“ berücksichtigt werden. Die Wärmeerzeugerleistung für die Trinkwarmwasserbereitung kann nach verschiedenen Verfahren festgelegt werden: nach gemessener Verbrauchskurve, nach der Leistungskennzahl (DIN 47082)) oder nach Gleichzeitigkeitsfaktoren. Wird die Verbrauchskurve (Wärmeverbrauchs-Schaubild) zur Auslegung eines Wärmeerzeugers verwendet, dann ergibt sich die Wärmeerzeugerleistung anhand verschiedener Einflussparameter. Dies können sein: – Wie oft kann und soll der Wärmeerzeuger eingeschaltet werden? – Wie lange kann ein gemeinsamer Wärmeerzeuger der Heizung und Trinkwarmwasserbereitung eingeschaltet werden (in der Speicherladezeit wird in der Regel nicht geheizt)? – Wann (Tageszeiten) kann die Abschaltung erfolgen? – Welche Leistung steht zur Speicherladung zur Verfügung? Zur Bearbeitung des Themas wird auf weiterführende Literatur (z. B. Böhm3)) verwiesen. Erfolgt die Dimensionierung des Wärmeerzeugers nach dem Verfahren der Leistungskennzahl N nach DIN 4708, so können Wärmeerzeuger und Speicher mit dieser Größe nach Herstellerunterlagen ausgewählt werden. Die vom Hersteller angegebene Leistungskennzahl muss mindestens so groß sein wie die berechnete. Bei der Bemessung der Leistung eines Wärmeerzeugers zur kombinierten Heizung und Trinkwarmwasserbereitung müssen ggf. auf die ermittelte Gebäudeheizlast Zuschläge für die Trinkwarmwasserbereitung gemacht werden. Für Gebäude mit geringer Heizlast überschreitet die Leistung für Trinkwarmwasserbereitung die Gebäudeheizlast. Einen Überblick über übliche Leistungen im Wohnungsbau gibt Bild 2.6.2-1. Eingetragen ist die Leistungsanforderung für Trinkwarmwasserbereitung für verschiedene Gebäudeflächen und fünf Trinkwarmwassersysteme (Durchlaufsystem, 4 Speichersysteme mit unterschiedlich langer Bedarfs- bzw. Ladezeit). Weiterhin sind fünf Kurven für die Leistungsanforderung der Heizung je nach flächenbezogener Heizlast eingetragen. Die Gebäudestandards nach Wärmeschutzverordnung oder Energieeinsparverordnung entsprechen etwa Heizlasten von 25 bis 40 W/m2. Ablesebeispiel: Für ein Gebäude mit 1000 m² Fläche und einer „Bedarfszeit 1 h“ (typisch für die Ausstattung des Gebäudes mit einem Kessel) ergibt sich eine Leistung von 50 kW sowie ein Trinkwarmwasserspeicher mit ca. 750 l Fassungsvermögen. In einem Neubau mit einer flächenbezogenen Heizlast von 40 W/m² ist der Leistungsbedarf aufgrund der Heizlast (40 kW) niedriger als der Trinkwarmwasserleistungsbedarf. Soll in dem betrachteten Gebäude ein Speicherladesystem mit Pufferspeicher installiert werden, lassen sich näherungsweise Volumina und Leistungen ebenfalls abschätzen. Unter der Annahme eines Bedarfszeitraums von 4 h für das Laden sowie einer Entnahme im Durchfluss ergeben sich: Entladeleistung ca. 180 kW, Speichervolumen 1400 l, Ladeleistung 20 kW.

1) 2) 3)

Überarbeitet für die 78. Auflage von Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig, und Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel. DIN 4708 Teile 1 bis 3 „Zentrale Wassererwärmungsanlagen“, 1994. Böhm, G.: Auswahl und Einsatz von Heizkesseln und Warmwasserspeichern. Krämer-Verlag, Stuttgart 1997.

2

1268

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Heizlast, in [W/m²]

150

100

1000 75 Trinkwarmwasserleistung

Bedarfszeit 0,5 h und 1 h (typisch: Kessel)

Bedarfszeit 0,1 h (Durchlaufsystem)

1500

Leistung, in [kW]

100

800 480 330

1200 1800

750

1000

250

2300

400 300

120

10

400

1400

2500 4000

4200 7000

25

10000

5000

Speichervolumen, in [l]

550

Bedarfszeit 2 h und 4 h (typisch: Wärmepumpe)

700

160 190

50 2700

450

220

1 100

1000

Fläche, in [m²]

10000

Bild 2.6.2-1. Leistungsbedarf (Heizung und Trinkwarmwasserbereitung nach DIN 4708) für Wohngebäude unterschiedlichen baulichen Standards.

Der Grafik liegen folgende wesentliche Randbedingungen zugrunde: Berechnung der Warmwasserheizlast nach DIN 4708 mit folgenden Eckdaten: Ausstattung der Wohnung mit einer maßgeblichen Zapfstelle (Normbadewanne), ca. 3 Personen auf 80 m2 Wohnfläche, Trinkwarmwassertemperaturen 60 °C (warm) und 10 °C (kalt). Die DIN 4708 würde auf Basis einer höheren Standardpersonenbelegung etwas größere Leistungen und Volumina ermitteln. In der Realität sind Gebäude teils mit noch weniger Personen je Fläche belegt, so dass die Randdaten des Diagramms einen mittleren Bereich abdecken. Muss der Wärmeerzeuger nach der Trinkwarmwasserbereitung gewählt werden, so steht für die Beheizung des Gebäudes nach Absenkphasen oder nachdem die Speicherladung (Vorrangbetrieb) beendet ist, in der Regel ausreichend Leistung zur Verfügung. Wenn der Wärmeerzeuger das Trinkwarmwasser im Parallelbetrieb bereiten soll, dann addieren sich die Leistungen für Heizung und Trinkwarmwasser. Ein Parallelbetrieb ist z. B. in folgenden Fällen sinnvoll: Gebäude mit starker Auskühlung des Gebäudes während der Vorrangschaltung oder Gebäude mit höheren Komfortansprüchen. Werden gemeinsame Wärmeerzeuger für Heizung und Trinkwarmwasserbereitung verwendet, sollte darauf geachtet werden, dass Speicherladung und Wiederaufheizung des Gebäudes nach Absenkphasen nicht zur selben Zeit erfolgen. Speicherladungen sollten möglichst während der Heizpause erfolgen. Müssen Speicher dennoch während der Morgenstunden nachgeladen werden, sollte – sofern die Trinkwasserbereitung im Vorrang betrieben wird – die Heizpause möglichst nicht mehr als eine halbe Stunde betragen. Der Speicher sollte in diesem Fall ggf. nicht ganz voll geladen werden. Hinsichtlich der geplanten Überdimensionierung von Heizwärmeerzeugern gibt es kontroverse Empfehlungen. Teilweise werden zu groß dimensionierte Kessel als nicht nachteilig angesehen, weil die Kessel geringe Bereitschaftsverluste haben und der Nutzungsgrad im Teillastbetrieb sogar steigt. Untersuchungen im Feld führten jedoch andererseits zur Empfehlung, auf eine Überdimensionierung zu verzichten. Wichtig für die Aussage ist die Art des Kessels: eine Überdimensionierung ist bei Kesseln mit Zwangsdurchlauf (Thermen) kritisch, bei Kesseln mit Naturumlauf aus Sicht der Verminderung der Kesselverluste in bestimmten Grenzen vertretbar.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1269

Bestand Für die Kesseldimensionierung gelten auch im Bestand die Regeln der Technik. Trotzdem ist in der Praxis eine deutliche Überdimensionierung von Wärmeerzeugern festzustellen. Diese kann folgende Ursachen haben: – Austausch des Kessels und Beibehaltung der vorher vorhandenen Leistung, ohne die Heizlast erneut zu bestimmen. In der alten Anlage war neben der Heizlast des Gebäudes oft eine Leistungsreserve für das Trockenheizen von etwa 20 % enthalten. – Gänzlich fehlende Berechnungen bzw. Schätzung der Kesselleistung, vor allem nach Modernisierungen. – Wahl des Kessels nach der Leistungsanforderung der Trinkwarmwasserbereitung, vor allem in kleinen und neuen Gebäuden (es handelt sich dann um eine unvermeidbare Überdimensionierung). – Abweichungen der maximalen Heizlast zwischen Theorie und Praxis. Die Abweichung beträgt nach Angaben der Literatur ±10…15 % bei der Bewertung der Gebäude nach DIN 4701 (1983), wobei in der Praxis meist geringere als die berechneten Heizlasten auftreten. Die Überdimensionierung von Heizwärmeerzeugern wird in der Literatur mit einer großen Spannbreite angegeben. Bezug ist in der Regel der theoretische Wert der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 bzw. entsprechenden Näherungen. Die Angaben schwanken zwischen 1,3- und 5-facher Überdimensionierung, wobei eine Überdimensionierung von 2,0 am häufigsten genannt wird. Zukünftig wichtig ist bei Einsatz von Gasbrennwerttechnik ein hoher zu fordernder Modulationsbereich des Brenners: so sollte die untere Modulationsgrenze möglichst unterhalb von 30…50 % der Gebäudeheizlast liegen – siehe auch Förderbedingungen von proKlima in Hannover1).

2.6.3

Auslegung und Berechnung der Rohrnetze2) 3)

2.6.3-1

Heizwasserleitungen

Die korrekte Auslegung einer Warmwasserverteilung ist eine wesentliche Grundlage für eine qualitativ hochwertige Funktion des Gesamtsystems. Nur bei geeigneter Dimensionierung der einzelnen Rohrstrecken in Verbindung mit Pumpen und Regelarmaturen wird ein kostengünstiger und dennoch komfortabler Betrieb erreicht. Über die Bedeutung eines gut ausgelegten Verteilsystems ist mehrfach in der Literatur berichtet worden.4) Während jedoch bisherige Veröffentlichungen im Zusammenhang mit der Optimierung von hydraulischen Verteilungen im wesentlichen auf das Einsparpotential der elektrischen Hilfsenergie für die Pumpe hingewiesen haben, werden inzwischen auch Ergebnisse zum Einfluss auf die Gesamtenergiekosten diskutiert.5) Im Rahmen einer Feldstudie wurden durch eine Optimierung bestehender Heizungsanlagen eine Einsparung von bis zu 20 % Heizenergie und bis zu 20 % elektrische Hilfsenergie erreicht.6) Außer der korrekten Einstellung der Kesselregelung betrafen die durchgeführten Maßnahmen dabei ausschließlich das hydraulische Verteilsystem, insbesondere die Einstellung des hydraulischen Abgleichs und die Einstellung bzw. Optimierung der Pumpe. Erklärbar sind die Einsparungen der Heizenergie im wesentlichen durch zwei Effekte. Der hydraulische Abgleich in Verbindung mit der passenden Pumpenleistung bewirken zum einen, dass die Thermostatventile genauer regeln können. Dies führt zu einer gleichmäßigen und reproduzierbaren Beheizung der Räume, so dass erhöhte Energiebedarfe durch Übertemperaturen und somit Ablüften vermieden wer1) 2) 3) 4)

5) 6)

www.proklima-hannover.de Ergänzungen für die 77. Auflage von Dipl.-Ing. Stephan Schmied, Dortmund Siehe auch Abschnitt 1.4. Kochendörfer, Ch.; Klein, B.: Großes Energiesparpotential im Verborgenen, Beispiel Rohrnetzsanierung und exakte Pumpendimensionierung. Wärmetechnik 42 (1997). Schmalfuß, H.-G.; Franz, K.: Berichte der Pumpentagungen Karlsruhe. 1988 – Sektion A7 Systemoptimierung Kreiselpumpe und Rohrnetz. 1992 – Sektion B2 Theoretische und experimentelle Systemoptimierung von Pumpe und Rohrnetz. Stannek, S.: Eine richtig einregulierte Anlage spart richtig Geld. SI (2005), Nr. 12, S. 33–34. Jagnow, K.; Wolff, D.: Technische Optimierung und Energieeinsparung. DBU-Kurzbericht, www.optimus-online.de.

2

KÖPFE recknagel-online.de

1270

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

den. Zum anderen werden nur durch eine korrekt eingestellte Verteilung die ausgelegten Temperaturdifferenzen im System erreicht, so dass die Heizgeräte deutlich besser im Bereich der gewünschten Nutzungsgrade betrieben werden. Dies gilt insbesondere für Brennwertgeräte. Aufgrund der genannten Zusammenhänge ist erkennbar, dass dem hydraulischen Verteilsystem als Verbindungsglied zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeübergabe bei der Optimierung des Gesamtsystems eine zentrale Bedeutung zukommt. Der Planer bzw. Ausführende hat eine Reihe von Möglichkeiten in die Funktionalität des Gesamtsystems einzugreifen und die Grundlage für eine energiesparende, sichere und komfortable Funktion zu legen. Grundlegend gelten die im folgenden aufgeführten Aussagen für alle gängigen Wasserverteilsysteme, d. h. Warmwasserverteilungen in Fußboden- oder Radiatorheizungen, Trinkwarmwasserzirkulation und Kaltwassersysteme in Kälteanlagen. Um die Darstellungen übersichtlich zu halten, erfolgen die Beschreibungen für Heizungsanlagen mit Radiatoren, können jedoch sinngemäß auf die übrigen Verteilsysteme übertragen werden.

2.6.3-1.1

Allgemeine Hinweise

Die Richtlinie VDI 2073 „Hydraulische Schaltungen in Heiz- und Raumlufttechnischen Anlagen“ sowie das VDMA Einheitsblatt 24199 „Regelungstechnische Anforderungen an die Hydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte-, Trinkwarmwasserund Raumlufttechnischen Anlagen“ geben Empfehlungen zu hydraulischen Schaltungen in Anlagen. Eine Berechnungsgrundlage für die energetische Bewertung von Verteilsystemen liefert die DIN V 18599, Teil 5: Heizung, Teil 7: Kaltwasser und Teil 8: Trinkwarmwasser. Auch wenn diese Norm zunächst nur für Nichtwohngebäude anzuwenden ist, ermöglicht sie im Vergleich zur DIN 4701-10 die Berücksichtigung wichtiger Einflussgrößen für die Energiebilanz. Die Auswahl der hydraulischen Schaltung und der Rohrführung wird u. a. durch bauliche Gegebenheiten und die Anforderungen an die Regeltechnik bestimmt. Darüber hinaus bieten sich dem Planer jedoch zahlreiche Freiheitsgrade bei der Detailplanung, die den Energiebedarf und die Güte der Wärmeverteilung beeinflussen. Da Schwerkraftsysteme bei der Neuplanung oder Sanierung bestehender Anlagen heute keine Bedeutung mehr haben, ist der Differenzdruck zu einer wählbaren Größe geworden, die von der Pumpe bereitgestellt wird. In einem Pumpenkreis wird auf jedem Fließweg derselbe Differenzdruck abgebaut. Damit ergibt sich aus dem Gesamtmassenstrom und dem Druckverlust des ungünstigsten Fließwegs direkt die hydraulische Leistung des jeweiligen Pumpenkreises. Folgende Randbedingungen beeinflussen die Dimensionierung der Rohrleitungen: 1. Systemvorgaben Der Massenstrom ergibt sich bei vorgegebener Wärmeleistung durch die Festlegung der Temperaturspreizung. Große Temperaturdifferenzen bedeuten einen geringen Energiebedarf für die Verteilung, benötigen allerdings große Heizflächen sowie Ventile mit kleinen kv-Werten. Bei Verbrauchern mit sehr unterschiedlichem Druckverlust – beispielsweise durch unterschiedliche Entfernungen im System – kann die hydraulische Gesamtleistung durch eine sinnvolle Aufteilung auf mehrere Pumpenkreise deutlich reduziert werden. 2. Anforderungen durch die Regelorgane Die Betriebsbedingungen der Thermostatventile sind für den Auslegungsfall und den Teillastfall zu betrachten. Um die Regelfunktion der Thermostatventile zu gewährleisten ist eine Ventilautorität von 0,3 bis 0,7 anzustreben. Das heißt im Auslegungsfall sollen 30 % bis 70 % des Differenzdrucks über dem Thermostatventil anstehen. Im Teillastfall darf der Differenzdruck über dem Thermostatventil nicht zu groß werden, um Strömungsgeräusche zu vermeiden. Hier sind die Angaben der Ventilhersteller zu beachten, die Maximalwerte von 15 kPa bis 20 kPa angeben. Bei einer angenommenen Ventilautorität von 0,5 und einem Auslegungsdifferenzdruck von 10 kPa am Thermostatventil ergeben sich somit ebenfalls 10 kPa als Nenndifferenzdruck für den Rohrnetzanteil im ungünstigsten Fließweg und eine Auslegungsförderhöhe von 20 kPa an der Pumpe.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1271

Zur Veranschaulichung werden im folgenden theoretische Teillastfälle mit vorgegebenen Volumenströmen je Verbraucher konstruiert. Welche Ventilhübe sich dazu an den Ventilen einstellen müssen, wird hier nicht betrachtet. Es gilt allgemein, dass sich der Druckabfall im Rohrnetz quadratisch zum Volumenstrom verhält, d. h. bei halbem Volumenstrom ergibt sich ein Viertel des Nenndruckabfalls, im Beispiel also 2,5 kPa. Für diesen Teillastfall sind die Zustände am Thermostatventil zu betrachten, um einen geräuscharmen Betrieb der Anlage sicherzustellen. Die Halbierung des Gesamtvolumenstroms kann durch zwei Extremfälle erzeugt werden, die in der Praxis als Mischform auftreten: Zustand 1 Alle Verbraucher reduzieren ihren Volumenstrom auf die Hälfte (gleichmäßige Teillast). Dadurch reduziert sich der Druckabfall in allen Teilstrecken auf ein Viertel. Zustand 2 Die Hälfte der Verbraucher reduzieren ihren Volumenstrom auf Null. Die übrigen Verbraucher behalten ihren Auslegungsvolumenstrom bei (ungleichmäßige Teillast). In Folge dessen reduziert sich der Druckabfall in den gemeinsamen Teilstrecken auf ein Viertel. Der Druckabfall in den Einzelzuleitungen bleibt entweder konstant (Verbraucher mit Nennvolumenstrom) oder wird Null (Verbraucher mit Volumenstrom gleich Null). Daneben gibt es Leitungen, die mehr als einen jedoch nicht alle Verbraucher versorgen. Diese können nicht pauschal betrachtet werden und bleiben hier außen vor. Den Förderdruck im Teillastfall bei unterschiedlichen Pumpenregelungen zeigt Bild 2.6.3-1. Bei ungeregelter Pumpe steigt der Förderdruck entlang der Pumpenkurve. Bei konstantdruckgeregelter Pumpe (Δp-c) wird der Förderdruck konstant gehalten. Bei Regelung mit variablem Differenzdruck (Δp-v) sinkt der Förderdruck proportional zum Volumenstrom. Zustand 1 mit gleichmäßiger Teillast ist einfach zu betrachten: Im Beispiel beträgt der Druckabfall im Rohrnetz 2,5 kPa. Der Förderdruck einer ungeregelten Pumpe würde entlang der Pumpenkurve von 20 kPa auf z. B. 30 kPa ansteigen. Der Differenzdruck an den Ventilen steigt dadurch auf 30 kPa – 2,5 kPa = 27,5 kPa. Die Einsatzgrenzen des Ventils sind überschritten. Bei einer Δp-c-geregelten Pumpe würde der Differenzdruck an den Ventilen auf 20 kPa – 2,5 kPa = 17,5 kPa ansteigen. Dies wäre je nach Ventil noch zulässig. Der Förderdruck einer Δp-v-geregeten Pumpe würde sich z. B. von 20 kPa auf 15 kPa verringern. Damit würde der Diffeerenzdruck an den Thermostatventilen nur auf 15 kPa – 2,5 kPa = 12,5 kPa ansteigen, was ein geeigneter Wert ist.

Bild 2.6.3-1. Auswirkung der Pumpenregelart auf den Differenzdruck im Vollund Teillastfall

Zustand 2 mit ungleichmäßiger Teillast erfordert eine Unterscheidung der Rohrnetztopologie. Die Extremfälle sind Topologie a) Hoher Anteil der gemeinsamen Teilstrecken am Widerstand des Rohrnetzes. Dies tritt z. B. in folgenden Netzen auf:

2

1272

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

• Parallel verlegtes Zweirohrsystem mit hohem Anteil der zentralen Hauptzuleitung, verursacht durch das Druckgefälle oder Einbauten • Indirekte Fernwärmeheizungen mit hohem Druckabfall im Wärmeübertrager • Tichelmann-Ring mit vernachlässigbar kurzen Einzelzuleitungen zu den Verbrauchern (Anwendung z. B. bei horizontaler Verteilungen mit ausgedehnten Heizkreisen in Bürogebäuden), im Weiteren stellvertretend für Topologie a), siehe Bild 2.6.3-2

Bild 2.6.3-2. Topologie a) Hoher Anteil der gemeinsamen Teilstrecken am Widerstand des Rohrnetzes, hier gezeigt: Tichelmann-Ring

Topologie b) Geringer Anteil der gemeinsamen Teilstrecken am Widerstand des Rohrnetzes. Dies tritt z. B. in folgenden Netzen auf: • Flächenheizung • Radiatoren mit Einzelzuleitungen vom Verteiler (Anwendung z. B. im Geschosswohnungsbau als Wohnungsverteiler), im Weiteren stellvertretend für Topologie b), siehe Bild 2.6.3-3

Bild 2.6.3-3. Topologie b) Geringer Anteil der gemeinsamen Teilstrecken am Widerstand des Rohrnetzes, hier gezeigt: Einzelzuleitungen vom Verteiler

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1273

Die Druckdifferenzen sind in den Tabellen 1 bis 3 gegenübergestellt. Tafel 2.6.3-1

Förderdruck und Differenzdruck über dem Thermostatventil bei Vollast für Topologie a) und b)

Regelart Pumpe

ungeregelt

Δp-c

Δp-v

Förderdruck

20 kPa

20 kPa

20 kPa

Differenzdruck an den Ventilen

10 kPa

10 kPa

10 kPa

Tafel 2.6.3-2

Förderdruck und Differenzdruck über dem Thermostatventil bei gleichmäßiger Teillast (Zustand 1) für Topologie a) und Topologie b)

Regelart Pumpe

ungeregelt

Δp-c

Δp-v

Förderdruck

30 kPa

20 kPa

15 kPa

Differenzdruck an den Ventilen

(30 – 2,5) kPa = 27,5 kPa

(20 – 2,5) kPa = 17,5 kPa

(15 – 2,5) kPa =12,5 kPa

Tafel 2.6.3-3

Förderdruck und Differenzdruck über dem Thermostatventil bei ungleichmäßiger Teillast (Zustand 2) für Topologie a) und Topologie b)

Regelart Pumpe

ungeregelt

Δp-c

Δp-v

Förderdruck

30 kPa

20 kPa

15 kPa

Topologie a)

(30 – 2,5) kPa = 27,5 kPa

(20 – 2,5) kPa = 17,5 kPa

(15 – 2,5) kPa =12,5 kPa

(30 – 10) kPa = 20 kPa (30 – 0) kPa = 30 kPa

(20 – 10)kPa = 10 kPa (20 – 0) kPa = 20 kPa

(15 – 10) kPa = 5 kPa (15 – 0) kPa = 15 kPa

Topologie b) – offene Ventile – geschlossene Ventile

Da es in Topologie a) bei ungleichmäßiger Teillast (Zustand 2) näherungsweise keine Druckverluste in den Einzelzuleitungen gibt, ist der Fall äquivalent zur gleichmäßigen Teillast (Zustand 1). Der Druckabfall im Rohrnetz beträgt im Beispiel für alle Fließwege 2,5 kPa. In Topologie b) bedeutet der Zustand 2 dagegen, dass für die Verbraucher mit Auslegungsvolumenstrom der Druckabfall im Rohrnetz beim Auslegungswert bleibt (10 kPa). An den Verbrauchern mit Volumenstrom gleich Null ist der Druckabfall im Rohrnetz gleich Null. Der Anstieg des Differenzdrucks im Teillastfall kann durch differenzdruckgeregelte Pumpen reduziert werden. Das Beispiel zeigt, dass Rohrnetze bei denen die gemeinsamen Teilstrecken einen hohen Anteil am Druckabfall haben, wie Topologie a), ideal mit der Regelungsart Δp-v kombiniert werden, während dies bei Rohrnetzen mit hohem Anteil der Einzelzuleitungen zu Unterversorgung bei ungleichmäßiger Teillast führen kann. In diesen Fällen ist Δp-c zu bevorzugen. Weitere Maßnahmen: Wenn die Überprüfung der Teillastbetriebspunkte zu hohe Differenzdrücke für die Ventile zeigt, kann der Druckabfall im Rohrnetz durch Vergrößerung der Querschnitte verringert werden. Bei ausgedehnten Rohrnetzen kann der verfügbare Druckabfall in den zentralen Leitungen erhöht werden, indem der Differenzdruck in den Strängen mit Hilfe differenzdruckgeregelter Strangventile konstant gehalten wird.

2

1274

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

3. Konstruktive und bauliche Beschränkungen Die Nennweite des Heizkörperanschlusses bzw. des Thermostatventils gibt in der Regel die Nennweite der Anschlussleitung vor. Das Platzangebot für die Rohrleitung einschließlich Dämmung beschränkt die Nennweite. 4. Hydraulische Daten der Pumpen Für Volumenströme bis etwa 2 m3/h werden einstufige Kreiselpumpen mit Förderhöhen bis maximal 7 m angeboten. Erst für größere Volumenströmen sind wirtschaftliche Pumpenlösungen auch für größere Förderhöhen verfügbar. Die niedrigste einstellbare Förderhöhe elektronischer Pumpen beträgt üblicherweise 0,5 m. Unter Beachtung der genannten Randbedingungen erfolgt die Auswahl der Nennweiten nach den beiden folgenden Kriterien: a) Strömungsgeschwindigkeit – hoch: höhere Geräusche (Komfort), mehr Kupfererosion (Lebensdauer) – niedrig: längere Aufheizzeiten durch thermische Trägheit (Wirtschaftlichkeit und Komfort), höhere Investitionskosten (Wirtschaftlichkeit), schlechtes Entlüftungsverhalten (Betrieb) → Geeignete Strömungsgeschwindigkeiten liegen in Hauptverteilleitungen bei etwa 0,3 bis 1,5 m/s, bei Fernleitungen bis 3 m/s und mehr. b) Rohrreibungsdruckgefälle – hoch: höherer Hilfsenergiebedarf der Pumpe (Betriebskosten) – niedrig: größere Rohrdurchmesser (Investitionskosten) → Minimum an elektrischer Hilfsenergie bei vertretbaren Investitionskosten (Wirtschaftlichkeit) Die VDI 2073 empfiehlt in Tabellenform die passenden Nennweiten für den gewünschten Massenstrom. Daraus resultieren Druckgefälle von 80 bis 200 Pa/m. In neuerer Literatur werden deutlich niedrigere Werte von R = 20…50 Pa/m als wirtschaftliches Rohrreibungsdruckgefälle genannt. Grundsätzlich ist jedoch für eine wirtschaftliche Dimensionierung folgendes zu beachten: Maßgeblich für den Pumpenenergiebedarf ist der ungünstigste Fließweg. Die Teilstrecken auf den günstigeren Fließwegen können so dimensioniert werden, dass der verfügbare Druck in der Rohrleitung aufgebraucht wird. Andernfalls muss er in Ventilen weggedrosselt werden, um den hydraulischen Abgleich sicherzustellen. Die wirtschaftlich optimalen Nennweiten für ein Rohrnetz sind daher keine direkte Funktion des Massenstroms. Zur Versorgung der Heizkörper von gut gedämmten Wohngebäuden sind so geringe Massenströme erforderlich, dass durch eine entsprechende Verkleinerung der Rohrnennweiten kaum noch Kostenvorteile entstehen. Daher können sehr geringe Druckverluste kostenneutral realisiert werden. Für die gesamte Heizungsanlage in einem Einfamilienhaus oder für den einzelnen Strang (mit Differenzdruckregler) in einem Mehrfamilienhaus sollten 5 kPa angestrebt werden, da dies dem kleinstmöglichen Einstellwert elektronischer Pumpen bzw. Differenzdruckregler entspricht. Bei mittelgroßen verzweigten Anlagen mit längeren Fließwegen sollte der untere Wert der empfohlenen Druckgefälle (20…50 Pa/m) für den ungünstigsten Fließweg gewählt werden. Die verfügbaren Druckgefälle für die günstigeren (kürzeren) Fließwege liegen dann höher. Bei sehr großen Anlagen sollte in einer Wirtschaftlichkeitsrechnung geprüft werden, welches Druckgefälle im ungünstigsten Strang zu einem Optimum aus Investitions- und Betriebskosten führt. Dabei ist auf der Investitionsseite das gesamte Netz inklusive Rohrdämmung sowie die notwendigen Armaturen und Pumpen zu betrachten. Die Betriebskosten können nach DIN 18599 bestimmt werden.

2.6.3-1.2

Berechnung

Nach Festlegung des Heizungssystems ist vor Beginn der Berechnung ein Strangschema anzufertigen, aus dem die Lage von Kessel, Pumpe, Heizkörpern, Rohrleitungen und Armaturen ersichtlich ist. Die einzelnen Teilstrecken vom Kessel zu den Heizkörpern und zurück werden systematisch nummeriert, Wärmeleistungen und Rohrlängen eingetragen. Eine komfortable Möglichkeit dafür bietet heute übliche TGA-Software, in der das Strangschema in der grafischen Bedienoberfläche gezeichnet werden kann. Gleichzeitig

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1275

dient das Strangschema als Eingabemaske für alle relevanten Daten und Parameter. Die Rohrnetzberechnung kann dann rechnergestützt durchgeführt werden. Bei der manuellen Berechnung von Rohrnetzen werden zunächst die Daten der einzelnen Teilstrecken aus dem Strangschema nach Bild 2.6.3-4 in ein Formblatt nach dem Muster der Tafel 2.6.3-6 übertragen. In der Praxis beginnt man die Rohrnetzberechnung mit dem längsten Fließweg. In Einzelfällen kann sich für kürzere Fließwege ein höherer Druckverlust ergeben, wenn beispielsweise die angeschlossene Leistung am längsten Fließweg gering ist. Für die Auswahl des geeigneten Rohrdurchmessers dient ein materialspezifisches Rohrreibungsdiagramm (Bild 2.6.3-5 und Bild 2.6.3-12). Als Vorgabe wird der berechnete Massenstrom (x-Achse) und eine angenommene Strömungsgeschwindigkeit (fallende Geraden) oder ein zulässiges Druckgefälle (y-Achse) eingetragen. Die dem Schnittpunkt nächstgelegene steigende Gerade gibt die Rohrbezeichnung an. Gleichzeitig lässt sich bei Vergabe der Strömungsgeschwindigkeit das Druckgefälle der Rohrleitung ablesen und umgekehrt.

2

Bild 2.6.3-4. Strangschema zur Berechnung einer Zweirohr-Pumpenheizung.

Der Druckabfall je Teilstrecke berechnet sich durch Multiplikation des ermittelten Druckgefälles mit der Rohrlänge. Der Gesamtdruckverlust ergibt sich aus Δp = (l · R) + Z. l = Rohrlänge R = Rohrreibungsdruckgefälle l·R = Druckverlust durch Rohrreibung Z = Druckverlust durch Einzelwiderstände Als wichtiges Maß für die Beurteilung des hydraulischen Systems kann aus dem Gesamtdruckverlust des ungünstigsten Rohrstranges und dem Gesamtmassenstrom die hydraulische Leistung1) P ermittelt werden. · P = V · Δp mit · · /g V =m · V = Volumenstrom ρ = Dichte des Mediums · = Gesamtmassenstrom m Δp = Druckverlust des ungünstigsten Fließweges

1)

Knabe, G., Wolff, D.: Anlagenhydraulik gewinnt an Bedeutung, Bewertungsgröße hydraulische Leistung. HLH 50 (1999), Nr. 1, S. 32–35.

1276

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.3-5. Rohrreibungs-Diagramm für nahtlose Stahlrohre – Pumpenwarmwasserheizung (Wassertemperatur 80 °C, Rauhigkeit e = 0,045 mm) Korrektur bei anderen Wassertemperaturen siehe Tafel 2.2.3-9. Beispiel: Rohr DN 50 (l. W. = 51,2 mm) Wasserstrom = 5000 kg/h Wassergeschwindigkeit 0,7 m/s Druckgefälle 100 Pa/m

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1277

·

Mit der Förderhöhe H und dem Volumenstrom V kann die Pumpe aus Katalogdaten oder Pumpenauswahlprogrammen der Hersteller ausgewählt und die elektrische Leistung im Auslegungspunkt abgelesen werden. Δp H = ---------ρ⋅g mit g = Erdbeschleunigung Zur vorläufigen Abschätzung des Gesamtdruckverlustes können zunächst die Einzelwiderstände mit 1/3 des Gesamtdruckverlustes geschätzt werden. Dazu wird in der Rechnung auf das ermittelte l·R 50 % aufgeschlagen. Sollen zusätzlich Thermostatventile im geschätzten Aufschlag berücksichtigt werden erhöht sich der Anteil auf 1/2 des Gesamtdruckverlustes (Aufschlag auf l·R 100 %). Diese Abschätzung ermöglicht zu einem frühen Berechnungszeitpunkt – die Identifikation des ungünstigsten Fließweges, – die Abschätzung der Pumpenleistung, – das Sicherstellen der Ventilautorität – sowie das Einhalten des maximal zulässigen Differenzdrucks an den Thermostatventilen (20 kPa). Ggf. kann die Abschätzung mit geänderten Annahmen für die Fließgeschwindigkeit oder das Druckgefälle wiederholt werden. Beispiel: Heizleistung 50 kW, Wassertemperatur 60/50 °C, längster Stromkreis l = 150 m, Druckgefälle R = 200 Pa/m. Daraus ergibt sich der Volumenstrom zu 3

3

P kg ⋅ K 1 m m · V = ------------------------ = 50 kW · -------------------- · ----------- · ------------------ = 4,31 ------- . h c p ⋅ ΔT ⋅ ρ 1,16 Wh 10 K 1000 kg Man nimmt für die Einzelwiderstände zunächst 1/3 des Gesamtverlustes (l · R) + Z an. l · R = 150 m · 200 Pa/m = 30000 Pa = 2/3 Δp Z = 0,5 l · R = 15000 Pa = 1/3 Δp Pumpendruck: 30000 Pa + 15000 Pa = 45000 Pa  H ≈ 4,5 m Hydraulische Leistung: 3

m h N 1 W⋅s · P = V · Δp = 4,32 ------- · 45000 Pa · --------------- · ------2- · ------ · ------------- = 54 W. h 3600 s m Pa N ⋅ m Die übrigen Rohrstränge werden in der Weise berechnet, dass man zunächst das zur Verfügung stehende Druckgefälle R ermittelt und danach die Rohre nach Tafel 2.2.3-9 dimensioniert. Überschüssige Drücke werden durch kleinere Rohrdimensionen oder durch Voreinstellung der Heizkörperventile weggedrosselt. 2 Δp R = -- · ------3 l mit: Δp = Druckverlust im ungüstigsten Fließweg R = verfügbares Druckgefälle Eine genauere Berechnung des Differenzdruckes an Einzelwiderständen ergibt sich mit Hilfe der ξ-Werte zu Z=

ρ 2  ξ · --2- · w .

Bei ausgedehnten Anlagen stehen die in der Nähe der Pumpe liegenden Steigstränge unter einer starken Druckdifferenz, die durch enge Bemessung der Rohrleitungen oder durch Drosselstellen aufgebraucht werden muss. Diesen Nachteil vermeidet die Rohrführung nach Tichelmann, bei der die Summe der Längen der Vorlauf- und Rücklaufleitung an jeder Stelle annähernd gleich groß ist, siehe Bild 2.6.3-6, Rohrnetz jedoch teurer.

2

1278

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Die Zahlenwerte des Diagrammes Bild 2.6.3-5 sind für Warmwasser bei 80 °C gültig. Korrektur für andere Temperatur siehe Tafel 2.2.3-9. Für Druckverluste in Kupferrohrleitungen siehe Diagramm Bild 2.6.3-12 und Tafel 2.2.3-19.

Bild 2.6.3-6. Rohrnetz mit gleichen Vorlauf- und Rücklaufleitungslängen (Tichelmann’sche Rohrführung).

2.6.3-1.3

Beispiele

Nachstehend drei Beispiele für Einrohr- und Zweirohrheizungen. Bei der Berechnung der Einzelwiderstände ist dabei die gleichwertige Rohrlänge lgl benutzt, die eine besonders sinnfällige Darstellung erlaubt. 1. Beispiel: Senkrechte Einrohrheizung mit Nebenschluss der Heizkörper. Rohrplan nach Bild 2.6.3-7. · Heizleistung Q HK = 12,5 kW. Temperaturabfall insgesamt Δt = 70 – 60 = 10 K, Temperaturspreizung in Heizkörpern gleichmäßig Δtx = 2 K. Die einzelnen Heizkörper sind mit Vorlauf und Rücklauf an denselben Rohrstrang angeschlossen. Am Verzweigungspunkt A verteilt sich der Heizwasserstrom auf die Kurzschlussstrecke K und die Heizkörperstrecke H. Der Druckverlust über beide Strecken muss gleich groß sein: ρ ρ ΔpK = ΔpH oder ζK · --- w2K = ζH · --- w2H 2 2 2

w ζ Daraus folgt -----H- = ------K2 ζK wH

und

· ⁄ρ m w = ------------------------2 (π ⋅ D ) ⁄ 4

Ferner folgt wenn man setzt: ε = ζ / ζK · · m m d H H  --------· - = ---------------· –m · - =  D ⁄ ε m m K

H

ζ = Summe der Widerstandsbeiwerte je Strecke w = Geschwindigkeit in m/s D = Rohrdurchmesser Strang · = Wasserstrom d = Rohrdurchmesser Abzweig HK m Diese Gleichung ist in Bild 2.6.3-8 dargestellt. Die Schwierigkeit bei der Berechnung der Rohre liegt in der richtigen Aufteilung der Wasserströme an den Verzweigungspunkten. Je größer der Druckverlust in der Heizkörperstrecke ist, desto geringer sind der Wasserstrom und die mittlere Heizkörpertemperatur.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1279

Bild 2.6.3-7. Strangschema zur Berechnung einer Einrohr-Pumpenheizung.

2

Bild 2.6.3-8. Anteiliger Heizwasserstrom durch die Heizkörper.

In dem Bild 2.6.3-7 sind 5 gleich große Heizkörper von je 2500 W an die Rohrleitung angeschlossen, die einen gleichbleibenden Strangdurchmesser D hat. · = 5 · 2500 = 12500 W Heizleistung insgesamt Q HK = 70 °C Vorlauftemperatur tv = 60 °C. Rücklauftemperatur tr Spreizung Netz Δt = tv – tr = 10 K Q· HK · 12 ,500 - = --------------------------------Wasserstrom V = ------------------- = 0,0003 m3/s c ⋅ ρ ⋅ Δt 4 ,2 ⋅ 1000 ⋅ 10 Vorläufiger Strangdurchmesser D = 20 mm = 0,02 m V· 0 ,0003 Geschwindigkeit w = -------------------------- = -------------------------------- = 0,95 m/s 2 2 (π ⋅ D ) ⁄ 4 ( π ⋅ 0 ,02 ) ⁄ 4 Durch geeignete Wahl der Durchmesser und der Widerstände kann man erreichen, dass alle Heizkörper etwa gleiche Größe erhalten. Zusätzliche Druckverluste im Heizkörper werden durch die Voreinstellung der Ventile, im Kurzschlussstrang durch Drosselscheiben oder Einschnürung bewirkt. Bei der Nachrechnung sind die Widerstandsbeiwerte ζH und ζK genauer festzustellen, wodurch sich eventuell Änderungen der Wasserströme und Temperaturen ergeben. · durch entsprechende Wahl Im Beispiel nach Tafel 2.6.3-4 wurde der Wasserstrom m H von d und ε in Strömungsrichtung ständig angehoben, um die mittlere Heizkörpertemperatur tm nicht zu stark absinken zu lassen. Das ermöglicht nahezu gleich große Heizkörper im System.

1280

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.3-4

Berechnung der Einrohrheizung nach Bild 2.6.3-7

Heizkörper Heizleistung Strangdurchmesser Heizkörperanschluss Gewählt:

Vorlauftemperatur Mitteltemperatur · a) ΔtK = QHK / (c · m· ) b) tm = tv – 0,5 · ΔtH

· QHK D d d/D ε = ζH / ζK m·H / m·K m·H m·H ΔtH ΔtK a) tv am HK tm b)

W mm mm – – – kg/h kg/s °C °C °C °C

1

2

3

4

5

2500 20 15 0,75 15 0,15 137 0,038 15,6 2 70 62,2

2500 20 15 0,75 10 0,18 163 0,045 13,1 2 68 61,4

2500 20 15 0,75 5 0,25 217 0,060 9,9 2 66 61,1

2500 20 20 1 10 0,32 259 0,075 8,3 2 64 59,9

2500 20 20 1 5 0,45 334 0,093 6,4 2 62 58,8

a) 2. Beispiel: Waagerechte Einrohrheizung Die Heizkörper sind im Nebenschluss zum Hauptstrang angeordnet, so dass die Vorlauftemperatur von Heizkörper zu Heizkörper absinkt. Zur Berechnung ist hier das Verfahren von Reichow1) benutzt. Das Verhältnis der Durchmesser d für Heizkörperanschluss und D für Hauptstrang (Kurzschlussstrecke) ist dabei (Bild 2.6.3-9): 4 ε d- = --------------------------D Δ tH n --------- – 1 Δt

ε n ΔtH Δt tv tr

= Verhältnis der Widerstandsbeiwerte ζ der Stromwege durch Heizkörper und Hauptstrang · · = Q HK / Q HK = Verhältnis der Wärmeleistungen = Wasserabkühlung im Heizkörper in K = tv – tr = Wasserabkühlung (Spreizung) im Netz = Vorlauftemperatur in °C = Rücklauftemperatur in °C

Bild 2.6.3-9. Rohrstrecke der Einrohrheizung.

Gleichung ist in Bild 2.6.3-10 dargestellt. Es empfiehlt sich, zunächst ε = 10 einzusetzen, entsprechend etwa einer ungedrosselten Kurzschlussstrecke. Nachstehend ein Zahlenbeispiel: Rohrplan Bild 2.6.3-11 mit Kupferrohren. Zahl der Heizkörper = 6. Strangheizleistung = 15 kW. Δt = tv – tr = 10 °C. Wasserstrom Σ = 15000 / (4200 · 10) = 0,357 kg/s = 1286 kg/h. Strangdurchmesser gewählt aus Tafel 2.2.3-19 und Bild 2.6.3-12: D = 22 · 1 mm. R = 700 Pa/m, wobei w = 1,18 m/s.

1)

Reichow, W.: Die waagerechte Einrohrheizung. 1964; Wellsand, R.: IKZ (1970), Nr. 19, S. 20–28; Möker, M.: HLH (1977), Nr. 1, S. 27–34; Roos, H.; Zaitschek, O.: HLH (1979), Nr. 6, S. 201–210.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1281

HK Nr.

· Q HK W

ΔtH K

mH kg/h

n –

Δt H --------Δt

ε –

d/D –

D mm

d mm

1 2 3 4 5 6

1160 2300 2300 2300 2300 4640

10 10 10 10 10 20

100 197 197 197 197 200

12,9 6,5 6,5 6,5 6,5 3,2

1 1 1 1 1 2

10 10 10 10 10 10

0,52 0,76 0,76 0,76 0,76 0,76

22 · 1,2 22 · 1,2 22 · 1,2 22 · 1,2 22 · 1,2 22 · 1,2

12 · 1 18 · 1 18 · 1 18 · 1 18 · 1 18 · 1

·

Q HK = 15000

2

Bild 2.6.3-10. Durchmesserverhältnis d / D (Heizkörperanschluss/Hauptstrang) bei Einrohrheizung nach Reichow.

Bild 2.6.3-11 Strangschema zur Berechnung einer waagerechten Einrohrheizung, Kesselleistung 15 kW.

Tafel 2.6.3-5

Auslegung und Berechnung der Rohrnetze Heizkörper

HK Nr.

ΔϑH K

tv °C

tr °C

tm °C

1 2 3 4 5 6

0,8 1,5 1,5 1,5 1,5 3,0

90 89,2 87,7 86,2 84,7 83,2

80 79,2 77,7 76,2 74,7 63,2

85 84,2 82,7 81,2 79,7 73,2

9,8 ≈ 10 °C Heizkörperbemessung. Die Abkühlung des Wassers im Hauptstrang ist jeweils · m H ΔϑH = ------· (tv – tr) m

1282

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Daraus ergeben sich die Eintrittstemperatur des Wassers für den folgenden Heizkörper und die mittleren Heizkörpertemperaturen tm.

Bild 2.6.3-12. Rohrreibungs-Diagramm für Kupferrohre (Wassertemperatur 80 °C, Rauhigkeit ε = 0,0015 mm). *) Beispiel: Kupferrohr 35·× 1,5 Wasserstrom m = 2000 kg/h Wassergeschwindigkeit 0,7 m/s Druckgefälle 150 Pa/m *)

Deutsches Kupfer-Institut: Kupferrohre in der Heizungstechnik. 1985.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1283

3. Beispiel: Zweirohrheizung. Rohrplan Bild 2.6.3-4 mit Stahlrohr. Kesselleistung 42 kW; Wassertemperatur 70/60 °C. · = 42000 / (4200 · 10) = 1 kg/s = 3600 kg/h. Wasserstrom m Längster Rohrstrang I mit l = 75 m. Mittleres Gefälle gewählt mit R = 50 Pa/m. Werte für R nach Tafel 2.2.3-9. Gleichwertige Rohrlängen aus Tafel 2.2.3-13. Einzelwiderstände T.-Str. 1: Kessel ζ = 2,5 2 Bogen 1,0 T.-Str. 2:

2 T-Stücke 2 Bogen

3,5 mit w = 0,45 m/s 0 1,0

l gl = 3,5 · 2,23 = 7,8

T.-Str. 3:

1 Ventil 3 Bogen 2 T-Stücke

1,0 mit w = 0,49 m/s 2,5 1,5 0

l gl = 1,0 · 1,75 = 1,75

4,0 mit w = 0,33 m/s

l gl = 4 · 1,36 = 5,45 usw.

siehe Tafel 2.2.3-13. Druckverlust des Thermostatventils für HK 1 bei der Ventilautorität Pv = Δpv / (Δpv + Δpn) = 0,5, wobei Δpn = anteiliger Netzdruck TS. 3 bis 8 = 1778 Pa: Δpv = 1 · Δpn = 1778 Pa. Bei größeren Anlagen wird vorausgesetzt, dass der Differenzdruck (hier über Strang I) über den Einzelsträngen näherungsweise im Betrieb konstant bleibt. Ggf. Einsatz von Differenzdruckreglern. · m 0 ,300 Ventilkenngröße kv = ------------- = ----------------------- = 2,24 m3/h. Δp v 0 ,01778 Für den Heizkörper 3 steht der Differenzdruck der Strecken 4 bis 7 zur Verfügung: 741 Pa. Dieser Druck darf durch die Anschlussverbindungen 12 und 13 aufgebraucht werden. Der überschüssige Druck (487 Pa) ist durch die Voreinstellung der Ventile oder durch Rücklaufverschraubungen abzudrosseln. Berechnung Strang II + III: Bei gleicher Ausführung sind für Strang II der Druckverlust der TS. 3 und 8 in Höhe von R · lges = 1037 Pa und für Strang III die Druckverluste der TS. 2, 3, 8 u. 9 in Höhe von R · lges = 1982 Pa durch Strangventile abzudrosseln. Pumpendruck: Δp = 5677 + 1778 = 7455 Pa. · V ⋅ Δp 0 ,001 ⋅ 7455 Pumpenleistung: P = --------------- = ----------------------------- = 25 W. η 0 ,3 Pumpenwahl aus Katalog der Hersteller mit H ≈ 7455 Pa (7,455 kPa) und 3600 kg/h.

2

1284

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.3-6

Formblatt zur Rohrnetzberechnung

Aus dem Rohrplan

TS.

Wärmeleistung · Q

Berechnung

Wasserstrom

Rohrlänge

m·

l

Rohrdurchmesser d

GeDruckschwin- gefälle digkeit w R

Σζ

Gleichw. Gesamt länge R·l Rohrges länge lges lgl

Nr.

W

kg/h

m

DN

m/s

Pa/m

–

m

m

Pa

1 2+9 3+8 4+7 5+6 10 11

42000 28000 14000 7000 3500 42000 42000

3600 2400 1200 600 300 3600 3600

15 10 15 8 2 20 5

50 40 32 25 20 50 50

0,45 0,49 0,33 0,29 0,23 0,45 0,45

45 70 40 45 42 45 45

3,5 2,0 8,0 3,0 6,0 3,0 5,0

7,8 3,5 10,9 2,8 4,1 6,7 11,1

22,8 13,5 25,9 10,8 6,1 26,7 16,1

1026 945 1037 487 254 1201 726

46,9

121,9

5677

4,1

6,1

254

75 Heizkörper 3 12+ 13

3500

2.6.3-2

300

2

20

0,23

42

6,0

Dampf- und Kondensatleitungen1) 2)

Entsprechend den allg. Berechnung von Rohrleitungssystemen für Fluide errechnen sich die Leitungsquerschnitte von Dampf- und Kondensatsystemen nach identischen Grundlagen. Bei Wasserdampf, und hier vor allem bei gesättigtem Wasserdampf, ist der Veränderung des Aggregatzustandes u. a. durch Wärmeverluste während des Transportweges, Rechnung zu tragen. Gleiches gilt für Kondensatleitungen hinter Entwässerungsstellen, über die heißes Kondensat höheren Druckes in ein System geringeren Druckes bzw. geringerer Verdampfungstemperatur abzuleiten ist. Durch Entspannungsdampfbildung entsteht eine Zweiphasenströmung, die es gilt beim Design des Rohrnetzes zu berücksichtigen.

2.6.3-2.1

Grundlagen

Der Druckabfall in einer Rohrleitung ergibt sich aus den Einzelverlusten aller Rohrleitungsteile wie Rohre, Formstück und Armaturen, aus dem Einfluss der geodätischen Höhe und aus Querschnittsänderungen. Bei Gasen ist noch die Volumenänderung durch Expansion zu beachten. Sie kann aber vernachlässigt werden, sofern der Druckabfall nur einige Prozent des absoluten Druckes beträgt. Unter dieser Voraussetzung sind die Berechnungen der Druckverluste für Flüssigkeiten und Gase gleich. Es gilt ganz allgemein 2

ρ⋅w Δp = C -------------2

l Mit C = λ ⋅ --- wird der Druckverlust aus der Wandreibung für Rohre d 2

l ρ⋅w Δp = λ ⋅ --- ⋅ -------------2 d

Bei Armaturen und Formstücken gilt mit C = ζ die Beziehung 2

ρ⋅w Δp = ζ ⋅ -------------2

1) 2)

Gestra Wegweiser. Aktualisierte Auflage, 2006. Energietechnische Arbeitsmappe. 14. Auflage, VDI, 1995.

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1285

In einer anderen gebräuchlichen Schreibweise wird der Proportionalitätsfaktor C durch ζ ⋅ a ersetzt – mit a als dem sogenannten Körperfaktor. Daraus ergibt sich 2

ρ⋅w Δp = ζ ⋅ a ⋅ -------------2

Mit a = l / d wird für Rohre 2

l ρ⋅w Δp = ζ ⋅ --- ⋅ -------------2 d Bei Armaturen und Formstücken ist a = 1; folglich gilt 2

ρ⋅w Δp = ζ ⋅ -------------2 Der ζ-Wert entspricht dem λ-Wert und die Gleichungen sind identisch. Die dimensionslose Reynold’sche Zahl Re ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu Zähigkeitskräften. Sie gibt Auskunft über die Art der vorliegenden Strömung. Eine Strömung verläuft laminar bei Re < 2000, unter Umständen turbulent bei Re ≤ 2000 und meist turbulent ab Re < 2300 in technichen Rohrleitungen. ⋅ d- w = kennzeichnende Geschwindigkeit Re = w ---------v ρ ⋅ w ⋅ dRe = -----------------η

d = typische Längenbemessung

⋅ ρ ⋅ V·Re = 4-----------------π⋅η⋅d

υ = kinematische Zähigkeit

η mit ν = --- ; ρ

γ ρ = -; g

V· w = ---- ; A

2

⋅ π-----------A = d 4

Der durch Reibung in einem Rohr entstehende Druckverlust Δp ist proportional der spezifischen Rohrlänge l / d und proportional dem Staudruck der Strömung ρ · w2. Als Proportionalistätsfaktor wird die Rohrreibungszahl λ eingeführt. 2

l ρ⋅w Δp = λ ⋅ --- ⋅ -------------2 d Die Rohrreibungszahl λ ist eine Funktion der Reynold’schen Zahl Re und wird in bestimmten Bereichen auch von der Rohrrauhigkeit beeinflusst. Im laminaren Bereich ist λ allein von Re abhängig; der Einfluss der Rauhigkeit kann vernachlässigt werden. Bei turbulenter Strömung unterscheidet man hydraulisch glatte Rohre, hydraulisch rauhe Rohre und einen Übergangsbereich. Dabei ist für hydraulisch glatte Rohre λ nur von Re abhängig. Das hydraulisch vollständig rauhe Rohr unterliegt allein dem Einfluss der Rauhigkeit. Im Übergangsbereich wird der λ-Wert sowohl von Re als auch von der Rauhigkeit beeinflusst. 2 ρw Der Druckverlust Δp in Armaturen und Formstücken ist proportional dem Staudruck ---------- . 2 Als Proportionalitätsfaktor wird der Widerstandswert ζ eingeführt. 2

ρ⋅w Δp = ζ ⋅ -------------2 Bei mehreren Einzelwiderständen gleicher Nennweite wird der Druckverlust Δp =

ρ⋅w

2

 ζ ⋅ ------------2

Der Widerstandswert ζ wird durch Versuch ermittelt und ist aus Tabellen oder Diagrammen zu entnehmen. Er ist – soweit nichts anderes vermerkt – stets auf die An-

2

1286

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

schlussnennweite der Armatur bzw. bei Muffenanschluss auf die anzuschließende Rohrnennweite zu beziehen. Man kann den durch Rohrleitungsteile, wie Armaturen und Formstücke, gegebenen Strömungswiderstand rechnerisch durch gleichwertige Rohrlänge ersetzen. Aus dem vorgenannten Gleichungen 2

für Armaturen

ρ⋅w Δp = ζ ⋅ -------------2

für Rohre

l ρ⋅w Δp 2 = λ ⋅ --- ⋅ -------------2 d

2

wird für Δ p1 = Δ p2 l ζ ζ = λ ⋅ --- und daraus l = --- ⋅ d d λ Mit dieser gleichwertigen Rohrlänge l zuzüglich der tatsächlich gegebenen Rohrlänge wird der Druckverlust der gesamten Rohrleitung in einem Gang berechnet. Durch Führung einer Rohrleitung nach oben oder unten (Geodätische Höhe, Niveauhöhe) verändert man die potentielle Energie des Durchflussstoffes. Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie (Bernoullische Gleichung) ändert sich demzufolge der Druck. Man kann also durch geeignete Leitungsführung z. B. den Arbeitsdruck für einen Kondensatableiter beeinflussen. Durch Querschnittsänderungen wird die kinetische Energie und damit nach Bernoulli auch der Druck verändert. Hat eine Rohrleitung verschiedene Durchmesser, dann werden die Druckverluste aus der Wandreibung für jeden Querschnitt und die zugehörige Rohrlänge getrennt berechnet. Außerdem werden die Druckveränderungen in den Querschnittsübergängen ermittelt. Aus der erstgenannten Gleichung erhält man mit SI-Einheiten den Druckverlust Δp in der SI-Einheit Pascal (PA). Für Umrechnungen auf die Einheit Bar: 1 bar = 105 Pa 2 ρ⋅w Δp = C ⋅ -------------- in Pa 2 mit 2 C = Widerstandszahl, dimensionslos C ρ⋅w Δp = -------5- ⋅ -------------- in bar ρ = Dichte in kg/m3 2 10 w = Geschwindigkeit in m/s Rohrreibungswiderstände werden mitunter noch als Widerstandshöhen Hv in m (Druckhöhenverluste) angegeben. Mit der Fallbeschleunigung g in m/s2 ergibt sich 2

w H v = C --------2⋅g

in m

Δp = H v ⋅ ρ ⋅ g

in Pa

ρ⋅g Δp = H v ⋅ ---------510

in bar

2.6.3-2.2

Druckabfall in Dampfleitungen

Allgemein: Δp = C · ρ / 2 · w2 [Pa]

Armaturen und Formstücke: C = ζ Rohre: C = (λ · l) / d

Für die Bestimmung der Rohrreibung gilt die allgemeine Gleichung Δp = λ · (lges / d) · (ρ · w2) / 2

(siehe Abschnitt 2.6.3-2.1)

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1287

Richtungsänderungen sowie Querschnittsveränderungen als auch Armaturen und Einbauten in dampfdurchströmten Rohrleitungen bewirken gegenüber einer geraden Rohrleitungsführung zusätzliche Druckverluste. Sie können durch den Widerstandsbeiwert ζ berücksichtigt werden. Δp = (ζ · ρ / 2 w2) [Pa]

(siehe Abschnitt 2.6.3-2.1)

Für die gegebene Rohrleitungsteile der gleichen Nennweite werden aus Bild 2.6.3-13 die Widerstandszahl C ermittelt. Bei mehreren Einbauten addieren sich die einzelnen Widerstandszahlen. Mit der Summe aller Einzelwerte C und den Betriebsdaten erhält man aus Bild 2.6.3-14 den gesamten Druckabfall.

2

Bild 2.6.3-13. Widerstandszahlen C abhängig von den Nennweiten verschiedener Rohrleitungen, Armaturen und Formstücke.

1288

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.3-14. Druckverluste durch Einzelwiderstände in dampfdurchströmten Rohren.

2.6.3-2.3 2.6.3-2.3.1

Nennweitenbestimmung Dampfleitungen

Gegeben sind meistens der Durchfluss und die zugrunde liegenden Dampfparameter sowie ein zulässiger Druckabfall, der sich aus dem Anfangsdruck p1 (Dampferzeugerdruck oder Druck am Dampfverteiler) und dem Enddruck p2, dessen Höhe durch den Verwendungszweck festgelegt ist, ergibt. Gesucht wird der erforderliche Rohrdurchmesser. Die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Rohrdurchmesser hängt vom Dampfzustand (Temperatur, Druck) ab. Für den ersten Rechenansatz kann der Durchmesser unter Annahme einer Geschwindigkeit aus dem Durchfluss berechnet werden (Bild 2.6.3-15): Die Geschwindigkeit von Dampf durchströmten Rohren errechnet sich aus folgender Beziehung: · · m 4⋅m - = -------------------w = ---------2 ρ⋅A ρ⋅π⋅d Anmerkung: Bei Dampf ist analog zu Gasen die Volumenänderung durch Expansion zu beachten. Sie kann vernachlässigt werden, wenn der Druckabfall nur wenige Prozent beträgt (Praxiswert maximal 5 %) Bezeichnungen: w = mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s ρ = Dichte des Dampfes in kg/m3 A = Querschnittsfläche des Rohres in m2 d = lichter Rohrdurchmesser in m · = Massenstrom in kg/s m

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1289

2

Bild 2.6.3-15 . Strömungsgeschwindigkeit in Dampfleitungen · abhängig von Nennweite DN, Dampftemperatur t, Dampfdruck p, Dampf-Massenstrom M D.

1290

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten: – Brüden- und Abdampfleitungen, Entspannungsdampf in Kondensatleitungen 15–25 m/s – Sattdampfleitungen 15–40 m/s – Heißdampfleitungen kleinerer Leistung ca. 35 m/s – Heißdampfleitungen mittlerer Leistung 40–50 m/s – Heißdampfleitungen großer Leistung 50–65 m/s Im zweiten Rechengang wird mit dem ermittelten Daten für Rohrdurchmesser und Strömungsgeschwindigkeit der Druckverlust bzw. der Durchfluss (siehe oben) überprüft. Gegebenenfalls wird mit korrigiertem Durchmesser ein zweites Mal gerechnet. 2.6.3-2.3.2

Kondensatleitungen

In dampfbeheizten Wärmeübertragern wird dem Heizdampf die Verdampfungswärme und ggf. die Überhitzungswärme entzogen. Aus dem Kondensatanfall und weiteren Betriebsdaten ergeben sich die Größe des Kondensatableiters, der zu erwartenden Entspannungsdampfmenge sowie die Nennweite der Kondensatleitung, die durchaus nicht immer der Nennweite des Kondensatableiters entsprechen muss. Der hinter der Entwässerungsarmatur anfallende Entspannungsdampf ist bei der Bemessung der Kondensatleitung zu berücksichtigen. 2.6.3-2.3.3

Berechnung des Entspannungsdampfes

Das in einem Wärmeaustauscher anfallende Kondensat hat die zum vorliegenden Druck gehörende Siedetemperatur. Im Wärmeaustauscher wird aber außer der Verdampfungswärme zwangsläufig auch ein Teil der Flüssigkeitswärme ausgenutzt und dadurch eine Temperaturabsenkung des Kondensates erreicht, die einige Kelvin betragen kann. Eine weitere, wenn auch geringfügige Temperaturabsenkung ergibt sich durch die Wärmeverluste in der zum Kondensatableiter führenden Rohrleitung. Bei Überschlagsrechnungen sollte man jedoch davon ausgehen, dass das Kondensat den Kondensatableiter mit Siedetemperatur erreicht. Dann ist allein die dem Arbeitsdruck (Druck vor abzüglich Druck hinter dem Ableiter) entsprechende Enthalpiedifferenz (freiwerdende Flüssigkeitswärme) maßgebend dafür, wie viel Entspannungsdampf je kg Kondensat entsteht (siehe Bild 2.6.3-16). Für die Berechnungen gilt: 1 – h′ 2 · = M · h′ -------------------M D r2

·

M· D M h´1, h´2 r2 2.6.3-2.3.4

= Entspannungsdampfstrom in kg/h = Kondensatstrom in kg/h = Wärmeinhalt des Kondensates in kJ/kg = Verdampfungswärme in kJ/kg Kondensatleitungsnennweiten

Für die Rohrleitung zwischen Wärmeübertrager und Kondensatleitung wird normalerweise die Nennweite des Kondensatableiters gewählt. Bei der weiterführenden Kondensatleitung ist die Nachverdampfung in die Betrachtung mit einzubinden (Zweiphasen-Strömung). Fällt das Kondensat mit großer Unterkühlung an, und ist der Arbeitsdruck des Kondensatableiters (pvo – phinter) entsprechend niedrig, entsteht wenig bis kein Entspannungsdampf. Bei den üblichen Arbeitsdrücken und entsprechenden Enthalpiedifferenzen ist die Nachverdampfung bezogen auf das Volumen unter Umständen sehr groß, der verbleibende Kondensatrom dagegen vernachlässigbar klein. Beispiel (siehe Bild 2.6.3-16) · = 150 kg/h Kondensatstrom: m K Überdruck vor dem Kondensatableiter: p = 5 bar Überdruck hinter dem Kondensatableiter: p = 1 bar (ca. 120 °C) Nachverdampfung in kg / kg: = 0,075 kg/kg · = 150 kg/h · 0,075 kg/kg = 11,25 kg/h Entspannungsdampf: m · E · · υ" [m3/h] Volumenstrom Entspannungsdampf: V=m Spezifisches Volumen Dampf υ" bei 1 bar(ü) ~ 1,6719 m3/kg (aus Sattdampftafel)

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

1291

2

Bild 2.6.3-16. Entspannungsdampfdiagramm, Nachverdampfung bei der Entspannung von Siedekondensat.

·

V E= 11,25 kg/h · 1,6719 m3/kg · V E ≈ 19 m3/h Das vorhandene Wasservolumen beträgt: (150 – 11,25) kg/h · 0,001043 m3/kg · V K ≈ 0,145 m3/h Alleine das Volumen des Entspannungsdampfes beeinflusst dann den Leitungsquerschnitt. Sind die Kondensatleitungen im Durchmesser zu klein, entstehen hohe Strömungsgeschwindigkeiten die zu Verschleiß und Beschädigungen im Kondensatnetz führen. Zur genauen Dimensionierung des Leistungsquerschnittes greift man auf eine Zwei-Phasen-Berechnung zurück. Für die Praxis kann der Durchmesser näherungsweise aus Tafel 2.6.3-7 entnommen werden. Für die näherungsweise Berechnung gelten folgende Prämissen: 1. Es wird nur mit der Entspannungsdampfmenge gerechnet 2. Es wird mit 15 m/s Entspannungsdampfgeschwindigkeit gerechnet 3. Für Leitungslängen bis ca. 100 m hinreichend genau. Somit errechnet sich ein Volumen von

1292

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Tafel 2.6.3-7

Dimensionierung der Kondensatleitungen nach dem Kondensatableiter

2.6.3 Auslegung und Berechnung der Rohrnetze

2.6.3-3

1293

Gasleitungen1)

Der übliche Druck in den städtischen Gasversorgungsleitungen beträgt im Niederdrucknetz bis 100 mbar, im Mitteldrucknetz 100 bis 1000 mbar. Der Anschlussdruck (Fließdruck) bei den Verbrauchern soll für Betrieb mit Stadtgas mindestens 7,5 mbar, mit Erdgas mindestens 18 mbar betragen. Der zulässige Druckabfall in einer Gasleitung richtet sich nach dem Druck am Anfang der Leitung und dem an Verbrauchsgerät geförderten Druck. Er wird berechnet nach der allgemeinen Druckverlustgleichung. l ρ ρ Δp = λ · --- ⋅ --- · w2 + ζ · --- · w2 = (R · l) + Z in Pa. d 2 2 Der erste Summand stellt den Rohrreibungswiderstand, der zweite den durch Einzelwiderstände wie Ventile, Bogen usw. verursachten Druckverlust dar. ζ-Werte in Tafel 2.2.3-10 und TRGI 1986. Berechnungsgrundlage für das Druckgefälle R in geraden Rohrstrecken ist λ ρ · R = --- ⋅ --- · w2 = 62,5 · 106 · λ · ρ · V 2 / d 5 in Pa/m d 2

·

Volumenstrom V in m3/h, d in mm. Diese Gleichung ist in Bild 2.6.3-17 dargestellt, wobei zugrunde gelegt sind: Erdgas mit der Dichte ρ = 0,8 kg/m3 Rohre nach DIN EN 10255:2004-08: Schwere Gewinderohre Rauhigkeit der Rohre ε = 0,5 mm. Für Stadt- und Ferngas ist das Druckgefälle ca. 15 % geringer.

Bild 2.6.3-17. Druckgefälle R für Erdgas bei Rohren nach DIN EN 10255:2005-08 – Rauhigkeit

ε = 0,5 mm.

Die Rechnung geht in der Weise vor sich, dass aus dem Rohrplan zunächst der ungünstigste, d. h. der am weitesten entfernte Verbraucher ermittelt wird. Darauf werden die einzelnen Teilstrecken numeriert und die vorläufigen Durchmesser mit Geschwindigkeiten von 2…3 m/s angenommen. Dann folgt die Berechnung der genauen Druckverluste 1)

Stobäus, K.-H.: HLH (1974), Nr. 2, S. 51–54 (Kupferrohre). Beedgen, O.: Öl+Gasfeuerung (1978), Nr. 2, S. 93–98; SBZ (1978), Nr. 9, 4 S.; TAB (1980), Nr. 10, S. 871–876.

2

1294

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

(R · l + Z) der einzelnen Strecken. Übersteigt die Summe den zulässigen Wert, sind einzelne Durchmesser entsprechend zu ändern. Beispiel: Es sind die Rohrdurchmesser der Gasleitungen einer Heizungsanlage mit Gasraumheizern nach Bild 2.6.3-18 zu ermitteln. Rohre nach DIN EN 10255. Zulässiger Druckverlust von der Anschlussstelle bis zum Heizgerät einschl. Gaszähler 280 Pa.

Bild 2.6.3-18. Gaszentralheizung mit Gasraumheizung.

Da der errechnete Druckverlust geringer ist als der verfügbare Druck von 280 Pa, ist der Strang also ausreichend bemessen. Die übrigen Stränge sind in derselben Weise zu berechnen. Berechnung s. auch TRGI 19861) sowie das Arbeitsblatt des DVGW für Hauptgasleitungen G 464 (11. 83). Volumenströme (Belastungswerte) der verschiedenen Gasverbraucher siehe DVGW-Merkblatt G 661 (zurückgezogen). Nicht berücksichtigt ist, dass der Druckverlust in Steigleitungen durch den Druckgewinn infolge des Auftriebs zum Teil kompensiert wird. Auftrieb bei Erdgas: ΔpA = 4 · h in Pa (h = Höhenunterschied in m) Auftrieb bei Stadtgas: ΔpA = 5,8 · h in Pa. Ausführung der Anlagen nur durch konzessionierte Installationsfirmen. KÖPFE recknagel-online.de

2.6.4

Auslegung der Raumheizeinrichtungen2)

Grundlage für die Bemessung der Heizflächen ist der nach den geltenden Normen bestimmte Leistungsbedarf, seit 2004 die Raumheizlast ΦHL nach DIN EN 12831.3) Die Berechnung der Raumheizlast nach DIN EN 12831 enthält in der Regel bereits Sicherheiten. Ein Aufheizzuschlag fRH kann ebenfalls vertraglich vereinbart sein und wurde bereits in die Raumheizlast einberechnet. Die Heizflächen selbst müssen daher nicht zusätzlich größer gewählt werden. Der nach früherer DIN 4701-3 mögliche zusätzliche Zuschlag von 15 % auf den berechneten Normwärmebedarf entfällt nach EN 12831.

2.6.4-1

Heizkörperheizungen

Zu den Heizkörperheizungen zählen Systeme mit Gliederheizkörpern (Stahl, Guss), Radiatoren (Stahlrohr, Lamellen) sowie Plattenheizkörpern. Im weiteren Sinne sind die Aussagen auch auf Konvektoren und Sockelheizkörper übertragbar. Die nach DIN EN 12831 oder anderen Rechenregeln berechnete oder abgeschätzte Heizlast wird im Fol· genden mit der bisher üblichen Bezeichnung Q betitelt (anstelle der neueren Schreibweise Φ). 1) 2) 3)

ζ-Werte in TRGI sind nur grobe Richtwerte, da Einfluss von wa/wd bei Vereinigung oder Trennung nicht wie in Tafel 2.2.3-10 berücksichtigt wird. Ergänzungen für die 78. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel, und Dr.-Ing. Kati Jagnow, Braunschweig. DIN EN 12831 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“, 2003. DIN EN 12831 Beiblatt 1, 2006.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

2.6.4-1.1

1295

Grundlagen

Die im Raum aufgestellten Heizkörper übertragen die Wärme an die Raumluft durch Konvektion und Strahlung. Die Wärmeleistung wird durch genormte Versuche unter genormten Bedingungen ermittelt, wofür anerkannte Prüfstellen zur Verfügung stehen. Es gilt die EN 442.1) Im Allgemeinen können Leistungen für spezielle Heizkörper aus Herstellerunterlagen entnommen werden. Nach EN 442 werden Heizkörpernormleistungen bei 75/65/20 °C angegeben, d. h. bei tV = 75 °C (Vorlauf), tR = 65 °C (Rücklauf) und tL = 20 °C (Raumluft) und unter atmosphärischem Normaldruck (1013 mbar). Aus mehreren Gründen sollten diese Temperaturen nicht zur Auslegung herangezogen werden. Hinweis: früher wurden Heizkörperleistungen auf die Bedingungen 90/70/20 °C normiert! Bei der Revision alter Herstellerunterlagen und Berechnungen ist dies zu beachten. Umrechnung siehe 2.3.8-1.

2.6.4-1.2

Heizkörpergleichungen, Heizkörperexponent, Heizkörperdiagramm

Die Leistungsänderung von Heizflächen kann durch Anpassung der Vorlauftemperatur und des Massenstroms, im weiteren Sinne auch durch Änderung des Konvektionsvolumenstroms (z. B. bei Klappenkonvektoren) und der wärmeabgebenden Fläche erfolgen. Für Heizkörper – als die am weitesten verbreiteten Heizflächen – kommen die ersten beiden Möglichkeiten in Frage. Zur Bestimmung der Wärmeleistung der Heizflächen werden die drei Grundgleichungen für Heizkörper verwendet. Die erste Heizkörpergleichung beschreibt die Leistungsabgabe des Heizwassers im Heizkörper, die zweite Heizkörpergleichung die Leistungsabgabe der Heizflächen an die Raumluft und die dritte Heizkörpergleichung die Leistungsverluste des Raumes an die Umwelt. · · t –t m Q1 1 V1 R1 -----1. Heizkörpergleichung ----· - ⋅ ------------------·- = m 2 t V2 – t R2 Q2

t V1 – t R1 -----------------------------V1 – t L1  t------------------ln ·  t R1 – t L1 A1 Q1 ------ -----------------------------2. Heizkörpergleichung ----·- = A ⋅ t V2 – t R2 2 Q2 -----------------------------t V2 – t L2 ln  --------------------  t R2 – t L2

n

A 1 Δt ln,1 = ------ ⋅ ------------A 2 Δt ln,2

n

· t L1 – t a1 Q1 3. Heizkörpergleichung ----(vereinfacht) · - = -----------------t L2 – t a2 Q2

1)

DIN EN 442-1 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 1: technische Spezifikationen und Anforderungen“, 12-2003; DIN EN 442-2 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 2: Prüfverfahren und Leistungsangabe“, 122003; DIN EN 442-3 „Radiatoren und Konvektoren – Teil 3: Konformitätsbemerkung“, 12-2003.

2

1296

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Soll die Normleistung des Heizkörpers (nach Herstellerangabe bei 75/65/20 °C) auf die realen Betriebsbedingungen umgerechnet werden, wird der Zusammenhang nach der 2. Heizkörpergleichung verwendet. In der Gleichung können alle mit dem Index „2“ gekennzeichneten Größen mit den Herstellernormwerten belegt werden. Es gilt dann: t V, Betrieb – t R, Betrieb ---------------------------------------------------------t V, Betrieb – t L, Betrieb ln  ----------------------------------------------   t R, Betrieb – t L, Betrieb  · · Q Betrieb = Q Norm · ----------------------------------------------------------75 °C – 65 °C --------------------------------------------75 °C – 20 °C  ln ---------------------------------   65 °C – 20 °C 

n

Δt ln,Betrieb · = Q Norm · ----------------------49 ,8 K

n

Die aus Rücklauftemperatur tR, Vorlauftemperatur tV und Lufttemperatur tL gebildete Größe Δtln wird als logarithmische Übertemperatur des Heizkörpers bezeichnet. Unter Normbedingungen nach EN 442 beträgt sie 49,8 K. Das bedeutet: die repräsentative mittlere Heizkörpertemperatur liegt entsprechend bei 69,8 °C (49,8 K über der Raumtemperatur von 20 °C). Die zugehörige arithmetische Heizkörpertemperatur (tv + tR) / 2 liegt in diesem Beispiel bei (75 + 65) °C / 2 = 70 °C. Logarithmische und arithmetische Übertemperatur eines Heizkörpers liegen in Systemen mit größeren Temperaturspreizungen (z. B. direkten Fernwärmesystemen) weiter auseinander. Aufgrund der Rechengenauigkeit ist daher die logarithmische Übertemperatur zu verwenden, wenn folgendes gilt (Rücklauftemperatur tR, Vorlauftemperatur tV und Lufttemperatur tL): tR – tL -------------- < 0,7. tV – tL Der Exponent n ist der Heizkörperexponent. Er beschreibt den nicht linearen Zusammenhang zwischen der Leistungsabgabe und der mittleren Übertemperatur eines Heizkörpers (Verschiebung zwischen Strahlung- und Konvektionsanteil der Leistungsabgabe bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen). Bei Heizsystemen mit großem Strahlungsanteil ist der Heizkörperexponent am geringsten. Der Heizkörperexponent n beträgt etwa: – bei Fußbodenheizungen n ≈ 1,1 – bei Plattenheizkörpern n = 1,20…1,30 – bei Rohren n = 1,25 – bei Rippenrohren n = 1,25 – bei Radiatoren n = 1,30 – bei Konvektoren n = 1,25…1,45 Der Heizkörperexponent ändert sich auch mit der Anschlussart eines Heizkörpers, mit dem Heizmittelstrom, mit der Bauhöhe und bei Plattenheizkörpern mit der Reihenzahl. Für den praktischen Anwendungsfall kann jedoch von einem konstanten Heizkörperexponenten ausgegangen werden. Der Zusammenhang zwischen den ersten beiden Heizkörpergleichungen kann graphisch im Heizkörperdiagramm dargestellt werden (siehe Bild 2.6.4-1). Die Auswirkungen zentraler (Vorlauftemperaturregelung) und dezentraler (Massenstromänderung) Regelung sowie des Fremdwärmeeinflusses auf die Leistung und die Rücklauftemperatur können mit dem Diagramm einfach nachvollzogen werden.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1297

2 Bild 2.6.4-1. Heizkörperdiagramm 75/65/20°C.

Beispiel: · Die Leistung des Heizkörpers unter Normbedingungen (75/65/20 °C) betrage Q N = 2 kW. Es fließt bei diesen Bedingungen ein Normvolumenstrom von: · 3 QN m 2kW · = ---------------------= ------------------------------------------------------- = 0 ,172 ------m N h ρ ⋅ c p ⋅ Δt kWh - ⋅ ( 75 – 65 )K 1 ,16 ----------3 m K Der Heizkörper wird nun in einem Raum installiert, in dem die Raumheizlast nur 800 W beträgt und er soll mit einer Vorlauftemperatur von 50 °C betrieben werden. Welche Rücklauftemperatur stellt sich ein? Welcher Volumenstrom muss fließen? Zusätzlich zum Punkt „N“, der dem Normpunkt des Heizkörpers entspricht, wird ein zweiter Punkt „B“ eingetragen. Für diesen gilt: · QB 800W ------ = 0,4 und tV – tL = (50–20) K = 30 K · - = ---------------2000W QN Aus dem Diagramm können abgelesen und dann umgerechnet werden (wobei Volumen- und Massenstromverhältnisse gleich gesetzt werden): · m · B ------ V B = 0,4 · 0,172 m3/h = 0,069 m3/h · - = 0 ,4 m N

(tR–tL) = 20 K  tR = 20 K + 20 °C = 40 °C. Die Anwendung des Heizkörperdiagramms kann für beliebige Betriebsbedingungen erfolgen. Es ist zu beachten: das Diagramm ist erstellt für die Temperaturen 75/65/20 °C, das heißt alle Massenstrom- und Leistungsverhältnisse beziehen sich auf diesen Zustand. Aus den drei Heizkörpergleichungen leitet sich die Gleichung für die Vorlauftemperatur (witterungsgeführte Regelung) ab: n – 1----------Δt A n ---------------⋅ϕ Δt ln,A

e t V = t L – ϕ ⋅ Δt A ⋅ -------------------------------------n–1 1–e

-----------Δt A n ---------------⋅ϕ Δt ln,A

1298

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Darin sind tV die Vorlauftemperatur, die sich aus der aktuellen witterungsabhängigen Belastung ϕ (nach 3. Heizkörpergleichung) ergibt, ΔtA die Auslegungsspreizung (1. Heizkörpergleichung) und Δtln,A die logarithmische Übertemperatur bei Auslegung (2. Heizkörpergleichung).

2.6.4-1.3

Einflüsse auf die Leistungsabgabe von Raumheizkörpern

Einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsabgabe von Raumheizkörpern haben der Heizmittelmassenstrom, die Übertemperatur über der Raumtemperatur sowie die Heizkörperfläche. Die Auswirkungen der genannten Randbedingungen werden nachfolgend erläutert. Massenstromänderung Die Leistungssteigerung durch Massenstromsteigerung macht sich bei Heizkörpern mit hohem Wärmeübertragerkennwert am stärksten bemerkbar. Der Wärmeübertragerkennwert a entspricht dem Verhältnis von Auslegungsspreizung zu theoretisch maximaler Auskühlung der Vorlauf- auf die Raumtemperatur und ist nach nachfolgender Gleichung definiert. Er wird groß, wenn die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur möglichst hoch wird und gleichzeitig die Rücklauftemperatur nahe der Raumtemperatur liegt (z. B. bei Auslegung auf 65/40 °C). tV – tR a = --------------tV – tL Der Wärmeübertragerkennwert ist ein Maß für die Regelbarkeit der Heizflächen. In Systemen mit geringem Wärmeübertragerkennwert (z. B. Auslegung auf 55/45 °C) bewirkt eine Massenstromänderung nur eine sehr geringe Leistungsänderung. Diese Heizflächen lassen sich daher durch Eingriff der Thermostatventile verhältnismäßig schlecht regeln. Andererseits werden in Netzen mit geringen Wärmeübertragerkennwerten die Auswirkungen hydraulischer Fehler vermindert spürbar. Man spricht vom Wunder der Heizungstechnik bzw. von der Gutmütigkeit der Heizungsanlage. Auch bei großen Volumenstromschwankungen (z. B. fehlender Hydraulischer Abgleich) geben Heizkörper annähernd die gleiche Leistung ab. Übertemperatur und Selbstregeleffekt Einen weiteren Einfluss auf die Wärmeabgabe hat die Übertemperatur der Heizflächen über der Raumtemperatur. Je geringer die Übertemperatur, desto geringer die Leistungsabgabe. Die Übertemperatur hängt nicht nur von der Vor- und Rücklauftemperatur des Heizwassers, sondern auch von der Raumtemperatur ab. Steigt die Raumtemperatur, sinkt die Wärmeübertragung der Heizflächen. Der Effekt wird Selbstregeleffekt oder Eigenstabilität genannt. Einen hohen Selbstregeleffekt z. B. bei Auftreten von Fremdwärme haben Fußbodenheizungen und andere Niedertemperaturheizungen mit geringen Auslegungsübertemperaturen. Schon bei kleinen Raumtemperatursteigerungen sinken die Übertemperatur der Heizflächen und damit die Leistungsabgabe stark ab. Im umgekehrten Fall haben Systeme mit geringen Übertemperaturen aber auch ein erhöhtes Wärmeabgabepotential der Heizflächen bei verminderten Raumtemperaturen (Raumtemperaturabsenkung, z. B. Ablüften). Wird die Leistungsabgabe nicht begrenzt, besteht die Gefahr der Energieverschwendung durch den Nutzer. Heizflächenüberdimensionierung Die Leistungssteigerung durch Flächenüberdimensionierung macht sich bei Heizkörpern mit geringem Wärmeübertragerkennwert (z. B. Auslegung auf 55/45 °C) am stärksten bemerkbar. Die Argumente für und gegen eine Überdimensionierung von Heizflächen sind vielfältig und in der Literatur umfassend diskutiert. Die Befürworter sehen darin eine Möglichkeit der Leistungssteigerung bei hoher dynamischer Beanspruchung, d. h. bei stark wechselnden Lasten. Gegen eine Überdimensionierung spricht die vorhandene Leistungsreserve allein über die Anhebung der Vorlauftemperatur. Regelungstechnische Lösungen für die bedarfsabhängige Vorlauftemperaturanhebung haben am Markt aber trotzdem praktisch noch keine Bedeutung.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1299

Vorlauftemperaturanhebung Die mögliche Leistungssteigerung durch eine Anhebung der Vorlauftemperatur ist größer in Netzen mit geringen Auslegungsvorlauftemperaturen und -spreizungen (Leistungssteigerungen siehe Bild 2.6.4-1). Die zeitweise Vorlauftemperaturanhebung lässt sich zur Schnellaufheizung von Räumen einsetzen. In praktischen Betrieb ist eine ständig überhöhte Vorlauftemperatur zu vermeiden, weil die Thermostatventile der erhöhten Leistungszufuhr in den Raum durch ständiges Drosseln begegnen müssen. Tritt zusätzlich Fremdwärme auf, arbeiten die Ventile im extremen unteren Hubbereich in Nähe des Schließpunktes und es kann zu einem Auf-Zu-Verhalten kommen. Des Weiteren bieten Heizkörper mit einem überhöhten Leistungsabgabepotential die Möglichkeit der (ungewollten) Energieverschwendung.

2.6.4-1.4

Korrekturen der Leistungsabgabe von Raumheizkörpern1)

Die von Herstellern dokumentierten Leistungsangaben gelten unter bestimmten Randbedingungen, die in der Praxis oft nicht vorzufinden sind. Nachfolgend werden einige Einflüsse auf die Leistungsabgabe von Raumheizkörpern erläutert. Anschlussart Die Normheizkörperleistung wird ermittelt mit der Anschlussart: Vorlauf oben, Rücklauf unten. Für andere Anschlussarten des Heizkörpers als die im gezeigten, ergibt sich eine verminderte Wärmeleistung. Eine Korrektur kann mit Hilfe des Diagramms nach Bild 2.6.4-2 erfolgen.

Bild 2.6.4-2. Korrektur der Heizkörperleistung aufgrund der Anschlussart.

Luftdruck Der Einfluss des Luftdrucks auf die Leistungsabgabe von Heizkörpern hängt von dessen Strahlungsanteil ab. Der Luftdruck wirkt sich nur auf den konvektiv übertragenen Leistungsanteil aus. Für Heizsysteme mit hohem Strahlungsanteil (z. B. 60 %) bedeutet beispielsweise ein Luftdruckdruckabfall auf 940 mbar eine Leistungsminderung von maximal 4 %. Bei Systemen mit geringem Strahlungsanteil (z. B. 20 %) von maximal 8 %. Einbauart Die Wärmeleistung von Heizkörpern in Nischen unter Fenstern ist geringer als auf dem Prüfstand (siehe Bild 2.6.4-7).

1)

Schlapmann, D.: Handbuch Heizung + Klima. Ausgabe 2003/2004.

2

1300

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.4-3. Minderung der Normwärmeleistung bei Einbau in Fensternischen. *) *)

Schlapmann: Heizungsjournal (1995), Nr. 2.

Moderne Fertigheizkörper mit Seitenverkleidungen und passenden Abdeckgittern weisen bei Nischeneinbau geringere Leistungsminderungen auf als unverkleidete Plattenheizkörper (siehe Bild 2.6.4-4).

Bild 2.6.4-4. Prozentuale Leistungsminderung unterschiedlicher Heizkörper beim Nischeneinbau in Abhängigkeit des Abstandes Heizkörperoberkante zur oberen Nischenbegrenzung. *) *)

Bodenstein; Schlapmann: HLH (1995), Nr. 3.

Zusätzlich treten Leistungsminderungen auf, je näher die Heizkörper an der Rückwand montiert werden (siehe Bild 2.6.4-5).

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1301

2 Bild 2.6.4-5. Prozentuale Leistungsminderung unterschiedlicher Fertigheizkörper in Abhängigkeit des Wandabstandes.

Als Leistungsminderung durch zu knappen Abstand vom Fußboden können Werte aus Bild 2.6.4-6 angesetzt werden.

Bild 2.6.4-6. Prozentuale Leistungsminderung unterschiedlicher Fertigheizkörper in Abhängigkeit des Bodenabstandes.

Anstrich Heizkörper geben ihre Leistung durch Konvektion und Strahlung ab. Wenn ein Heizkörper mit weniger gut wärmestrahlender Oberfläche als Heizkörperlack (ε = 0,92) versehen wird, z. B. mit einem metallisch glänzenden Lack, entsteht eine Leistungsminderung (siehe Bild 2.6.4-7).

1302

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.4-7. Leistungsminderung in Abhängigkeit des Emissionsverhältnisses der Heizkörperoberfläche.

2.6.4-1.5

Anordnung von Heizflächen und Behaglichkeit

Die verschiedenen Heizflächenarten zeichnen sich durch unterschiedliche Komforteindrücke für den Nutzer sowie durch verschiedene Trägheiten und Selbstregeleffekte im Zusammenspiel mit der Raumheizlast aus. In der Praxis erweisen sich Heizflächen mit geringem Wasserinhalt, d. h. mit geringer Wärmekapazität bei hoher Leistung, als vorteilhaft, weil sie für eine dynamische Leistungsanpassung besser geeignet sind. Durch die Anordnung von Heizflächen soll in Gebäuden mit schlechten Wandaufbauten die Strahlungsasymmetrie durch unterschiedlich temperierte Oberflächen ausgeglichen werden. Im Neubau oder in nachträglich gedämmten Gebäuden ist die Strahlungsasymmetrie jedoch gering. Hier bestehen praktisch keine Probleme mit der thermischen Behaglichkeit, lediglich die Fallluftströme an hohen Fenstern und während Lüftungsphasen sind kritisch. Nach VDI 6030 sind Untertemperaturen gegenüber der Raumtemperatur von 3 K bei den Umfassungsflächen eines Raumes als unbehaglich anzusehen. Somit sind unbehagliche Zustände (aufgrund von Strahlungsentzug) in Räumen mit U-Werten der Außenbauteile unter etwa 0,6 W/(m2 K) nicht zu erwarten. Bei heute üblichen Fenstern ergibt sich daraus aber die Notwendigkeit, Heizkörper unter dem Fenster anzuordnen, damit die kalte Abstrahlung kompensiert wird und den Fallluftströmungen entgegengewirkt wird. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Anordnung der Heizflächen im gut gedämmten Gebäude nur noch eine untergeordnete Rolle spielt, wenn normale Glasflächenanteile und übliche Lüftung vorliegen. Trotzdem ist die Anordnung an der Außenwand unter Fenstern (mit Ausnahme von Häusern mit Passivhauskomponenten) anzustreben.

2.6.4-1.6

Dimensionierung von Raumheizkörpern in Neuanlagen

Bei der Heizflächenwahl kann im Neubau verschieden vorgegangen werden. Die Auswahl kann mit einheitlicher, fest vorgegebener Spreizung für alle Heizkörper erfolgen, auch das Vorgehen nach VDI 60301) mit fester Ansichtsfläche und Übertemperatur kommt in Frage. Die Wahl der Heizflächen ist an evtl. vorhandene Vorlauftemperaturen und einzuhaltende Rücklauftemperaturen geknüpft und wirkt sich auf den Heizmittelmassenstrom aus. Grundlage für die Bemessung der Heizflächen ist die vorher bestimmte Raumheizlast. Für die Wahl des Temperaturniveaus und der Spreizung zwischen Vorund Rücklauftemperatur gibt es keine verbindlichen Normen. Die Empfehlungen der Vergangenheit gingen überwiegend von Herstellern der entsprechenden Komponenten aus. So verminderte sich die empfohlene Auslegungstemperaturpaarung für Heizkörperheizungen von 90/70 °C (etwa 1930 bis Mitte der 1970er Jahre) über 70/55 °C (Niedertemperaturtechnik) bis etwa 55/45 °C (Brennwerttechnik). Die zi-

1)

VDI 6030-1 „Auslegung von freien Raumheizflächen – Grundlagen – Auslegung von Raumheizkörpern“, 2002.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1303

tierten Empfehlungen gehen von gleicher Spreizung für alle Heizflächen aus, so dass sich an jedem Heizkörper annähernd die gleiche Rücklauftemperatur einstellt. Es besteht freie Wahl der Breite, Höhe und Tiefe des Heizkörpers. Nach VDI 6030 erfolgt die Heizkörperwahl nicht nach einheitlicher Spreizung. Hier liegt die Heizkörpergröße anhand der Fensterbreite und Brüstungshöhe fest. Die Übertemperatur des Heizkörpers wird durch eine Strahlungsbilanz bestimmt, wobei der „Strahlungsentzug“ kalter Außenflächen durch die „Strahlungslieferung“ des Heizkörpers kompensiert wird. Die raumweise unterschiedliche Rücklauftemperatur ergibt sich aus der geforderten Übertemperatur und der innerhalb einer Bandbreite festgelegten Vorlauftemperatur. Eine passende Bautiefe des Heizkörpers wird so gewählt, dass der Heizkörper die Raumheizlast deckt. Als Problematisch erweisen sich bei dieser Vorgehensweise gegebenenfalls nicht verfügbare Bautiefen (z. B. bei Radiatoren). Die Auslegungsempfehlungen für das Temperaturniveau neuer Heizflächen sind vielfältig. Es gibt zwei Haupttendenzen: die Auslegung mit großen Spreizungen und hohen Vorlauftemperaturen (Resultat: kleine Heizflächen) und die Auslegung mit geringen Spreizungen und niedrigen Vorlauftemperaturen (Resultat: große Heizflächen). Für den Einsatz kleiner Heizflächen bei hohen Vorlauftemperaturen spricht u. a. die an den Heizkörpern fühlbare Wärme auch bei höheren Außentemperaturen in der Übergangszeit, geringere Investitionskosten, bessere Temperaturregelbarkeit an den Heizflächen. Der Einsatz größerer Heizflächen auf geringerem Temperaturniveau führt z. B. zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung im Raum, zu größeren Leistungssteigerungen durch Vorlauftemperaturanhebung. Weitere Randbedingungen s. Tafel 2.6.4-1. Tafel 2.6.4-1

*)

Wahl des Temperaturniveaus

Randbedingung

Forderung

Begründung

Nutzer

hohe Vorlauftemperatur

fühlbare Wärme am Heizkörper, auch in der Übergangszeit

Brennwertkessel

niedrige Rücklauftemperatur

hoher Brennwerteffekt

Wärmepumpe, Brennwertgeräte mit Zwangsdurchlauf

niedrige mittlere Temperatur bzw. Vorlauftemperatur

gute Arbeitszahl, hoher Brennwerteffekt

Fernwärme

niedrige Rücklauftemperatur

gute Auskühlung (Vorgabe Versorger)

Konstanttemperaturkessel

hohe Vorlauftemperatur

Vermeidung von Kondensation

Hilfsenergie

hohe Spreizung

geringe Massenströme, Verminderung der Pumpenstromkosten

Thermostatventile

geringe Spreizung

große Massenströme, begrenzte Verfügbarkeit von kleinen THKV

Wärmeübertragerkennwert

große Spreizung und/oder niedrige Vorlauftemperatur

gute Regelbarkeit der Heizflächen

Heizkostenerfassung

hohe Übertemperatur *)

korrekte Funktion der Erfassungsgeräte

Verteilverluste

niedrige Übertemperatur *)

Verminderung von Wärmeverlusten der Rohre

Thermische Eigenstabilität (Selbstregeleffekt)

niedrige Übertemperatur *)

Starkes Absinken der Wärmeabgabe bei Lufttemperaturanstieg (gute Fremdwärmenutzung)

Die Übertemperatur ist im Bestand durch Heizlast und Heizfläche festgelegt.

2

1304

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

2.6.4-1.7

Raumheizkörper in bestehenden Anlagen1)

Die Heizflächen sind in bestehenden Anlagen oft vorgegeben, ebenso die maximale Vorlauftemperatur und der maximal erreichbare Massenstrom durch den Heizkörper. Letztere zwei Größen können (in Grenzen) angepasst werden, die Heizkörperflächen bleiben (aus wirtschaftlichen Gründen) oft bestehen. Auch in bestehenden Anlagen sollte jedoch die Heizkörperleistung an die Heizlast des Raumes angepasst werden. Unabhängig davon, ob ursprünglich eine Heizlastberechnung und Heizkörperdimensionierung vorgelegen hat, muss hier in der Regel von einer uneinheitlichen Heizkörperdimensionierung ausgegangen werden (siehe Bild 2.6.4-8). Dies bedeutet, dass von unterschiedlichen Verhältnissen der Heizkörpernormleistung zur Raumheizlast bzw. von uneinheitlichen Rücklauftemperaturen an den Heizkörpern auszugehen ist. Ein Grund dafür kann die nachträgliche Modernisierung sein, bei der sich die Transmissionswärmeverluste räumlich unterschiedlich vermindern. Ähnliches trifft auf die Umstellung von Ein- auf Zweirohrheizsysteme zu. Heizflächen am Ende eines Stranges sind nach der Umstellung teilweise entschieden zu groß. Auch der nachträgliche Einbau von Lüftungsanlagen verändert die Heizlast der Räume, da es je nach Lüftungssystem nun Zu-, Ab- und Überströmzonen gibt. Erläuterung zu Bild 2.6.4-8: Im Ursprungszustand 1975 waren die Heizkörper etwa auf die Raumheizlast abgestimmt. Die Auslegung erfolgte mit etwa 70/55 °C (Übertemperatur ca. 42 K). Die Heizkörpernormleistungen bei 75/65/20 °C (Übertemperatur ca. 50 K) waren daher etwa 1,2-mal so groß wie die erforderliche Raumheizlast (vgl. Heizkörperdiagramm in Bild 2.6.4-9). Nach der Modernisierung des Gebäudes sinkt die Raumheizlast. Die Heizkörpernormleistung beträgt nun im Mittel das 1,55-Fache der Raumheizlasten. Eine starke Ungleichverteilung der Dimensionierung ist festzustellen. Räume im obersten und unteren Geschoss haben stark von der Dach- und Kellerdämmung profitiert, daher sanken die Heizlasten hier stärker als im Mittelgeschoss.

Bild 2.6.4-8. Heizkörperdimensionierung vor und nach einer Modernisierung.

1)

Jagnow, K.; Halper, C.; Timm, T.; Sobirey, M.: Optimierung von Heizungsanlagen im Bestand. Teile 1 bis 5, TGA Fachplaner (2003), Nr. 5, 8 u. 11, (2004), Nr. 1 u. 3.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1305

2 Bild 2.6.4-9. Beispielhafte Bestimmung der Auslegungsbedingungen zweier Heizkörper nach der Modernisierung.

In modernisierten Gebäuden kann eine generelle Leistungsanpassung der Heizflächen an den Raum durch die Absenkung der Vorlauftemperatur erfolgen (allgemeine Leistungsminderung). Die starken Dimensionierungsunterschiede lassen sich nur durch eine zusätzliche Massenstromverminderungen ausgleichen (nachträglicher hydraulischer Abgleich). Als Vorbereitung für die Anpassung einer Heizungsanlage an den Bedarf des Gebäudes müssen für jeden beheizten Raum die Raumheizlast und die installierte Heizkörperleistung (Normheizkörperleistung nach EN 442 bei 75/65/20 °C) mindestens annähernd bekannt sein. Im zweiten Schritt wird das Verhältnis der Raumheizlast zur Heizkörpernormheizlast für jeden Raum bestimmt und in ein Heizkörperdiagramm nach Bild 2.6.4-9 eingetragen. Der Raum mit dem größten Verhältnis von Raumheizlast zu Heizkörpernormleistung (knappste Überdimensionierung) bestimmt die mindestens notwendige Vorlauftemperatur. Liegt die Vorlauftemperatur fest, kann für jeden Heizkörper aus dem Heizkörperdiagramm die Rücklauftemperatur abgelesen werden. Der Massen bzw. Volumenstrom kann berechnet werden. Alternativ kann auch gleich das Massenstromverhältnis (bezogen auf den Normmassenstrom bei 75/65/20 °C) aus dem Bild bestimmt werden. Das Problem lässt sich selbstverständlich auch rechnerisch mit Hilfe der Heizkörpergleichungen nach Abschnitt 2.4.3 lösen. Erläuterung zu Bild 2.6.4-9: das Bild zeigt zunächst die eingetragenen berechneten Leistungsverhältnisse für zwei Räume. Für Raum 1 ergibt sich ein Leistungsverhältnis von etwa 0,64 (Raumheizlast bezogen auf Heizkörpernormleistung), für Raum 2 von 0,80. Damit bestimmt der Raum 2 die Vorlauftemperatur, auf die das Gesamtsystem eingestellt wird. Sie muss so hoch sein, dass dieser Raum auf jeden Fall warm wird. (a) Würde eine Vorlauftemperatur von etwa 63 °C (43 K + 20 °C auf der x-Achse) eingestellt werden, dann müsste ein sehr hoher Massenstrom durch Heizkörper 2 fließen, etwa das 3-Fache des Normmassenstroms. Um dies zu vermeiden, wird die Vorlauftemperatur etwas höher gewählt. (b) Die Vorlauftemperatur wird auf 65 °C (45 K + 20 °C) festgelegt. Für Heizkörper 2 stellt sich eine Rücklauftemperatur von etwa 59 °C (39 K + 20 °C auf der y-Achse) ein. Der Massenstrom liegt bei etwa dem 1,4-Fachen des Normmassenstroms. (c) Die Vorlauftemperatur von 65 °C gilt auch für Heizkörper 1. Es stellt sich eine Rücklauftemperatur von etwa 46 °C (26 K + 20 °C) ein. Der Massenstrom beträgt nur noch etwa 35 % des Normmassenstroms. Die Wahl der neuen Vorlauftemperatur richtet sich nach unterschiedlichsten Randbedingungen (siehe Tafel 2.6.4-1). Die ermittelte Vorlauftemperatur muss an der Regelung eingestellt werden. Die resultierenden Massenströme sind Grundlage für einen nachträg-

1306

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

lichen hydraulischen Abgleich, der in jedem Fall zu dokumentieren ist. Die Durchführung des hydraulischen Abgleich sollte in einer Fachunternehmererklärung schriftlich bestätigt werden. Die nachträgliche Anpassung bestehender Heizkörper, Systemtemperaturen und Volumenströme an das vorhandene Gebäude ist zu empfehlen, weil u. a. – damit gegebenenfalls eine unbemerkte Energieverschwendung verhindert wird, denn die Heizwassermengen je Heizkörper werden begrenzt – die Thermostatventile entlastet werden, da sie die hohen verfügbaren Temperaturen und Massenströme nicht ständig ausgleichen müssen. Sie können ihre eigentliche Aufgabe erfüllen und den Fremdwärmeanfall ausregeln. – insgesamt oft geringere Pumpvolumenströme erreichbar sind (elektrische Energiekosten).

2.6.4-2

Deckenstrahlungsheizflächen1)

2.6.4-2.1

Deckenstrahlplatten

Deckenstrahlplatten sind Raumheizkörper, die waagerecht oder schräg unter der Decke aufgehängt werden und ihre Wärme überwiegend durch Strahlung abgeben. Ihre Einsatzgebiete sind große Räume und Höhen ab 3,5 m bis zu 30 m und darüber (z. B. Hochregallager). Die Auslegungstemperaturen liegen zunehmend im Niedertemperaturbereich. Deckenstrahlplatten bestehen aus einem Register wasserdurchströmter Rohre und einem Blech, das mit den Rohren verbunden ist und die nach unten gerichtete Heizfläche bildet. Bei der Konstruktion wird eine möglichst gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Rohren und der wärmeabgebenden Fläche (siehe Bild 2.6.4-10 und Bild 2.6.4-11) angestrebt (gute Formschlüssigkeit, Schweißung).

Bild 2.6.4-10. Verbindung Rohr–Strahlplattenblech.

Bild 2.6.4-11. Anordnung von Kopfstück und Stirnblech.

Die Oberseite der Deckenstrahlplatten ist zur Begrenzung der Wärmeabgabe nach oben meist mit einer Wärmedämmung versehen. Deckenstrahlplatten können in Bändern bis zu 60 m Länge installiert werden. Dabei werden die vorbereiteten Register auf der Baustelle miteinander verbunden und mit Zwischenblechen versehen, so dass eine geschlossene Heizfläche entsteht. Wärmeleistung: Die Wärmeleistung von Deckenstrahlplatten wird nach DIN EN 140372) ermittelt. Die Wärmeleistungen liegen bei einer Übertemperatur von 55 K bei ca. 500…600 W/m2 Projektionsfläche (Einflüsse durch Bauweise und Breite der Strahlplattenbänder). Die Umrechnung · ·der Wärmeleistung erfolgt wie bei Heizkörpern nach der Kennliniengleichung Q = Q 55 · (Δt / 55 K)n. Exponent n liegt zwischen 1,15 und 1,2. Deckenstrahlplatten können auch als Kühlflächen verwendet werden. Die Kühlleistung beträgt ca. 90 W/m2 (Δt = 10 K).

1) 2)

nach Schlapmann, D.: Handbuch Heizung + Klima. Ausgabe 2003/2004. DIN EN 14037 Teile 1 bis 3 „Deckenstrahlplatten für Wassser mit einer Temperatur unter 120 °C“, 2003.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1307

Vorteile: Die Heizung mit Deckenstrahlplatten erlaubt niedrige Lufttemperaturen wegen des Ausgleichs der Empfindungstemperatur durch Strahlung. Es ergeben sich geringe Temperaturzunahmen über die Raumhöhe (ca. 0,4 K/m) und erheblich geringere Lüftungswärmeverluste als bei Luftheizsystemen. Die Fußbodentemperatur wird durch die Zustrahlung angehoben (ca. 20 °C), wodurch der Aufenthaltsbereich günstig beeinflusst wird. Es entsteht keine nennenswerte Luftbewegung, so dass Transport von Staub und anderen Verunreinigungen unterbunden wird, die Heizflächen selbst erzeugen keine Luftbelastung. Wegen des geringen Wasserinhalts besteht sehr gute Regelfähigkeit. Zu empfehlen sind strahlungsempfindliche Temperaturfühler. Wegen der stärkeren Zunahme der Konvektion mit steigender Übertemperatur ist die Strahlungswirkung der Heizflächen in der Niedertemperaturanwendung besonders günstig. Der Strahlungsanteil liegt bei 60…70 %. Durch die niedrigeren Strahlungstemperaturen ergibt sich eine sehr ausgeglichene Temperaturverteilung im Aufenthaltsbereich. Anordnung der Heizflächen: Durch die Anordnung der Deckenstrahlplatten kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Aufenthaltsbereich erzielt werden. Beurteilungsgröße ist immer die Innentemperatur als Mittelwert aus Strahlungs- und Lufttemperatur. Bild 2.6.4-12 zeigt ein Temperaturprofil der Innentemperatur (mittlere Kurve) bei Heizmitteltemperaturen von 80/60 °C im Schnitt einer 40 m · 25 m großen gleichmäßig beheizten Halle. Meist ist eine gleichmäßige Verteilung der Bänder mit Abständen, die mindestens der Abhängehöhe entsprechen, ausreichend. Bei Außenwänden werden häufig breitere Bänder als im Innenbereich eingesetzt. Nachrechnung erfolgt durch Berechnung der Einstrahlung.

Bild 2.6.4-12. Temperaturs chichtungen in einer Produktionshalle.

2.6.4-2.2

Stahlrohr- und Kupferrohr-Deckenheizungen

Bei Deckenheizungen ist zu beachten, dass die Oberflächentemperatur der Decke, namentlich bei geringen Raumhöhen, nicht zu groß wird, da andernfalls durch Wärmezustrahlung auf den Kopf der Personen im Raum evtl. Unbehaglichkeitsgefühle auftreten. Zulässige Deckentemperaturen bei verschiedenen Raumhöhen und Heizflächenabmessungen siehe Bild 2.6.4-13. Die Bestimmungsgleichung1) für die wärmephysiologisch zulässige Deckentemperatur nach Bild 2.6.4-13 (ϕ siehe Bild) lautet: tm = (2 – ϕ) · (18 + 2 / ϕ) in °C.

1)

Kollmar, A.: Wärmephysiologische Berechnungen bei Heizdecken, Strahlplatten und Infrarotstrahlen. Ges.-Ing. (1960), S. 65–84. Kollmar, A.: HR (1971), S. 230–235 u. 262–264.

2

1308

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Bild 2.6.4-13. Zulässige Deckenheizflächentemperatur bei 20 °C Raumtemperatur (nach Kollmar).

In Anbetracht der verhältnismäßig geringen Anzahl der sehr kalten Tage und der Speicherfähigkeit von Betondecken genügt es, der Berechnung der Deckentemperatur eine Außenlufttemperatur von –5 °C zugrunde zu legen. Bei reinen Deckenheizungen, bei denen die Wärmeabgabe nach oben möglichst gering sein soll, ist oberhalb der Heizrohre eine Wärmedämmschicht anzubringen. Zur Berechnung für praktische Zwecke geeignet ist Bild 2.6.4-14, aus dem in Abhängigkeit vom Wärmedurchgangskoeffizienten kD der Decke gleichzeitig die Wärmeabgabe der Decke und des darüber liegenden Fußbodens bei 1/2″-Heizrohren zu entnehmen ist. Die Wärmeabgabe der Randumgebung einer Heizfläche, ·die sogenannte Randwärme, ist angenähert bei · Hintereinanderschaltung der Heizrohre Q E = 65 · (a + 0,6 · b), bei Parallelschaltung Q E = 65 · (a + 2 · b) in W, wobei a = Registerlänge in Rohrrichtung und b = Registerbreite in m sind. Belegungsgrad der Heizfläche1) Von wesentlichem Einfluss auf die Wärmeabgabe ist die Größe der Heizfläche innerhalb der Decke. Allgemein ist die spezifische Wärmeabgabe q· = (αkonv + αStr) Δt in W/m2 αStr = 5,8 W/(m2 K) (bei etwa 40 °C Deckentemperatur) αkonv = a · 4 Δt . Der Faktor a schwankt in weiten Grenzen zwischen etwa 0,60 bis 1,25 je nach Größe der Heizfläche und Stärke der Luftbewegung im Raum. Mit Δt = 20 K ergeben sich dann die Grenzwerte αkonv = 1,25 bis 2,60 W/(m2 K) Je geringer der Anteil der Heizfläche an der Deckenfläche ist, desto größer wird die spezifische Heizleistung. Man berücksichtigt diese Tatsache durch einen Korrekturfaktor p. Bei 50 % Belegung der Decke ist p = 1, bei anderer Belegung ist der Faktor aus Bild 2.6.4-15 zu entnehmen.

1)

Kollmar, A.: Ges.-Ing. (1959), S. 1–11. Krause, B.: Die konvektive Wärmeabgabe von Heizdecken. Ges.-Ing. (1959), S. 285–305 u. 324–334.

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1309

2

Bild 2.6.4-14. Wärmeabgabe der Strahlrohrdeckenheizung in Abhängigkeit von der mittleren Heizwassertemperatur (Rohrdurchmesser 1/2″ in Beton verlegt), Wärmeabgabe der Decke (oben) sowie des darunterliegenden Fußbodens (unten).

Bild 2.6.4-15. Korrekturfaktor p zur Berücksichtigung des Belegungsanteils der Deckenheizfläche.

Bei Heizungsdecken mit Kupferrohren in Gipsverputz gelten alle Diagramme dieses Abschnittes gleichermaßen.

1310

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

2.6.4-2.3

Al-Lamellen-Deckenheizungen

Für die Berechnung dieser Heizdecken dient das Diagramm in Bild 2.6.4-16 und Bild 2.6.4-17. Bei der Ermittlung der Heizflächen muss man die direkte Wärmeabgabe q· D der Aluminiumflächen und die Wärmeabgabe der ringsherum liegenden Ränder, die Randwärme q· E, unterscheiden. Die Randwärmeabgabe q· E wiederum erfolgt sowohl zwischen den Lamellen, wenn hier ein Abstand gelassen wird, als auch an den äußeren Rändern. Die Gesamtwärmeabgabe ist dann · Q = A · q· D + (L · q· E) in W, worin L die äußere Seitenlänge der Lamellen ist. Wesentlich für eine gute Heizwirkung ist die bautechnisch richtige Ausführung. Rohr und Lamelle müssen möglichst fest miteinander verbunden sein (metallische Verbindungsmasse). Gipsverputz muss an der Lamelle gut anliegen. Auch bei dauerndem Aufund Abheizen darf keine Ablösung erfolgen. Feuchtigkeit fernhalten.

Bild 2.6.4-16. Randwärmeabgabe q· E der Aluminiumlamellen.

2.6.4-3

Fußboden- und Wandheizung1)

2.6.4-3.1

Allgemeines zur Fußbodenheizung

Bild 2.6.4-17. Anordnung der AlLamellen in einer Al-LamellenDeckenheizfläche.

Die Fußbodentemperatur hat wegen des Abstandes der Heizrohre eine Welligkeit, wobei der Temperaturunterschied zwischen der maximalen und mittleren Temperatur etwa 0,5…2,5K beträgt. Bei allen Fußbodenheizungen ist zu beachten, dass die maximale Oberflächentemperatur nicht überschritten werden darf (siehe Abschnitt 2.2.2-3.2). Durch besondere Verlegung der Heizrohre mit engeren Rohrabständen in den Randzonen, wo sich meist niemand länger aufhält, können dort jedoch auch höhere Temperaturen zulässig sein (DIN EN 1264). Die Berechnung der Rohrabstände, der Heizwassertemperatur, der Heizwassermenge und das Verlegesystem ist auf Grund einer Normkennlinie vorzunehmen (DIN EN 1264). Von besonderer Wichtigkeit ist der Fußbodenbelag. Sein Wärmeleitwiderstand d / λ sollte nicht größer als 0,15 (m2 K)/W sein, da andernfalls die Heizmitteltemperatur zu hoch wird. In Tafel 2.6.4-2 sind für verschiedene Bodenbelage die Wärmeleitzahlen λ angegeben, in Tafel 2.6.4-3 der Wärmeleitwiderstand d / λ. Beispiel eines Leistungsdiagramms in Bild 2.6.4-18. Tafel 2.6.4-2

Mittlere Wärmeleitzahlen λ verschiedener Bodenbelage

Teppiche 6…17 mm Korklinoleum 4,5 mm PVC – Filz PVC 2,5 mm 1)

0,08…0,05 W/(mK) 0,08 W/(m K) 0,04 W/(m K) 0,19 W/(m K)

Linoleum 2,5 mm Parkett 8…22 mm Fliesen 13 mm Marmor 30 mm

nach Schlapmann, D.: Handbuch Heizung + Klima. Ausgabe 2003/2004.

0,19 W/(m K) 0,20…0,25 W/(mK) 1,05 W/(m K) 2,10 W/(m K)

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

Tafel 2.6.4-3

Wärmeleitwiderstand d / λ verschiedener Bodenbelage

Estrich 10 mm Fliesen a) 6 mm PVC a) b) c)

1311

0 (m2 K)/W 0,022 (m K)/W 0,042 (m K)/W

12 mm Parkett 5 mm Teppich b) 10 mm Teppich c)

0,06 (m2 K)/W 0,08 (m2 K)/W 0,10 (m2 K)/W

in Mörtel verlegt = 0,06 W/(m K) = 0,1 W/(m K)

2.6.4-3.2

Auslegung der Fußbodenheizung1)

Die Wärmeleistung der Fußbodenheizung wird durch Versuche oder Berechnung nach DIN EN 1264 ermittelt, so dass man für jedes Heizsystem ähnlich wie bei Heizkörpern eine Normwärmeleistung angeben kann. Die Wärmeabgabe (Wärmestromdichte) des Fußbodens abhängig von einer gleichmäßigen Heizflächenübertemperatur ist festgelegt durch q· = 8,92 (ϑF – ϑi)1,1 in W/m2 ϑF = Fußbodenoberflächentemperatur, in °C ϑi = Lufttemperatur im Raum, in °C Siehe hierzu Bild 2.6.4-19 (Basiskennlinie).

Bild 2.6.4-18. Leistungsdiagramm einer Fußbodenheizung mit kunststoffummanteltem Kupferrohr 14 × 0,8 mm (Wieland-Sulzer). a = Abstand der Heizrohre.

Jedes Fußbodenheizungssystem ist einer wärmetechnischen Prüfung zu unterwerfen, um die Wärmeleistung in Abhängigkeit von der maximalen Oberflächentemperatur ϑFmax und der Heizmittelübertemperatur Δϑ = 0,5 · (ϑv + ϑR) – ϑi zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in einem Kennlinienfeld darzustellen. 1)

DIN EN 1264 Teile 1 bis 4 „Fußboden-Heizung-Systeme und Komponenten“, 1997 und 2001.

2

1312

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

Beispiel eines Kennlinienfeldes zeigt Bild 2.6.4-20. In der linken Hälfte des Bildes ist die Wärmeabgabe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz (ϑFmax – ϑi) angegeben, in der rechten Hälfte die zugehörige Heizmittelübertemperatur Δϑ. Der Zusammenhang zwischen Wärmeabgabe und Heizmittelübertemperatur wird als Norm-Kennlinie des Systems bezeichnet. Die Messungen werden zunächst ohne Fußbodenbelag durchgeführt, anschließend jedoch auch mit einem Belag mit dem Wärmeleitwiderstand RλB = d / λ = 0,15 (m2 K)/W. Richtwerte für RλB siehe Tafel 2.6.4-3. Da die maximale Fußbodentemperatur von 29 bzw. 35 °C nicht überschritten werden soll, sind im Kennlinienfeld auch die Grenzkurven angegeben, aus denen die zulässige Heizmitteltemperatur ersichtlich ist. Der Wärmestrom nach unten q· u soll nicht größer sein als 10 % des Wärmestroms q· nach oben (q· u / q· < 10 %). Diese Forderung ergibt einen minimalen Widerstand aller Schichten unterhalb der Heizrohrebene RU gemäß nachfolgendem Zusammenhang. Darin ist Δϑu die Temperaturdifferenz zwischen Heizebene und dem Bereich unterhalb der Decke. Δϑ u R U ≥ 10 ⋅ --------q· Diese Forderung ist vor allem bei Niedrigenergie- und Passivhäusern schwer zu erfüllen. So ergibt sich für eine Heizlast von 20 W/m2 und eine Temperaturdifferenz von 20 K (30 °C in der Heizebene und 10 °C im Keller) ein Widerstand von 10 (m2 K)/W bzw. ein zu erfüllender U-Wert (unterhalb der Heizebene) von 0,1 W/(m2 K). Die Verluste an unbeheizte Kellerräume zeigt Bild 2.6.4-21 für ein Beispiel mit Nassverlegung und 150 mm Rohrabstand.

Bild 2.6.4-19. Basiskennlinie der Fußbodenheizung.

Bei der Auslegung einer Fußbodenheizungsanlage ist nunmehr wie folgt vorzugehen: Für den Raum mit der höchsten Wärmestromdichte ist aus einem Kennlinienfeld die Heizmittelübertemperatur Δϑ zu entnehmen. Mit einer anzunehmenden Spreizung ΔϑV,R zwischen Vorlauf ϑV und Rücklauf ϑR ergibt sich hieraus die Vorlauftemperatur ϑV · . Für die übrigen Räume ist dieselbe Vorlauftemperatur zuund der Heizmittelstrom m · und die Temperaturspreizung Δϑ grunde zu legen. Der jeweilige Heizmittelstrom m V,R sind so zu berechnen, dass sich die nach dem Kennlinienfeld erforderliche Heizmittelübertemperatur Δϑ einstellt. Die Temperaturspreizung ist angenähert ΔϑV,R = 2 (ϑV – ϑi – Δϑ) bei großen Spreizungen (ΔϑV,R > 10 K) siehe Bild 2.6.4-22. Leistungsgrenzen (minimal und maximal) siehe Abschnitt 2.2.2-3.2. Der Heizmittelstrom ist Q· · = -------------------m c ⋅ Δϑ v,R c = spez. Wärmekapazität des Wassers = 4,18 kJ/(kgK).

2.6.4 Auslegung der Raumheizeinrichtungen

1313

Bild 2.6.4-20. Beispiel eines Kennlinienfeldes.

2

Bild 2.6.4-21. Wärmeverluste q· u an unbeheizte Keller, abhängig von der Leistung bei verschiedener Dämmung und Kellertemperatur.

Bild 2.6.4-22. Diagramm zur Berechnung der Temperaturspreizung.

Bei großen Spreizungen (geringen Heizmittelströmen) ist bei der Ermittlung der Wärmestromdichte ein Korrekturfaktor zu beachten. Siehe hierzu DIN EN 1264. Die Bestimmung des Wärmeleitwiderstandes des Fußbodenbelags RλB kann nach Tafel 2.6.4-2 u. Tafel 2.6.4-3 erfolgen. Bild 2.6.4-23 zeigt die erforderliche Anhebung der Heizmitteltemperatur, wenn der Wärmeleitwiderstand gegenüber dem Boden ohne Belag zunimmt. RλB sollte möglichst nicht über 0,15 (m2 K)/W liegen, da sonst Verluste nach unten groß werden oder die Dämmung nach unten unwirtschaftlich dick wird.

Bild 2.6.4-23. Erhöhung der Heizmitteltemperatur mit steigendem Wärmeleitwiderstand des Fußbodenbelags bei vorgegebenem Wärmestrom nach oben.

1314

2. Heizung / 2.6 Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen

2.6.4-3.3

Druckverlust in den Rohrregistern

Der Wasserwiderstand in einem Rohrregister, der für die Bemessung der Umwälzpumpe zugrunde zu legen ist, setzt sich aus den Reibungsverlusten in den geraden Rohrstrecken und den durch die 180°-Bogen verursachten Einzelwiderständen ζ zusammen. Der Gesamtwiderstand ist l ρ 2 ρ 2 Δp = l ⋅ --- ⋅ --- w +   ζ + --- w  = R · l + Z.  d 2 2  Für den häufigsten Fall, mit Rohren von 1/2″ lichter Weite lässt sich der Druckverlust eines Rohrregisters annähernd aus Bild 2.6.4-24 ermitteln. Bei Rohrabständen über 25 cm kann der durch die Bogen verursachte Widerstand praktisch vernachlässigt werden. Beispiel: Gestreckte Rohrlänge L = 40 m, Zahl der 180°-Bögen = 12, Wassermassenstrom 270 kg/h. Aus Bild 2.6.4-24: Druckgefälle R = 140 Pa/m, Rohrbogenwiderstand Z = 34 Pa, demnach Druckverlust Δp = R · l + Z = 40 m · 140 Pa/m + 12 · 34 Pa = 5600 Pa + 408 Pa = 6008 Pa.

Bild 2.6.4-24. Druckverlust-Berechnung der Rohrregister bei Strahlungsheizungen. Rohrdurchmesser 1/2″ (lichte Weite 16 mm)

2.6.4-3.4

Wandheizung

Zur schnellen Errechnung der Heizleistung dient das Diagramm Bild 2.6.4-25. Randwärme etwa wie bei der Deckenheizung. Die Auslegung kann sonst wie für die Fußbodenheizung anhand der Basiskennlinie erfolgen.

Ö Band 1|2 Band 1: S. 1 – 1 Band 2: S. 1 – 2

Bild 2.6.4-25. Wärmeabgabe von Wandheizflächen. Rohrdurchmesser 1/2″, Innentemperatur 20 °C, Außentemperatur –15 °C, Wärmedämmung nach hinten mit d / λ = 0,75 (m2 K)/W entsprechend etwa 8 cm Holzwolleplatten. Wand 36 cm Ziegel.

Hinweis

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2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

2.7

Ausführung für verschiedene Nutzungsarten1)

Üblicherweise zwischen 150 und 250 Tagen im Jahr müssen in unseren Breiten Räume geheizt werden, die konkrete Anzahl hängt vom baulichen Wärmeschutz und der Nutzung ab. Ohne Heizung wären die Räume im Winter nicht nutzbar. Dazu kommt, dass der Betrieb der Heizung wegen des damit verbundenen Energieverbrauchs Kosten verursacht, die in Zeiten hoher Energiepreise in aller Regel einen erheblichen Teil der gesamten Betriebskosten eines Gebäudes ausmachen. Auch aus Gründen der Energieersparnis hat die Heizungstechnik große Bedeutung, da annähernd 40% des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland zur Heizung von Gebäuden benötigt werden. Die Heizungsanlage ist also ein sehr wichtiger Bestandteil unserer Gebäude. Der Architekt oder Bauherr sollte daher bereits bei der Planung eines Baues diese Tatsache berücksichtigen und die Projektierung und Ausführung der wärme- und heizungstechnischen Einrichtungen nur fachkundigen Ingenieuren übertragen. Bei jedem Neubau sollte die Verbindung mit dem Heizungsfachmann so früh wie möglich aufgenommen werden, damit Energieeinsparverordnung, Erneuerbare-EnergienWärmegesetz und weitere Umweltschutzanforderungen bereits im Projekt berücksichtigt werden. Dies betrifft besonders die Art des Heizsystems und die Wahl des Energieträgers sowie den Wärmeschutz des Gebäudes. Gerade bei größeren Projekten ist neben der Energieeinsparung der Umweltschutz von Bedeutung. Die Wahl der Heizungsanlage ist von entscheidender Bedeutung für die beim Gebäudebetrieb auftretenden Emissionen von Kohlendioxid und weiteren Schadstoffen. Dies trifft umso mehr zu, wenn außer der Heizung weitere Verbraucher wie Klimaanlagen, Wäschereien, Laboratorien oder andere technologische Prozesse im Gebäude mit Wärme zu versorgen sind. Der Kostenanteil der Technischen Gebäudeausrüstung an den Gebäudekosten ist erheblich. Energie- oder Versorgungskonzepte sollten deshalb schon beim Vorentwurf erstellt und beachtet werden. Durch eine geeignete Planung können Niedrigstenergie-, Null-Energie- oder Plus-Energie-Gebäude realisiert werden. Die Verwendung alternativer Wärmequellen, z. B. von Elektro- oder Gaswärmepumpen, Solarthermie, Kraft-Wärme-Kopplung und Abwärmenutzung ist in Erwägung zu ziehen.

2.7.1

Technische und bauliche Entscheidungen

2.7.1-1

Wahl der Heizungsart

Für die Wahl der Heizungsart ist eine große Anzahl von Faktoren maßgebend, besonders – Gebäudeart, z.B. Wohnhäuser, Geschäftshäuser, Krankenhäuser, Altenheime, Fabriken; – verfügbare Geldmittel; – Anschlussmöglichkeit leitungsgebundener Energieträger (Erdgas bzw. Fern-/ Nahwärme); – Benutzungsdauer der Räume; – hygienische Anforderungen usw. Bei jedem Projekt sind sorgfältige Überlegungen erforderlich, wenn man eine heiztechnisch, wirtschaftlich und hygienisch günstige Lösung finden will. Im Allgemeinen sind für ein Gebäude mehrere Heizarten möglich, z. B. für Wohnungen: Örtliche Heizung, Warmwasserzentral- oder Stockwerksheizung. Manchmal werden auch in einem Gebäude mehrere Heizsysteme verwendet, z.B. Warmwasserzentralheizung für Büroräume und Luftheizung für Werkstätten. Auch die sog. alternativen Energien werden immer mehr in Erwägung gezogen, z. B. die Wärmepumpen und solarunterstützte Heizsysteme. Bei kleinen Anlagen ist das Heizproblem meist verhältnismäßig leicht zu lösen. Etwas schwieriger ist die Beheizung großer Gebäudeanlagen, z. B. Fabriken oder Krankenanstalten. In den meisten Fällen handelt es sich dabei nicht nur um die Heizung der Gebäude, sondern um die gesamte Wärmeversorgung aller angeschlossenen Verbraucher. Dazu gehören z. B. Warmwasserbereitung für Koch- und Waschzwecke, Dampf für Kochkessel, Dampf für Fabrikation usw. Ferner sind die Fragen der Wärmerückgewinnung und 1)

Überarbeitet für die 77. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz, Dresden

1349

KÖPFE recknagel-online.de

2

1350

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Krafterzeugung sowie zahlreiche andere Probleme zu prüfen. Bei derartigen Bauvorhaben sollte daher der Architekt oder Bauherr möglichst frühzeitig mit den Fachingenieuren in Verbindung treten. Besondere Beachtung verdient der Wärmeschutz des Gebäudes, da er großen Einfluss auf Anschaffungs- und Betriebskosten der Heizung hat. Die Anforderungen der Energieeinsparverordnung und des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes sowie des Umweltschutzes (Abschnitt 1.9) sind zu beachten.

2.7.1-1.1

Stockwerksheizungen

Den Übergang von örtlichen Heizungen (siehe Abschnitt 2.7.2-1.1) zur Zentralheizung bilden die Stockwerksheizungen, bei denen ein Kleinkessel in der Küche oder der Diele einer Wohnung aufgestellt wird, während sich in den einzelnen Räumen Heizkörper befinden. Die Küchenkessel werden häufig mit einem Warmwasserspeicher ausgerüstet, der sich über oder neben dem Kessel befindet. Für die ganze Wohnung ist nur eine Feuerstelle vorhanden, und der Wohnungsinhaber kann nach Bedarf heizen. Ähnliches gilt für Kachelofen-Mehrzimmerheizungen, die jedoch keine so gleichmäßige Wärme wie die Stockwerksheizungen erzeugen. Heutzutage werden Stockwerksheizungen fast ausschließlich mit wandhängenden Gaswärmeerzeugern realisiert. Die Trinkwassererwärmung kann alternativ zum Warmwasserspeicher auch im Durchfluss erfolgen.

2.7.1-1.2

Zentralheizungen

Die Zentralheizungen für einzelne Gebäude werden nach den Wärmeträgern in Warmwasser-, Luft- und Dampfzentralheizung unterschieden. 2.7.1-1.2.1

Dampfheizungen

können als Niederdruck-, Hochdruck- und Vakuumdampfheizungen ausgeführt werden, sind allerdings bis auf wenige Ausnahmen (z.B. in Gebäuden der Industrie, die Dampf bei Produktionsprozessen einsetzt) ungebräuchlich geworden. 2.7.1-1.2.2

Wasserheizungen

mit ihren vielen verschiedenen Bauarten haben in Deutschland unter den Zentralheizungen die weiteste Verbreitung gefunden. Ihre Hauptvorteile sind die zentrale Regelbarkeit durch Änderung der Wassertemperatur und die dadurch ermöglichte Anpassung an die jeweiligen Außentemperaturen, sowie die raumweise Anpassung der Heizleistung durch örtliche Regler, ferner die hygienisch günstigen niederen Oberflächentemperaturen der Heizkörper, Einfachheit der Bedienung und große Betriebssicherheit. Sie werden vorzugsweise für solche Gebäude verwendet, in denen eine dauernde gleichmäßige, hygienisch einwandfreie, betriebssichere Heizung verlangt wird, namentlich bei Wohnhäusern, Krankenanstalten, Schulen, Bürohäusern usw. Alle Anlagen werden heute fast ausnahmslos mit Umwälzpumpen ausgerüstet. Heizkörper gibt es in zahlreichen Bauarten wie Radiatoren, Plattenheizkörper, Konvektoren, ferner Strahlungsheizflächen in Decke oder Fußboden. Für nachträglichen Einbau in Altbauten sind besonders Heizungsanlagen mit waagerechter Rohrführung geeignet, da weniger Durchbrüche erforderlich sind und die Montage weniger Zeit erfordert. Offene Heizungen, heute kaum noch in Neubauten, hatten mit Temperaturen im Vorlauf und Rücklauf von 90/70 °C oder bei größeren Anlagen auch mit höheren Vorlauftemperaturen bis 110 °C ein Ausdehnungsgefäß an der höchsten Stelle des Gebäudes. Bei den geschlossenen Heizungen unterscheidet man Anlagen mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C und solche mit höheren Temperaturen. Die ersteren unterliegen bezüglich der Sicherheitseinrichtungen einfachen gesetzlichen Vorschriften. DIN EN 12828 legt die Entwurfs- und Ausführungskriterien für zentrale Warmwasser-Heizungsanlagen mit einer maximalen Betriebstemperatur bis 105 °C fest. Bei Heizungsanlagen mit Betriebstemperaturen über 105 °C gelten andere Sicherheitsaspekte. Anlagen mit mehr als 120 °C sind selten und unterliegen speziellen Anforderungen (früher Dampfkesselverordnung, jetzt Betriebssicherheitsverordnung, Produktsicherheitsgesetz und -verordnung).

2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

1351

Um den Energieverbrauch zu senken und günstige Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmeerzeugern wie Wärmepumpen oder Solarthermie zu schaffen, werden heutzutage vorzugsweise Niedertemperaturheizungen angewendet, bei denen geringere Heizmitteltemperaturen, jedoch größere Heizflächen erforderlich sind. 2.7.1-1.2.3

Luftheizungen

werden nach Art der Warmlufterzeugung unterschieden in solche, die direkt mit Öl, Gas oder festen Brennstoffen betrieben werden, und solche, die als Zwischenmedium Dampf, Heiß- oder Warmwasser verwenden. Die direkt befeuerten Warmluftheizungen, deren Hauptbestandteil der mit Gas oder Öl beheizte Wärmeübertrager ist, sind besonders für nur zeitweise benutzte Großräume geeignet, z.B. Kirchen, Ausstellungshallen, Säle, Turnhallen, namentlich dann, wenn für die Heizung von Büros und anderen kleinen Räumen keine Zentralheizung benötigt wird. Auch in Hallengebäuden (z.B. für Fertigung oder Logistik) werden sie eingebaut. Weniger geeignet sind sie bei Gebäuden mit vielen Räumen, da es schwierig ist, ohne zeitliche und örtliche Überheizung eine gleichmäßige Versorgung aller Räume zu erreichen. Eine Ausnahme hiervon ist die Luftheizung von Einfamilienhäusern, die im Ausland, namentlich in den USA, sehr häufig mit Warmluftautomaten ausgerüstet werden, wobei die Wärmeübertrager mit Gas oder Öl beheizt sind und dadurch eine gute Regelbarkeit erreicht wird. Die in Deutschland herrschenden Vorstellungen von Energieeffizienz und Komfort können mit diesen Anlagen jedoch kaum erfüllt werden. Luftheizungen (ohne raumweise Regelungsmöglichkeiten) wurden auch im ursprünglichen Konzept des Passivhauses vorgeschlagen, haben sich jedoch wegen vielfältiger Nachteile auch in diesem Bereich bisher nicht etablieren können. Dampf- und Wasserluftheizungen sind im Allgemeinen nur Teile gewöhnlicher Zentralheizungen, indem sie in bestimmten Räumen die sonst verwendeten örtlichen Heizkörper ersetzen. Sie sind ein verbreitetes Heizverfahren für Großräume aller Art, z.B. Theater, Säle, Werkstätten, Montagehallen usw., während die zu diesen Räumen gehörenden Nebenräume: Büros, Garderoben usw. besser durch Radiatoren oder andere Raumheizkörper geheizt werden. Zur Verwendung kommen je nach Örtlichkeit entweder örtliche Luftheizgeräte oder zentrale Luftheizanlagen, erstere namentlich in Fabriken und Hallen, letztere bei Sälen und Theatern. Ein möglicher Vorteil der Luftheizungsanlagen besteht darin, dass mit ihnen gleichzeitig eine Lüftung der Räume und eine Rückgewinnung der Abluftwärme ermöglicht wird.

2.7.1-1.3

Fernheizungen

Mehrere Gebäude, z.B. neue Wohnbausiedlungen, größere Liegenschaften wie Krankenhäuser, Industriebetriebe oder Universitäten bis hin zu ganzen Ortsteilen bzw. Orten, können eine Nah- oder Fernwärmeheizung erhalten, wobei ein zentrales Heizwerk die Wärmeversorgung aller angeschlossenen Gebäude und häufig über KWK auch einen Teil der Stromversorgung übernimmt. Die Fragen, die sich bei der Errichtung derartiger Netze ergeben, sind so vielseitig, dass jeder Einzelfall gesondert untersucht werden muss. Der Übergang von der Nahwärme zur Fernwärme ist fließend, es gibt keine klar definierte Grenze. Eine Zentralisierung der Wärmeversorgung schafft günstige Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Einsatz effizienter Wärmeerzeuger (z.B. KWK) und von Brennstoffen mit teilweise schwierigen Eigenschaften (z.B. von Holzabfällen), oft kann ein umweltfreundlicher Betrieb realisiert werden. In den einzelnen Gebäuden kann der Platz für den sonst erforderlichen Wärmeerzeuger gespart werden, es ist keine Abgasanlage notwendig, im/am Gebäude selbst gibt es keine Emissionen. Nachteilig sind die hohen Kosten für die Errichtung des Wärmenetzes und seine Wärmeverluste. Die Wirtschaftlichkeit für den Versorger/Netzbetreiber und den Wärmekunden ist von den individuellen Randbedingungen abhängig. Wegen der Umweltvorteile bemüht sich die Politik um eine Verbesserung der Rahmenbedingungen für Nah-/Fernwärmenetze und ermöglicht beispielsweise den Erlass von Anschlusszwängen für neue Gebäude. Auch die Errichtung gebäudeintegrierter KWK-Anlagen, sog. Blockheizkraftwerke, die gleichzeitig Strom und Wärme liefern, wird zunehmend in Erwägung gezogen. Es sind kleine Heizkraftwerke, die hauptsächlich zur Deckung des Wärmebedarfs von Gebäudegruppen oder Industrieanlagen eingesetzt werden. Sie werden mit Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen oder Gasturbinen betrieben, deren Abwärme zur Heizung dient.

2

1352

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Relativ hohe Investitionsund Wartungskosten, jedoch wesentliche Primärenergieersparnis. Heizmittel in Europa üblicherweise Heißwasser, in den USA Hochdruckdampf.

2.7.1-2

Bautechnische Maßnahmen

Die nachstehenden Angaben sollen dem Architekten Hinweise auf die baulichen Maßnahmen geben, die beim Einbau heiztechnischer Anlagen zu berücksichtigen sind. Für den Einbau aller, auch größerer Zentralheizungen ist im Allgemeinen keine bauaufsichtliche Genehmigung erforderlich. Die bauaufsichtlichen Vorschriften sind in den Bauordnungen der einzelnen Bundesländer enthalten, weisen jedoch leider untereinander Unterschiede auf. Dazu kommen auch noch unterschiedlich zuständige Behörden, Bauaufsichtsbeamte, Technische Überwachungsvereine, Ämter für Umweltschutz, Genehmigungs-, Erlaubnisverfahren sowie Abnahme. VDI 2050 beschäftigt sich mit den „Anforderungen an Technikzentralen“:1) Blatt 1, Technische Grundlagen für Planung und Ausführung Blatt 2, Sanitärtechnik Blatt 4, Raumlufttechnik Blatt 5, Elektrotechnik Eine Muster-Feuerungsverordnung (M-FeuV) über Feuerungsanlagen und Brennstofflagerung in Gebäuden ist von den bauaufsichtlichen Behörden veröffentlicht worden. Sie wurde im Laufe der Zeit z.T. modifiziert von allen Bundesländern übernommen, womit eine gewisse Einheitlichkeit in der Bundesrepublik erreicht wurde. Alle Feuerungsanlagen unterliegen außerdem dem Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 14.5.1990 bzw. der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BlmSchV zuletzt geändert am 26.1.2010). Darin sind u.a. Grenzwerte für Ruß, Staub und Abgasverluste angegeben sowie eine regelmäßige Überwachung vorgeschrieben. Ferner ist die TA Luft vom 30.7.2002 zu beachten. Für Feststofffeuerungsanlagen über 1 MW, Öl- und Gasfeuerungsanlagen über 50 MW Feuerungswärmeleistung besteht darüber hinaus Genehmigungspflicht nach der 4. DurchführungsVO zum BImSchG v. 14.3.1997 zul. geändert am 26.11.2010.

2.7.1-2.1

Aufstell- und Heizräume2)

Für raumluftabhängige Feuerstätten mit einer Gesamtnennwärmeleistung bis zu 35 kW gilt die Verbrennungsluftversorgung nach Muster-Feuerungsverordnung als nachgewiesen, wenn die Feuerstätten in einem Raum aufgestellt sind, der 1. mindestens eine Tür ins Freie oder ein Fenster, das geöffnet werden kann (Räume mit Verbindung zum Freien), und einen Rauminhalt von mindestens 4 m3 je 1 kW Gesamtnennwärmeleistung hat, 2. mit anderen Räumen mit Verbindung zum Freien nach Maßgabe des Absatzes 2 verbunden ist (Verbrennungsluftverbund) oder 3. eine ins Freie führende Öffnung mit einem lichten Querschnitt von mindestens 150 cm2 oder zwei Öffnungen von je 75 cm2 oder Leitungen ins Freie mit strömungstechnisch äquivalenten Querschnitten hat. (2) Der Verbrennungsluftverbund im Sinne des Absatzes 1 Nr. 2 zwischen dem Aufstellraum und Räumen mit Verbindung zum Freien muss durch Verbrennungsluftöffnungen von mindestens 150 cm2 zwischen den Räumen hergestellt sein. Bei der Aufstellung von Feuerstätten in Nutzungseinheiten, wie Wohnungen, dürfen zum Verbrennungsluftverbund nur Räume derselben Wohnung oder Nutzungseinheit gehören. Der Gesamtrauminhalt der Räume, die zum Verbrennungsluftverbund gehören, muss mindestens 4 m3 je 1 kW Gesamtnennwärmeleistung der Feuerstätten betragen. Räume ohne Verbindung zum Freien sind auf den Gesamtrauminhalt nicht anzurechnen. (3) Für raumluftabhängige Feuerstätten mit einer Gesamtnennwärmeleistung von mehr als 35 kW und nicht mehr als 50 kW gilt die Verbrennungsluftversorgung als nachgewiesen, wenn die Feuerstätten in Räumen aufgestellt sind, die die Anforderungen nach Absatz 1 Nr. 3 erfüllen. 1) 2)

VDI 2050 „Anforderungen an Technikzentralen“. Muster-Feuerungsverordnung (M-FeuV) vom Juni 2005.

2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

1353

(4) Für raumluftabhängige Feuerstätten mit einer Gesamtnennwärmeleistung von mehr als 50 kW gilt die Verbrennungsluftversorgung als nachgewiesen, wenn die Feuerstätten in Räumen aufgestellt sind, die eine ins Freie führende Öffnung oder Leitung haben. Der Querschnitt der Öffnung muss mindestens 150 cm2 und für jedes über 50 kW Nennwärmeleistung hinausgehende kW Nennwärmeleistung 2 cm2 mehr betragen. Leitungen müssen strömungstechnisch äquivalent bemessen sein. Der erforderliche Querschnitt darf auf höchstens zwei Öffnungen oder Leitungen aufgeteilt sein. (5) Verbrennungsluftöffnungen und -leitungen dürfen nicht verschlossen oder zugestellt werden, sofern nicht durch besondere Sicherheitseinrichtungen gewährleistet ist, dass die Feuerstätten nur bei geöffnetem Verschluss betrieben werden können. Der erforderliche Querschnitt darf durch den Verschluss oder durch Gitter nicht verengt werden. (6) Abweichend von den Absätzen 1 bis 4 kann für raumluftabhängige Feuerstätten eine ausreichende Verbrennungsluftversorgung auf andere Weise nachgewiesen werden.

2

Bild 2.7.1-1. Gebäude mit Dachkesselhaus.

Bild 2.7.1-2. Ungefährer Grundflächenbedarf und Raumhöhe von Kesselräumen, Apparateräumen und Kokslagerräumen. Siehe auch VDI 2050-1.Kesselraum mit WW-Speichern 2…2,5mal größer.

Verbrennungsluftleitungen müssen betriebs- und brandsicher sein, d. h. – die erforderliche Feuerwiderstandsdauer aufweisen und – über erforderliche Prüf-/Reinigungsöffnungen verfügen. Verbrennungsluftöffnungen und -leitungen dürfen nicht verschlossen oder zugestellt werden, sofern nicht durch besondere Sicherheitseinrichtungen gewährleistet ist, dass die Feuerstätten nur bei geöffnetem Verschluss betrieben werden können. Der erforderliche Querschnitt darf durch den Verschluss oder Gitter nicht verengt werden. Nach der M-FeuV benötigen Feuerstätten mit einer Nennleistung von insgesamt mehr als 100 kW,1) die gleichzeitig betrieben werden sollen, besondere Aufstellräume, – die nicht anderweitig genutzt werden, ausgenommen zur Aufstellung von Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken und ortsfesten Verbrennungsmotoren sowie für zugehörige Installationen und zur Lagerung von Brennstoffen, – die gegenüber anderen Räumen keine Öffnungen, ausgenommen Öffnungen für Türen, haben, – deren Türen dicht- und selbstschließend sind und – die gelüftet werden können (z.B. durch ein Fenster, das geöffnet werden kann, oder eine Tür ins Freie oder mindestens zwei Öffnungen ins Freie). Feuerstätten für feste Brennstoffe dürfen in solchen Räumen nur aufgestellt werden, wenn deren Nennleistung insgesamt nicht mehr als 50 kW beträgt.

1)

Lt. M-FeuV, Stand September 2007, bis 2005 50 kW.

1354

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Bild 2.7.1-3. Heizraum für Ölfeuerung mit einer Leistung von 35 kW einschließlich Warmwasserbereitung und Batterietank.

Zahlenerklärung: 1 = Kessel 9 = Kesselbühne 20 = Tisch für Heizer 1a = Kessel10 = Schalttafel bzw. Heizerraum 2 = Schornstein11 = Montageöffnung21 = Schlammgrube 3 = Abluft12a = Kokskarre bzw. Entwässerung 4 = Zuluft13 = Laufschiene 22 = Werkraum 5a = Notausstieg16 = Heizölbrenner 24 = Reinigungsöffnung 6 = Aschenaufzug17 = Heizöltagesbehälter25 = Müll- u. Aschetonnen 7 = Verteiler- u. Pumpenraum18 = Öltank26 = Kokseinwurf 8 = Rohrkeller19 = Heizölpumpe 30 = Rollschaufel

Abweichend davon dürfen die o.g. Feuerstätten auch in anderen Räumen aufgestellt werden, wenn die Nutzung dieser Räume dies erfordert (z.B. Einzelfeuerstätten wie Lufterhitzer, Dunkelstrahler, Prozessfeuerstätten) und die Feuerstätten sicher betrieben werden können. Feuerstätten für feste Brennstoffe mit einer Nennleistung von insgesamt mehr als 50 kW, die gleichzeitig betrieben werden sollen, dürfen nur in sog. Heizräumen aufgestellt werden. Heizräume dürfen – nicht anderweitig genutzt werden, ausgenommen zur Aufstellung von Feuerstätten für flüssige und gasförmige Brennstoffe, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken, ortsfesten Verbrennungsmotoren und für zugehörige Installationen sowie zur Lagerung von Brennstoffen, und – mit Aufenthaltsräumen, ausgenommen solchen für das Betriebspersonal, sowie notwendigen Treppenräumen (Fluchtweg) nicht in Verbindung stehen. Heizräume müssen – mindestens einen Rauminhalt von 8 m3 und eine lichte Höhe von 2 m, – einen Ausgang, der ins Freie oder in einen Flur führt, der die Anforderungen an notwendige Flure erfüllt, und – Türen, die in Fluchtrichtung aufschlagen, haben. Des Weiteren gilt: – Wände, ausgenommen nichttragende Außenwände, und Stützen von Heizräumen sowie Decken über und unter ihnen müssen feuerbeständig sein. Deren Öffnungen müssen, soweit sie nicht ins Freie führen, mindestens feuerhemmende und selbstschließende Abschlüsse haben. An Trennwände zwischen Heizräumen und zum Be-

2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

trieb von Feuerstätten gehörenden Räumen werden keine Anforderungen gestellt, wenn diese Räume den vorgenannten Anforderungen entsprechen. – Heizräume müssen zur Raumlüftung jeweils eine untere und obere Öffnung ins Freie mit einem Querschnitt von mindestens je 150 cm2 oder Leitungen ins Freie mit strömungstechnisch äquivalenten Querschnitten haben (Bemessung z.B. entsprechend DVGW-TRGI). Eine der beiden Öffnungen darf bei der Verbrennungsluftversorgung berücksichtigt werden. – Lüftungsleitungen für Heizräume müssen, soweit sie durch andere Räume führen, eine Feuerwiderstandsdauer von 90 Minuten haben. Die Leitungen dürfen nicht mit anderen Lüftungsanlagen verbunden sein und nicht der Lüftung anderer Räume dienen. – Lüftungsleitungen, die zur Lüftung anderer Räume dienen, müssen, soweit sie durch Heizräume führen, eine Feuerwiderstandsdauer von 90 Minuten oder selbsttätige Absperrvorrichtungen für eine entsprechende Feuerwiderstandsdauer haben. Sie dürfen in Heizräumen keine Öffnung haben. Abweichend davon dürfen die o.g. Feuerstätten auch in anderen Räumen aufgestellt werden, wenn die Nutzung dieser Räume dies erfordert (z.B. Einzelfeuerstätten wie Lufterhitzer, Dunkelstrahler, Prozessfeuerstätten) und die Feuerstätten sicher betrieben werden können. Brenner und Brennstofffördereinrichtungen der Feuerstätten für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit einer Gesamtnennleistung von mehr als 100 kW müssen durch einen außerhalb des Aufstellraums angebrachten Notschalter jederzeit abgeschaltet werden können. Neben dem Notschalter muss ein Schild mit der Aufschrift „NOTSCHALTER – FEUERUNG“ vorhanden sein. Wird in dem Aufstellraum Heizöl gelagert oder ist der Raum für die Heizöllagerung nur vom Aufstellraum zugänglich, muss die Heizölzufuhr von der Stelle des Notschalters aus durch eine entsprechend gekennzeichnete Absperreinrichtung unterbrochen werden können.

2.7.1-2.2

Abgasanlage Siehe auch Abschnitt 2.4.1.

Die Abgase von Heizkesseln müssen durch Abgasanlagen wie Schornsteine, Abgasleitungen und Verbindungsstücke (Abgasrohe oder -kanäle) über Dach ins Freie abgeführt werden. Abgasrohre sollen steigend zum Schornstein, mit Prüföffnungen, möglichst kurz, korrosionsgeschützt, meist aus Stahlblech, Kunststoff oder Aluminium, in kalten Räumen wärmegedämmt sein. Die Anforderungen, Planung und Ausführung von Hausschornsteinen und Verbindungsstücken sind in DIN V 18160-1 sowie DIN 18160-5 geregelt. Die Bemessung von Abgasanlagen erfolgt nach DIN EN 13384. Abgasanlagen sollten nur mit gleichartigen Feuerstätten mehrfachbelegt werden. Öloder Gasfeuerstätten mit Gebläsebrenner sollten also nicht an eine gemeinsame Abgasanlage mit Feuerstätten für feste Brennstoffe oder Gasfeuerstätten ohne Gebläse angeschlossen werden. Bei der Errichtung oder Änderung von Feuerungsanlagen (Feuerstätten und Abgasanlagen) ist die jeweilige Landesbauordnung nebst Feuerungsverordnung zu beachten. Nach der Musterbauordnung vom November 2012 ist die Errichtung von Schornsteinen außer in vorhandenen Gebäuden baugenehmigungspflichtig, während die Errichtung oder Änderung von Feuerungsanlagen ansonsten genehmigungsfrei ist. Die Feuerstätten dürfen jedoch erst in Betrieb genommen werden, wenn der bevollmächtigte Bezirksschornsteinfeger die Tauglichkeit und sichere Benutzbarkeit der Abgasanlage bescheinigt hat. Damit die Bescheinigung nach Errichtung oder Änderung von Feuerungsanlagen möglichst problemlos erfolgen kann, empfiehlt sich eine rechtzeitige Abstimmung der am Bau beteiligten Gewerke. Der Bezirksschornsteinfegermeister sollte möglichst bereits mit in die Planung der Feuerungsanlage eingebunden werden, wie in einigen Bundesländern vorgeschrieben. Bei größeren Kesselleistungen sind Durchführungsverordnungen zum BImSchG und die TA-Luft zu beachten sowie Genehmigung nach 4. DurchführungsVO zum BImSchG (siehe auch Abschnitt 1.9).

1355

2

1356

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

2.7.1-2.3

Brennstofflagerung1) Siehe auch Abschnitt 2.4.2-1 Öllagerung und Ölleitungsanlage.

Feste Brennstoffe sowie Behälter zur Lagerung von brennbaren Gasen und Flüssigkeiten dürfen nicht in notwendigen Treppenräumen, in Räumen zwischen notwendigen Treppenräumen und Ausgängen ins Freie und in notwendigen Fluren gelagert oder aufgestellt werden. Heizöl oder Dieselkraftstoff dürfen gelagert werden: – in Wohnungen bis zu 100 l, – in Räumen außerhalb von Wohnungen bis zu 1000 l, – in Räumen außerhalb von Wohnungen bis zu 5000 l je Gebäude oder Brandabschnitt, wenn diese Räume gelüftet werden können und gegenüber anderen Räumen keine Öffnungen, ausgenommen Öffnungen mit dichtschließenden Türen, haben, – in Räumen in Gebäuden der Gebäudeklasse 1 mit nicht mehr als einer Nutzungseinheit, die keine Aufenthaltsräume sind, bis zu 5000 l, wenn diese Räume gelüftet werden können und gegenüber anderen Räumen keine Öffnungen, ausgenommen Öffnungen mit dichtschließenden Türen, haben. Sind bei einer Lagerung von mehr als 100 l Heizöl oder Dieselkraftstoff in den Räumen Feuerstätten aufgestellt, müssen diese außerhalb erforderlicher Auffangräume für auslaufenden Brennstoff stehen und einen Abstand von mindestens 1 m zu Behältern für Heizöl oder Dieselkraftstoff haben. Dieser Abstand kann bis auf die Hälfte verringert werden, wenn ein beiderseits belüfteter Strahlungsschutz vorhanden ist. Ein Abstand von 0,1 m genügt, wenn nachgewiesen ist, dass die Oberflächentemperatur der Feuerstätte 40 °C nicht überschreitet. Flüssiggas darf in Wohnungen und in Räumen außerhalb von Wohnungen gelagert werden jeweils in einem Behälter mit einem Füllgewicht von nicht mehr als 16 kg, wenn die Fußböden allseitig oberhalb der Geländeoberfläche liegen und außer Abläufen mit Flüssigkeitsverschluss keine Öffnungen haben. Je Gebäude oder Brandabschnitt dürfen – Holzpellets von mehr als 10000 l, – sonstige feste Brennstoffe in einer Menge von mehr als 15000 kg, – Heizöl und Dieselkraftstoff in Behältern mit mehr als insgesamt 5000 l oder – Flüssiggas in Behältern mit einem Füllgewicht von mehr als insgesamt 14 kg nur in besonderen Brennstofflagerräumen gelagert werden, die nicht zu anderen Zwecken genutzt werden dürfen. Das Fassungsvermögen der Behälter darf insgesamt 100000 l Heizöl oder Dieselkraftstoff oder 6500 l Flüssiggas je Brennstofflagerraum und 30000 l Flüssiggas je Gebäude oder Brandabschnitt nicht überschreiten. Wände und Stützen von Brennstofflagerräumen sowie Decken über oder unter ihnen müssen feuerbeständig sein. Öffnungen in Decken und Wänden müssen, soweit sie nicht unmittelbar ins Freie führen, mindestens feuerhemmende und selbstschließende Abschlüsse haben. Durch Decken und Wände von Brennstofflagerräumen dürfen keine Leitungen geführt werden, ausgenommen Leitungen, die zum Betrieb dieser Räume erforderlich sind sowie Heizrohrleitungen, Wasserleitungen und Abwasserleitungen. Türen von Brennstofflagerräumen müssen mindestens feuerhemmend und selbstschließend sein. Hiervon ausgenommen sind Trennwände zwischen Brennstofflagerräumen und Heizräumen. Brennstofflagerräume für flüssige Brennstoffe müssen – gelüftet und von der Feuerwehr vom Freien aus beschäumt werden können und – an den Zugängen mit der Aufschrift „HEIZÖLLAGERUNG“ oder „DIESELKRAFTSTOFFLAGER“ gekennzeichnet sein. Brennstofflagerräume für Flüssiggas – müssen über ständig wirksame Lüftung verfügen, – dürfen keine Öffnungen zu anderen Räumen, ausgenommen Öffnungen für Türen, und keine offenen Schächte und Kanäle haben, – dürfen mit ihren Fußböden nicht allseitig unter Geländeoberfläche liegen, 1)

Muster-Feuerungsverordnung (M-FeuV) vom Juni 2005.

2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

1357

– dürfen keine Fußböden mit Öffnungen haben und – müssen an den Zugängen mit der Aufschrift „FLÜSSIGGASANLAGE“ gekennzeichnet sein und – dürfen nur mit elektrischen Anlagen ausgestattet sein, die den Anforderungen der Vorschriften aufgrund des § 14 des Geräte- und Produktsicherheitsgesetzes für elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen entsprechen. Auch Brennstofflagerräume für Holzpellets dürfen nur mit elektrischen Anlagen ausgestattet sein, die den Anforderungen der Vorschriften aufgrund des § 14 des Geräte- und Produktsicherheitsgesetzes für elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen entsprechen.

2.7.1-2.4

Verteilerraum

Bei großen Heizanlagen, etwa ab 600 kW, wird getrennt vom Heizraum ein Verteilerraum (Apparateraum, Maschinenraum, Unterstation) erforderlich. Darin befinden sich (Bild 2.7.1-4): Pumpen, Wärmeübertrager, Vorlaufverteiler, Rücklaufsammler, Schalt- und Regelgeräte sowie andere Geräte. Wichtig ist bequeme Zugänglichkeit aller Teile für Ein- und Ausbau bei Reparaturen. Rohrleitungen bei Platzmangel evtl. unterhalb des Raumes in einem Rohrkeller. Grundfläche etwa halb so groß wie die des Kesselraumes (Bild 2.7.1-2). Flächenbedarf und Raumhöhe siehe VDI 3803:2010-02. Lüftung natürlich oder durch Ventilator, damit Raumtemperaturen nicht zu hoch werden. Bei sehr großen Anlagen, etwa über 1,5 MW, auch besonderen Heizerraum mit Waschbecken, Duschen, Toiletten sowie evtl. Umkleideraum und Werkstattraum einplanen (Bild 2.7.1-4).

2.7.1-2.5

Heizflächen

a) Radiatoren Neben den mit Abstand am häufigsten eingesetzten Flachheizkörpern werden auch stählerne oder gusseiserne Radiatoren verwendet bzw. sind in bestehenden Heizungsanlagen anzutreffen. Aufstellung am besten unter den Fenstern zum Ausgleich des Strahlungswärmeentzugs durch die kalten Außenwand- und Fensterflächen sowie zur Aufheizung eindringender Kaltluft. Innenwandaufstellung ist wegen kürzerer Leitungslängen geringfügig billiger, jedoch energetisch und behaglichkeitsmäßig ungünstiger. Bei hochwärmegedämmten Gebäuden mit Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung gibt es größere Freiheiten bezüglich der Ortswahl. Zur Ersparnis an Rohrleitungen ist die Lage der Heizkörper so zu wählen, dass möglichst mehrere Heizkörper an einen Steigestrang angeschlossen werden können. Die in den Normblättern oder Firmenkatalogen angegebenen Mindestabstände von Wand, Fußboden und Fensterbrett sind einzuhalten. Befestigung an Wandkonsolen statt auf Füßen ist günstiger, da Fußbodenreinigung leichter. Früher übliche Heizkörpernischen mit infolge dünnerer Außenwand schlechterem Wärmeschutz führen zu zusätzlichen Wärmeverlusten und sind daher zu vermeiden. Heizkörper vor Glasflächen sollten gegen ungewollte Wärmeabstrahlung nach außen geschützt werden. Verkleidungen von Heizkörpern verringern die Wärmeabgabe, erfordern also größere Heizflächen. Zur leichteren Reinigung der Heizkörper sollen die Verkleidungen leicht abnehmbar sein. Außer den genormten Radiatoren gibt es auch eine große Zahl mit anderen Abmessungen, besonders solche mit geringer Höhe oder Tiefe, die in steigendem Maße verwendet werden.

2

1358

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Zahlenerklärung: 1 = Kessel 9 = Kesselbühne 20 = Tisch für Heizer 1a = Kessel10 = Schalttafel bzw. Heizerraum 2 = Schornstein11 = Montageöffnung21 = Schlammgrube 3 = Abluft12a = Kokskarre bzw. Entwässerung 4 = Zuluft13 = Laufschiene 22 = Werkraum 5a = Notausstieg16 = Heizölbrenner 24 = Reinigungsöffnung 6 = Aschenaufzug17 = Heizöltagesbehälter25 = Müll- u. Aschetonnen 7 = Verteiler- u. Pumpenraum18 = Öltank26 = Kokseinwurf 8 = Rohrkeller19 = Heizölpumpe 30 = Rollschaufel Bild 2.7.1-4. Heizzentrale f. Ölfeuerung mit einer Leistung von 3500 kW.

b) Rohrheizkörper in Form von glatten Rohren, Rohrregistern oder Rippenrohren werden im Allgemeinen nur noch in untergeordneten Räumen, z.B. Garagen, Garderoben, Lagerräumen, manchmal auch in Werkstätten, angebracht. Den Rohrheizkörpern ähnlich sind die plattgedrückten Rohren gleichenden Plattenheizkörper und ähnliche Bauarten, die sich durch ihre geringe Bautiefe auszeichnen. c) Konvektoren (verkleidete Rippenrohre) werden häufig verwendet, da sie unverkleidet billiger als Radiatoren sind. Sie sind wegen der erschwerten Reinigungsmöglichkeit hygienisch weniger günstig als glatte Radiatoren, ermöglichen jedoch durch Verwendung geeigneter Verkleidungsplatten einen sehr gefälligen Einbau in den Fensterbrüstungen. Die den Konvektoren ähnlichen Sockelheizkörper werden gelegentlich verwendet, da gleichmäßige Heizwirkung z.B. an Außenwänden, platzsparend und optisch unauffällig. d) Flachheizkörper Diese meist aus Stahl hergestellten Heizkörper werden in vielen Bauformen geliefert und dominieren den Markt. Geringe Bautiefe. Vorderseite glatt oder profiliert, Rückseite meist profiliert. Preiswerter als Radiatoren. Aufstellungshinweise wie bei Radiatoren.

2.7.1 Technische und bauliche Entscheidungen

e) Flächenheizungen Hierzu zählen die Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen. Diese Art der Heizung wird vorzugsweise dann verwendet, wenn aus architektonischen oder sonstigen Gründen in den beheizten Räumen keine Heizkörper sichtbar sein sollen, z.B. in Empfangszimmern, Kassenhallen, Festsälen oder in Bädern. In diesen Fällen muss der Architekt noch frühzeitiger als bei sonstigen Heizungen den Heizungsingenieur hinzuziehen, da die Heizrohre bereits während der Errichtung des Baues verlegt werden müssen. In Fabriken sind in den letzten Jahren häufig Bandstrahler eingebaut worden. Flächenheizungen mit Kunststoff- oder Kupferrohren werden i.d.R. als Fußbodenheizungen und seltener auch als Wandheizung verwendet, besonders geeignet für NT-Systeme wie Wärmepumpe, solarunterstützte Anlagen u.ä. Elektrische Fußboden-Speicherheizungen werden kaum noch bei entsprechend günstigem Nachtstromtarif eingesetzt, da sie primärenergetisch ungünstig sind und ihr Einsatz durch die Energieeinsparverordnung weitestgehend ausgeschlossen wird, hohe Energiekosten. Deckenheizungen mit Oberflächentemperaturen von 25 °C bis 30 °C sind als Heizfläche in Wohn- und Bürogebäuden vorteilhaft anwendbar (freie Raumgestaltung, Fensterflächen bis zum Boden, trägheitsarmes System etc.). Auch Kühldeckenflächen können als Deckenheizfläche Anwendung finden. f) Luftheizungen Bei Luftheizungen für Großräume ist rechtzeitig ein geeigneter Raum für die Ventilatoren und Lufterhitzer anzugeben. Auch die Lage der Zuluft- und Umluftkanäle ist gemeinsam mit der Installationsfirma festzulegen.

2.7.1-2.6

Rohrleitungen Siehe auch Abschnitt 2.2.3-3.

Bei großen Heizungsanlagen bilden die Kessel und Heizkörper miteinander verbindenden Rohrleitungen häufig ein umfangreiches, weitverzweigtes Rohrnetz. Um Behinderungen und Überschneidungen durch andere Installationsleitungen zu verhindern, ist die Rohrführung frühzeitig in einem Rohrplan festzulegen, aus dem außer der Lage der Rohrleitungen alle erforderlichen Wand- und Deckendurchbrüche sowie Mauerschlitze und Dehnungsausgleicher ersichtlich sein sollen. Rohrabstände einschließlich Dämmung rechtzeitig berücksichtigen. Neben Kupferrohren werden zunehmend Kunststoff- und Kunststoff-Verbundrohre eingesetzt, Einsatz von Stahlrohren rückläufig. Bei Wohnungen, Büroräumen und ähnlichen Gebäuden werden die Rohrleitungen aus hygienischen und architektonischen Gründen meist in Mauerschlitzen unter Putz verlegt. Vor dem Schließen der Schlitze sind die Rohre einer sorgfältigen Dichtigkeitsprobe zu unterwerfen. Alle nicht zur Wärmeabgabe bestimmten Rohrleitungen sind mit Wärmeschutz zu versehen, deren Dicke in der EnEV vorgeschrieben ist. Wärmeschutz mit Kunststoffschaum, Mineralwolle o.ä. Bei Verlegung von Rohren unterhalb des Estrichs ist wegen Korrosionsgefahr besondere Vorsicht geboten. Keine Verbindungsstellen, keine Beschädigungen der Rohre. Auch diese Rohre sind nach EnEV zu isolieren, was entsprechende Estrichdicke erfordert. Waagerechte Kupferrohrleitungen können auch hinter den Fußleisten der Räume verlegt werden. Bei Hochhäusern sind für die Hauptsteige- und Falleitungen besteigbare Rohrschächte zweckmäßig, die auch zur Aufnahme anderer Hausleitungen verwendet werden können. Bei der Durchführung von Rohren durch Wände und Decken sind Rohrhülsen mit Rosetten zu verwenden, damit sich die Rohre frei ausdehnen können, ohne den Putz zu beschädigen und Geräusche zu verursachen. Die Montagedauer für eine Heizungsanlage hängt von vielen Umständen ab. Überschlägig kann sie bei Neuanlagen in Tagen ermittelt werden, wenn man die Zahl der Kessel und Heizkörper mit 1,5 multipliziert. Gebäude werden zu sehr unterschiedlichen Zwecken genutzt. Die folgenden Ausführungen werden differenziert für – Wohngebäude, – Büro- und Verwaltungsgebäude,

1359

2

1360

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

– – – –

Schulen u.ä., Krankenhäuser/Kliniken, Gebäude für Sport- oder Versammlungszwecke, Freiflächenbeheizung

2.7.2

Wohngebäude

Eine Übersicht über die Heizenergieart im Bestand der bewohnten Wohnungen in Deutschland im Jahr 2010 gibt Tafel 2.7.2-1. Die Entwicklung der im Neubau gewählten Beheizungsart von 1995 bis 2010 kann Bild 2.7.2-1 entnommen werden (Statitisches Bundesamt destatis.de). Tafel 2.7.2-1

Bewohnte Wohneinheiten in Wohngebäuden nach überwiegender Beheizungs- und Energieart*) 2010 Deutschland

in 1000 Wohneinheiten insgesamt davon mit Beheizungsart Fernheizung Block-/Zentralheizung Etagenheizung Einzel- oder Mehrraumöfen davon mit Energieart Fernwärme Gas Elektrizität (Strom) Heizöl Briketts, Braunkohle Koks, Steinkohle Holz, Holzpellets Biomasse (außer Holz) Sonnenenergie Erd- und andere Umweltwärme, Abluftwärme Ohne Angaben

%

früheres Bundesgebiet ohne Berlin in 1000

%

neue Länder und Berlin in 1000

%

36089 4781 25620 3088 2601

13,2 71,0 8,6 7,2

2404 21372 2371 2,217

8,5 75,3 8,4 7,8

2376 4284 717 384

30,8 55,0 9,3 5,0

4740 17544 1429 10149 210 72 1258 21 23 269

13,1 48,6 4,0 28,1 0,6 0,2 3,5 0,1 0,1 0,7

2366 14079 1254 8839 49 61 1104 17 20 218

8,3 49,6 4,4 31,2 0,2 0,2 3,9 0,1 0,1 0,8

2374 3465 175 1310 161 12 154 / / 51

30,7 44,9 2,3 17,0 2,1 0,2 2,0 / / 0,7

376

1,0

359

1,3

17

0,2

*) Ohne Wohnheime; / = Keine Angabe, da Zahlenwerte nicht sicher genug.

2.7.2-1

Einfamilienhäuser

2.7.2-1.1

Örtliche Heizung (Zimmerheizung)

Die Verwendung von Einzelöfen mit Braunkohlenbriketts, Kohle oder Koks als Heizmittel in jedem der zu beheizenden Räume ist zweifellos die einfachste und eine in der Anschaffung billigste Form der Heizung, sofern man von elektrischen Direktheizungen absieht. Öfen jeder Bauart stehen in großer Auswahl zur Verfügung, gleichgültig, ob der Bauherr Kachel- oder eiserne Öfen vorzieht.

2.7.2 Wohngebäude

1361

2

Bild 2.7.2-1. Entwicklung der Beheizungsart in fertiggestellten Wohngebäuden von 1995 bis 2010.

Nachteilig sind bei dieser örtlichen Heizung der große Arbeitsaufwand zur Bedienung der Öfen, namentlich der Brennstoff- und Aschetransport, die Staubbildung bei der Ascheentfernung, ferner der große Platzverbrauch und die verhältnismäßig starke Emission von Schadstoffen. Außerdem bereitet die Verbrennungsluftversorgung in hochdichten Gebäuden Probleme. Hohe Oberflächentemperaturen können zu Verbrennungen führen. Örtliche Gasheizkörper (Gas-Einzelraumheizer) sind mit und ohne Schornsteinanschluss erhältlich, es gibt auch gasbetriebene Einsätze für Kachelöfen. Ölöfen mit Verdampfungsbrennern sind als eiserne Öfen und Kachelöfen mit Ölbrennereinsatz erhältlich. Die Ölversorgung der einzelnen Öfen kann auch zentral von einem Tank erfolgen. Öl-Einzelfeuerstätten sind in der Regel mit Geruchsbelästigungen verbunden. Die Überwachung der vielen Einzelfeuerstätten ist aufwendig (Bild 2.7.2-2). Einzelfeuerstätten erfüllen die heutigen Ansprüche an Komfort, Energieeffizienz und Umweltschutz nur bedingt, sie sind daher weitgehend von zentralen Warmwasserheizungen verdrängt worden und nur noch im Bestand anzutreffen. Eine Ausnahme bilden mit Holz beheizte Kaminöfen, die im Neubau als behagliche Zusatzheizung oder im Gebäudebestand zur Vermeidung übermäßig hoher Gas- bzw. Heizölkosten eine Renaissance erleben. Elektrische Direktheizung ist für Dauerheizung in der BRD in üblichen Gebäuden mit zu hohen Energiekosten verbunden; in Frankreich wegen der anderen Energieversorgung und -tarife sowie kürzeren Heizzeit jedoch häufig. Die Anzahl elektrischer Speicherheizgeräte im deutschen Markt ist stark rückläufig, was vor allem am hohen Primärenergieeinsatz und am Fehlen günstiger Nachtspeichertarife liegt.

1362

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Bild 2.7.2-2. Heizung mit Ölöfen.

2.7.2-1.2

Bild 2.7.2-3. Ventilatorluftheizung mit öl- oder gasbeheiztem Gerät für ein Einfamilienhaus.

Mehrzimmer-Kachelofenheizung

Diese Heizung stellte gewissermaßen den Übergang zur Zentralheizung dar, hat nur eine Feuerstelle in Küche, Wohnzimmer oder Diele. Der Ofen hat einen Kachelmantel mit Dauerbrandeinsatz. Die ursprünglich günstige Heizungsvariante hat sich bei individueller Raumgestaltung als Zusatzheizung weiterentwickelt und bewährt. Aufgrund der Nachteile der Geräusch- und Geruchsübertragung sowie der ungleichmäßigen Beheizung besonders entfernt gelegener Räume ist die Anwendung auf reiner Schwerkraftbasis zur Komplettheizung eines Gebäudes heutzutage nicht mehr relevant. Komfortablere Lösungen sind über kombinierte Heizeinsätze mit Wassertasche möglich. Hierbei können weiter entfernte Räume über z.B. Radiatoren beheizt werden.

2.7.2-1.3

Warmwasser-Zentralheizung

Im Keller oder im Erdgeschoss (Stockwerksheizung) ist der Warmwasserkessel aufgestellt, der das mittels Pumpe umgewälzte Heizwasser für die in den einzelnen Räumen aufgestellten Heizkörper erwärmt. Bei Gasheizungen ist wegen der Kostenvorteile auch eine Aufstellung im Wohnbereich (z.B. Küche) oder unter dem Dach verbreitet. Der meist öloder gasbeheizte Kessel ist häufig kombiniert mit einem Brauchwasserspeicher. Ausführung als offenes oder geschlossenes System. Vorherrschend ist das geschlossene System mit tiefliegendem Membran-Ausdehnungsgefäß, die Heizkörper (Radiatoren oder Konvektoren) werden im Allgemeinen unter den Fenstern aufgestellt (Bild 2.7.2-4 und Bild 2.7.2-5).

Bild 2.7.2-4. Geschlossene Warmwasser-Zentralheizung mit Ölfeuerung für ein Einfamilienhaus.

Bild 2.7.2-5. Konvektor mit Verkleidung.

2.7.2 Wohngebäude

Häufigster Wärmeerzeuger im Neubau ist ein Gas-Brennwertkessel (mit Solarunterstützung), der Anteil der Wärmepumpen steigt deutlich, Öl spielt hingegen nur noch eine sehr untergeordnete Rolle. Bei Verfügbarkeit günstiger Nachtstromtarife könnte ein Elektro-Zentralspeicher eingesetzt werden. Allerdings sind dabei Gewicht und Platzbedarf zu beachten. Dieses in Skandinavien verbreitete Heizungssystem kommt in Deutschland kaum zum Einsatz, da wie bei dezentralen Elektrospeicherheizungen Primärenergiebedarf und Energiekosten hoch sind. Falls der Bauherr keine sichtbaren Heizkörper wünscht, können Flächenheizungen z. B. in Form von Fußbodenheizungen eingebaut werden. Investitionskosten sind jedoch deutlich höher als bei freien Heizflächen. Fußbodenheizungen mit Kupfer- oder Kunststoffrohren werden im Neubau, besonders bei Einfamilienhäusern, häufig eingebaut. Heizkörper in Form von Sockelheizkörpern werden ebenfalls verwendet (siehe Abschnitt 2.2.2-2.6). Einrohr-Pumpenheizungen haben Nachteile bezüglich der Regelbarkeit und benötigen mehr Energie, sie werden daher kaum noch neu installiert. Mit zunehmendem Erdgasangebot und besserer Wärmedämmung gewannen die Umlaufgaswasserheizer an Bedeutung (siehe Abschnitt 2.2.5-2.2.3). Geringer Platzbedarf und Kombination mit Brauchwasserbereitung im gleichen Gerät. Auch geeignet für Altbausanierung. Inzwischen haben sich jedoch zentrale Systeme mit nur einem Wärmeerzeuger je Gebäude weitgehend durchgesetzt.

2.7.2-1.4

Sonstige Heizmöglichkeiten

Warmluftheizung, Heizung mit Wärmepumpe, Heizung mit Solarenergie, Biomassekessel (Pellets, Hackschnitzel, Stückholz).

2.7.2-2

Mehrfamilienhäuser

2.7.2-2.1

Örtliche Heizung (Zimmerheizung)

Die örtliche Heizung mit Einzelöfen ist zwar, wie schon gesagt, die einfachste und billigste Heizungsart, hat jedoch die bereits oben erwähnten Nachteile, die bei mehrgeschossigen Häusern besonders ins Gewicht fallen. Einzelöfen werden daher in Neubauten nur noch selten verwendet. Dazu kommt, dass bei Berücksichtigung der baulichen Nebenkosten (Abgasabführung) die Gesamtkosten bei Einzelöfen kaum niedriger sind als bei Zentralheizungen. Bezogen auf die Gesamtbaukosten eines Gebäudes unterscheiden sich die Kosten der verschiedenen Heizsysteme nur wenig voneinander. Vergleicht man jedoch die Investitionskosten der Heizungssysteme untereinander, so ergeben sich deutliche Unterschiede. Koks als Brennstoff ist fast vollständig durch Heizöl und Erdgas verdrängt worden. Einen Übergang zu den Zentralheizungen stellen Ölheizöfen mit zentraler Ölversorgung dar. Für kleinere Häuser Saugpumpen, für größere Druckpumpen mit Windkessel oder Zwischenbehälter im obersten Geschoss. Öltank im Keller oder Erdreich.

2.7.2-2.2

Elektrische Speicherheizgeräte

Ferner gibt es elektrische Zentralspeicher in Verbindung mit Warmwasserheizungen, die allerdings wesentlich höhere Investitionen bedingen.

2.7.2-2.3

Stockwerkswarmwasserheizung (Etagenheizung)

Jede Wohnung hat einen besonderen Warmwasser-Heizkessel mit Heizkörpern in den einzelnen Zimmern. Der Heizkessel ist in der Küche oder Diele aufgestellt (Bild 2.7.2-6). Der Betrieb der Heizungsanlage einer Wohnung erfolgt völlig unabhängig von den übrigen Wohnungen. Beheizung mit Gas oder in seltenen Fällen mit Öl. Günstig zu installieren (namentlich in Altbauten) ist die Gaszentralheizung mittels Umlaufgaswasserheizer (Bild 2.7.2-7). Verlegung der kupfernen Heizrohre unter den Wandleisten im Einrohr- oder Zweirohrsystem. Zweckmäßig ist die Kombination mit der Warmwasserversorgung in einem einzigen Gerät (Kombigerät), zumal wenn ein LAS (Luft/Abgas)-Schornstein verwendet werden kann. Diese Bauarten haben an Bedeutung gewonnen, zumal ihre Anschaffungskosten gering sind. Vorteilhaft ist die Messung des Wärmeverbrauchs mittels Gaszähler, so dass es eine einfache Heizkostenabrechnung ohne Beteiligung des Vermieters gibt.

1363

2

1364

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Gerät auch mit Wohnungslüftung kombiniert. Abluft und Abgas über Wärmeübertrager, der auch Kondensationswärme aus Abgas zurückgewinnt. Die Heizkessel für jede Wohnung können auch im Keller des Gebäudes aufgestellt werden, wobei zwar die Bedienung in der Wohnung entfällt, jedoch andere Nachteile entstehen: Höhere Anlagenkosten, Platzverbrauch im Keller, zusätzliche Energieverluste. Diese Variante ist daher ungebräuchlich.

Bild 2.7.2-6. Zentralheizung mit gasbeheiztem Küchenkessel und Warmwasserspeicher.

2.7.2-2.4

Bild 2.7.2-7. Stockwerksheizungen mit Gasumlaufheizern in einem Mehrfamilienhaus.

Warmwasserzentralheizung

Der im Keller des Gebäudes aufgestellte Warmwasserkessel mit senkrechten Strangleitungen versorgt die Heizkörper sämtlicher Wohnungen mit Wärme (Bild 2.7.2-8). Die Kessel meist für Öl- oder Gasfeuerung, auch atmosphärische Gasbrenner. Für die Warmwasserversorgung im Sommer selten ein zweiter Kessel. Nur eine Feuerstelle für das ganze Haus.

Bild 2.7.2-8. Pumpen-Warmwasserheizung im Zweirohrsystem für ein Mehrfamilienhaus.

2.7.2 Wohngebäude

1365

Eine Verbilligung der Herstellkosten bringt die Verwendung von Flachheizkörpern an Stelle von Radiatoren. Aufgrund der Energieeinsparverordnung müssen die Vorlauftemperaturen des Heizwassers automatisch in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder einer anderen geeigneten Führungsgröße und der Zeit gesteuert werden, ferner ist eine selbsttätige Raumtemperaturregelung vorgeschrieben. Eine andere Anordnung der Heizkörper zeigt Bild 2.7.2-9. Waagerechte Kupferrohr-Einrohrringleitung in jeder Wohnung. Kupferrohr teils an Raumdecke, teils am Boden unter Fußleisten verlegt. Regelventil für jede Wohnung, vorteilhaft ist die einfache Messung des Wärmeverbrauchs durch Wärmezähler. Die Gesamtkosten einer derartigen Heizkostenverteilung sind jedoch höher als bei Heizkostenverteilern am Heizkörper. Die Heizkostenabrechnung mit den einzelnen Nutzern ist nach der Heizkostenverordnung (letzte Bekanntmachung am 5. Oktober 2009) vorzunehmen. Der wesentliche Inhalt der Verordnung besagt folgendes: Die Gesamtbetriebskosten (Heizenergie, Hilfsenergie, Schornsteinfeger, Wartung) der zentralen Heizungsanlage und der Warmwasserversorgungsanlage sind getrennt zu ermitteln. Max. 50 %, mindestens jedoch 30 % der Gesamtbetriebskosten sind für alle Nutzer einzelverbrauchsunabhängig einheitlich nach der Wohn- oder Nutzfläche bzw. nach dem umbauten Raum (oder: nach der beheizten Wohn- oder Nutzfläche bzw. nach dem beheizten umbauten Raum) auf die Nutzer zu verteilen. Die verbliebenen max. 70 %, mindestens jedoch 50 % der Gesamtbetriebskosten sind für alle Nutzer einheitlich entsprechend dem Einzelverbrauch zu verteilen. Hauptziel der Heizkostenverordnung ist die Motivation zum sparsamen Umgang mit Wärme, die zur Energieeinsparung führt. Daneben soll eine gerechte Verteilung der Heizkosten erreicht werden, soweit dies objektiv mit einem vertretbaren Aufwand möglich ist. Der verbrauchsunabhängige Kostenanteil zwingt Nutzer auch dann zur Kostenbeteiligung, wenn sie selbst tatsächlich keinen Wärmeverbrauch hatten, weil ein gewisser Anteil der Kosten tatsächlich unabhängig vom individuellen Verbrauch auftritt (z. B. Schornsteinfeger, Wartung, Abrechnungskosten, Stillstands- und Leitungsverluste etc.) und Wärmeströme innerhalb des Gebäudes nicht erfasst werden.

Bild 2.7.2-9. Pumpen-Warmwasserheizung im waagerechten Einrohrsystem.

2

1366

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

2.7.2-2.5

Sonstige Heizmöglichkeiten

Warmluftheizungen, Heizung mit Solarenergie. Heizung mit Abluftwärmepumpe Mit zunehmender Wärmedämmung der Gebäude wird der relative Anteil des Wärmebedarfs für Lüftung am Gesamtwärmebedarf immer größer und nähert sich einem Wert von 50 %. In diesem Fall kann bei einer ventilatorgestützten Lüftung durch Einsatz einer Wärmepumpe die Abluftwärme zur Heizung verwendet werden. Aus der Abluft wird zunächst mittels eines Wärmeübertragers mit einem Wirkungsgrad von 50…70 % ein Teil der Wärme zurückgewonnen. Die Restwärme wird der Abluft in dem Verdampfer einer Wärmepumpe entzogen und bei einer Temperatur von etwa 30…35 °C dem Raum zugeführt.

Bild 2.7.2-10. Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung, bestehend aus Wärmeübertrager und Wärmepumpe.

Die Geräte zur Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung (Bild 2.7.2-10) können mit einem Erdwärmeübertrager kombiniert werden. Hierdurch wird das Erdtemperaturniveau im Winter zur Vorerwärmung und im Sommer zur Ankühlung der Zuluft genutzt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei richtiger Auslegung die Zulufttemperatur hinter dem Erdwärmeübertrager unabhängig von der Außenlufttemperatur stets größer als 0 °C ist. Hierdurch besteht im Winter keine Vereisungsgefahr für den Wärmeübertrager der Wärmerückgewinnung. Zu-/Abluftanlagen mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung (Wärmebereitstellungsgrade i.d.R. größer 90%) sind zwingender Bestandteil eines Passivhauses. Energieersparnis, jedoch bezüglich Anschaffung und Wartung teuer.

2.7.2-3

Niedrigenergiehäuser

Unter Niedrigenergiehäusern werden nach derzeitigem Sprachgebrauch Wohn- oder wohnähnliche Gebäude verstanden, die den Anforderungen der Energieeinsparverordnung entsprechen, der Jahresheizwärmebedarf (Nutzenergie) liegt üblicherweise bei ca. 25…70 kWh/m2a. Unter Niedrigstenergiegebäuden werden entsprechende Gebäude mit einem weiter verringerten Bedarf verstanden, sie werden ab 2020 verbindlich durch EURecht gefordert (nearly zero-energy buildings). Eine eindeutige technische Definition gibt es bisher jedoch nicht. Im Gebäudebestand sind Heizwärmebedarfswerte zwischen 100…250 kWh/m2a verbreitet, in Extremfällen bis zu 500 kWh/m2a.

2.7.3 Büro- und Verwaltungsgebäude

2.7.3

Büro- und Verwaltungsgebäude1)

2.7.3-1

Allgemeines

Unter der Rubrik „Bürogebäude“ oder „Verwaltungsgebäude“ sind solche Gebäude zusammengefasst, die in der Hauptsache Büroräume enthalten, insbesondere also Verwaltungsgebäude von Behörden und Industriefirmen, Geschäftshäuser mit vermieteten Büroräumen (Bürohäuser), Banken, Gerichtsgebäude, Postämter, aber auch die Bettenhäuser von Krankenanstalten, Hotelzimmer u. a. In der Regel sind auch eine Eingangshalle, mehr oder weniger Sitzungszimmer, Garagen, bei größeren Gebäuden auch ein Speiseraum bzw. Kantine vorhanden. Je nach der Gebäudeart gibt es außerdem noch eine Anzahl von Spezialräumen, z. B. bei Banken: Schalterhallen, Tresore, Wählerräume, bei Industriegebäuden: Ausstellungsräume, Werkstätten, bei Geschäftshäusern: Läden, Lagerräume, Garagen usw. Nachstehend sind zunächst die allen Gebäuden gemeinsamen Heizsysteme beschrieben, während die Heizung der Sonderräume in getrennten Abschnitten behandelt wird.

2.7.3-2

Heizungssysteme

a) Warmwasserheizung Die Warmwasserheizung mit 2-Rohr-Verteilung ist das in Deutschland in Vielraumgebäuden bevorzugte und bewährte Heizsystem, auch in Verbindung mit Klimaanlagen oder Lüftungsanlagen. Das Gesamtsystem wird aufgeteilt in einzelne Heizkreise, von denen jeder einzeln zentrale Regelmöglichkeit der Heizleistung und zentrale Absenkungsoder Abschaltmöglichkeit besitzt (Bild 2.7.3-1).

Bild 2.7.3-1. Prinzipschaltbild einer WW-Pumpenheizung für ein Verwaltungsgebäude mit verschiedenen Heizkreisen HK, darunter auch Lüftungsanlagen und Brauchwassererwärmer.

Sofern das Heizsystem mit Eigenwärmeerzeugung arbeitet, werden öl- oder gasgefeuerte Brennwert- oder Niedertemperaturkessel eingesetzt, im Bestand sind auch noch Standardkessel zu finden. Zur Verringerung des Primärenergiebedarfs werden häufiger Alternativen (Holzkessel, BHKW, Wärmepumpen etc.) geprüft, bisher überwiegen jedoch die Kessel. Sofern zusätzlich Dampf für andere Zwecke, z.B. Kochküchen oder

1)

Klimaanlagen. Holler, K.-F.: SHT (1977), Nr. 3, S. 236–246.

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2

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2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Dampfbefeuchter für Lüftungsanlagen, benötigt wird, wird ein separater öl- oder gasgefeuerter Dampferzeuger, z. B. in Form eines Schnelldampferzeugers, aufgestellt. Je nach dem Verhältnis der max. Wärmeverbrauchs-Leistungsanforderungen von Nicht-Dampfverbrauchern zu Dampfverbrauchern und je nach dem Verhältnis der Jahreswärmeverbräuche von Nicht-Dampfverbrauchern zu Dampfverbrauchern können auch andere Lösungen zweckmäßig werden, z. B. Niederdruckdampfkessel mit eingebauten Gegenstromapparaten (sogenannte 2-Kreis-Kessel) oder aber auch öl- oder gasgefeuerte Niederdruckdampferzeuger mit nachgeschalteten Wärmeübertragern für die Heizwassererwärmung. Beachtet werden muss, dass Dampferzeugungsanlagen im Allgemeinen einen erheblichen zusätzlichen Aufwand in Herstellkosten und Betrieb verursachen, durch notwendige Speisewasser- und Kondensataufbereitungsanlagen sowie für die Kondensatrückführung und die Erfüllung aller Sicherheitsanforderungen. Aufteilung der Kesselanlage zur Sicherung der Versorgung und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit in 2 oder 3 Einheiten. Für die Brauchwasserversorgung separater Kessel für den Sommerbetrieb u.U. wirtschaftlich. Da die Wärmeleistungsanforderungen von Heizkörpern in Vielzweckgebäuden zeitlich und örtlich unterschiedlich anfallen, ist es zweckmäßig, die Gesamtanlage in einzelne Heizkreise zu unterteilen. Diejenigen Räume, denen Heizkörper jeweils eines Heizkreises zugeordnet werden, müssen mind. gleiche Nutzungszeit haben, um die zugehörige energiesparende Nacht- bzw. Nacht- und Wochenendabsenkung anwenden zu können. Ggf. ist eine weitere darüber hinausgehende Differenzierung von Heizkreisen vorzunehmen, wenn auf unterschiedliches Raumtemperaturniveau abgehoben werden muss oder zusätzlich andere Raumerwärmungsmöglichkeiten vorgesehen sind (z.B. aus raumlufttechnischen Anlagen). Heizungstechnische Anlagen mit Wasser als Wärmeträger müssen nach EnEV mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur ausgestattet werden. Mit Ausnahme von Wohngebäuden ist für Gruppen von Räumen gleicher Art und Nutzung eine Gruppenregelung zulässig. In diesem Fall kann die selbsttätige Regelung der einzelnen Heizkörper entfallen, es kommt eine sogenannte Gruppen- oder Zonenregelung zum Einsatz. Bei vielgeschossigen Gebäuden (Hochhäusern) kann eine überlagernde vertikale zusätzliche Heizkreiseinteilung zweckmäßig sein, wenn während starken Windanfalls die ansteigende Wärmeleistungsanforderung der Heizkörper in den oberen Geschossen nicht von vornherein durch Heizflächenvergrößerung berücksichtigt wird, sondern durch jeweilige Vorlauftemperaturerhöhung während des tatsächlichen Belastungsfalles. Weiterhin kann eine vertikale Zonierung zweckmäßig sein, wenn anderenfalls die tiefer liegenden Heizkörper wirtschaftlich nicht mehr für die erhöhten Betriebsdrücke vertretbar sind. Allerdings ist dann eine hydraulische Trennung von den anderen Heizkreisen notwendig. Umwälzpumpen werden durch einen Elektromotor angetrieben. Soweit die Leistungsgrößen es zulassen, sollen Rohreinbaupumpen bzw. sog. Inline-Pumpen aus Gründen der Platzersparnis direkt in den Rohrleitungsverband eingebaut werden. Nur für hohe Ansprüche an die Betriebssicherheit ist jeweils eine Reservepumpe zu installieren, ggf. mit automatischer Umschaltung im Störfall und automatischer zeitabhängiger Umschaltung. In Normalfällen genügt die Bevorratung von Pumpen-Austauschsätzen oder kompletten Pumpenaggregaten. Die maximale Betriebstemperatur üblicher Warmwasser-Heizungsanlagen liegt entsprechend DIN EN 12828 bei 105 °C. Derartig hohe Vorlauftemperaturen sind in der Vergangenheit vor allem bei Fernwärme- und Einrohrheizungen realisiert worden, heutzutage betragen die maximalen Heizwasser-Auslegungstemperaturen der einzelnen Heizkreise 90 °C. Jede andere darunterliegende Vorlauftemperatur von Heizkreisen ist technisch möglich. Diese Vorlauftemperaturen werden durch Abmischen oder durch zweckmäßige Hintereinanderschaltungen (Reihenschaltung) mit Verbrauchern höherer Vorlauftemperatur erreicht. Die Zweckmäßigkeit der Hintereinanderschaltung von Heizkreisen bedarf stets genauerer Untersuchungen, insbesondere auch über das Teillastverhalten der voran- und der nachgeschalteten Anlagenteile. Als nachgeschaltete Systeme mit entsprechend niedriger Vorlauftemperatur sind Heizkreise für Lufterhitzer in raumlufttechnischen Anlagen und für Warmwasserbereitung geeignet. Von besonderem Vorteil kann die Hintereinanderschaltung von Heizkreisen bei Fernwärmeanschluss dann werden, wenn der tarifliche Leistungspreisanteil auf Grund des eingestellten max. Fernheizwasser-Durchsatzes gebildet wird oder eine Wärmeabnahme unterhalb einer gewissen primärseitigen Rücklauftemperatur nicht berechnet wird.

2.7.3 Büro- und Verwaltungsgebäude

1369

b) Druckhaltung Als Einrichtungen zur Druckhaltung und zur Aufnahme des Expansions-Heizwasservolumens bieten sich Membranausdehnungsgefäße als geschlossene Behälter mit werksseitiger Stickstoff-Füllung an oder als offene Behälter mit Fremd-Druckluftbeaufschlagung oder mit Eigenkompressor erzeugter Druckluft. Geschlossene Membranausdehnungsgefäße benötigen erheblich mehr Platz als letztgenannte, sind jedoch wartungsarm und verhindern einen ungewollten Sauerstoffeintrag in das Heizungswasser. Die mit Kompressor ausgestatteten Membranausdehnungsgefäße sind in den Anschaffungskosten höher und benötigen wegen des Kompressors und seiner Steuerung Wartung. Membranausdehnungsgefäße mit Fremd-Druckluft benötigen eine Fremd-Druckluftquelle. c) Niedertemperaturheizung Die Auslegungstemperaturen von Heizkreisen haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich in Richtung niedrigerer Werte entwickelt. Die bis in die 1980er Jahre übliche 90/ 70 °C Auslegung wurde durch 70/55 °C abgelöst. Seit Einführung der EnEV werden i.d.R. Niedertemperaturheizungen mit max. Vorlauftemperaturen von 55 °C eingesetzt. Niedertemperaturheizsysteme bewirken niedrigere Wärmeverluste der Verteilsysteme, ferner sinken die Verluste des Wärmeerzeugers, insbesondere beim Einsatz von Brennwertkesseln, aber auch bei NT-Kesseln. Sie erschließen grundsätzlich die Möglichkeit, als Wärmeerzeuger auch Wärmepumpen oder Solarthermie einzusetzen, wobei im Allgemeinen die wirtschaftlich vertretbare höchste Vorlauftemperatur einer Wärmepumpe bei 50 C liegt, es sei denn, dass der Antrieb der Wärmepumpe über einen Verbrennungsmotor erfolgt. Die Herstellkosten für eine Niedertemperatur-Heizung sind wegen der erforderlichen größeren Heizflächen und der größeren Rohr- und Armaturen-Querschnitte etwas höher als bei Hochtemperaturanlagen. Fast ohne Herstellkostenerhöhungen können Niedertemperaturheizsysteme zur Versorgung von Lufterhitzern in raumlufttechnischen Anlagen angewendet werden. d) Einrohrheizungen Die Warmwasserheizung mit vertikaler oder horizontaler Einrohrverteilung hatte in der Vergangenheit dort Verbreitung gefunden, wo die räumliche Konfiguration und die zeitlich gleiche Nutzung von Räumen den Vorteil dieses preiswerten Rohrsystems zulässt (horizontale Ringe, vertikale Haupt-Steigeleitung in Verbindung mit einer Vielzahl von vertikalen Fall-Leitungen oder umgekehrt). Im Neubau wird die Einrohrheizung kaum noch installiert, da sie gegenüber der üblichen Zweirohrheizung energetische und regelungstechnische Nachteile aufweist. Funktionsprinzip der Einrohrheizung siehe Abschnitt 2.1.2. Bei kleineren Anlagen kann über Spezial-Heizkörperventile der gesamte EinrohrzweigDurchsatz geführt werden. Das Ventil besorgt dann die Verteilung für den Heizkörper einerseits und für die Umgehung des Heizkörpers andererseits. Nachteilig ist die in Strömungsrichtung ständig abnehmende Vorlauftemperatur am jeweiligen Heizkörper. Besondere Schwierigkeiten können eintreten, wenn Einrohr-Heizungsanlagen an Fernwärmeversorgung angeschlossen werden, die eine möglichst große Abkühlung, zwingend eine Mindestabkühlung, des Gesamtheizwassers verlangen. Abhilfe ist theoretisch möglich durch eine Umkehrheizung. Bei solchen Anlagen würden die Heizkörper am Ende eines Einrohrringes unverhältnismäßig groß werden wegen der geringen Temperaturdifferenz tmHK – ti (ti = Raumlufttemp.). Mit dem System der waagerechten Umkehrheizung (sogenannte Perpendikelheizung) wird dieser Nachteil weitgehend ausgeglichen. Hierbei wird in regelmäßigen Intervallen (ca. 20…30 min) die Fließrichtung des Wasserstroms umgekehrt (Bild 2.7.3-3), so dass über die Betriebsstunde gerechnet alle Heizkörper eine vergleichbare Mitteltemperatur erhalten. Es können bis 100 und mehr Heizkörper hintereinander angeordnet werden. Maßgebend für die max. Heizkörperanzahl ist der Energiebedarf der Umwälzpumpe (ca. 1…2 % des jährlichen Heizenergiebedarfs), abhängig von der Temperaturspreizung tV –tR, der verwendbaren Ringleitungsdimension und dem Widerstand des Heizkörperanschlusses einschließlich Thermostatventil. Der Temperaturwechsel im Heizkörper ist wegen der thermischen Trägheit des Gebäudes subjektiv als Raumtemperaturschwankung kaum zu spüren. Ein Ausgleich erfolgt zudem durch die Thermostatventile und dadurch, dass nach jedem Umschaltvorgang sich

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1370

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Bild 2.7.3-2. Senkrechte Einrohr-Pumpenheizungsanlage.

Bild 2.7.3-3. Waagerechte Umkehr-Einrohrheizung (Perpendikel-Heizung) für niedere Rücklauftemperatur (große Spreizung).

2.7.3 Büro- und Verwaltungsgebäude

1371

während 5…10 min (je nach Heizkörperanzahl/Rohrleitungslänge und Förderstrom) der Temperaturwechsel am Heizkörper langsam vollzieht. Folgende wesentliche Voraussetzungen sind bei der Perpendikelheizung zu erfüllen: – Vierwege-Umschaltventil mit kürzester Laufzeit und kleinster Leckrate, – Thermostatventile mit geringem Widerstand (300…600 Pa, Hochhubventil mit ca. 2 mm Hub) und mit beidseitig anströmbarem Regulierkegel bei gleichbleibender Regelcharakteristik (Bild 2.7.3-4),

Bild 2.7.3-4. Hochhubventil für Umkehrheizung (Sulzer/Temset).

– einwandfrei dehnungsgerecht verlegte Ring- und Verteilleitung (sonst ständige Knackgeräusche bei Heizwasser-Temperaturwechsel), – Heizkörperanordnung reitend, um Schwerkrafteinfluss auszuschalten, der bei senkrechter Rohrführung wegen des kleinen Widerstandes im Ventil und Heizkörper sonst zu großen Einfluss nehmen würde, – Verlegung der Ringleitung in Rund- oder Vierkantrohr über Fußboden, im Estrich oder an der darunterliegenden Decke. Das Ventil V1 bewirkt eine von der Außentemperatur abhängige Vorlauftemperatur-Regelung (Bild 2.7.3-3). Ein zweites Ventil V2 kann als Maximal-Begrenzer dienen, um bei Fernheizungen die Rücklauftemperatur nach oben – z. B. auf 40 °C – zu begrenzen. Dann ist aber zu beachten, dass dieses Ventil kurz nach dem Umschalten der Fließrichtung warmes Vorlaufwasser erhält und für wenige Minuten die Leistungszufuhr (Vorlauftemperatur) drosselt (zum Ausgleich werden die Heizkörper z. B. um 10 % überdimensioniert). Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn einige Heizkörper außer Betrieb sind. Bei Rücklaufbegrenzung ist daher große Sorgfalt bei der Auslegung von Regelung, Rohrnetz und Pumpe erforderlich. Fernheizanschluss gemäß Abschnitt 2.1.2 oder Kesselanschluss z. B. nach Bild 2.7.3-1.

2.7.3-2.1

Heizkörperberechnung:

Die mittlere Heizflächentemperatur ist für alle gleich großen Heizkörper gleich, sofern auch Kurzschlussstrecke und Anschlusssituation gleich sind. Bei abweichenden Heizkörper-Wärmeleistungen sind entsprechende Berechnungen anzustellen. Beispiel: Bild 2.7.3-5 50 Heizkörper je 1200 W Leistung, tV = 90 °C, tR = 40°C · = 50 · 1200 / (4200 · 50) = 0,286 kg/s = 0,29/1000 m3/s Wasserstrom m Ringleitung: 150 m, 3/4″, R = 400 Pa/m, w = 0,81 m/s. Umwälzpumpe: Δp = 100 kPa, V· = 0,00029 m3/s, Phydr. = 30 W. Heizkörpergröße und Kurzschlussstrecke: Berechnung gemäß Abschnitt 2.6.3-1.1, Bild 2.6.3-10. e) Niederdruckdampfheizung ist in Vielraumgebäuden ungeeignet, weil die bereits für Wohngebäude aufgezeigten Nachteile hier noch gravierender greifen. f) Vakuumheizung ist demgegenüber im Ausland, namentlich in den USA, häufig verwendet worden. Die Mehrzahl aller älteren großen amerikanischen Bürogebäude sind mit derartigen Heizungsanlagen ausgerüstet, die sich bei uns jedoch nicht einführen konnten. Die Heizleistung wird je nach Außentemperatur durch ein mehr oder weniger großes Vakuum reguliert. Dampfdruck veränderlich von 0,2 bis 1,1 bar. Besonders gut für Anschluss an Dampffernheizungen geeignet.

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1372

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Bild 2.7.3-5. Beispiel für Temperaturverlauf längs des Einrohrringes. Vorlauf tV = 90 °C; Rücklauf tR = 40 °C. a Temperaturverlauf bei Rechtslauf b Temperaturverlauf bei Linkslauf c Heizkörper-Mitteltemperatur tmHK je nach Bypass-/Heizkörper-Strom d zum Vergleich: Heizkörper-Mitteltemperatur bei Zweirohrheizung; gleichzeitig durchschnittliche Heizkörper-Eintrittstemperatur im Einrohrring innerhalb des Umschalt-Zeitintervalls

g) Klimaanlagen Klimatisierte Räume mit Außenfenstern oder Außenfassaden erhalten an der Außenfassade dann Heizkörper, wenn die Klimatisierung nicht über Induktionsgeräte an der Fassade vorgenommen wird. Bei Einbau von Induktionsgeräten übernehmen diese auch die Abdeckung des Wärmeverlustes nach außen. Wenn keine Induktionsgeräte installiert werden, dienen die Heizkörper der Grundtemperierung der Räume bei abgeschalteter Klimaanlage und kompensieren im Betrieb der Klimaanlage den Kaltluft- bzw. Kaltstrahlungseffekt der Fassade.

2.7.3-3

Heizkörper

Radiatoren aus Gusseisen oder Stahl oder Flachheizkörper verschiedenster Bauart unter den Fenstern sind die normale Ausführung. Befestigung auf Konsolen oder Füßen. Regulierventil mit Voreinstellung oder thermostatische Ventile (ebenfalls mit Voreinstellung für hydraulischen Abgleich). Die gegenüber Radiatoren oder Flachheizkörpern ohne Strahlungsanteil arbeitenden Konvektoren sind billiger, leichter und haben einen geringeren Wasserinhalt und deshalb eine schnellere Auf- und Abkühlzeit. Konvektoren sollten nicht eingesetzt werden an Aufstellungsorten, an denen von vornherein erhöhte Verschmutzungsgefahr besteht. Bei der Verwendung von Konvektoren muss unbedingt auf gute Zugänglichkeit zum Zwecke der Reinigung geachtet werden, besonders gilt dies für die Einbauart als Unterflur-Konvektor. Die gelegentlich eingesetzten Flächenheizungen in Form von Deckenheizungen, Fußboden- und Wandheizungen haben sich in Vielzweckgebäuden nicht durchgesetzt. Ihrem Hauptvorteil, ohne Platzbedarf im Nutzbereich auszukommen, stehen die Nachteile hoher Herstellkosten, hoher Trägheit, ungünstiger technischer Zugänglichkeit und mangelnder Flexibilität bei Änderung der Raumaufteilung gegenüber. In Büroräumen, in denen Deckenheizungen verwendet werden, empfiehlt sich die Verwendung zusätzlicher Heizflächen unter den Brüstungen großer Fenster, um den Kaltlufteinfall von den Fenstern her zu verringern. Die Deckenheizungen lassen sich auch im Sommer zu einer allerdings mäßigen Kühlung verwenden, indem durch die Rohre Kaltwasser geleitet wird. Luftheizungen, die mit Luft als Wärmeträger im Umluftbetrieb ohne weitere Luftbehandlung arbeiten, werden gern in Eingangsbereichen zu Abschirmzwecken eingesetzt, so z.B.

2.7.3 Büro- und Verwaltungsgebäude

1373

in Tür-Schleusenanlagen, Tor-Schleieranlagen und für Fensterblasanlagen, ferner als Decken- oder Wand-Umluftheizgeräte für Räume untergeordneter Bedeutung, z. B. Lager. Andere Anlagen, die mit erwärmter Luft als Wärmeträger arbeiten, jedoch Außenluftanteil haben oder einer über die Erwärmung hinausgehenden Luftbehandlung unterzogen werden, gehören bereits zu den raumlufttechnischen Anlagen .

2.7.3-4

Heizkessel- und Apparateraum

Öl- oder gasgefeuerte Warmwasserheizkessel als Gussgliederkessel oder Stahlkessel. Größe der erforderlichen Kessel- und Brennstoffräume s. Abschnitt 2.7.1-2. Beispiele von Heizräumen ebenda. Gelegentlich befindet sich die Kesselanlage auf dem Dach (Dachzentralen), mit dem Vorteil, dass die sonst über sämtliche Geschosse gehende Schornsteinanlage wesentlich verkleinert wird und die entsprechende Unterkellerung für die Aufstellung der Heizanlage selbst entfällt. Besonders günstig ist diese Aufstellungsart, wenn im gleichen Dachgeschoss auch raumlufttechnische Geräte oder Kälteerzeugungsanlagen aufgestellt sind. Wesentliche Vereinfachungen ergeben sich, wenn statt der Eigenwärmeerzeugung Fernwärmeanschluss gewählt werden kann, insbesondere bezüglich der Wartung. In solchen Fällen wird die Fernwärmeübergabestation meist in einem gemeinsamen Raum mit der Einzelheizkreis-Verteilstation kombiniert. Die Verbindung zwischen Fernwärmeteil und Hauswärmeteil kann hydraulisch gekoppelt (direkter Anschluss) oder aber hydraulisch entkoppelt, d.h. durch Trennung über Wärmeübertrager (indirekter Anschluss) erfolgen. Heutzutage üblicherweise indirekter Anschluss. Sämtliche kontrollbedürftigen und wichtigen Apparate wie Pumpen, Regelkreise, Steuerungen, Schaltungen und Messungen sowie der Gesamtschaltschrank befinden sich im gleichen Raum.

2.7.3-5

Warmwassererzeugung

Man unterscheidet die Wassererwärmer nach Durchfluss-Wassererwärmer, SpeicherWassererwärmer und Wasserspeicher (DIN 4753-1:2011-11). Durchfluss-Wassererwärmer sind Erwärmer, in denen das Trink- oder Betriebswasser im Wesentlichen während der Entnahme (des Durchflusses) erwärmt wird. Speicher-Wassererwärmer sind Erwärmer, in denen das Trink- oder Betriebswasser im Wesentlichen vor der Entnahme erwärmt und zum Verbrauch bereitgehalten wird. Wasserspeicher sind unbeheizte Speicherbehälter, die betriebsmäßig mit einem Durchfluss-Wassererwärmer oder einem Speicherwassererwärmer verbunden sind. Weiter wird unterschieden nach der Bauart in offene und geschlossene Wassererwärmer. Die ersten sind solche, die mit der Atmosphäre ständig unmittelbar oder über ein offenes Ausdehnungsgefäß in nicht absperrbarer Verbindung stehen. Geschlossene Wassererwärmer sind solche, die keine offenen Wassererwärmer sind. Für Brauchwassererwärmungsanlagen, die an eine Zentralheizungsanlage angeschlossen sind, muss wegen sparsamer Energieverwendung der Grundsatz gelten, dass das Brauchwasser im Wassererwärmer nie höher erwärmt werden soll, als es der Verwendungstemperatur entspricht. Die Heizmittel-Eintrittstemperatur in den Wassererwärmer sollte aus gleichem Grunde so niedrig wie möglich gehalten werden. Insbesondere bei härteren Wässern sollte die Heizmittel-Eintrittstemperatur 60–70 °C keinesfalls überschreiten. Wassererwärmer nach dem Durchflussprinzip beschränken sich inderRegel auf kleine Leistungen. Der Großteil der Wassererwärmungsanlagen wird ausgeführt nach dem Speicherwassererwärmer-Prinzip. Bei größeren Wassererwärmungsanlagen empfiehlt sich das Brauchwasser-Speicherprinzip mit Durchfluss-Wassererwärmer und Wasserspeicher ohne Heizfläche, beide auf der Brauchwasserseite hydraulisch mit einer Ladepumpe verbunden (Speicher-Lade-System). Nur das letztgenannte Prinzip gestattet es, definierte Lade- und Entladezeiten sowie definierte Ladeleistungen zu realisieren und damit die Gesamtwärmedarbietung einer Anlage sinnvoll zu vergleichmäßigen. Sommerkessel Bei Wassererwärmungsanlagen, die an Eigenwärmeerzeugungsanlagen angeschlossen sind, ergibt sich jeweils außerhalb der Heizperiode das Problem, dass die Wärmeleistungsanforderung der Warmwassererwärmungsanlage nur einen Bruchteil der Nennleistung der Eigenwärmeerzeugungsanlage beträgt. Sind außerhalb der Heizperiode in größeren

2

1374

2. Heizung / 2.7 Ausführung für verschiedene Nutzungsarten

Anlagen auch noch Wärmeleistungsanforderungen anderer Verbraucher, z. B. für RLTAnlagen vorhanden, so ist die Installation eines sog. Sommerkessels zu überlegen. Besteht außerhalb der Heizperiode Wärmeleistungsanforderung allein für Wassererwärmer, so ist ein eigener, besonderer, direkt warmwassererzeugender öl- oder gasgefeuerter Warmwassererwärmer verwendbar. Bei relativ kleinem Warmwasserbedarf im Vergleich zum sonstigen Heizwärmebedarf kann auch die Umschaltmöglichkeit auf elektrische Warmwasserbereitung mit Speicherung außerhalb der Heizperiode angewendet werden. Heizkessel mit eingebauten Wassererwärmern, diese mit interner Ladepumpe arbeitend, sind für Vielzweckgebäude in den meisten Fällen nicht die geeignete Lösung.

2.7.3-6

Heizung der einzelnen Räume

a) Sitzungszimmer erhalten normale Heizkörper, jedoch empfiehlt sich, die Heizleistung nur für eine Raumtemperatur von etwa 12–15 °C zu bemessen, sofern der Raum zusätzlich in der Nutzungszeit mit erwärmter Zuluft aus einer raumlufttechnischen Anlage versorgt wird, die gleichzeitig für die Lufterneuerung sorgt. b) Eingangshallen in modernen Verwaltungsgebäuden erhalten häufig, soweit nicht eine Radiatorheizung in Frage kommt, eine Luftheizung, namentlich, wenn bis auf den Fußboden herabreichende große Fenster vorhanden sind, so dass sich örtliche Heizkörper nur schlecht verwenden lassen. Der Warmlufteintritt muss in diesem Fall unmittelbar vor den Fenstern erfolgen, oder die Kaltluft hier abgesaugt werden. Auch der Haupteingang ist zweckmäßig an die Luftheizung mit anzuschließen. Bei großen Eingängen besondere Türheizung. Decken- oder Fußbodenheizungen werden häufig aus architektonischen Gründen bevorzugt. Fußbodenheizungen allein decken jedoch meist nicht die Heizlast. c) Speiseräume (Kantinen) werden üblicherweise mit Radiatoren oder Flachheizkörpern ausgestattet. Konvektoren sind hier wegen der Verschmutzungsgefahr ungünstig. Zusätzlich zu den örtlichen Heizkörpern, die auch auf Grundheizung ausgelegt sein können, ist Zu- und Abluft aus einer RLT-Anlage erforderlich. d) Lagerräume können zur Verbilligung der Heizungsanlage mit billigeren Heizkörpern wie Konvektoren oder Rohrschlangen oder Lufterhitzern versehen werden. e) Tresorräume bei Banken oder anderen Geschäftshäusern werden immer im Kellergeschoss angeordnet. Sie sind mit starken Umfassungswänden versehen und haben ringsherum meist einen Kontrollgang. Der Heizbedarf ist gering und kann häufig durch elektrische Heizkörper gedeckt werden, zumal er auch im Sommer erforderlich ist. Da der Raum fast vollkommen luftdicht ist, ist bei größeren Tresoren auch eine Lüftung erforderlich, die am besten mit der Heizung zu einer Luftheizung verbunden wird. Der Luftein- und -austritt erfolgt durch besondere schlangenhalsförmig gebogene Stahlrohre mit Stahlplatten an beiden Seiten. Der Luftwechsel ist gering zu wählen, etwa 2- bis 3fach je Stunde. Lufterhitzer im Sommer elektrisch oder Anschluss an den Sommerheizkessel, im Winter Anschluss an die Zentralheizung.

2.7.4

Schulen u.ä.

2.7.4-1

Allgemeines

Hinweise für die Planung, den Bau und den Betrieb von Heizungs-, Lüftungs- und Warmwasserbereitungsanlagen in Schulen. Hrsg. vom AMEV.

2.7.5 Krankenhäuser/Kliniken

2.7.4-2

1375

Heizungssysteme1)

Bestes Heizungssystem zentrale Warmwasserpumpenheizung mit örtlichen Heizkörpern. Für gleichzeitig benutzte und gleich gelegene Räume eigene Umwälzpumpen (Rohrpumpen) mit Mischerregelung. Falls Räume teilweise nicht benutzt sind, Einzelraumtemperaturregelung mit Fernsteuerung.2) Einzelöfen nur früher und für kleine Schulen, heute unüblich. Ölöfen und Gasöfen. Gasöfen wirtschaftlich bei geringen Tarifen und kurzen Unterrichtszeiten. Bemessung der Gasöfen mit 60 bis 80% Zuschlag zur Heizlastberechnung. Vollautomatik und Fernzündung möglich. Früher auch elektrische Speicherheizung3) bei günstigen Stromtarifen angewendet, heute unüblich. Für Klassenräume Speicheröfen von 2 bis 4 kW Leistung unter den Fenstern, für Großräume Luftheizung mit Blockspeichern. Wirtschaftlichkeitsberechnung erforderlich. Gute Wärmedämmung unerlässlich; spez. Heizlast 9. Beachten: Leistungsversuche werden meistens im geschlossenen Gaskreislauf durchgeführt, Leistungsminderung durch mitgerissenen Tropfen entfallen, bei Überhitzung < 6 K nimmt dieser Einfluss spürbar zu durch Nachverdampfen im Saugraum und durch nicht genutzte Kälteleistung im Verdampfer. Die theoretische Antriebsleistung kann ebenfalls aus der Dampftafel oder dem log p,hDiagramm ermittelt werden. Die idealisierte Verdichtung wird als Isentrope angenommen, sie kann als spezifische isentrope Arbeit als Strecke (h2 – h1) abgegriffen werden. In den Gütegrad ηe realer Maschinen werden die Verluste des Verdichtungsvorganges selbst (der indizierte Wirkungsgrad ηi) und die mechanischen Verluste mit dem Wirkungsgrad ηm (Reibung, Ölpumpe, ggf. Riementrieb) eingerechnet. Da bei einem Druckverhältnis pc/po = 1 der indizierte Wirkungsgrad gegen Null geht, zeigt der Kurvenverlauf ein Maximum bei pc/po = 2 … 5. Das ergibt einen Gütegrad ηe = ηi · ηm und daraus die Antriebsleistung an der Welle PWelle = m· 1 (h2–h1) / ηe und mit dem Wirkungsgrad des Elektromotors ηel die Klemmenleistung PKl PKl = PWelle / ηel = m· 1 (h2–h1) / ηe ηel (W bzw. kW) ηe ist aus Bild 5.4.1-2 zu entnehmen, allerdings mit einem recht großen Streubereich aus einer großen Zahl von Verdichtern.

5

Bild 5.4.1-3. Betriebsverhalten von KaltdampfHubkolbenverdichtern mit Kältemittel R 404A.

Bild 5.4.1-4. Betriebsverhalten von KaltdampfHubkolbenverdichtern mit Kältemittel R 134a.

Betriebsdaten eines halbhermetischen· Schraubenverdichters (Katalogwerte), bezogen auf das geometrische Saugvermögen Vg = 1 m3/h, sind für Bild 5.4.1-3 und Bild 5.4.1-4 (Kältemittel R 404A, und für R 134a verwendet worden, die Leistungszahl εK ist auf die elektrische Leistungsaufnahme bezogen. Die hier gezeichneten Linien eines Schrauben-

2332

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

verdichters verlaufen für alle Verdrängungsverdichter (Kolben-, Schrauben-, Spiral-V.) ähnlich. Ein Beispiel verdeutlicht die Bedeutung der Wahl eines Kältemittels zur Ermittlung der Baugröße und des Energiebedarfes: – Verdampfung bei 4,5 °C, Überhitzung 6 K, Verflüssigung bei 40 °C, geforderte Kälteleistung 200 kW: • R134a: abgelesen 0,63 kW/(m3/h) und Leistungszahl εK =4,7 • R404A: abgelesen 1,0 kW/(m3/h) und Leistungszahl εK =3,7 – Daraus die vorzusehende Baugröße (geometrische Förderleistung) des Verdichters • R134a: 200/0,63 = 317 m3/h • R404A: 200/1,0 = 200 m3/h · – Die erforderliche Antriebsleistung aus P = Qo/εK • R134a: 200/4,7 = 42,5 kW • R404A: 200/3,7 = 54,1 kW Gemessen an den Klemmen des Motorverdichters. Bauarten Offene Verdichter haben ein geschlossenes, unter Kältemitteldruck stehendes Gehäuse; der Antrieb erfolgt außerhalb des Gehäuses an der Welle; Wellenabdichtung mittels Gleitringdichtung erforderlich; Antrieb durch Elektromotor oder andere Kraftmaschinen direkt oder mittels Keilriemen. · Baugröße V h von 5 m3/h für Pkw-Klimatisierung bis zu über 2000 m3/h bei großen, ölfreien Trockenlaufverdichtern.

Bild 5.4.1-5. Motorverdichter (Bitzer). 1 = Druckabsperrventil 2 = Kolben 3 = Kurbelwelle 4 = Ölpumpe 5 = Lager 6 = Ölsaugleitung 7 = Ölfilter

8 = Zylinderkopf 9 = Kurbelgehäuse 10 = Motorgehäuse 11 = Hauptlager 12 = Ansaugfilter 13 = Gasdruckausgleich 14 = Saugabsperrventil

15 = Ölwannen-Abschluss 16 = Öldruckregulierventil 17 = Ölstand 18 = Öldruck-Rückflussventil 19 = Motor-Stator 20 = Motor-Rotor 21 = Kurbelwannen-Ölheizung 22 = Anschlussklemmen

Halbhermetische Verdichter (Motorverdichter). Der Elektromotor ist zusammen mit dem Verdichter in einem gemeinsamen zusammengeschraubten Gehäuse untergebracht (Bild 5.4.1-5). Der Motor ist mit Spezialisolierung für den Betrieb in der Kältemittelatmosphäre versehen und wird meist durch den Kältemittel-Saugdampf gekühlt. Da hierbei mit zunehmender Belastung auch Kühlwirkung besser wird, können Motoren klein dimensioniert werden. Dadurch geringerer Anlaufstrom und höherer cos ϕ als bei Nor· malmotoren für offene Verdichter. Baugrößen V h = 3…500 m3/h, entsprechend im Klimabereich bei R404A oder R407C etwa 3…500 kW Kälteleistung.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

2333

Hermetische Verdichter. Motor und Verdichter sind in einem verschweißten, dicht geschlossenen Gehäuse untergebracht (Kapselverdichter, Bild 5.4.1-6). Welle meist senkrecht, Motor meistens oben. Kühlung durch Kältemittel, vorwiegend Saugdampf. Reparatur nicht möglich, defekte Verdichter werden ausgetauscht.

Bild 5.4.1-6. Kapselverdichter-Schnittbild (DWM-Copeland).

Verwendung hauptsächlich in Raumklimageräten, Klimaschränken, Kühlschränken usw. · Baugröße V h von 0,5…50 m3/h. Arbeitsventile. Früher Gleichstrom-Gasführung mit Saugventil im Kolben, Dampfstrom durch Kolben nach oben. Heute werden die Ventile im Oberteil des Zylinders untergebracht; Saugdampf strömt von oben in den Zylinder und wird nach oben wieder ausgeblasen (Wechselstrom-Gasführung). Die Saug- und Druck-Arbeitsventile arbeiten selbsttätig in der Art wie Rückschlagventile. Mehrzylinderbauart Zylinder werden in V-, W- oder VV-Form angeordnet, dadurch guter Massenausgleich möglich. Leistungsregelung1) von Kolbenverdichtern bedeutet Volumenstromregelung bei unverändertem Druckverhältnis. Auf eine noch ausreichende Gasgeschwindigkeit in der Saugleitung zum Öltransport ist zu achten. Folgende Möglichkeiten haben Bedeutung: 1. Verdichterabschaltung bei Aufteilung der Kälteleistung auf mehrere Verdichter. 2. Änderung der Drehzahl durch Verwendung polumschaltbarer oder regulierbarer Motoren. 3. Beipass-Regelung: Druckdampf strömt zur Saugseite über; nicht wirtschaftlich, aber einfache Lösung (siehe Bild 5.7.1-3). 4. Saugdruckregelung: ein Drosselventil zwischen Verdampfer und Verdichter senkt bei Teillast den Saugdruck und reduziert praktisch leistungsneutral die Kälteleistung (siehe Bild 5.4.7-9). 5. Abschalten von Zylindern durch offen- oder geschlossen halten der Saugventile mittels Servokolben oder Greifern, die mit Öldruck oder Druckdampf als Steuermedium beaufschlagt werden. Magnetventile dienen als Schaltorgane für das Steuermedium, wenn elektrisch oder elektronisch Temperatur geregelt werden soll, z.B. Kaltwasservorlauf. Ein hydraulisches Relais wird zum Schalten verwendet, wenn der Saugdruck geregelt werden soll. Ein bzw. zwei Zylinder bleiben ungeregelt. Übliche Stufeneinteilung:

1)

Hagenlocher, T.: Ki (1983), Nr. 12, S. 469–471.

5

2334

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

ZylinderzahlStufen in % des Fördervolumens 100 – 67 – 33 3 4 und 8 100 – 75 – 50 – 25 5 100 – 80 – 60 – 40 6 100 – 67 – 50 – 33 Die eingebaute Leistungsregelung dient gleichzeitig der Anfahrentlastung bei SternDreieck-Anlauf oder Teilwindungsstart.

5.4.1-2

Schraubenverdichter1)

Man unterscheidet zwei verschiedene Bauarten: 1. Schraubenverdichter mit zwei schrägverzahnten Rotoren (Twin-Screw) Die beiden parallel angeordneten Rotoren greifen mit ihrer Verzahnung ineinander. Zunächst öffnet sich an der Einlassseite eine wendelförmige Zahnlücke bis sie auf ganzer Länge mit Sauggas gefüllt ist. Das Gegenprofil des zweiten Rotors schließt nun den Zahnlückenraum, mit der weiteren Rotation wandert der Zahneingriff von der Saugzur Druckseite, das eingeschlossene Volumen wird kleiner und das Gas verdichtet. Erst wenn an der Austrittsseite eine Öffnung erreicht wird, beginnt das Ausschieben des komprimierten Gases bis zum vollständigen Entleeren des Zahnlückenraumes. Das erreichbare Druckverhältnis entspricht dem eingebauten Volumenverhältnis: gesamter Zahnlückenraum zu Volumen bei Beginn des Ausschiebens. (Bild 5.4.1-7). 2. Schraubenverdichter mit einem schrägverzahnten Rotor (Single-Screw) Angetrieben wird die mit Nuten versehene Walze (ähnlich einem Schneckenrad), zwei gegenüberliegende Zahnscheiben greifen in die Nuten ein und bewirken die Verdichtung des eingeschlossenen Gases (Bild 5.4.1-8).

Bild 5.4.1-7. Schnittmodell eines modernen Schraubenverdichters (YORK Industriekälte).

1)

Paul, J.: KK (1981), Nr. 12, 5 S. Ki-Forum (1983), Nr. 6, S. 261–267. Stenzel, B.: Ki (1983), Nr. 10, S. 417–421. Mötz, K.: Ki (1983), Nr. 10, S. 409–412. Mosemann, D.: Ki (1994), Nr. 6, S. 283–287.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

2335

Bild 5.4.1-8. Schraubenverdichter mit einem Rotor (Hall). Draufsicht im Teilschnitt

Bei beiden Bauarten sorgt ein großer Öldurchsatz zur Schmierung der Gleitflächen, Kühlung des Verdichtungsvorgangs und zur Abdichtung der Zahnprofile gegeneinander und zur Gehäusewand. Nachgeschaltet werden Ölabscheider und Ölkühler. Die besonderen Vorzüge der ölgefluteten Schraubenverdichter: – nur drehende Bewegung, fast stetige Förderung, Laufruhe – keine Arbeitsventile, nur ein Rückschlagventil, um Rückströmung des verdichteten Gases zu verhindern – unempfindlich gegen Flüssigkeitsanfall – stufenlose Leistungsregelung bis 10 … 25 % der Volllast – kein Schadraum, dadurch günstigerer Liefergrad als Hubkolbenverdichter Leistungsregelung bei Doppelschraubenverdichter: Ein den Rotorkonturen angepasster Schlitten kann axial bewegt werden und öffnet die bereits gefüllte Zahnlücke zur Saugseite. Proportional zum Schlittenhub verringert sich so das durchgesetzte Gasvolumen. Allerdings wird dabei auch das Volumenverhältnis kleiner und mit ihm das Druckverhältnis. Bei gleich bleibendem Verflüssigerdruck fällt dadurch der Teillastwirkungsgrad ab, mit wahlweise ansteuerbaren Austrittsöffnungen oder im Steuerschieber integrierten Austrittsöffnungen kann das Volumenverhältnis den abweichenden Betriebsbedingungen angepasst werden. Grobe Anhaltswerte für Liefer- und Gütegrade bei Volllast vermittelt Bild 5.4.1-2. Größere Doppelschraubenverdichter haben oft einen zusätzlichen Sauganschluss etwa in der Mitte des Verdichtungsweges. Damit kann der warme Kältemittelstrom aus dem Verflüssiger auf einen Zwischendruck entspannt und der entstehende Entspannungsdampf abgesaugt werden, Bild 5.4.1-9a. Bei einer anderen Schaltung wird ein Teilstrom auf den Zwischendruck entspannt, unterkühlt den Hauptstrom in einem Wärmeübertrager (Economizer), der vollständig verdampfte Teilstrom wird bei diesem Zwischendruck abgesaugt. Insgesamt erhöht sich damit die Kälteleistung der Anlage. Verfügbar in Baugrößen mit 100 bis 15000 m3/h (entsprechende Kälteleistung 80 bis 12000 kW), Bild 5.4.1-9b. Minimales Druckverhältnis 4, der Leistungsgewinn steigt mit zunehmendem Druckverhältnis, bzw. mit sinkenden Verdampfungstemperaturen. Der Leistungsgewinn verringert sich bei Teillast, eine Ansaugbohrung im gleitenden Leistungsschieber ermöglicht das Ansaugen des Mitteldruckgases auch bei Teillast und erweitert die Anwendung des Economizers. Volumenverhältnis Ansaug zu Ausblas ist durch Schraubengeometrie festgelegt, verschiedene Verhältnisse möglich. Größere Abweichung vom Auslegungsverhältnis verschlechtert Wirkungsgrad. Anhaltswerte für Liefer- und Gütegrad siehe Bild 5.4.1-2. Halbhermetische Bauart verfügbar. Stufenlose Leistungsregelung bis 10 … 25 % durch Steuerschieber möglich, der die wirksame Rotorlänge verändert. Betätigung des Steuerschiebers über Dreipunktregler mit Zeitglied oder stetigen Regler. Es ist aber der deutlich schlechtere Teillastwirkungsgrad zu beachten; je höher das Druckverhältnis, um so schlechter!

5

2336

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.1-9. a) Zwischendruckbehälter mit Gasabsaugung: zweistufige Entspannung. b) Nebenstrom unterkühlt den Hauptstrom in einem Wärmeübertrager.

Fast alle großen zweirotorigen Schraubenverdichter haben außer dem Steuerschieber für die Leistungsregelung einen zweiten Steuerschieber zur Veränderung des Volumenverhältnisses. In Verbindung mit einer Mikroprozessor-gesteuerten Regelung ergibt sich damit eine optimale Anpassung an in weiten Bereichen variierende Betriebszustände und entsprechend niedriger Energieverbrauch.1) Größere Schraubenverdichter mit zwei Rotoren haben am Gehäuse eine Öffnung, durch die Kältemitteldampf bei mittlerem Druck angesaugt werden kann. Dies erlaubt Absaugung eines Kältemittel-Teilstromes bei Mitteldruck, durch den in einem Wärmeübertrager – Economizer – eine zusätzliche Unterkühlung· des Kältemittels und damit mehr Kälteleistung gewonnen werden kann. Baugrößen V h = 100…15000 m3/h (80…12000 kW Kälteleistung). Der Kältemittelstrom wird auf Mitteldruck entspannt, der entstehende Dampf am Zwischendruckstutzen abgesaugt, Bild 5.4.1-9a. Alternativ wird nur ein Teilstrom entspannt und unterkühlt den Hauptstrom in einem Wärmeübertrager, Bild 5.4.1-9b). In beiden Fällen Leistungsgewinn durch Unterkühlung: „Economizer“. Druckverhältnis mind. 4, Leistungsgewinn steigt mit Druckverhältnis (bzw. tiefen Verdampfungstemperaturen). Der Leistungsgewinn verringert sich bei Teillast, eine Ansaugbohrung im gleitenden Leistungsschieber ermöglicht das Ansaugen des Mitteldruckgases auch bei Teillast und erweitert die Anwendung des Economizers.

5.4.1-3

Rollkolbenverdichter

Verdichtung erfolgt durch an der Innenwand eines Kreiszylinders abrollenden, auf der Welle exzentrisch gelagerten Kolbens. Trennung von Saug- und Druckseite durch einen oder mehrere Schieber im Zylinder · (Bild 5.4.1-10). Anwendung nur in hermetischen (Kapsel-)Verdichtern. Baugrößen V h = 10…40 m3/h.

5.4.1-4

Drehkolbenverdichter2)

Verdichtung erfolgt durch in einem Kreiszylinder exzentrisch angeordneten rotierenden Kolben, in dem sich mehrere Schieber befinden, die durch Fliehkraft an die Zylinderwand angedrückt werden. Hierdurch werden einzelne Verdichtungszellen gebildet, deshalb auch Bezeichnung Vielzellenverdichter (Bild 5.4.1-11). Gut geeignet für große Fördervolumen bei kleiner Druckdifferenz, deshalb vorwiegend als Niederdruckstufe bei zweistufiger Verdichtung. Kleinere Leistungen auch halb- und vollhermetisch. · Baugrößen V h = 300…6000 m3/h.

1) 2)

Heyer, I.: Ki (1988), Nr. 6, S. 277–284. Mosemann, D.: Ki (1993), Nr. 5, S. 189–193. Bosée, R.: Ki (1988), Nr. 11, S. 472–477.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

2337

Bild 5.4.1-10. Funktionsprinzip eines Rollkolbenverdichters mit 2 Trennschiebern.

Bild 5.4.1-11. Funktionsprinzip eines Vielzellenverdichters.

5.4.1-5

Spiral-(Scroll)-Verdichter1)

Die Verdichtung erfolgt zwischen zwei Scheiben mit spiralförmig angeordneten Rippen, von denen eine feststeht und die andere kreisförmig exzentrisch oszilliert (Bild 5.4.1-12). · Anwendung in hermetischen Verdichtern (Kapseln), Baugröße V h = 5…20 m3/h, aber auch offene Bauweise, speziell für Fahrzeugkühlung.2) Die Verdichter haben ein festgelegtes Volumen- und damit auch Druckverhältnis. Weicht beim Betrieb das erforderliche Druckverhältnis davon ab, ergibt sich eine Unter- oder Überkompression mit Auswirkung auf den Gütegrad. Das Gütegradmaximum ist deshalb ausgeprägter als bei Kolbenverdichtern mit Ventilen, Bild 5.4.1-12a und b.

5 Bild 5.4.1-12. Prinzip des Spiralverdichters (Hitachi). Links: Schnittbild.

Rechts: Arbeitsweise.

a…b…c…d Umlaufsinn.

1 Gasraum 2 Ansaugöffnung 3 Ausschuböffnung

4 oszillierende Spirale 5 feste Spirale 6 Ansaugen

7 Ausschieben 8 Verdichten

1) 2)

Uhle, T., Henchoz, M.: Ki (1991), Nr. 10, S. 417–420. Kaiser, H.: Ki (1994), Nr. 1, S. 24–29.

2338

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Turboverdichter (-kompressoren)1)

5.4.2

Verdichtung erfolgt durch Beschleunigung des Gasstroms im Laufrad, Druckerhöhung teils als statischer Druck mit ρ · ua2/2 (daher Gase mit großer Dichte bevorzugt), teils als kinetischer Druck mit verlustbehafteter Verzögerung. Aufbau und Betriebsverhalten vergleichbar mit Kreiselpumpe oder Radialventilator. Schnitt durch einstufigen Verdichter mit Getriebe Bild 5.4.2-1. Berechnung mit dimensionslosen Kennziffern u2 2

a Δhis = Ψ · ------

daraus u2 2

a Δp = ρ · Δhis = ψ · ρ · ------

·

V

π = ϕ · --- · da2 · ua Kältemittel – Volumenstrom in m3/s 4

π

ua = ----- · n · da Umfangsgeschwindigkeit bei da in m/s 60 da = Laufradaußendurchmesser in m n

= Drehzahl 1/min 

2

 kg

J m kg - ⋅ ----- Δhis = isentrope Verdichtungsarbeit -----  = -----2 kg  s

ψ

= Druckziffer, dimensionslos

ϕ

= Durchflussziffer, dimensionslos

Teillastregelung der Verdichter durch – Drehzahländerung – Vordralländerung mittels Vordrall-Leitschaufeln – Diffusoränderung mittels Spaltverengen oder Diffusor-Leitschaufeln Beispiele aller drei Regelungsarten in Bild 5.4.2-2. An der Pumpgrenze ist die maximal erreichbare Druckerhöhung erreicht, bei höherem Gegendruck setzt der Förderstrom kurzzeitig aus, bis wieder Stromfluss möglich wird. Dieser periodische Vorgang führt zu massiven Schwingungen bis zur Zerstörung des Laufrades. Bei gegebenem Verdampfungsdruck po ergibt Δhis über das log p,h-Diagramm des betreffenden Kältemittels (oder über Dampftafeln für den überhitzten Bereich) den erreichbaren Verflüssigungsdruck pc. Die Kälteleistung ergibt sich zu · · Q o = V · qovt (kW) qovt = theoretische volumetrische Kälteleistung. Die Antriebsleistung an der Welle ergibt sich zu Δ h is 1 P = ρ ---------- · ρo V· ------- (kW)

η is

ηm

ρo

= Gas bei Ansaugzustand kg/m3 ηm = mechanischer Wirkungsgrad einschließlich Getriebe. Maximale Umfangsgeschwindigkeit ua etwa 250 m/s, da sonst Schallgeschwindigkeit am Laufradeintritt überschritten wird. Damit maximal erreichbar Δhis von etwa 35 kJ/kg. Bedingungen der Klimakälte to = 0 °C, tc = 40 °C, können also mit einstufiger Verdichtung erreicht werden. 1)

Hess, H.: Ki (1985), Nr. 2, S. 61–64.

5.4.2 Turboverdichter (-kompressoren)

Bild 5.4.2-1. Einstufiger offener Turboverdichter mit Getriebe (YORK International).

2339

Bild 5.4.2-2. Prinzipdarstellung der Kennlinien und Pumpgrenzen von Turboverdichtern. 1 = Vordrall-Leitschaufel 2 = Druck- und Temperatursensoren 3 = Verdichterlaufrad (1. Stufe) 4 = Frequenzumformer 5 = Magnetlager 6 = Motor- und Lagersteuerung

5 Bild 5.4.2-3. Zweistufiger R134a-Turboverdichter mit Magnetlager und frequenzgeregeltem Antrieb, vollkommen ölfrei, halbhermetische Bauart (Danfoss-Turbocor).

Ein Direktantrieb mit 2-poligen Elektromotoren, 3000 l/min, erfordert für die nötige Umfangsgeschwindigkeit sehr große Laufraddurchmesser, die wiederum einen unerwünscht großen Volumenstrom bringen. Kältetechnisch sehr interessant ist deshalb die Entwicklung eines 2-stufigen Verdichters mit Frequenzwandler anstelle des Getriebes, völlig ölfreien Magnetlagern und halbhermetischer Bauart, Bild 5.4.2-3. Der Wegfall des Schmier-/Kühlmittels vereinfacht den Betriebskreislauf erheblich, die periodische Ölrückgewinnung entfällt, der Wärmeübergang im Verdampfer und Verflüssiger ist vollkommen ölfrei. Wasserkühlsätze werden mit mehreren Verdichtern bestückt, so dass eine maximale Nutzung der günstigen Voll- und Teillasteigenschaften erreicht wird.

2340

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Als Kältemittel ausschließlich das chlorfreie R134a. Stetige Leistungsregelung möglich durch 1. Drehzahlregelung (bei Antrieb über Frequenzwandler oder durch Dampfturbine). 2. Vordrallregelung (verstellbare Leitschaufeln vor Laufradeintritt, Bild 5.4.2-1). 3. Diffusorregelung mit verstellbaren Schaufeln im Diffusor, Kurven ähnlich der Vordrallregelung, selten. 4. Heißgas-Bypass-Regelung, Überströmventil zwischen Druck- und Saugseite. Kennlinie der Turboverdichter hat einen · Gipfelpunkt beim maximal erreichbaren Δhis und zugehörigem Grenzvolumenstrom V G. Wird dieser bei Teillast unterschritten, ohne dass sich Δhis ausreichend verringert, erfolgt Rückströmung durch den Verdichter, bis der Druck so weit absinkt, dass der Verdichter wieder fördern kann. Der Verdichter pendelt ständig zwischen Förderung und Rückströmung. Dieser Betriebszustand, „Pumpen“ genannt, muss unbedingt vermieden werden, da er zu Schäden am Verdichter führt. Verlauf der „Pumpgrenze“ bei den verschiedenen Regelungsarten ist in Bild 5.4.2-2 eingetragen. Betriebsverhalten (vgl. Bild 5.4.2-2): Auslegungs-Betriebspunkt A muss genügend weit von Pumpgrenze entfernt sein. Verschmutzung von Verflüssiger und Verdampfer führen zu Erhöhung von Δhis , damit wandert· Betriebspunkt auf Kennlinie in Richtung Pumpgrenze zu kleinerem Volumenstrom V . · Bei Teillastbetrieb unterhalb V G muss die Anlagencharakteristik so sein, dass mit kleiner · werdendem V auch das erforderliche Δhis mindestens so viel geringer wird, dass der Betriebspunkt unterhalb der Pumpgrenze liegt. Auslegung des Teillastbetriebes nach AHRI-Standard 551/591-2011 oder siehe Abschnitt 5.6.2-4. Bei kritischer oder unsicherer Anlagencharakteristik Pumpgrenze automatisch überwachen und rechtzeitig abschalten oder Bypass-Ventil öffnen. Deshalb Regelung oft Kombination mehrerer möglicher Verfahren.

5.4.3

Verflüssiger (Kondensatoren)1)

5.4.3-1

Grundlagen

Die beim Kälteprozess aufgenommene Wärme wird im Verflüssiger an Kühlmedium abgegeben; Summe · aus · Überhitzungs-, Verflüssigungs- und Unterkühlungswärme. Verflüssigerleistung Q c = Q o + a · P (vgl. Abschnitt 5.2.1-3). Förderleistung sinkt mit zunehmender Verflüssigungstemperatur, gleichzeitig steigt die Antriebsleistung, Bild 5.4.1-3 und Bild 5.4.1-4, insgesamt sinkt die daraus resultierende Verflüssigerleistung. Bild 5.4.3-1 gültig für volumetrisch fördernde Verdichter (Kolben, Scroll, Schraube). Turboverdichter weisen in dieser Darstellung ein Maximum auf. Temperaturverlauf im Verflüssiger siehe Bild 5.4.3-2.

Bild 5.4.3-1. Abzuführende Verflüssigerleistung eines Verdrängungsverdichters.

1)

Bild 5.4.3-2. Temperaturverlauf im Gegenstrom-Verflüssiger.

Schnell, H.; Schnell, W. D.: TAB (1986), Nr. 11, S. 751–757.

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

2341

·

Erforderlicher Volumenstrom V W des Kühlmediums warme Seite (Verflüssiger) ermittelt sich zu Q· c · V W = W · ------------------------- in m3/h t WA – t WE tWA = Austrittstemperatur Kühlmedium tWE = Eintrittstemperatur Kühlmedium W = Kenngröße Kühlmedium (bei 30 °C): 3

3600 m ⋅ K W = ------------ · --------------- (WWasser = 0,865, WLuft = 3090) ρ ⋅ c p kWh Übliche Auslegungsdaten im Sommerextrem: – Wasser aus Rückkühlwerk, 25 bis 29 °C, tc ca. 33 bis 37 °C – Brunnen- oder Oberflächenwasser: tc ca. 37 °C – Außenluft, 33 bis 38 °C, tc ca. 50 bis 60 °C. Luftkühlung erfordert also für gleiche Spitzenlast-Kälteleistung größere Verdichter und höheren Energieverbrauch der Verdichter. Für Wahl des Kühlmediums Wirtschaftlichkeitsrechnung erforderlich, Ergebnis u.a. abhängig von im Bauwerk installierter Kälteleistung, Anzahl der Kälteanlagen und Lage derselben im Gebäude. Wenn kein Brunnenoder Oberflächenwasser verfügbar, bei wenigen Anlagen kleinerer Leistung meistens Luftkühlung günstiger. Bei größerer Leistung und/oder größerer Zahl von Anlagen meistens Wasserkühlung mit Rückkühlwerk wirtschaftlicher, da Luftvolumenströme im Bauwerk nicht unterzubringen oder weite Wege, insbesondere Steighöhen, für Kältemittelleitungen problematisch sind. Daneben Luftkühler mit Wasserbenetzung, sogenannte Hybridkühler. Neben unterschiedlichen Investitionskosten gehen in Wirtschaftlichkeitsberechnung ein: Bei Wasserkühlung Energiekosten für Pumpen und Rückkühlwerke, Wasserverbrauch einschließlich Abschlämmen, gegebenenfalls Wasseraufbereitungskosten, Reinigungskosten. Bei Luftkühlung Energiekosten der Ventilatoren und höherer Energieverbrauch der Verdichter (Jahresmittel, abhängig von Regelung), Reinigungskosten. Im Rahmen von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen zunehmend Installation zusätzlicher Verflüssiger, z.B. wassergekühlt für Erwärmung von Brauchwasser und/oder Heizungswasser. Hauptverflüssiger dient dann zur Abführung der nicht mehr nutzbaren Wärme an Luft oder Kühlturmwasser. Für einwandfreie Funktion des Expansionsorgans sowie für sinnvolle Wärmerückgewinnung darf Verflüssigungsdruck einen Mindestwert nicht unterschreiten, ebenso bei Schraubenverdichtern ohne eigene Ölpumpe (Ölversorgung durch Differenzdruck), entsprechende Regelung erforderlich. Verflüssiger unterliegen der Druckbehälterverordnung, ein Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsüberdruckes muss durch Sicherheitseinrichtungen verhindert werden.

5.4.3-2

Wassergekühlte Verflüssiger

1)

Häufigste Bauart sind Rohrbündel-Verflüssiger (Shell and Tube Type) Bild 5.4.3-3. Sie bestehen aus einem Mantelrohr mit beiderseits angeschweißten Rohrplatten, in die die Innenrohre eingeschweißt oder eingewalzt sind. Wasser fließt in den Rohren, Kältemittel kondensiert im Mantelraum. Abnehmbare Wasserumlenkdeckel beiderseits, mit Wasserein- und -austrittsstutzen. Bei dieser Bauart kann dadurch wasserseitig mechanisch – z.B. mit Bürsten – gereinigt werden.

1)

Paikert, P.: Wärmepumpentechnologie. Band VI, Vulkan-Verlag, Essen 1980, S. 38–53.

5

2342

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.3-3. Rohrbündel-Verflüssiger.

Durch Einbauten in Wasserumlenkdeckeln kann Zahl der Wasserwege verändert und damit optimale Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren erreicht werden. Bei HFKW-Kältemitteln sind Kupferrohre mit Rippenstrukturen innen und außen üblich. Wärmeübergangskoeffizienten auf der Wasser- und Kältemittelseite erreichen 10 bis 35 kW/m2K, so dass selbst geringe Schmutzschichten starken Einfluss auf den GesamtWärmedurchgang nehmen. Dies ist besonders zu beachten bei offen zirkulierendem Kühlturmwasser und bei Oberflächenwasser. Hier werden Rohre empfohlen, deren wenig gewellte oder glatte Wasserseite weniger zu Ablagerungen neigt, aber nun deutlich niedrigere Wärmeübergangskoeffizienten aufweist. Bei Kupferrohren die Wassergeschwindigkeit nicht unter 1 bis 1,2 m/s (Ablagerungen) und nicht über 2 m/s (Abrasion) vorsehen, bei sehr sauberem, gefiltertem Wasser bis 2,5 m/s, siehe auch die nachfolgend zusammengestellten Richtwerte. Die Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten erfolgt durch halbempirisch angepasste Gleichungen in Auslegungsprogrammen der Rohrhersteller.1) Beachten: Einschränkungen durch minimale und maximale Wärmestromdichten (W/m2), bei sehr kleiner Teillast, 25 % und darunter muss die Dimensionierung darauf ausgerichtet sein. Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten berücksichtigt Verschmutzung innen und außen durch Zuschläge Ri und Ra, allgemein als fouling factor ffi und ffa bezeichnet, obwohl es additive Größen sind. Der Wärmeleitwiderstand der (Kupfer)Rohre ist vernachlässigbar, die Bezugsfläche wird mit dem Hüllendurchmesser berechnet (Herstellerangabe). Aus Bild 5.4.3-4 ist beispielhaft der Leistungsabfall eines Verflüssigers bei zunehmender Verschmutzung abzulesen. Mit innen-/außenstrukturierten Rohren überträgt der Apparat 360 kW bei Verflüssigungstemperatur 32,3 °C und Kühlwasser 26 °C, Verschmutzungszuschlag Ri = 0,44 · 10-4 m2K/W; Ra = 0. Steigt die Verschmutzung auf für Kühlturmwasser empfohlene 1,8 · 10-4 m2K/W, steigt bei gleich bleibend 360 kW auch die Verflüssigungstemperatur auf nahezu 35 °C. Bei gleicher Rohrzahl aber anders gestalteter Wasserseite, innen gewellt oder glatt, verschieben sich die Kennlinien des Verflüssigers zu noch höheren Verflüssigungstemperaturen. Der sinkenden Leistung kann durch mehr Fläche entgegengewirkt werden (dabei auf genügend Strömungsgeschwindigkeit achten!). Eine Kennlinie zeigt das Leistungsvermögen des zugeordneten Verdichters. Für kleinere Leistungen werden oft Koaxial-Verflüssiger verwendet (Aufbau wie Bild 5.4.4-4). Sie bestehen aus einem oder mehreren wasserführenden Kernrohren, meistens außen berippt, und mit einem darüber geschobenen Mantelrohr gemeinsam schraubenförmig gewickelt. Im Ringraum fließt das Kältemittel. Kühlwasserregelung bei Frischwasserbetrieb siehe Abschnitt 5.4.7-4, bei Kühlturmbetrieb Abschnitt 5.4.8-3.

1)

www.wieland-thermalsolutions.com.

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

2343

Berechnung Der Wärmedurchgangskoeffizient Uo (bisher ko) fasst die Widerstände bei der Wärmeübertragung von einem wärmeren auf ein kälteres Fluid zu einem Begriff zusammen (siehe Abschnitt 1.3.5-5.2). · Q o = Uo · A · Δt (W) Der Kehrwert 1/Uo wird als Wärmedurchgangswiderstand definiert, zusammengesetzt aus Teilwiderständen l Aa l l ------ = ----- + ------ ----- (m2K/W), Uo αa Ai αi wobei der Wärmeleitwiderstand der Rohrwände vernachlässigt ist. Der U0-Wert ist auf die Außenfläche Aa der Rohre bezogen, diese Bezugsfläche wird aus dem Hüllendurchmesser (Herstellerangabe) berechnet. Zur Berücksichtigung der Verschmutzung sind zusätzlich Widerstände Ri auf der Innenseite der Rohre und Ra auf der Außenseite der Rohre zu berücksichtigen. Die Gleichung für den Wärmedurchgang lautet dann Aa l l l ---- = ----- + R a + ------  ----- + R i (m2K/W),  Ai  αi αa U Der Wärmeübergang einer glatten Wasserseite (Rohrinnenseite) kann nach den bekannten Gleichungen berechnet werden (siehe Abschnitt 1.3.5-2). Der Wärmeübergangskoeffizient auf der Kältemittelseite ist abhängig von Art des Kältemittels, Temperaturdifferenz und Konstruktionsgeometrie, sowie nebst Ra vom Ölgehalt des Kältemittels. Empfohlene Werte für Ri bei Cu- und Messingrohren: 2

m K R i in -----------W Seewasser Brackwasser Flusswasser Stadt- und Brunnenwasser Kühlturmwasser unaufbereitet Kühlturmwasser; Zusatzwasser behandelt

1 · 10-4 3 · 10-4 3 · 10-4 1 · 10-4 4 · 10-4 2 · 10-4

Bei Stahlrohren etwa die doppelten Werte

Die Wassergeschwindigkeit in den Rohren sollte 1 m/s nicht unterschreiten, um die Verschmutzung und Korrosion in Grenzen zu halten. Die maximalen Geschwindigkeiten im Rohr sind von der Wasserqualität und dem Rohrwerkstoff abhängig: Rohrwerkstoff mittel max. Al 1,5 m/s Cu 1 – 2,2 m/s 2,5 m/s CuNi10Fe 1 – 3 m/s 3 m/s CuNi30Fe 1 – 3 m/s 4 m/s Edelstahl 1 – 3,5 m/s 4 m/s

5

2344

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.3-4. Verflüssigerkennlinien bei zunehmender Verschmutzung strukturierter Rohre und bei Rohren mit gewellter bzw. glatter Innenseite. Überlagert die Kennlinie eines Schraubenverdichters.

Bild 5.4.3-5. Kennlinien eines Verflüssigers mit variabler Kühlwassertemperatur, überlagert die Kennlinien eines Verdichters bei 100 bis 25 % Leistung.

Folgen zunehmender Verschmutzung mit kleiner werdendem Wärmedurchgangskoeffizienten steigt die erforderliche Temperaturdifferenz und damit die Verflüssigungstemperatur, daraus resultiert geringere Kälteleistung, höherer Energieverbrauch und bei hohen Kühlwassertemperaturen im Sommerextrem Abschaltung durch Druckbegrenzer. Zusätzliche Verschmutzung ff (m2 K/W) erfordert höhere Temperaturdifferenz, um gleiche Wärmemenge zu übertragen:

Δtzusätzlich = q · ff Überwachung des Kühlwassers, Behandlung des Zusatzfrischwassers, hinreichende Abschlämmung (s. Abschnitt 5.4.8-3) sowie auch regelmäßige Reinigung des Verflüssigers, gegebenenfalls durch automatische Rohrreinigungsanlagen, ist also wichtig. Verschmutzung der Verflüssiger ist die häufigste Störquelle bei Kälteanlagen. Wegen der stets anzunehmenden Verschmutzung bei offenem Wasserkreis sollten auch Hochleistungsrohre mit weniger anfälliger Innenstruktur (Innenfläche glatt oder leichte Wellung) gewählt werden, um die Reinigung zu erleichtern. Bei geschlossenen Kreisläufen dagegen leisten innenberippte Rohre hervorragende Dienste; auch dann, wenn dem Wasser Gefrierschutzmittel (Glykole oder Ähnliches) zugesetzt sind. Der Wärmeübergang kann dann trotz der erhöhten Viskosität auf hohem Niveau gehalten werden. Auch die Einhaltung des der Berechnung zugrunde gelegten Wassermassenstromes ist wichtig. Zu niedrige Werte ergeben Verringerung der Wärmedurchgangszahl, Überschreitung der zulässigen Grenzen führt zu Erosions- und/oder Kavitationsschäden. Die Betriebskennlinien eines Verflüssigers mit gleicher Wassermenge, aber unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen ergeben steile Linien, überlagert die Voll- und Teillastlinien eines Verdichters bei gleich bleibender Saugtemperatur, Bild 5.4.3-5. Bei kleiner Leistung und bei tiefer Kühlwassertemperatur kommen Verflüssiger und Verdichter an ihre Grenzen des zulässigen Betriebs. Die schwach gekrümmten Verflüssigerkennlinien zielen auf den Extrempunkt mit Leis· tung Qc = 0, an dem Kühlwasserein-und austrittstemperatur und Verflüssigungstemperatur zusammenfallen. Die Leistung des Verbundes Verdichter / Verflüssiger nimmt ab, wenn die Kühlwassertemperatur steigt. Bei der Inbetriebnahme, nach Reparaturen und nach längerem Stillstand ist mit Luft im System zu rechnen. Diese sammelt sich während des Betriebes im Verflüssiger. Sorgfältige und eventuell mehrmals wiederholte Entlüftung verbessert den Wärmeübergang. Anlagen mit R123 arbeiten im Unterdruck und werden deshalb mit eigener Entlüftungseinrichtung ausgestattet.

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

5.4.3-3

2345

Luftgekühlte Verflüssiger1)

Ausführung grundsätzlich als Rippenrohrsystem, vorwiegend mit Cu-Rohren in Paket aus durchgehenden Aluminium-Lamellen. Wegen niedriger Wärmeübergangszahl Luft an Rippen, Flächenverhältnis Aa/Ai = 10…30. Abhängigkeit der Wärmedurchgangskoeffizient Uo und des luftseitigen Druckabfalles von der Luftgeschwindigkeit im Anströmquerschnitt und der Anzahl der luftseitig hintereinandergeschalteten Rohrwände zeigt Bild 5.4.3-6 am Beispiel eines sauberen Verflüssigers mit Cu-Rohr 13 mm Ø, Rohrteilung 32 × 27 mm versetzt, Lamellenabstand 2,1 mm. Hoher Druckabfall verursacht höheren Energieverbrauch und größere Lautstärke der Ventilatoren, deshalb Anströmungsgeschwindigkeit 2…4 m/s üblich. 3 m Luftdurchsatz 210 … 600 ------- /kW h

Bild 5.4.3-6. Wärmedurchgangskoeffizient Uo und Druckabfall Δp eines Rippenrohrsystems für luftgekühlte Verflüssiger.

Anordnung der Rohrwände meist horizontal (Bild 5.4.3-7). Mit Axialventilatoren vorwiegend für Aufstellung im Freien (Bild 5.4.3-8). Mit Radialventilatoren auch zusätzlicher Förderdruck für Anschluss von Luftkanälen bei Aufstellung im Gebäude.

5

Bild 5.4.3-7. Luftgekühlter Verflüssiger mit Verflüssigungs-Druckregler KD.

1)

Löffler, R.: Ki (1974), Nr. 2, S. 51–54. Pöschl, J.: Ki (1983), Nr. 9, S. 363–368.

Bild 5.4.3-8. Luftgekühlter stehender Verflüssiger mit 4 Axialventilatoren.

2346

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Verflüssigerdruckregelung durch Zu- und Abschaltung einzelner Ventilatoren, durch Drehzahlregelung über polumschaltbare Motoren oder stufenlos durch Phasenanschnittsteuerung, durch luftseitige Drosselklappen (vorwiegend bei Radialventilatoren). Ergänzend zu luftseitiger Regelung, bei kleineren Leistungen auch anstatt, Regelung durch Anstauen von Kältemittel im Verflüssiger (Verringerung der Wärmeaustauschfläche) über spezielle Verflüssigungsdruckregler (Bild 5.4.3-7). · Die Kälteleistung des Verdichters Q o fällt mit steigender Kondensationstemperatur im Verflüssiger, also mit steigender Außenlufttemperatur. Dem kann man durch Vorkühlung der Luft z.B. durch einen Düsen- oder Rieselbefeuchter entgegenwirken.1) Höhere Investitionskosten, Verwendung deshalb selten.

5.4.3-4

Verdunstungsverflüssiger2)

Wird das Rohrsystem eines luftgekühlten Verflüssigers zusätzlich mit Wasser besprüht, so erhöht sich die Kühlleistung durch die Verdunstung des Wassers erheblich. Dieses Verfahren wird benutzt, um die Leistung luftgekühlter Verflüssiger an sehr warmen Tagen kurzfristig zu vergrößern. Wasserqualität beachten! Der eigentliche Verdunstungsverflüssiger arbeitet mit Wasserumwälzung und ausreichendem Wasserüberschuss. Der konstruktive Aufbau entspricht dem von Rückkühlwerken mit geschlossenem Wasserkreislauf, nur mit dem Unterschied, dass in den Rohren direkt das Kältemittel verflüssigt wird (Bild 5.4.3-9). Auf die Verflüssigerleistung bezogen gelten folgende Richtwerte: Luftdurchsatz etwa 100 (m3/h)/kW, Wasserumwälzung etwa 1 (m3/h)/kW. Mit diesen Werten wird bei eine Außenluft-Feuchtkugeltemperatur von 21 °C eine Verflüssigungstemperatur von etwa 35 °C erreicht. Wasserverbrauch ca. 1 (kg/h)/kW. Entscheidender Nachteil sind die Korrosions- und Verschmutzungsprobleme infolge der Wasserversprühung im offenen Luftstrom. Kleinste Korrosionsundichtigkeiten, die bei Rückkühlung von Wasser noch ungefährlich sind, führen zu Kältemittelverlusten und damit zu Störungen. Verwendung deshalb relativ selten. Häufiger angewendet wird dieses Verfahren zur Rückkühlung von Wasser oder Sole im Verbund mit einem Verflüssiger.

Bild 5.4.3-9. Verdunstungsverflüssiger, baugleich Flüssigkeitskühler, Ventilator drückend.

Sonderbauarten sind Hybridkühler. Die Lamellen- oder Rippenrohrbündel sind für Luftkühlung ausgelegt, bei besonders hohen Lufttemperaturen (Auslegungspunkt) wird zusätzlich Wasser auf die Rohre gesprüht. Es sind wiederum zwei Bauarten zu unterscheiden: a) Wasser im Überschuss mit Umwälzpumpe, Betrieb ähnlich Kühlturm mit berieselten Einbauten, unbedingt aufbereitetes Wasser und ausreichend Abschlämmung vorsehen; b) aufgesprühtes Wasser verdunstet vollständig, sehr gut aufbereitetes Wasser, z.B. VEWasser oder sehr gut enthärtetes Wasser mit Härtestabilisatoren vorsehen, periodische Waschgänge sollen angelagerten Feststoff abschwemmen.

1) 2)

N. N.: Temperaturtechnik (1986), Nr. 5, S. 14–15. DKV-Arbeitsblatt 3-02.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2347

In beiden Fällen reagiert das System beim Zuschalten des Berieselungswassers mit schneller Temperaturabsenkung, die Steuerung muss diesen abrupten Stoss abfangen ohne sofort die Verdichterleistung zu verringern.

5.4.4

Verdampfer (Kühler)

5.4.4-1

Grundlagen1)

Im Verdampfer wird dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen; die dadurch bewirkte Abkühlung ist der Zweck der ganzen kältetechnischen Anlage. Die verschiedenen Verdampferbauarten werden unterteilt – nach dem Medium: Verdampfer zur Kühlung von Wasser, von Luft, von Produkten aller Art, – nach dem Kühlverfahren: Durchflusskühlung, Behälter-(Raum-)Kühlung, Eiserzeugung etc., – nach der Bauart: Rippenrohr, Rohrbündel, Platten, Steilrohr, Koaxialrohre etc., – nach der Art der Verdampfung: trocken oder überflutet. a) Trockene Verdampfung Die Verdampfung erfolgt im Zwangsdurchlauf durch einen oder mehrere Rohrstränge. Es wird nur so viel flüssiges Kältemittel zugeführt, wie im Durchlauf verdampfen kann. Überhitzung des austretenden Dampfes ist die Regelgröße, die der Fühler des thermostatischen Expansionsventiles mißt und in Stellbewegungen umsetzt, Bild 5.4.4-1. Bei richtiger Bauweise, Bemessung und Regelung ist Überhitzung genügend groß, um den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen. Das Öl wird bei richtiger Leitungsführung und ausreichenden Geschwindigkeiten automatisch zum Verdichter zurückgeführt. b) Überflutete Verdampfung Bei überfluteter Verdampfung ist so viel Kältemittel im Verdampfer, dass die kältemittelseitigen Austauschflächen stets mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt sind. Der Verdichter muss vor Flüssigkeitsschlägen durch mitgerissene Tropfen geschützt werden. Bei HFKW-Kältemitteln wird über dem Rohrbündel im Mantelraum genügend Abscheideraum und zusätzlich Abscheideelemente (Geflechte, Leitbleche) vorgesehen, bei Ammoniak ein separater, auf den Rohrbündelapparat aufgesetzter Abscheider. Sollen mehrere Kühlstellen mit Kältemittel versorgt werden, wird aus einem zentralen Sammler/Abscheider flüssiges Niederdruck-Kältemittel zu den einzelnen Verdampfern gepumpt und von dort das Gemisch aus Dampf und unverdampfter Flüssigkeit zum Abscheider zurückgefördert. Obwohl damit ein sehr guter Wärmeübergang und energetisch günstige Verhältnisse erreicht werden, sind diese Pumpenanlagen wegen der großen Füllmenge (teures Kältemittel) und wegen des Risikos der Kältemittelverluste bei Leckagen eher in Kühlanlagen zu finden, wo die Temperaturdifferenz zwischen verdampfendem Kältemittel und zu kühlendem Medium gering zu halten ist, z.B. bei tiefen Temperaturen. Bild 5.4.4-2 zeigt die Schaltung einer derartigen Pumpenanlage. Im Bild ist ein Luftkühler als Wärmelast eingezeichnet. Der Sammler muss groß genug sein, um die Füllmenge aller Kühlstellen aufzunehmen und dabei immer noch ausreichend Abscheidewirkung aufzuweisen. Sehr sorgfältig ist die Pumpe auszuwählen und vor allem ist auf genügend Zulaufhöhe (siedende Flüssigkeit) mit wenig Druckverlust in der Zulaufleitung zu achten.

1)

Slipcevic, B.: TAB (1987), Nr. 7, S. 567–571.

5

2348

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.4-1. Schema eines trockenen Verdampfers mit thermostatischem Einspritzventil.

Bild 5.4.4-2. Schema einer Pumpen-Kälteanlage mit individuell geregelten, zwangsweise durchströmten Verdampfern.

c) Berechnung Der Wärmeübergang auf der Luft- oder Wasserseite ist nach den bekannten Gleichungen, vgl. Abschnitt 1.3.5-2 abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Der Wärmeübergang bei Verdampfung auf der Rohraußenseite hingegen ist im wesentlichen abhän· gig von der Wärmestromdichte als Flächenbelastung Qo/A und bei der Verdampfung im Rohr vorwiegend von der auf den Strömungsquerschnitt bezogene Massenstromdichte kg/s m2. Bei Verdampfung im Rohr bewirkt der Druckabfall des strömenden Kältemittels eine spürbare Absenkung der Verdampfungstemperatur. Kennzeichnende Größe für die Qualität eines Verdampfers ist die erreichbare „kleine“ Temperaturdifferenz am Austritt, also die Differenz zwischen Austrittstemperatur des Mediums auf der kalten Seite und der manometrischen Verdampfungstemperatur am Austritt des Verdampfers. Verdampfer unterliegen der Druckbehälterverordnung, ein Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsüberdruckes muss durch Sicherheitseinrichtungen verhindert werden.

5.4.4-2

Verdampfer zur Kühlung von Wasser1)

Vorwiegend Durchflusskühlung in Rohrbündelverdampfern, meistens als Bestandteil von Kaltwassersätzen.

5.4.4-2.1

Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung

Kältemittel verdampft in den Rohren. Diese sind meistens aus Kupfer oder Stahl (Ammoniak) ausgeführt und in beiderseitige Rohrböden eingewalzt oder eingeschweißt (Bild 5.4.4-3). Um kompakte Bauweise zu erzielen, werden innen berippte Rohre (Längsdrallrippen) verwendet. Das im Expansionsventil entspannte Kältemittel wird dem vorderen Umlenkdeckel meistens unten zugeführt und durchströmt die Rohre als Dampf-Flüssigkeits-Gemisch in einem oder mehreren Wegen im letzten Abschnitt wird der Dampf überhitzt. Zahl der pro Weg parallelgeschalteten Rohre wird so gewählt, dass Druckverlust gering bleibt. Das Kaltwasser wird im Mantelraum durch Leitbleche so geführt, dass eine günstige Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird.

1)

Paikert, P.: Wärmepumpentechnologie. Band VI, Vulkan-Verlag, Essen 1980, S. 38–53. Hage, M.: Ki (1988), Nr. 2, S. 71–75.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2349

Vorteile dieser Bauart: 1. Das im Kreislauf mitgeführte Öl wird bei richtiger Ausführung zwangsläufig in die Saugleitung und damit zum Verdichter zurückgefördert. 2. Kleine Kältemittelfüllung. 3. Kältemittelseitig vorteilhaft mehrere unabhängige Kältekreise einrichten (1 bis 3). Nachteile: 1. Eine wasserseitige Reinigung ist nur auf chemischem Wege möglich. Verwendung deshalb nur in geschlossenen Wasserkreisläufen. 2. Unter Einbeziehung des üblichen Verschmutzungswiderstandes liegen die Austrittstemperaturdifferenzen zwischen 5 und 8 K.

Bild 5.4.4-3. Rohrbündelverdampfer für trockene Verdampfung. A und B = Kältemittelanschlüsse, C und D = Kaltwasseranschlüsse

Auslegung Glattrohre schrittweise mit zunehmendem Dampfanteil nach 1) oder vereinfacht nach 2) Bei innen und außen beripptne Rohren werden Messergebnisse in Programmen der Rohrhersteller abgebildet3) Für kleinere Leistungen werden auch Koaxialverdampfer verwendet, die aus einem oder mehreren Innenrohren und einem Mantelrohr bestehen, meistens gemeinsam spiralförmig gewickelt (Bild 5.4.4-4). In den berippten Innenrohren verdampft das Kältemittel, während das Wasser im Gegenstrom durch das Mantelrohr fließt. Die Leistungen der Verdampfer sind den Tafeln oder Diagrammen der Hersteller zu entnehmen. Dabei beachten, ob ausreichende Überhitzung eingeschlossen oder zusätzlich zu berücksichtigen ist.

Bild 5.4.4-4. Koaxialverdampfer oder -verflüssiger (Wieland).

5.4.4-2.2

Rohrbündelverdampfer für überfluteten Betrieb

Kältemittel verdampft im Mantelraum, Wasser fließt in den Rohren. Bild 5.4.4-5 zeigt die in der industriellen Kältetechnik übliche Bauart. Da die Wärmeübergangswerte verdampfender HFKW-Kältemittel relativ niedrig sind, werden – wie im Verflüssiger – Kupferrohre mit speziell strukturierter Oberfläche verwendet. Sie ermöglichen das Blasensieden bei geringer Temperaturdifferenz, 1 bis 3 K beim Kaltwasseraustritt. Sie sind ebenfalls beiderseits in Rohrböden eingewalzt oder eingeschweißt. Wassergeschwindigkeit 1…3m/s. Durch Einbauten in den Wasserdeckeln kann Zahl der Wasserwege verändert und damit geeignete Geschwindigkeit erreicht werden.

1) 2) 3)

Steiner, D.: VDI Wärmeatlas. Abschnitt Hbb. Shah, M. M.: ASHRAE Trans., 82, Nr. 2, S. 66–86. www.wieland-thermalsolutions.com.

5

2350

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Vorteile: Hohe Wärmedurchgangswerte, da kältemittelseitig guter Wärmeübergang bei geringem Druckabfall, damit „kleine“ Temperaturdifferenz sehr klein. Kaltwasserseite kann nach Abnehmen der Wasserumlenkdeckel mechanisch gereinigt werden. Nachteile: Über dem Rohrbündel muss ein relativ großer Raum frei bleiben zur Abscheidung der Flüssigkeitstropfen (oder separater Abscheider), dadurch teuer. Die Ölrückführung aus dem Verdampfer erfordert besondere Einrichtungen. Die große Kältemittelmenge ist teuer und erfordert qualifizierte Dichtheitskontrollen. Im geschlossenen sauberen Kaltwasserkreis ist mit einem Verschmutzungswiderstand von Ri = 0,5…1 · 10–4 m2K/W zu rechnen, im AHRI-Abnahmeverfahren (siehe Abschnitt 5.6.2-1) wird 0,18 · 10-4 m2K/W angesetzt (für fabrikneue Geräte). Die heute üblichen Verdampferrohre haben spezielle Oberflächenstrukturen auf der Innen-(Wasser) und Außen(Kältemittel)seite. Die Innenseite wird gewellt oder mit Rippen großer Ganghöhe gestaltet. Die Verbesserung des Wärmeüberganges gelingt nur so lange, als die Verschmutzung gering bleibt, also bei sauberem Kreislauf, die thermische Auslegung wie bei den Verflüssigerrohren nach halbempirischen Ansätzen der Hersteller, z. B. GEWA B4 und B5 von Wieland.1) Einsatzgrenzen bei Teillast durch die mindest-erforderliche Wärmestromdichte beachten. Oberflächenwasser z.B. für Wärmepumpen erfordert innen glatte Rohre und eventuell integrierte Reinigungsverfahren.

Bild 5.4.4-5. Überfluteter Rohrbündel-Verdampfer.

Bei Teillast sinkt die Wärmestromdichte und mit ihr der kältemittelseitige Wärmeübergangskoeffizient, insgesamt verbessert sich die vorhandene Flächennutzung, die Verdampfungstemperatur steigt. Gleichzeitig sinkt auch die Verflüssigungstemperatur, so dass aus beiden Effekten die Kälteleistungzahl überproportional steigt. An Stelle der überfluteten Verdampfer mit ihrer großen Füllmenge werden Riesel- oder Fallfilmverdampfer als Alternative betrachtet. Das Kältemittel wird über die Rohre versprüht und läuft Film bildend von Rohr zu Rohr. Verwendbar sind Verdampfer- und Verflüssigerrohre, letztere wegen ihrer guten Flüssigkeitsableitung. Sehr guter Wärmeübergang und keine Einfriergefahr, da sehr wenig Stapelvolumen, anspruchsvolle Konstruktion.2) Geringe Füllmenge durch den dünnen Kältemittelfilm auf den Rohren, im Flüssigkeitssumpf und in den Umwälz- und Verteilleitungen dafür aber spürbar große Mengen. Kältemaschinenöl, das aus dem Verdichter in den Kreislauf gelangt, sammelt sich schließlich im Verdampfer. Zunehmender Ölgehalt behindert die Blasenbildung und führt zu niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten. Bei 3 % Öl im Kältemittel ist bei bestimmten Versuchsbedingungen ein Minderungsfaktor 0,66 gefunden worden. Der Ölgehalt muss also durch Ölrückführung begrenzt werden, bei Turbo-Kältesätzen mit sehr geringem Ölwurf beschränkt man sich auf ein Abdestillieren des Kältemittels nach etwa

1) 2)

www.wieland-thermalsolutions.com. Moeykens, S. A. et al.: Heat Transfer and Fluid Flow in Spray Evaporators with Application to Reducing Refrigerant Inventory. ASHRAE Final Report, June 1994. Thome, J. R.: Engineering Data Book III. Wolverine Tube Inc., Chapter 14.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2351

1–3 Jahren (die längere Laufzeit bei Dauerbetrieb). Ganz ohne Öl arbeiten neue, magnetgelagerte Turboverdichter, s. Bild 5.4.2-3. Im Bild 5.4.4-6 sind die Kennlinien von Verdampfern mit „trockener“ und „überfluteter“ Verdampfung gegenübergestellt. Der flache Verlauf bei trockener Verdampfung rührt vor allem von der Überhitzungsstrecke mit ihrem schlechten Wärmeübergang der Dampfseite. Bei gleichen Strömungsverhältnissen auf der Wasserseite verschieben sich die Kennlinien nahezu parallel, wenn die Wasseraustrittstemperatur verändert wird (hier nicht eingezeichnet).

Bild 5.4.4-6. Kennlinien eines überfluteten und eines trockenen Verdampfers, zusammen mit der Kennlinie eines Schraubenverdichters.

Es soll Kaltwasser von 6 °C mit einer Kälteleistung von 300 kW erzeugt werden. Beide Verdampfer sind für Kaltwasseraustritt 6 °C ausgelegt. Die darüber gelegte Kennlinie eines Schraubenverdichters zeigt die Möglichkeiten des Betriebs: beim überfluteten Verdampfer stellt sich am Schnittpunkt eine Verdampfungstemperatur von ≈ 4,6 °C ein, der Verdichter leistet hier nur 286 kW, obwohl er bei 6 °C eine Leistung von 302 kW erbringt. Ergebnis mit diesem Verdichter: entweder Minderleistung von ca. 5 % oder eine Kaltwassertemperatur von ca. 7,4 °C mit 300 kW. Noch deutlicher fällt der Unterschied beim Trockenexpansionsverdampfer aus. Stillschweigend wurde vorausgesetzt, dass der Verflüssiger in allen Betriebsfällen die Wärme bei der angenommenen Verflüssigungstemperatur an die Umgebung abführen kann. Bild 5.4.3-5 zeigt, wie die Kühlwassertemperatur diesen Vorgang beeinflusst.

5 Bild 5.4.4-7. Kennlinien eines Verflüssigersatzes mit Kühlwasser-Eintrittstemperaturen 18 bis 30 °C und Verdampferkennlinien mit Kaltwasser-Austrittstemperaturen 2 bis 8 °C.

Beim Verbund der drei Komponenten Verdampfer-Verdichter-Verflüssiger interessieren den Betreiber die erreichbare Kälteleistung bei geforderter Kaltwassertemperatur und gegebener Kühlwassertemperatur, nur sekundär Verflüssigerleistung, Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Dazu konstruiert man aus Verflüssiger- und Verdichterkennlinien die Kennlinien eines Verflüssigungssatzes, hier aber in der Darstellung Kälteleistung über Verdampfungstemperatur mit Kühlwassertemperatur als Parameter. Mit den Verdampferkennlinien für

2352

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

passende Kaltwassertemperaturen verknüpft, ergeben sich mögliche Betriebszustände aus den drei Betriebsgrößen Kälteleistung, Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur. Die Auswirkung zunehmender Verschmutzung der Wärmeübertrager oder die Teillast des Verdichters lässt sich ebenfalls in diesem Diagramm verfolgen.1)

5.4.4-3

Luftkühler für direkte Verdampfung2)

Diese Verdampfer ähneln in ihrem Aufbau den mit Kaltwasser betriebenen Luftkühlern. Sie bestehen meistens aus einem Rippenrohrsystem von Kupferrohren, 10…18 mm Ø, und Aluminiumrippen oder -lamellen mit einem Rippenabstand von 2…7 mm (Bild 5.4.4-8). Das Kältemittel verdampft in den Rohren, während die zu kühlende Luft das Rippenrohrsystem quer durchströmt. Bei kleineren Leistungen auch preisgünstige Ganzaluminium-Ausführung (Probleme beim Anschluss der Cu-Kältemittelleitungen). In korrosiver Atmosphäre auch Rohre und Rippen aus Kupfer, mit Lack beschichtet, oder auch Edelstahl; letztere seltener, wegen schlechter Wärmeleitung des Edelstahls. Auslegung in seltenen Fällen für überflutete Verdampfung mit Kältemittel-Pumpenbetrieb, überwiegend jedoch für trockene Verdampfung. Kältemittelseitig müssen jeweils so viele Kühlrohre parallel geschaltet werden, dass der Kältemitteldampf eine Geschwindigkeit von etwa 8…12 m/s im Austritt nicht überschreitet. Die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die Kühlrohre übernimmt ein Kältemittelverteiler, der dem in der Regel verwendeten thermostatischen Expansionsventil nachgeschaltet wird (Mehrfacheinspritzung). Er verteilt das aus diesem Drosselorgan austretende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mittels Kupferrohren kleineren Durchmessers gleichmäßig auf die Kühlrohre. Diese Rohre müssen wegen eines einheitlichen Strömungswiderstandes exakt gleichen Durchmesser und gleiche Länge haben. Die Kühlrohre müssen so hintereinander geschaltet werden, dass das Kältemittel im Gegenstrom oder auch Gleichstrom zur Luft strömt. Kreuzstrom ist zu vermeiden, da die Rohre dadurch ungleichmäßig belastet werden und die Kälteleistung des Verdampfers verringert wird. Ebenso wichtig ist die gleichmäßige Beaufschlagung mit Luft. Ungleich angeströmte Flächen mindern die lokale Wärmeübertragung mit ähnlicher Wirkung wie bei ungleichmäßiger Kältemittelverteilung. Faustregel: bei saugender Beaufschlagung soll die Anströmfläche des Lamellenpaketes nicht über dem 2,5- bis 3-fachen des Ventilatorquerschnittes sein, bei drückender Beaufschlagung nur bis zum 1,5-fachen.

Bild 5.4.4-8. Ansicht eines DirektLuftkühlers mit Einspritzventil und Verteilerrohren.

Bild 5.4.4-9. Ermittlung des Luftaustritts-Zustandpunktes im h,x-Diagramm.

Die Berechnung der Kühlleistung bzw. der erforderlichen Kühlfläche ist bei den Direktverdampfern ähnlich derjenigen von wasserdurchflossenen Kühlern mit Wasseraus1) 2)

ASHRAE Handbook Refrigeration. Chapter: Component Balancing in Refrigeration Systems. DIN 8955 „Ventilator-Luftkühler“, 04-1976.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2353

scheidung (siehe Abschnitt 3.3.2-2.3). Der Luftzustand ändert sich bei der Darstellung im h,x-Diagramm von 1 (Eintritt) auf 4 (Austritt) in Richtung auf die mittlere Oberflächentemperatur 5 des Verdampfers (Bild 5.4.4-9), wobei Wasser auskondensiert. Wasserabscheider vorsehen. Bleibt die Oberflächentemperatur bei oder über der Taupunkttemperatur 3, so kühlt sich die Luft auf Zustand 2 ohne Wasserausscheidung. Die Temperaturdifferenz zwischen Oberflächentemperatur und der dem Druck entsprechenden Verdampfungstemperatur am Verdampferaustritt ist bei den üblichen FlächenverhältnissenAa/Ai ≈ 20 etwa so groß wie die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritt, Luftaustritt und Oberflächentemperatur. Die Übertragungsleistung eines Luftkühlers nimmt mit fallender Verdampfungstemperatur zu. Umgekehrt fällt dabei die Leistung der Kältemaschine. Für einen bestimmten Verdichter und einen Luftkühler gegebener Fläche kann man ein Diagramm ähnlich Bild 5.4.4-10 entwickeln und den Betriebspunkt als Schnittpunkt zweier Kurven finden. Bei der Dimensionierung gilt auch hier: Reichliche Austauschfläche sichert hohe Verdampfungstemperatur to, damit größere Leistungszahl εK, kleinen Energiebedarf und geringeres erforderliches Fördervolumen des Verdichters, bei größerer Fläche oder erhöhtem Wärmedurchgangskoeffizienten wird die Kennlinie des Kühlers steiler.

Bild 5.4.4-10. Verdichter-Kühler-Diagramm.

Sinkt die Oberflächentemperatur des Luftkühlers unter 0 °C, so ist anstelle von Wasserabscheidung mit Reifbildung zu rechnen. Reif verengt den freien Querschnitt, bewirkt dadurch höheren Luftwiderstand und verschlechtert die Wärmeübertragung durch seinen hohen Wärmeleitwiderstand. Regelmäßiges Abtauen erforderlich; z.B. mittels Kältemittel-Heißgas, wobei Dampf in den Rohren kondensiert z.B. mittels Kreislaufumkehr oder Heißgas-Bypass.1) Abtauung auch mittels Elektro-Heizstäben, die in die Lamellen eingeschoben sind.

5.4.4-4

Plattenwärmeübertrager2)

Plattenwärmeübertrager (siehe Abschnitt 2.2.3-7.2) werden in Kältesätzen als wassergekühlte Verflüssiger oder als Verdampfer zur Kühlung von Flüssigkeiten, sowohl für trockene als auch für überflutete Verdampfung eingesetzt. Bild 5.4.4-11 zeigt einen Plattenapparat als Umlaufverdampfer eingesetzt. Der beim Sieden entstehende Dampf treibt Flüssigkeit in die Steigleitung, nach der Trennung Dampf/Flüssigkeit im Abscheider fließt das flüssige Kältemittel wieder zum Verdampfereingang. Der so erzeugte Umlauf erhöht den Wärmeübergang. Die das Kältemittel einschließenden jeweils zwei Platten sind hierbei häufig miteinander verlötet oder verschweißt, wogegen die Wasserseite meistens mit den üblichen Dichtungen zur leichten Demontage versehen ist. Achtung: Vor Öffnen der Wasserseite muss das Kältemittel abgesaugt werden, da sich die Sammelrohre der Kältemittelseite mit öffnen! Vorteilhaft ist die gegenüber anderen Bauarten geringere erforderliche Kältemittel-Füllmenge. Schwachpunkte sind allenfalls Dichtungen und auch Schweißnähte der Kältemittelseite. 1) 2)

Reichelt, J.: Ki (1987), Nr. 2, S. 72–75. Schenker, F.: Ki (1995), Nr. 3, S. 120–122. Loft, M.: Ki (1995), Nr. 5, S. 230.

5

2354

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.4-11. Plattenapparat als Umlaufverdampfer (Thermosyphon-Verdampfer).

5.4.5

Sonstige Bauteile im Kältemittelkreislauf

5.4.5-1

Kältemitteltrockner

Wasser im Kältekreislauf kann große Schäden verursachen, insbesondere Korrosion und eventuell Verstopfungen durch Eisbildung in Regelorganen, falls die Verdampfungstemperatur unter 0 °C fällt. Obgleich die Kältemittel von den Herstellern mit nur 0,003…0,005 % Wassergehalt geliefert werden und die Anlagen vor der Füllung gründlich getrocknet werden (Warmluft, Stickstoff, Evakuieren im Wechsel), ist der Einbau eines Kältemitteltrockners in die Flüssigkeitsleitung bei FKW-Kältemitteln erforderlich. Die Trockenmittel, die in beiderseits mit Sieben versehenen Zylindern enthalten sind, binden das Wasser adsorptiv durch physikalische Kräfte. Verwendung finden besonders Kieselgele (Silicagel) und sogenannte Molekularsiebe (synthetisches Aluminium-Silicium-Oxyd). Das neue Kältemittel R 134a benötigt ein besonders feinporiges Molekularsieb.1)

5.4.5-2

Kältemittelschaugläser

Einbau vor dem Expansionsventil zur Betriebskontrolle. Blasen im Schauglas zeigen Kältemittelmangel beim herrschenden Betriebszustand. Blasen beim Nenn-Betriebszustand bedeuten Kältemittelverlust (Undichtigkeit suchen, beseitigen, nachfüllen), Drosselstelle in Flüssigkeitsleitung (z.B. Trockner verstopft, auswechseln), oder unzureichende Unterkühlung (bei langen Leitungen). Moderne Schaugläser enthalten Farb-Indikator, ob Kältemittel trocken oder Wasser im Kreislauf.

5.4.5-3

Kältemittelsammler

Druckbehälter, vorwiegend auf der Hochdruckseite, zur Aufnahme der Kältemittelfüllung. Bei größeren luftgekühlten Verflüssigern fast immer, bei wassergekühlten Verflüssigern nur dann, wenn Füllmenge Rohre im Verflüssiger überfluten und damit Austauschfläche unter Auslegungswert verringern würde. Sammler auch überdimensioniert, damit im Reparaturfall gesamte Füllung in Sammler gedrückt werden kann. Achtung: Sammler im Hauptstrom „vernichten“ Unterkühlung! Kältemittelsammler unterliegen der Druckbehälterverordnung und müssen (siehe Abschnitt 5.4.7-5.1) mit einer Füllstandsanzeige ausgestattet sein. Außerdem müssen sie, wenn sie beidseitig absperrbar sind, ein abblasendes Sicherheitsventil erhalten. 1)

Oral, B.: Ki (1993), Nr. 9, S. 353–355. Blom, A.: Ki (1995), Nr. 10, S. 468–471.

5.4.6 Verdichterantriebsmotoren

5.4.5-4

2355

Ölabscheider

Ölabscheider scheiden das in die Druckleitung mitgerissene Öl zu einem hohen Prozentsatz ab. Meistens als Zentrifugalabscheider ausgeführt und mit automatischer Ölrückführung in das Kurbelgehäuse durch ein Ventil mit Schwimmersteuerung. Bei trockener Verdampfung praktisch nur bei Schraubenverdichtern, bei überfluteter Verdampfung und Verdrängungsverdichtern fast stets erforderlich. Ölabscheider unterliegen der Druckbehälterverordnung.

5.4.5-5

Überhitzer (Wärmeübertrager)

Im Überhitzer erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen der warmen Flüssigkeitsleitung (vom Verflüssiger zum Expansionsventil) und der kalten Saugleitung. Das Sauggas wird dadurch überhitzt (erforderlich, wenn Überhitzung im Verdampfer nicht ausreichend) und die Flüssigkeit unterkühlt. Größere Unterkühlung ist notwendig bei langen, insbesondere steigenden Flüssigkeitsleitungen, damit nach Druckabfall immer noch unterkühltes Kältemittel am Expansionsventil ankommt. Außerdem steigert größere Unterkühlung die Kälteleistung mehr oder weniger, je nach Kältemittel. Überhitzung begrenzen wegen hoher Druckgastemperatur. Überhitzung reduziert Dichte des Kältemitteldampfes und damit Saugleistung des Verdichters. Kompensation durch Unterkühlung nicht immer gegeben!

5.4.5-6

Kompensatoren

Um die Übertragung von Schwingungen zu vermeiden, werden die Verdichter oft über elastische Kompensatoren an das Rohrleitungssystem angeschlossen. Hierfür kommen vorwiegend metallische Wellrohre zum Einsatz, da fast alle Elastomere nicht beständig oder nicht ausreichend dicht sind für die verwendeten Kältemittel. Das Rohrleitungssystem muss an der Verbindungsstelle zum Kompensator einen echten Festpunkt haben, sonst werden die Schwingungen nicht gedämpft, sondern eher verstärkt.

5.4.5-7

Ölheizung

Da sich die meisten Kältemittel in den Ölen lösen, erfolgt bei Stillstand des Verdichters in den Ölvorräten im Kurbelgehäuse und ggf. im Ölabscheider eine Sättigung des Öls mit Kältemittel. Beim Start des Verdichters würde dieses Kältemittel infolge der Druckabsenkung schlagartig verdampfen, das Öl schäumt dadurch auf, verliert seine Schmierfähigkeit, und die Ölpumpe könnte keinen Druck aufbauen. Um dies zu vermeiden, wird das Öl bei Stillstand des Verdichters durch eine Kurbelwannenheizung bzw. Ölvorratsheizung so weit erwärmt, dass die Kältemittelanreicherung etwa nur den Wert erreicht, der dem normalen Betriebszustand entspricht. Achtung: Die Kurbelwannenheizung muss deshalb bei Abschaltung der Anlage in Betrieb bleiben bzw. muss bei längeren Abschaltperioden einige Stunden vor Inbetriebnahme des Verdichters eingeschaltet werden! Herstellerangaben beachten!

5.4.6

Verdichterantriebsmotoren

Der Antrieb erfolgt überwiegend durch Elektromotoren aus dem üblichen Netz (220/380 V, 50 Hz), aber auch mit höheren Spannungen (andere Antriebe siehe Abschnitt 5.5.4). Bei der Auslegung und für die Netzbelastung beim Anlaufen ist zu beachten, dass die Verdichter üblicherweise gegen den vorhandenen Gegendruck im Kältekreislauf anfahren müssen, es handelt sich also um „Schwerstanlauf “ mit entsprechend hohen Anlaufströmen. Einphasen-Wechselstrommotoren kommen praktisch nur in vollhermetischen Kapselverdichtern vor. Da eine Kommutierung im Kältemitteldampf nicht möglich ist, kommen ausschließlich Kondensatormotoren zum Einsatz. Diese benötigen wegen des Schweranlaufs einen zusätzlichen Anlaufkondensator, der nach Anlaufende durch ein Anlaufrelais abgeschaltet wird. Einphasenmotoren sind nur bis 1,4 kW Nennaufnahme ohne Sondergenehmigung des zuständigen EVU zugelassen.

5

2356

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Drehstrommotoren für offene Verdichter können beliebig ausgewählt werden. Bei vollund halbhermetischen Verdichtern kommen als Einbaumotoren nur Kurzschlussläuferin Frage, da neben der Kommutierung auch Schleifringübertragung in der Kältemittelatmosphäre nicht möglich ist. Wiedereinschaltsperre beachten! Der Direktanlauf von Kurzschlussläufermotoren wird von den EVU je nach Netzverhältnissen nur bis zu einer oft recht niedrigen Leistungsgrenze zugelassen, darüber muss der Anlaufstromstoß begrenzt werden. Die hierfür übliche Stern-Dreieck-Schaltung ist für Kälteverdichter schlecht geeignet, da der Gegendruck schon bei der kurzen Spannungsunterbrechung im Umschaltvorgang zu einem starken Abfall der Drehzahl führt. Hierdurch wird die Umschalt-Stromspitze fast so hoch wie die bei Direkteinschaltung. Größere (halb)hermetische Verdichter werden deshalb für Teilwindungsstart ausgelegt, die gesamte Motorwicklung wird in zwei Teile, meistens etwa 40 % und 60 %, aufgeteilt.1) Einschaltung der größeren Teilwicklung bewirkt das Hochlaufen des Motors, Stromstoß bei Zuschaltung der 2. Teilwicklung ist vernachlässigbar. Jede Methode der Anlaufstromreduzierung setzt voraus, dass der Verdichter entlastet anläuft. Hierfür müssen bei Hubkolbenverdichtern alle regelbaren Zylinder abgeschaltet sein, bei Schraubenverdichtern muss der Leistungsregelschieber, bei Turboverdichtern die Dralldrosselregelung auf Kleinstlast stehen. Für nicht leistungsregelbare Verdichter muss ein Heißgasbeipass eingebaut und für den Anlaufvorgang geöffnet werden. Eine Lastzuschaltung darf erst erfolgen, wenn der Anlaufvorgang des Motors völlig beendet ist. Sauggasgekühlte Einbaumotoren sind durch die gute Kühlung, die mit steigender Leistungsaufnahme deutlich zunimmt, höher belastbar als normale luftgekühlte Motoren und haben dadurch, bei gleicher Wellenleistung, wesentlich geringere Anlaufströme. Mit fortschreitender Entwicklung der Leistungselektronik kommen Sanftanlaufsteuerungen auf den Markt, die z.B. die Spannung für den Anlauf auf ca. 20 % heruntersetzen und dann langsam hochfahren.2) Statische Frequenzwandler ermöglichen neben einer Drehzahlregelung auch einen sanften Anlauf durch entsprechend verringerte Frequenz.

5.4.7

Mess-, Steuer- und Regelgeräte

5.4.7-1

Kältemittelmengenregelung

Die dem Verdampfer zuzuführende Menge flüssigen Kältemittels muss entsprechend der jeweiligen Kälteleistung unter gleichzeitiger Entspannung geregelt werden.

5.4.7-1.1

Kapillarrohre

Es ist das einfachste Drossel- und Regelorgan. Meistens als Kupferrohr ausgeführt, Innendurchmesser 0,4 bis 2 mm, Länge bis zu 2 m und mehr. Rohrlänge muss in jedem einzelnen Fall experimentell festgelegt werden. Sie bestimmt den maximalen Kältemittelstrom. Nur verwendbar bei Geräten kleinerer Leistung, deren Kältemittelfüllung exakt abgestimmt werden muss; so z.B. in Kühlschränken, Truhen, Klimageräten bis etwa 10 kW Antriebsleistung. Kein Kältemittelsammler auf der Hochdruckseite.

5.4.7-1.2

Thermostatisches Expansionsventil3)

Es ist das inbesondere in Kältesätzen mit Verdrängungsverdichtern am häufigsten verwendete Regelorgan (Bild 5.4.7-1). Es besteht aus einem thermisch gesteuerten und einem druckgesteuerten Teil. Wirkungsweise (s. Bild 5.4.7-2 und Bild 5.4.7-3 sowie auch Bild 5.4.7-4): Der Fühler, mit einer geeigneten Gas- oder Flüssigkeitsfüllung, ist an der Saugleitung hinter dem Verdampfer in 5-Uhr-Stellung befestigt. Ein Kapillarrohr überträgt Temperaturänderungen auf ein Membransystem, das als Antrieb des Ventilkegels dient. Auf die

1) 2) 3)

Schael, W.: Ki (1994), Nr. 9, S. 429–431. Haber, K.: Ki (1993), Nr. 1–2, S. 27–29. Lettner, J.; Siegismund, R.: Ki (1977), Nr. 2, S. 53–60.

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2357

Unterseite der Membran wirkt der Druck am Anfang des Verdampfers (Innerer Druckausgleich). Steigende Überhitzung in der Saugleitung erhöht den Temperaturfühlerdruck auf die Membran und öffnet das Ventil: Regelgröße ist also die Überhitzungstemperatur. Bei sinkender Kühlerleistung würde am kältemittelseitigen Austritt noch unverdampftes Kältemittel vorhanden sein, infolgedessen keine Überhitzung, wenn das Thermoventil nicht sofort die Kältemittelzufuhr verringern würde. Normaleinstellung: 5…7 K Überhitzung. Bei größerem Druckverlust im Verdampfer verwendet man Ventile mit äußerem Druckausgleich, weil sonst die Überhitzung zu hoch würde (Bild 5.4.7-3). Dabei wird der Raum unter der Membran durch die Ausgleichleitung mit dem Verdampferende verbunden, so dass einwandfreie Zuordnung von to und toh, also gleichbleibende Überhitzung und damit trockenes Ansaugen des Verdichters gesichert sind, auch wenn der Verdampfer einen Druckabfall erzeugt.

Bild 5.4.7-1. Thermostatisches Expansionsventil. Links: Schema. Rechts: Typ TE5 (Danfoss). 1 = Thermoelement 2 = Membran 3 = Kapillarrohr 4 = Fühler mit Doppelkontakt 5 = Feder

6 = Druckstift 7 = Stopfbuchse 8 = Ventilkegel 9 = Einstellspindel 10 = Äußerer Druckausgleich

11 = Eintritt 12 = Austritt 13 = Thermooberteil 14 = Düseneinsatz 15 = Gehäuse

5 Bild 5.4.7-2. Schema eines thermostatischen Expansionsventils mit innerem Druckausgleich.

Bild 5.4.7-3. Thermostatisches Expansionsventil mit äußerer Ausgleichsleitung.

Bild 5.4.7-4. Wirkungsweise des thermostatischen Expansionsventils.

2358

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.7-5. Verteiler für flüssiges Kältemittel (Danfoss).

Verdampfer und Expansionsventil bilden einen Regelkreis, dessen stabiles Verhalten bei jedem Betriebszustand gewährleistet sein muss. Bei Stillstand des Verdichters ist ein sogenanntes „Nachspritzen“ nicht ausgeschlossen, sobald sich der Druck ausgeglichen hat. Daher ist es üblich, in der Flüssigkeitsleitung vor dem Thermoventil ein Magnetventil anzuordnen.

5.4.7-1.3

Elektronisches Expansionsventil1)

Mit elektronisch gesteuerten Expansionsventilen kann die erforderliche Überhitzung über dem gesamten Arbeitsbereich klein gehalten werden, als Ergebnis können die Jahresbetriebskosten verringert werden. Die Überhitzung darf aber nicht zu klein gewählt werden, weil dann zu viel unverdampfte Flüssigkeit zum Verdichter mitgerissen wird. Unverdampfte Flüssigkeit mindert als nicht-wirksamer Ballast die Leistungszahl. Direkt gemessen wird die Überhitzungstemperatur, indirekt die Sättigungstemperatur über eine Druckmessung mit nachfolgender Umrechnung im Regler. Zwei Bauarten werden angeboten: – ein modifiziertes Magnetventil, dessen Öffnungszeit gesteuert wird: „pulsbreitenmoduliertes“ Ventil, das von voll offen zu ganz geschlossen und zurück schaltet – ein Ventil mit Schrittmotor und Schubstange als Antriebseinheit (Bild 5.4.7-6).

Bild 5.4.7-6. Elektronisches Expansionsventil mit Schrittmotor und Schubspindel

Bild 5.4.7-7. Mehrfacheinspritzung bei einem Luftkühler.

Die verbesserte Temperaturregelung muss im Einzelfall den Mehraufwand (Regler, Druck- und Temperatursensor, Versorgung mit Hilfsenergie) rechtfertigen, eingespart wird das Magnetventil.

5.4.7-1.4

Mehrfacheinspritzung

Wie ausgeführt, müssen parallelgeschaltete Rohre beispielsweise in Luftkühlern mit gleichen Kältemittelmengen beaufschlagt werden. Diese Aufgabe wird durch einen Kältemittelverteiler, Bild 5.4.7-5, gelöst (siehe auch Bild 5.4.7-7). Je nach Zahl der parallel1)

Lenz, H.: Ki (1985), Nr. 10, S. 411–414. Klein, A.: Ki (1987), Nr. 1, S. 25–30. Forum: Ki (1991), Nr. 11, S. 477–482. Gollnow, K.: Ki (1993), Nr. 6, S. 244–247.

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2359

geschalteten Kältemittelwege sind Kupferrohre di = 3…10 mm mit gleicher Länge eingelötet. Wichtig ist, dass die einzelnen Kältemittelwege gleichmäßig belastet sind. Luftströmung daher in Bild 5.4.7-7 durch die sichtbare Stirnfläche, nicht aber etwa von oben oder von unten, weil die dargestellten fünf parallelen Kältemittelwege dann jeweils von Luft unterschiedlicher Temperatur angeströmt und mit unterschiedlichem Δt betrieben würden: der letzte kälteste Weg würde infolge kleinster Übertragungsleistung noch unverdampftes Kältemittel in die Saugleitung leiten und das Thermoventil zum Schließen bringen. Verteiler vertikal anordnen. Das Expansionsventil muss unbedingt mit äußerem Druckausgleich versehen werden, weil ein Teil des Druckgefälles in den Verteilrohren abgebaut wird.

5.4.7-1.5

Schwimmerregelung

Darunter werden Mengenregelungen verstanden, bei denen ein Kältemittel-Flüssigkeitsstand die Regelgröße bildet. Hochdruckschwimmer ist hinter dem Verflüssiger angeordnet und wirkt wie ein Kondenstopf: Flüssigkeit geht hindurch, Dampf nicht. Der Verdampfer muss die gesamte Kältemittelfüllung der Anlage aufnehmen. Dieses Prinzip ist nur dann verwendbar, wenn nur ein überflutet betriebener Verdampfer zu versorgen ist, z.B. bei Turbo-Kaltwassersätzen. Sind mehrere überflutet betriebene Verdampfer mit flüssigem Kältemittel zu versorgen, so wird die Niederdruck-Schwimmerregelung verwendet (Bild 5.4.4-2). Damit wird der Flüssigkeitsstand im Verdampfer (oder Sammler) geregelt.

5.4.7-1.6

Expansionsturbine

Die Entspannung des Kältemittels in einer Turbine unter Abgabe von Nutzleistung entspricht – im Gegensatz zu allen vorgenannten Drosseleinrichtungen – dem angestrebten Carnotschen Idealprozess, ist jedoch sehr aufwendig. Die Expansionsturbine ist thermodynamisch „richtig“, leider zu teuer. In Deutschland nur einmal realisiert worden.1)

5.4.7-2

Schaltende Regler

Schaltende Regler dienen zur Ein- und Aus-Schaltung des Verdichters, auch mehrerer Verdichter oder Leistungsregelstufen in Folgeschaltung. Ebenso zur Zu- und Abschaltung von Verdampfern oder Verdampfer-Teilflächen über Magnetventile sowie für andere Schaltaufgaben. Bei Schaltung von Verdichtern beachten, dass Laufzeit wenigstens so lang sein muss, bis das beim Anlauf ausgeworfene Öl zum Verdichter zurückgelangt ist (vgl. Tafel 5.7-1). Zu beachten max. zulässige Schalthäufigkeit, meist 5–6 1/h wegen Wicklungstemperatur, Motorleistung über 300 kW 2–3 1/h, über 400 kW 2 Starts/h.

5.4.7-2.1

Temperaturschalter (Thermostate)

Messgröße ist die Temperatur, vorwiegend von Luft oder Wasser. Schaltvorgang direkt durch Temperaturausdehnung des Fühlers, zunehmend auch indirekt mit temperaturempfindlichem Halbleiter (Thermistor) und elektronischem Verstärker/Schalter. Mehrstufige Temperaturregelung für Folgeschaltung mehrerer Verdichter oder mehrerer Leistungsregelstufen eines Verdichters vorwiegend elektronisch und quasi-proportional.

5.4.7-2.2

Druckschalter (Pressostate)

Messgröße ist der Druck des Kältemittels, der direkt über einen Wellrohr-Federbalg den Schalter betätigt. Anwendung außer für Sicherheitsgeräte zur Schaltung der Ventilatoren von luftgekühlten Verflüssigern, hierfür auch zwangsweise Folgeschaltung über Stufenschaltwerke.

5.4.7-2.3

Verbundsteuerung

Sie dienen dazu, mehrere Verdichter oder Verflüssigungslüfter druck- oder temperaturgefühlt nach dem Neutral-Zonenprinzip zu schalten und damit die zur Verfügung gestellte Leistung an die tatsächlich (momentan) benötigte Leistung anzupassen. 1)

Hartmann, K.: Ki (1994), Nr. 9, S. 421–424.

5

2360

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

5.4.7-3

Regler im Kältemittelkreislauf

Hierunter versteht man stetig arbeitende Regelventile im Kältemittelkreislauf. Bei kleineren Leistungen vorwiegend unmittelbare Regler. Bei größeren Leistungen steuern diese als Pilotventil ein Hauptventil (Bild 5.4.7-8). Als Servokraft zur Betätigung des Steuerkolbens im Hauptventil dient der Druckabfall des Kältemittels beim Durchgang durch den Ventilsitz. Seltener Ventile mit elektrischer oder pneumatischer Hilfsenergie und entsprechenden Reglern.

Bild 5.4.7-8. Wirkungsweise eines pilotgesteuerten Druckreglers.

5.4.7-3.1

Verdampfungsdruckregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Austritt des Verdampfers. Unterschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird der Durchtrittsquerschnitt stetig gedrosselt. Dadurch sinkt der Saugdruck am Verdichter so weit, bis Verdichterleistung und Verdampferleistung wieder im Gleichgewicht sind. Anwendung vorwiegend zur Vermeidung von Eisbildung in Luftund Wasserkühlern.

Bild 5.4.7-9. Verdampfungsdruckregler für Kälteanlagen Links: Schema; rechts: Anordnung

5.4.7-3.2

Temperaturregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Mediums (Luft, Wasser, Sole), die über einen Temperatursensor erfasst wird. Durch stetige Drosselung bei Unterschreiten der eingestellten Temperatur steigt die Verdampfungstemperatur im Verdampfer und sinkt der Saugdruck am Verdichter. Anwendung bei kleineren Leistungen (bei größeren Leistungen Einsatz leistungsgeregelter Verdichter wirtschaftlicher).

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2361

Bild 5.4.7-10. Temperaturregler für Kälteanlagen. Links: Schema; rechts: Regler EKC 361 (Danfoss).

5.4.7-3.3

Startregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Eintritt in den Verdichter. Überschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird der Durchtrittsquerschnitt stetig gedrosselt. Hierdurch wird eine mögliche Überlastung des Verdichter-Antriebsmotors vermieden, die beim Herunterkühlen eines warmen Mediums nach längerer Stillstandszeit auftreten kann.

5.4.7-3.4

Leistungsregler (Heißgasbeipassregler)

Einbau in einer Überströmleitung zwischen Druck- und Saugleitung des Verdichters. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Eintritt in den Verdichter. Unterschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird die Überströmleitung stetig geöffnet. Es fließt ein Teil des vom Verdichter geförderten Kältemittels direkt zum Verdichter zurück, ohne am Kälteprozess teilzunehmen. Die Verdampferleistung geht entsprechend zurück (vgl. Bild 5.7.1-3). Die Zufuhr heißen Druckgases in die Saugleitung lässt die Verdichtungstemperatur rasch ansteigen, deshalb Kühlung durch Einspritzen flüssigen Kältemittels in die Saugleitung über eigenes thermostatisches Expansionsventil erforderlich.

5.4.7-3.5

Magnetventile

Magnetventile sind Absperrventile, die über elektrische Magnetspulen betätigt werden durch entsprechende elektrische Befehle. Nur bei sehr kleinen Nennweiten direkte Betätigung, üblicherweise Servosteuerung wie in Bild 5.4.7-8 schematisch gezeigt, mit einem kleinen Magnetventil als Pilotventil, häufig in gemeinsamem Gehäuse. Verwendung vorwiegend in Kältemittel-Flüssigkeitsleitungen, zur Kreislaufumkehr bei Wärmepumpen, aber auch z.B. als Heißgas-Beipass zur Anlaufentlastung. Achtung: Alle Magnetventile öffnen sich, wenn der Druck auf der Austrittsseite höher wird als der auf der Eintrittsseite! Wenn hierbei Dichtheit verlangt wird, müssen Motorventile eingesetzt werden.

5.4.7-4

Kühlwasserregelung

Die Kühlung des Verflüssigers mit Wasser aus einem Stadt- oder Werkswassernetz ist bei hohen Wasserpreisen kostspielig. Daher ist eine möglichst große Wassererwärmung anzustreben, z.B. von tWE = 15 °C auf tWA = 30 °C. Um diesen Wert auch bei Teillast einzuhalten, ist ein Kühlwasser-Regelventil erforderlich (Bild 5.4.7-11 und Bild 5.4.7-12). Es wird vom Kältemittel-Verflüssigungsdruck verstellt: Öffnend bei steigendem Druck – schließend bei fallendem Druck. Bei Stillstand sperrt es die Wasserzufuhr. Bei Rückkühlung des Kühlwassers im Kreislauf werden Kühlwasserregler meist nicht verwendet.

5

2362

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

1 = Handrad 2 = Oberteil 3 = Spindelführung 4 = Federführung 5 = O-Ring 6 = Führungsbuchse 7 = Membrane 8 = Ventilteller 9 = Druckschuh 10 = Wellrohrelement

Bild 5.4.7-11. Kühlwasserregler – Schnittbild.

5.4.7-5

Sicherheitseinrichtungen

5.4.7-5.1

Sicherheit gegen Überdruck

Bild 5.4.7-12. Kühlwasserregler WVFM, WVFX und WVS (Danfoss).

Der Hersteller einer Kälteanlage erstellt eine Risikoanalyse, siehe Abschnitt 5.8, die einerseits die technischen Gegebenheiten der Anlage und andererseits die anzuwendenden Gesetze, Verordnungen und gegebenenfalls Normen einbezieht, unter anderem, um Gefahren vor überhöhtem Druck zu erkennen geeignete Maßnahmen vorzusehen. Die mit der Druckgeräterichtlinie harmonisierte Norm DIN EN 378:2008 definiert in Teil 2 dazu Sicherheitseinrichtungen und deren Einsatz in Kälteanlagen und Wärmepumpen. Schutzziel sind Personen, Sachen und Umwelt. Um die Umwelt so wenig als möglich zu belasten, ist eine Hierarchie des Druckabbaus einzuhalten: 1. Abschalten des Druckerzeugers durch eine Sicherheitsschalteinrichtung 2. Abbau des überhöhten Drucks durch Druckentlastung zur Niederdruckseite 3. Abbau des überhöhten Drucks durch ein Sicherheitsventil durch Abblasen in die Atmosphäre 4. Berstscheiben dürfen nur in Reihe mit einem Druckentlastungsventil verwendet werden, Schmelzpfropfen nur mit Kältemittelkategorie A1 und nur als Sicherung gegen außergewöhnliche Ereignisse (Feuer), ausgenommen Füllmengen unter 2,5 kg. Mit den in der EN 378 verwendeten Teilen der EN 14276 T1, T2 (Druckgeräte für Kälteanlagen und Wärmepumpen, T1 Behälter und T2 Rohrleitungen und Verweis auf Druckgeräterichtlinie DRGL) werden die Druckbehälter und Rohrleitungen von Kälteanlagen in die Betrachtung der Anlagensicherheit mit einbezogen. Der Entscheidungsbaum in EN 378 Teil 2 ist zu durchlaufen. Vorher sind folgende Kategorien festzulegen: – Kältemittel (A1, A2, A3, B1, B2) siehe Abschnitt 5.8.3 – maximal zulässiger Druck der Kälteanlage (EN 378-2, Anhang B3) – maximal zulässige Temperatur des Kältemittels (EN 378-2, Anhang B4) – Behälterkategorie (aus Druck × Volumen in EN 378-2, Anhang B5.2) – Rohrleitungskategorie (aus Druck × Durchmesser in EN 378-2, Anhang B5.3) – Druckerzeuger (Verdränger- oder Strömungsverdichter, Heizquelle, eingesperrte Flüssigkeit) – Aufstellungsraum (EN 378-1) Eine einfachere Ausrüstung der Sorptions-Kältemaschinen und -Wärmepumpen gilt dann, wenn die Druckbehälter Kategorie I zuzuordnen sind, hierbei sind drei Leistungsgrößen zu betrachten:

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2363

– Wärmeaufnahme > 100 kW, ein baumustergeprüfter Druckbegrenzer und elektrisch in Reihe ein baumustergeprüfter Sicherheitsdruckbegrenzer wirken auf die Wärmezufuhr zum Austreiber und auf die Lösungspumpen – Wärmeaufnahme 5 bis 100 kW, ein baumustergeprüfter Druckbegrenzer, dazu ein Druckwächter oder elektrisch in Reihe geschaltete Temperaturbegrenzung sind ausreichend – Wärmeaufnahme < 5 kW, keine weiteren Anforderungen, wenn die Druckentlastung auf der Niederdruckseite vor Erreichen von ⅓ des Berstdruckes erfolgt, sonst ist ein baumustergeprüfter Temperaturbegrenzer oder baumustergeprüfter Druckwächter vorzusehen. Auch ein indirektes Kühl- und Heizsystem muss vor unzulässig hohem Druck überwacht und geschützt werden. Wenn ein Wärmeübertrager, vor allem Verdampfer und Verflüssiger (aber nicht nur diese) wasserseitig absperrbar ist, kann bei einer Undichtheit Druck aufgebaut werden. Auch die Sekundärseite ist dann durch eine Druckentlastungseinrichtung zu schützen. Ist die Kältemittelfüllmenge der Anlage größer als 500 kg, muss die Flüssigkeits-(Wasser)seite mit einem Kältemitteldetektor oder einem anderen, geeigneten Mittel ausgerüstet sein, um ausgetretenes Kältemittel anzuzeigen. Gehört zudem das verwendete Kältemittel zur Gruppe A2, A3 oder B2 (siehe Abschnitt 5.8.3), dann muss ein Abscheider das eventuell freigesetzte Kältemittel ableiten und schließlich nach außen bringen. Diese Anforderung kann alternativ durch einen Doppelwand-Wärmeübertrager erfüllt werden oder eine Sicherung dadurch, dass der Druck im Sekundärkreislauf immer höher ist, als derjenige des Kältemittels. 5.4.7-5.1.1

Sicherheitsschalteinrichtungen

Bläst eine Druckentlastungseinrichtung ab, darf an keinem Bauteil der maximal zulässige Druck um mehr als 10 % überschritten werden. Sicherheitsschalteinrichtungen schalten den Druckerzeuger ab, um das Überschreiten einer Druckgrenze zu verhindern, sie sind baumustergeprüft und unterscheiden sich in 1. Druckwächter, sie öffnen den Stromkreis und schalten selbsttätig wieder ein, eingesetzt zum Schutz gegen zu hohen oder zu niedrigen Druck. 2. Druckbegrenzer, sie öffnen den Stromkreis und können nur von Hand zurückgestellt werden, damit soll eine Prüfung der Ursache erreicht werden 3. Sicherheitsdruckbegrenzer, sie öffnen den Stromkreis und können nur mit einem Werkzeug zurückgestellt werden Kälteanlagen müssen durch mindestens eine Druckentlastungseinrichtung geschützt werden.. Ein baumustergeprüfter Druckwächter (Sicherheitsdruckbegrenzer) genügt – bei Anlagen mit Strömungsverdichtern, wenn der maximal erlaubte Druck nicht überschritten werden kann – bei Anlagen mit Kältemittel der Kategorie A1 und Füllmenge < 100 kg sowie mit Gesamt-Volumendurchfluss des Verdichters < 90 m3/h. Elektromechanische Sicherheitsschalteinrichtungen gegen zu hohen Druck dürfen nicht gleichzeitig für Steuerungs- oder Regelungsaufgaben verwendet werden und auch umgekehrt dürfen elektronische Steuerungs- oder Regelungseinrichtungen nicht gleichzeitig als Sicherheitsschalteinrichtung zur Druckbegrenzung eingesetzt werden, letzteres mit dem Vorbehalt einer eventuell in Kraft tretenden europäischen Norm. Ansonsten ist im Ergebnis des Entscheidungsbaumes aus EN 378-2 die Mindestanforderung an die Sicherheitsschalteinrichtung benannt. 5.4.7-5.1.2

Druckentlastungseinrichtungen

Druckentlastungseinrichtungen bauen einen überhöhten Druck selbsttätig ab: 1. Sicherheitsventile sind Druckentlastungsventile, die so ausgelegt sind, dass ein überhöhter Druck selbsttätig abgebaut wird und die sich wieder schließen, wenn der Druck unter den zulässigen Druck gesunken ist. Das Ansprechen muss nachprüfbar sein, z.B. durch eine Ölvorlage mit Schauglas. Bei der Druckprüfung der Kälteanlage ist das Ventil zu entfernen. Die Ventile sind baumustergeprüft, die Einstellung ist durch Plombe gesichert, auf dem Ventilkörper oder der Plombe muss der Einstelldruck und die Nennabblaseleistung ablesbar sein.

5

2364

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

2. Berstscheiben müssen auf der Hochdruckseite mit einem Druckentlastungsventil in Reihe geschaltet werden, um nicht direkt in die Atmosphäre abzublasen. Die Scheiben sind mit Nennberstdruck und Name des Herstellers zu kennzeichnen. Ein Druckmesswertgeber muss das Ansprechen der Berstscheibe überwachen. 3. Schmelzpfropfen enthalten ein Material, das bei einer festgelegten Temperatur schmilzt und zum Druckabbau öffnet. Soll damit ein Behälter geschützt werden, so muss er dem dreifachen Sättigungsdruck des Kältemittels bei der angegebenen Schmelztemperatur standhalten. Als einzige, zur Atmosphäre abblasende Druckentlastungseinrichtung dürfen Schmelzpfropfen nur in Anlagen mit weniger als 2,5 kg der Kältemittelgruppe L1 oder 1,5 kg der Gruppe L2 oder 1 kg der Gruppe L3 verwendet werden. Weitere Details s. DIN EN 378-1 und -2.

5.4.7-5.2

Unterdruckschalter

Bauart wie Überdruckschalter, schaltet ab bei Unterschreiten des eingestellten Druckes. Der Unterdruckschalter schützt vor zu tiefem Absinken der Verdampfungstemperatur, z. B. infolge Kältemittelverlust oder versperrter Leitungen, und damit vor zu hoher Verdichtungsendtemperatur. Bei Motorverdichtern auch zum Schutz vor unzureichender Motorkühlung. Die Kombination von Unterdruckschalter und bauteilgeprüftem Druckwächter oder Druckbegrenzer in einem Gerät vereinfacht die Installation.

5.4.7-5.3

Öldifferenzdruckschalter

Damit sind Verdichter ausgerüstet, deren Ölkreislauf nicht durch einfache Schleuderschmierung, sondern durch Ölpumpe oder Öldifferenzdruck aufrecht gehalten wird. Das eingebaute Balgsystem ist einerseits mit dem Verdichtergehäuse, andererseits mit der Druckseite der Ölpumpe verbunden. Bei Unterschreitung einer eingestellten Druckdifferenz schaltet dieses Gerät den Verdichter ab. Während des Anlaufvorganges wird es elektrisch für 15 bis 120 s überbrückt. Übermäßiges Lagerspiel, Pumpenschäden oder starker Kältemittelgehalt des Öls können die Ursache für Ausbleiben eines ausreichenden Öldifferenzdrucks sein.

5.4.7-5.4

Überstromauslöser

Die Verdichterantriebsmotoren sind gegen Kurzschluss und Überstrom zu schützen, entweder durch kombinierte Motorschutzschalter oder durch thermische Überstromrelais und vorgeschaltete Sicherungen entsprechender Stärke. Das thermische Überstromrelais muss – besonders bei Motorverdichtern – so gebaut sein, dass es bei Ausfall einer Phase des Drehstromnetzes umgehend abschaltet.

5.4.7-5.5

Wicklungsthermostate

Die Antriebsmotoren, besonders bei Motorverdichtern, werden häufig mit BimetallThermostaten in den Wicklungen ausgerüstet, die bei unzulässiger Erwärmung abschalten. Derartige Wicklungsthermostate sind meistens für normale Netzspannung (230 V) ausgelegt. Sie schützen wegen der Trägheit im Ansprechen nicht bei Ausfall einer Drehstromphase, so dass zusätzlich ein thermisches Überstromrelais verwendet werden muss.

5.4.7-5.6

Motorvollschutz

Bei dieser modernsten Motorschutzart werden Temperaturfühler auf Halbleiterbasis – Thermistoren – in den Motorwicklungen angeordnet. Die Spannungen und Ströme im Messkreis dieser Thermistoren sind sehr klein und erfordern den Einsatz eines Verstärkerrelais. Achtung: Anlegen von Netzspannung an den Messkreis zerstört die Thermistoren und verursacht kostspielige Reparatur! Die meisten ThermistorMotorvollschutzeinrichtungen reagieren so schnell, dass sie auch bei Ausfall einer Drehstromphase früh genug abschalten. Wenn vom Hersteller des Motors oder des Motorverdichters zugelassen, kann also auf ein thermisches Überstromrelais verzichtet werden.

5.4.7-5.7

Druckrohrthermostat

Die Temperatur am Druckrohr oder am Zylinderkopf ist ein Maß für die Verdichtungsendtemperatur, die bei ölgeschmierten Verdichtern 115…150 °C nicht überschreiten darf (s. Abschnitt 5.4.3). Bei Anlagen, die betriebsmäßig bereits hohe Verdichtungsendtempe-

5.4.8 Wasserrückkühlung

2365

raturen erreichen, empfiehlt sich deshalb die Überwachung und Abschaltung durch einen Thermostaten am Druckrohr, nahe am Verdichter, oder am Zylinderkopf, um Schäden durch Zersetzung des Öls zu vermeiden.

5.4.7-5.8

Frostschutzthermostat

Viele Verdampfer zur Kaltwasserkühlung sind mit einem Thermostaten ausgerüstet, der auf einen Wert von etwa +1 °C eingestellt und mittels Tauchrohr so eingebaut ist, dass er bei einer Eisbildung rechtzeitig auslöst. Allerdings sichert er meist nicht gegen Ausbleiben des Kaltwasserstroms. Ein Strömungswächter ist zusätzlich vorzusehen.

5.4.7-5.9

Strömungswächter

Ein Strömungswächter schaltet ab, wenn die Durchflussgeschwindigkeit in der Rohrleitung einen eingestellten Wert unterschreitet. Messprinzip thermische Widerstandsänderung eines beheizten Temperaturfühlers oder auch mechanische Auslenkung eines Paddels. Strömungswächter reagieren auf Luftblasen im Flüssigkeitsstrom mit Flatterschaltungen, die zu Schäden an Motor, Verdichter und Schaltgeräten führen können. Sie sollten deshalb stets mit einem Zeitrelais gekoppelt werden, so dass Abschaltung erst erfolgt nach einer Strömungsunterbrechung von einigen Sekunden Dauer.

5.4.7-6

Kondensat-Abführung

Das in Klimageräten, Luftentfeuchtern usw. anfallende Kondensat oder Abtauwasserwird meist über Rohrleitungen mit natürlichem Gefälle abgeführt. Wo dies nicht möglich ist, können automatisch zuschaltende Pumpen eingesetzt werden, die selbstansaugend sind und bei verstopftem Abflussrohr Alarm geben. Förderhöhe bis 9 m. Hersteller: EDC.1)

5.4.8

Wasserrückkühlung

5.4.8-1

Allgemeines

Kühlwasser zur Wärmeabfuhr aus Verflüssigern ist bei großen Kälteanlagen und bei Absorptionskälteanlagen unerlässlich. Bei kleineren Anlagen (unter 4 bis 600 kW) ist Kühlung mit Wasser energetisch zwar vorteilhaft, zunehmend wird die Direktkühlung mit Luft vorgezogen. Kühlung mit Leitungs(Trink-)wasser ist wegen der hohen Wasserkosten und der in der Regel entgegenstehenden wasserrechtlichen Vorschriften auszuschließen. Nach dem Prinzip der Verdunstungskühlung kann Wasser bis nahe zur Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft abgekühlt werden. Das aus dem Verflüssiger kommende warme Wasser wird im Rückkühler über Füllkörper verteilt. Ein geringer Teil des Wassers verdunstet in die vorbeistreichende Umgebungsluft und entzieht dem Wasserstrom Wärme, Bild 5.4.8-1. Die Partialdruckdifferenz zwischen dem warmen Wasser und dem Wasserdampf der Luft ist die treibende Kraft des Prozesses. Die theoretisch erreichbare Temperatur des Wassers ist die Kühlgrenztemperatur tf der Luft. Die Trockentemperatur der Luft kann höher oder tiefer als das abzukühlende Wasser sein, sie nähert sich der Wassertemperatur und erreicht theoretisch mit dem Wasser die Kühlgrenztemperatur. Die Temperaturspreizung tW1–tW2 des Wassers wird als Kühlzonenbreite (im Allgemeinen 5 bis 7 K, bei Naturzugkühltürmen bis 15 K), die Temperaturdifferenz Kaltwasser tW2 zu Kühlgrenztemperatur tf als Kühlgrenzabstand (3 bis 5 K) bezeichnet. Das Wasser wird über Füllkörper versprüht und fließt als dünner Film nach unten, die Luft im Gegen- oder Querstrom nimmt das verdunstete Wasser auf. Die Abkühlung geschieht in einem gekoppelten Wärme- und Stoffaustausch. An jedem Punkt des Luftstromes kann die Partialdruckdifferenz zur jeweiligen Wasserfläche gezeichnet werden. Im h,x-Diagramm, Bild 5.4.8-2, werden die zugehörigen Temperaturen dargestellt. Der Zustand des Wassers auf der Sättigungslinie verläuft von tW1 nach tW2, dies entspricht einer 1)

CCI (1989), Nr. 2, S. 28.

5

2366

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.8-1. Schema eines Wasserrückkühlers in Kälteanlagen.

Bild 5.4.8-2. Luftzustandsänderung im Wasserrückkühler, dargestellt im h,x-Diagramm.

gerade gesättigten Luft an der Phasengrenze des Wassers. Der Zustand der Luft, beginnend beim Umgebungszustand tL1 mit tf, verläuft in Schritten nach tL2. Der Zustand tL2 der Luft kann auf der Sättigungslinie liegen, entscheidend ist ein weiter bestehendes Partialdruckgefälle von der Wasseroberfläche zur Luft. Die Wasserabkühlung entspricht der Enthalpiezunahme der Luft von h1 nach h2: m· W · c · (tW1 – tW2) = m· L · (h2 – h1) m· W = Wassermassenstrom kg/s = Luftmassenstrom kg/s m· L tW1, tW2 = Wasserein- und Austrittstemperatur °C h1, h2 = Wärmeinhalt der eintretenden Luft kJ/kgt.L. Die Berechnung der erforderlichen Kontaktfläche erfolgt nach der Merkel’schen Hauptgleichung der Kühlturmtechnik, hergeleitet aus Wärme- und Stoffbilanzen, mit vereinfachenden Annahmen gilt für den Gegenstrom:1)2) t W2

A

β dA- =  --------- · m

0

W

t W1

c W ⋅ dt W -------------------hs – hL

= Enthalpie der gesättigten Luft kJ/kgt.L. hs = Enthalpie feuchter Luft kJ/kgt.L. hL Das rechte Integral definiert den Schwierigkeitsgrad, Wasser bei den gegebenen Umgebungsbedingungen auf die gewünschte Temperatur abzukühlen, ausgedrückt als Zahl der Übertragungseinheiten, bei Kühltürmen Merkel-Zahl Me genannt. Sie hängt vom Zustand der Umgebungsluft, der Luft- und Wassermenge, der geforderten Kühlzonenbreite und dem Kühlgrenzabstand ab. Bei unendlich großer Luftmenge strebt das Integral einem endlichen Grenzwert zu, während es bei einer minimalen Luftmenge gegen unendlich tendiert, hier wäre die austretende Luft mit dem eintretenden Wasser im Gleichgewicht. In Bild 5.4.8-3

1) 2)

Bosnjakovic, F.: Technische Thermodynamik. II. Teil. VDI Wärmeatlas, Kapitel Mi: Berechnung von Rückkühlwerken.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2367

sind für die Kühlgrenztemperatur 21 °C, einer Kühlzonenbreite 6 K und einigen Wasseraustrittstemperaturen tW2 die erforderlichen Merkel-Zahlen dargestellt. Die gestrichelt Linie gilt für eine Kühlgrenztemperatur 18 °C und Wasseraustrittstemperatur 26 °C. Das System reagiert sehr empfindlich auf veränderte Bedingungen.

Bild 5.4.8-3. Erforderliche Übertragungseinheiten Me als Funktion der Luftzahl λ.

Thermodynamisch ist das Integral nicht korrekt, weil als treibende Kraft eine Enthalpiedifferenz verwendet wird: hs ist die Enthalpie der gesättigten Luft unmittelbar über der lokalen Wasseroberfläche, hL die Enthalpie der vorbeiströmenden Luft. Enthalpie ist eine zusammengesetzte Größe und keine Potentialgröße und deshalb keine treibende Kraft. Dennoch ist eine wichtige Erkenntnis aus dieser Enthalpiedifferenz abzuleiten: durch rezirkulierte feuchte Luft wird hL größer und damit die Größe des Integrals. Als Folge ist entweder die Austauschfläche zu vergrößern oder die Wasserabkühlung wird geringer. Das linke Integral der Gleichung stellt die in einem bestimmten Kühlturm erreichbare Zahl der Übertragungseinheiten dar. Sie wird Kühlturmcharakteristik KV genannt. Mit dem Stoffübergangskoeffizienten β geht die Reynolds-Zahl Re der Luftströmung und die Schmidt-Zahl Sc (Sc = v/D, D = Diffusionskoeffizient) ein. β ~ ReaScb Für den Hersteller eines Füllkörpers ist es einfacher, das gesamte Integral als abhängige Variable zu betrachten. Es gilt A · n n m L β ⋅ dA = K  -------KV =  -------------o  · - = Ko · λ · mW m 0

W

Das Verhältnis des Massenstroms trockener Luft zu Wasser ist als die Luftzahl λ definiert · m L λ = -------· m W Der Stoffübergang steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit der Luft, üblich sind 2,0 bis 3,5 m/s. Die Grenzgeschwindigkeit ist beim Rückstau des Wassers erreicht (3,8...5 m/s). Praktische Werte der Wassermenge, bezogen auf den freien Querschnitt, sind zwischen 4 und 25 m3/m2h, meist 10...20 m3/m2h. Ko ist abhängig von der Form, spezifischen Oberfläche m2/m3, Höhe und Benetzung der Einbauten, Exponent der Luftzahl λ eines vorwiegend verwendeten Füllkörpers n = 0,92…0,95. Am Schnittpunkt der Me- und KV-Kurven ist der aktuelle Betriebspunkt eines Füllkörpers. Die Angaben der Füllkörperhersteller beziehen sich auf ideale Betriebsbedingungen mit gleichmäßiger Berieselung, gleichmäßiger Luftverteilung und vollständiger Benetzung der Flächen.1) Im ausgeführten Kühlturm mindern zahlreiche Einflussgrößen die Gesamtleistung (Ungleichverteilung von Luft und Wasser, schlechte Benetzung neuer Kunststoffeinbauten, Randgängigkeit, erhöhter Druckverlust der Luftströmung, Rückströmung der Abluft). In Bild 5.4.8-4 ist für einen Kühlgrenzabstand von 5 K der Verlauf der Merkel-Zahl gezeichnet, ebenso die Charakteristik eines Füllkörpers. Am Schnittpunkt ergibt sich die erforderliche Luftzahl des unter idealen Bedingungen arbeitenden

1)

Angaben GEA 2H Water Technologies GmbH.

5

2368

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Füllkörpers. Die Leistungsangaben von Kühlturmherstellern beziehen sich auf diese Schnittpunkte.

Bild 5.4.8-4. Erforderliche Luftzahl λ aus Zahl der erforderlichen Übertragungseinheiten Me und Kühlturmcharakteristik Kv.

Die Abnahmemessung einer Kühlturmanlage muss häufig bei Umgebungsbedingungen erfolgen, welche von den ursprünglich definierten Werten abweichen. Die Abnahmekann nach der Norm DIN EN 13741:2003 erfolgen. Der Hersteller muss dazu die Kaltwassertemperatur in einem Kennfeld von Variablen angeben: tW2 = f (tF, tW1 – tW2, m· W, PVentilatormotor). tW1, tW2 = Warmwasserein- und austrittstemperatur tF = Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft PVentilatormotor = Ventilatorantriebsleistungen. Bei allen Abnahmen wird die sehr schwierige Messung der Luftmenge vermieden. Leider fehlt damit die maßgebende Größe zur Bestimmung der Merkel-Zahl, der Füllkörperund der Kühlturmcharakteristik. Nachträgliche Änderungen der Ausstattung eines Kühlturms kann die Luftmenge und andere Parameter verändern und die Leistung erheblich beeinflussen. Wird beispielsweise die Füllkörperpackung erhöht, um eine niedrigere Wasseraustrittstemperatur zu erreichen, nimmt die Luftmenge durch den zusätzlichen Druckverlust ab. Dadurch vergrößert sich die erforderliche Merkel-Zahl und verkleinert sich die erreichbare Kühlturmcharakteristik, die Leistung geht zurück. Ähnlich wirkt sich der Einbau von Schalldämpfkulissen aus, der zusätzliche Druckabfall verändert die Betriebsbedingungen, der Ventilator ist dann den neuen Gegebenheiten anzupassen. Neue Kunststoffeinbauten behindern eine gleichmäßige Benetzung – Abperleffekt. Erst nach 2–3 Monaten Betrieb entwickelt sich eine benetzende „Schmutz“schicht. Der Betrieb eines Rückkühlwerkes erfordert Aufstellung im Freien (Kaltwasserkreislauf im Winter sichern!) oder bei Aufstellung im Gebäude große Luftkanäle, Rezirkulation der feuchten Abluft zur Zuluft des Rückkühlwerkes unbedingt verhindern!

5.4.8-2

Ausführung offener Rückkühlwerke1)

Zwangsbelüftete Kühltürme, besser Rückkühlwerk genannt, werden nach der Art der Luftführung unterschieden: Gegenstrom-, Querstrom- und Quer-Gegenstrom-Luftführung, jeweils mit saugend oder drückend angeordneten Ventilatoren. Die notwendige, möglichst große Austauschfläche wird durch Einbauten erzielt, über die das Wasser in dünnem Film rieselt und tropft. Diese werden vorwiegend aus Kunststoff hergestellt. Rinnen, Düsen oder gelochte Schalen verteilen das abzukühlende Wasser über die Einbauten. Häufig sind Tropfenabscheider eingebaut, um die Spritzverluste klein zu halten. Bei großen Leistungen werden meist Axialventilatoren verwendet, bei kleinen Leistungen Radialventilatoren, namentlich bei Aufstellung innerhalb von Gebäuden.

1)

Berliner, P.: Kälte- u. Klimatechn. (1977), Nr. 5, 7 S. Dirkse, R. J. A.: Kälte- u. Klimatechn. (1979), Nr. 8, 4 S.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2369

Bild 5.4.8-5. Rechteckiger Kühlturm mit Axialventilator (Axima Refrigeration).

Für Kühltürme nach Bild 5.4.8-5 – Gegenstromluftführung mit saugendem Axialventilator – gelten etwa folgende Werte: – Luftgeschwindigkeit, bezogen auf den freien Querschnitt: 2…3,4 m/s – Regendichte, Wasserdurchsatz pro m2 beregnete Grundfläche: 4…25 t/m2h – Luftvolumenstrom ca. 130…170 m3/h je 1 kW Verflüssigerleistung. – Elektrische Antriebsenergie bei Axialventilatoren: 6…10 W je kW Verflüssigerleistung, – bei Radialventilatoren: 10…20 W je kW Verflüssigerleistung. Da die höchste Feuchtkugeltemperatur von 18…23 °C nur an wenigen Tagen im Jahr auftritt, ist es zur Energieersparnis zweckmäßig, die Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der Feuchtkugeltemperatur oder der Wasseraustrittstemperatur zu regeln (stufenlos oder polumschaltbar). Dabei erheblich geringerer Energieverbrauch. Besonders niedrige Bauhöhen, aus architektonischen Gründen oft bevorzugt, ergeben sich bei Querstrombelüftung. Für den Einbau in Gebäude eignen sich besonders die Kühlwerke in Stahlkonstruktion mit Flanschen für Kanalanschluss gemäß dem Bild 5.4.8-6.

5 Bild 5.4.8-6. Kühlturm mit Schalldämpfern (GOHL).

Bild 5.4.8-7. Schema einer Installation mit Ejektor-Kühlturm und Bypass-Regelventil.

Eine Sonderbauart ohne Ventilator ist der Ejektor-Kühlturm, bei dem die Luft infolge der Induktionswirkung der Sprühdüsen durch das Gehäuse gefördert wird.1) Wegen der intensiven Mischung von Luft und Wasser sind auch keine Füllkörper erforderlich, jedoch höherer Düsenvordruck (1…4 bar). Je höher der Druck, desto größer Luftdurchsatz und Kühlleistung (Bild 5.4.8-7). Aufstellung nur im Freien möglich. 1)

Träger, W.: Ki (1977), Nr. 5, S. 187–190.

2370

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Schaltungsbeispiele von Kühltürmen zeigen die Bild 5.4.8-8 und Bild 5.4.8-9. Wasserleitungen im Freien isolieren und mit Begleitheizung sichern. Kaltwasserleitungen bei Gefahr von Kondenswasser isolieren

Bild 5.4.8-8. Empfehlenswerte Kühlturmaufstellung bei Winterbetrieb – Sammelbecken läuft beim Abschalten leer (Gohl).

Bild 5.4.8-9. Temperaturregelung des Kühlwassers mit Einschaltung eines Zwischenbehälters.

5.4.8-3

Betrieb offener Rückkühlwerke

Die Größe eines Rückkühlwerkes wird wesentlich durch den Abkühlungsgrad, insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasseraustritts- und Feuchtkugeltemperatur bestimmt; je kleiner diese, desto größer der Kühlturm. Übliche Auslegungswerte für die Wasserrückkühlung in Kälteanlagen sind: Abkühlung von tW1 auf tW2 um ca. 5 K, in Kraftwerken bis über 12 K (Kühlzonenbreite ΔtW = 5 K) und Kühlgrenzabstand (tW2 – tf) = 5…6 K; so z. B. bei Komfortklimaanlagen Kühlung des Wassers von 32 auf 27 °C bei tf = 21 °C, entsprechend 32 °C, 40 % rel. Feuchte. Diese Temperatur wird an wenigen Tagen – und dort nur für Stunden – erreicht und überschritten (siehe hierzu Abschnitt 1.1.3). Für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen müssen statistische Mittelwerte1) herangezogen werden. Die Zusammensetzung des Wassers im offenen Kreislauf verändert sich im Betrieb durch – Verdunsten reinen Wassers (der Salzgehalt nimmt zu), – Austreiben von Kohlensäure (gestörtes Calciumcarbonat-Kohlensäure-Gleichgewicht) – Erwärmen (veränderte Löslichkeit von Salzen) – Eintrag von Schmutzstoffen aus der Luft – Sauerstoffsättigung (erhöhte Korrosionswirkung)

1)

z. B. DIN 4710.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2371

Bei Salzanreicherung und Verdickung des Wassers entstehen Ablagerungen (Kesselstein) in Rohrleitungen und Wärmeübertragern, welche die Leistung beeinträchtigen. Deshalb ist neben dem Ersatz des betriebsbedingten Verlustes zusätzlich eine Absalzung (Abschlämmung) vorzusehen. Besonders zu beachten ist immer der Chloridgehalt des Umlaufwassers, Grenzwert ca. 100 mg/l. Die erforderliche Frischwassermenge m· W : – die verdunstete Wassermenge ergibt sich aus der Darstellung der Luftzustandsänderung im h, x-Diagramm m· o – m· W · (x2 – x1) in kg/s, – Spritzverluste m· s sind konstruktionsbedingt und vom Hersteller anzugeben, ggfs. abhängig von Windrichtung und Windgeschwindigkeit. – Die Absalzmenge ist abhängig von der verdunsteten Wassermenge und der zulässigen Härte des Umlaufwassers. Letztere bestimmt das zulässige Eindickungsverhältnis E = dz/d mit = zulässige Härte des Umlaufwassers dz d = Härte des Frischwassers (1 °dH = 0,178 mol Calciumcarbonat/m3) · m o m· W = ------------ in kg/s E–1 Die Frischwassermenge ist also abhängig von der Härte des bereitgestellten Frischwassers und dem jahreszeitlich sehr veränderlichen Massenstrom verdunsteten Wassers. Richtwerte für den Frischwasserbedarf auf 1 kW Kälteleistung bezogen Zur Ergänzung des verdunsteten Wassers: m· W etwa 2 kg/h Zur Ergänzung der Spritzwasserverluste: m· S etwa 1 kg/h Zur Verhinderung einer Salzanreicherung: m· A etwa 3 kg/h Zusammen

m· F etwa 6 kg/h

Der Wasserhaushalt und Wasseraufbereitung sollte mit dem Hersteller sorgfältig geplant werden. Üblich ist bei den Rückkühlwerken von Klimaanlagen die Behandlung des Zusatzwassers in automatischen Einrichtungen (s. Bild 5.4.8-10). Durch Zusatz von Chemikalien (Polyphosphate, Chromate, Biocide u.a.) wird die Lösungsfähigkeit des Wassers für Salze erhöht, die Korrosion, Algen- und Bakterienbildung verringert und gleichzeitig der pHWert reguliert. Die Absalzmenge kann proportional zu dem durch Wasserzähler gemessenen Zusatzwasser mittels Magnetventil abgelassen werden. Besser ist jedoch eine Absalzungsautomatik mit Leitfähigkeitsmesser und Absalzventil nach Bild 5.4.8-10 rechts. Eindickung des Umlaufwassers auf 20…25°dH (3,4…4,3 mol/m3). Empfohlene Grenzwerte für die Beschaffenheit des Umlaufwassers in VDI 3803:2010-12. Bei Aufstellung von Rückkühlwerken in Wohngegenden muss die Geräuschbildung der Ventilatoren und des Wassers beachtet werden. Durch Vor- und Nachschalten von Schalldämpfern, Bild 5.4.8-6, kann die Geräuschbelästigung der Umgebung verringert werden. Zulässige Werte siehe Abschnitt 3.5.3. Die Schalldämpfer verursachen einen zusätzlichen Druckverlust und sind bei der Auslegung des Ventilators zu berücksichtigen. Besonders zu beachten ist die Einfriergefahr des im Freien stehenden Rückkühlwerkes im Winter. Die elektrische Beheizung des Wassersammelbeckens und der Wasserleitungen ist nur in Ausnahmefällen zweckmäßig. Am sichersten ist die selbständige Entleerung des Rückkühlwerkes im Stillstand in einen Zwischenbehälter hinein, der gemäß Bild 5.4.8-8 in einem frostsicheren Raum aufgestellt ist. Allerdings geht dabei eventuell ein größerer Anteil an geodätischer Zulaufhöhe verloren, so dass die Kühlwasserumwälzpumpe für eine vergleichsweise größere Förderhöhe ausgewählt werden muss. Zur Vermeidung zu geringer Wassertemperatur Regelung durch Bypassventil in Abhängigkeit von der Wassertemperatur. Besondere Beachtung ist auch der Vermeidung von Rezirkulationen zu schenken, d.h. der Wiederansaugung erwärmter, feuchter Abluft, da hierdurch die verlangte Kaltwassertemperatur eventuell nicht erreicht wird. In dieser Hinsicht ist Ausblas nach oben am günstigsten, eventuell mit zusätzlicher Ablufthaube.

5

2372

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.8-10. Kühlwasseraufbereitung durch Dosiergeräte.

Ferner ist dafür zu sorgen, dass die Abluft nicht von Lüftungsanlagen angesaugt wird, da Infektionsgefahr durch Legionellen bestehen kann (siehe Abschnitt 1.1.1-2.3 und Abschnitt 1.2.7.1)

5.4.8-4

Geschlossene Rückkühlwerke2)

An die Stelle der Füllkörpereinbauten bei den offenen Rückkühlwerken Bild 5.4.8-11a), treten hier Wärmeübertragersysteme aus berippten oder unberippten, korrosionsgeschützten Rohren. Das rückzukühlende Wasser fließt in den Rohren, das über das Rohrsystem rieselnde Sprühwasser zirkuliert in einem eigenen Kreislauf. Verschiedene Anordnung der Ventilatoren wie bei offener Bauart, Bild 5.4.8-11b). Vorteil ist, dass das Kühlwasser im geschlossenen Kreislauf zirkuliert und nicht mit der Kühlluft in Berührung kommt. Es wird also nicht verschmutzt und wird nicht durch Luftsauerstoff- und Salzanreicherung aggressiv. Nachteil sind die bei gleichem Kühlgrenzabstand wesentlich höheren Investitionskosten gegenüber einem offenen Rückkühlwerk. Diese sind nicht nur bedingt durch den größeren technischen Aufwand, sondern auch durch die in jeder Hinsicht größere Dimensionierung, da ein Teil der verfügbaren Temperaturdifferenz für den Wärmedurchgang am Wärmeübertrager benötigt wird. Ein betriebstechnischer Vorteil ist, dass bei Teillast und niedrigerer Außenlufttemperatur der Sprühwasserkreislauf stillgelegt werden kann, wenn die trockene Kühlung allein ausreichend ist.3) Als Mittellösung kann zwischen offenen Kühlturmkreislauf und geschlossenen Verflüssigerkreislauf ein (Platten-)Wärmeübertrager gesetzt werden, Bild 5.4.8-11c). Vorteil ist geschlossener Kreislauf am Verflüssiger, billiger als geschlossener Verdunstungskühlturm. Nachteil ist ein zweiter Pumpenkreislauf und Temperaturdifferenz im Wärmetauscher (2…4 K). Der Verflüssiger kann als besprühtes Rohrbündel in den Kühlturm eingebaut werden. Große Kältemittelfüllmenge, teure Rohrleitungen, Bild 5.4.8-11d).

1) 2) 3)

Ki-Forum (1989), Nr. 1, S. 33ff. Klenke, W.: KK (1970), Nr. 10, S. 322–330. N.N.: Chemie-Technik (1989), Nr. 1, S. 47–49.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2373

Bild 5.4.8-11. a) Verflüssiger mit offenem Kühlwasserkreislauf, b) mit geschlossenem Kühlwasserkreislauf, c) (Glykol)-Kreislauf mit bedarfsweise wasserbesprühtem Rohrbündel, d) ein Plattenwärmeübertrager trennt die Wasserkreisläufe, e) das Verflüssigerrohr im Kühlturm integriert.

5

2374

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

5.5

Ausführung von Kälteanlagen

5.5.1

Allgemeines

Nach der Art des Wärmeentzuges unterscheidet man zwischen zwei Verfahren: Direkte Kühlung – Der Kältemittelverdampfer liegt direkt im abzukühlenden Stoffstrom, in der Klimatechnik also im Luftstrom. Die Kälteanlage ist eine Luftkühlanlage. Indirekte Kühlung – Im Kältemittelverdampfer wird eine als Kälteträger geeignete Flüssigkeit, Wasser oder Sole (vgl. Abschnitt 5.3.4) abgekühlt. Der zirkulierende Kälteträger dient über weitere Wärmeaustauscher zur Abkühlung der eigentlich abzukühlenden Stoffströme. Die Kälteanlage ist eine Wasser- (oder Sole-)Kühlanlage. Für eine funktionsfähige Kälteanlage müssen alle erforderlichen Bauelemente durch Rohrleitungen miteinander verbunden werden, in denen das Kältemittel zirkulieren kann (Bild 5.5.1-1). Die richtige Auslegung der Bauelemente für eine gestellte Aufgabe, die Planung und die Erstellung einer Kälteanlage erfordern kältetechnische Spezialkenntnisse, sind also stets Aufgabe eines Unternehmens der Kältetechnik. Um den Aufwand zu verringern, wurde seitens der Kältetechnik schon weitgehend standardisiert und auch die Erstellung des Kältekreislaufes weitgehend in das Herstellerwerk übernommen.

Bild 5.5.1-1. Kompressionskälteanlage mit Verdampfer zur direkten Luftkühlung.

Je nach Grad der Vorfertigung unterscheidet man Kältesätze: In Standard-Baugrößen im Herstellerwerk vollständig zusammengebaute Kältesysteme, betriebsfertig mit Kältemittel gefüllt. Auswahl durch Klimatechniker nach Leistungs-Diagrammen oder -Tabellen des Herstellers. Installation erfordert keine kältetechnischen Kenntnisse. Lediglich zur ersten Inbetriebnahme ist Hinzuziehung eines Kältetechnikers der Lieferfirma zu empfehlen. Kälteanlagen: Planung nach gestellter Aufgabe. Montage der einzeln angelieferten Bauteile und des Rohrleitungssystems auf der Baustelle. Ausführung nur durch Spezialfirmen der Kältetechnik. Zwischen diesen beiden Extremen liegen Ausführungen mit nur teilweiser Vorfertigung. So werden z.B. Hubkolbenverdichter für den Kälteanlagenbau überwiegend mit dem Verflüssiger nebst Trockner, gegebenenfalls Sammler, sowie meistens mit Sicherheitsund Schaltgeräten zusammengebaut. Diese vorgefertigte Einheit wird als Verflüssigungssatz bezeichnet. Ebenso werden Verdampfer und Verdichter als vorgefertigter Verdampfer-Verdichter-Satz geliefert. Bei Systemen mit nur teilweiser Vorfertigung ist zu unterscheiden zwischen Standardisierten Systemen, bei denen vom Hersteller für bestimmte Kombinationen Leistungsdaten angegeben werden. Diese Teile können ohne kältetechnische Leistungsbe-

5.5.2 Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen

2375

rechnung installiert werden. Lediglich die Kältemittel-Rohrleitungen müssen nach Angabe des Lieferers und Stand der Technik von einem Kältemonteur verlegt werden. Es handelt sich hier praktisch um Kältesätze, die in zwei Teilen angeliefert werden, wofür die amerikanische Bezeichnung Split-System auch bei uns benutzt wird. Nicht standardisierte Systeme: Hierbei ist z.B. für einen oder mehrere Verdampfer ein passender Verflüssigungssatz, oder für einen Verdichter-Verdampfer-Satz ein passender Verflüssiger zu wählen. Dies ist wieder eine speziell kältetechnische Aufgabe, es handelt sich hier praktisch um eine Kälteanlage, bei der die Vorteile vorgefertigter Einheiten genutzt werden. Alle Bauelemente eines Kältekreislaufes sind auf das jeweils eingesetzte Kältemittel abgestimmt. Dies betrifft nicht nur die betriebsbedingt auftretenden Drücke, sondern auch das chemische Verhalten. Insbesondere Dichtungsmaterialien (Elastomere) und das Schmieröl können sich bei Umstellung auf ein anderes Kältemittel als völlig ungeeignet erweisen. Bei Verwendung von Ammoniak als Kältemittel müssen alle mit Ammoniak in Berührung kommenden Teile frei sein von Kupfer, Zink und allen daraus bestehenden Legierungen wie Messing, Bronze etc.1)

5.5.2

Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen

5.5.2-1

Allgemeines

Die direkte Kühlung, bei der die Luft direkt im Verdampfer gekühlt wird, ist grundsätzlich wirtschaftlicher als die indirekte Kühlung, da bei indirekter Kühlung zusätzlich Energie benötigt wird für die Zirkulationspumpe des Kälteträgers, und da außerdem infolge der zusätzlich erforderlichen Temperaturdifferenz (Kältemittel an Kälteträger und Kälteträger an Luft) die Verdampfungstemperatur niedriger liegen muss, mit entsprechend geringerer Leistungszahl. Die Kühlflächentemperatur zur Entfeuchtung kann niedriger sein als es mit Kaltwasser-Zwischenkreislauf möglich ist. Dass trotzdem in großer Zahl Anlagen mit indirekter Kühlung erstellt werden, liegt an folgenden Problemen der Luftkühlanlagen mit direkter Verdampfung: 1. Die klimatechnische Regelung muss direkt in den Kältekreislauf eingreifen. Zur einwandfreien Koordinierung muss also entweder der Klimatechniker ausreichende kältetechnische Kenntnisse haben, oder der Kältetechniker muss die Regelungstechnik der Klimaanlage beherrschen. Da die wirtschaftlichen Regelungsmöglichkeiten der Kältemaschinen begrenzt sind, ist sorgfältige Planung und Koordinierung erforderlich (vgl. Abschnitt 5.7.1), insbesondere, wenn für Entfeuchtungsaufgaben eine bestimmte Kühlflächentemperatur erforderlich ist. 2. Weitverzweigte Kälteleitungssysteme und/oder große Leitungslängen, insbesondere bei größeren Niveauunterschieden, können zu betriebstechnischen Schwierigkeiten führen. Derartige Anlagen sind deshalb nur üblich in Produktionsbetrieben, die über entsprechendes Fachpersonal verfügen. 3. Undichtigkeiten an Kältemittelleitungen sind sehr viel schwerer zu finden und zu beseitigen als an Wasser- oder Soleleitungen. Kältemittelverluste sind sehr viel teurer als Verluste an Wasser oder Sole, und führen außerdem sehr rasch zu Störungen an der Kälteanlage. 4. Das zulässige Füllgewicht der Kälteanlage ist bei direkter Kühlung nach DIN EN 378-1 begrenzt durch die Größe der gekühlten Räume und dem von der Art des Kältemittels abhängigen Praktischen Grenzwert PL. Weitgehende Einschränkungen bei Brennbaren und bei Ammoniak. Die direkte Kühlung wird deshalb vorwiegend für kleinere Leistungen und/oder bei nur einer (oder wenigen) Kühlstellen eingesetzt. Zur Verwendung kommen Verdrängungsverdichter, das Prinzip der trockenen Verdampfung und die Kältemittel R 134a und R 407.

1)

Blumhardt, R.: Ki (1990), Nr. 7–8, S. 306–308.

5

2376

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

5.5.2-2

Kältesätze für Luftkühlung

Werksseitig mit allem erforderlichen Zubehör betriebsfertig montierte Kältesysteme finden sich in den Fenster-, Raum- und Schrank-Klimageräten (eingehäusige Geräte) mit eingebautem Verdichter (Kompressor), Verflüssiger (Kondensator) und Verdampfer. Bei eingebautem luftgekühlten Verflüssiger sind Verbindungen ins Freie (Mauerdurchbrüche) für Luft-Ein- und -Austritt erforderlich. Beim Split-System (mehrgehäusige Geräte) besteht die werksseitige Lieferung aus zwei Teilen, entweder Klimateil und luftgekühlter Verflüssigungssatz für Aufstellung im Freien oder Klimateil mit Verdichter und davon getrenntem luftgekühlten Verflüssiger zur Aufstellung im Freien (Bild 5.5.2-1 und Bild 5.5.2-2).

Bild 5.5.2-1. Kühlung von Räumen nach dem Splitsystem.

Aufstellung und Leitungsverlegung nach Vorschriften des Herstellers, häufig werden Kältemittelleitungen mitgeliefert, teilweise schon mit Kältemittel gefüllt und mit Schnellkupplungen an beiden Enden für problemlose Installation durch Nicht-Kältetechniker. Kältemittelentspannung häufig durch Kapillare, bei größeren Leistungen thermostatische Expansionsventile. Leistungsangaben für ein- und mehrgehäusige Geräte sind bezogen auf Bedingungen des klimatisierten Raumes und Außenluft- bzw. Kühlwassertemperatur. Prüfbedingungen DIN 8957-1 bis DIN 8957-4. Zugehörige Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen werden meistens nicht angegeben. Damit ist eine kältetechnische Nachrechnung nicht möglich, bei diesen Geräten aber auch nicht erforderlich (Herstellerverantwortung).

Bild 5.5.2-2. Verflüssigungssatz mit luftgekühltem Verflüssiger. Verdichter, Expansionseinheit sowie Schaltbox sind kompakt vom luftdurchfluteten Verflüssigerpaket getrennt.

Verwendete Verdichter fast ausschließlich hermetische Bauart (Kapselverdichter), Hubkolben, Rollkolben und Scroll-Verdichter. Einphasiger (Wechselstrom-)Betrieb nur bis 1,4 kW Motor-Nennaufnahme zulässig, darüber Drehstrom (3phasig) erforderlich gemäß Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorgungsunternehmen (EVU).

5.5.2 Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen

5.5.2-3

2377

Kälteanlagen für Luftkühlung

Für Kühlung (Klimatisierung) einzelner Räume können eine oder mehrere Klimatruhen (Ventilatorkonvektoren) mit eingebautem Luftkühlverdampfer an einen Verflüssigungssatz angeschlossen werden (Bild 5.5.2-3). Im einfachsten Falle (gewerblicher Produktionsbereich) auch Verwendung einfacher Kühlraumverdampfer (Bild 5.5.2-4).

Bild 5.5.2-3. Kompressionskälteanlage mit luftgekühltem Verflüssiger und Verdampfer für direkte Luftkühlung.

Bild 5.5.2-4. Beidseitig ausblasender Deckenluftkühler (Kühlraumverdampfer) für Aufhängung an der Decke des Raumes (Walter Roller).

Verflüssigungssätze luft- oder wassergekühlt aus dem normalen Programm der Kältetechnik, vorwiegend halbhermetische Hubkolbenverdichter, Bild 5.5.1-1. Leistungsangaben über Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, wie in der Kältetechnik üblich. Berechnung der Verdampfer und Auswahl des Verflüssigungssatzes zur Erfüllung der klimatechnischen Forderungen durch Kältetechniker. Bei größeren Klimaanlagen wird Verdampfer für direkte Luftkühlung im Klimazentralgerät anstelle des kaltwasserbeaufschlagten Luftkühlers eingebaut. Berechnung von Verdampfer, thermostatischem Expansionsventil und passendem Verflüssigungssatz gemäß klimatechnischen Forderungen durch Kältetechniker. Für bessere Regelbarkeit häufig Aufteilung auf mehrere getrennte Kältekreisläufe mit je einem Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampferteil. Verdampferberechnung hierbei recht umfangreich. Bei größeren Leistungen werden wassergekühlte Verflüssiger mit Rückkühlwerk oder zentrale luftgekühlte Verflüssiger verwendet, unterteilt in getrennte Kältekreise je Verdichter, und einzeln aufgestellte Verdichter. Aufteilung auf mehrere getrennte Kältekreisläufe erhöht auch zulässige Gesamt-Kältemittelfüllung, da Sicherheitsbeschränkung nur auf Teilkreislauf mit größter Füllmenge bezogen ist.

5.5.2-4

Luftkühlung mit Absorptionsmaschinen

Schrank-Klimageräte mit betriebsfertig eingebauter Absorptions-Kältemaschine zur direkten Luftkühlung sind in den USA schon seit Jahrzehnten üblich, Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid. Der Austreiber wird direkt mit Gas beheizt, und meistens ist im gleichen Gerät auch noch ein gasbeheizter Lufterhitzer für den Winterbetrieb eingebaut. Für die in den USA bei Einfamilienhäusern üblichen Luftheizsysteme ermöglicht dieses Gerät den ganzjährigen Kühl- und Heizbetrieb. Mit dem Ausbau des Erdgasnetzes werden derartige Geräte

5

2378

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

auch bei uns angeboten. Die Geräte bieten in wärmeren Gegenden auch die Möglichkeit der Kühlung durch unmittelbare Ausnutzung der Sonnenenergie über Solarkollektoren, das erwärmte Wasser beheizt den Austreiber der Absorptionsmaschine.

5.5.3

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

5.5.3-1

Allgemeines

Die folgenden Ausführungen gelten in gleicher Weise für Wasser und für Sole als Kälteträger. Vorteile der indirekten Kühlung: 1. Regelkreise von Klimaanlage und Kälteanlage weitgehend getrennt. Klimaregelung verändert Kaltwasserdurchsatz durch Luftkühler. Kälteanlagenregelung hält Kaltwassertemperatur etwa konstant. 2. Kaltwasserverteilsystem praktisch gleich dem Warmwasserverteilsystem und damit dem Klimatechniker vertraut. 3. Eindeutige Abgrenzung der Leistungsgarantien zwischen Klimatechnik und Kältetechnik. Von Nachteil ist der höhere Energieaufwand infolge der geringeren Leistungszahl und infolge des Energieverbrauches der Kaltwasser-(Sole-)Zirkulationspumpen. Richtwerte: bei trockener Verdampfung, Abschnitt 5.4.4-2.1 ist die Verdampfungstemperatur ca. 5 K unter der Kaltwasser-Austrittstemperatur; bei überfluteter Verdampfung, Abschnitt 5.4.4-2.2, ca. 1 K und weniger. Die Verflüssigungstemperatur ist 3 bis 5 K über der Kühlwasser-Austrittstemperatur, mit gut gepflegtem Wasser und Hochleistungsrohrengelingt eine Annäherung von 1 bis 3 K. Die meisten Wasserkühlanlagen werden heute als betriebsfertige Wasserkühlsätze WKS geliefert mit rein rotierenden Maschinen, also Spiral-Schrauben- und Turboverdichtern, daneben auch Absorptionskältemaschinen mit Wasser-Lithiumbromid. Kaltwasserversorgung der Kühlstellen als Ein- oder Zweikreissystem. Die Einkreisschaltung fasst Kältebereitstellung mit Verdampfer, Umwälzpumpe und Verbraucher in einem gemeinsamen Kreislauf zusammen, Bild 5.5.3-1.

Bild 5.5.3-1. Einkreissystem, Kaltwasserpumpe versorgt Kältemaschine und -verbraucher gleichzeitig.

Einfacher Aufbau, aber die Kältemaschine muss den gesamten Regelbereich des Verbrauchers möglichst stufenlos abdecken, der Wasservolumenstrom darf nur wenig abweichen (ca. 0/-20 %), Verbraucher in der dargestellten Beipass-Schaltung. In der Zweikreisschaltung sind Kälteerzeuger- und -verbraucherkreis mit je eigener Pumpe entkoppelt, beliebige Zahl Kältemaschinen und Kälteverbraucher, Bild 5.5.3-2. Wasserkühlsätze mit Kolbenverdichtern sollten immer mit der Rücklauftemperatur (RL) gesteuert werden, um ein zu häufiges Ein-/Ausschalten bei ungünstiger Kühllast zu vermeiden (Stufensprünge der Zylinderschaltung). Verdichter mit stetiger Leistungsregelung sind auch zur Regelung der Vorlauftemperatur geeignet, eine genaue Absprache zwischen Kaltwasserbereitstellung und -verbrauch unbedingt erforderlich. Bevorzugt sollte eine nicht arbeitende Kältemaschine auch vom Wasserdurchfluss getrennt werden, andernfalls mischt sich warmes RL-Wasser aus der nicht arbeitenden mit kaltem Wasser der aktiven Kältemaschine(n), die deshalb sogar kälteres Wasser beisteuern müssen. In der hydraulischen Weiche kann optional ein Speicher eingeschaltet werden. Dieser gleicht eine stufenweise Leistungsregelung der Kältemaschinen aus, als Schichtspeicher. Die minimale Grundlast sollte größer sein als die kleinste Leistung einer Kältemaschine.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2379

Bild 5.5.3-2. Zweikreisschaltung mit je eigener Kaltwasserpumpe des Erzeuger- und Verbraucherkreislaufs, Entkoppelung an der gemeinsamen Ausgleichsleitung.

Taktspeicher werden verwendet, wenn der Kältebedarf stark schwankt oder wenn dieser zeitweise sehr klein ist (Wochenende), außerdem kann auch die Wiedereinschaltsperre der Antriebsmotore überbrückt werden. Vorratsspeicher werden vorgesehen, Kälteleistungsspitzen zu brechen (Hochtarifstrom und Anschlusswert reduzieren), damit sind Kältemaschinen kleiner zu dimensionieren und Kälteverbrauch und -erzeugung zeitlich zu verschieben, z.B. Nutzung eines Nachttarifs. Bei kleineren Kapazitäten sind Schichtspeicher, bei größeren Eisspeicher einzusetzen, Näheres Kap. 5.6.4. Eine Serienschaltung der Kältemaschinen ist thermodynamisch dann „richtig“, wenn auch die Verflüssiger im Gegenstrom ebenfalls in Serie geschaltet werden. Je größer die Temperaturspreizung des abzukühlenden Wassers, um so günstiger wird diese Schaltung, allerdings mit dem Nachteil, dass wasserseitig ein erheblich größerer Druckabfall zu bewältigen ist und der Wasserstrom nur begrenzt reduziert werden kann, insgesamt verringerte Flexibilität.

Bild 5.5.3-3. Kältemaschinen in Serienschaltung.

Sollen die Verdampfer umgangen werden, entsteht ein größerer Verrohrungsaufwand.

5.5.3-2

Wasserkühlung mit Hubkolbenverdichtern

Kälteleistung 10 bis 80 kW, meistens mit einem oder mehreren hermetischen (Kapsel-) Verdichtern. Kälteleistung 30 bis 650 kW, meistens mit einem oder mehreren halbhermetischen Verdichtern. Kältemittel vorwiegend R407C und R134a. Bedingt durch die FCKW-Problematik sind jetzt auch Geräte mit Kältemittel Ammoniak auf den Markt.1) Mit wassergekühltem Verflüssiger, geeignet für Betrieb mit Rückkühlwerk, fast stets werkseitig kältetechnisch betriebsfertig zusammengebaut als Wasserkühlsatz.

1)

Venner, J.; Jung, P.: Ki (1992), Nr. 3, S. 74–76. Reinhard, A.: Ki (1992), Nr. 11, S. 434–436.

5

2380

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Mit luftgekühltem Verflüssiger als Wasserkühlsatz zur Aufstellung im Freien, Bild 5.5.3-4, oder mit getrennt aufzustellendem luftgekühltem Verflüssiger (Split-System), Bild 5.5.3-6. Das Expansionsventil braucht einen minimalen Differenzdruck, bei niedrigen Außentemperaturen halten die Druckregler 1 den erforderlichen Verflüssigungsdruck, ebenso ein Druckregler 2 den Flüssigkeitsdruck im Sammler. Der Sammler ist mit einer Ausgleichsleitung mit der Druckgasseite (nicht gezeigt) verbunden. Druckgas kann in eventuell unterkühlte Flüssigkeit kondensieren und hebt die Unterkühlung auf. Unterkühler nachschalten. Beim daneben angedeutet gezeichneten Sammler im Nebenstrom bleibt die Unterkühlung erhalten, die Ausgleichsleitung muss sehr klein dimensioniert sein. Verdampfer zur Abkühlung des Kaltwassers bzw. der Sole fast ausschließlich für trockene Verdampfung, Bild 5.4.4-3, mit thermostatischem Expansionsventil. Kühlung des Wassers erfolgt im Durchlauf, also ohne Speichermasse. Für einwandfreien Betrieb des Wasserkühlsatzes muss deshalb Kaltwasserdurchsatz bei allen Laständerungen der Klimaanlage konstant bleiben.

Bild 5.5.3-4. Luftgekühlter Wasserkühlsatz für Außenaufstellung, Kälteleistung 50 bis 500 kW (Trane).

Bild 5.5.3-5. Luftgekühlter Wasserkühlsatz mit 1 Verflüssigerdruckregler; 2 Sammeldruckregler; 3 Sammler im Hauptstrom; 4 Sammler im Nebenstrom

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2381

Bild 5.5.3-6. Wasserkühlsatz mit halbhermetischem Verdichter, wassergekühltem Verflüssiger und den wichtigsten Sicherheitsschalteinrichtungen PSL = Sicherheitsdruckschalter gegen zu niedrigen Druck (Einfrierschutz, Druckverhältnis) PSH = Sicherheitsdruckschaltergegen zu hohen Druck, schaltet selbsttätig wieder ein PZAH = Sicherheitsdruckbegrenzer mit Alarm, Reset von Hand PZHH = Sicherheitsdruckbegrenzer, Reset nur mit Werkzeug PdZAL = Öldruck-Sicherheitsschalter (Öldruckdifferenz), schaltet mit Zeitverzögerung PZL = Verflüssigerdruckregelung sorgt für minimal erforderliche Druckdifferenz am Expansionsventil (optional) FZL = Strömungswächter schaltet unter einer Minimalgeschwindigkeit die Anlage ab TZL = Frostschutzthermostat am Kaltwasserausgang MV = Magnetventil S = Schauglas TEV = thermostatisches Expansionsventil: MV, S und TEV mit geringem Abstand

Bei Aufstellung des Wasserkühlsatzes im Freien (luftgekühlt) oder in nicht frostsicheren Räumen besteht im Winter Einfriergefahr für das Kaltwasser im Verdampfer und in den Vor- und Rücklaufleitungen. Abhilfe durch a) Entleeren des Kaltwassersystems im Winter, dabei erforderliche Korrosionsschutzmaßnahmen beachten. b) Zufügen von Frostschutzmittel in ausreichender Menge zum Kaltwasser, dabei schlechtere Wärmeübergangszahlen der Sole beachten. c) Elektrische Beheizung von Verdampfer und im Freien liegenden Leitungsteilen. Schematischen Aufbau eines wassergekühlten Wasserkühlsatzes zeigt Bild 5.5.3-6. Wenn auf der Kaltwasserseite mit Korrosions- oder Verschmutzungsgefahr gerechnet werden muss, besonders bei Wärmepumpen mit Grundwasser oder Oberflächenwasser als Wärmequelle, werden Wasserkühlsätze auch mit Verdampfern für überflutete Verdampfung ausgerüstet, die auf der Wasserseite leicht zu reinigen sind. Die elektrische Ausrüstung von Wasserkühlsätzen mit Kolbenverdichtern umfasst die Sicherheitsschaltgeräte, eine Leistungsregelung, Kurbelgehäuseheizung sowie Befehlsund Meldegeräte. Diese sind zusammen mit Hilfsschützen in einem Steuerschrank untergebracht, der am Wasserkühlsatz angebaut ist. Sämtliche Geräte sind in der Regel fertig verdrahtet. Schaltgeräte für die Verdichterantriebsmotoren sollten zum Lieferumfang gehören, ebenso wie die Kabelverbindungen zwischen diesen Schaltgeräten und dem Motor. Ein Beispiel eines Stromlaufplans ist in Bild 5.5.3-7 dargestellt. Es handelt sich um die elektrische Steuerung eines Wasserkühlsatzes mit nur einem Verdichter, dessen Leistung in drei Stufen vermindert werden kann.

5

2382

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Die Sicherheitskette besteht aus folgenden Gliedern (Bild 5.5.3-7): Druckbegrenzer und Unterdruckschalter Öldruckwächter Einfrierschutzthermostat Wicklungsschutzschalter Nicht dargestellt sind Überstromauslöser, Strömungswächter und andere Sicherungen, die häufig in die Kette eingeschlossen werden. Die Funktion dieser Geräte ergibt sich schon aus ihrer Bezeichnung. Wesentliche Störungsursachen:

Bild 5.5.3-7. Elektrische Steuerung eines Wasserkühlsatzes mit Kolbenverdichter. 1 = Kaltwasserpumpe 8 = Kurbelgehäuseheizung 2 = Verdichter 9 = Schließkontakt – Kälteanforderung 3 = Kühlwasserpumpe 10 = Hand-Automatik-Schalter 4 = Kühlturm 11 = Betriebsbereitschaftsschalter 5 = Sicherheitskette 12 = Kontrollampe „Betrieb“ 6 = Hilfsschütz 13 = Kontrollampe „Störung“ 7 = Temperaturregler 14 = Magnetventile der Leistungsregelung

Überdruck kann auftreten bei Kühlwassermangel, verschmutztem Verflüssiger, zu hoher Kühlwassertemperatur und starkem Luftgehalt im Kältekreislauf, z. B. infolge eines vorangegangenen unbeabsichtigten Einsaugens von Luft beim Füllen mit Kältemittel oder Öl. Unterdruck ist häufig die Folge von Kältemittelmangel. Nicht hinreichender Öldruck (=Differenz zwischen Ölpumpendruck und Kurbelgehäusedruck) kann seine Ursache in beeinträchtigter Schmierfähigkeit infolge Kältemittelanreicherung haben.

Ablauf eines Einschaltvorgangs: 1. Voraussetzung für den Betrieb: Betriebsbereitschaftsschalter 11 wird in Stellung II gebracht. Bei diesem Schaltvorgang erhält die Spule des Hilfsschützes 6 kurzzeitig Spannung durch den Wischkontakt in Schalterstellung I, das Schütz schaltet und hält sich selbst, falls die Sicherheitskette 5 geschlossen ist. Die Kontrollampe 12 zeigt jetzt Betriebsbereitschaft. 2. Durch einen Schließkontakt 9 in der Steuerung der Klimaanlage wird Kühlung angefordert: Die Kaltwasserpumpe 1 wird eingeschaltet. Das Schütz dieser Pumpe schaltet über einen Schließkontakt den Temperaturregler 7 ein, der über den Wahlschalter 10 das Schütz des Verdichtermotors 2 einschaltet, falls die Regelgröße „Kaltwassertemperatur“ oberhalb des Sollwerts steht und falls der Wahlschalter 10 in Stellung „Automatik“ gestellt wurde. Um entlasteten Anlauf zu sichern, kühlt der Verdichter zunächst nur mit einem oder zwei Zylindern. 3. Das Motorschütz 2 des Verdichters schaltet gleichzeitig die Kurbelgehäuseheizung 8 aus, die sonst immer, auch wenn keine Betriebsbereitschaft hergestellt wurde, eingeschaltet bleibt.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2383

4. Über einen Schließer wird die Kühlwasserpumpe 3 eingeschaltet und durch das weitere Schütz der Kühlturmventilator 4, wenn die jeweiligen Wahlschalter 10 auf „Automatik“ stehen. 5. Der Temperaturregler 7 schaltet nach Maßgabe eines Schrittschaltwerks nacheinander die Magnetventile 14, wodurch weitere Zylinder des Kompressors in Betrieb genommen werden. Mit Erreichen oder Unterschreiten des Sollwerts der Kaltwassertemperatur schaltet der Regler die Magnetventile nach Bedarf wieder ab. 6. Sobald ein Sicherheitsorgan in der Kette 5 öffnet, fällt das Hilfsschütz 6 ab und die Kontrollampe 13 signalisiert „Störung“. Dann werden alle Motoren bis auf den der Kaltwasserpumpe stillgesetzt. Bevor ein neuer Start des Wasserkühlsatzes erfolgen kann, muss die Wiedereinschaltsperre des betreffenden Sicherheitsorgans von Hand aufgehoben werden. Dazu muss der Schalter 11 zuerst in die Stellung 0, dann wieder in die Stellung II gebracht werden. Wasserkühlsätze werden auch mit mehreren Hubkolbenverdichtern ausgeführt.1) Dabei entweder getrennte Kältekreisläufe, je Verdichter ein Verflüssiger und ein Verdampfer, oder ein gemeinsamer Verflüssiger und getrennte Verdampferkreise für je zwei Verdichter. Getrennte Kreisläufe ergeben größere Sicherheit, eine Störung betrifft nur einen Teil der Gesamtleistung. Teillast bei Trockenexpansionsverdampfern eingeschränkt, auch deshalb Unterteilung in 2 oder 3 Kältemittelkreise. Parallelbetrieb der Verdichter bringt bei Teillast höhere Leistungszahlen, da Temperaturdifferenzen an den großen Wärmeaustauschflächen geringer werden. Bild 5.5.3-8 zeigt eine Schaltung mit 4 Verdichtern und zwei Kältemittelkreisläufen. Bei Parallelbetrieb muss für gleichmäßige Verteilung des zurückfließenden Öls zu den einzelnen Verdichtern gesorgt werden.

Bild 5.5.3-8. Schaltung der Kältemittelkreisläufe (2 Kreisläufe) bei 4 Verdichtern.

5.5.3-3

Wasserkühlung mit Schraubenverdichtern

Kälteleistung 200 bis 2000 kW mit bis zu 4 halbhermetischen Verdichtern in einem Gerät, Kälteleistungen bis 4000 kW mit offenen Verdichtern. Lieferung meistens als Wasserkühlsatz mit wassergekühltem Verflüssiger, Verdampfer für trockene Verdampfung mit Expansionsventil, Kältemittel vorwiegend R134a, R410A und R407C. Lieferumfang ähnlich wie bei Hubkolbenverdichtern, jedoch zusätzlich Ölabscheider und Ölkühler. Vorteil ist stufenlose Regelbarkeit durch Steuerschieber bis etwa 20 % Teillast. Da die meisten Schraubenverdichter auch für den Betrieb mit Ammoniak entwickelt wurden (Industriekälte), und da hier infolge der Öleinspritzkühlung die sonst bei Ammoniak höheren Verdichtungs-Endtemperaturen nicht zur Auswirkung kommen, sind bereits mit Ammoniak betriebene Geräte für die Klimatechnik auf dem Markt. Bild

1)

Hartmann, K.: Ki (1985), Nr. 11, S. 443–447.

5

2384

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

5.5.3-9 zeigt ein Beispiel, bei dem Platten-Wärmeaustauscher als Verdampfer und Verflüssiger verwendet werden, um so die Ammoniak-Füllmenge möglichst gering zu halten. Weiterhin kann dieser Flüssigkeitskühler mit einem gasdichten Gehäuse geliefert werden und mit einem dem Gehäuse angeschlossenen Ammoniak-Absorptionssystem. Evtl. aus dem Kältekreislauf austretendes Ammoniak kann so nicht in die Umgebung gelangen, sondern wird im Wasserinhalt des Absorptions-Behälters gelöst. Dieses Konzept soll die Forderung der DIN EN 378 nach Aufstellung in einem separaten Maschinenraum überflüssig machen und zusätzliche Sicherheit bieten.

Bild 5.5.3-9. Kaltwassersatz mit Schraubenverdichter und Plattenwärmeaustauscher (YORK-Johnson Controls).

Bild 5.5.3-10. Wasserkühlsatz mit halbhermetischen Turboverdichtern.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

5.5.3-4

2385

Wasserkühlung mit Turboverdichtern

Wasserkühlsätze mit bis zu 8 Turboverdichtern des ölfreien Turbocor Bild 5.4.2-3. Der Verdichter ist ungewöhnlich leise und extrem vibrationsarm, Bild 5.5.3-10. Ausführungen mit Platten- oder Rohrbündelverdampfern, wasser- und luftgekühlte Verflüssiger. Nominal bis 2400 kW. Kälteleistung 400 bis 8000 kW, vorwiegend als Wasserkühlsatz mit offenem oder halbhermetischem, Bild 5.5.3-11, Verdichter; Kälteleistung 8000 bis 30000 kW je Verdichter in offener Bauweise, als vor Ort errichtete Wasserkühlanlage mit standardisierten Bauteilen.

Bild 5.5.3-11. Turbowasserkühlsatz mit offenem Verdichter für R 134a, Kälteleistung bis 6000 kW (York-Johnson Controls).

Verdichter bis 8000 kW meistens einstufig mit Getriebe und Kältemittel R134a. Große Kältemittel-Volumenströme mit trockener Verdampfung im Rohr und Expansionsventil sind nicht mehr beherrschbar, deshalb Verdampfer für überfluteten Betrieb, Kaltwasser in den Rohren, Kältemittelverdampfung im Mantelraum. Regelung des Kältemittelstromes durch Hochdruck-Schwimmerregler (vgl. Abschnitt 5.4.7-1.5) oder auch durch einfache Drosselblenden. Verflüssiger wassergekühlt für Rückkühlwerksbetrieb. Luftgekühlte Verflüssiger für diese großen Leistungen sind meist Sonderkonstruktionen (Bild 5.5.3-12).

5 Bild 5.5.3-12. Luftgekühlte Verflüssiger einer Turbo-Kälteanlage.

Regelung durch Dralldrossel-, seltener Diffusor-Verstellung stufenlos bis 20 % Teillast, abhängig vom Verlauf der Verdichter- und der Anlagen-Kennlinie. Drehzahlregelung verengt Einsatzgrenzen. Für noch kleinere Teillast zusätzlich Heißgas-Beipass-Regelung (vgl. Abschnitt 5.4.2). Wegen der hohen Drehzahlen ist für die Lager Vorschmierung vor dem Anlaufen und Nachschmierung während des relativ langen Auslaufens nach dem Abschalten erforderlich. Hierfür neben der von der Verdichterwelle mitgetriebenen Hauptölpumpe zusätzliche Hilfsölpumpe mit unabhängigem Antrieb. Außerdem Ölkühler, Ölfilter, ÖlStillstandsheizung und Öltemperatur- sowie Öldruck-Überwachung. Völlig ölfrei die zunehmend eingesetzten Turboverdichter mit Magnetlagern.

2386

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Absicherung der Druckbehälter (Verflüssiger, Verdampfer) gegen unzulässigen Druckanstieg meistens durch Brechplatten mit anschließender Abblaseleitung ins Freie, da dichtschließende Sicherheitsventile bei den erforderlichen großen Querschnitten praktisch nicht mehr möglich sind. Bei zweistufigem Verdichter meistens auch zweistufige Entspannung. Realisiert wird dieser Prozeß in dem in Bild 5.5.3-13 schematisch dargestellten Turbowasserkühlsatz: Im Verflüssiger ist ein Teil des Rohrbündels als Unterkühler 3 durch ein Trennblech abgeteilt, so dass das Kondensat im Gegenstrom zum eintretenden Kühlwasser geführt wird. Eine kleine Kältemittelmenge läuft durch einen Überlauf in ein Bezugsgefäß 4 und von dort über ein fest eingestelltes Drosselventil 5 in den Entspannungsbehälter (Economizer). Ein Schwimmerventil 6 regelt den Flüssigkeitsstand in dem Bezugsgefäß; fällt dieser, so schließt das Ventil und umgekehrt. Mit dieser Einrichtung wird eine ständige Überflutung des Unterkühlers 3 gesichert. In dem Entspannungsbehälter, der auch als Puffer bei Laständerungen wirkt, wird die im Ventil 6 entspannte Flüssigkeit vom Drosseldampf getrennt. Ein Sprührohr erleichtert diesen Trennprozeß. Der Dampf wird über die Mitteldruck-Saugleitung auf die Ansaugseite der HD-Stufe des Verdichters geleitet. Die Flüssigkeit wird in dem zweiten Standregelventil 6 auf den Verdampfungsdruck entspannt und zusammen mit dem Drosseldampf unter das Lochblech 7 des Verdampfers geführt; dieses wirkt als Drosseldampfverteilung und sorgt infolge der hohen Austrittsgeschwindigkeit des Dampf-Flüssigkeitsgemischs für eine intensive Durchwirbelung innerhalb der Kältemittelfüllung des Verdampfers und damit für einen guten Wärmeübergang. Durch die Saugleitung strömt der Kältemittel-Dampf zur ND-Stufe des Verdichters.

Bild 5.5.3-13. Zweistufiger Turbowasserkühlsatz – Funktionsschema. 1 = Niederdruckstufe, 2 = Hochdruckstufe, 3 = Unterkühler, 4 = R-12-Bezugsgefäß, 5 = Drosselventil, 6 = Regelventil, 7 = Drosseldampfverteilung

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

5.5.3-5

2387

Wasserkühlung mit Absorptionsmaschinen

Kälteleistung 10 bis 100 kW als luftgekühlte Wasserkühlsätze mit Stoffpaar Ammoniak/ Wasser oder Wasser/Lithiumbromid und für direkte Beheizung mit Heizöl oder Gas. Kälteleistung 140 bis 6000 kW als wassergekühlte Wasserkühlsätze mit Stoffpaar Wasser/ Lithiumbromid und für Beheizung mit Niederdruckdampf oder Heißwasser. Unterer Leistungsbereich auch für direkte Beheizung mit Heizöl oder Gas, und auch mit Stoffpaar Ammoniak/Wasser. Kälteleistung 6000 bis über 10000 kW als ortsmontierte Kaltwasser- oder Sole-Anlage mit Stoffpaar Ammoniak/Wasser und beliebiger Beheizungsart, auch in zwei- und mehrstufiger Ausführung. Wegen der Sicherheitsbeschränkungen für das Kältemittel Ammoniak nur im industriellen Bereich. Rohrleitungsschema für die Einbindung einer indirekt beheizten Absorptions-Kältemaschine in die Klimaanlage zeigt Bild 5.5.3-14, für eine direkt gasbeheizte Bild 5.5.3-15.

Bild 5.5.3-14. Rohrleitu ngsschema einer Klimaanlage mit indirekt beheizter AbsorptionsKältemaschine.

5

Bild 5.5.3-15. Rohrleitungsschema einer Klimaanlage mit direkt beheizter AbsorptionsKältemaschine.

2388

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Wirtschaftlichkeit Bei den üblichen Auslegungswerten von Kaltwassereintritt tKE = 11 °C Kaltwasseraustritt tKA = 6 °C Kühlwassereintritt tWE = 27 °C Kühlwasseraustritt tWA = 36 °C Heizdampf-Überdruck pD = 0,5 bar werden bei großen Leistungen etwa folgende Betriebswerte erreicht: Q· o = 0,66 bis 0,71 kW/kW 1-stufig: Wärmeverhältnis ζ = ------Q· H Kühlwasser 0,25 bis 0,35 m3/h/kW kW 2-stufig mit Sattdampf 7 bis 8 bar: Wärmeverhältnis 1,1 bis 1,4 -------kW Kühlwasser 0,25 bis 0,35 m3/h/kW Bild 5.5.3-16 zeigt die Veränderung dieser Kennwerte in Abhängigkeit von dem verfügbaren Heizdampfdruck. Die Veränderung, abhängig von der Kälteleistung des Wasserkühlsatzes, ist Bild 5.5.3-2 zu entnehmen.

Bild 5.5.3-16. Kennlinienverlauf von Wasser-LiBrAbsorptions-Wasserkühlsätzen. a = Kälteleistung ca. 0,45 MW, b = Kälteleistung ca. 4,5 MW, c = spez. Dampfverbrauch, d = spez. Kühlwassermenge

Die Wirtschaftlichkeit einer Absorptions-Kältemaschine im Vergleich zu einer Kompressionsmaschine ergibt sich aus dem Vergleich der Energieverbrauchskosten. Die Energieverbrauchskosten sind das Produkt aus spezifischem Energieverbrauch – Energiebedarf in kW je kW Kälteleistung – multipliziert mit den Kosten pro Energieeinheit. Wasserkühlsätze mit Verdichtern erreichen bei Sommerbedingungen eine Leistungszahl von 4,0 … 4,4 (Bild 5.4.1-4). Daraus ergibt sich ein Verhältnis des spezifischen Energieverbrauchs der Absorptionsmaschine von etwa

ε ,2 -----K- = 4------ =6 ζK 0 ,7 Der spezifische Energieverbrauch der Absorptionsmaschine beträgt also das Sechsfache gegenüber der Kompressionsmaschine. Der Preis für die kWh Wärmeenergie darf damit 1 /6 des Preises für die kWh elektrischer Energie nicht überschreiten, um Energiekostengleichheit zu erreichen.1) Da außerdem der elektrische Energiebedarf für das Rückkühlwerk und die Kühlwasserpumpen bei der Absorptionsmaschine etwa doppelt so groß ist wie bei der Kompressionsmaschine, und da außerdem die Investitionskosten einer Absorptionsanlage höher sind, liegt der echte Beginn der Wirtschaftlichkeit für die Absorptionsmaschine bei Wärmepreisen, die unter 15 % der Preise für die elektrische Energie liegen.

1)

Kolzejczyk, K.: TAB (1988), Nr. 10, S. 745–750.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2389

Beim Preisvergleich ist zu beachten, dass bei beiden Energiearten der zu erwartende Mischpreis aus Arbeitspreis und Leistungs-(Bereitstellung-)Preis eingesetzt wird. Leistungspreis etwa 100…150 A/kW. Ebenso sind die Kosten für den Energieanschluss, gegebenenfalls zusätzlicher Transformator einerseits, zusätzliche Wärmeerzeugung/-versorgung andererseits, in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einzubeziehen. Allgemein kann gesagt werden, dass die Absorptions-Kältemaschine wirtschaftlich sein kann, wenn – Wärme zu einem niedrigen Preis verfügbar ist, also insbesondere Abwärme aus vorgeschalteten Prozessen, – aus der Wärmeversorgung im Winter genügend leistungspreisfreie Wärme im Sommer zur Verfügung steht, die erforderliche elektrische Leistung für die KompressionsKältemaschine dagegen den Winter-Anschlusswert des Gebäudes deutlich übersteigen, also zu deutlich höherem Leistungspreis führen würde, – die wesentlich größere Wärmeabgabe der Absorptionsmaschine durch Wärmerückgewinnung weitgehend nutzbar gemacht werden kann, – Sonnenenergie zur Beheizung der Absorptionsmaschine nutzbar gemacht werdenkann. Neben diese wirtschaftlichen Überlegungen können zusätzlich oder vorrangig andere Gesichtspunkte treten, wie – der schwingungs- und erschütterungsfreie Betrieb der Absorptionsmaschine, – die Laufruhe der Absorptionsmaschine (die Geräuschentwicklung der Zirkulationspumpe ist gegenüber dem Laufgeräusch der Verdichter in Kompressionsanlagen vernachlässigbar), – der relativ geringe Wartungsaufwand. Ausführung Direkt gasbeheizte (seltener ölbeheizte) Wasserkühlsätze1) werden betriebsfertig mit Brenner und allen Regel- und Sicherheitseinrichtungen geliefert. Luftgekühlte Bauart vorwiegend für Aufstellung im Freien, Bild 5.5.3-17, wassergekühlte Bauart meistens für Aufstellung in wettergeschützten Räumen. Bei luftgekühlten Geräten häufig Doppelnutzung als Klimagerät und Heiz-Wärmepumpe, bei sehr niedrigen Außentemperaturen als Direktheizgerät (ohne Wärmepumpenschaltung). Bei nicht ganzjährigem Betrieb und Aufstellung im Freien Einfriergefahr im Winter beachten.

Bild 5.5.3-17. Gasbeheizter Wasserkühlsatz. Ansicht.

Indirekt mit Dampf oder Heißwasser beheizte Absorptions-Wasserkühlsätze werden in Einbehälter-Bauart, und in Zweibehälter-Bauart, Bild 5.5.3-18, betriebsfertig geliefert; Zweibehälter-Bauart bei großen Leistungen auch getrennt angeliefert zur Erleichterung von Transport und Einbringung ins Bauwerk. Standard-Bauarten für Aufstellung in wetter- und frostgeschützten Innenräumen. Zum Funktionsschema vgl. Abschnitt 5.2.3-1. Übliche Heizdampfdrücke 0,1 bis 1,0 bar Überdruck, übliche Heizwassertemperaturen 80 bis 150 °C. Durch Regelung der Heizmittelzufuhr kann die Kälteleistung bis auf etwa 10 % heruntergeregelt werden. Im normalen Klima-Kühlbetrieb ist der Heizmittelverbrauch dabei etwa proportional der Kälteleistung.

1)

DVGW G 647 „Gasbeheizte Klima- und Kaltwassersätze“, 08-1980.

5

2390

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.3-18. Absorptions-Kälteanlage mit Wasser-Lithiumbromid (Carrier), Zweikessel-Bauart. Links: Schema; rechts: Ansicht

Aufstellung Das Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser unterliegt der DIN EN 378 „Kälteanlagen“ und den darin für das Kältemittel Ammoniak (NH3) enthaltenen Aufstellungsvorschriften (vgl. Abschnitt 5.8.4. Alle Bauteile unterliegen ferner der Druckbehälterverordnung. Das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid unterliegt nicht der DIN EN 378, da das als Kältemittel verwendete Wasser völlig ungefährlich ist. Es bestehen von dieser Seite deshalb keine Aufstellungsbeschränkungen. Da der Kältemittelkreislauf im Vakuum abläuft, unterliegen lediglich die Rohrsysteme für Heizdampf (bzw. Heizwasser), Kühlwasser und Kaltwasser der Druckbehälterverordnung. Das tiefe Vakuum im Verdampfer, etwa 0,01 bar absolut, stellt hohe Anforderungen an die Dichtheit des Kreislaufes, deshalb Schweiß- und Lötverbindungen statt Flanschen und Verschraubungen, Lösungspumpen mit Spaltrohrmotoren, also ohne Gleitringdichtungen. Zur Entfernung trotzdem eindringender geringer Außenluftmengen, die zur Verringerung der Kälteleistung führen, gehört eine automatische Vakuumpumpe zum serienmäßigen Lieferumfang. Bei direkt gas- oder ölbeheizten Geräten sind die entsprechenden DVGW-Regeln und die Heizraumrichtlinien zu beachten, bei indirekt beheizten Geräten die entsprechenden Vorschriften für Dampf- bzw. Heißwasser-Kreisläufe.

5.5.3-6

Wasserkühlung mit Dampfstrahlmaschinen

Kälteleistung 10 bis 40000 kW, vorwiegend als ortsmontierte Anlage. Für den Betrieb der Dampfstrahlmaschine ist Wasserdampf von mindestens 0,5, besser 2 bis 3 bar Überdruck erforderlich. Einsatzmöglichkeit deshalb nur dort, wo entsprechend Dampf zur Verfügung steht, also im industriellen Bereich. Errichtung eines Dampferzeugers lediglich zum Betrieb einer Dampfstrahl-Kältemaschine ist nicht wirtschaftlich. Wirtschaftlichkeit Bei den Nenntemperaturen gemäß Abschnitt 5.6.2-1 ergeben sich, abhängig vom Treibdampfdruck, für einstufige Verdichtung folgende Werte: Treibdampfdruck MPa abs.

Dampfverbrauch kg/h / kW Kühlleistung

Wärmeverhältnis

0,3 0,6 0,9

3,5 3,0 2,6

0,40 0,46 0,53

ζK

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2391

Bei anderen Temperaturen s. Bild 5.5.3-19.

Bild 5.5.3-19. Schaubild zur Ermittlung von Richtwerten für den Dampfverbrauch von einstufigen Strahlkältemaschinen. Beispiel: Kaltwassertemperatur: 10 °C Kühlwasseraustritt: 30 °C Treibdampfdruck: 2 bar abs. Treibdampfverbrauch 2,4 kg/h je kW

Außer dieser Treibdampfmenge muss noch eine Saugdampfmenge von ca. 1,45 kg/h je kW Kälteleistung kondensiert werden. Die Kondensationsleistung – ohne Wärmerückgewinnung identisch mit der Wärmeabgabe am Rückkühlwerk – ist entsprechend groß. Sie beträgt etwa das 3,5fache der Kälteleistung und liegt damit noch höher als bei der Absorptionsmaschine. Ausführung Wenn das zirkulierende Kaltwasser gleichzeitig als Kältemittel benutzt wird (übliche Ausführung), kann der Verdampfer als reiner Behälter ohne Wärmeaustauschflächen ausgeführt werden. Der Verflüssiger (Kondensator) ist ein Rohrbündelapparat mit vom Kühlwasser durchströmten Rohren. Zur Funktion vgl. Abschnitt 5.2.5. Eine Leistungsregelung des Dampfstrahlverdichters ist nur begrenzt möglich, da bei Verringerung des Treibdampfdurchsatzes die erreichbare Druckdifferenz stark abfällt. Regelung über größere Bereiche deshalb durch Zu- und Abschaltung mehrerer parallelgeschalteter Strahlverdichter. Eine Dampfstrahl-Kälteanlage mit zwei parallelgeschalteten Verdichtern, kompakt zusammengebaut als Wasserkühlsatz, zeigt Bild 5.5.3-20.

Bild 5.5.3-20. Dampfstrahl-KompaktKühlanlage zur Kühlung von Kaltwasser. Kälteleistung 370 kW Durchmesser 1200 mm Gesamtlänge 4500 mm Gesamthöhe 1900 mm (Standard-Messo, Duisburg)

5.5.3-7

Wasserkühlung thermoelektrisch

Außer wenigen Sonderfällen im militärischen Anwendungsbereich (für Klimaanlagen in Atom-U-Booten) bisher ohne Bedeutung. Siehe auch Abschnitt 5.2.6.

5

2392

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

5.5.4

Thermische Antriebe

Der Antrieb der Kälteverdichter durch thermische Maschinen, also Benzin-, Diesel- oder Gasmotoren, Gasturbinen und Dampfturbinen beschränkte sich früher auf die Fälle, in denen ein ausreichend starkes elektrisches Netz nicht vorhanden war (in Fahrzeugen, auf Inseln, in entlegenen Gegenden) oder in denen Dampf preisgünstiger war als Strom. Im Rahmen der integrierten Energieplanung und der Wärmerückgewinnungs-Maßnahmen bieten thermische Antriebe oft wirtschaftlich interessante Lösungen.

5.5.4-1

Benzin- und Dieselmotoren

Anwendung in Kühl- und Tiefkühl-Lkw und klimatisierten Omnibussen, in Bahnfahrzeugen wie auch für stationären Betrieb. Technische Ausführungen ähnlich wie bei Gasmotoren.

5.5.4-2

Gasmotoren

Mit dem Ausbau des Ferngasnetzes gewinnen Gasmotoren zunehmend an Bedeutung, nicht nur für Wärmepumpenantriebe, sondern auch für Kälteverdichter mit primärer Kühlaufgabe. Drehzahlbereich der Gasmotoren etwa 750…1800 UpM. Bei Antrieb von Hubkolbenverdichtern meistens direkte Kupplung mit gleicher Drehzahl für Motor und Verdichter. Bei Antrieb von Schrauben- und Turboverdichtern Drehzahlerhöhung für den Verdichter durch Getriebe. Drehzahlregelung des Motors, wirtschaftlich von 100 bis etwa 66 %, erweitert die Regelfähigkeit des Verdichters. Die durch die endliche Zylinderzahl des Gasmotors bedingte Ungleichmäßigkeit in der Drehkraftabgabe erfordert, insbesondere bei Kupplung mit Hubkolbenverdichtern, die ebenfalls ungleichmäßige Drehkraftaufnahme haben, eine sorgfältige Berechnung des Torsions-Schwingungsverhaltens und eine entsprechend steife Rahmenkonstruktion. Zusätzliche Maßnahmen sind erforderlich, um die Übertragung von Schwingungen, Luft- und Körperschall ausreichend zu dämpfen. Ausführungsbeispiel eines Gasmotorantriebs zeigt Bild 5.5.4-1. Durch zusätzlichen Einbau eines elektrischen Generators ist eine Erweiterung zur TotalEnergie-Anlage möglich.1)

Bild 5.5.4-1. York-Milleneum Turbo-Flüssigkeitskühler mit Gasmotor. Leistungsbereich 1400 bis 7200 kW.

5.5.4-3

Gasturbinen

Die Gasturbine als Strömungsmaschine mit hoher Drehzahl und gleichmäßiger Kraftabgabe eignet sich sehr gut zur direkten Kupplung mit Turboverdichtern, die ebenfalls Strömungsmaschinen sind mit sehr ähnlichem Betriebsverhalten. 1)

Dietze, G.: Ki (1991), Nr. 10, S. 421–424.

5.5.4 Thermische Antriebe

2393

Die Gasturbine hat gegenüber einem Gasmotor gleicher Leistung bedeutend kleinere Abmessungen und wesentlich geringeres Gewicht. Eine Gasturbinen-TurboverdichterGruppe läuft praktisch schwingungsfrei, so dass lediglich Luft- und Körperschallübertragung gedämpft werden muss.

5.5.4-4

Dampfturbinen

Wenn Dampf mit ausreichendem Druck (mindestens 2 bar Überdruck) zur Verfügung steht, sind Dampfturbinen für den Antrieb von Turboverdichtern noch günstiger als Gasturbinen. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich gegenüber dem elektrischen Antrieb verläuft ähnlich wie bei der Absorptions-Kältemaschine (vgl. Abschnitt 5.5.3-5). Das Wärmeverhältnis, bezogen auf den Wärmeinhalt des zugeführten Dampfes (wie bei der Absorptionsmaschine) ergibt sich hier zu ζK = εK · ηA mit ηA = Wirkungsgrad der Dampfturbine. Vergleicht man bei Wasserkühlsatz-Nennbedingungen mit εK = 4,2 bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Dampfturbine von 25 %, so ergibt sich mit ζK = 1,05 ein Wert, der deutlich über dem einer Absorptions-Kältemaschine liegt. Wenn Dampf mit ausreichend hohem Druck zur Verfügung steht, ist also der Turboverdichter mit Dampfturbinenantrieb meistens wirtschaftlicher als die Absorptionsmaschine.

5.5.4-5

Kombinierte Systeme

5 Bild 5.5.4-2. Kreislaufschema einer Kombination von Turboverdichter mit Dampfturbinenantrieb und nachgeschalteten Absorptionsmaschinen.

Die Abwärme thermischer Antriebe kann nicht nur im Rahmen der Wärmerückgewinnung genutzt werden, sondern auch zum Betrieb thermisch nachgeschalteter Absorptions-Kältemaschinen. Hierdurch kann bei gleichem Wärmeverbrauch die Kälteleistung deutlich erhöht und die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Derartige Kombinationen sind insbesondere für Dampf von mehr als 7 bar Überdruck als Antriebsenergie schon mehrfach mit gutem Erfolg ausgeführt worden. Hierbei verbessert sich gleichzeitig die Teillast-Regelbarkeit und der Teillast-Wirkungsgrad. Ein Schaltungsbeispiel zeigt Bild 5.5.4-2. Ähnlich sind bei Total-Energie-Anlagen nachgeschaltete Absorptions-Kältemaschinen möglich.1)

1)

Jacobowski, H.: Ki (1991), Nr. 4, S. 167–170.

2394

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

5.5.5

Fernkälteanlagen

5.5.5-1

Allgemeines

Man versteht unter Fernkälteanlage ähnlich wie bei der Fernheizung die Kälteversorgung einer mehr oder weniger großen Anzahl von Verbrauchern aus einer Kältezentrale. In den letzten Jahren sind eine Anzahl derartiger Anlagen für Universitäten, Geschäftshäuserblocks, Einkaufszentren, Flughäfen, Kliniken und andere Gebäudegruppen gebaut worden, in denen Bedarf an Kälte für Raumkühlung, Laboratorien, Mess- und Prüfräume, Maschinenkühlung usw. besteht. Während in vielen Chemiebetrieben Ammoniak als Kältemittel im Verbrauchernetz zirkuliert und in Fernverdampfern Kälte erzeugt, wird für die Kälteversorgung von Klimaanlagen ausschließlich Kaltwasser mit einer Vorlauftemperatur von etwa 5 °C als Kälteträger verwendet und durch Rohrleitungen den Verbrauchern zugeleitet. Die Mindestkälteleistung ist mit etwa 3…4 MW anzunehmen. Schema einer Fernkälteanlage s. Bild 5.5.5-1.

Bild 5.5.5-1. Schema einer Fernkälteanlage.

Es ist kein Zweifel, dass bei Großbauobjekten die Fernkälteversorgung gegenüber Einzelanlagen ähnlich der Fernheizung viele Vorteile bietet, z.B. Platzersparnis, geringe Bedienungskosten, besserer Wirkungsgrad, keine Rückkühlschwierigkeiten u.a. Trotzdem ist bei der Planung derartiger Anlagen die Frage der Wirtschaftlichkeit eingehend zu prüfen. In technischer Hinsicht sind dabei viele Gesichtspunkte zu beachten, besonders: Lage der Kältezentrale im Versorgungsgebiet Lage des Rückkühlwerks Fragen der Ausbaustufen Wahl der Antriebsenergie Kupplung von Wärme, Kraft und Kälte Energie- und Wartungskosten Tarifgestaltung. Aus der Summe der Investitions- und Betriebskosten ergibt sich die wirtschaftlich günstigste Lösung, wenn nicht Imponderabilien wie Umweltschutz, Lärm, u.a. einen höheren Aufwand rechtfertigen. Einige ausgeführte Anlagen: Uni-Regensburg; Kraft-Wärme-Kopplung, Absorption 3,1 MW Carl-Zeiss Oberkochen; Fertigung, 14 MW Malibu Osterweddingen/Magdeburg; Produktionsstätten, 8,5 MW Rolfsbukta, N; Fern-Wärme-/Kälteversorgung, 16 MW Wärme/20 MW Kälte, Bild 5.5.5-3

5.5.5 Fernkälteanlagen

5.5.5-2

2395

Fernkältezentralen

Im Normalfall werden mehrere Turbo-Kältemaschinen aufgestellt, so dass bei Teillast Maschinen abgeschaltet werden können. Falls günstige Strompreise geboten werden, ist der Betrieb von Turboverdichtern mit Antrieb durch Elektromotoren ratsam, sonst Dampfturbinen. Als Kältemittel kommen R134a und – bei sehr großen Kälteleistungen über 10 MW je Einheit – auch R507 in Frage. Mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Entspannung mit Zwischenabsaugung können Betriebskostenersparnisse in beträchtlicher Höhe erzielt werden. Die Kühlung der Verflüssiger erfolgt durch Rückkühlwerke oder, wenn möglich, durch Flusswasser. Auch Absorptions-Kälteanlagen mit einem Anschluss an ein Fernheizwerk sind üblich. Sie entnehmen dem Heiznetz um so mehr Dampf oder Heizwasserwärme, je höher die Außentemperatur steigt und je stärker die Sonneneinstrahlung die Kühllast bestimmt. Für eine Kälteleistung von 1 kWh werden etwa 1,5 kWh Wärme benötigt. Der Betrieb von Absorptions-Kälteanlagen, meistens in Form von Wasserkühlsätzen mit dem Stoffpaar LiBr, ist erst dann wirtschaftlich, wenn Heizwärme zu einem vergleichsweise günstigen Preis geliefert werden kann. Als Grenze gilt das Verhältnis: Strompreis EUR/kWh -------------------------------------------------------- ≈ 7…9 (s. Abschnitt 5.5.3-5) Wärmepreis EUR/kWh Günstiger ist Kombination mit Turboverdichter nach Schema Bild 5.5.4-2.

Bild 5.5.5-2. Zentrale Kälteerzeugung mittels Dampfturbine und Turboverdichter (D = Dampfkondensator).

Bild 5.5.5-2 zeigt schematisch eine Kombination von Kälteerzeugung und Fernwärme: Turboverdichter, durch Dampfturbine angetrieben, Dampfkessel versorgt sowohl diese als auch ein Fernwärmenetz, Dampfkondensator und der Verflüssiger der Kälteanlage sind an ein Rückkühlwerk angeschlossen. Häufig auch Fernheizung mit Gegendruckdampf. Welche Primärenergie wirtschaftlich am günstigsten ist, muss in jedem Einzelfall im Rahmen des gesamten Energiebedarfs ermittelt werden. Bei der Bemessung der zu installierenden Leistung ist der Gleichzeitigkeitsfaktor zu beachten, etwa 0,7. Eine kombinierte Wärmepumpe/Kälteanlage für getrennte und parallele Nutzung zeigt Bild 5.5.5-3, in Bildmitte einer der Verdichter, links verdeckt ein Verflüssiger, betrieben mit dem noch neuen R1234ze.

5.5.5-3

Heiz-Kraft-Kälte-Kopplung

Durch Verbundbetrieb zwischen Wärme-, Kälte- und eventuell Stromerzeugung wird die Wirtschaftlichkeit der Kälteanlage wesentlich erhöht. Ein Beispiel hierfür zeigt Bild 5.5.5-4. Stromerzeugung mit Gegendruck-Dampfturbine, Abdampf geht in Austauscher für Fernwärmeversorgung und beheizt eine Absorptions-Kälteanlage für das Fernkältenetz. Das hier zirkulierende Kaltwasser kann alternativ oder zusätzlich durch eine elektrisch betriebene Turbokälteanlage gekühlt werden. Da von den beiden Kältemaschinen die eine mit Dampf, die andere mit Strom betrieben wird, ist ein gegenseitiger Belastungsausgleich möglich.

5

2396

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.5-3. Distriktheizung/-kühlung mit Turboverdichtern, Winter 16 MW, Sommer 20 MW, Kältemittel R1234ze (Friotherm)

Bild 5.5.5-4. Schaltbild einer Heiz-Kraft-KälteKopplung. A = Absorptionswasserkühlsatz K = Verflüssiger V = Verdampfer

5.5.5-4

Kaltwassernetz

Vorlauftemperatur 4…5 °C, Rücklauftemperatur 12…15 °C. Spreizung so groß wie möglich wählen, damit umlaufende Wassermenge geringer wird. Beachten: Grenze beim Entfeuchten von Luft, größere Kühlerflächen! Die niedrigsten Kosten ergeben sich bei einer Spreizung von etwa 9 K, z.B. 4 °C Vorlauf- und 13 °C Rücklauftemperatur. Bei den Verbrauchern muss durch Rücklaufbegrenzer dafür gesorgt werden, dass eine bestimmte Rücklauftemperatur nicht überschritten wird. Wassermenge variabel. Isolierung meistens nur bei Vorlaufleitungen erforderlich, häufig auch keine Isolierung. Im Allgemeinen zwei getrennte Netze für Fernheizung und Fernkühlung. Unter gewissen Umständen in südlichen Gegenden auch nur ein Netz möglich, das im Winter Heizwasser, im Sommer Kühlwasser führt. Siehe auch Abschnitt 5.5.7. Abrechnung des Kälteverbrauchs durch Kältezähler mit Grund- und Verbrauchspreis.

5.5.5-5

Kühlwassernetz

Die großen Verflüssigerleistungen von Fernkälteanlagen verlangen den Einsatz von Rückkühlwerken. Siehe hierzu Abschnitt 5.4.8. Die Bemessung wird nach Maßgabe einer durchschnittlichen Feuchtkugeltemperatur tf vorgenommen; so z.B. in Mitteleuropa tf=16…17 °C. Bei einer Abkühlung um 5 K ist damit eine optimale Kühlwasser-Vorlauftemperatur von 24 °C erzielbar. Steigt die Feuchtkugeltemperatur auf 23 °C, so liefert das Rückkühlwerk dann Kühlwasser von etwa 27 °C.

5.5.6 Kältemittel-Rohrleitungen

2397

In manchen Fällen, namentlich bei hohen Wasserpreisen, ist auch die Verwendung eines luftgekühlten Verflüssigers oder eines bei Teillast trocken betriebenen, geschlossenen Rückkühlwerkes in Erwägung zu ziehen. Pumpen regelbar, um die Förderleistung der Netzbelastung anzupassen.

5.5.6

Kältemittel-Rohrleitungen

In Kälteanlagen für direkte Verdampfung müssen die Rohrleitungen für jeden Einzelfall bemessen werden. Bild 5.5.6-1 zeigt eine typische Anordnung. Material: Kupfer, Stahl und deren Legierungen, hauptsächlich jedoch Kupferrohre (DIN EN 12735-1) und Kapillarlötfittings (DIN EN 1254). Rohrleitungen für Ammoniak dürfen jedoch nicht aus Kupfer hergestellt werden. Kältemittelrohrleitungen unterliegen der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG.1)

Bild 5.5.6-1. Anlage für direkte Luftkühlung.

Für die Bemessung der Rohrleitungen für flüssiges oder dampfförmiges Kältemittel gelten grundsätzlich die allgemeinen Regeln der Strömungslehre. Ein Druckabfall tritt in folgenden Leitungen auf: Druckleitung vom Verdichter zum Verflüssiger Flüssigkeitsleitung vom Verflüssiger zum Verdampfer Saugleitung vom Verdampfer zum Verdichter Der Druckverlust in der Druckleitung bewirkt eine Erhöhung des Enddrucks der Verdichtung über den Verflüssigungsdruck hinaus. Das bedeutet Verringerung der Leistungszahl. Druckverlust in der Saugleitung hat eine Verminderung der Förderleistung, damit also der Kälteleistung, zur Folge, weil das spezifische Volumen zunimmt. In der Flüssigkeitsleitung schließlich vom Verflüssiger zum Regelventil besteht die Gefahr der Dampfblasenbildung durch Drosselung, wenn starke Druckverluste bei nur wenig unterkühltem Kältemittel auftreten. Steigende Leitungen, wie gezeichnet, senken den hydrostatischen Druck und müssen durch Unterkühlung kompensiert werden. Diese Drosseldampfbildung tritt auf, sobald durch Druckabfall der Sättigungszustand erreicht und überschritten wird, also z.B. in den Regel- und Drosselorganen für die Kältemittel-

1)

Kern, H.: Ki (1990), Nr. 2, S. 57–60.

5

2398

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Mengenregelung. In der Leitung davor soll aber reine Flüssigkeit strömen. Für die Berechnung des Druckabfalls gilt allgemein l gl ρ 2 --- w in N/m2 Δp = λ ----

d 2 wd Darin ist die Reibungszahl λ eine Funktion der Reynoldsschen Kennzahl Re = ------- und v lgl die gleichwertige (äquivalente) Rohrlänge. Kinematische Zähigkeit v für Kältemittel s. Tafel 5.5.6-1. Tafel 5.5.6-1

Kinematische Zähigkeit v (mm2/s) von Kältemitteln

Temperatur °C

–10

0

10

20

30

40

R 134a-Sattdampf R 134a-Flüssigkeit R 404A-Sattdampf R 404A-Flüssigkeit

1,02 0,23 0,48 0,17

0,74 0,21 0,36 0,15

0,55 0,19 0,28 0,14

0,42 0,17 0,22 0,13

0,32 0,16 0,18 0,11

0,26 0,14 0,14 0,10

Um einerseits den Druckabfall klein zu halten, andererseits die Material- und Verlegungskosten nicht zu hoch zu treiben, werden die Rohrleitungen bei Halogenkältemitteln nach Maßgabe etwa folgender Geschwindigkeiten in m/s bemessen zur korrekten Dimensionierung Mindestgeschwindigkeiten für Öltransport beachten. Tabellarische Hilfsmittel in:1) Saugleitung

Druckleitung

Flüssigkeitsleitung

6…10 8…12

10…12 12…15

0,4…0,6 0,4…0,6

R 134a R 404A

Ölrückführung2) Für störungsfreien Betrieb ist auch die fachgerechte Verlegung der Rohrleitungen wichtig. Besonders zu beachten ist dabei die Ölrückführung. Bei allen öllöslichen Kältemitteln besteht die Gefahr, dass das aus dem Verdichter mitgerissene Öl sich an geeigneten Stellen ansammelt und nicht mehr in den Kreislauf zurückkehrt. Bei steigenden Saugleitungen dürfen gewisse Geschwindigkeiten nicht unterschritten werden (5…6 m/s), namentlich bei Teillast. Sogenannte Ölfallen in den Saugleitungen sammeln Öl an. Sobald die Falle voll ist, wird durch den Unterdruck das Öl hochgesaugt und fällt von oben in die Saugleitung (Bild 5.5.6-2).

Bild 5.5.6-2. Ölfalle in der Saugleitung des Verdichters.

Bei senkrechten Flüssigkeitsleitungen muss die statische Druckhöhe beachtet werden: Ammoniak 0,058 bar/m ≈ 0,15 K/m R 134a 0,115 bar/m ≈ 0,47 K/m R 404 A 0,098 bar/m ≈ 0,24 K/m R 407 C 0,107 bar/m ≈ 0,28 K/m. 1) 2)

Solvay: Solkane Software, CD. Gottfried, E.: Ki 10/85. S. 387/9.

5.5.6 Kältemittel-Rohrleitungen

2399

Bei geringer Unterkühlung und großem Höhenunterschied tritt dadurch im aufsteigenden Flüssigkeitsstrom eventuell Blasenbildung auf, die die Funktion von Regelventilen beeinträchtigt, daher stärkere Unterkühlung notwendig. Ventile mit Membran- oder Wellrohrdichtung, um ausreichende Dichtheit zu erhalten.

5 Bild 5.5.6-3. Druckabfall in R-134a-Rohrleitungen aus Kupfer einschl. Fittings (Verflüssigungstemperatur 30…35 °C).

Rasche Ermittlung der Druckverluste und Rohrdurchmesser bei einer mittleren Zahl von Fittings s. Bild 5.5.6-3. Einzelwiderstände (Bogen, T-Stücke, Ventile) machen etwa 2/3 des Gesamtwiderstandes einer Leitung aus. Gesamtdruckverlust in Saug- und Druckleitungen etwa 0,2…0,3 bar entsprechend Temperaturabfällen von 1…2 K, in Flüssigkeitsleitungen etwa 0,35 bar.

2400

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Beispiel: · R-134a-Kälteleistung Q o = 12 kW, Verdampfungstemperatur to = –10 °C. Aus Bild 5.5.6-3 entnimmt man: Flüssigkeitsleitung 15 · 1 mm, Druckgefälle 7 mbar/m; Druckleitung 22 · 1 mm, Druckgefälle 25 mbar/m, Saugleitung 35 · 1,5 mm, Druckgefälle 10 mbar/m.

5.5.7

Kaltwasser-Rohrnetze

Rohrnetze werden überwiegend aus Stahlrohren oder Kupferrohren hergestellt. Die Druckverlust-Berechnung der Rohrnetze erfolgt analog den Heizungsrohr-Netzen (Abschnitt 2.6.3). Falls Frostschutzmittel zugesetzt wird, muss erhöhte Zähigkeit beachtet werden (Abschnitt 5.3.4). Manometer, Ausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil (Abschnitt 2.2.3-6) bei geschlossenen Anlagen sind vorzusehen. Das Ausdehnungsgefäß muss die Schrumpfung des Wassers oder der Sole im Rohrnetz bei kalten Temperaturen ausgleichen, damit gegenüber dem Füllzustand der Anlage bei Umgebungstemperatur im Kühlbetrieb kein Unterdruck in der Anlage auftritt. Auslegung eines Membran-Ausdehnungsgefäßes1) analog Abschnitt 2.2.3-6, jedoch mit folgenden zusätzlichen Randbedingungen (Bild 5.5.7-1).

Bild 5.5.7-1. Druck-/Volumen-Verhältnisse im Ausdehnungsgefäß. Legende siehe Text.

Es bedeuten (alle Drücke in bar, absolut): pSV = Ansprechdruck des Sicherheitsventils (SV) pH = Höchst-Arbeitsdruck beim Füllen der Anlage bei Umgebungstemperatur, dieser soll 50 kPa unter dem Ansprechdruck des SV liegen. pM = Mindestarbeitsdruck bei tiefster Temperatur, dieser soll etwa 50 kPa über pV liegen, damit auch bei tiefster Temperatur noch eine Reservemenge Wasser im A-Gefäß bleibt. pV = Vordruck des A-Gefäßes, dieser soll über dem Atmosphärendruck liegen, damit nicht Luft eindringt. pV muss größer als die statische Druckhöhe Hstat sein. Vn = Bruttoinhalt des A-Gefäßes Vnm = Stickstoffvolumen bei pM V = Ausdehnungsvolumen des Wasser- oder Sole-Inhalts der Anlage. Wegen p · V = konst (nach Boyle-Mariotte) gilt mit Bild 5.5.7-1: Vnm · pM = (Vnm – V) · pH

1)

und

Vnm · pM = Vn · pV

Buddy, P.: Ki (1975), Nr. 6, S. 191–196. Hansen, W.: Oel+Gasfg. (1977), Nr. 5, 4 S.

5.5.7 Kaltwasser-Rohrnetze

2401

Daraus folgt der Bruttoinhalt (Nennvolumen) des A-Gefäßes pM ⋅ pH Vn = --------------------------------- · V in l, wenn V in l. pV ( pH – pM ) Beispiel: Gesamtinhalt der Anlage 800 l. Frostschutz bis –20 °C; entsprechend 34 Vol.-% Antifrogen (Bild 5.3.4-1). Statische Höhe der Anlage 4 m, daher gewählt: Vordruck des A-Gefäßes pV = 0,05 MPa Überdruck = 0,150 MPa absolut. Höchste Temperatur der Anlage (= höchste Umgebungstemperatur) 30 °C. Mindest-Arbeitsdruck pM = 0,10 MPa Überdruck, d.h. 0,05 MPa über pV pM = 0,20 MPa absolut. Ansprechdruck des SV pSV = 0,30 MPa Überdruck = 0,40 MPa absolut. = bei 30 °C, 0,05 MPa unter pSV Fülldruck pH der Anlage pH = 0,35 MPa absolut. Ausdehnung nach Bild 5.3.4-3 = 1,5 %. Ausdehnungsvolumen V = 800 · 0,015 =12 l. Bruttoinhalt des A-Gefäßes 0,2 ⋅ 0,35 Vn = ------------------------------------------ · 12 = 37,3 l. 0,15 ⋅ ( 0,35 – 0,2 ) Gewählt: Ausdehnungsgefäß Bruttoinhalt (Nennvolumen) 50 l, Vordruck 0,5 bar. Falls das Rohrnetz gedämmt wird, ist Schwitzwasserbildung zu beachten, deshalb diffusionsdichte Dämmstoffe aus z. B. Schaumstoff (Armaflex, Misselfix) verwenden oder dampfdichte Umhüllung.

5

2402

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

5.6

Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Grundlage ist die Berechnung der Kühllast für alle zu kühlenden Räume gemäß Abschnitt 3.8.3. Für Auslegung und Dimensionierung der Kälteanlage ist es meistens erforderlich, zusätzlich den Tagesgang und den Jahresgang der Kühllast zu ermitteln. Deren Darstellung kann in numerischer oder graphischer Form, sogenannten Histogrammen, erfolgen, und zwar für den Tagesgang über der Uhrzeit, häufig als Balkendiagramm (siehe Bild 5.6-1), für den Jahresgang über der Außenlufttemperatur, meistens als Kurve (siehe Bild 5.6.3-2).

Bild 5.6-1. Beispiel eines Kühllast-Tagesganges.

5.6.1

Dimensionierung der Kälteanlage

5.6.1-1

Luftkühlanlagen für direkte Kühlung

Derartige Anlagen gemäß Abschnitt 5.5.2 werden fast ausschließlich eingesetzt für Räume mit gleichem Tages- und Jahresgang der Kühllast. Die Dimensionierung erfolgt nach der maximal auftretenden Gesamtkühllast bei der dabei maximal zu erwartenden Außenlufttemperatur für den luftgekühlten Verflüssiger oder das Rückkühlwerk. Sollen Räume mit unterschiedlichem Tagesgang versorgt werden, so müssen getrennte Temperaturregelkreise und geeignete Regelmöglichkeiten der Kälteanlage vorgesehen werden. Die Kälteleistung ist nur noch die Summe der gleichzeitig auftretenden Kühllasten. Möglichkeiten zum Speichern von Kälteenergie gibt es hier praktisch nicht, zur Wärmerückgewinnung und zum Wärmepumpenbetrieb siehe Abschnitt 5.6.5.

5.6.1-2

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

Nach diesem System gemäß Abschnitt 5.5.3 arbeitet die Mehrzahl aller größeren Kälteanlagen in der Klimatechnik. Für die Dimensionierung der Kälteanlage gilt die erste Prüfung dem Tagesgang der Kühllast. Zeigt dieser ausgesprochene Spitzen wie nur wenige Stunden dominierende Sonneneinstrahlung, Beispiel Bild 5.6-1, oder nur wenige Stunden dominierende Innenlast, Beispiel Theateraufführung, so sind die Einsatzmöglichkeiten einer Kältespeicheranlage zu überprüfen (siehe Abschnitt 5.6.4). Bei normalen Dauerbelastungen darf die Dimensionierung nicht nach der Summe aller maximalen Kühllasten erfolgen, da die Kälteanlage dann meistens viel zu groß und im

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2403

Betrieb unwirtschaftlich wird. Es muss vielmehr über den Tagesgang aller einzelnen Räume oder Zonen die Kühllast ermittelt werden, die maximal gleichzeitig auftreten kann. Für ein langgestrecktes Gebäude mit einer Ost- und einer Westfassade könnte sich z.B. ergeben: Klimaanlage Dauer-Grundlast Sonneneinstrahlung 8 Uhr Sonneneinstrahlung 16 Uhr Installierte Kühllast

Zone Ost 100 kW 300 kW 0 kW 400 kW

Zone West 100 kW 0 kW 300 kW 400 kW

Die Kälteanlage muss die Grundlast beider Zonen decken, die Sonneneinstrahlung jedoch nur für eine Zone, da sie nicht gleichzeitig auftritt. Damit reicht für die installierte Kühllast von 800 kW eine Kälteanlage mit einer Kälteleistung von 500 kW völlig aus. Bei erheblichem Anteil sonnenbestrahlter Fenster in der Westfassade liegt das Kühllastmaximum meistens zwischen 15 und 16 Uhr und trifft zusammen mit dem zu dieser Zeit auch maximalen Wert der Außenlufttemperatur, der für den luftgekühlten Verflüssiger oder das Rückkühlwerk bei Volllast anzusetzen ist.

5.6.2

Teillastverhalten von Kältemaschinen

Kälteanlagen für die Klimatechnik sind besonders großen Lastschwankungen ausgesetzt. Die volle Kälteleistung wird nur an den – in Mitteleuropa seltenen – sehr heißen Tagen benötigt, und auch dann nur über wenige Stunden. Ansonsten läuft die Anlage bei Teillast, und dies bis herunter zu unter 10 %. Das Teillastverhalten der Kältemaschinen ist damit für die Wirtschaftlichkeit und für die Betriebssicherheit von besonderer Bedeutung.

5.6.2-1

Teillastbedingungen und Abnahmemessungen

Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit von Wasserkühlsätzen wird mit den nun eingeführten Abnahmestandards möglich. US-amerikanisch: AHRI Standard 551/591-2011, früher ARI-Standard, beschreibt Abnahmeverfahren für luft- und wassergekühlte Wasserkühlsätze (AHRI = Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, USA). Als Standard für Abnahmemessungen Kaltwassertemperatur 12,2 / 6,7 °C mit einem Anwendungsbereich von 4,4 bis 8,9 °C, zur Auslegung werden Verschmutzungszuschläge Verdampfer und Verflüssiger genannt und schließlich auch die Wassermengenströme, mit letzteren sind die Temperaturspreizungen definiert. Die Konditionierung der Luft erfordert nur an wenigen Tagen des Jahres die volle Leistung bei hoher Umgebungstemperatur. Es wurde statistisch ermittelt, welche Zeitanteile sich ergeben, wenn 100, 75, 50 oder 25 % der Kühlleistung abgerufen werden und welche Kühlluft- oder Kühlwassertemperaturen dabei anzuwenden sind. Mit diesen standardisierten Voll- und Teillastverhältnissen IPLV (Integrated Part Load Value) werden die jeweiligen Leistungszahlen errechnet und schließlich mit ihren Zeitanteilen in eine Leistungszahl des gesamten Jahres zusammengefasst. Da im jeweiligen Einzelfall erhebliche Abweichungen des Temperaturganges am Ort der Anlage auftreten, kann eine vom Standard abweichende Kühllastverteilung NPLV (Non-Standard Part-Load Value) aus den lokalen Temperaturgängen ermittelt werden. Für europäische Verhältnisse wurden von Eurovent ähnliche, aber abweichende Bewertungs- und Gewichtungsstandards festgelegt. Die 100 % Kühlleistung wurde bisher mit dem EER-Wert (Energy Efficiency Ratio) definiert, der Wert entspricht in SI-Einheiten der Kälteleistungszahl. Für das Teillastspektrum wurde das ESEER definiert (ESEER = European Seasonal Energy Efficiency Ratio), damit gehen auch im Bewertungsverfahren der Eurovent die Leistungszahlen bei 100, 75, 50 und 25 % der Kühllast in die vergleichende Rechnung ein. Kaltwassertemperatur bei Standardbedingungen 12 / 7 °C, wobei für Klimaanlagen ein Anwendungsbereich von 2 bis 15 °C vorgesehen ist.

5

2404

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Tafel 5.6.2-1

Die anzuwendenden Temperaturen des Kühlmediums und die Zeitanteile im Vergleich: ESEER nach Eurovent

AHRI Standard 551/591-2011

Last %

Kühlluft

Kühlwasser

Kühlwasser

°C

Zeitanteil %

Kühlluft

°C

°C

°C

Zeitanteil %

100

35

30

3

35

30

1

75

30

26

33

27

24,5

42

50

25

22

41

19

19

45

25

20

18

23

13

19

12

Eurovent definiert vier Temperaturbereiche und zertifiziert Kältesätze für Klima +2 bis +13 °C, NK +3 bis -12 °C, TK -8 bis -25 °C und Sonderanwendungen wie Fußbodenheizungen. Die Definition der Teillastbedingungen und vereinheitlichten Abnahmemessungen sollen Produkte verschiedener Hersteller wieder vergleichbar machen. Die statistisch gemittelten Zeitanteile der Tabelle treffen für die Bedingungen am Aufstellungsort selten zu. Für die Ermittlung der lokalen Bedingungen dient die VDI-Richtlinie 4710. Dort sind auch Hinweise für das europäische Ausland zu finden.1) Bei tieferen Umgebungstemperaturen bietet sich eine direkte Nutzung für den Kaltwasserkreislauf an, entweder zur Unterstützung der Kältemaschine(n) oder bis zur gänzlichen Übernahme ihrer Aufgabe durch ein Rückkühlwerk. Dazu gibt es zahlreiche Schaltungsvarianten und auch luftgekühlte Wasserkühlsätze mit einem im Verflüssigerbereich integrierten zusätzlichen Kühlregister. Einige Lösungsmöglichkeiten in Bild 5.6.2-1: a) Der Kühlturm versorgt den Verflüssiger mit tiefstmöglicher Temperatur, am Umschaltpunkt geht die Wärmelast des Verbraucherkreises über einem Plattenwärmeübertrager direkt an das Kühlturmwasser, der Wärmeübertrager übernimmt die Funktion der Kältemaschine. Der saubere Kaltwasserkreislauf bleibt getrennt vom offenen Kühlturmwasserkreis. Wasserleitungen im Freien sind vor Einfrieren zu schützen: isolieren, Begleitheizung vorsehen, den Verflüssiger im frostsicheren Raum möglichst gefüllt halten b) Der Plattenwärmeübertrager trennt den Kühlturmwasserkreis vollständig vom Verflüssigerkühlwasser. Am Umschaltpunkt wird der Kaltwasserkreis direkt in den Plattenwärmeübertrager eingebunden. Der Verflüssiger wird immer mit sauberem und kontrolliertem Kühlwasser betrieben, keine Verschmutzung bei Hochleistungs-Verflüssigerrohren, dagegen steigt die Kühlwassertemperatur des Kühlwassers um 2 bis 4 K. c) Im geschlossenen Kühlturm zirkuliert eine Glykollösung. Am Umschaltpunkt verbinden sich Kühlturm- und Verbraucherkreis. Nur sinnvoll, wenn der Verbraucherkreis ständig mit Glykollösung betrieben wird. d) Der Glykolkreislauf wird in einem Luftkühler gekühlt, gegebenenfalls mit Unterstützung von Sprühwasser – „Hybridkühler“ – bei hohen Lufttemperaturen. Klare Trennung Glykolkreis von Verbraucherkreis, höheres Temperaturniveau des Kühlkreislaufes, gemildert durch Hybridsystem. e) (Turbo)Kältemaschine mit luftgekühltem Verflüssiger und überflutetem Verdampfer. Am Umschaltpunkt schaltet der Verdichter ab, eine Pumpe fördert das verflüssigte Kältemittel zum Verdampfer. Verdampfung und Verflüssigung bei nahezu gleichem Druck (und Temperatur). Kühlleistung bei freier Kühlung geringer. Beim Stillstand sicherstellen, dass Kältemittel nicht unkontrolliert verdampfen kann („Kältemittelverlagerung“), die Verdampferrohre würden einfrieren.

1)

Masuch, J. et al.: Gesundheitsingenieur 130 (2009), Nr. 6, S. 293–303.

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2405

Bild 5.6.2-1 a) Kühlturmwasser wahlweise zum Verflüssiger oder zum Wärmeübertrager b) Kühlturmwasser über Wärmeübertrager von Verflüssiger- und Kaltwasserkreis getrennt c) Geschlossener Kühlturm kühlt Glykollösung d) Hybridkühlturm, bedarfsweise wasserbesprüht, kühlt Glykollösung e) Kältemittel kondensiert im luftgekühlten Verflüssiger

5.6.2-2

Einfluss der Verflüssigungstemperatur

Das Verhalten einer Kältemaschine bei Veränderungen der Verdampfungstemperatur to und der Verflüssigungstemperatur tc ist in Bild 5.4.1-3 und Bild 5.4.1-4 gezeigt. Alle folgenden Betrachtungen gelten in gleicher Größenordnung auch für alle anderen gängigen Kältemittel. Wenn bei einer zunächst als konstant angenommenen Verdampfungstemperatur von 0 °C die Verflüssigungstemperatur im Volllastbetrieb bei 60 °C liegt, so ergibt sich aus Bild 5.4.1-4 eine Kälteleistung von 350 Watt pro m3/h geometrischen Fördervolumens des Verdichters und eine Leistungszahl von εK = 2,2. Sinkt die Verflüssigungstemperatur, z. B. infolge fallender Außenlufttemperatur am luftgekühlten Verflüssiger, auf 40 °C, so ergibt sich aus Bild 5.4.1-4 eine Kälteleistung von 460 Watt pro m3/h, also das 1,31-Fache

5

2406

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

gegenüber der Volllast-Auslegung, und das bei einer Leistungszahl von εK = 3,7. Es wird also je kWh Energieverbrauch das 1,68fache an Kälteleistung erzeugt, bzw. pro kWh Kälteleistung wird nur noch 60 % des Energieverbrauchs unter Nennbedingungen benötigt. Dieses Beispiel zeigt den ganz wesentlichen Einfluss der Verflüssigungstemperatur auf die Kälteleistung und auf den Energieverbrauch. Jede Aussage über das Teillastverhalten und jede Wirtschaftlichkeitsberechnung setzt damit voraus, dass der Verlauf der Verflüssigungstemperatur über dem Gang der Außenlufttemperatur und über dem Lastverlauf bekannt ist. Der Absenkung der Verflüssigungstemperatur sind betriebliche Grenzen gesetzt, da zur Funktion der Kälteanlage, hier insbesondere der Expansionsventile, Mindestwerte erforderlich und vom Hersteller vorgeschrieben sind, die nicht unterschritten werden dürfen. Gemäß Abschnitt 5.2.1-3 steht das Gesamtsystem einer Kältemaschine immer im Gleichgewicht. Das bedeutet, dass eine Steigerung der Kälteleistung durch niedrigere Verflüssigungstemperatur ein Absinken der Verdampfungstemperatur nach sich zieht, um die größere Leistung an der Verdampferfläche übertragen zu können. Die Leistungssteigerung wird deshalb nicht ganz so groß, wie vorstehend beschrieben, was jedoch am primären Einfluss der Verflüssigungstemperatur auf das Betriebsverhalten nichts ändert.

5.6.2-3

Einfluss der Wärmeübertragerflächen

Bei einer Flüssigkeitskühlanlage gehört meistens zu einem leistungsgeregelten Verdichter ein bestimmter Verflüssiger und ein bestimmter Verdampfer, die beide für die Voll-lastbedingungen ausgelegt sind. Bei Teillast des Verdichters müssen diese Wärmeaustauscher nur eine entsprechend geringere Leistung übertragen, die erforderlichen Temperaturdifferenzen werden damit geringer. Unter Benutzung des Schemas nach Bild 5.2.1-5 würde sich damit das Betriebsverhalten zunächst so verändern, wie es als Beispiel in Bild 5.6.2-2 dargestellt ist.

Bild 5.6.2-2. Betriebsverhalten eines Wasserkühlsatzes bei Teillast.

Im Beispiel bringt die Verringerung des Verdichterfördervolumens auf 25 % einen Anstieg der Verdampfungstemperatur um etwa 4 K, was nach Bild 5.4.1-4 einer Zunahme der Kälteleistung von 480 auf 570 W pro m3/h, also auf das 1,19-Fache, entspricht. Gleichzeitig fällt die Verflüssigungstemperatur von 38 °C auf 30 °C, was einer weiteren Zunahme der Kälteleistung auf 620 Watt pro m3/h entspricht, also einer Gesamtzunahme auf das 1,29-Fache. Die sich aus 25 % Teillast-Fördervolumen ergebende Kälteleistung beträgt also nicht 25 %, sondern 25 · 1,29 = 32 %. Der vorstehende Rechengang ist allerdings nur ein erster Näherungsschritt. Die so ermittelten höheren Leistungen erfordern natürlich auch wieder größere Temperaturdifferenzen, so dass durch ein Iterationsverfahren – unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Veränderungen der Wärmedurchgangskoeffizienten – der echte Teillast-Betriebszustand ermittelt werden muss. Wesentlich ist, dass die Teillast-Kälteleistung immer deutlich größer ist als das Teillast-Fördervolumen des Verdichters. Da in der Praxis die VerflüssigerWassereintrittstemperatur (im Beispiel 27 °C) auch nicht konstant bleibt, sondern mit

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2407

fallender Außenlufttemperatur meistens erheblich absinkt, fällt auch die Verflüssigungstemperatur deutlich weiter ab, und die wahre Teillast-Kälteleistung ist noch erheblich größer als im Beispiel errechnet. Es kann vorkommen, dass bei 25 % Fördervolumen 50 % der Volllast-Kälteleistung erreicht werden. Aus vorstehenden Ausführungen ergibt sich ebenfalls die Notwendigkeit von Regeleingriffen am Verflüssiger, um bei Teillast die erforderliche Mindest-Verflüssigungstemperatur einzuhalten.

5.6.2-4

Teillastverhalten von Turboverdichtern

Turboverdichter treten in Klima-Kälteanlagen praktisch nur als Teile von Flüssigkeitskühlanlagen auf, also mit zugehörigem Verflüssiger und Verdampfer. Für das Teillastverhalten derartiger Anlagen gilt der in Tafel 5.6.2-1 dargestellte AHRI-Standard und/oder der europäische Standard ESEER. Die hier festgelegten fallenden Eintrittstemperaturen sind erforderlich, da die in der Klimatechnik üblichen Turboverdichter mit Dralldrosseloder Drehzahl-Regelung nicht in der Lage sind, beim Nennlast-Verflüssigungsdruck Teillast zu fahren. Für das Teillast-Temperaturverhalten einer wassergekühlten Ausführung ist in Bild 5.6.2-3 ein Beispiel dargestellt. Die geradlinige Darstellung setzt konstante Wärmedurchgangskoeffizienten voraus, was im Verflüssiger etwa zutrifft. Die Verschlechterung der Wärmedurchgangskoeffizient im Verdampfer ist annähernd berücksichtigt durch eine Rest-Austrittsdifferenz von 1 K bei Nulllast. Aus diesem Temperaturverhalten ergeben sich, unter Benutzung der Aussagen bzw. Grundlagen von Bild 5.4.1-4, die in Bild 5.6.2-4 gezeigten Veränderungen: Mit geringer 3 werdender · Teillast steigt die Kälteleistung je m /h geometrischen Fördervolumens – Faktor fV h – auf das 1,34fache bei 10 % Teillast. Gleichzeitig erhöht sich die VolllastLeistungszahl – Faktor fεARI – auf das 2,8fache bei 10 % Teillast (konstanter Carnot Gütegrad vorausgesetzt).

Bild 5.6.2-3. Teillast-Temperaturverhalten nach AHRI-Standard 550/ 590 (wassergekühlt). Grundlagen: Kühlwassereintrittstemperatur · tWE Kühlwassermassenstrom m W Volllast-Spreizung tWA – tWE Volllast Austrittsdifferenz tC – tWA Kaltwasseraustrittstemperatur · tKA Kaltwassermassenstrom m K Proportionalband Regelung ergibt bei Nullast tKA Volllast-Spreizung tKE – tK Volllast-Austrittsdifferenz tKA – to

= Tafel 5.6.2-1 = konstant nach = 5,5 K nach AHRI 550/590 = 4,5 K angenommen = + 6,7 °C nach AHRI 550/590 = konstant nach AHRI 550/590 = 1 K angenommen, = + 5,7 °C = 5 K angenommen = 5 K angenommen

5

2408

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.2-4. Auswirkung Temperaturverhalten Bild 5.6.2-3.

Bild 5.6.2-5. Teillastverhalten von Turboverdichtern.

Von den Herstellerfirmen wird für Turboverdichter-Flüssigkeitskühler das Teillastverhalten meistens als Diagramm – Energieverbrauch P in % über Kälteleistung Qo in % – angegeben, natürlich bezogen auf die gemäß Standard AHRI oder Eurovent fallende Verflüssigungstemperatur. Ein Beispiel einer Herstellerkurve für wassergekühlte Ausführung zeigt die ausgezogene Kurve in Bild 5.6.2-5. Zum Vergleich ist zusätzlich gestrichelt eingetragen der theoretische Energieverbrauch, der sich aus Bild 5.6.2-4 ergibt zu Q· o [ % ] 1 Ptheor. = ------------ ⋅ ---------------f ε ARI 100 Aus beiden Kurven ergibt sich, ebenfalls gestrichelt eingetragen, der Teillast-Wirkungsgrad des betreffenden Turboverdichters zu ηTK = P/Ptheor. Die schlechten Wirkungsgrade bei kleiner Teillast erklären sich mit daraus, dass das · prozentuale Fördervolumen noch um den Faktor f V h kleiner ist als die prozentuale Kälteleistung. Im Beispiel nach Bild 5.6.2-4 ergibt sich · · · Q o = 20 %, f V h = 1,30, V h = 20 / 1,30 = 15,4 % Bei diesen niedrigen Volumenströmen ist ein einzelner Turboverdichter an der Grenze seines Einsatzbereiches.

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

5.6.2-5

2409

Teillastverhalten von Schraubenverdichtern

Für die in der Klimatechnik eingesetzten Flüssigkeitskühlanlagen mit Schraubenverdichtern gelten dieselben Standards mit den gleichen Temperaturwerten. Das Teillastverhalten wird von den Herstellerfirmen auch hier meistens als Diagramm – Energieverbrauch in % über Kälteleistung in % – angegeben, ein Beispiel für wassergekühlten Betrieb zeigt die ausgezogene Kurve in Bild 5.6.2-6. Die benutzte Herstellerangabe führt zu einer praktisch gleichen Kurve wie in Bild 5.6.2-5 die dort benutzte Herstellerangabe für den Turboverdichter, was jedoch nicht für alle Herstellerangaben zutreffen muss. Schraubenverdichter haben auch einen großen Anwendungsbereich in der industriellen Kältetechnik, wofür Eurovent Abnahmebedingungen definiert hat. Teillastangaben werden hier nur auf den Verdichter bezogen bei konstanter Verdampfungstemperatur to und · · konstanter Verflüssigungstemperatur tc, wobei auch der Wert Q o /V h (Bild 5.4.1-3) konstant bleibt. Eine derartige Kurve ist für den gleichen Verdichter inBild 5.6.2-6 gestrichelt eingetragen und zeigt so deutlich den Einfluss der kältetechnischen Betriebsbedingungen, die also beim Vergleich unterschiedlicher Herstellerangaben unbedingt berücksichtigt werden müssen. Da sich bei konstantem to und tc die kältetechnischen Betriebsdaten nicht ändern, ergibt sich· aus der gestrichelten Kurve direkt der Teillast-Wirkungsgrad des Verdichters zu ηTK = Q o in % /P in %, der ebenfalls als gestrichelte Linie in Bild 5.6.2-6 eingetragen ist. Zu beachten ist in Bild 5.6.2-6 die unterschiedliche Bedeutung der Abszissenteilung: Nur bei konstantem to und tc entspricht die Kälteleistung in % dem Fördervolumen in %. Sobald die Differenz tc – to bei Teillast kleiner wird, ist die Teillast-Kälteleistung in % größer als der Teillast-Volumenstrom in %. Für eine Umrechnung siehe Abschnitt 5.6.2-6.

Bild 5.6.2-6. Teillastverhalten von Schraubenverdichtern.

5.6.2-6

Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern

Früher wurden, und häufig werden auch heute noch, die Verdichter-Teillastdaten ange· geben, bezogen auf das Teillast-Fördervolumen V h und bei konstanten Temperaturen to und tc. Die übliche Leistungsregelung durch Abschalten von Zylindern ergibt keine stetige Regelung mehr, die Teillastdaten werden in Stufensprüngen angegeben je nach verbleibendem Fördervolumen (Zylinderzahl). Einen Mittelwert aus den Angaben mehrerer Hersteller zu den Stufensprüngen zeigt die durchgezogene Linie P in Bild 5.6.2-7 für halbhermetische Verdichter mit Leistungsregelung durch Abheben der Saugarbeitsventile. · Aus dieser Kurve ergibt sich der ebenfalls eingetragene Teillast-Wirkungsgrad ηTK = Q o in % /P in %. Beide Kurven sind praktisch gleich mit den entsprechenden Kurven für den Schraubenverdichter in Bild 5.6.2-6. In Bild 5.6.2-7 ist ferner gestrichelt eingetragen die bei nicht regelbaren Verdichtern verwendete Heißgas-Bypass-Regelung mit dem Energieverbrauch von konstant 100 % (bei konstantem to und tc ) und dem sich daraus ergebenden Teillast-Wirkungsgrad ηTK–HGBP.

5

2410

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.2-7. Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern.

Alle Angaben in Bild 5.6.2-7 sind bezogen auf den ungünstigsten, praktisch kaum auftretenden Fall konstanter Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur über den ganzen Teillastbereich. Sie sind deshalb nicht vergleichbar mit den Angaben nach AHRI-Standard 551/591. Bei veränderlichen Temperaturen muss umgerechnet werden gemäß den nachfolgenden Hinweisen. Es ist zunächst der Verlauf der Eintrittstemperatur tWE des Verflüssiger-Kühlmediums über dem Teillastverlauf der Kälteleistung zu ermitteln (sowie, wenn nicht konstant, auch der Verlauf der Kaltwasser-Austrittstemperatur tKA ) sowie alle Temperaturdifferenzen bei Volllast. Daraus ergibt sich, wenn der Verdichter auf nur ihm zugehörige Wärmeaustauschflächen arbeitet, ein ähnliches Verhalten, wie es in Bild 5.6.2-3 und Bild 5.6.2-4 für den Temperaturverlauf entwickelt und dargestellt ist. Für den weiteren Rechengang werden – als Beispiel – diese zwei Bilder benutzt. Der nächste Schritt ist die Ermittlung der tatsächlichen Kühllaststufen. Hierfür wird als Beispiel gewählt ein 8-Zylinder-Verdichter mit der Stufung: 8 zyl. = 100 %, 6 zyl. = 75 %, 4 zyl. = 50 %, 2 zyl. = 25 % des geometrischen Fördervolumens. Unter den Temperaturbedingungen von ·Bild 5.6.2-3 (AHRI 550/590, wassergekühlt) gibt Bild 5.6.2-4 den Korrekturfaktor f V h an, um den sich die Kälteleistung je m3/h geometrischen Fördervolumens erhöht. Für die als Beispiel gewählte Verdichterstufung ergibt sich damit der Rechengang nach Tafel 5.6.2-2. Tafel 5.6.2-2

Beispiel einer Teillastberechnung für Hubkolbenverdichter

· Vh %

f Vh

·

Qo %

·

Q okorr. %

·

ηTK

f εARI

P %

100 75 50 25

1,00 1,07 1,17 1,28

100 80 59 32

100 80 58 31

100 94 84 64

1,00 1,12 1,40 1,96

100 76 49 25

Beispiel Bild 5.6.2-7

Beispiel Bild 5.6.2-4

Beispiel Bild 5.6.2-4

·

%

·

Die Multiplikation des Teillast-V · h mit dem zugehörigen Faktor f V h ist der erste Näherungsschritt für· das Teillast-Q o. Da zur so ermittelten erhöhten Teillast wieder ein kleinerer Faktor fV h gehört, sind weitere Iterationsschritte erforderlich. Sie bringen jedoch, · wie das entsprechend ermittelte Q okorr. in der folgenden Spalte zeigt, nur noch geringfügige Veränderungen. Der Teillast-Wirkungsgrad ηTK aus · Bild 5.6.2-7 ist bezogen auf die arbeitende Zylinderzahl und damit auf die erste Spalte V h in %. Der Faktor fεARI wird bei

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2411

·

der Kälteleistung Q o aus Bild 5.6.2-4 abgelesen. Damit ergibt sich der Energieverbrauch bei Teillast aus der Gleichung · 100 1 P [%] = Q okorr. [%] · --------------- ⋅ ---------f ε AHRI η TK Die Ergebnisse sind in der letzten Spalte von Tafel 5.6.2-2 angegeben und wurden in Bild 5.6.2-8 mit einer durchgezogenen Kurve verbunden, um ungefähre Aussagen auch für andere Stufensprünge zu ermöglichen. Das echte Betriebsverhalten zeigt die ausgezogene Treppenlinie in Bild 5.6.2-8, wobei der Energieverbrauch in den einzelnen Stufen nur geringfügig absinkt infolge der niedriger werdenden Eintrittstemperatur des Verflüssiger-Kühlmediums. Die Treppenkurve darf allerdings nicht zu der falschen Aussage verleiten, dass der Verdichter bei z.B. 81 % Kälteleistung einen relativen Energieverbrauch von 97 % hätte. Da es sich um eine nicht stetige Regelung handelt, ist es vielmehr so, dass in diesem Betriebspunkt noch alle 8 Zylinder arbeiten, der Verdichter also 100 % Kälteleistung erbringt. Der geringere Bedarf an Kälteleistung wird durch Zu- und Abschalten der jeweiligen Zylinder erreicht, also durch Pendeln zwischen den realen Betriebspunkten von z.B. 80 % und 100 %. Korrigiert man z.B. bei 81 % Kälteleistung den abzulesenden Leistungsbedarf von 97 % bei laufender Volllaststufe mit deren Einschaltdauer von nur 81 %, so ergibt sich der reale Wert von 79 %, der praktisch auf der durchgezogenen Kurve liegt. Das ist damit nur geringfügig höher als bei den Turbo- und Schraubenverdichtern unter gleichen Betriebsbedingungen.

Bild 5.6.2-8. Teillastverhalten von Hubkolbenverdichter-Wasserkühlsätzen unter Ansatz von ARI-Standard 550.

Das Ergebnis dieses Rechenganges für die verdichterbezogenen Teillastangaben, PARI in Bild 5.6.2-8, entspricht der Teillastangabe gemäß neuem ARI-Standard 590-86. Bild 5.6.2-7 und Bild 5.6.2-8 zeigen deutlich den Unterschied: Bei 30 % Kälte-Teillast geht der Energieverbrauch von 45 % (bezogen auf Verdichter) auf 25 % (bezogen auf neuen AHRI-Standard) zurück. Mit dem gleichen Rechengang lässt sich auch das Verhalten der Heißgas-Bypass-Regelung auf das im Beispiel gewählte Temperaturverhalten umrechnen. Das Ergebnis ist in Bild 5.6.2-8 als gestrichelte Linie eingetragen und zeigt im Vergleich mit Bild 5.6.2-7 ganz deutlich den gravierenden Einfluss der Betriebsbedingungen auf das Teillastverhalten.

5.6.2-7

Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen

Der für Absorptionsmaschinen für die Klimatechnik gültige ARI-Standard 560-92 gibt für den Kühlwassereintritt den gleichen Temperaturgang vor, wie für AHRI-Standard 551/591 (wassergekühlt) gezeigt. Eine entsprechende Herstellerangabe für dieses Teillastverhalten zeigt die durchgezogene Linie in Bild 5.6.2-9. Die gestrichelte Linie zeigt das Verhalten derselben Maschine, wenn die Kühlwassereintrittstemperatur konstant bei 29,4 °C bleiben würde.

5

2412

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.2-9. Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen

5.6.2-8

Teillastverhalten im Wärmepumpenbetrieb

Die Berechnung des Teillastverhaltens wird hier noch wesentlich schwieriger, da jede · Änderung der P auch eine Änderung der Wärmeabgabe Q c nach sich · =Antriebsleistung · zieht, denn Q c Q o + a · P (siehe Abschnitt 5.2.3-2). Daraus, und aus den Ausführungen in Abschnitt 5.2.1-4, ergeben sich folgende Gleichungen: Teillastwirkungsgrad im Wärmepumpenbetrieb ε KV ⋅ η TK + a - in %/100 ηTW = -------------------------------ε KV + a Dabei ist:

εKV = Volllast-Leistungszahl der Kältemaschine unter den im Teillast-Betriebspunkt herrschenden Temperaturen to und tc (z. B. aus Bild 5.4.1-3)

ηTK = Teillast-Wirkungsgrad im Kühlbetrieb, bezogen auf den Teillast-Fördervolu· menstrom V des Verdichters (z. B. aus Bild 5.6.2-6 oder Bild 5.6.2-7) in %/100 h

a = ca. 0,9, siehe Abschnitt 5.2.1-3c · Weiterhin entspricht der Teillast-Prozentsatz der Heizleistung Q c nicht mehr dem Prozentsatz der Kälteleistung, vielmehr gilt die Gleichung a 1 + ----------------------ε KV ⋅ η TK Q· oT Q· cT -------- = --------⋅ --------------------------------a Q· o Q· c 1 + --------ε KV Dabei ist · · Q cT /Q c = gesuchter Teillast-Prozentsatz der Heizleistung · · Q oT /Q o = vorgegebener Teillast-Prozentsatz der Kälteleistung Wohin diese Zusammenhänge führen, sei an einem Beispiel für einen Hubkolbenverdichter kurz dargestellt: Annahme: tc = 50 °C = konstant to = 0 °C = konstant a· = 0,9 = konstant · V h = 25% (bei konstantem tc und to ist auch Q o = konstant) Daraus ergibt sich: Aus Bild 5.4.1-4: εKV = 2,8 Aus Bild 5.6.2-7: ηKV = 0,65 Damit wird: 2 ,8 ⋅ 0 ,65 + 0 ,9 2 ,8 + 0 ,9

ηTW = ------------------------------------ = 0,735 0 ,9 1 1 + ------- ⋅ ---------Q cT 25 2 ,8 0 ,65 --------- = -------- ⋅ -------------------------------- = 0,283 (= 28,3 %) 100 1 + 0 ,9 ⁄ 2 ,8 Qc

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2413

·

Bei konstantem tc und to geht also bei 25 % des V h die Wärmeabgabe nur auf 28,3 % zurück. Der Energieaufwand dafür beträgt 28,3 / 0,735 = 38,5 %. Sind tc und to nicht konstant, so muss zunächst deren Verlauf über dem Lastverlauf und dem Gang der Außenluftttemperatur ermittelt oder festgelegt (geregelt) werden. Daraus ergeben sich Temperaturkurven ·gemäß den für Bild 5.6.2-3 erläuterten Bedingungen. Aus diesen sind die Faktoren f V h und f εK zu ermitteln, wie im Rechengang zu Bild · 5.6.2-4 beschrieben. Nächster Schritt ist die Ermittlung von ηTK in Abhängigkeit von V h für den gewählten Verdichter (Herstellerangabe bzw. Bild 5.6.2-6 oder Bild 5.6.2-7) sowie · · der Teillastverlauf von Q o über V h , wie im Rechengang zu Bild 5.6.2-8 dargestellt. Erst damit sind die Grundlagen gegeben zur Ermittlung des Teillastverhaltens im Wärmepumpenbetrieb.

5.6.2-9

Aussagen zum Teillastverhalten

Die angeführten Beispiele sollten zeigen, wie stark sich Auslegung und Betriebsverhältnisse – insbesondere die Zuordnung der Wärmeaustauschflächen und der Gang der Verflüssigungstemperatur – auf das Teillastverhalten auswirken und mit welchen Rechenmethoden diese Einflüsse zu erfassen sind. Die sehr günstigen Teillastwerte nach den AHRI- und Eurovent-Standards sind oft nicht zu erreichen, z.B. wenn für die Funktion der Expansionsventile höhere Verflüssigungsdrücke vorgeschrieben sind. Bei Wärmerückgewinnungsbetrieb der Kältemaschinen (siehe Abschnitt 5.6.5) muss meistens die Verflüssigungstemperatur auf einem relativ hohen Wert konstant gehalten werden (Achtung: Geht nicht bei Turboverdichtern!), das Teillastverhalten ist dann nur wenig günstiger als das verdichterbezogene bei konstantem tc und to. Das reale Teillastverhalten ergibt sich nur aus dem tatsächlichen Gang der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Für eine genaue Berechnung des Teillastverhaltens müssen also zunächst diese Voraussetzungen ermittelt und berechnet werden. Dann sind für das gewählte Fabrikat und Modell die entsprechenden Teillastangaben in % zu beziehen auf die Volllast-Leistungszahl, um den echten Teillast-Energieverbrauch in kW zu ermitteln. Für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung ist dieser dann im Jahresgang aufzutragen (siehe Abschnitt 5.6.3-4). Die Beispiele zeigen außerdem, dass das Teillastverhalten von Turbo-, Schrauben- und Hubkolbenverdichtern praktisch gleich ist – anderslautende Aussagen resultieren aus unzulässigem Vergleich von Angaben bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Qualitätsunterschiede verschiedener Fabrikate können größeren Einfluss haben als die unterschiedlichen Verdichterbauarten. Besonders wichtig für die Wirtschaftlichkeit ist die Auslegung auf eine hohe Volllast-Leistungszahl. Aus dem Rechengang nach Abschnitt 5.6.2-3 ergibt sich auch, dass es meistens günstiger ist, zwei Flüssigkeitskühler parallel mit Teillast zu betreiben als nur einen davon mit Volllast. Beim Zusammenwirken von Verdichter-Verdampfer-Verflüssiger interessieren den Betreiber der Anlage die Abhängigkeit der Kälteleistung von Kaltwassertemperatur und der Temperatur des Kühlmediums. Dazu kombiniert man die Kennlinien des Verdichters mit jenen des Verflüssigers (Abschnitt 5.4.3) zu einem Kennfeld des Verflüssigersatzes, jetzt aber als Kälteleistung abhängig von Verdampfungstemperatur und Kühlmediumtemperatur als Parameter. In dieses Kennfeld überträgt man die Kennlinien des Verdampfers (Abschnitt 5.4.4) mit den interessierenden Kaltwassertemperaturen.1) 2) Die Auswirkung einer Verdichterteillast oder auch zunehmender Verschmutzung der Wärmeübertrager lässt sich in diesem Diagramm verfolgen.

1) 2)

ASHRAE: Handbook Refrigeration. Chapter: Component Balancing in Refrigeration Systems. Hilligweg, A.: Simulation des Leistungsverhaltens von Rohrbündelverdampfern und gesamten Kälteanlagen. KI Luft- und Kältetechnik (2003), S. 161–165.

5

2414

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.2-10. Kennlinien eines Verflüssigersatzes (100 % Verdichterleistung) mit Kühlwasser-Eintrittstemperaturen 18 bis 30 °C und Verdampferkennlinien mit Kaltwasser-Austrittstemperaturen 2 bis 8 °C.

5.6.3

Auslegung der Kälteanlage

Um die nach Abschnitt 5.6.1 ermittelte maximale Kälteleistung zu erbringen, sind verschiedene Auslegungen hinsichtlich Verdichterbauart und Leistungsaufteilung möglich, um eine gute Anpassung an die Erfordernisse der jeweiligen Klimaanlage sowie möglichst niedrige Betriebskosten zu erreichen. Die folgenden Abschnitte sollen die verschiedenen Einflussgrößen zeigen sowie die Methodik zu ihrer Beurteilung.

5.6.3-1

Investitionskosten

Die Anschaffungskosten von Kälteanlagen für direkte Kühlung schwanken außerordentlich, da infolge der Lieferung in einzelnen Komponenten und ihrer Montage am Aufstellungsort der Lohnkostenanteil hoch ist und in starkem Maße von den Einbauverhältnissen abhängt. Bei Wasserkühlsätzen sind die Schwankungen relativ gering. Bild 5.6.3-1 gibt Richtwerte für wassergekühlte Kälteanlagen. Bei Luftkühlung liegen die Kosten noch etwas höher.

Bild 5.6.3-1. Durchschnittliche spezifische Anschaffungskosten von Kälteanlagen und Wasserkühlsätzen (2002). Die Linien stellen den oberen Bereich eines ± 10 %-Bandes dar. Basis: Kaltwasseraustrittstemperatur 6 °C Kühlwassereintrittstemperatur 27 °C

Je tiefer die mittlere Kaltwassertemperatur gewählt wird, desto höher die Anschaffungskosten der Kälteanlage, desto niedriger andererseits die Kosten für die Luftkühler. Beim Preisvergleich verschiedener Angebote sei auf zwei Punkte besonders hingewiesen: 1. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers oder der Luft können hohe Wärmedurchgangszahlen erreicht werden und damit relativ kleine, preisgünstige Wärmeaustauscher. Dafür wird jedoch die erforderliche Pumpen- bzw. VentilatorLeistung höher, der negative Einfluss zunehmender Verschmutzung größer, und bei geringer Überschreitung der zugrunde gelegten Massenströme entsteht bereits Erosions- und Kavitationsgefahr.

5.6.3 Auslegung der Kälteanlage

2415

2. Der Ansatz einer höheren Verflüssigungstemperatur (diese ist im Angebot meistens nicht angegeben) führt zu kleineren und damit preisgünstigeren Verflüssigern, ergibt jedoch eine geringere Leistungszahl und damit einen höheren spezifischen Energieverbrauch. Derart preisgünstige Geräte haben ihre Berechtigung für Anlagen mit wenigen Betriebstagen im Jahr, z.B. in Messe- und Ausstellungshallen, da hier in den Jahres-Gesamtkosten die Amortisation überwiegt. Bei Anlagen für Dauerbetrieb ist jedoch auf eine möglichst hohe Leistungszahl und geringen Energieverbrauch der Hilfsbetriebe (Pumpen, Ventilatoren etc.) zu achten, um die Jahres-Betriebskosten niedrig zu halten.

5.6.3-2

Leistungsaufteilung

Obgleich eine einzige große Anlage die niedrigsten Investitionskosten ergibt, wird die Kälteleistung meistens auf mehrere Kälteanlagen aufgeteilt. Wichtigster Grund, und gleichzeitig Grundlage für die Art der Aufteilung, ist der Jahresgang der Kühllast in Verbindung mit der Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) der Außenlufttemperatur am Aufstellungsort VDI-Richtlinie 4710. Anhand eines einfachen Beispiels soll das Prinzip dieses Rechenganges dargestellt werden: Bild 5.6.3-2 zeigt im oberen Bildteil den Verlauf der Kühllast und, gestrichelt, des Heizwärmebedarfs eines Gebäudes über der Außenlufttemperatur. Die Summenkurven können sich aus einer oder mehreren raumlufttechnischen Anlagen zusammensetzen sowie aus zusätzlichen statischen Kühl- und Heizflächen. Für die Sonneneinstrahlung und andere variable Lasten ist dabei nur der Tagesmaximalwert einzusetzen, der bei der jeweiligen Außentemperatur zu erwarten ist, s. Abschnitt 5.6.1-2. In gleicher Form lässt sich auch die Kühllastsumme von Anlagen unterschiedlicher Betriebscharakteristik darstellen, nur wird das Bild dann etwas komplizierter. Diese Kühllastkurve wird in Beziehung gesetzt zur im unteren Bildteil dargestellten Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) der Außenlufttemperatur. Im Beispiel wurde die Kurve für Berlin, nur Tagbetrieb von 7 bis 18 Uhr, aus Bild 1.1.2-6 gewählt, jedoch mit der Außentemperatur auf der auch für die Kühllastkurve gültigen waagerechten Achse. Aus der Kombination beider Diagramme lässt sich direkt ablesen, dass im Beispiel eine Kälteleistung von mehr als 700 kW nur während ca. 300 Stunden pro Jahr benötigt wird, und das auch nur, wenn gleichzeitig die Sonne scheint. Andererseits steht die Innenlast des Beispiels von 200 kW durch Personen und Energieverbraucher das ganze Jahr hindurch an, wenn sie nicht bei tieferen Außentemperaturen durch freie Kühlung, abgefahren wird. Wenn man für die Gesamtleistung von 1000 kW eine einzige Kältemaschine vorsieht, würde diese praktisch nie mit Volllast betrieben, jedoch relativ lange mit einer Teillast von nur 20 % bzw. bei freier Kühlung sogar bis herunter zu 0 %. Im Beispiel wurde deshalb eine Aufteilung gewählt auf einen Wasserkühlsatz von 700 kW mit Turbo- oder Schraubenverdichter und einen Wasserkühlsatz von 300 kW mit Schrauben- oder Hubkolbenverdichter, mit folgendem Ergebnis: In der Spitzenlast oberhalb 700 kW, über ca. 300 hs/a, laufen beide Wasserkühlsätze, der größere dabei durchgehend mit Volllast. Unter 700 kW läuft nur noch der größere, bis herunter zu einer Teillast von 300 kW, entsprechend 43 %. Gesamtlaufzeit dieses Wasserkühlsatzes bei dauerndem Sonnenschein 2650 h/a, bei völlig fehlender Sonne 500 h/a. Der echte Wert liegt dazwischen gemäß der anzusetzenden Sonnenscheindauer. Unter 300 kW Kühllast läuft nur noch der kleinere Wasserkühlsatz, bei voller Deckung der Innenlasten über mindestens 1800 h/a und mit einer kleinsten Teillast von 67 %. Diese Laufzeit erhöht sich noch um die Reduzierung der Maximallaufzeit des größeren Wasserkühlsatzes infolge geringerer Sonneneinstrahlung und um die Laufzeit von 300 h/a oberhalb 700 kW. Damit werden für beide Wasserkühlsätze etwa gleiche Laufzeiten pro Jahr erreicht. Bei Einsatz freier Kühlung verringert sich die Laufzeit des kleineren Wasserkühlsatzes entsprechend, und die kleinste Teillast geht auf praktisch 0 % zurück. Das Beispiel zeigt, wie Jahresgang der Kühllast, Jahresdauerlinie des Aufstellungsortes und tägliche Betriebsdauer zu einer Aufteilung der Kälteanlage führen, die langen Betrieb bei kleinster Teillast vermeidet.

5

2416

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.3-2. Kühllastverlauf über Außentemperatur und Jahresdauerlinie.

Eine vernünftige Aufteilung führt auch zu einer erhöhten Betriebssicherheit, die in vielen Fällen verlangt wird. Wird im vorgenannten Beispiel die Kälteleistung auf 3 gleiche Wasserkühlsätze von je 333 kW aufgeteilt, so wäre mit einem weiteren, gleichen Wasserkühlsatz ausreichend Reserve vorhanden, um den Ausfall eines Aggregates abzusichern. Die Auswahl der Verdichterbauart erfolgt nach den in Abschnitt 5.4.1 und Abschnitt 5.4.2 angegebenen Leistungsbereichen, den jeweiligen Investitionskosten und den jeweils erreichbaren Leistungszahlen. Wichtig ist hierbei jedoch auch die kleinste von der Anlage zu erbringende Teillast. Bis zu 20 bis 30 % der Nenn-Kälteleistung (abhängig vom Temperaturverlauf, siehe Abschnitt 5.6.2) können Turbo- und Schraubenverdichter stetig, Hubkolbenverdichter durch Ventilabhebung in Stufen heruntergeregelt werden. Kleinere Teillasten sind nur noch durch Ein- und Ausschalten des Verdichters (oder durch erzwungene Leistungsminderung, z. B. Heißgas-Bypass) zu erreichen. Dabei ist einerseits die zulässige Schalthäufigkeit und die erforderliche Mindestlaufzeit (siehe Abschnitt 5.7.4) zu beachten sowie andererseits die Genauigkeitsanforderungen an die Temperaturregelung. Für kleinste Teillasten benutzt man deshalb meistens relativ kleine Wasserkühlsätze mit Hubkolben- oder Spiralverdichtern als unterste Leistungsstufe.

5.6.4 Kältespeicher

5.6.3-3

2417

Wärmerückgewinnung

Schon das einfache Beispiel von Bild 5.6.3-2, oberer Teil, zeigt im Außentemperaturbereich unter 20 °C gleichzeitiges Auftreten von Kühllast und Heizwärmebedarf. Bei Kühllastsummen von Klimazentralen, die Gebäudezonen mit Fenstern nach unterschiedlichen Himmelsrichtungen versorgen, wird dies noch ausgeprägter. Im Beispiel steht aus der Kälteleistung von 200 kW zur Abführung der Innenlasten eine Verflüssiger-Wärmeabgabe von etwa 260 kW (abhängig von der Verflüssigungstemperatur, siehe Bild 5.4.3-1) zur Verfügung. Es wäre energetisch sinnlos, diese Wärme über den Kühlturm abzugeben, wenn gleichzeitig Heizwärmebedarf besteht. Um die Verflüssiger-Wärmeabgabe zu Heizzwecken nutzen zu können, sind meistens höhere Austrittstemperaturen des Verflüssiger-Kühlmediums erforderlich als im Kühlbetrieb üblich. Die entsprechend höhere Verflüssigungstemperatur bedingt dann eine geringere spezifische Kälteleistung, und damit unter Umständen einen etwas größeren Verdichter, sowie eine geringere Leistungszahl und damit einen höheren Energieverbrauch. Trotzdem ist es meistens günstiger, die Abwärme zu nutzen, anstatt die entsprechende Wärmemenge getrennt durch zusätzlichen Energieverbrauch zu erzeugen. Wegen der Rückwirkungen auf die Kälteanlage sollte die Wärmerückgewinnung schon bei der Auslegung der Anlage mit eingeplant werden. Für die Ausführung derartiger Systeme s. Abschnitt 5.6.5.

5.6.3-4

Jahres-Energieverbrauch

Grundlage zur Ermittlung des Energieverbrauchs ist ebenfalls die Darstellung in Bild 5.6.3-2. Ergänzend hierzu ist für jede einzelne Kälteanlage der Verlauf der Verflüssigungstemperatur über der Außentemperatur zu ermitteln, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung des Verlaufs der Kühlwasser-Eintrittstemperatur in Abhängigkeit von der Regelcharakteristik der Rückkühlwerke. Aus der Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur bei Volllast ergibt sich die Leistungszahl εK bzw. als Kehrwert 1/εK der spezifische Energieverbrauch in kWh je kWh Kälteleistung bei Volllast (Garantiewert des Lieferanten). Mit den in Abschnitt 5.6.2 beschriebenen Methoden wird dann die Leistungszahl bzw. der spezifische Energieverbrauch bei den für die jeweilige Kältemaschine auftretenden Teillasten ermittelt. Multipliziert man diese Werte mit den jeweils auftretenden Kühllasten (Teillast-Kälteleistungen), so erhält man einen Jahresgang des Energieverbrauchs über der Außentemperatur, analog zum Jahresgang der Kühllast. Der Jahres-Energieverbrauch ergibt sich, wenn man diese einzelnen Werte mit der jeweiligen Jahreshäufigkeit, z.B. aus der Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) oder – einfacher – aus entspr. Tabellen, multipliziert und die Ergebnisse über das ganze Jahr aufaddiert. Das Beispiel in Bild 5.6.3-2 zeigt deutlich, welchen Einfluss hier der Anteil von Sonnenscheinstunden bei der jeweiligen Außentemperatur haben kann. Unterschiedliche Ansätze dafür führen deshalb zu völlig verschiedenen Ergebnissen.

5.6.4

Kältespeicher1)

a) Eisspeicher Eisspeicher sind Latentspeicher, die Kälteenergie in Form von Eis beim Phasenübergang von Wasser auf Eis speichern. Diese Kälteenergie kann beim Abtauen zu fast 100 % wieder an den Wärmeträger abgegeben werden. Eisspeicher in der Klimatechnik Seit etwa 15 Jahren werden Klimaanlagen immer häufiger mit wartungsfreien Eisspeichersystemen gebaut. Die täglichen Lastspitzen oberhalb ca. 50 % der Spitzenlast werden aus dem Eisspeicher gedeckt, während die Kältemaschine und ihre elektrische An1)

Brunk, F.: HLH (1985), Nr. 12, S. 590–591; HLH (1986), Nr. 7, S. 351–358. de Vries, H.: TAB (1986), Nr. 9, S. 581–583; TAB (1988), Nr. 9, S. 678–685; KKT 46 (1993), Nr. 10, S. 628–635. Bruder, Th.: TAB (1989), Nr. 5, S. 417–419; (1989), Nr. 6, S. 485–488; Ki (1993), Nr. 4, S. 147–151.

5

2418

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

schlussleistung sowie die installierte Rückkühlleistung nur noch die Grundlast decken. Sole dient als Wärmeträger, ggfs. mit hydraulischer Entkopplung über einen PlattenWärmetauscher mit ca. 2 K mittlerer Temperaturdifferenz. Eine Investitionsentscheidung fällt zu Gunsten dieser einfach zu wartenden Eisspeicher,1) wenn: – die elektrische Lastspitze im Gebäude an einem Sommertag liegt und durch Abschneiden der Spitzenkältelast die gesamte elektrische Lastspitze des Gebäudes gesenkt und damit der zu zahlende Leistungspreis reduziert werden kann (Stromkostenoptimierung 1), – der preiswerte Nachtstrom zur Kälteerzeugung genutzt werden kann (Stromkostenoptimierung 2), – durch den Einsatz von Eisspeichern der elektrische Strombezug insgesamt vergleichmäßigt wird und damit der Benutzungsdauerrabatt, der prozentual auf die Jahresstromrechnung berechnet wird, erhöht werden kann (Stromkostenoptimierung 3), oder – für eine bestehende Kälteanlage die Kälteleistung vergrößert werden soll, ohne die Kältemaschine, die elektrischen Versorgungsanlagen (Trafo/Schaltschrank) und die Rückkühlanlagen zu vergrößern (Anlagenerweiterung), – ein Energiespeicher im Rahmen eines Kälte-Wärmeenergieverbundes benötigt wird. – die Kälteversorgung während eines Stromausfalls für einige Stunden gesichert werden soll, wie z.B. in OP-Räumen in Krankenhäusern, in Rundfunkanstalten, Fernmeldezentralen und EDV-Anlagen („Notkälte“). Eisspeicher in der Gewerbekühlung Die ältesten Eisspeicher gibt es z.B. in Brauereien und Molkereien, die täglich eine hohe Kältelast für nur wenige Stunden pro Tag haben und damit die Kälteerzeugung stoßweise belasten würden. Eisspeicher sorgen hier dafür, dass die Kälteenergie kontinuierlich mit relativ geringer Leistung erbracht werden kann, z.B. über 12 bis 14 Stunden. Der Einsatz ist lohnend, wenn: – der Prozeß kurze Lastzeiten hat (1 bis 4 h/d) – eine schnelle Entladung, meist mit Eiswasser, mit kleinem Δt gefordert ist bei Temperaturen nahe 0 °C (z.B. +4/+1 °C), – gutes Betriebs- und Wartungspersonal vorhanden ist für die relativ komplizierten Direktverdampfungsanlagen, zum Betreuen der Eisdicken-Messung und zum Vermeiden der Eisbrücken-Bildung sowie für das wiederkehrende vollständige Abtauen, das teilweise nach jedem Zyklus erforderlich wird. b) Kaltwasserspeicher ohne Eisbildung Von Kaltwasser (z.B. 12/6 °C) durchflossene Pufferspeicher können für wenige Minuten Kälteenergie speichern. Während der Abschaltzeit der letzten Leistungsstufe des Kälteerzeugers wird diese Kälteenergie wieder an das Netz abgegeben.

5.6.4-1

Speicherdichte = Speicherkapazität (Kältespeicher)

a) Eisspeicher; Schmelzwärme des Wassers c = 332 kJ/kg, Dichte Eis ρ = 916 kg/m3 Speicherdichte qtheor = ρ · c = 916 · 332/3600 = 84,4 kWh/m3. Für den Durchfluss des Wassers und die Kühlerrohre geht jedoch Platz verloren. Daher wird praktisch nur erreicht: Speicherdichte q = 40…60 kWh/m3. Da es sich um einen Latentspeicher handelt, steht diese Speicherdichte mit der konstanten Schmelztemperatur von 0 °C zur Verfügung. Die Wassererwärmung ergibt zusätzliche Speicherkapazität gemäß b). Eisspeicher sind damit geeignet für einen 24-StundenSpeicherzyklus.

1)

Amberg, H.-U.: Maschinen-Markt 30 (1986); ETA (1988), Nr. 3, S. A73–A77.

5.6.4 Kältespeicher

2419

b) Kaltwasserspeicher ohne Eisbildung. Die Verdampfungstemperatur muss über 0 °C liegen. Speichertemperatur daher etwa +5 °C. Spezifische Wärmekapazität des Wassers c = 4,18 kJ/kgK. Somit speichert 1 m3 (ρ = 1000 kg/m3) 1000 ⋅ 4 ,18 ⋅ 1 Speicherdichte q = ρ · c · Δt = ---------------------------------- = 1,16 kWh/m3 K. 3600 Dabei ist Δt die nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Ladung und Entladung des Speichers. Tiefere Speichertemperatur bei Verwendung von Sole statt Wasser kann Δt vergrößern. Trotzdem bleibt die Speicherkapazität zu klein für eine Speicherung über längere Zeit.

5.6.4-2

Eisspeicher, Funktion, Aufbau

a) Eisspeicher in der Klimatechnik Bild 5.6.4-2 zeigt die Innenansicht des CALMAC-Eisspeichers mit von Sole durchflossenen Wärmetauscherrohren aus PE. Sie sind spiralförmig aufgewickelt und füllen den werkstattgefertigten Behälter aus PE in etwa 50 Ebenen übereinander vollständig aus. Die Gefäße können im Gebäude bzw. auch ohne Risiko im Freien (Dach oder neben dem Gebäude) aufgestellt oder sogar im Erdreich vergraben werden. Der runde Tank kann gefahrlos innen oder außen vollständig durchfrieren. Über den PE-Rohren wird der erforderliche Raum zur Aufnahme des verdrängten Wassers bei der Eisbildung vorgehalten. Das Transportgewicht ist gering; das Speichermedium Wasser und das Wärmeträgermedium Sole werden vor Ort eingefüllt. Das patentierte Sole-Rohrsystem ist gegenläufig gewickelt und für 6 bar Betriebsdruck ausgelegt. b) Eiswasseranlagen für Gewerbekühlung Beim Laden eines Eisspeichers wird die Kälteenergie zum Gefrieren des Wassers meist durch Direktverdampfer im Wassertank bzw. durch Zwischenschalten eines Solekreises dem Speicher zugeführt. Beim Entladen erfolgt der Wärmeübergang direkt vom Eis an das entlangströmende Wasser. Um gleichmäßigen Eisansatz an den Kühler-Rohren oder Platten zu erhalten, wird das Wasser im Tank mit Pumpen umgerührt oder es wird Luft am Tankboden eingeblasen (Bild 5.6.4-3). Wegen der schlechten Wärmeleitung von Eis nimmt die Leistung mit zunehmender Eisdicke ab. Eisdickenmesser sollen völliges Einfrieren verhindern, bereiten aber besonders bei Teillasten uns Teilentlastung Probleme. Eine andere Form eines offenen Tanks ist der siloartige „Eisturm“.1) Hier werden oberhalb eines großen Wasserbeckens Ammoniak-Plattenverdampfer bei etwa –7,5 °C Verdampfungstemperatur jeweils ca. 8 Minuten zum Eisbilden mit Wasser aus dem Becken berieselt. Die entstandene Eisschicht wird dann als „Scherbeneis“ in ca. 1.3 Minuten durch Beaufschlagen der gleichen Verdampferplatten mit Heißgas gesprengt; danach wieder Anfrieren. Nach etwa 10 Stunden sind soviel Eisplatten in das Wasser-Eis-Gemisch gefallen, dass das komplette Wasser verdrängt und durch ein Wasser-Eis-Gemisch ersetzt wird. Lufteinblasung muss das Zusammenfrieren der Eisscherben verhindern. Eine Füllstandsanzeige erfolgt mittels Schwimmerkreuz unter dem Scherbeneis oder durch Ultraschall. Die Entladung kann dann als Eiswasser – z.B. +4/+1 °C – in 2 bis 3 Stunden erfolgen.

1)

Ganter, E.: Ki (1995), Nr. 4, S. 178–181.

5

2420

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Betriebsart A

Betriebsart B

Betriebsart C

Betriebsart E

Bild 5.6.4-1. Beispiel für die Funktion eines Eisspeichers in 4 Betriebsarten. Das Bild zeigt die 4 Betriebsarten, die mit den 2 Pumpen, den 2 Doppelumschaltklappen sowie dem Regelventil, z.B. von einer SPS gesteuert, im Laufe eines Tages geschaltet werden. Betriebsart A Eisspeicher-Entladebetrieb (z.B. max. 50 % der Spitzenlast) Betriebsart B Kaltsolesatz am Netz (z.B. bis max. 50 % der Spitzenlast, im Grundlastbetrieb, siehe auch Bild 5.6.4-4) Betriebsart C Eisspeicher-Entladebetrieb plus Kaltsolesatz am Netz (Spitzenlast) Betriebsart E Eisspeicher-Ladebetrieb, mit Volllast des Kaltsolesatzes, ohne Regelverluste Das gezeichnete 6-Pol-Package (2 Pole = KSS = Kaltsolesatz, 2 Pole = ESP, 2 Pole = Kältenetz) ist als transportable Baueinheit lieferbar und erleichtert das Gesamt-Engineering erheblich. Alternativ steht mit dem patentierten 8-Pol-Package (mit 2 Kaltsolesätzen) eine noch komplettere Kältezentrale mit insgesamt 3 Erzeugern und ausreichend Ausfallreserve (= Redundanz) zur Verfügung.

5.6.4 Kältespeicher

2421

Bild 5.6.4-2. CALMAC-Eisspeicher mit Sole 25 % Glykol in den PE-Rohren.

Bild 5.6.4-3. Schematischer Aufbau eines Eisspeichers mit Direktverdampfer.

5.6.4-3

Auslegung des Kältespeichers

Zur Auslegung der Speichergröße benötigt man den Tagesgang der Kühllast, als Beispiel wird Bild 5.6-1 gewählt. In Bild 5.6.4-4 ist eingetragen, was sich dabei aus dem folgenden Rechengang ergibt: Betriebszeit Gebäude: 7.00 bis 18.00 Uhr, ZTag = 11 Stunden, Niedertarifzeit: 21.00 bis 6.00 Uhr, ZNacht = 9 Stunden. · Maximale Lastspitze Q max = 1280 kW um 16.00 Uhr. Den Aufbau des Systems zeigt Bild 5.6.4-1. Laden (Bild 5.6.4-1 unten rechts): Die · Kältemaschine kühlt beim Laden Sole von – 1 auf –5 °C und leistet dabei QoNacht = 476 kW. Verdampfungstemperatur to = – 10 °C; Kondensationstemperatur tc = 30 °C (nachts). Kältemaschine am Netz (Bild 5.6.4-1 oben rechts): Beim Tagbetrieb werden die Verbraucher mit Sole von + 6 versorgt. Die Kältemaschine arbeitet bei dieser Betriebsweise mit einer Verdampfungstemperatur von to = ± 0 °C und einer Kondensationstemperatur von tc = 40 °C. Für diese geänderten Bedingungen ist nach den Kennfeldern der Kältemaschinen-Hersteller die Leistung neu zu bestimmen. Ein Beispiel für R404A zeigt Bild 5.4.1-3. Es gilt auch für R407C! Aus diesem Bild ergibt sich · · Q· o/V· h = 0,56 und εK = 3,4, für to = –10; tc = 30 °C (nachts) für to = ± 0; tc = 40 °C (tags) Q o/V h = 0,74 und εK = 3,6, also · ist die Kälteleistung am Tag Q oTag = 476 · 0,74/0,56 = 630 kW Die erforderliche Antriebsleistung der Kältemaschine ist mit εK nach Bild 5.4.1-3 beim Nachtbetrieb (Laden) P = 476/εK = 476/3,4 = 140 kW beim Tagbetrieb P = 630/εK = 630/3,6 = 175 kW.

5

2422

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.4-4. Speicherauslegung am Spitzenlasttag.

Die Integration der Bedarfskurve ergibt einen verbleibenden Kältebedarf von QS = 3500 kWh, der vom Speicher zu decken ist: Bei Ladeleistung 476 kW ist die Ladezeit = 3500 kWh/476 kW = 7,35 h, also von 21.00 (Beginn NT) bis 4.21 Uhr. Entsprechend einer Speicherdichte nach Abschnitt 5.6.4-1) von q = 50 kWh/m3 ergibt sich das Volumen des Speichers zu V = QS/q = 3500/50 = 70 m3, bzw. 3600 · 3500/332 = 38000 kg Eis. Die Pumpe P1 muss 2 Betriebsarten erfüllen, s. Bild 5.6.4-1. E: V1 =

476 ⋅ 3600 ---------------------------------------------------1048 ⋅ 3 ,83 ⋅ ( – 1 – 5 )

= 106 m3/h im Ladebetrieb

630 ⋅ 3600 B: V1 = -------------------------------------------------- = 94 m3/h im Netzbetrieb 1048 ⋅ 3 ,83 ⋅ ( 12 – 6 ) Die Pumpe PE muss liefern: ( 1280 – 630 ) ⋅ 3600 A: VE = --------------------------------------------------- = 97 m3/h im Entladebetrieb 1048 ⋅ 3, 83 ⋅ ( 12 – 6 ) Ferner muss · · die Wärmeaustauschfläche im Speicher so groß sein, dass sie die Spitzenlast Q max – Q oTag = 650 kW übertragen kann. Die Konzentration der Sole wird bestimmt nach Bild 5.3.4-1 zu 25 %. Stoffwerte der Sole nach Bild 3.3.2-39 sind c = 3,83 kJ/kg · K und s = 1048 kg/m3. Die Förderdrücke der Pumpe P1 sind bei den Betriebsstellungen Laden und KSS am Netz etwa gleich. Die entsprechend dem Histogramm schwankende Kälteleistung und der jeweils erreichte unterschiedliche Entladezustand des Eisspeichers werden über das Regelventil (RV) exakt auf z.B. 6 °C Vorlauftemperatur ausgeregelt.

5.6.4-4

Regelung und optimales Zeitprogramm (Eisspeicher)

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bieten als Standard die nachfolgenden Regelstrategien und die Möglichkeit zur Fernüberwachung. Parameter für das Betriebszeitund Energiekosten-Management passen die Regelung auf den einzelnen Bedarfsfall an. Die zeitliche Abfolge der Betriebsarten (Definition in Bild 5.6.4-1) wird, je nach Regelstrategie, unterschiedlich gewählt. Beginn des Ladebetriebs mit der Niedertarifzeit = NT-Zeit, z.B. 21.00 Uhr Ende des Ladebetriebs bei Trück 7 °C.

5.6.4 Kältespeicher

2423

Regelstrategie 2: (E → B → evtl. C → E) Wird ein Tag mit hoher Last erwartet, dann ab 6.00 Uhr Kältemaschine am Netz (Betriebsart B) Zuschalten des Eisspeichers zur Kältemaschine (Betriebsart C), wenn – Ansprechen des Maximumwärters oder – bei Tvor >7 °C oder – ab etwa 13.00 Uhr zur Kostenoptimierung durch Ausnutzung der NT-Zeit.

5.6.4-5

Kosten, Wirtschaftlichkeit1) (Eisspeicher)

Investitionskosten für Eisspeicher Bild 5.6.4-5 zeigt die ungefähren Investitionskosten für Eisspeicher. Sie enthalten: Tank mit Isolierung betriebsfertiger Verdampfer oder PE-Wärmeaustauscher Frostschutzmittel. Im Beispiel nach Bild· 5.6.4-4 konnte durch einen Eisspeicher die · maximale Leistung der Kältemaschine von Q max = 1280 kW herabgesetzt werden auf Q oTag = 630 kW.

Bild 5.6.4-5. Durchschnittliche Investitionskosten für Eisspeicher (2012).

Ob sich diese Eisspeicher-Investition lohnt, muss anhand einer individuellen Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Beachtung der aus der letzten Stromrechnung ersichtlichen Tarife für Arbeitspreis HT und NT sowie für Leistungspreis und evtl. Benutzungsdauerrabatt ermittelt werden. 1. Anschaffungskosten Die Bewertung erfolgt nach Bild 5.6.3-1 (für Kälteanlagen mit Kühlturm) und Bild 5.6.4-5 (für Eisspeicher) ohne Speicher mit Speicher Kälteanlagen mit Kühlturm und Kühl€ € wasserleitungen 1280 kW · 151 €/kW 193280 630 kW · 195 €/kW 122 850 zusätzliche Rohrleitungen und Isolierung zu den Eisspeichern: 20500 Platten-Wärmetauscher 1200 kW 9500 Glykolfüllung 4 600 Eisspeicher: 3600 kWh · 27 €/kW h 97 200 Regelung und Schaltschrank 27 900 30 700 ——— ——— 221180 285350 Zeile 1: Kostenerhöhung durch Eisspeicher: 46170

1)

Amberg, H. U.: KKT (1992), Nr. 6, S. 374–384.

5

2424

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

2. Einsparung durch billigeren Nachttarif Es gelten die Leistungsdaten von Abschnitt 5.6.4-3 · Q Tag max = 1280 kW; εK = 3,6 · = 630 kW; εK = 3,6 mit Eisspeicher = Q· Tag Q Nacht = 476 kW; εK = 3,4 Stromtarif: HT = 0,19 €/kWh (Tag) NT = 0,13 €/kWh (Nacht) Leistungspreis: 80 €/(kW · a) Betriebsdauer-Annahme: 1000 h/a Anlage ohne Eisspeicher: = 1280 kW · 1000 h/a : 3,6 · 0,19 € kWh 67555/a Anlage mit Eisspeicher: Da die max. Kühllast nur an wenigen Tagen im Jahr auftritt, reicht der Speicher an vielen anderen Tagen in der Übergangszeit zur vollen Deckung der Kälteversorgung (zum NT) aus. D.h., dass ca. 30 % der Gesamt-Kälteenergie tagsüber und ca. 70 % mit NT erzeugt wird: HT-Anteil: 0,3 · 1280000 kWh/a : 3,6 · 0,19 €/kWh NT-Anteil: 0,7 · 1280000 kWh/a : 3,4 · 0,13 €/kWh Zeile 2: jährl. Energiekosteneinsparung

ohne Speicher €

3. Einsparung Leistungspreis Leistungspreis ohne Eisspeicher, bei Lastspitze im Sommer, durch Kälte verursacht: 1280 kW : 3,6 · 80 €/(kW · a) mit Eisspeicher: 630 kW : 3,6 · 80 €/(kW · a) Zeile 3: Einsparung durch Leistungspreis 4. Zeile 2 + Zeile 3 = Einsparung durch Leistungspreis und Nachttarif

mit Speicher €

20267/a 34259/a 13992/a

28444/a 14000/a 14444/a 28432/a

5. Amortisationszeit = Kapitalrückflusszeit Bei einer Erhöhung der Anschaffungskosten um 64170 € und jährlichen Einsparungen von 28432 € ergibt sich (der kurzen Laufzeit wegen ohne Zinsen gerechnet) eine Kapitalrückflusszeit von 2,26 Jahren.

5.6.5

Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe1)

Hierunter versteht man die Nutzung von Kältemaschinen für Beheizungsaufgaben, wobei sich folgende Einsatzmöglichkeiten ergeben: a) Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen aller Art, z.B. zur Warmwassererwärmung, Gebäudeheizung etc., als reine Wärmerückgewinnung. b) Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen, die zur Kühlung in raumlufttechnischen Anlagen dienen, zur Deckung von gleichzeitig anfallendem Wärmebedarf. Diese Betriebsweise nennt man Wärmeverschiebung. c) Erweiterung der Nutzung nach b) zur Deckung von Wärmebedarf bei nicht ausreichendem Kältebedarf durch Abkühlung anderer möglicher Wärmequellen, z.B. Fortluft, Grundwasser aus Brunnen etc. Hier spricht man vom Wärmepumpenbetrieb der vorhandenen Kälteanlage. 1)

Amberg, H.-U.: Ki (1984), Nr. 9, S. 337–344.

5.6.5 Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe

2425

d) Betrieb einer Kälteanlage nur zu Heizzwecken, sie wird dann Wärmepumpe genannt. Die Kälteleistung dient nur zur nicht genutzten Abkühlung einer geeigneten Wärmequelle. Bei der Ausführung derartiger Anlagen sind folgende Punkte zu beachten: Es darf kein aggressives oder verunreinigtes Wasser, z.B. von einem offenen Kühlturm, in die Heiz- und Kühlsysteme des Gebäudes oder der raumlufttechnischen Anlage geraten. Die maximal zulässige Verflüssigungstemperatur der Kälteanlage darf nicht überschritten werden. Sie beträgt bei R 134a ca. 75 °C mit relativ geringer volumetrischer Leistung. Damit stehen größere Wärmemengen für Heizzwecke mit etwa 70 °C Austrittstemperatur aus dem Verflüssiger zur Verfügung. Kleinere Wärmemengen, weniger als 10 % der Verflüssigerleistung, können mit einem besonderen Wärmeaustauscher (Enthitzer) angehoben werden bis auf 10 K unterhalb der Druckgastemperatur am Verdichteraustritt. Der maximale Betriebs-Überdruck der Kälteanlage gemäß Fabrikschild darf nicht überschritten werden. Es muss also sichergestellt werden, dass kein heißes Wasser der Kälteanlage zugeführt werden kann – auch nicht unbeabsichtigt –, dessen Temperatur so hoch ist, dass der zugehörige Druck gemäß Dampftafel über dem zulässigen Druck liegt. Für Wärmerückgewinnung bis Wärmepumpenbetrieb gibt es anlagentechnisch folgende Möglichkeiten:

5.6.5-1

Heizung mit Kältemittel

Vorwiegend bei luftgekühlten Kälteanlagen werden im Kältekreislauf vor Eintritt in den luftgekühlten Verflüssiger ein (oder auch mehrere) wassergekühlte Verflüssiger eingebaut, die direkt Brauchwasser wie auch Heizungswasser erwärmen (Bild 5.6.5-1). Auch direkte Lufterwärmung (analog zur direkten Luftkühlung) wird ausgeführt, vorwiegend für Verkaufsräume von Supermärkten (Bild 5.6.5-2).

Bild 5.6.5-1. Wärmerückgewinnung direkt über zusätzliche wassergekühlte Verflüssiger.

Bild 5.6.5-2. Wärmerückgewinnung über zusätzliche luftgekühlte Verflüssiger.

Bild 5.6.5-3. Lüftung mit Wärmepumpe zur Rückgewinnung von Wärme aus der Fortluft.

Wärmerückgewinnungs-Verflüssiger werden meistens nur auf der Wärmeentnahmeseite geregelt. Hauptverflüssiger gibt die nicht mehr nutzbare Wärme an die Umgebungsluft ab. Wärmeabgabe vorwiegend durch motorbetätigte Luftklappen und/oder regelbare Ventilatoren geregelt, Regelgröße Verflüssigungsdruck.

5

2426

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Kältekreislauf wird kompliziert, da Abfluss des verflüssigten Kältemittels aus allen Verflüssigern unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt sein muss. Besonders kritisch bei Parallelschaltung und wenn Verflüssiger auf unterschiedlichem Niveau. Installation derartiger Systeme deshalb nur durch erfahrene Kältetechniker. Anwendung vorwiegend zur Wärmerückgewinnung von Kälteanlagen. Auch möglich als Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung aus Abwärme, z.B. Fortluft, Bild 5.6.5-3. Wärmepumpe lohnt hier nur, wenn auch im Sommer zur Raumkühlung benutzt durch Kreislaufumkehr.

5.6.5-2

Geschlossener Kühlwasserkreislauf

Das im Verflüssiger der Kältemaschine erwärmte Kühlwasser wird direkt zu Heizaufgaben herangezogen, die hierfür nicht benötigte Wärme wird über ein Rückkühlwerk an die Umgebungsluft abgegeben. Um das Kreislaufwasser von Verunreinigungen und korrosionsfördernden Bestandteilen freizuhalten, muss ein Rückkühlwerk in geschlossener Bauweise (vgl. Abschnitt 5.4.8-4) verwendet werden (Bild 5.6.5-4). Ventilator(en) und Sprühwasserkreislauf des Rückkühlwerkes werden so geregelt, dass die Kühlwasser-Austrittstemperatur aus dem Verflüssiger auf der für die Wärmeverbraucher erforderlichen Höhe bleibt.

Bild 5.6.5-4. Wärmerückgewinnung über geschlossenen Kühlwasserkreislauf.

Mit diesem System ist Wärmerückgewinnung und Wärmeverschiebung möglich. Ein Beispiel für Wärmepumpenbetrieb mit zwei Wasserkühlsätzen zeigt Bild 5.6.5-5, wobei ein Wärmeaustauscher in einem Fluss im Sommer die Abfuhr der Verflüssigerwärme übernimmt und im Winter, nach meist automatischer Umschaltung der Ventile, als Wärmequelle für die Verdampfer der Wärmepumpen dient. Im Kreislauf der Wärmeund Kälteverbraucher zirkuliert das gleiche Medium, Wasser mit Glycol-Zusatz. Für Heizlastspitzen im Winter ist häufig ein zusätzlicher Heizkessel erforderlich (bivalenter Betrieb, siehe Abschnitt 2.2.5-3).

Bild 5.6.5-5. Schaltbild einer Wärmepumpenanlage für Heizung und Kühlung.

5.6.5 Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe

5.6.5-3

2427

Zusätzlicher Heizwasserkreislauf

Hierbei wird die Kältemaschine, vorwiegend wassergekühlte Wasserkühlsätze, mit zwei Verflüssigern ausgerüstet, die kältetechnisch parallel oder hintereinander geschaltet sein können. Durch einen der beiden Verflüssiger fließt das Wasser für die Heizsysteme im geschlossenen Kreislauf. Über den zweiten Verflüssiger wird über einen anderen Wasserkreislauf die nicht nutzbare Wärme an ein Rückkühlwerk abgegeben, das so in üblicher offener Bauart, also wesentlich preisgünstiger, ausgeführt werden kann. Der Rückkühlwerkskreislauf wird dabei so geregelt, dass die erforderliche Vorlauftemperatur zuden Heizsystemen eingehalten wird. Mit diesem System ist Wärmerückgewinnung und Wärmeverschiebung möglich. Für Wärmepumpenbetrieb muss eine zusätzliche Wärmequelle erschlossen werden, z. B. durch einen kaltwasserbeaufschlagten Wärmeaustauscher wie in Bild 5.6.5-5. Wirtschaftlicher ist die Abkühlung der Wärmequelle direkt im Verdampfer, wofür jedoch bei aggressivem oder verschmutztem Wasser ein separates Rohrsystem vorgesehen werden muss. Bild 5.6.5-6 zeigt eine derartige Anlage mit einem getrennten Rohrsystem im Verdampfer für Grundwasser als Wärmequelle und mit einem Verflüssiger mit ebenfalls doppelter, getrennter Berohrung. Bei Rohrsystemen für aggressives oder verschmutztes Wasser auf mechanische Reinigungsmöglichkeit achten.

Bild 5.6.5-6. Wärmepumpe mit Doppelverflüssiger für das Heiznetz und mit Doppelverdampfer für das Kühlnetz und für Grundwasser.

Bei Kältemaschinen/Wärmepumpen mit Antrieb durch Brennkraftmaschine gibt es noch einen weiteren, zusätzlichen Wärmerückgewinnungs-Heizwasserkreislauf. Das durch das Motorkühlwasser und durch den Abgas-Wärmeaustauscher erwärmte Wasser, das deutlich wärmer ist als das aus dem Verflüssiger austretende, wird meistens auf ein eigenes Verbrauchernetz – die Hochtemperatur-Schiene – gegeben, siehe Abschnitt 2.2.5-3.3

5.6.5-4

Wirtschaftlichkeit

Wenn die Abwärme (Verflüssigerleistung) einer Kältemaschine mit der Temperatur genutzt werden kann, mit der sie aus dem Kältemaschinenbetrieb anfällt, ist diese Wärme kostenlos. Meistens muss jedoch für sinnvolle Abwärmenutzung die Verflüssigungstemperatur gegenüber dem normalen Kühlbetrieb etwas angehoben und vor allem auch bei Teillast auf diesem hohen Wert gehalten werden. In diesem Fall ergeben sich die Kosten für die Heizwärme aus der Verringerung der Leistungszahl der Kältemaschine im Wärmerückgewinnungsbetrieb gegenüber der bei reinem Kühlbetrieb. Es ist: Q· o Energieaufwand reiner Kühlbetrieb: P = -----εK Q· o Energieaufwand Wärmerückgewinnungsbetrieb: PR = ---------

ε KR

PH PR – P PR – P - = --------------- = -------------------------Energieaufwand für Heizwärme: -----· · · Qc Qc Qo + a ⋅ PR Rechnet man als Beispiel bei einer Verdampfungstemperatur von 0 °C mit einer Verflüssigungstemperatur von 45 °C im reinen Kühlbetrieb und einer Erhöhung auf 65°C bei Wärmerückgewinnung, so ergibt sich, unter Benutzung von Bild 5.4.1-4:

5

2428

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

εK = 3,1, εKR = 2,0,

P = 1/3,1 = 0,323 kWh/kWh PR = 1/2,0 = 0,500 kWh/kWh

P H 0 ,500 – 0 ,323 0 ,171 ------ = -------------------------------- = ------------ = 0,122 kWh/kWh 1 + 0 ,9 ⋅ 0 ,5 1 ,45 Q· c Der Kehrwert von PH/Qc, die erreichte, vergleichbare Wärmepumpen-Leistungszahl, liegt mit εW = 8,2 auch bei elektrischem Antrieb im wirtschaftlichen Bereich. Die Kosten pro MWh zurückgewonnene Wärme betragen im Beispiel: Bei Strompreis 0,10 €/kWh: 12 €/MWh Bei Strompreis 0,15 €/kWh: 19 €/MWh Mit Ölkessel bei 0,20 €/ltr: 26 €/MWh Reine Wärmepumpen sind relativ teure Heizanlagen wegen der hohen Investitionskosten für die Kältemaschine. Sie sind nur dann rentabel, wenn eine hohe Leistungszahl εW die Energieverbrauchskosten deutlich unter die der üblichen Brennstoffheizung absenkt. Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067-6 Wärmepumpen. Im Wärmepumpenbetrieb von Kälteanlagen wird die Wirtschaftlichkeit wesentlich eher erreicht, da der Hauptanteil der Investitionskosten bereits durch den Kühlbetrieb im Sommer anfällt. Da es sich hier überwiegend um den Betrieb raumlufttechnischer Anlagen handelt, ist eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067-6 nicht möglich. Es muss vielmehr der Jahres-Energieverbrauch analog zu Abschnitt 5.6.3-4 auch für den Heizbetrieb ermittelt werden, mit unterschiedlichen Kostenbewertungen für den Rückgewinnungs- und Verschiebungsanteil und für den reinen Wärmepumpenbetrieb mit nicht genutzter Kälteleistung, die nur zur Wärmegewinnung aus der Wärmequelle dient. Ausgangspunkt für diese Wirtschaftlichkeitsberechnung ist, wie für die Kälteanlage in Abschnitt 5.6.3-2 und Abschnitt 5.6.3-4 beschrieben, der Jahresgang von Kühlleistung, Heizleistung, Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Aus letzteren ist zu ermitteln der Jahresgang der verschiedenen Leistungszahlen: εK für reinen Kühlbetrieb, εKR für Kühlbetrieb mit Wärmerückgewinnung, εW für reinen Wärmepumpenbetrieb, sowie die Leistungsanteile, die im Jahresgang auf die jeweilige Betriebsweise entfallen. Aus jeweiliger Leistung und Leistungszahl ergibt sich der Jahresgang des Energieverbrauchs und aus diesem wiederum, über die Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) des Aufstellungsortes aufaddiert, der Gesamtenergieverbrauch pro Jahr. Gleichartiger Rechengang im in Frage kommenden Außentemperaturbereich für Ölheizkessel statt Erschließung einer zusätzlichen Wärmequelle gibt die Entscheidung, ob Erweiterung der Wärmerückgewinnung zum Wärmepumpenbetrieb sinnvoll ist oder nicht.

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

5.7

2429

Regelung von Luftkühlanlagen 1) 2)

Kältemaschinen mit Schmierölkreislauf brauchen nach jedem Einschalten eine bestimmte Laufzeit, bis sich ein stabiler Betriebszustand einstellt und das beim Einschaltvorgang ausgeworfene Öl wieder zum Verdichter zurückgekehrt ist. Richtwerte für diese Mindestlaufzeit gibt Tafel 5.7-1 für kompakt zusammengebaute Kältekreisläufe, wie z. B. Wasserkühlsätze. Bei längeren Rohrleitungssystemen sind die erforderlichen Mindestlaufzeiten erheblich länger. Zusätzlich zu beachten sind die maximal zulässigen Einschaltungen des Elektromotors. Tafel 5.7-1

Schaltung von Verdichtern

Kältemaschine

Einschaltungen pro Stunde maximal

Mindestlaufzeit nach Einschaltungen Minuten

Hubkolbenverdichter (bis 50 m3/h) Hubkolbenverdichter (über 50 m3/h) Schraubenverdichter Turboverdichter

8 6 3 1

3 5 10 20

Wird diese Mindestlaufzeit über mehrere aufeinanderfolgende Ein-/Aus-Schaltungen des Verdichters nicht eingehalten, so kehrt das insgesamt ausgeworfene Öl nicht zum Verdichter zurück, Resultat ist Ölmangel. Im günstigen Fall erfolgt dann Abschaltung durch den Öldifferenzdruckschalter (Störmeldung). Ist die Laufzeit des Verdichters jedoch kürzer als die Zeit, über die der Öldifferenzdruckschalter beim Anlaufvorgang überbrückt ist (siehe Abschnitt 5.4.7-5.3), so tritt ohne jede Vorwarnung Verdichterschaden durch Ölmangel ein. Die Gefahr einer Unterschreitung der Mindestlaufzeit ist besonders groß in folgenden Fällen: a) Bei geringer Masse des zirkulierenden Kühlmediums. Verbesserung durch Erhöhen der Massenträgheit, z.B. durch Einbau eines Pufferspeichers. b) Bei zu empfindlicher, trägheitsloser Regelung, wie u.a. trägheitslose elektronische Messfühler und Systeme zu klein eingestellte Schaltdifferenzen, zu kurze Laufzeiten von Verzögerungsgliedern. c) Bei jeder Regelung der Austrittstemperatur aus dem Verdampfer (Vorlaufregelung), da dieser meistens eine sehr geringe Massenträgheit hat. d) Bei Vernachlässigung der betriebsbedingten Kälteleistungserhöhung für die kleinste Teillaststufe, siehe Abschnitt 5.6.2-2 und Abschnitt 5.6.2-3. e) Bei unkontrollierten Eingriffen seitens einer übergeordneten Gebäudeleittechnik. Bildzeichen und Kennbuchstaben der MSR-Technik siehe Abschnitt 2.1.3.

5.7.1

Regelung bei direkter Luftkühlung

Regelungstechnischer Aufwand ist abhängig von zu regelnder Kälteleistung, Massenträgheit des Regelkreises, Variationsbreite der luftseitigen Temperaturen und Anforderungen an die Verdampfer-Oberflächentemperatur hinsichtlich Entfeuchtung. Stabiles Regelverhalten ist nur zu erwarten bei Proportionalregelung mit bleibender Sollwertabweichung.

5.7.1-1

Ein-/Aus-Schaltung des Verdichters

Raum- oder Rückluftthermostat schaltet bei kleinen Leistungen (Fensterklimageräte) direkt, bei größeren Leistungen über Schaltschütz den Verdichter-Antriebsmotor ein und aus (2-Punkt-Regelung). Die entsprechend starken Schwankungen der Zulufttempe1) 2)

Ergänzungen für die 75. Auflage von Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach a. Herzberg. Pfannstiel, D.: Leicht überhitzte Kälte kühlt besser. CCI (2009), Nr. 8, S. 14. Wagner, M.; Kornmeier, G.: Energieeffiziente Regelung von dezentralen Kälteanlagen. HLH (2009), Nr. 10, S. 33–37.

5

2430

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

ratur müssen durch geeignete Luftführung und Ausnutzung von Massenkapazitäten ausgeglichen werden; in gleicher Weise Sicherstellung, dass nicht mehr als 6 Schaltungen pro Stunde erfolgen. Mindestlaufzeit des Verdichters zur Ölrückführung durch genügend große Schaltdifferenz des Thermostaten, ausreichende Trägheit durch Speichermassen oder besonderes Zeitrelais. Diese einfache Methode kann ausreichend sein bis zu Kälteleistungen von 40 kW, sie ist außerdem Grundfunktion aller weitergehenden Regelungen. Gleiche Funktionsweise haben bei Entfeuchtungsaufgaben Raum- oder Rückluft-Hygrostate.

5.7.1-2

Saugdruckregelung

Durch einen Konstantdruckregler (vgl. Abschnitt 5.4.7-3.1), auch Saugdruckregler genannt, kann ein Absinken der Verdampfungstemperatur im Verdampfer verhindert werden, z. B. bei fallenden Lufteintrittstemperaturen oder auch auch bei zunehmender Kälteleistung durch fallende Verflüssigungstemperatur (luftgekühlte Verflüssiger). Verwendung vorwiegend zur Vermeidung von Reif- und Eisansatz am Luftkühler.

5.7.1-3

Temperaturregler im Kältekreislauf

5.7.1-3.1

Thermostatisches Expansionsventil

Durch ein temperaturgesteuertes Drosselventil (thermostatisches Expansionsventil) in der Kältemittel-Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter (vgl. Abschnitt 5.4.7-3.2 ) kann die Lufttemperatur, je nach Anordnung des Temperaturfühlers Raum-, Rückluft- oder Zuluft-Temperatur, im Proportionalband des Reglers konstant gehalten werden. Schema für größere Leistungen mit Pilot- und Hauptventil (vgl. Abschnitt 5.4.7-3 ) zeigt Bild 5.7.1-1. Bei steigender Temperatur öffnet das Steuerventil und damit auch das Hauptventil, so dass die abgesaugte Kaltdampfmenge steigt. Da Leistungsanpassung des Verdichters durch Absenkung des Saugdruckes – der Verdampfungstemperatur am Verdichtereintritt – bewirkt wird, muss Einhaltung der Einsatzgrenzen, insbesondere die Druckrohrtemperatur, beachtet werden. Kühlflächentemperatur kann bei Teillast ansteigen.

Bild 5.7.1-1. Regelung der Kühlleistung bei Direkt-Verdampfern durch einen Verdampfungsdruckregler mit thermostatischem Pilotventil.

5.7.1-3.2

Elektronisches Expansionsventil

Mit der Überhitzungsregelung in Verbindung mit einem elektronischen Expansionsventil (EEV) wird der Verdampfer stets optimal befüllt. Selbst bei starken Leistungsänderungen kann die einzuspritzende Menge an Kältemittel genau dosiert werden. Dies geschieht, indem die Überhitzungstemperatur und der Verdampfungsdruck nach dem Verdampfer gemessen wird. Aus dem Verdampfungsdruck wird in Abhängigkeit des eingesetzten Kältemittels die Verdampfungstemperatur berechnet. Anhand der berechneten Temperaturdifferenz zwischen Überhitzungstemperatur und Verdampfungstemperatur und dem vorgegebenen Überhitzungs-Sollwert von 4 K wird dann das elektronische Expansionsventil verstellt (siehe Bild 5.7.1-2: Überhitzungsregelung). Die permanente

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

2431

Überprüfung und Regelung der vorgegebenen Überhitzung ist dabei der entscheidende Vorteil eines elektronischen Expansionsventils gegenüber einem thermostatischen Expansionsventil. Die Ansteuerung des EEV erfolgt mit Puls- / Pause. Die Regelung der Kältemitteleinspritzung in Verbindung mit einer minimalen Überhitzung von 4 K führt somit zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu höchst möglichen Verdampfungsdrücken. Ein niedrigerer Verdampfungsdruck bzw. eine höhere Überhitzungstemperatur beeinflusst die energetische Seite negativ, denn pro 1 K mehr Überhitzung sinkt die Verdampfungstemperatur durchschnittlich um 1 °C und die Kälteleistung nimmt um ca. 3,1 % ab. Eine optimale Verdampferleistung erfordert somit eine minimale Überhitzung, die nur mit einem elektronischen Expansionsventil und einer entsprechenden Regelung erreicht werden kann. Die Ansteuerung des FU-Verdichters erfolgt in Abhängigkeit der Leistungsanforderung und der Niederdruckregelung (siehe Bild 5.7.1-2: Leistungs- und Niederdruckregelung). Die Verdampfungstemperatur (= umgerechneter gemessener Druck, siehe Überhitzungsregelung) wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und anhand der Regelabweichung korrigiert der Regler dann die Drehzahl des Verdichters, die zudem noch vom Leistungssignal der Klimaregelung beeinflusst wird. Abgesichert ist der Verdichter zusätzlich über einen Druckschalter, der bei Unterschreitung eines minimalen Druckes den Verdichter abschaltet und dadurch schützt. Die gleiche Regelungsstrategie wird auf der Hochdruckseite zur FU-Steuerung des Verflüssigers verwendet (siehe Bild 5.7.1-2: Hochdruckregelung). Hier wird der Druck vor dem Verflüssiger gemessen, in Abhängigkeit vom Kältemittel in eine Temperatur umgerechnet und mit einer vorgegebenen Temperatur verglichen. Liegt eine Abweichung vor, so korrigiert der Regler entsprechend die Ansteuerung des Verflüssigers. Für die Regelung der Nieder- und Hochdruckseite wird jeweils ein PI-Regler eingesetzt. Weiterhin ist der Kondensator der Hochdruckseite durch einen mechanischen Druckschalter gegen Überdruck geschützt. Die Regelung der Zulufttemperatur selbst erfolgt durch die übergeordnete Klimaregelung, die nur eine Leistungsanforderung (0 bis 10 Volt-Signal) an die Regelung der Kälteanlage weitergibt.

5 Bild 5.7.1-2. Direktverdampferregelung mit elektronischem Expansionsventil (Bild: Sauter)

5.7.1-4

Leistungsregler im Kältekreislauf

Hierunter versteht man Überströmventile zwischen Saug- und Druckgasleitung des Verdichters, auch Heißgas-Beipass-Regler genannt (vgl. Abschnitt 5.4.7-3.4). Die Ansteuerung des Beipass-Ventils kann erfolgen durch den Verdampfungsdruck im Verdampfer (übliche Bauart, Regelfunktion wie Saugdruckregler), aber auch durch einen Temperaturfühler (Regelfunktion wie Temperaturregler). Das Ventil öffnet bei fallendem Saugdruck. Vorteil des Beipass-Reglers ist, dass bei Volllast kein leistungsmindernder Druckabfall durch Ventile in der Saugleitung auftritt. Das überströmende heiße Druckgas führt zu einer Erhöhung der Sauggastemperatur (Überhitzung) am Verdichtereintritt und damit zu einem Ansteigen der Druckrohrtemperatur. Um die Einsatzgrenze nicht zu überschreiten, ist fast stets eine zusätzliche

2432

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Kühlung des Sauggases erforderlich. Diese erfolgt durch Nachspritzen flüssigen Kältemittels in die Saugleitung über ein thermostatisches Expansionsventil, geregelt von der gewünschten Überhitzung des Sauggases. Schema für kleinere Leistungen mit direkt arbeitendem verdampfungsdruckgesteuertem Beipass-Ventil zeigt Bild 5.7.1-3. Kühlflächentemperatur kann bei Teillast ansteigen.

Bild 5.7.1-3. Beipass-Regelung mit thermostatischem Nachspritzventil.

Wenn die Beipass-Leitung nicht direkt in die Saugleitung geführt, sondern vor dem Verdampfer zwischen Expansionsventil und Verteilkopf angeschlossen wird, kann auf das Nachspritzventil verzichtet werden. Dafür muss die Druckgasleitung bis zum Verdampfer geführt werden. Der Beipass-Regler mit Nacheinspritzung ist auch bei Einsatz von Saugdruck- oder Temperaturreglern oft zusätzlich erforderlich, um ein Überschreiten der Einsatzgrenzen zu vermeiden. Die Regelung der Kälteleistung über einen Heißgas-Beipass-Regler bringt keine Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber dem Vollastbetrieb, da auch bei Teillast der volle Volumenstrom gegen die volle Druckdifferenz verdichtet werden muss.

5.7.1-5

Luftseitige Beipass-Regelung

Vom Thermostaten (und gegebenenfalls Hygrostaten) wird über einen stetig regelnden Stellmotor eine doppelte Luftklappe betrieben, die bei fallender Temperatur den Luftdurchtritt durch den Verdampfer drosselt und gleichzeitig einen Beipass öffnet. Die Kältemaschine würde auf die Verringerung des Verdampfer-Luftstromes mit fallender Verdampfungstemperatur reagieren, was durch einen Saugdruckregler, Schema Bild 5.7.1-4, oder besser durch eine saugdruckgesteuerte Heißgas-Beipass-Regelung verhindert werden muss. Mindestluftmenge mit Hersteller abstimmen! Verschlechtern des Wärmeübergangs und ungleichmäßige Luftverteilung beachten.

Bild 5.7.1-4. Regelung der Kühlleistung bei Direkt-Verdampfern durch Beipassklappe am Verdampfer.

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

2433

Bei dieser Regelungsart ist Klimaregelung und Kälteregelung praktisch getrennt in voneinander unabhängige Verantwortungsbereiche. Für stabiles Regelverhalten muss Strömungswiderstand im Beipasskanal etwa so groß sein wie über Verdampfer.

5.7.1-6

Regelung mit Verdampfer-Unterteilung

Wenn Verdampferfläche, Verdampfer-Luftstrom und Lufteintrittstemperatur (Umluftbetrieb) konstant bleiben, führt jede Verringerung der Verdichterleistung zu einem Ansteigen der Kühlflächentemperatur. Wenn für Entfeuchtungsaufgaben die Kühlflächentemperatur einigermaßen konstant bleiben soll, muss die Verdampferfläche bei Teillast verringert werden. Bild 5.7.1-5 zeigt ein Beispiel mit zweifacher Unterteilung des Verdampfers. Vorzugsweise über einen zweistufig quasi-proportional schaltenden Thermostaten, z. B. in der Umluft, wird bei fallender Temperatur zunächst über ein Magnetventil der Verdampfer A abgeschaltet. Das daraus resultierende Absinken der Verdampfungstemperatur wird durch den Heißgas-Beipass-Leistungsregler verhindert, Verdampferteil B hat bei der reduzierten Verdichterleistung wieder die richtige Kühlflächentemperatur. Bei weiter fallender Temperatur wird über zweiten Schalter des Thermostaten Verdichter ausgeschaltet. Genaue Berechnung der zwei oder mehr Teilverdampfer erforderlich. Energiehaushalt schlecht.

Bild 5.7.1-5. Zweiverdampferregelung bei der Luftkühlung.

5.7.1-7

Leistungsgeregelte Verdichter

Größere Verdrängungsverdichter sind heute meistens mit eingebauten Einrichtungen zur Leistungsregelung ausgestattet (vgl. Abschnitt 5.4.1).1) Ansteuerung erfolgt entweder innerhalb des Verdichters durch den Saugdruck (Leistungsverringerung bei fallendem Saugdruck) oder durch Magnetventile, die von beliebigen Messgrößen ansteuerbar sind. Bei Hubkolbenverdichtern werden einzelne Zylinder abgeschaltet, womit das geometrische Fördervolumen stufenweise um bestimmte Prozentsätze verringert wird. Bei Schraubenverdichtern stetige Reduzierung durch Schieber. Drehzahlregelung bei thermischen Antrieben üblich. Bei elektrischen Antrieben polumschaltbare Motoren fast nur für offene Verdichter, in hermetischen Verdichtern sehr selten. Drehzahlregelung für hermetische Verdichter über (statische) Frequenzwandler relativ aufwendig.2) Stufenweise Leistungsänderung auch durch Aufteilen der Gesamtleistung auf mehrere Verdichter und stufenweise Zu- und Abschaltung. Hierbei getrennte Kältekreisläufe je Verdichter mit zugehörigem Verdampfer und Verflüssiger – große Betriebssicherheit, da auftretende Störungen nur einen Teil der installierten Leistung betreffen –, oder Parallelschaltung der Verdichter auf gemeinsamen Kreislauf – hierbei höhere Leistungszahlen

1) 2)

Hagenlocher, T.: Ki (1983), Nr. 12, S. 469–471. Stenzel, A.: Ki (1988), Nr. 7–8, S. 325–328.

5

2434

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

möglich, da bei Teillast die vollen Flächen von Verdampfer und Verflüssiger bleiben. Bei Parallelbetrieb sorgfältige Planung des Kältekreislaufes erforderlich, damit Öl bei allen Betriebszuständen zu allen Verdichtern gleichmäßig zurückfließt. Anzahl der Leistungsstufen ergibt sich aus der geforderten Regelgenauigkeit unter Berücksichtigung der Massenträgheiten und des Zeitverhaltens des Regelkreises. Ansteuerung der Leistungsstufen über pneumatische, elektrische oder elektronische Stufenregler von der gewünschten Regelgröße (z.B. Raum-, Rückluft-Temperatur und/oder -Feuchtigkeit, gegebenenfalls mit Zuluft-Maximal- oder Minimal-Begrenzer).

5.7.1-8

Regelung von Temperatur und Feuchte

Wenn mit der Kältemaschine die Luft nicht nur gekühlt, sondern auch entfeuchtet werden soll, so muss die effektive luftseitige Oberflächentemperatur des Verdampfers (unter Berücksichtigung des Rippenwirkungsgrades, vgl. Abschnitt 3.3.2-4.2) unterhalb des Taupunktes liegen, der dem gewünschten Sollwert der Raumluft zugeordnet ist. Diese Forderung muss bei allen regelungstechnischen Eingriffen erfüllt bleiben (vgl. Abschnitt 5.7.1-6). Der Regelbefehl „Entfeuchten“ bedeutet Kühlbetrieb, auch wenn die Raumtemperatur bereits niedrig genug ist. Um ein Absinken der Raumtemperatur zu vermeiden, ist deshalb eine Nachheizung erforderlich. Für die Aufschaltung des Regelbefehls „Entfeuchten“ gibt es zwei Möglichkeiten: a) Der Befehl „Entfeuchten“ schaltet Kälteleistung zu, im einfachsten Falle schaltet der Hygrostat den Verdichter ein. Das dadurch bedingte Absinken der Raumtemperatur führt über den Raumthermostaten zur Einschaltung der Nachheizung. Bei Ausfall der Nachheizung sinkt die Raumtemperatur stetig ab, da mit fallender Raumtemperatur die relative Feuchtigkeit zunimmt und der Hygrostat deshalb die Kältemaschine ständig in Betrieb hält. b) Der Befehl „Entfeuchten“ schaltet die Nachheizung ein. Der dadurch bedingte Anstieg der Raumtemperatur führt über den Raumthermostaten zur Einschaltung der Kältemaschine für die Entfeuchtung. Bei Ausfall der Kältemaschine steigt die Raumtemperatur an. Da bei steigender Temperatur die relative Feuchte abnimmt, schaltet der Feuchteregler die Nachheizung wieder aus. Trotzdem wird sich wegen der fehlenden Entfeuchtungsleistung der Vorgang wiederholen, es kommt also letztlich zu einem stetigen Anstieg der Raumtemperatur. Auswahl der Schaltungsart nach Risikoabschätzung und Überwachungsmöglichkeit.

Bild 5.7.1-6. Kälteanlage mit Nachwärmung durch Kältemitteldampf.

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

2435

Luftentfeuchtung ist typisches Beispiel für sinnvolle Wärmerückgewinnung. Bei Betrieb der Kältemaschine zur Entfeuchtung steht die Verflüssigerwärme für die erforderliche Nachheizung kostenlos zur Verfügung. Deshalb Schaltung der Kälteanlage gemäß Bild 5.7.1-3, mit zusätzlichem wassergekühlten Verflüssiger zur Abführung des für die Nachheizung nicht benötigten Teils der Verflüssigerwärme. Ein Regelkreis hält die Luftaustrittstemperatur aus dem Verdampfer (Taupunkttemperatur) konstant, ein zweiter Regelkreis regelt die Wärmeabgabe am Nachheizregister. Leistungsaufteilung zwischen Nachwärmer und Zusatzverflüssiger entweder durch Stellglieder im Kältekreislauf (Bild 5.7.1-6) oder durch Regelung des Kühlmittelstroms im Zusatzverflüssiger.

5.7.1-9

Regler für Kälteanlagen

Durch die DDC-Technik ergeben sich auch bei der Regelung von Kälteanlagen neue Möglichkeiten. Kompaktregler sind durch ein Touch-Panel einfach zu bedienen und lassen sich problemlos in ein vernetztes Gebäudeautomationssystem integrieren. Es kann ein Abbild des Anlagenschemas auf dem Bedienpanel erstellt werden und alle Anlagenzustände und Messwerte können auf dem TouchPanel grafisch dargestellt werden (Bild 5.7.1-7). Über diese Bedienoberfläche können die Soll- und Stellwerte dann sehr einfach verändert werden. Durch das vollgrafische Touchpanel und der implementierten Kälteregelung muss der Kälteregler nicht zeitintensiv parametriert und aufwendig programmiert werden. Die Inbetriebnahme ist durch das menügeführte Parametrieren und durch die intuitive und übersichtlich gestaltete Bedienerführung sehr einfach. Um unbefugten Zugang zu verhindern, gibt es meist verschiedene Benutzerlevels mit Passwordschutz. Die Programmierung sowie Parametrierung kann aber auch auf einem PC mit spezieller Software erfolgen. Durch die automatische Fehlererkennung von Kältemittelmangel, Fühlerabweichungen, der Früherkennung einer Nieder- oder Hochdruckstörung sowie eines eventuellen Leistungsabfalls und einer automatischen Weiterleitung dieser Störungen ist eine hohe Anlagensicherheit gewährleistet. Bei den analogen und eigenständigen Regelungen für Kälteanlagen gibt keine oder nur wenige Informationen hin zur Gebäudeleittechnik (GLT). Wenn Störungen bei diesen Reglern gemeldet werden, so erfolgt dies meist nur über eine Sammelstörmeldung an die GLT. Aufgeschlüsselte Wartungs-, Alarm-, Fehler- oder Störmeldungen stehen der GLT bei diesen Systemen nicht zur Verfügung. Durch den Einsatz der DDC-Technik zur Kälteregelung können nicht nur alle diese Meldungen aufgeschlüsselt zur GLT hin übertragen werden, zudem können sämtliche Prozesswerte der Kälteanlage am Bildschirm der GLT vom Bedienpersonal mit beobachtet werden. Warn-, Alarm- und Störmeldungen werden auf dem Touch-Panel angezeigt und können per SMS, Fax oder Email weiter geleitet werden. Die Integration in die BACnet-Welt oder die Bedienung / Visualisierung auf Webbasis ist damit auch möglich. Weitere Features digitaler Kälteregler sind z. B.: – Zeitprogramm und Kalender: Es können separate Zeitbefehle erstellt werden. Die Parametrierung der Zeitprofile kann über die Managementsoftware bzw. über das Touch-Panel vorgenommen werden. Übergeordnet zu den einzelnen Zeitprogrammen besteht eine Jahrestabelle, welche für zwei Jahre (gerade / ungerade) ausgelegt ist und konfiguriert werden kann. – Sommer- / Winterzeit: Die automatische Umschaltung der Sommer- und Winterzeit kann mittels Parametriersoftware oder Handbediengerät abgeändert oder außer Betrieb gesetzt werden. – Historische Datenbank: Mit der historischen Datenbank können digitale und analoge Werte, d. h. Laufzeiten der Aggregate und Temperaturverläufe, gespeichert und als Trendanzeige wieder gegeben werden. Die Werte können in einer Datenbank gespeichert werden. Weiterhin besteht bei den digitalen Reglern auch die Möglichkeit noch ein Notprogramm für einen Fehlerfall zu konfigurieren und auch die Anlage im Master-Slave-Verfahren zu erweitern. Meist kann auch eine Start- oder Wiedereinschaltverzögerung oder auch eine Mindestlaufzeit für den Verdichter eingestellt werden.

5

2436

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Bild 5.7.1-7. Schaltschrank mit der Automationsstation und dem Touch-Panel (Bild: Sauter)

5.7.2

Regelung bei indirekter Luftkühlung

Die Rippenrohrsysteme für die Luftkühlung werden hierbei durch das von der Kälteanlage kommende Kaltwasser oder die Kühlsole beaufschlagt. Kaltwasserdurchfluss grundsätzlich im Gegenstrom zur Luft. Die Klimaregelung beeinflusst lediglich die Kühlleistung der Luftkühlsysteme, wobei drei Varianten möglich sind.

5.7.2-1

Kaltwasser-Mengenregelung

Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler wird bei fallender Temperatur vom Regler über ein Ventil stetig verringert, bei steigender Temperatur wieder erhöht. Bei geringem Wasserdurchsatz kommt es zu ungleichmäßiger Temperaturverteilung über den Luftdurchtrittsquerschnitt des Luftkühlers – Gefahr von unterschiedlichen Luftaustrittstemperaturen – und zu Erhöhung der für Entfeuchtung wirksamen Oberflächentemperatur. Wasserseitig zwei Schaltungsarten möglich (Bild 5.7.2-1): – Durchgangsventil mit entsprechender Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf. – Dreiwegeeventil in Misch-, seltener in Verteileranordnung, Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf vernachlässigbar gering, mit Schichtspeicher unverträglich, instabile Schichtung!

5.7.2-2

Kaltwasser-Beimischregelung

Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler wird durch eine eigene Zirkulationspumpe konstant gehalten (Bild 5.7.2-2). In diesen Kreislauf erfolgt über ein Dreiwegeventil Beimischung von Kaltwasser aus der Kaltwasser-Vorlaufleitung, stetig geregelt je nach Bedarf der Temperatur- und/oder Feuchteregelung. Temperaturverteilung über den Luftdurchtrittsquerschnitt bei allen Lastzuständen gleichmäßig. Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf wie bei der Mengenregelung mit Durchgangsventil.

5.7.2-3

Luftseitige Beipass-Regelung

Von der Temperatur- und/oder Feuchteregelung wird über einen stetig regelnden Stellmotor eine Wechsel-Luftklappe betrieben, die bei fallender Temperatur bzw. Feuchtigkeit den Luftstrom über den Kühler verringert und gleichzeitig einen Beipass-Luftstrom entsprechend öffnet (Bild 5.7.2-3). Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler bleibt bei allen Lastzuständen konstant, damit keine Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf und gleichmäßige Temperaturverteilung hinter dem Luftkühler. Luftseitig muss für gute Durchmischung der gekühlten Luft mit der ungekühlten Beipassluft gesorgt werden. Wenn bei ganz geschlossener Luftkühlerklappe auch der Kaltwasserdurchfluss abgesperrt wird, ist die entsprechende Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf zu beachten.

5.7.3 Regelung des Kaltwasserkreislaufes

2437

Bild 5.7.2-1. Kaltwasser-Mengenregelung.

Bild 5.7.2-2. KaltwasserBeimischregelung.

Bild 5.7.2-3. Regelung der Kühlleistung durch Beipassklappe am Kühler.

5.7.3

Regelung des Kaltwasserkreislaufes

Der Kaltwasserkreislauf besteht aus dem Erzeugerteil mit den Kältemaschinen-Verdampfern und dem Verbraucherteil mit den Luftkühlern, sowie den zugehörigen Zirkulationspumpen. Für den Erzeugerteil besteht die Forderung, dass der Wasserstrom durch den Verdampfer um höchstens ±10 % vom Nennwasserstrom abweichen darf. Anderenfalls sind Schwierigkeiten in der Regelung der Kältemaschinen zu erwarten, bei zu niedrigem Durchsatz besteht außerdem Einfriergefahr. Die Forderung nach konstantem Verdampfer-Wasserstrom muss also erfüllt werden bei allen durch die Klimaregelung bedingten Veränderungen im Verbraucherteil.

5.7.3-1

Kaltwasserkreislauf mit einer Pumpe

Die beiden möglichen Schaltungen bei Verwendung einer gemeinsamen Pumpe für Erzeuger- und Verbraucherteil zeigt Bild 5.7.3-1. Erfolgt die Regelung des Luftkühlers, oder auch mehrerer parallel geschalteter, über Dreiwegeventil(e), so bleibt bei richtiger Auslegung der Beipasswiderstände und der Pumpe der Kaltwasserstrom im Verbraucherteil innerhalb der zulässigen Abweichungen konstant. Damit ist die Forderung für den Verdampfer auf der Erzeugerseite ohne weitere Maßnahmen erfüllt. Erfolgt die Luftkühler-Regelung durch Durchgangsventile oder als Beimisch-Regelung nach Bild 5.7.2-2, so wird der Strömungswiderstand im Verbraucherteil um so größer, je weiter die Ventile schließen. Dementsprechend würde die Förderleistung der Zirkulationspumpe zurückgehen gemäß der Pumpenkennlinie bis zur Nullförderung bei ganz geschlossenen Ventilen. Zur Erfüllung der Forderung nach konstantem Wasserstrom durch den Verdampfer muss deshalb eine Beipass- oder Überström-Leitung geöffnet werden, wenn die Regelventile der Luftkühler schließen.

5

2438

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Bild 5.7.3-1. Schema des Kaltwasserkreislaufs bei Wasserkühlsätzen. Links: mit Durchgangsventilen, rechts: mit Dreiwegeventilen

Ansteuerung des Überströmventils meistens durch Differenzdruck zwischen KaltwasserVor- und -Rücklauf. Setzt jedoch voraus, dass Arbeitspunkt der Pumpe im steilen Teil der Kennlinie liegt. Erforderliche Druckerhöhung für vollen Stellweg des Überströmventils darf Förderleistung um nicht mehr als 10 % verringern. Gleiche Schaltung auch möglich mit mehreren Verdampfern (Wasserkühlsätzen). Bei Hintereinanderschaltung fließt voller Wasserstrom stets durch alle Verdampfer, entsprechend hoher Strömungswiderstand und Energieverbrauch der Pumpe. Bei Parallelschaltung ergibt sich bei Teillast höhere Kaltwasser-Vorlauftemperatur, da auf VorlaufSollwert gekühltes Wasser aus arbeitendem Wasserkühlsatz gemischt wird mit ungekühltem Wasser (Rücklauftemperatur) aus nicht arbeitendem. Deshalb besser parallel arbeitende Wasserkühlsätze gemeinsam mit Teillast betreiben oder die nicht arbeitende Kältemaschine(n) mit Stellklappen vom Wasserdurchfluss trennen.

5.7.3-2

Kaltwasserkreislauf mit mehreren Pumpen

Bei großen Klimaanlagen werden im Verbraucherteil häufig einzelne Pumpen für die verschiedenen angeschlossenen Zonen und Anlagen vorgesehen, die je nach Bedarf zuund abgeschaltet werden. Zur Energieeinsparung wird zunehmend im Teillastbereich auch die Kaltwasser-Umlaufmenge reduziert, z.B. durch polumschaltbare Pumpenmotoren oder Abschaltung einzelner von mehreren parallel arbeitenden Pumpen. Um bei dieser Anordnung die Forderung nach konstantem Wasserstrom durch den Verdampfer in jedem der installierten Wasserkühlsätze zu erfüllen, erhält jeder Wasserkühlsatz seine eigene Zirkulationspumpe (Bild 5.7.3-2). Diese müssen mit Rückschlagklappen ausgerüstet sein, um Rückströmung durch nicht arbeitende Verdampfer zu vermeiden. Erzeuger- und Verbraucherkreisläufe werden miteinander verbunden über einen Vorlaufverteiler und einen Rücklaufsammler, zwischen denen eine Überström-(Beipass-)Leitung die unterschiedlichen Zirkulationsmengen ausgleichen muss (Durchfluss in beiden Richtungen möglich).

Bild 5.7.3-2. Parallelschaltung von drei Wasserkühlsätzen mit separaten Verbraucherkreisläufen.

5.7.4 Regelung der Wasserkühlsätze

2439

Derartige Anlagen erfordern eine sehr sorgfältige Planung, sowohl hinsichtlich des hydraulischen Systems – Abstimmung der Anlagenkennlinien mit den Pumpenkennlinien bei allen auftretenden Betriebszuständen –, wie auch für die Regelung, hier insbesondere für die Zuschaltung der verschiedenen Wasserkühlsätze. Da sich mit jeder Zu- und Abschaltung eines Wasserkühlsatzes auch der Kaltwasserstrom auf der Erzeugerseite ändert, kann die Kaltwassertemperatur im Allgemeinen nicht mehr als Messgröße für diese Regelaufgabe dienen, da das Regelverhalten instabil wird. Besser sind eindeutige Leistungsforderungen, wie z.B. aus Außentemperatur und/oder Anzahl (und Größe) der eingeschalteten Anlagen auf der Verbraucherseite. Als Messgröße für die jeweils eingeschaltete Pumpenleistung kann z.B. die Strömungsrichtung in der Überströmleitung zwischen Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler dienen.

5.7.4

Regelung der Wasserkühlsätze

Die gewünschte Kaltwasser-Vorlauftemperatur (Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden, abgekühlten Wassers) kann nur bei stetigen Regelungen (Schieber bei Schraubenverdichtern, Dralldrossel bei Turboverdichtern, Frequenzwandler, event. Heißgas-Beipass) als Regelgröße dienen. Bei allen stufenweisen Regelungen (Zu- und Abschaltung von Verdichtern oder einzelnen Zylindern) wird Vorlaufregelung instabil, wenn nicht die Schaltdifferenz des Reglerbefehls (in K) deutlich größer ist als die durch die zugeschaltete Stufe erzeugte Abkühlung des Wasserstroms (in K). Da diese Forderung in der Praxis schwer zu erfüllen ist, erfolgt Stufenschaltung sowie Ein- und Aus-Schaltung der Verdichter meistens von der Rücklauftemperatur (Temperatur des in den Verdampfer eintretenden, von der Klimaanlage erwärmt zurückkommenden Wassers). Die gewünschte Vorlauftemperatur ergibt sich dabei aus der Temperaturabsenkung des durchgesetzten Wasserstroms durch die zugeschaltete Kälteleistung. Der Wasserstrom muss deshalb konstant sein, zulässige Abweichung ± 10 %, wenn die verlangte Vorlauftemperatur erreicht werden soll. Zu geringer Wasserdurchsatz ergibt zu niedrige Austrittstemperaturen, Einfriergefahr für den Verdampfer und über Ansprechen des Frostschutzthermostaten Störungsabschaltung der Kältemaschine. Mit zunehmender Entwicklung der Microelektronik werden seit einigen Jahren auch brauchbare Vorlauftemperatur-Regelungen geliefert. Hierbei ist besonders auf konstanten Kaltwasser-Massenstrom zu achten; eine unzulässige Verringerung kann zu sehr kurzen Verdichterlaufzeiten führen und damit ohne Vorwarnung (Frostschutzthermostat und Öldifferenzdruckschalter sprechen nicht an!) zu Verdichterschäden wegen Ölmangel. Stabilitätsverhalten der Regelung hängt auch ab von der Speichermasse des gesamten Wasserkreislaufes einschließlich Verbraucherseite. Ein Überströmventil nahe am Verdampfer kann Regelung instabil machen, da Austrittstemperatur infolge zu geringer Speichermasse sich sofort im Rücklauf (Messort) auswirkt. Deshalb Überströmventile möglichst weit vom Erzeugerkreis entfernt anordnen, um Speicherung zu vergrößern oder in der Bypass-Leitung einen Wasser(schicht)speicher einbauen. Schichttemperatur kann zum Zu- und Abschalten von Verdichtern oder einzelner Leistungsstufen genutzt werden. Die Regelungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Verdichterbauart und entsprechen weitgehend den schon in Abschnitt 5.7.1 bis 5.7.3 beschriebenen Verfahren.

5

2440

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

5.8

Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Bei kleinen Kälteleistungen – also etwa bis 50 kW – ist es üblich, Schrank-Klimageräte mit eingebauter Kältemaschine aufzustellen. Bei zentraler Luftaufbereitung mit mittleren Kälteleistungen – etwa bis 300 kW – wird der Verdampfer der Kälteanlage als Luftkühler häufig direkt in das Zentralgerät eingebaut. Kälteverdichter und Verflüssiger – meistens wassergekühlt – werden in einem separaten Kältemaschinenraum aufgestellt, um Geräuschübertragung zu vermeiden. Wasserrückkühlung des Verflüssigerkühlwassers meistens in einem Rückkühlwerk. Ein separater Maschinenraum ist bei noch größeren Leistungen sinnvoll, wenn nicht gar aus der EN 378 vorgegeben. In der Regel werden Wasserkühlsätze verwendet, sie haben einen erheblichen Platzbedarf. Die Grundsätze für Konstruktion, Herstellung, Prüfung, Aufstellung, Betrieb und Instandhaltung werden in der europäischen Norm EN 378 T1-T4 festgelegt: Teil 1 Grundlegende Anforderungen, Definitionen, Klassifikationen und Auswahlkriterien Teil 2 Konstruktion, Herstellung, Prüfung, Kennzeichnung und Dokumentation Teil 3 Aufstellungsort und Schutz von Personen Teil 4 Betrieb, Instandhaltung, Instandsetzung und Rückgewinnung. Weiterhin zu beachten ist die BGR 500 Kap. 2.35 (Berufsgenossenschaftliche Regeln. Die Hersteller haben die Maschinenrichtlinie (Masch RL 2006/42/EG) und die Druckgeräterichtlinie (Druckgeräte RL 97/23/EG 1997) einzuhalten und führen exemplarisch eine Gefahrenanalyse nach der EN 1050 (01/1997) „Leitsätze zur Risikobeurteilung“ durch. Dort legt der Hersteller fest, nach welchen Regelwerken, harmonisierten Normen und Vorschriften die Anforderungen der Richtlinie erfüllt werden. In der Betriebsanleitung, ein sehr wichtiges Dokument, verweist er auf bestehende Restgefahren. Mit dem CE-Zeichen an der Anlage und der mitgelieferten Herstellererklärung (oder Konformitätserklärung) bestätigt der Lieferant die Einhaltung der Vorgaben der Maschinen-, Druckgeräte- und Niederspannungs-Richtlinien sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV. Tafel 5.8-1

Hierarchie der Gesetze

Die Regelungen trennen die Verantwortlichkeiten des Herstellers und des Betreibers. Der Hersteller hat die europäisch harmonisierten Regelwerke einzuhalten, während der Betreiber die nationalen Betriebssicherheitsverordnungen zu beachten hat und mit der Betriebsanweisung Sorge trägt, Menschen, Umwelt und Güter zu schützen. Vor der Inbe-

5.8.1 Aufstellungsbereiche

2441

triebnahme prüft eine unabhängige Prüforganisation die Einhaltung der DruckgeräteRichtline, falls zutreffend. Der VDMA gibt das Einheitsblatt VDMA 24 020 für Kälteanlagen mit Ammoniak (Teil 1) und für nichtbrennbae Kältemittel (Teil 2) heraus, in dem die vom Betreiber zu beachtenden Gesetze und Verordnungen zusammengefasst und in Auszügen zitiert werden.1) Die DIN EN 378 definiert und begrenzt in den Aufstellungsbereichen die Ausführungsarten von Kühl- und Heizsystemen und der Kältemittelgruppen. Kältemittel sind selbst oder durch das darin enthaltenen Kältemaschinenöl wassergefährdend im Sinne des Wasserhaushaltsgesetzes (siehe Abschnitt 1.9.4) in der Fassung vom 01. März 2010. Im Abschnitt 3 §62 ist der Besorgnisgrundsatz für den Betreiber von Anlagen/Rohrleitungen festgehalten. In §23 wird auf ergänzende Regelungen durch Rechtsverordnungen hingewiesen: Anforderungen an Anlagen, Pflichten beim Errichten und Betreiben, Anforderungen an Fachbetriebe und Sachverständige. Ratsam ist, zuständige Behörde (Landratsamt) schon bei der Planung zu konsultieren. Die Kohlenwasserstoffe (Propan, Propylen, Butan) sind in Wassergefährdungsklasse WGK 0, die Kältemittel R404A, R410A, R407C sind WGK 1, R134a hat WGK 1-2 und Ammoniak WGK 2. Die Kälteträger Ethylen und Propylenglykol sind WGK 1.

5.8.1

Aufstellungsbereiche

Die Norm DIN EN 378 Teil 1 definiert drei Arten der Aufstellung von Kälteanlagen: – Kälteanlagen in einem Personen-Aufenthaltsbereich, welcher kein besonderer Maschinenraum ist. Diese Aufstellung wird als sensibel eingestuft und deshalb noch weiter eingeschränkt durch die Definition von Aufenthaltsbereichen A, B und C. – Kälteanlagen, deren Hochdruckseite in einem besonderen Maschinenraum oder im Freien aufgestellt ist – Kälteanlagen, bei der alle kälteführenden Teile in einem besonderen Maschinenraum untergebracht sind. Bereiche A, B und C, in denen die Aufstellung einer Kälteanlage die Sicherheit beeinflussen würde. sind Aufstellungsbereich A: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – in denen Personen schlafen dürfen, – in denen Personen in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind, – in denen sich eine unkontrollierte Anzahl von Personen aufhält oder zu denen jede Person Zutritt hat, ohne persönlich mit den Sicherheitsvorkehrungen vertraut zu sein;

Aufstellungsbereich B: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – in denen sich nur eine bestimmte Anzahl von Personen aufhalten darf, von denen mindestens einige mit den allgemeinen Sicherheitsvorkehrungen der Einrichtung vertraut sein müssen;

Aufstellungsbereich C: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – zu denen nur befugte Personen Zutritt haben, die mit den allgemeinen und besonderen Sicherheitsvorkehrungen der Einrichtung vertraut sind, – in denen Materialien oder Güter hergestellt, verarbeitet oder gelagert werden;

zum Beispiel: Krankenhäuser, Gerichtsgebäude oder Gefängnisse, Theater, Supermärkte, Schulen, Vortragsräume, Bahnhöfe, Hotels, Wohnungen, Gaststätten.

zum Beispiel: Büro- oder Geschäftsräume, Laboratorien, Räume für allgemeine Fabrikations- und Arbeitszwecke.

zum Beispiel: Produktionseinrichtungen, z.B. für Chemikalien, Nahrungsmittel, Getränke, Industrie- und Speiseeis, Raffinerien, Kühlhallen, Molkereien, Schlachthöfe, nicht-öffentliche Bereiche in Supermärkten.

1)

Zu beziehen bei VDMA, Kälte- und Wärmepumpentechnik, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt, Fax (069) 6603-2276.

5

2442

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

5.8.2

Kälteübertragungssysteme

In Klimaanlagen zwei Kategorien von Bedeutung: – Kältemittel durchströmt Luftkühler (Lufterhitzer bei WP): „direktes System“ – Wärmeträger (Wasser) durchströmt Kältemittel führenden Verdampfer und anschließend Luftkühler: „indirekt geschlossenes System“. Ist dieser Wasserkreis zusätzlich entlüftet: „indirekt belüftetes geschlossenes System“.

5.8.3

Kältemittelgruppen

Die Kältemittel werden in Kombinationen aus Toxizität und Brennbarkeit in 6, neu vorgesehen in 8 Gruppen klassifiziert (siehe Abschnitt 5.3.1). Die Anwendung der Kältemittel und Aufstellung der Kälteanlage richtet sich nach dem „Praktischen Grenzwert“, der angibt, wieviel kg Kältemittelfüllung je abgeschlossenem Kreislauf zulässig sind je m3 des kleinsten Raumes, in welchem das Kältemittel plötzlich und in größerer Menge freigesetzt werden könnte. In DIN EN 378-1 Anhang E sind die „Praktischen Grenzwerte“ aufgelistet. Im Anhang C dieser Norm sind die zulässigen Grenzwerte genannt, wenn sie auf die Aufstellungsbereiche A, B und C (Abschnitt 5.8.1) anzuwenden sind. Die Einschränkungen entfallen weitgehend, wenn die Kältemaschine in einem eigenen Maschinenraum oder im Freien aufgestellt wird. Der eigene Maschinenraum erfordert aber auch detailliert beschriebene Einrichtungen, um als solcher zu gelten, s. DIN EN 378-2 und 3. Nach der neu gefassten (EU) Nr. 517/2014 ändern sich die Vorgaben zur periodischen Dichtheitskontrolle von Anlagen mit HFKW. Zugrunde gelegt ist neu ein berechnetes CO2-Äquivalent aus Füllmenge multipliziert mit dem GWP-Wert. Tafel 5.8.3-1 Äquivalente Füllmenge m (t CO2)1) 2) Prüfperiode alle

1) 2)

5 t < m < 50 t

50 t < m < 500 t

500 t < m

12

6

3

Monate Monate

Mit fest install. Messst.

24

12

6

Fest install. Messstation

optional

optional

zwingend

m < 5 t CO2 äquival. und hermetische Anlagen mit m < 10 t CO2 äquivalent sind frei Ausnahmeregelung: m < 3 kg und hermetische Anlagen mit m < 6 kg frei bis 31.12.2016

Die Dichtheitsprüfung darf nur von dafür zertifizierten Personen durchgeführt werden. Zertifikation gemäß EG 303/2008. Beauftragt der Betreiber eigenes Personal für diese Kontrollarbeiten, muss auch das Unternehmen selbst zertifiziert sein und dabei den Nachweis führen, über ausreichend und dafür zertifiziertes Personal und die erforderlichen Messeinrichtungen zu verfügen. Die Zertifikation erfolgt nach vier Kategorien I: Dichtheitskontrolle, Rückgewinnung, Instandhaltung/Wartung, Installation, alle Tätigkeiten mit Eingriff in den Kreislauf II: Dichtheitskontrolle ohne Eingriff in den Kreislauf (kein Nachfüllen) Rückgewinnung, Instandhaltung/Wartung, Installation bei Anlagen mit Füllmenge m < 3 kg, bei hermetischen Anlagen mit m < 6 kg. Hermetische Anlagen müssen als solche gekennzeichnet sein. III: Rückgewinnung bei Anlagen mit Füllmenge m < 3 kg, bei hermetischen Anlagen mit m < 6 kg IV: Dichtheitskontrolle ohne Eingriff in den Kreislauf (kein Nachfüllen) Tragbare Messgeräte müssen eine Sensibilität von mindestens 5 g/a aufweisen. Sind Ursachen des erkannten Lecks bekannt, sollen diese in den Aufzeichnungen notiert werden (Verordnung EG 1516/2007). Zielgrößen von Gesamtleckraten auf ein Jahr bezogen werden für werksmontierte Kältesätze nicht genannt, für ortsmontierte Anlagen nennt das VDMA Einheitsblatt 24243 Maximalwerte des zulässigen Kältemittelverlustes auf Gesamtfüllmenge bezogen.

5.8.4 Aufstellungsvorschriften

Füllmenge maximaler Kältemittelverlust/a < 10 kg ≤3% 10–100 kg ≤2% >100 kg ≤1% Anlagen /Kältesätze mit fluorierten Treibhausgasen müssen gekennzeichnet sein: – „enthält fluorierte Treibhausgase“ mit industrieller Bezeichnung, z. B. R134a – Füllmenge in kg, ab 01.Jan.2017 zusätzlich mit Angabe des CO2-Äquivalents und des GWP – Ggf. „hermetisch geschlossen“ Der Betreiber einer Anlage, die fluorierte Treibhausgase enthält, ist verpflichtet, Aufzeichnungen zu führen und diese mindestens 5 Jahre aufzubewahren: – Menge und Art des enthaltenen fluorierten Treibhausgases, deutlich lesbar und unverwischbar – Mengen, die jeweils bei Installation, Instandhaltung/Wartung hinzugefügt wurden – Kontrollarbeiten wie Dichtheitsprüfungen mit Ergebnis – Falls erkannt, Ursachen von Leckagen – Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten mit Angaben zum beauftragten Unternehmen (Zertifikationsnummer) und zum ausführenden Sachkundigen (mit Zertifikationsnummer) – Angaben über Recycling/Aufarbeitung fluorierter Treibhausgase aus der jeweiligen Anlage mit Adresse und Zertifikationsnummer des Recycling-/Aufarbeitungsunternehmens. – Bedienungsanleitungen müssen weitere Informationen einschließlich des relativen Treibhauspotentials enthalten Der Hersteller oder Verkäufer einer Anlage, die HFKW enthält, hat genaue Angaben zur Füllmenge bereitzustellen, wird diese erst am Aufstellungsort vervollständigt, ist die Gesamtmenge im Kreislauf maßgebend. Zur Abschätzung der Füllmengen hat die britische DEFRA (Department for Environment, Food and Rural Affairs, 01.Jan.2007) Richtwerte in Form von kg Kältemittel/ kW Kälteleistung publiziert: Verdampfer: berippte Luftkühler 0,2 … 0,35 kg/kW Trockenexpansionsverdampfer, Rohrbündel 0,15 … 0,25 kg/kW Überflutete Rohrbündel 0,4 … 0,7 kg/kW Plattenapparate als Flüssigkeitskühler 0,3 … 0,5 kg/kW Zu Rieselfilmverdampfer keine Angaben, als erste Schätzung die Werte der Rohrbündelverflüssiger verwenden, dazu der bedeutende Inhalt der Rohrleitungen und Staumengen im Rezirkulationssystem Verflüssiger luftgekühlte 0,1 … 0,17 kg/kW wassergekühlte Rohrbündelapparate 0,15 … 0,25 kg/kW wassergekühlte Plattenapparate 0,15 … 0,25 kg/kW Verdunstungsverflüssiger 0,2 … 0,35 kg/kW Verdichter Scroll 0,02 kg/kW Hubkolben 0,05 kg/kW Schrauben 0,075 kg/kW Turbo 0,01 kg/kW Dazu kommen der Inhalt von Sammlern und Abscheidern, Flüssigkeitsleitungen, Hochund Niederdruckrohrleitungen.

5.8.4

Aufstellungsvorschriften

Aufstellungsbereich A (Abschnitt 5.8.1) hat die stärksten Einschränkungen bei einem direktem System, Betrieb eines Kühlaggregates im Personenbereich. Sonderregelungen gelten für Komfortklimageräten (Wand-, Fenster-, Deckengeräte) mit Kältemitteln A2 oder A3. Füllmengen unter 150 g sind auch für Kältemittel A3 frei. Größere Mengen sind mit dem Wert der unteren Explosionsgrenze zu berechnen, Teil 1 Anhang C3.

2443

5

2444

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Bei Kälteanlagen in einem eigenen Maschinenraum mit indirektem System (Wasser als zwischengeschaltetes Medium) sind die Füllmengen für A1, A2 und B2 nicht eingeschränkt (bei A2 und B2 ist eigener Ausgang ins Freie und keine direkte Verbindung zum Personenverkehrsbereich vorausgesetzt). Weiter zu beachten sind bei Kältemittel der Gruppe A3 Einschränkungen auch bei eigenem Maschinenraum, wenn dieser im Unter- oder Obergeschoss sein soll. Entsprechend der möglichen Gefährdung von Personen, der Umwelt und/oder von Gütern sind die in den Aufstellungsbereichen (A, B, C nach Abschnitt 5.8.1) zulässigen Füllmengen der Kältemittel (L1, L2, L3 nach Abschnitt 5.8.3 ) eingeschränkt. Es wird nach drei Aufstellungsbedingungen der Kälteanlage unterschieden: Aufstellung direkt im Bereich A, B oder C; Aufstellung des Hochdruckteiles (Verdichter, Verflüssiger, Sammler) in einem eigenen Maschinenraum oder im Freien; Aufstellung der kompletten Kälteanlage in einem eigenen Maschinenraum oder im Freien. Zudem wird unterschieden nach den Kälteübertragungssystemen (Abschnitt 5.8.2). Nach dieser Auffächerung der Bedingungen sind die zulässigen Kältemittelmengen zu ermitteln.

5.8.5

Maschinenraum

Die Tafel 5.8.5-1 gibt Mindestabmessungen der Aufstellungs- und Maschinenräume an. Der Flächenbedarf für Rückkühlwerke ist etwa doppelt so groß. Siehe auch VDI 3803:1986-11. Alle Kältemaschinenräume müssen Lüftungseinrichtungen haben, um zu hohe Raumtemperaturen und bei Kältemittelverlusten eine zu hohe Konzentration an Dämpfen zu verhindern. Die DIN EN 378-3 nennt in Abhängigkeit von der Kältemittelfüllung G folgende Mindestwerte: Bei mechanischer Lüftung · V = 50 · m2/3 (m3/h) m = Masse der Kältemittel-Füllmenge in kg Die Füllmenge muss der Lieferant der Kälteanlage nennen (Kennzeichnungspflicht), Richtwerte in Abschnitt 5.8.3. G = Füllgewicht kg der größten Kälteanlage im Maschinenraum. · V = Volumenstrom m3/h Das Füllgewicht G muss bei jeder Anlage berechnet werden. Richtwerte etwa: bei Kolbenverdichtern 0,5…0,05, bei Turboverdichtern 1,0…0,40 kg/kW-Kälteleistung, je nach Größe der Leistung. Tafel 5.8.5-1 NennKälteleistung kW

Geräte mit Rohrbündelapparaten, A und H (s. Bild 5.8.5-1) Geräte-Baulänge A in m mit Verdichter

Geräte-Bauhöhe H in m mit Verdichter

Schrauben

Turbo

Schrauben

Turbo

100

2,7

–

1,1

-

250

2,7 … 3,6

2,5 … 3,5

1,1 …2,1

2 … 2,1

500

2,7 … 3,7

3,6 … 4,3

1,7 … 2,3

2 … 2,1

1000

3,6 … 4,8

3,5 … 4,8

1,9 … 2,3

2 … 2,4

1500

4,7 … 4,9

4,3 … 5,2

2,1 … 2,6

2 … 2,7

2000

4,9

4,4 … 6,4

2,2 … 2,6

2,2 … 2,7

Luftabsaugung in Fußhöhe, weil die HFKW-Kältemittel schwerer als Luft sind (bei Ammoniak Absaugung oben, da leichter als Luft). Die Maschinenraumbelüftung muss auch in der Lage sein, die durch normale Antriebsmotoren entwickelte Wärme abzuführen, ohne dass eine Raumtemperatur von 40 °C überschritten wird. In kritischen Fällen emp-

5.8.5 Maschinenraum

2445

fiehlt sich Verwendung von wassergekühlten Motoren oder von Standardmotoren mit angebautem Luftkühler. Der Maschinenraum sollte möglichst im Erdgeschoss des Gebäudes an einer Außenwand liegen. Das erleichtert die Einbringungen, was insbesondere bei werksmontierten Wasserkühlsätzen von Bedeutung ist, und ergibt kurze Wege für Be- und Entlüftung und für die Sicherheits-Abblaseleitung. Bei der Anordnung der Kältemaschinen im Raum beachten: Gute Zugänglichkeit von allen Seiten erleichtert Wartung und eventuelle Reparaturen. Die Hersteller geben in Fundament- und Aufstellungsplänen Mindestmaße an. Beispielsweise muss Platz vorhanden sein, um mit Reinigungsbürsten hantieren und notfalls Verflüssigerrohre nach einer Seite hin ausbauen zu können. Hinreichende Raumhöhe zur Anbringung von Hebezeugen oberhalb der Maschinen ist ebenfalls wichtig (s. Tafel 5.8.5-1 und Bild 5.8.5-1).

Bild 5.8.5-1. Kältezentrale mit Wasserkühlsatz.

Zur Vermeidung von Körperschallübertragung ist Aufstellung von Verdichtern und Wasserkühlsätzen auf schwingungs- und geräuschdämmender Unterlage nötig. Flexible Wasseranschlüsse und elastische Rohraufhängung sind aus den gleichen Gründen zweckmäßig. Verkleidung der Wände und der Decke mit schallabsorbierendem Material kann in besonderen Fällen notwendig sein. Bezüglich Energie- und Wasserversorgung gilt folgendes: Die normale Betriebsspannung für Verdichterantriebe ist 220/400 V. Bei größeren Antriebsleistungen kann die Verwendung von Hochspannungsmotoren wirtschaftlich günstiger sein.1) Als Normspannungen kommen dann 6 und 10 kV in Frage. Für Lithiumbromid-Wasser-Absorptionssätze (siehe Abschnitt 5.5.3-5) müssen als Heizmittel entweder Heißwasser von 80…150 °C oder Dampf von 1…2 bar abs. geliefert werden. Das zur Wasserersparnis notwendige Rückkühlwerk soll möglichst im Freien, in der Regel auf dem Dach, aufgestellt werden; die Kühlwasserpumpen werden zusammen mit den Kaltwasserpumpen im Maschinenraum aufgestellt. Unterbringung des Rückkühlwerks im Gebäude, z.B. in einem separaten Keller, ist möglich, aber umständlich. Immerhin sind pro kW Kälteleistung ca. 130…170 m3/h Luft zu- und abzuführen, wenn die üblichen Nenntemperaturen – Abschnitt 5.4.8-2 – zugrunde gelegt werden. Belästigungen

1)

Böttcher, C.: VDI-Berichte Nr. 136, 1969, S. 35–42. Böttcher, C.: Kältetechn. Klimatisierung (1968), Nr. 7, S. 215–218.

5

2446

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

der Nachbarschaft durch Geräusche und Sprühverluste! Frischwasserbedarf des Kühlturms siehe Abschnitt 5.4.8-3. Der Maschinenraum ist mit einer Entwässerung auszurüsten, jedoch ist der Abfluss verschließbar oder kontrolliert ableitbar zu machen, weil Kältemittel selbst oder die in ihnen gelösten Kältemaschinenöle als wassergefährdend eingestuft sein können. Raumheizung zur Vermeidung von Einfriergefahr bei stehender Anlage ist einzubauen.

5.8.6

Geräuschentwicklung1)

Zur Berechnung des Schalldruckpegels im Maschinenraum, in benachbarten Räumen oder – bei Aufstellung im Freien – vor den Fenstern benachbarter Gebäude ist es notwendig, den Schalleistungspegel der Geräuscherzeuger zu kennen. Bild 5.8.6-1 gibt Richtwerte für den A-bewerteten Schalleistungspegel LWA von Kälteverdichtern, bezogen auf die Kälteleistung bei den in der Klimatechnik üblichen Nennbedingungen für die Wasserkühlung. Die zusätzliche Geräuschentwicklung elektrischer Antriebsmotoren liegt innerhalb des Toleranzfeldes der Angaben, die höhere Geräuschentwicklung thermischer Antriebe muss separat ermittelt und addiert werden.

Bild 5.8.6-1. Richtwerte des Schalleistungspegels LWA für Kälteverdichter, abhängig von der · Kälteleistung Qo bei Kaltwassersatz-Nennbedingungen: Kaltwasseraustritt 6 °C, Kühlwasseraustritt 32 °C. Mittelwerte von zahlreichen Fabrikaten. Genauigkeit ±5 dB. Der getriebelose halbhermetische Turboverdichter Turbocor fällt völlig aus dem Rahmen: im Bereich 250…2500 kW liegt der Schallleistungspegel bei 75 dB.

Bild 5.8.6-2 gibt Richtwerte für den A-bewerteten Schalleistungspegel LWA von Ventilatoren in Rückkühlwerken und luftgekühlten Verflüssigern. Die hier gegebenen Richtwerte beziehen sich auf den Betrieb im Punkt des optimalen Wirkungsgrades bei ungestörter Zu- und Abströmung der Luft. Bei Störungen (Wirbelbildungen) des Luftstromes und bei Abweichung vom Optimalpunkt können Pegelzunahmen bis zu 10 dB auftreten. Berechnung der Schalldruckpegel nach Regeln der Akustik unter Berücksichtigung von Absorption, Reflexion, Messortabstand, Richtwirkung. Beachten, dass Schallleistung der einzelnen Verdichter und/oder Ventilatoren getrennt zu ermitteln und akustisch zu addieren ist (z.B. zweite Schallquelle gleicher Schalleistung ergibt Pegelzunahme um 3dB). Akustische Berechnung zeigt, ob und in welchem Umfang Maßnahmen zur Schalldämmung und/oder Schalldämpfung erforderlich werden. Schalldämpfung in der Regel teuer, daher Grenzwerte überlegt vorgeben. Rückwirkung auf Luftmengenstrom (Kühltürme) beachten.

Bild 5.8.6-2. Richtwerte des Schallleistungspegels LWA für Ventilatoren, abhängig von Luftvolumenstrom und Gesamtdruckdifferenz. Mittelwerte über verschiedene Fabrikate und Bauarten bei Betrieb im Wirkungsgrad-Optimum. Genauigkeit ±5 dB. 1)

Preisendanz, K.: KKT (1981), Nr. 1, 5 S. Hartmann, K.: KK (1984), Nr. 3, S. 88.

6.1.1 Was versteht man unter Energiekonzepten?

6

2447

ENERGIEKONZEPTE Bedarfsanalyse an Wärme-, Kälte-, elektr. Strom für ein Gebäude als Lastganglinien; Temperaturniveaus, Heizen, Kühlen, Lüften, Beleuchten, Nutzungsstrom Diskussion der Lastganglinien und der Einfluss auf die Energiekonzeption

6.1

Allgemeines1)

6.1.1

Was versteht man unter Energiekonzepten?

Ganzheitliche Energiekonzepte sind in aller Regel ein zentraler Bestandteil von nachhaltigen Gebäuden. Für die Meisten ist klar, dass mit der klassischen sequentiellen Planung, bei der sämtliche Planungsbeteiligte in ihren festen Aufgabenbereichen verharren, keine Synergien und keine ganzheitlichen Energiekonzepte mit innovativen, gewerkeübergreifenden und trotzdem wirtschaftlichen Lösungen entwickelt werden können. Die Wenigsten wissen jedoch, dass auch mit der seit Jahren gepredigten und trotzdem noch nicht überall umgesetzten integralen Planung ebenfalls noch nicht alle Möglichkeiten für die Erarbeitung von ganzheitlichen und nachhaltigen Energiekonzepten ausgeschöpft werden. Sowohl die sequentielle als auch die integrale Planung beziehen den gesamten Lebenszyklus bzw. das Wissen über den gesamten Lebenszyklus einer Immobilie nicht in ausreichendem Maße mit ein. Zu selten sind Planer in der Vergangenheit mit dem Betriebsführungs-, Energie- und Facility Management-Know-how von Gebäuden und Anlagen konfrontiert gewesen. Üblicherweise haben sich Architekt und Fachplaner nach der erfolgreichen Abnahme eines Gebäudes verabschiedet und kommen höchstens noch bei eventuell später aufgedeckten Baumängeln zum Projekt hinzu. Somit ist relativ wenig Betriebs-, Energie- und Facility Management-Wissen in die Planung und Energiekonzeption von Gebäuden geflossen. Ganzheitliche Energiekonzepte sollten jedoch im späteren Betrieb das halten, was mit ihnen einmal versprochen wurde. Im Umkehrschluss floss auch relativ wenig Konzeptwissen von der Konzeption und Planung in den späteren Betrieb von Gebäuden. Die Energiekonzepte sind höchstens noch den Planern bekannt. Die späteren Betreiber der Immobilie wissen oftmals nicht, wie sich die Energiekonzeptler den späteren Betrieb einmal vorgestellt haben, bzw. welche energetischen Kniffe das Gebäude und die Anlagen bieten würden. Ein ganzheitliches Energiekonzept beinhaltet somit nicht nur alle erforderlichen Planungsdisziplinen, es ist auch über den Lebenszyklus einer Immobilie zu entwickeln und zu integrieren, damit das Wissen aus den frühen Planungsphasen auch im späteren Betrieb angewendet werden kann. Mit einer Nutzungsdauer von 40 bis 80 Jahren für Neubauten und Sanierungen ist der Lebenszyklus eines Gebäudes einer der maßgeblichen Einflussgrößen. Daher ist nach der integralen Planung als weiterer Evolutionsschritt eine ganzheitliche Energiekonzeption entlang des gesamten Lebenszyklus zu entwickeln. Im englisch sprachigen Raum wird diese Art der Planung Life Cycle Engineering genannt. Bild 6.1.1-1 zeigt die Entwicklung im Planungsbereich von der sequentiellen über die integrale Planung zum Life-CycleEngineering. Durch das steigende Interesse der Öffentlichkeit an ökologischen, nachhaltigen Lösungen sind in den letzten Jahren viele Rahmenbedingungen geschaffen worden, die den Einsatz von energiesparenden Techniken und nachhaltigen Produkten im Immobilienbereich unterstützen. Grundlage sind hierbei nationale, europaweite und internationale Gesetze, Verordnungen, Normen und Richtlinien, die Standards für die Energieeffizienz 1)

Neu erstellt für die 77. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Michael Bauer, Stuttgart.

KÖPFE recknagel-online.de

6

2448

6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

und den Ressourcenschutz bei Gebäuden und Anlagen vorgeben. Da Gesetze und Normen aufgrund ihrer Entstehung und Erarbeitung jedoch immer nur den Mindeststandard darstellen, spiegeln sie nicht das tatsächlich erreichbare energetische und ressourcenschonende Potenzial wider, das heute unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen in der Baubranche möglich wäre. Genau hier setzen ganzheitliche Energiekonzepte an. Mit Energiekonzepten wird aufgezeigt, welcher hohe Komfort, welche optimale Nutzungsqualität und welcher minimierte Energieaufwand bei einer möglichst klima- und ressourcenschonende Energieerzeugung und Bauweise unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erreicht werden und wie diese Qualitäten über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes beibehalten oder optimiert werden können.

Bild 6.1.1-1. Von der sequentiellen Planung über die integrale Planung zum Life-Cycle-Engineering

6.1.1-1

Inhalte von Energiekonzepten?

Unter ganzheitlichen Energiekonzepten versteht man konzeptionelle Überlegungen, Auslegungen, Berechnungen, Beratungen, Planungen und Lösungen zu allen energierelevanten Bereichen. Die ganzheitliche Betrachtungsweise für das Energiekonzept folgt dem Weg der Bedarfsentwicklung. In Gebäuden beeinflusst ein Energiekonzept folgende Bereiche: – Optimaler winterlicher und sommerlicher Wärmeschutz – Natürliche Lüftung – Natürliche Beleuchtung – Ausnutzung der passiven Solarenergie – Effiziente bedarfsorientierte Raumklimasysteme zum Heizen, Kühlen, Lüften und Beleuchten, die nur so viel Energie dem Raum zuführen, wie für die optimale Nutzung erforderlich ist • z.B. Niedertemperaturheiz- und Hochtemperaturkühlsysteme • z.B. Maschinelle Lüftungssysteme, wo notwendig, die möglichst natürliche Auftriebsströmungen nutzen, sogenannte Schichtenströmungen oder Quellluftströmungen • z.B. Speichersysteme mit thermisch aktiven Bauteilen, die natürliche Kühlpotenziale wie die kühle Nachtluft für die Kühlung am Tage speichern können – effiziente Beleuchtung, die tageslichtabhängig geregelt wird – energieeffiziente Erzeugungssysteme, die möglichst regenerative Energiequellen nutzen, • z.B. Geothermie, Solarthermie, Photovoltaik, Freie Kühlung – energieeffiziente Erzeugungssysteme, die einen möglichst hohen Nutzungsgrad haben, • z.B. Kraft-Wärme-Kopplung, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Wärmerückgewinnung. Neben den thermischen, tageslichttechnischen, lufttechnischen und energetischen Fachinhalten werden in einem Energiekonzept folgende Leistungen bearbeitet: – Grundlagenermittlung für die energiekonzeptrelevanten Bereiche – Beratungen, Variantenuntersuchungen, Wertanalysen und Grobauslegungen zum thermischen, tageslichttechnischen, lufttechnischen und energetischen Verhalten von

6.1.1 Was versteht man unter Energiekonzepten?

Fassade, Gebäudehülle, Raumklima- und Raumbeleuchtungssystemen, Energieverteilsystemen und Energieerzeugungssystemen – Simulationsrechnungen zur ganzheitlichen Optimierung des thermischen, tageslichttechnischen, lufttechnischen und energetischen Verhalten von Fassade, Gebäudehülle, Raumklima- und Raumbeleuchtungssystemen, Energieverteilsystemen und Energieerzeugungssystemen – Simulationsrechnungen zur Bewertung der erreichbaren Nutzungsqualität, wie z.B. Raumlufttemperaturen, Oberflächentemperaturen, Raumluftfeuchte, Luftqualität, Beleuchtungsstärken und Leuchtdichteverteilung – Simulationsrechnungen oder Energieaufwandsberechnungen nach VDI 2067 für den Energieaufwand für Heizen, Kühlen, Lüften und Beleuchten für die verschiedenen Konzeptvarianten – Wirtschaftlichkeitsberechnungen zu den konzeptionellen Varianten z.B. nach VDI 2067 einschließlich der vergleichsrelevanten Investitionskosten, der Energiekosten auf Basis der Energieaufwandsberechnungen, der Kosten für Instandsetzung, Inspektion, Wartung und Bedienung – CO2-Bilanzen für die verschiedenen Konzeptvarianten – Energie-Ziel- und Kennwertekatalog abgeleitet aus der ausgewählten Energiekonzeptvariante mit Vorgaben und Kennwerten für alle gebäude- und anlagentechnischen Bereiche, als Basis für die weitere Planung – Erstellen eines Messkonzepts zur späteren Überprüfung der Energieeffizienz im späteren Betrieb übergreifend, aber auch detailliert bis auf Anlagen- und Komponentenebene – Überprüfen und Nachhalten des Energiekonzepts während der Planungsphase – Ausschreiben der energiekonzeptrelevanten Inhalte als Basis für die spätere Bauausführung – Überprüfen und Nachhalten des Energiekonzepts während der Bauausführung durch Kontrolle der eingebauten Komponenten und Systeme – Qualitätssicherung während der Bauausführung der energiekonzeptrelevanten Regelungen und Steuerungen durch Emulation – Mitwirken bei der Inbetriebnahme, auch Commissioning genannt, im Hinblick auf die energiekonzeptrelevanten Inhalte – Inbetriebnahme des Messwerterfassungskonzepts bereits zur Inbetriebnahme zur Überprüfung der energetischen Qualität der Systeme, Anlagen und Komponenten unter Einbezug des Energie-, Ziel- und Kennwerte-Katalogs – Aufsetzen eines Energiemonitoring- und Energiemanagementsystems für eine fortlaufende Energieoptimierung im Betrieb. Hierzu dienen die fortgeschrieben Simulationsmodelle aus der Planungsphase zum Bilden von Referenzwerten und Benchmarks. – Fortlaufendes Energiemonitoring und Energiemanagement für einen nachhaltigen Betrieb Ein ganzheitliches Energiekonzept beinhaltet somit neben den fachlichen Inhalten auch einen ganzheitlichen Ansatz von der ersten Konzeption bis zur Umsetzung über den gesamten Lebenszyklus einer Immobilie. Basis eines ganzheitlichen Energiekonzepts ist eine fundierte Grundlagenermittlung, bei der mit dem Bauherrn/Nutzer die Anforderungen in den einzelnen Aufenthaltsbereichen besprochen und festgelegt werden. Neben den üblich abgefragten Raumtemperaturen sind hier durchaus auch lokale Komfortanforderungen z. B. für fensternah angeordnete Arbeitsplätze abzufragen. Anforderungen an den visuellen Komfort, die Luftqualität und die Nutzungszeiten ergänzen den Anforderungskatalog. Auch die Anforderungen an die Akustik als raumflächenbeeinflussende Größe sollte im Rahmen des Energiekonzepts mit abgefragt werden. Neben den Nutzungsanforderungen können auch andere Randbedingungen die Konzeptfindung beeinflussen und den wirtschaftlichen Rahmen von Gesamtkonzepten verändern. Sehr oft sind beim Kauf von Grundstücken städtebauliche Verträge mit der Kommune vorgegebenen, in denen eine festformulierte Unterschreitung der aktuellen Energieeinspargesetzte gefordert wird. Somit sind auch solche Anforderungen in der Grundlagenermittlung zu erfassen. Die Optimierung dieses Gesamtsystems Nutzung, Klima, Bauphysik, Fassade, Raumklimasystem, Er-

2449

6

2450

6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

zeugungssystem kann nach verschiedenen Bewertungskriterien vorgenommen werden. Vorrangig sind meist wirtschaftliche Interessen. Heute werden jedoch zunehmend auch energiesparende Aspekte berücksichtigt, da sie direkten Einfluss auf die Betriebskosten haben.

6.1.2

Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

6.1.2-1

Fassade und Nutzenübergabe des Raumklimasystems

Eine der wesentlichen Schnittstellen bei nachhaltigen Gebäuden und somit ein Hauptaugenmerk bei Energiekonzepten ist diejenige zwischen Fassade und Raumklimatechnik. Sie ist maßgebend für den Komfort in den Nutzungsbereichen und damit für die Zufriedenheit der Nutzer. Zudem ist sie zu einem großen Teil auch für die Energieeffizienz des Gebäudes verantwortlich. Energetische Qualitäten, die von der Fassade nicht geleistet werden können, müssen in der Regel durch eine aufwändigere Raumklima- und Gebäudetechnik kompensiert werden. Daher ist dem richtigen Vorgehen bei der Konzeption dieser Schnittstelle größte Aufmerksamkeit zu widmen. Ausgangspunkt bei der Konzeption sind die Anforderungen des Nutzers an seine unmittelbare Umgebung. Diese werden entgegen der landläufigen Meinung durchaus konkret in Form von Oberflächentemperaturen in der unmittelbaren Umgebung, von Lufttemperaturen, Luftfeuchten, Luftgeschwindigkeiten, Beleuchtungsstärken und Leuchtdichteverteilungen usw. formuliert. Dem Energiekonzept-Ingenieur obliegt es daher in einem ersten Schritt, die thermischen und lufttechnischen Anforderungen an die Nutzung, die erforderliche Luftqualität und Belichtung mit dem am Planungsstandort vorherrschenden Klima und mit den Eigenschaften einer möglichen Fassade mittels einer Bilanz zu überprüfen. Bei Wohn- und Bürogebäuden wird er feststellen, dass in Mitteleuropa die Wärmebilanz in den Wintermonaten nicht geschlossen werden kann. Das bedeutet, die natürlichen, passiven Energie- und Wärmeeinträge durch die Sonne und die inneren Wärmequellen durch die Nutzung reichen nicht aus, um den Anforderungen des Nutzers an den thermischen Komfort zu genügen. Es muss in der Regel zusätzlich geheizt werden. Aus dieser Unterdeckung können die Funktionen abgeleitet werden, die eine Raumheizanlage erbringen muss, um die Anforderungen an den thermischen Komfort zu erfüllen. Durch die Variation der Gebäudehülle können die erforderlichen Funktionen der Raumheizanlage auf bestimmte Werte optimiert werden. Dies gilt nicht nur im Hinblick auf die erforderliche Heizlast, um die geforderte Raumtemperatur einzuhalten. Es kann auch der Einfluss lokaler Oberflächentemperaturen auf den thermischen Komfort analysiert und beeinflusst werden. Dem Energiekonzept-Ingenieur obliegt es dann zu entscheiden, ob eventuell zu niedrige Oberflächentemperaturen durch einen höheren Wärmedämmstandard oder durch eine gezielt wirkende Raumheizanlage vermieden werden. Diese Methodik ist auf sämtliche Bereiche der Raumklimatechnik, der Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung anwendbar. Hierzu sind die Anforderungen an die Nutzung in vollem Umfang über das gesamte Jahr zu formulieren, um die erforderlichen Funktionen der Anlagentechnik im Raum konkret ableiten zu können. Die Funktion der Anlagentechnik, Wärme, Kälte, Luft und Licht so zu übergeben, dass die Raumlufttemperatur, die Oberflächentemperaturen, die Raumluftfeuchte, die Luftgeschwindigkeiten, die Luftqualität, die Beleuchtungsstärken und die Leuchtdichteverteilung nach den zeitlichen und örtlichen Vorgaben der Nutzer als eigentlicher Nutzen auftreten, wird Nutzenübergabe genannt. Analog zum Heizfall werden auch für den Kühlfall die Anforderungen an den thermischen Komfort in Form von Oberflächen- und Lufttemperaturen, Raumluftfeuchten sowie Luftgeschwindigkeiten formuliert. Die Wärmebilanz für Wohn- und Bürogebäude in Mitteleuropa zeigt, dass an Tagen mit hoher äußerer Kühllast und hohen inneren Wärmequellen die Anforderungen an die Luft- und Oberflächentemperaturen häufig nicht eingehalten werden können. Der Wärmeüberschuss führt zur Überwärmung der Räume. Der Energiekonzept-Ingenieur muss gemeinsam mit dem Planungsteam analysieren, ob die höheren Luft- und Oberflächentemperaturen durch einen besseren sommerlichen Wärmeschutz oder durch eine gezielt wirkende Raumkühlanlage zu vermeiden sind.

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

2451

Analog können für die Bereiche Lüftung und Beleuchtung die auf der Grundlage der Anforderungen formulierten Funktionen der raumwirkenden Anlagen herausgearbeitet werden. Die aus dieser Betrachtungsweise abgeleiteten Funktionen für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung dienen als „Pflichtenheft“ für die zu konzipierenden Raumklimasysteme und sind gemeinsam mit der Konzeption der Fassade ein wesentlicher Inhalt eines ganzheitlichen Energiekonzepts. Die integrale Abstimmung zwischen Fassadenqualität und Raumklimasystemen ist ein wesentliches Element für behagliche Arbeitsplätze und damit zufriedene Mitarbeiter. In aller Regel ist der Nutzer nicht bereit, Behaglichkeitsdefizite zu akzeptieren. Er versucht vielmehr, durch eine entsprechende Betriebsweise der Raum-Anlagentechnik ein behagliches Raumklima wiederherzustellen. Daher führen konzeptionell erzeugte Behaglichkeitsdefizite im späteren Betrieb zu einem relevanten Energiemehraufwand, der durch ein ganzheitliches funktionierendes Energiekonzept vermieden werden kann.

6.1.2-2

Konzeption von Raumklimasystemen

Heizen Die Nutzenübergabe bei Raumheizsystemen ist ein wesentlicher Bereich, wenn es gilt, zukünftig Energie einzusparen. Heizsysteme sind in Mitteleuropa und in den meisten Industriestaaten aufgrund des Außenklimas in fast allen Gebäuden erforderlich. Unzulänglichkeiten bei der Übergabe von Raumwärme an die Nutzer werden meist durch einen höheren Energieaufwand im späteren Betrieb erkauft. Aufgrund des mittlerweile sehr guten Wärmeschutzes liegt der Fokus bei der Beheizung von Gebäuden heute nicht mehr auf der verfügbaren Heizleistung. Diese ist bei richtig ausgelegter Heizungsanlage stets genügend vorhanden. Es geht vor allem um eine möglichst bedarfsgerechte Bereitstellung von Raumwärme. Mit den Raumheizsystemen muss sichergestellt werden, dass die Wärme örtlich und zeitlich entsprechend den Nutzungsanforderungen übergeben wird. Es ist z.B. darauf zu achten, dass die inneren Wärmequellen und die passive Sonnenenergienutzung einen größtmöglichen Beitrag zum Erwärmen der Räume leisten. Um dies zu erreichen, müssen heutige Raumheizsysteme einschließlich der Raumregeleinrichtungen flink reagieren können und damit eine möglichst geringe Trägheit aufweisen. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass die Heizsysteme mit niedrigen Temperaturen betrieben werden. Einerseits wird dadurch die Regelfähigkeit positiv beeinflusst, andererseits kann der Energieaufwand für die Verteilung aufgrund der geringeren Wärmeabgabe der Rohrleitungen deutlich reduziert werden. Zudem werden niedrige Heiztemperaturen stets als sehr behaglich empfunden. Neben den örtlichen Vorgaben an ihr thermisches Umfeld werden von den Nutzern auch zeitliche Anforderungen an die Raumzustände gestellt. Die wohl bekannteste zeitliche Vorgabe ist die Nachtabsenkung, bei der eine niedrigere Raumtemperatur in der Nacht gefordert wird. Während eine Nachtabsenkung bzw. -abschaltung in den Bürogebäuden hauptsächlich aus Energiespargründen angestrebt wird, sind es im Wohnbereich oftmals Behaglichkeitsgründe, z. B. niedrige Raumtemperaturen im Schlafzimmer. Wichtig sind neben dem Absenken hauptsächlich die Wiederaufheizvorgänge, mit denen zu Beginn der Nutzungszeit die behaglichen Raumzustände wiederhergestellt sein müssen. Wie Raumheizsysteme mit einer bedarfsgerechten Nutzenübergabe aussehen können, wird anhand des Bürogebäudes der VHV-Gruppe in Hannover gezeigt. Die Fassade besteht aus einer Dreifachverglasung mit außenliegendem Sonnenschutz sowie einem hoch gedämmten Paneel mit dem U-Wert von 0,7 W/m2 K. Die Raumheizung besteht aus einer thermisch aktivierten Decke für die Grundlast und aus Randstreifen-Temperierelementen als Heizdecken mit Raumreglern für die Spitzenlast. Die Vorlauftemperatur für die thermisch aktivierte Decke beträgt im Heizfall maximal 28 °C und für die Randstreifen-Temperierelemente maximal 35 °C. Durch die Kombination aus Grundlast- und Spitzenlastsystem ist eine bedarfsgerechte Nutzenübergabe gegeben. Die träge thermisch aktivierte Decke wird so gesteuert, dass die Oberflächentemperatur der Decke max. 2 bis 3 K über der Raumlufttemperatur liegt. Die Randstreifen-Temperierelemente werden über die Raumregler unstetig geregelt und sind somit in der Lage, kurzfristig auftretende Wärmequellen für Heizzwecke zu nutzen und eine Überwärmung der Räume zu vermeiden. Über die Raumregler hat zudem jeder Nutzer oder jede Nutzergruppe im Großraum eine individuelle Eingriffsmöglichkeit und kann seine eigene Wohlfühltemperatur einstellen.

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Bild 6.1.2-1. Bürogebäude VHV Hannover von BKSP, Architekten, Raumklimasystemschnitt mit Randstreifen-Temperierelement

Kühlen Die Nutzenübergabe von Raumkühlsystemen kann analog wie die von Raumheizsystemen betrachtet werden, mit dem Unterschied, dass der Wärmefluss umgekehrt ist. Bei der Auslegung von Raumkühlsystemen sind daher ebenfalls die Energiebilanz im Raum und die lokalen Oberflächentemperaturen auf der Basis der Nutzungsanforderungen zu berücksichtigen. Die wesentlichen Energieeinträge sind die Einstrahlung durch die Sonne und die inneren Wärmequellen durch Personen, Beleuchtung und Maschinen. Da Kühlung einen hohen Energieaufwand erfordert, ist darauf zu achten, den Kühlaufwand durch bauliche Maßnahmen zu minimieren, um dadurch den maschinellen Einsatz auf ein Minimum zu reduzieren. Aufgrund des in den letzten Jahren stetig gestiegenen Wärmeschutzes geben die Gebäude bei niedrigen Außentemperaturen in der Nacht weniger Wärme ab. Die inneren Wärmequellen führen daher heutzutage in Bürogebäuden in Mitteleuropa sehr schnell zu einer Überwärmung der Räume, sodass oftmals bei Außentemperaturen von mehr als 26 °C maschinell gekühlt werden muss. Die Reduzierung dieser Wärmequellen und die Optimierung der Fassade hin zu einem möglichst geringen Wärmeeintrag bei optimaler Tageslichtnutzung sind daher maßgebliche Ziele von ganzheitlichen Energiekonzepten. Mittlerweile wird bereits über eine Kühlung im Wohnbereich nachgedacht, da auch Wohngebäude häufig sehr gut gedämmt sind und nachts bei niedrigen Außentemperaturen kaum mehr Wärme abgegeben. Dies ist im Hinblick auf Energieeinsparung kontraproduktiv und aufgrund der in Mitteleuropa niedrigen Temperaturen in der Nacht auch nicht erforderlich. Wohngebäude können auch heute noch so gebaut werden, dass sie keinen Kühlaufwand erfordern. Die Höhe des Kühlaufwands ist abhängig von der Sonneneinstrahlung, der Größe und Transparenz der Fassade und der inneren Wärmequellen. In anderen Klimaregionen, z.B. in Wüsten oder Subtropenregionen, sind die Außenbedingungen teilweise so weit von den Anforderungen im Raum entfernt, dass der Kühlaufwand von der Konditionierung der Außenluft abhängt. Gekühlt wird entweder über kühle Oberflächen im Raum oder über gekühlte Luft. Aufgrund der geringeren Wärmekapazität von Luft im Vergleich zu Wasser ist der Energieaufwand beim Kühlen mit Luft jedoch größer als beim Kühlen mit Wasser. Bei Energiekonzepten sollte daher darauf geachtet werden, dass die Funktionen „Kühlen“ und „Lüften“ im ersten Schritt getrennt voneinander behandelt werden. Kühlflächen sind so anzuordnen, dass sie möglichst effizient überschüssige Wärmestrahlung aufnehmen können. Ideal werden Kühlflächen daher an der Raumdecke positioniert, da der Kopf die höchste Oberflächentemperatur und damit höchste Wärmeabgabe aufweist. Die Wärme des Kopfes wird von der Kühlfläche an der Decke aufgenommen, was von den Nutzern stets als sehr behaglich bewertet wird. Eine andere Möglichkeit, Kühlflächen anzuordnen, bietet der Fußboden in unmittelbarer Nähe zur Fassade. Die durch die Fassade eindringende Sonneneinstrahlung kann hier direkt absorbiert und durch den gekühlten Boden abtransportiert werden, bevor die Wärme wieder dem Raum zugeführt wird. Dieses Prinzip ist erfolgreich in der Jahrhunderthalle in Bochum realisiert und in Bild 6.1.2-2 dargestellt. Der aufgrund der Dachverglasung erhebliche Sonnenenergieeintrag wird über die Fußbodenkühlung abgeführt. Neben der direkten Abfuhr von Wärme über den Boden oder der behaglichen Wärmeabfuhr über die Decke

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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kann die Energieeffizienz über die Größe der wärmeübertragenden Fläche analog zum Heizsystem optimiert werden. Je größer die wärmeübertragende Fläche, desto mehr kann die Betriebstemperatur nahe der Raumtemperatur gewählt werden. Man spricht hierbei auch von einem Hochtemperaturkühlsystem, wobei bei Büronutzung Kühltemperaturen von ca. 18 bis 20 °C ausreichend sind. Durch diese relativ hohen Betriebstemperaturen können regenerative Energiesysteme optimal eingebunden werden. Speziell beim Kühlen kann auch das Außenklima für eine ressourcensparende Konzeption genutzt werden. Beim gemäßigten mitteleuropäischen Klima liegen die Lufttemperaturen in der Nacht in der Regel unter 18 °C, sodass dieses Kühlpotenzial über einen Tag-NachtSpeicher genutzt werden kann. Dies funktioniert über in der Decke oder im Boden eingelegte Kühlleitungen. Man spricht hierbei von thermisch aktiven Bauteilen (TAB). Durch die Speichermasse der Bauteile wird durch die Nachtkühlung ein Kühlpotenzial eingelagert, das am Tag für Kühlfunktionen zur Verfügung steht. Da das Heizen und das Kühlen nach den gleichen Prinzipien funktioniert, liegt es nahe, die gleichen Flächen sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen zu nutzen. Hierdurch werden lange Laufzeiten für die Systeme und damit eine hohe Wirtschaftlichkeit erzielt. Besondere Beachtung erfordert hier natürlich die Regelungstechnik, da die Raumregler und -ventile im Winter bei zu niedrigen Solltemperaturen öffnen und im Sommer bei zu niedrigen Temperaturen schließen müssen, und das meist mit unterschiedlichen Regelparametern. Bei Heizund Kühlflächen, die eine hohe Speicherkapazität aufweisen, ist aufgrund der Trägheit eine Regelung nicht empfehlenswert, da die Änderung der Solltemperatur auf der Basis der Regelgröße zu lange dauert. Derartige Systeme, wie thermisch aktive Decken, werden daher gesteuert, nicht geregelt, wobei die Steuerung so auszulegen ist, dass die Oberflächentemperatur nicht mehr als 2 bis 3 K von der Raumtemperatur abweicht. Nur so kann eine Überwärmung oder Unterkühlung der Räume vermieden werden.

Bild 6.1.2-2. Schnitt durch die Jahrhunderthalle in Bochum. Architekten: Petzinka Pink Technologische Architektur ®, Düsseldorf

Lüften Das Lüften von Gebäuden beschreibt den Luftaustausch von Raumluft durch Außenluft, wobei die Außenluft je nach Nutzungsanforderungen vor dem Eintritt in den Raum behandelt, d.h. gefiltert, erwärmt, gekühlt, befeuchtet, entfeuchtet oder gereinigt wird. Mit der in den Raum einströmenden Luft sollen nutzungsbedingte Stofflasten wie Gerüche, Schadstoffe, CO2 usw. aus dem Raum geführt werden. Die Stofflasten rühren von verschiedenen Stoffquellen her, die nutzungsbezogen zu analysieren sind. So sind in Kantinen und Speisesälen die eingebrachten Speisen als Stoffquellen zu betrachten, die Essensgerüche emittieren. In Industriebetrieben sind Produktionsmaschinen Stoffquellen, bei denen je nach Prozess Geruchsstoffe oder sogar Schadstoffe emittiert werden. In Büros stellen Menschen durch ihre Ausdünstungen Stoffquellen dar, ebenso Möbel und Computer, die diverse Stoffe emittieren. Durch das Lüften wird versucht, diese Stofflasten im Raum zu verdünnen und abzuführen, damit eine hygienisch einwandfreie und der Gesundheit zuträgliche Luftqualität im Raum vorhanden ist. Das Lüften wird auch zur Abfuhr von Wärmequellen, also zum Kühlen eingesetzt. Hierbei strömt die kühlere

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Außenluft in den Raum ein und wärmere Raumluft strömt aus dem Raum ab. Die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Raumluft sowie der Luftstrom beeinflussen die Kühlleistung. Ähnlich wie beim Heizen und Kühlen ist auch für das Lüften eine Energie- und Massenbilanz zu erstellen. Hierbei wird aufgezeigt, welche Stoffe im Raum emittiert werden und wie viel Außenluft zugeführt werden muss, um die Stofflasten aus dem Raum abzuführen. Die hierfür erforderliche Lüftungslast ist durch eine ausreichende Lüftung zu erbringen. Die einfachste Art des Lüftens ist die natürliche Lüftung über zu öffnende Fenster. Die Außenluft tritt hierbei durch das geöffnete Fenster oder Fassadenelement in den Raum ein. Je nach Fenstergröße, Fenstertyp, Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Raumluft und in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Fassade strömt mehr oder weniger Außenluft in den Raum ein und Raumluft aus dem Raum ab. Bei natürlicher Lüftung ist dieser Luftstrom nur schwer einstellbar, da sich die Bedingungen ständig ändern. Zudem führen tiefe Außenlufttemperaturen schnell zu Zugerscheinungen im fassadennahen Bereich. Unter ökologischen Aspekten ist ein natürliches Lüftungskonzept zwar grundsätzlich sinnvoll, da hierbei der Stromaufwand für eine maschinelle Lüftung eingespart werden kann. Bei hohem Außenluftwechsel und niedrigen Außenlufttemperaturen können große Luftströme bei natürlicher Lüftung nicht ohne Zugerscheinungen in den Raum eingebracht werden. Des Weiteren treten bei extremen Außentemperaturen im Winter und im Sommer erhebliche Energieverluste auf, da bei einer Fensterlüftung keine Wärmerückgewinnung möglich ist. Daher ist für diese Zeiträume eine maschinelle Lüftung mit effizienter Wärmerückgewinnung zu empfehlen. Im Rahmen der Energiekonzepte ist daher genau zu prüfen, ob das Potenzial der Wärmerückgewinnung größer ist als der Stromaufwand für die maschinelle Lüftung. Dann nämlich ist eine Kombination aus natürlicher Lüftung in den Übergangszeiten und maschineller Lüftung in den Extremzeiten im Winter und im Sommer anzustreben. Man spricht dann von einem hybriden Lüftungskonzept. Bei den raumlufttechnischen Anlagen gibt es für die Nutzenübergabe im Raum drei Kriterien: – die Luftführung im Raum, – der Lufttransport zwischen Außenlufteintritt im Gebäude und Zulufteintritt im Raum und – die Luftbehandlung zum Erwärmen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Filtern und Reinigen. Mit der Konzeption der Luftführung im Raum werden im Energiekonzept die Weichen für eine energieeffiziente und effektive Belüftung des Raums gestellt. Bei der Luftführung im Raum werden grundsätzlich drei Strömungsformen unterschieden: – Mischströmung, – Verdrängungsströmung und – Schichtenströmung. Bei der Mischströmung wird die Zuluft über Drallluftdurchlässe, Schlitzluftdurchlässe oder Weitstrahldüsen hochinduktiv in den Raum geführt Bild 6.1.2-3. Über die Induktion wird die Zuluft schnell mit der Raumluft vermischt, sodass eine nahezu komplette Durchmischung der Raumluft stattfindet. Die Raumluftbedingungen sind bei dieser Strömungsform daher überall im Raum nahezu gleich. Bei der Verdrängungsströmung wird die Zuluft so in den Raum eingebracht, dass die Luftströme, die durch Stoffquellen oder Wärmequellen verursacht werden, verdrängt werden. Dieses Prinzip wird z.B. in Reinräumen bei der Fertigung von Siliziumplatten eingesetzt. In den meisten Fällen wird hier die Zuluft seitlich zugeführt, um die Schmutzpartikel in der Luft gezielt durch eine Art Kolbenströmung aus dem Raum zu verdrängen Bild 6.1.2-4. Bei der Schichtenströmung wird die Zuluft so in den Raum geführt, dass der durch die Wärmequellen verursachte natürliche Auftrieb genutzt wird, um im Aufenthaltsbereich eine stabile Luftschicht mit den erforderlichen Anforderungen zu erzeugen. Hierbei wird die Zuluft in aller Regel im Aufenthaltsbereich oder in unmittelbarer Nähe zum Aufenthaltsbereich eingebracht. Um hier Zugerscheinungen zu vermeiden, hat die Zuluft sehr geringe Luftgeschwindigkeiten von 0,2 bis 0,4 m/s.

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

Bild 6.1.2-3. Mischströmung in einem Büroraum

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Bild 6.1.2-4. Verdrängungsströmung mit Luftstrom

Vorteil dieser Strömungsform ist, dass die Wärmequellen und Stoffquellen durch den eigenen Auftrieb aus dem Aufenthaltsbereich geführt werden. Daher eignet sich diese Strömungsform vor allem für Räume, in denen die Höhe des Aufenthaltsbereichs im Vergleich zur Raumhöhe gering ist. Der Lüftungsaufwand kann dadurch erheblich verringert werden, da nur noch der Aufenthaltsbereich und nicht der gesamte Raum gezielt belüftet wird, z.B. in Messehallen, Vortragssälen, Flughafenterminals, Hallen usw. Da die Zuluftgeschwindigkeiten niedrig sind, führt diese Strömungsform auch in Büroräumen zu einem behaglicheren Raumklima. In Büroräumen erstreckt sich jedoch der Aufenthaltsbereich fast auf die gesamte Raumhöhe, daher sind die energetischen Vorteile im Vergleich zu einer Mischströmung nicht mehr so ausgeprägt wie in hohen Räumen. Im Rahmen des Energiekonzepts sind abgeleitet von der Nutzung, den Anforderungen an die Nutzung, den räumlichen Gegebenheiten und den Anforderungen an die Luftqualität das Luftführungskonzept im Raum zu entwickeln und in Varianten gegenüberstellend zu vergleichen. Praxisbeispiel: Landesmesse Stuttgart Wesentliche Anforderung für die Nutzenübergabe bei Messehallen ist es, bei uneingeschränkter Flexibilität und Versorgungssicherheit ein für Messeaussteller und Besucher zufriedenstellendes Raumklima zu schaffen. Üblicherweise werden hierzu die Messehallen von der Decke aus über Drallluftdurchlässe nach dem Mischströmungsprinzip beheizt, gekühlt und belüftet. Aufgrund der Hallenhöhe ist der Aufwand sehr hoch, um die konditionierte Zuluft von der Decke zugluftarm in den Aufenthaltsbereich zu führen. Bei der Landesmesse geht man daher einen anderen Weg und setzt konsequent auf die Schichtenströmung. Die Zuluft wird im Kühlfall, und der ist bei der Messenutzung aufgrund der hohen inneren Wärmequellen vorherrschend, in den Aufenthaltsbereich eingeschichtet. Hierzu befinden sich je zwei Schichtlüftungsdurchlässe im Bereich der Eingangstore, die über kurze Lufttransportwege von den Lüftungszentralen im darunter liegenden Versorgungskanal versorgt werden. Das innovative und für Messehallen in dieser Größenordnung noch nie eingesetzte Lüftungsprinzip wurde im Rahmen des Energiekonzepts mit Simulationsrechnungen entwickelt und in Modellversuchen im Maßstab 1 : 1 weiter optimiert. Wesentliche Fragen waren hierbei, ob mit dem Lüftungsprinzip auch 70 m breite Messehallen ausreichend belüftet werden können und ob die Luftgeschwindigkeiten im behaglichen Bereich bleiben. Es zeigte sich, dass durch diese Lüftungskonzeption im Vergleich zu ähnlichen, modernen Messen der erforderliche Zuluftstrom um ca. 30 % gesenkt werden kann. Dadurch können für den gesamten Ausstellungsbereich Lüftungsanlagen mit einer Gesamtluftmenge von 1 Mio. m3/h eingespart werden. Trotzdem wird ein höherer Komfort im Aufenthaltsbereich erreicht als in vergleichbaren Messehallen, die von oben nach dem Mischlüftungsprinzip belüftet werden. Die Optimierung ermöglicht zudem den wirtschaftlichen Einsatz von Wärmerückgewinnungsanlagen mit Rückwärmzahlen von über 80 % aufgrund der hohen Ablufttemperaturen. Durch die ganzheitliche Optimierung mit Schichtlüftungsprinzip, Wärmerückgewinnung und zentraler Konzeption mit Eisspeicher konnte die Heizungs- und Kältetechnik im Vergleich zu anderen Messen um ca. 40 % reduziert werden. Neben der Ökonomie profitiert natürlich auch die Ökologie von einer derartigen Konzeption. Pro Jahr werden 1.130 Tonnen CO2 eingespart. Das entspricht ungefähr dem jährlichen Schadstoffausstoß von 220 Einfamilienhäusern. Ein weiteres wichtiges Krite-

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

rium für eine energieeffiziente Konzeption der Nutzenübergabe bei der Lüftung ist der Lufttransport zwischen Außenlufteintritt ins Gebäude und dem Zulufteintritt in den Raum. Versteht man diesen Weg nicht als Luftverteilung, sondern wirklich als Lufttransportweg, für den Energie aufgewendet werden muss, und auf dem zudem noch Luft über Leckage verloren geht, so liegt nahe, dass der hierfür einzusetzende Aufwand so gering als möglich gehalten werden sollte. Bei der Energiekonzeption ist daher darauf zu achten, dass der Außenlufteintritt ins Gebäude möglichst nahe bei den mit Zuluft zu versorgenden Räumen sein sollte. Die einfachste Lösung ist unter dieser Betrachtungsweise die natürliche Lüftung über Fenster, da hier die Luft direkt in den Raum einströmt. Muss die Außenluft jedoch irgendwie behandelt werden, ist eine Anlagentechnik erforderlich, die entweder zentral, semidezentral oder dezentral anzuordnen ist. Bei der zentralen Anordnung ist der Aufwand für den Lufttransport in der Regel am größten, da meist über ein verzweigtes Luftkanalnetz konditionierte Zuluft zu den verschiedenen Räumen transportiert werden muss. Da der am weitesten entfernte Raum den maximal erforderlichen Druck vorgibt, muss dieser Druck an allen anderen Zuluftdurchlässen heruntergedrosselt werden. Der Energieaufwand ist daher entsprechend hoch. Aufgrund der zentralen Konzeption muss die Lüftungsanlage immer dann betrieben werden, wenn auch nur ein einzelner Raum Zuluft anfordert. Eine raumweise individuelle Zuluftkonditionierung oder eine individuelle Abschaltung ist bei der zentralen Lösung nur mit größerem anlagentechnischem Aufwand zu erreichen. Im Rahmen von Energiekonzepten wird daher in der Regel eine Trennung der mit maschineller Lüftung versorgten Bereiche vorgenommen. Dadurch können die Bürobereiche, die sich an der Fassade befinden und über Fenster belüftet werden können, in der Übergangszeit im Frühjahr und im Herbst von der maschinellen Lüftung abgeschaltet werden. So kann der Lüftungsaufwand auf die Extremzeiten und auf die Bereiche reduziert werden, die gebäude- und nutzungsbedingt maschinell belüftet werden müssen. Großer Vorteil dieser Konzeption ist, dass es nur eine zentrale Anlage gibt, an der mit sehr geringem Aufwand die Wartung, Inspektion und Bedienung vorgenommen werden kann. Die Alternative zur zentralen Lüftung ist die maschinelle Lüftung mit kleinen Raumlüftungsgeräten, die so genannte dezentrale Lüftung. Bei der dezentralen Lüftung wird jeder Raum, jede zweite Achse oder jede Achse mit einem dezentralen Lüftungsgerät ausgestattet. Die Lüftungsgeräte können hierbei mit verschiedenen Funktionen ausgestattet werden. Im Gegensatz zur zentralen Lüftung kann der Lufttransport auf ein Minimum reduziert werden, da die Außenluft direkt am Raum angesaugt und behandelt wird. Durch die dezentrale Konzeption kann jeder Nutzer individuell entscheiden, ob er mit konditionierter Luft versorgt werden möchte oder nicht. Aufgrund der langen Übergangszeiten im mitteleuropäischen Klima gibt es lange Zeiten, in denen der Betrieb der dezentralen Lüftungselemente eigentlich nicht erforderlich ist. Des Weiteren ist der Druckverlust in den dezentralen Geräten aufgrund der minimierten Transportwege um ein Vielfaches geringer als bei zentralen Anlagen, wodurch der Energieaufwand deutlich reduziert werden kann. Beide Aspekte zusammen führen zu einem Energieeinsparungspotenzial von ca. 20 bis 40 % gegenüber zentralen Lüftungskonzepten. Nachteilig bei dezentralen Anlagen ist der deutlich höhere Aufwand für die Wartung und Inspektion. Daher sind bei heutigen Bauvorhaben und den aktuellen Energiepreisen dezentrale Lüftungen nur dann wirtschaftlicher, wenn die Einsparungen beim Bauvolumen aufgrund des minimierten Lufttransports der Schaffung von neuem Büro- oder Nutzraum zu Gute kommen. Beispielsweise können bei hohen Häusern mit geringen Geschosshöhen durch Wegfall der Installationsbereiche für die Lüftungsleitungen mehr Geschosse bei gleicher Gebäudehöhe realisiert werden. Die einfachste Art der dezentralen Lüftung ist ein Außenluftdurchströmungselement ohne Ventilator und ohne weitere Luftbehandlungsfunktionen. Die Abluft wird entweder direkt im Raum oder mit Überströmung an der Flurtrennwand im Flur über ein Abluftkanalnetz mit zentralem Abluftventilator abgesaugt. Jeder Nutzer kann durch Öffnen oder Schließen des Elements beeinflussen, ob er mit Außenluft versorgt wird oder nicht. Diese Konzeption ist sozusagen eine erste Evolutionsstufe zur Fensterlüftung. Sie ist sehr einfach und daher kostengünstig. Der Nutzer hat jedoch keinen Einfluss auf die einströmende Lufttemperatur, die immer der Außenluft entspricht. Des Weiteren ist wie beim Fensterlüften keine Wärmerückgewinnung möglich. Die Lüftungselemente werden entweder in den Hohlraumboden oder in die Fassade integriert. Bild 6.1.2-5 zeigt die unterschiedlichen Lüftungskonzeptionen. Je nach Anforderung an das Raumklima können diese Elemente mit Luftbehandlungsfunktionen ergänzt werden,

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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um die Außenluft zu erwärmen, zu kühlen, zu entfeuchten usw. Bei schwankenden Druckverhältnissen an der Fassade, z.B. bei Hochhäusern ohne doppelschalige Fassade, kann es zudem erforderlich werden, einen Zuluftventilator zu integrieren, der eine ausreichende Luftzufuhr gewährleistet. Mit dem steigenden anlagentechnischen Aufwand steigen natürlich auch die Kosten für eine derartige Anlage. Grundsätzlicher Nachteil einer Konzeption mit dezentralen Zuluftelementen und zentraler Abluft ist ein erhöhter Aufwand für die Wärmerückgewinnung, die nicht wirtschaftlich sinnvoll integriert werden kann. Der Abluftvolumenstrom kann zwar über einen Wärmeübertrager entwärmt werden, das Ablufttemperaturniveau ist jedoch nicht so hoch und der Verteilaufwand immens. Alternativ kann der Abluftstrom noch mit einer Wärmepumpe entwärmt werden, um ein höheres Temperaturniveau für die Einspeisung zu erreichen. Die hohen Kosten für die Wärmerückgewinnung ermöglichen jedoch auch bei steigenden Energiepreisen kaum eine Wirtschaftlichkeit. Dezentrale Lüftungskonzepte sollten daher die Möglichkeit einer Wärmerückgewinnung im dezentralen Lüftungselement bieten, sodass neben der Zuluft auch die Abluft durch das Element geführt wird. Derartige Lösungen erfordern ein höchstes Maß an Integration der Raumlufttechnik in die Fassade, und zwar bereits zu einem sehr frühen Planungszeitpunkt. Vorteil dieser Konzeption ist eine hoch effiziente Wärmerückgewinnung je Lüftungselement, gepaart mit einer individuellen Bedienung durch den Nutzer, der das Lüftungselement ein- oder ausschalten kann und die Zuluft entsprechend seiner Vorstellungen regeln kann. Unter den Aspekten von ganzheitlichen Energiekonzepten ist dies daher sehr empfehlenswert. Nachteilig sind die teilweise noch hohen Kosten aufgrund des größeren anlagentechnischen Aufwands. Zudem handelt es sich stets um Individuallösungen, die an das jeweilige Gebäude oder den Fassadentyp angepasst werden müssen und nur zu geringen Stückzahlen in der Fertigung führen. Das dritte Kriterium bei der Nutzenübergabe ist die Luftbehandlung im Lüftungsgerät. Je nach Anforderung ist die Außenluft zu erwärmen, zu kühlen, zu befeuchten, zu entfeuchten, zu filtern und zu reinigen. Für die verschiedenen klimatechnischen Prozesse ist darauf zu achten, dass die Anforderungen an die Zuluft mit möglichst geringem Energieaufwand erfüllt werden. Auch hier ist eine bedarfsgerechte Regelung oder Steuerung unumgänglich.

Bild 6.1.2-5. Übersicht über die unterschiedlichen Lüftungskonzeptionen

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Konzeption der Energieerzeugung

Grundsätzlich müssen nahezu alle Gebäude mit Strom, und je nach lokalen Klimabedingungen und Nutzungsanforderungen auch mit Wärme und Kälte versorgt werden. Meist wird die Wärme durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas im Gebäude selbst erzeugt. Strom wird in der Regel von einem Energieversorger geliefert und oftmals auch für die Kälteerzeugung genutzt. Wachsendes Umweltbewusstsein, Liberalisierung der Energiemärkte, steigende Energiepreise und attraktive Fördermaßnahmen führen dazu, dass auch andere regenerative Energieerzeugungskonzepte erprobt und entwickelt werden. Sehr viele der regenerativen Energiequellen können heute wirtschaftlich genutzt werden. Bei ihnen wird Primärenergie im Vergleich zu den herkömmlichen Konzepten weit effizienter ausgenutzt. Sie sollten somit in keinem Variantenvergleich eines Energiekonzepts fehlen.

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Aufbauend auf der gemeinsamen Entwicklung von Fassade und Nutzenübergabe-Raumklimasystem ist der Einfluss der Fassaden- und Raumklimakonzeption auf die Energieerzeugung zu berücksichtigen. Ähnlich der Schnittstelle Fassade-Raumklimasystem gibt es eine ebenso wichtige konzeptionelle Verbindung zwischen Raumklimasystem und Energieerzeugung. Nur wenn man es schafft hier ein aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem zu entwickeln, wird ein niedrigerer Energieverbrauch und eine hohe Energieeffizienz erreicht. Gehen wir nochmal konsequent den Weg der Bedarfsentwicklung ausgehend von den Anforderungen der Nutzung und dem lokalen Klima über die energetischen Qualitäten der Fassade zum bedarfsorientierten Raumklimasystem mit optimaler Nutzenübergabe hin zu einer darauf abgestimmten Energieerzeugung, die einen möglichst hohen Anteil an wirtschaftlich einsetzbarer regenerativen Energien haben soll. Folgende regenerative Energiequellen stehen zur Verfügung: – Sonne – Erdwärme – Außenluft – Grund- und Oberflächenwasser – Wind – Biomasse Speziell die regenerativen Quellen Sonne, Erdwärme, Außenluft sowie das Grund- und Oberflächenwasser stehen in der Regel bezogen auf eine energetische Nutzung in Gebäuden auf einem wärmetechnisch sehr niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung. Für eine ganzheitliche Energiekonzeption ist daher beginnend von der Fassade über das Raumklimasystem bis zur Energieerzeugung darauf zu achten, dass das Betriebstemperaturniveau beim Heizen möglichst niedrig und das Betriebstemperaturniveau beim Kühlen möglichst hoch ist. Nur dann können die regenerativen Energiequellen wirtschaftlich genutzt werden. Um dies zu erreichen muss der sommerliche und winterliche Wärmeschutz möglichst gut sein. Zudem müssen die wärmeübertragenden Flächen der Heiz- und Kühlsysteme im Raum, aber auch z.B. die Erhitzer und Kühler der raumlufttechnischen Anlagen möglichst groß sein. Nur durch große Wärmeübertragungsflächen reichen im Winter niedrige Betriebstemperaturen zum Heizen und im Sommer hohe Betriebstemperaturen zum Kühlen. Für Bürogebäude ist anzustreben, dass die maximalen Betriebstemperaturen beim Heizen bei ca. 30 bis 35 °C liegen. Zum Kühlen von Bürogebäuden sollten minimale Betriebstemperaturen von 18 °C ausreichen. Nur bei diesen Bedingungen ist ein wirtschaftlicher Einsatz der regenerativen Energiequellen wirtschaftlich sinnvoll, und diese Betriebstemperaturen lassen sich nur erreichen, wenn die Vorkette Fassade, Raumklimasystem daraufhin entwickelt wird. Auch bei der Wärme- und Kälteerzeugung wird angestrebt, dieselbe Anlagentechnik im Sommer für den Kühlbetrieb und im Winter für den Heizbetrieb einzusetzen. Durch die langen Laufzeiten im Winter wie im Sommer ist somit eine hohe Wirtschaftlichkeit gegeben, die im Rahmen von Energiekonzepten aufgezeigt werden kann. Sonnenenergie Sonnenenergie kommt auf der Erde in sehr unterschiedlicher Form vor. Die Sonnenenergie kann direkt über Solarkollektoren zur Wärmeerzeugung oder zur Stromerzeugung genutzt werden. Thermische Solarkollektoren bestehen im Wesentlichen aus einem Absorber und einem wärmegedämmten Gehäuse, das auf der Vorderseite transparent ausgeführt ist. Durch den Einsatz von hoch effizienten Materialien wie einer Vakuumdämmung, einer Gasfüllung oder selektiven Absorbern können die Kollektoren an die unterschiedlichsten Anforderungen angepasst werden. Die Anwendung umfasst den Niedertemperaturbereich unter 50 °C für die Schwimmbadwassererwärmung, den Mitteltemperaturbereich (50 bis 100 °C) für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung und den Hochtemperaturbereich über 100 °C für die Prozesswärme der Industrie. Für den Niedertemperaturbereich werden meist kostengünstige nicht abgedeckte Absorber verwendet. Im Mitteltemperaturbereich wird der Absorber selektiv ausgeführt und mit einer Glasscheibe abgedeckt. Zur Minderung der hohen Wärmeverluste werden im Hochtemperaturbereich Vakuumröhrenkollektoren oder eine zweifach Abdeckung eingesetzt. Für einen wirtschaftlichen Einsatz der Sonnenergie ist hier ebenfalls wieder die gesamte Vorkette mit sehr gutem winterlichen Wärmeschutz und effizientem Raumklimasystem zu berücksichtigen.

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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Bei den Photovoltaik-Zellen wird das Sonnenlicht nicht in Wärme, sondern in elektrischen Strom umgewandelt. Dabei wird Silizium in mono- und polykristalliner und amorpher Form eingesetzt. Es wird aus Kristallblöcken geschnitten und weist einen hohen Wirkungsgrad von rund 14 bis 18 % auf. Die Entwicklung geht jedoch in Richtung des amorphen Siliziums, da es durch Aufdampfen auf ein Trägermaterial großflächig und damit kosten- und materialsparend hergestellt werden kann. Der Wirkungsrad liegt zwischen 5 und 7 %.

Bild 6.1.2-6. Glasabgedeckte Flachkollektoren und Folienkollektoren zur Trinkwassererwärmung

Bild 6.1.2-7. Photovoltaik-Kollektoren zur Stromerzeugung

Sonnenenergie als Antrieb zur Kälteerzeugung Die Technik der solaren Kühlung hat sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. Der Reiz dieses Systems besteht darin, dass die Zeiten des Kühlbedarfs mit den Zeiten des höchsten Solarangebots zusammenfallen. Für die Umwandlung der Solarwärme in Kälteenergie stehen im Wesentlichen drei Verfahren zur Verfügung: – Absorption, – Adsorption und – sorptionsgestützte Klimatisierung. Absorption Die Absorptionskälteanlagen sind seit Langem bewährt und haben sich besonders in der Tieftemperaturkälte bis –60 °C durchgesetzt. Bei diesen niedrigen Temperaturen wird Ammoniak als Kältemittel eingesetzt. Bei normalem Temperaturniveau über 5 °C in der Klimatechnik wird Wasser und Lithiumbromid verwendet. Da beim Absorptionsprozess rund 140 % Wärme für die Umwandlung in 100 % Kälte eingesetzt werden, sollte unter energetischen Gesichtspunkten die Wärme aus Abwärmeprozessen oder regenerativen Energiequellen stammen. Zum Antrieb des Absorptionsprozesses kann Wärme in Form von Dampf oder Heißwasser im Temperaturbereich zwischen 80 und 180 °C verwendet werden. Dieses Temperaturniveau ist eher bei Verbrennungsprozessen als bei Solarkollektoren gegeben. Die hoch effiziente Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung war früher nur

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Großanlagen ab einer Kälteleistung von 300 kW vorbehalten. Im Zuge der Dezentralisierung der Energieerzeugung werden derzeit kleine Absorptionsanlagen zwischen 4,5 und 35 kW entwickelt. Adsorptionsanlagen Die Adsorptionsanlage funktioniert nach einem vergleichbaren Prinzip wie die Absorptionskälteanlagen. Es wird lediglich anstelle eines flüssigen Lösungsmittels ein festes Adsorptionsmittel, z.B. Silicagel, verwendet. Da der Prozess diskontinuierlich und deshalb aufwändiger ist, sind die Anlagen kostenintensiver. Vorteil dieser Anlagen ist das niedrige Temperaturniveau bei der Wärmezufuhr, es liegt zwischen 50 und 90 °C, das eine Einbindung von Solarkollektoren effizient ermöglicht. Sorptionsgestützte Klimatisierung Die sorptionsgestützte Klimatisierung ist ein Verfahren, das mit niedrigen Antriebstemperaturen zwischen 50 und 90 °C auskommt. Dabei wird die Außenluft entfeuchtet und gekühlt. Hierbei unterscheidet man zwischen festen und flüssigen Sorptionsmitteln. Feste Stoffe findet man in DEC-Anlagen (Desiccative Evaporative Cooling), in denen ein rotierendes Sorptionsrad eingesetzt wird, das die Luft entfeuchtet und durch Wärmezufuhr (Abwärme, Solarwärme) wieder regeneriert. Im Gegensatz zu den rotierenden Sorptionsrädern sind die Prozesse Entfeuchtung und Kühlung bei den Anlagen mit den flüssigen Sorptionsmitteln getrennt. Warme, feuchtebeladene Außenluft wird zunächst in der Absorptionseinheit an mit konzentrierter Salzlösung benetzten Füllkörpern vorbeigeführt und gibt dort Wasser an die Sole ab. Die entfeuchtete Luft wird anschließend über einen Wärmeübertrager abgekühlt und gelangt als Zuluft in das Gebäude. Die angesaugte Abluft wird im Wärmeübertrager mit Wasser besprüht. Das verdunstete Wasser senkt die Temperatur der Abluft so weit, dass diese die Wärme der entfeuchteten Zuluft aufnehmen kann und anschließend als Fortluft abgegeben wird. Die verdünnte Salzlösung gibt zunächst die bei der Wasseraufnahme freigesetzte Wärme in einen Wärmeübertrager an Umlaufwasser ab, das ebenfalls in der Zentraleinheit wieder gekühlt wird und den Wasserkreislauf schließt. Ein Teilstrom der wieder abgekühlten verdünnten Sole wird in einem Regenerator mit zugeführter Wärme wieder entwässert, der Solekreislauf über einen Pufferspeicher geschlossen. Als zugeführte Wärme kann sowohl die Abwärme der BHKWs wie auch solar erzeugte Wärme verwendet werden. Geothermie Die Wärme und die Speichermasse des Erdreichs können über folgende Systeme erschlossen werden: – Bodenplatte mit eingelegten Wärmeüberträgerrohren (Fundamentabsorber), – Energiepfähle (thermisch aktivierte Bohrpfähle), – Erdsonden, – Grundwasser mit Saug- und Schluckbrunnen. Vorteil der geothermischen Nutzung ist die vorhandene Erdreich- und Grundwassertemperatur, die in Nord- und Mitteleuropa zwischen 10 und 15 °C liegt. Diese kann über Wärmetauscher zum Kühlen des Gebäudes herangezogen werden, falls die Gebäudehülle und das Raumklimasystem darauf ausgelegt sind. Zum Heizen wird eine Wärmepumpe benötigt, die Temperatur der Energiequelle auf das Betriebstemperaturniveau der gebäudetechnischen Anlage anhebt. Bodenplatte mit eingelegten Wärmetauscherrohren Die Aktivierung der Bodenplatte ist aufgrund der geringen Kontaktfläche und der niedrigen Wärmeübertragungsleistung nur begrenzt nutzbar. Liegt die Bodenplatte im Grundwasser, wird die Wärmeübertragungsleistung erhöht. Der Einsatz ist dann sinnvoll, wenn das Verhältnis von Grundfläche zu Geschossfläche eines Gebäudes groß ist. Energiepfähle Günstiger ist es, die zur Gründung des Gebäudes notwendigen Bohrpfähle thermisch zu aktivieren. Voraussetzung dafür ist, dass die Bohrpfähle mindesten 12 m lang sind, da bei kürzeren Bohrpfählen der Aufwand für den hydraulischen Anschluss im Vergleich zum Nutzen zu hoch ist. Bei der Konzeption muss beachtet werden, dass das Erdreich im Winter im Bereich der Bohrpfähle nicht bis an die Gefriergrenze auskühlen darf, da die Wandreibung der Bohrpfähle sonst geschwächt wird und die Tragfähigkeit verloren geht.

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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Bild 6.1.2-8. Bohrpfahl einer Gebäudegründung. Durch Belegung des Pfahls mit Rohrleitungen kann daraus ein Energiepfahl zum Heizen und Kühlen entstehen.

Erdsonden Bei einer Erdsondenanlage wird ein Wärmeübertragungssystem durch Tiefenbohrungen 30 bis 200 m tief ins Erdreich eingebracht. Als Wärmeübertrager dienen zwei U-Rohre pro Bohrloch. Sollte eine der beiden Leitungen nachträglich beschädigt werden, kann diese außer Betrieb genommen werden. Mit der zweiten Leitung könnten dann noch ca. 60 bis 70 % der ursprünglichen Leistung der Sonde bereitgestellt werden. Erdsonden werden in der Regel 100 m tief gebohrt, da für tiefere Bohrungen zum einen eine bergbaurechtliche Genehmigung erforderlich ist und zum anderen durch die zunehmende Erdreichtemperatur die Kühlung problematischer wird. Im Heizbetrieb wird die dem Erdreich entziehbare Wärme mit der Wärmepumpe auf Betriebstemperatur gebracht, wobei die maximale Betriebstemperatur bei ca. 30° C bis 35 °C eine Arbeitszahl von 4 bis 5 ermöglicht. Im Kühlbetrieb wird die dem Gebäude entzogene Wärme über Platten-Wärmeübertrager dem Erdsondenfeld zugeführt. Neben dem Vorteil einer Kühlung ohne Kältemaschine hat die Rückführung von Wärme in das Erdreich im Sommer zudem den Vorteil, dass der im Winter durch den Wärmeentzug abgekühlte Boden wieder verstärkt regeneriert wird. Somit kann eine Langzeitveränderung der Erdreichtemperaturen im Bereich des Erdsondenfeldes vermieden werden, was wiederum Ziel einer nachhaltigen Nutzung von regenerativen Energiequellen sein sollte. Grundwassernutzung Am wirtschaftlichsten ist die direkte Nutzung von Grundwasser. Hierbei wird das Grundwasser über Förderbrunnen entnommen und über Schluckbrunnen dem Erdreich wieder zugeführt. Mit einer Wärmepumpe wird dem Grundwasser zum Heizen Wärme entzogen und auf Nutztemperatur gebracht, zum Kühlen wird die Wärme aus dem Gebäude abgeführt und über einen Wärmeübertrager an das Grundwasser abgegeben. Der Einsatz dieses Systems erfordert eine wasserrechtliche Genehmigung. Ist das Grundwasser mit Schadstoffen kontaminiert, muss es gereinigt und gefiltert werden, bevor es wieder zurückgeführt wird. Diese Maßnahmen können äußerst aufwändig werden und verringern die Wirtschaftlichkeit. Wenn Grundwasser ausreichend zur Verfügung steht und nicht mit Schadstoffen kontaminiert ist, hängt die Wirtschaftlichkeit nur noch von den Bohrkosten des Saug- und Schluckbrunnens ab. Bei der Planung und Konzeptentwicklung von geothermischen Anlagen ist es wichtig, ein thermisches Gleichgewicht im Boden über das Jahr zu erreichen, da sich sonst das Erdreich nicht mehr regeneriert und im Laufe der Zeit abkühlt bzw. erwärmt. Idealerweise wird das Erdreich im Winter für das Heizen und im Sommer zur Kühlung herangezogen. Auch Grundwasserströmungen können die Regeneration des Erdreichs unterstützen. Virtuelles Kraftwerk Mit einer stärkeren Verbreitung der kleinen, dezentralen Blockheizkraftwerke zur Energieversorgung von Gebäuden wird das Konzept des virtuellen Kraftwerks zu einer greifbaren Vision. Diese beschreibt das Zusammenschalten der dezentralen Kraftwerke zu

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

einem Verbund, der gemeinsam von einer zentralen Warte aus gesteuert wird. Durch ein koordiniertes Einspeisen von Strom, z.B. aus Windenergieanlagen, Blockheizkraftwerken, Photovoltaik und Biogasanlagen lässt sich der Bedarf an Spitzenlaststrom decken. Die Grundlast wird dabei weiterhin durch die zentralen Großkraftwerke abgedeckt. Obwohl die großen Energieversorger für diese dezentrale Spitzenlastabdeckung noch keine ernstzunehmende Alternative sehen, wird dies bei den kleinen kommunalen Energieversorgern bereits erfolgreich angewandt. Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle erzeugt ebenfalls Wärme und Strom gleichzeitig. Im Unterschied zu einem Blockheizkraftwerk wird der Verbrennungsmotor durch eine Brennstoffzelle ersetzt, in der chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Vorteil dieser Umwandlung ist der hohe Gesamtwirkungsgrad von bis zu 65 %, der nicht wie bei den mechanisch angetriebenen Systemen einem limitierenden Faktor – dem Carnot’schen Wirkungsgrad – unterworfen ist. Dieser Faktor gibt an, welcher theoretische Anteil der zugeführten Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. So besitzen kleine Brennstoffzellen so hohe Wirkungsgrade, wie diese sonst nur für große Kombi-Kraftwerke typisch sind. Die technische Entwicklung von Brennstoffzellen konzentriert sich auf fünf Brennstoffzellen-Typen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die folgenden Elektrolyten werden heute eingesetzt: – Keramische Schichten SOFC (Solid Oxid Fuel Cells) – Geschmolzene Karbonate MCFC (Moltan Carbonat Fuel Cells) – Kalilauge AFC (Alkaline Fuel Cells) – Phosphorsäure PAFC (Phospheric Acid Fuel Cells) – Kunststofffolien PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cells). Bei der elektrochemischen Wandlung entstehen nahezu keine Schadstoffe. Geringe Mengen werden bei der Beheizung des Reformers erzeugt. Das beim Prozess anfallende Reaktionswasser kann problemlos in die Kanalisation gegeben werden. Schwermetalle werden weder mit dem Abwasser noch mit der Luft abgegeben. Die PAFC ist die erste Brennstoffzelle, die auf dem Markt angeboten wurde. Die technische Marktreife konnte durch Serienfertigung erreicht und durch Pilotanlagen bestätigt werden. Die PC25C von ONSI mit dem Elektrolyt PAFC liefert 200 kW elektrischen Strom und 220 kJ Wärme. Sie setzt 40 % der mit Erdgas zugeführten Energie in Strom und 45 % in Nutzwärme um. Die Temperatur kann in einem Niedertemperaturbereich mit 70/35 °C und in einem Hochtemperaturbereich mit 115/95 °C ausgekoppelt werden. Das Brennstoffzellen-BHKW lässt sich zwischen 0 und 100 % regeln, wobei ein Betrieb zwischen 50 und 100 % sinnvoll ist. Allerdings sind die Investitionskosten bei einer durchschnittlichen Standzeit von 70 000 Betriebsstunden noch sehr hoch. Den Brennstoffzellen mit der PEFC Technik werden große Chancen im Automobilbereich und in der Hausenergieversorgung eingeräumt. Derzeit werden Brennstoffzellen-Heizgeräte mit Leistungsdaten von 4,6 kW für elektrische Energie und von 6 kJ für thermische Energie entwickelt, sie sind damit auf die Bedürfnisse von Einfamilienhäusern und Wohnsiedlungen in Nord- und Mitteleuropa zugeschnitten. Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC und MCFC) eignen sich besonders für die stationäre Stromerzeugung und für die gekoppelte stationäre Strom- und Wärmeerzeugung mit hoher Leistung. Aufgrund der hohen Systemtemperaturen können diese herkömmlichen Brenngase und vergaste flüssige oder gar feste Brennstoffe (Kohlenwasserstoffe) mit der Abwärme der Brennstoffzellen reformieren, d.h. Wasserstoff abspalten. Zusätzlich lässt sich Wärme auf hohem Temperaturniveau nutzbringend in industriellen Verfahren aller Art (z.B. als Prozessdampf) verwenden und diese kann auch in nachgeschalteten Turbinenaggregaten zur weiteren Stromerzeugung und damit zur weiteren Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads eines Brennstoffzellen-Kraftwerks herangezogen werden. Biomasse Biomasse ist weltweit der bedeutendste erneuerbare Energieträger. Davon fallen 44 % auf die festen Reststoffe von Stroh und Holz und rund 50 % auf die nassen Reststoffe von Energiepflanzen, Gülle und Dung. Die Erzeugung von Wärme und Strom aus festen Reststoffen geschieht üblicherweise in Verbrennungsanlagen. Nasse Reststoffe werden für die Biogasproduktion verwendet. Für kleinere und mittlere Gebäude bis zu einer Heizleistung von 1 MW werden Scheitholz- oder Holzpelletzentralheizungen angeboten. Holzpelletheizungen haben den Vorteil, dass der Brennstoff automatisch beschickt und die Feuerungsleistung geregelt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Qualität

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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von Holzpellets über eine DIN-Norm geregelt ist. Dadurch läuft die Verbrennung unter konstanten Bedingungen ab. Die Holzhackschnitzelfeuerung wird dagegen in großen Heizkraftwerken eingesetzt, da die Hackschnitzel doppelt so viel Lagerfläche wie die Holzpellets benötigen, dafür aber sehr kostengünstig sind. Im Gegensatz zu Holzpellets haben Holzhackschnitzel unterschiedliche Qualitäten und einen unterschiedlichen Wassergehalt. Daher sind die Verbrennungsprozesse oft unregelmäßig und schwer zu kontrollieren. Biogas In Deutschland beträgt der Anteil von Erdgas am gesamten Primärenergieverbrauch rund 22 %. Es besteht hauptsächlich aus dem Kohlenwasserstoff Methan, das sich auf natürliche Weise durch Zersetzung urzeitlicher Biomasse unter Luftabschluss gebildet hat. Dieser Prozess lässt sich auch in einem Faulbehälter erzeugen, indem Biomasse unter Luftabschluss zersetzt wird. Dieses Biogas besteht zu rund 60 % aus Methan und muss zur energetischen Nutzung weitgehend entfeuchtet und entschwefelt werden. Die Nutzung von Biogas ist CO2-neutral, da nur die Menge an Kohlendioxid bei der Verbrennung frei wird, die die Pflanzen während ihres Wachstums aufnehmen. Biogas wird meist in BHKWs eingesetzt, da die Motoren unempfindlich gegenüber der schwankenden Gaszusammensetzung sind. Der Einsatz in Brennstoffzellenkraftwerken oder Gasturbinen wurde bereits in Pilotanlagen realisiert. Für die Biogasgewinnung stehen zwei Verfahren zur Verfügung. Bei der Nassvergärung werden nasse bzw. flüssige Reststoffe aufbereitet. Dieses Verfahren wird meist angewandt, da die Trockenvergärung noch in der Entwicklung ist. Als Biomasse eignen sich deshalb besondere nasse Reststoffe wie Gülle, Grünabfall, Bioabfall oder Silomais. Es können auch Abfälle aus der Lebensmittelindustrie bei der Obst- und Gemüseverarbeitung, Schlachthofabfälle oder Speisereste verwendet werden. Diese werden aus hygienischen Gründen rund eine Stunde über 70 °C erhitzt. Da die Biogasnutzung aus Gründen der hervorragenden Reststoffnutzung wirtschaftlich und nachhaltig ist, wird Biogas seit 2006 erstmals in das deutsche Erdgasnetz eingespeist. Windenergie Luftströmungen, die den Wind verursachen, sind die Folge von Druckausgleichsströmungen in der Atmosphäre. Diese Luftströmungen lassen sich mit Windkraftanlagen zur Stromerzeugung nutzen. Schon seit dem 12. Jahrhundert wurde die Windkraft genutzt, um Windmühlen zu betreiben. Die technische Entwicklung und die sinkenden Energiepreise führten dazu, dass die Windkraft nicht weiterentwickelt wurde. Erst nach den Energiekrisen begann 1975 die Bedeutung der Windkraft wieder zuzunehmen. Der richtige Aufschwung begann im Jahr 2000 mit dem Inkrafttreten des Erneuerbaren-EnergieGesetzes und der hohen Rückspeisvergütung. Windenergie kann mit Windrädern, die nach dem Widerstands- oder nach dem Auftriebsprinzip arbeiten, genutzt werden. Widerstandsräder werden durch den Luftwiderstand der Rotorblätter gedreht. Sie haben große Blattflächen und geringe Drehzahlen. Meist werden diese für den Antrieb von Wasserpumpen eingesetzt und haben einen Leistungsbeiwert von rund 20 %. Auftriebsräder dagegen nutzen die Druck- und Sogkräfte am Flügelprofil und erzielen aufgrund der aerodynamischen Form der Flügel und ihres geringen Widerstands einen hohen Leistungsbeiwert von 40 bis 50 %. Diese Windkraftanlagen eignen sich zur Stromerzeugung. Für einen wirtschaftlichen Einsatz sind mittlere Windgeschwindigkeiten zwischen 4 und 5 m/s erforderlich. Gebiete mit genügend Wind gibt es an der Nord- und Ostseeküste sowie in den Mittelgebirgen. Da die Anzahl der windreichen Standorte begrenzt ist und die Ablehnung der Bevölkerung gegen Windräder wächst, drängen die Windkraftanlagenbetreiber vermehrt aufs Meer, wo der Wind konstant und kräftiger bläst. Einem aktuellen Greenpeace-Gutachten zufolge lässt sich der Windstromanteil in den nächsten zehn Jahren um 10 bis 15 % steigern.

6.1.2-4

Werkzeuge beim Erstellen von Energiekonzepten

Ein wesentlicher Optimierungsansatz beim Erstellen von ganzheitlichen Energiekonzepten ist der Einsatz von modernen Planungs- und Simulationswerkzeugen. Sie ermöglichen es bereits in frühen Planungsphasen verschiedene Lösungsvarianten vergleichend zu bewerten und die Machbarkeit bzw. Funktionstüchtigkeit von Lösungen konzeptionell zu belegen bevor sie gebaut werden. Dies ist notwendig, da gerade bei ganzheitlichen Energiekonzepten innovative Lösungen angegangen werden, die so in dieser Weise oftmals noch nicht realisiert wurden oder zu denen noch keine ausreichende Betriebserfah-

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

rung vorliegt. Die gängigsten Simulationswerkezuge ermöglichen es das energetische, thermische, strömungstechnische und visuelle Verhalten von und in Räumen und Gebäuden zu berechnen. Wichtig ist hierbei, dass bereits von Beginn an auch die konzipierten Anlagensysteme mit simuliert werden, um die Energieeffizienz und das Anlagenverhalten richtig abzubilden. Oftmals wird das thermische Verhalten der Raumklimasysteme und Anlagen idealisiert angenommen und nicht mit simuliert. Später im Betrieb wundert man sich dann, wieso die Anlagen eher ein reales statt ein ideales Verhalten haben und dadurch die geplante Energieeffizienz und der Komfort nicht erreicht werden. In Bild 6.1.2-9 sind Simulationsergebnisse von verschiedenen Planungsund Simulationswerkzeugen dargestellt.

Bild 6.1.2-9. Moderne Simulationswerkzeuge zur Berechnung des thermischen, strömungstechnischen und visuellen Verhaltens von Gebäuden ermöglichen bereits in frühen Planungsphasen eine fundierte Bewertung von Planungsvarianten im Hinblick auf Qualität, Energieeeffizienz und Nachhaltigkei

An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass das Berechnungsverfahren der EnergieEinsparverordnung (EnEV), die DIN V 18599, nicht in der Lage ist das thermisch energetische Verhalten von verschiedenen Gebäude-, Anlagen- und Nutzungsvarianten richtig abzubilden. Nachweislich sind in dem Verfahren eklatante Modellfehler vorhanden, die zu falschen Aussagen zum Energiebedarf, zum Energieaufwand und zur Energieeffizienz führen. Mit der EnEV bzw. der DIN V 18599 ist man zudem nicht in der Lage neue, innovative Lösungen abzubilden, da sie nur die gängigsten Raumklima-, Verteilund Energieerzeugungslösungen berücksichtigt. So können z.B. mit der DIN V 18599 keine thermisch aktiven Bauteile und auch nicht das Potenzial von natürlicher Lüftung berechnet und bewertet werden. Von einem Einsatz der EnEV bzw. der DIN V 18599 als Planungswerkzeug, was leider teilweise gemacht wird, muss daher dringend abgeraten werden. Die EnEV sollte daher nur zum rechtlichen Nachweis in der Genehmigungsphase eingesetzt werden. Hierfür ist sie konzipiert und entwickelt worden. Sie ist nicht entwickelt worden um als Planungswerkzeug im Rahmen von Energiekonzepten eingesetzt zu werden. Für das Erstellen von ganzheitlichen Energiekonzepten sind anerkannte Simulationsund Berechnungsverfahren einzusetzen. So kann neben Simulationsverfahren auch die VDI 2067 eingesetzt werden, die neben der Wirtschaftlichkeitsberechnung auch ein Simulationsmodell für die Berechnung des Energiebedarfs und Aufwandszahlen für die Nutzenübergabe, die Verteilung und Erzeugung aufzeigt, mit denen der Energieaufwand berechnet werden. Da Energiekonzepte in der Regel zusätzlich zu den üblichen Planungsaufwendungen vergütet werden müssen, ist darauf zu achten, dass die Simulationen auch zur Optimierung der Anlagenauslegung und später zur Inbetriebnahme und zur fortlaufenden Betriebsoptimierung eingesetzt werden können. Nur so ist ein kom-

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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pletter Mehrwert mit dem Einsatz von Simulationsverfahren gegeben. Je integraler die Simulations- und Berechnungsverfahren aus dem Energiekonzept mit einbezogen werden, je wirtschaftlicher ist deren Einsatz. Da mit den Simulationsberechnungen im Rahmen des Energiekonzepts das thermische und energetische Verhalten der Gebäude mit Vorschau auf den Betrieb berechnet wird, sind die Aussagen zum Energieaufwand und damit zu den Energie- und Betriebskosten sehr fundiert. Sie können daher ideal als verlässliche Basis für Wirtschaftlichkeitsberechnungen und -vergleiche herangezogen werden und eignen sich zudem für eine belastbare Lebenszykluskostenberechnung. Neben der energetischen Optimierung von Fassade, Raumklimasystem und Energieerzeugung sind die wesentlichen Ergebnisse der Simulationsrechnungen für ein ganzheitliches Energiekonzept korrelierte, geordnete Jahresdauerlinien für die einzelnen Nutzenübergabesysteme für die Heizlast, Kühllast und die Stromlast. Auf Basis der Jahresdauerlinien kann für Heizen, Kühlen und Strom aufgezeigt werden, welche Anlagenleistungen erforderlich sind, und wie viel Betriebsstunden diese Anlagen in Betrieb sein werden. Bei ganzheitlichen Energiekonzepten bilden sie somit die Basis aufzuzeigen, welche Anlagen an Grundlastsysteme mit langen Laufzeiten und welche Anlagen sinnvoller als Spitzenlastsysteme eingesetzt werden. Auch hier sei der Hinweis erlaubt, dass mit der EnEV sowie der DIN V 18599 keine Jahresdauerlinien für Heizen, Kühlen und Strom errechnet werden können. Die Simulationsrechnungen bilden somit ein zentrales Werkzeug beim Erstellen von ganzheitlichen Energiekonzepten.

Bild 6.1.2-10. Jahresdauerlinie als Basis für die Energiekonzeption

6.1.2-5

Energiekonzept in der Umsetzung

Interpretiert man den Begriff „Energiekonzept“ als eine Planungsvorgabe, die tatsächlich auch geplant und gebaut werden sollte, so ist eine nachhaltige Qualitätssicherung während der Planung, der Ausführung, der Inbetriebnahme und im Betrieb unumgänglich. Für ein nachhaltiges Energiekonzept sind daher folgende Qualitätssicherungsmaßnahmen unumgänglich: 1 Blower Door Test – Nachweis der Luftdichtigkeit 2 Thermografie – Nachweis des baulichen Wärmeschutzes und der aktiven Systeme 3 Messungen der Raumtemperatur und Raumluftgeschwindigkeit – Nachweis des Raumkomforts 4 Messungen der Luftqualität 5 Schallmessungen – Nachweis des Schallschutzes gegen Außenlärm und zum Nachbarn 6 Messungen zur Tageslichtqualität und Blendfreiheit 7 Messungen und Einregulierung zum hydraulischen Abgleich aller Luft-, Wärme- und Wasserverteilsysteme 8 Messungen zur Energieeffizienz von einzelnen Anlagenkomponenten

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

9 Messungen zur Energieeffizienz von Anlagensystemen unter definierten Lastfällen 10 Emulation – Überprüfung von Regel- und Steuerungsfunktionen 11 Commissioning – geordneter und geplanter Inbetriebnahme-, Abnahme- und Übergabeprozess 12 Nutzerhandbuch mit Empfehlungen, wie das Gebäude und die Anlagen am sinnvollsten genutzt werden. Die ersten 6 Maßnahmen beinhalten schwerpunktmäßig die bautechnische Qualität des Gebäudes. Die Maßnahmen 7 bis 12 zielen hauptsächlich auf die anlagentechnische Qualität der Gebäude ab. Während die bautechnischen Messungen mittlerweile vermehrt zur Qualitätssicherung eingesetzt werden, ist im anlagentechnischen Bereich noch erhebliches Optimierungspotenzial vorhanden. Einerseits sind zwar Messungen und die Einregulierung des hydraulischen Abgleichs bei technischen Anlagen vorgeschrieben. Andererseits zeigen stichprobenartige Prüfungen immer wieder, dass falsch oder gar nicht einreguliert wird. Hier empfiehlt sich das Einbinden eines unabhängigen Prüfinstitutes, das die Auslegungsanlagenzustände stichprobenartig überprüft und somit bescheinigen kann, dass die Anlage richtig eingestellt ist. Etwas anders stellt sich die Überprüfung der ausgeschriebenen Energieeffizienz von Anlagenkomponenten oder ganzen Anlagensystemen dar. Da in Anlagen prinzipiell erst dann genau gemessen werden kann, wenn diese im Gesamtsystem eingebunden sind und mit allen notwendigen Medien versorgt werden, ist eine Einzelprüfung der Komponenten im eingebauten Zustand ohne Einflüsse der angrenzenden Komponenten und Systeme nicht möglich. Abhilfe schaffen Messungen auf den Prüfständen der Hersteller, die frühzeitig geplant auch in den Bauablauf integriert werden können. Das Gesamtsystem kann dann nach dem Einbau in einer Art Testbetrieb analysiert und bewertet werden. Die hierfür notwendige Instrumentierung mit Temperatur- und Massenstrommessungen muss jedoch im Vorfeld im Rahmen eines Messkonzepts bedacht und richtig geplant werden. Ansonsten ist eine Qualitätsüberprüfung der Energieeffizienz im Betrieb fast nicht mehr möglich. Aufgrund erheblicher Verbesserungspotenziale bei der Inbetriebnahme, Abnahme und Übergabe speziell bei energiesparenden Gebäuden setzt sich langsam aber sicher die Einstellung durch, dass dieser Prozess anders als früher sauber und strukturiert geplant werden muss. Nur so kann eine leistungsgerechte Überprüfung der Gebäude- und Anlagenqualität zur Fertigstellung des Gebäudes auch attestiert werden und das Gebäude und die Anlage können möglichst in einen optimierten Betrieb übergeben werden. Emulation – eine neue Qualität in der Qualitätssicherung von nachhaltigen Gebäuden Wesentlich bei ganzheitlichen Energiekonzepten sind Lösungen, mit denen der spätere Betrieb energie- und ressourcenschonend gestaltet werden kann. Die konzeptionellen und technischen Möglichkeiten reichen von einem intelligenten, effektiven, außenliegenden Sonnenschutz, bei dem auch der Einfluss von Fremd- und Eigenverschattung berücksichtigt wird, über Konzepte zur natürlichen Lüftung mit dem gezieltem Öffnen und Schließen von maschinell betriebenen Klappen bis hin zu bauteilintegrierten Raumheizund kühlsystemen mit innovativen und regenerativen Energieerzeugungssystemen. Den meisten innovativen Konzepten ist vor allem gemeinsam, dass sie gewerkeübergreifend konzipiert und umgesetzt werden. So muss z.B. bei der natürlichen Lüftung der Fachplaner die gestalterischen Belange des Architekten in Bezug auf die Fassade ebenso berücksichtigen, wie die technischen Anforderungen an die Entrauchung und den Brandschutz. Teil dieser gewerkeübergreifenden Aufgabe bei innovativen Energiekonzepten ist es auch, sicherzustellen, dass z.B. Teilsysteme in den einzelnen Gewerken zueinander kompatibel sind. In Bezug auf die Regelung und Steuerung ist für diese Konzepte ein übergeordnetes Steuerungskonzept als Bestandteil des Energiekonzepts erforderlich. Die grundlegenden Parameter hierfür können heute bereits größtenteils während der Konzeptions- und Planungsphasen festgelegt werden. So können über Verschattungsberechnungen oder Simulationen beispielsweise bei Sonnenschutzanlagen die Jalousiestellungen behangweise in Abhängigkeit von Tages- und Jahreszeit vorab festgelegt werden. Bei der Umsetzung von neuartigen Konzepten ergeben sich jedoch zwei Probleme, die sich gegenseitig verstärken. Zunächst werden die übergeordneten innovativen Steuerungskonzepte, für deren Umsetzung ein hohes Know-how erforderlich ist, häufig in eine „klassische“ MSR-Ausschreibung gezwängt. Ein Systemintegrator, der die Koordination der regelungs- und steuerungstechnischen Schnittstellen zwischen den Gewerken übernimmt, ist dabei oft nicht vorgesehen. Wesentlich schwerwiegender ist jedoch, dass

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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die vollständige und umfassende Inbetriebnahme und Abnahme der fertigen Regelung und Steuerung nur sehr schwer möglich ist. So ist es bisher kaum möglich, z.B. die Regelungs- und Steuerungsgeräte einer Sonnenschutzsteuerung unter allen kritischen Betriebsbedingungen zu überprüfen. Die Parameter dieser Geräte können bisher nur schwer von „außen“, d.h. ohne Einblick in die eigentliche Programmierung – diese stellt für den Nutzer bzw. Betreiber eine „Blackbox“ dar –, kontrolliert werden. Bei der Inbetriebnahme eines Gebäudes sind die Möglichkeiten, die in die Steuerung eingehenden grundlegenden Werte wie z.B. Solareinstrahlung, Außentemperatur, Windgeschwindigkeit aber auch Informationen bzgl. Eigen- und Fremdbeschattung zu beeinflussen, stark eingeschränkt. Insbesondere die Eigen- und Fremdverschattung macht es bisher nahezu unmöglich, die Steuerungsfunktionen der Anlagen – insbesondere in kritischen Betriebssituationen – umfassend und gezielt zu überprüfen. In Bild 6.1.2-11 ist die Funktionsweise der Emulation dargestellt.

Bild 6.1.2-11. Emulation zur Inbetriebnahme

Ein Beispiel aus der Praxis soll dies verdeutlichen, wobei das Problem Sonnenschutz nahezu auf alle energiekonzeptrelevanten Regelungen und Steuerungen 1:1 übertragen werden kann. Ein Gebäude wird in Betrieb genommen und schon nach kurzer Zeit häufen sich die Klagen über die Sonnenschutzanlage. Die Beschwerden reichen von Blendung am Arbeitsplatz über eine zu starke Verdunkelung bis hin zu der Feststellung, dass die Jalousien ständig und nicht nachvollziehbar auf- und abfahren. Dabei sollen solche Anlagen eigentlich den Nutzerkomfort erhöhen und den Kühlenergiebedarf minimieren. Leider ist es heute fast schon Standard, dass nicht nur Sonnenschutzanlagen bei der Inbetriebnahme falsch bzw. unzureichend arbeiten. Meist werden die Anlagen bis weit nach Beginn des laufenden Betriebs einjustiert. Neben Unzufriedenheit und Ärger beim Bauherrn entstehen auf Grund der Mängel bei den Planungs- und Ausführungsbeteiligten zum Teil hohe Kosten. Auch auf Seiten des Bauherrn entstehen Einnahmeausfälle, beispielsweise durch Mietminderungen. Der Gewinn aller Beteiligten wird durch die erforderlichen Nachbesserungen geschmälert, wenn nicht gar komplett aufgezehrt. Mit der Emulation können solche Probleme zukünftig vermieden werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Regel- und Steueralgorithmen von Gebäuden und Anlagen bereits vor deren Inbetriebnahme bzw. sogar vor deren Installation im Gebäude zu überprüfen. Bei der Emulation werden die Steuerungsgeräte in eine virtuelle Testumgebung eingebunden. Die Testumgebung, die im Wesentlichen aus einem Computer und Messwerterfassungs- und -ausgabegeräten sowie bei Bedarf aus einer Anbindung an Bussysteme wie z.B. LON besteht, „gaukelt“ der jeweiligen Steuerung vor, dass sie sich in einem realen Gebäude befindet. Auf dem Computer werden ein normaler Bürobetrieb sowie beliebige kritische Betriebsbedingungen simuliert. Auf diese Weise können Fehlfunktionen bereits vor dem Einbau der Regelungs- und Steuerungsanlage in das Gebäude und vor der Inbetriebnahme erkannt und beseitigt werden. Mit diesem Verfahren wird das ganzheitliche Herangehen auf Basis des Energiekonzepts unterstützt und die Qualität bei der Inbetriebnahme von nachhaltigen Gebäuden auf eine neue Stufe gestellt, die Vorteile für alle Beteiligten mit sich bringt. Bauherren und

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Mieter bzw. Nutzer bekommen – auch bei innovativen Gebäuden – von Beginn an funktionierende und effiziente Gebäude. Der Architekt und die TGA-Planer können im Rahmen der Inbetriebnahme erstmals die Regel- und Steuerfunktionen von Anlagen unter verschiedenen Randbedingungen vor Inbetriebnahme überprüfen und erhalten so die Gewissheit, dass Gebäude und Anlagen nicht nur zu den bei Inbetriebnahme vorherrschenden Randbedingungen funktionieren. Die Emulation hilft somit allen Beteiligten den gewünschten Qualitätsstandard zu erreichen und gleichzeitig den Honorar- und Kosteneinsatz zu minimieren. Die Emulation bildet jedoch nur einen Baustein für eine strukturierte, qualitätsgesicherte Inbetriebnahme ab. Der ganzheitliche Ansatz bei der geordneten Inbetriebnahme, Abnahme und Übergabe von Gebäuden wird heute Commissioning genannt. Commissioning – Geordnete Inbetriebnahme, Abnahme, Übergabe auf Basis des Energiekonzepts Energiekonzept erstellen, Gebäude planen, Gebäude bauen, einstecken – Plug-and-Playfertig! Alle Funktionen und Anforderungen des Gebäudes und der Anlagen werden erfüllt. Alle sind zufrieden. Der Mieter bzw. Nutzer freut sich über einen minimierten Energieverbrauch und minimierte Energiekosten bei optimaler thermischer und visueller Behaglichkeit und bester Luftqualität. Der Vermieter ist zufrieden, dass der Mieter keinen Anlass für Mietkürzungen hat. Der Investor und Verkäufer ist zufrieden, dass er für sein mängelfreies Gebäude den Geldeingang vermelden kann. Die ausführenden Firmen sind zufrieden, dass sie nicht mehr ständig mit allen möglichen Gewerken vor Ort sein müssen, um Mängel zu beseitigen. Und auch die Planer sind zufrieden, weil deren Prozesse zu einem funktionierenden Gebäude geführt haben und sie nicht durch viele Mängelbegehungen um ihr Planungshonorar gebracht werden. Schön wär sie, die WinWin-Situation für alle Beteiligte. Leider gibt es diesen mängelfreien Inbetriebnahme-, Abnahme- und Übergabeprozess bei Gebäuden nur sehr selten oder fast nie. Trotzdem drängt sich der Eindruck auf, dass die Qualitätsmängel, obwohl sie alle Beteiligten viel Geld und Zeit kosten, fast schon fatalistisch in Kauf genommen werden, immer mit dem optimistischen Ansatz, beim nächsten Mal wird es schon besser gehen. Dieser Optimismus ist zwar lobenswert, aber nicht zweckmäßig. Verglichen mit anderen Industriezweigen gibt es bei den Fertigungsprozessen am Bau durchaus noch Optimierungspotenziale. Sicherlich ist die Koordination und Qualitätssicherung hier schwieriger als bei Serienprodukten, die in der Regel eine längere Prototypenentwicklung hinter sich haben. Zudem sind beim Bau viele Beteiligte zu koordinieren, die nicht ständig miteinander arbeiten. Gebäude sind eigentlich Prototypen, sollen aber sofort richtig funktionieren. Mit einem neuen Verfahren gibt es nun gezielte Ansatzpunkte, die Qualitätssicherung bei Gebäuden maßgeblich zu verbessern. Das Verfahren heißt Commissioning, was im Englischen so viel heißt wie qualitätsgesicherte Inbetriebnahme und Abnahme von Gebäuden und baut konsequent auf der ganzheitlichen Energiekonzeption auf. Beim Commissioning wird – anders als im herkömmlichen Planungs- und Bauprozess – die Inbetriebnahme, Abnahme und Übergabe eines Gebäudes gezielt, bereits ab der Entwurfsplanung auf Basis des Energiekonzepts vorausschauend geplant. Im Verlauf des weiteren Bauprozesses wird die Planung der Inbetriebnahme intensiv mit den ausführenden Firmen abgestimmt, sodass zu Beginn der Inbetriebnahmephase die erforderlichen Prozesse bekannt sind, die in Betrieb zu nehmenden Anlagen an der Mess-, Steuer-/Regelungstechnik angeschlossen sind, das Betreiberpersonal vorbereitet und die Betriebsstrategie bekannt ist. Bild 6.1.2-12 zeigt Theorie, übliche Praxis und den geschilderten neuen Ansatz für Inbetriebnahmeprozesse. Zur Verdeutlichung ist in Bild 6.1.2-13 der Zeitraum von klassischer Inbetriebnahme und Commissioning gegenübergestellt. Die wesentliche Voraussetzung für einen erfolgreichen Inbetriebnahmeprozess ist es, dass dieser von Anfang an zielgerichtet aufgestellt und strukturiert umgesetzt wird. Hierzu wird ein Commissioning Team aufgesetzt, im dem alle am Inbetriebnahmeprozess beteiligten Firmen vertreten sind und in dem die Belange interdisziplinär abgestimmt werden. Geleitet wird dieses Team von einem vom Bauherrn zu benennenden CommissioningIngenieur (Cx-Ingenieur), der verantwortlich den gesamten Inbetriebnahmeprozess leitet und auch die Vorgaben für die Inbetriebnahme erstellt. Der Cx-Ingenieur muss unabhängig von den übrigen Projektbeteiligten sein, um die Prozesse bei der Inbetriebnahme quasi ohne eigenes Firmeninteresse vorantreiben zu können. Nur so können unnötige

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

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Verzögerungen, taktische Unzulänglichkeiten und Kompromisse von vornherein vermieden werden.

Bild 6.1.2-12. Zeitlicher Ablauf Inbetriebnahmeprozess

Bild 6.1.2-13. Zeitrahmen klassische Inbetriebnahme und Commissioning

Um am Ende feststellen zu können, ob das Gelieferte auch dem Bestellten entspricht, stellt der Cx-Ingenieur in einem der ersten Commissioning-Schritte sicher, dass die Bestellung eindeutig genug ist. Nur so kann sie später auch als Prüfgrundlage bei der Inbetriebnahme und der Abnahme verwendet werden. Die Anforderungen an das zu erbringende Werk und an den Inbetriebnahmeprozess werden hierzu in den Leistungsverzeichnissen als Lasten- und Pflichtenheft samt einen „Fahrplan“ für den Commissioning-Prozess beschrieben. Der Commissioning-Fahrplan enthält nicht nur eine Beschreibung der übergeordneten Prozessschritte, sondern auch Anforderungen an Anlagen und Systeme, die bereits in der Planung auf Basis des Energiekonzepts zu berücksichtigen sind, so z.B. Anforderungen an Fühler und Messstellen für Leistungsnachweise oder Anforderungen an die exakte Nachprüffähigkeit von GA-Funktionen. So erstellt der Cx-Ingenieur für den Nachweis der Energieeffizienz einen energetischen Ziel- und Kennwertekatalog mit Vorgaben für einzelne Anlagenkomponenten, für komplette Anlagen sowie für das gesamte geschuldete Werk. Darauf aufbauend entwickelt der Cx-Ingenieur ein Messwert- und Erfassungskonzept, mit dem in der Inbetriebnahmeund in der Betriebsphase ein Nachweis der Energieeffizienz auf Basis des Energiekonzepts durch vorgegebene Messstellen und Fühler geliefert werden kann. Dem Cx-Ingenieure kommt zudem die Aufgabe zu, die gewerkeübergreifenden Zusammenhänge für sensible und wichtige Anlagen zu erfassen und bereits in der Planung mit den Fachplanern die Verknüpfungen und Voraussetzungen, die zwischen den verschiedenen Anlagen für die Inbetriebnahme bestehen aufzuzeigen. Auf diese Weise wird vermieden, dass bei der Ausführung jedes Gewerk quasi für sich baut und am Ende feststellt, dass für die eigene Inbetriebnahme notwendige Voraussetzungen aus anderen Gewerken fehlen. Diese Verknüpfungen lassen sich beispielsweise in Form von Prozess- und Terminketten darstellen. Die Prozessketten stellen somit eine Planung der Inbetriebnahme auf Basis der ursprünglichen Energiekonzeption dar, die während des Bauprozesses gemeinsam mit den ausführenden Firmen sukzessive verfeinert wird. Die ausführenden Firmen bauen auf diesen Prozessketten auf und vervollständigen den Inbetriebnahmeablauf durch Detailinformationen aus ihrer Montageplanung. Der CxIngenieur verwendet die Pläne, um den Fortschritt der Inbetriebnahmen zu verfolgen und „parallele“ Inbetriebnahmeprozesse zu koordinieren.

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Die Reihenfolge für die Inbetriebnahmetests lässt sich grob in vier Schritte gliedern: Im ersten Schritt werden soweit möglich Werksabnahmen durchgeführt, um die grundlegende Qualität einzelner Komponenten zu sichern. Nach dem Einbau der Komponenten im Gebäude werden dann im zweiten Schritt gewerkeinterne Tests durchgeführt, um die prinzipielle Funktion der jeweiligen Anlage zu überprüfen und nachzuweisen. Den dritten Schritt stellen die gewerkeintegralen Tests dar. Hier wird die Funktion von Anlagen zusammen mit den „direkt verknüpften“ Gewerken getestet. Bei den gewerkeintegralen Tests steht dann beispielsweise bei einer RLT-Anlage Wärme und Kälte an und auch die Regelfunktionen der Gebäudeautomation können in ihren Grundfunktionen getestet werden. Im vierten und letzen Schritt erfolgen noch systemübergreifende Tests, mit denen die Gesamtfunktion des Gebäudes sichergestellt wird. Ein optimales Qualitätsniveau wird erreicht, wenn bereits ab dem 3. Schritt das Messwerterfassungs- und Monitoringsystem funktioniert und zur gezielten Analyse der Messwerte eingesetzt wird. Da auch die beste Anlage nicht im Sinne des Nutzers funktionieren kann, wenn sie nicht korrekt bedient wird bzw. werden kann, stellt der Cx-Ingenieur sicher, dass das Betriebspersonal die Anlagen auch richtig „fahren“ kann. Hierzu werden Vorgaben an die Einweisung des Betriebspersonals und an den Aufbau und den Inhalt von Betriebshandbüchern gestellt. Diese Vorgaben, die Durchführung und der Erfolg der Einweisungen und Schulungen des Betriebspersonals werden vom Cx-Ingenieur überprüft. Ähnlich wie beim „Plug and Play“ bei Computersystemen sollten auch bei Gebäuden nach der Installation bzw. Fertigstellung die einzelnen Konfigurationen bzw. Einstellungen nochmal überprüft und angepasst werden. Aus diesem Grund sollte der Cx-Ingenieur auch nach der Fertigstellung eines Gebäudes den Betrieb noch für eine gewisse Zeit begleiten, zum einen, um ggf. Mängel, die sich erst im Betrieb herausstellen schnell identifizieren zu können, zum anderen aber auch, um einen möglichst effizienten Betrieb sicherzustellen. Ein geordneter Inbetriebnahme-, Abnahme- und Übergabeprozess ist somit ein wesentlicher Faktor bei der Planung und beim Bau von nachhaltigen Gebäuden und die konsequente Vervollständigung eines ganzheitlichen Energiekonzepts. Nur wenn dieser Prozess zielgerichtet erfolgt, kann der Auftraggeber sicher sein, dass sein Gebäude den minimierten Energieverbrauch, den hervorragenden Komfort, die sehr gute Luftqualität und einen optimalen Betrieb aufweist, wie es ihm im Energiekonzept versprochen wurde. Die Bestellung wurde damit nachhaltig geliefert!

Bild 6.1.2-14. Beispiel für Prozessketten innerhalb des Commissioning Prozesses

Qualitätssicherung im Betrieb durch ein Online-Energiemanagement Als letzter Baustein eines ganzheitlichen Energiekonzepts ist sicherzustellen, dass auch in der Nutzungsphase der versprochene energieeffiziente Betrieb erreicht wird. In nachhaltigen Gebäuden sind die Systeme so aufeinander abgestimmt, dass falsche Betriebsparameter zu einem ineffizienten Betrieb und damit zu höheren Energieaufwendungen führen können. Leider bleibt oftmals die in der Energiekonzeption durch Simulationsrechnungen

6.1.2 Wechselwirkung zwischen Gebäude, Raumklimasystem und Energieerzeugung

ausgewiesene energetische Güte im späteren Betrieb hinter den Erwartungen zurück. Man könnte sogar sagen, dass eine Überprüfung der energetischen Güte im Betrieb nur in Ausnahmefällen vorgenommen wird. In den allermeisten Fällen wissen Nutzer und Betreiber nicht, wie viel Energie ihr Haus „während der Nutzung“ braucht, um den Raumkomfort sicherzustellen und ob die Versprechen aus der Energiekonzeption eingehalten werden. Speziell bei nachhaltigen Gebäuden wäre es jedoch zielführend, die Energieeeffizienz im Betrieb zu prüfen und ggf. zu optimieren. Insgesamt kann man sagen, dass der Gebäudebetrieb aufgrund fehlender oder unzureichender Instrumentierung eher auf zufriedene Nutzer/Mieter des Gebäudes als auf geringen Energieverbrauch ausgerichtet ist. Was so betrachtet kein Fehler ist, sondern nur nicht weitgehend genug. Ein strategisches Energiemanagement mit dem langfristigen Ziel, die Zufriedenheit der Nutzer/Mieter mit dem geringstmöglichen Energie- und Kosteneinsatz zu erreichen, wäre der wünschenswerte Ansatz. Leider wird so ein Ansatz heute nur in den seltensten Fällen in Angriff genommen. Üblicherweise beschränkt man sich auf eine Kontrolle der monatlichen oder jährlichen Energiekostenabrechnung auf Plausibilität oder durch einen Vergleich mit der Abrechnung des Vormonats bzw. Vorjahres. So ist bereits die Gradtagsbereinigung bei der Analyse des Heizenergieverbrauchs ein höchst wissenschaftlicher Vorgang, der nur von den wirklichen Spezialisten angewendet wird. Leider fehlt schon beim Kühlenergieverbrauch jeglicher Ansatz für eine sinnvolle Witterungsbereinigung. Auch bei der Beleuchtung und der Lüftung sind die Ansätze um wirklich ein Energiecontrolling zu betreiben äußerst mager. Wie damit die Nachhaltigkeit von Gebäuden im Betrieb nachgewiesen werden soll, oder wie geprüft werden kann, ob das Energiekonzept nur ansatzweise umgesetzt wurde, ist bei vielen Gebäuden ungelöst. Dieser Missstand ist einerseits auf die standardmäßige, unzureichende Instrumentierung der Anlagen und die zur Verfügung stehenden Werkzeuge zurückzuführen. Die Instrumentierung ist weniger auf die Analyse und Optimierung des Energieverbrauchs ausgerichtet, sondern viel mehr nur auf das Funktionieren der Einzelkomponenten. Werkzeuge für ein gezieltes Analysieren und Auswerten von Messdaten sind meist wenig nutzerfreundlich und werden deshalb nicht oder nur kaum angewendet. Anderseits fehlt es aber auch an Verfahren, die den Betreiber in die Lage versetzen, zu erkennen, ob das Gebäude und die gebäudetechnische Anlage wirklich effizient betrieben werden. In der Regel kann der Nutzer eigentlich nicht erkennen, ob dies der Fall ist, oder ob der Mehrverbrauch zum letzten Abrechnungszeitraum durch eine andere Nutzung, ein anderes Klima oder durch andere beeinflussende Faktoren ausgelöst wurde. Neben den nicht vorhandenen Werkzeugen und der unzureichenden messtechnischen Ausstattung gibt es noch einen weiteren Aspekt, wieso bei der Betriebsführung nicht alle Potenziale ausgenutzt werden, die in der Planung zum Senken des Energieaufwandes angedacht waren: Das Wissen aus der Planung und speziell aus dem Energiekonzept geht sehr oft verloren, da zwischen der Konzeption, Planung, dem Bau und dem Betrieb oftmals mehrere Jahre vergehen und die beteiligten Personen wechseln. Ein neues Werkzeug für ein strategisches Energiemanagement bei nachhaltigen, energiesparenden Gebäuden verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz. Die in der Energiekonzeption und Planung aufgebauten und eingesetzten Simulationsmodelle beschreiben das thermische Verhalten des Gebäudes und dienen als Referenz zur Analyse der realen, gemessenen Energieverbräuche des Gebäudes. Die Simulationsmodelle können hierzu parallel zum Betrieb den theoretisch erreichbaren Energieaufwand – die Referenz – aufzeigen. Durch einen Vergleich des gemessenen Energieverbrauchs mit dem bei gleichen Randbedingungen – also gleichem Klima und vergleichbarer Nutzung – berechneten Energieaufwand kann gezielt auf Energieeinsparpotenziale im Betrieb geschlossen werden. Für ein gezieltes, strategisches Betriebs- und Energiemanagement ist die Instrumentalisierung der Anlagentechnik so zu erweitern, dass Energieströme, Raumtemperaturen, Anlagenparameter etc. in möglichst kleinen, diskreten Zeitschritten erfasst und aufgezeichnet werden können. Man spricht dann von einem Messwerterfassungskonzept. Wird dies geschickt gemacht, bleiben die Mehrkosten in Grenzen und die durch ein Energiemanagement eingesparten Energiekosten übersteigen bei weitem die Aufwendungen für ein detailliertes Messwerterfassungssystem. Das Messwerterfassungskonzept ist so aufgebaut, dass Energiebilanzen möglichst geschlossen gemessen und analysiert werden können. Hierbei ist Sorge dafür zu tragen, dass die Messgenauigkeit und Fehlertoleranzen an die Messwerte angepasst werden. So ist z.B. bei der Temperaturmessung von thermisch aktiven Bauteilen aufgrund einer

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Temperaturdifferenz von ca. 2 K zwischen Vor- und Rücklauf eine höhere Messgenauigkeit erforderlich, als bei einer Heizkörperheizung mit einer Temperaturdifferenz von 20 K zwischen Vor- und Rücklauf. Des Weiteren ist auf den richtigen Einbauort für die Messstellen zu achten. Ein fehlerhafter Einbau führt schnell zu Messungenauigkeiten von bis zu 30 %. Neben dem Energietechnik-Wissen ist daher auch Messtechnik-Know-how, Simulations-Know-how und Betriebsführungs-Know-how erforderlich. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Daten kann natürlich weiter detailliert werden, sodass neben dem Energieverbrauch und dem Energieaufwand auch Betriebsparameter und einzelne anlagentechnische Zustandsgrößen gemessen, berechnet und verglichen werden können. So können Veränderungen im Betriebsverhalten, z.B. durch Verschmutzung von Anlagenkomponenten oder durch nicht zurückgeführte Wartungseinstellungen früher erkannt und beseitigt werden. Ineffizienz und Betriebsausfällen kann so präventiv entgegengewirkt werden. Bild 6.1.2-15 zeigt die aktuelle Situation bei der Betriebsoptimierung im Vergleich mit modernen Methoden zum strategischen Energiemanagement. Das Energiemanagement ist somit der letzte Baustein eines ganzheitlichen Energiekonzepts.

Bild 6.1.2-15. Moderne Methode zum Online-Energiemanagement und zum Nachweis der Energieeffizienz von Einzelkomponenten und gesamten Anlagensystem sowie zur Optimierung im Betrieb

KÖPFE

6.1.3

Energie- und Betriebsmanagement

6.1.3-1

Hausautomation und Smart Home1)

recknagel-online.de

Der intelligenten Haus- und Gebäudetechnik gehört die Zukunft. Vernetzung und Systemtechnik ist heute schon Praxis mit enormem Potenzial für die Zukunft. Erst durch den rasanten Einzug der modernen Informations- und Kommunikationstechniken, wie Internet, Ethernet, Powerline, SMS, WAP u. a. ergeben sich weitere Innovationen. Die größten Einsparungen lassen sich erreichen, wenn beispielsweise Solaranlage, Heizung, kontrollierte Wohnungslüftung, Raumtemperatur-Regelung, Wärmepumpe, Wärmerückgewinnung aus Abluft, Warmwasserbereitung, Beleuchtung, Türen und Jalousien, Verbrauchserfassung, Kesselansteuerung und Sicherheitskomponenten durch ein intelligentes System verbunden sind und zusammenwirken (Geräte und Systemkompo1)

Überarbeitet für die 78. Auflage durch Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach a. H.

6.1.3 Energie- und Betriebsmanagement

2473

nenten eines Hausautomationssystems.). Man spricht dann von einem Hausautomationssystem (Bild 6.1.3-1). Kombiniert man ein Hausautomationssystem mit den intelligenten Zählern für Gas, Wasser, Strom und Wärme in einem Haus und hat man dann noch eine Schnittstelle zum Energieversorger, so wird diese Technik unter „Smart Home“ zusammengefasst. Smart Home dient als Basis für Smart Grids, da hier der Endkunde in die Netzbetriebsführung mit einbezogen wird. Dazu müssen die Netze intelligenter werden, sie werden zu Smart Grids.

Bild 6.1.3-1. Geräte und Systemkomponenten eines Hausautomationssystems.

6.1.3-1.1

Hausautomation1)

Hausautomation ist ein Teilbereich der Gebäudeautomation und beschränkt sich im Gegensatz zur Gebäudeautomation auf den Privatwohnbereich und zielt somit auf die speziellen Bedürfnisse dieser Bewohner ab. Bei der Hausautomation stehen neben der Energieeinsparung, der erhöhte Wohnkomfort und die Sicherheit im Focus der Bewohner. Dadurch gibt es bei der Hausautomation Funktionen wie z. B. Darstellung von Hausinformationen auf dem Fernseher, die man bei der klassischen Gebäudeautomation nicht findet. 6.1.3-1.1.1

Was ist Hausautomation

Unter Hausautomation wird somit das Zusammenwirken der bislang getrennten Subsysteme Hausgeräte, Telekommunikation, Unterhaltungselektronik und Ausrüstungstechnik im Hausbereich verstanden. Bild 6.1.3-2 zeigt dazu die verschiedenen Anwendungen bzw. Bereiche innerhalb und außerhalb eines Hauses, die über die „Kommunikationstechnik“ miteinander verbunden werden: – Heizung / Klima / Sanitär 1)

Pfannstiel, D.: Energieeinsparung und Komfortverbesserung durch elektronische Einzelraumtemperaturregelungen und Hausautomationssystemen – Teil 1 bis 4. HLH 52 (2002), Nr. 1 bis 4. VDI 3812 „Assistenzfunktionen zum Wohnen – Bedarfsermittlung für Elektroinstallation und Gebäudeautomation“, 2010.

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

– – – – –

Elektroinstallation / Hausgeräte / Beleuchtungstechnik Überwachung / Sicherheit (innen und außen) Bedienung und Überwachung Zukünftige Anwendungen Telekommunikation (externe Kommunikation).

Bild 6.1.3-2. Bereiche der Hausautomation.

Wichtig ist, dass die einzelnen Systeme dabei modular und jederzeit nachrüstbar sind. So ist der Hausbewohner dann leicht in der Lage, je nach seinen Bedürfnissen, sich im Laufe der Jahre sein Hausautomationssystem nach und nach zu komplettieren. Die Plattform für das „Intelligente Haus“ bzw. für die „Haus-Automation“ ist somit die Kommunikationstechnik, die die verschiedenen Anwendungen innerhalb des Hauses miteinander verbindet. Bei der herkömmlichen Installation muss zur Realisierung einer bestimmten Funktion, z.B. einzelne oder zentrale Jalousiensteuerung in Verbindung mit Windsteuerung, erheblicher Aufwand betrieben werden. Ist eine solche Funktion installiert, lässt sie sich meist nur mit erheblichem Aufwand erweitern, z.B. Jalousiensteuerung in Verbindung mit Beleuchtungssteuerung zur Anwesenheitssimulation bei Abwesenheit. Bei der Vernetzung der Teilsysteme über ein Bus-System, Basis eines jeden Haus-Automationssystems, können alle am Bus angeschlossenen Geräte einfach miteinander kombiniert, das heißt logisch verschaltet werden. An das Bus-System im Haus können die unterschiedlichsten Geräte und Systeme angeschlossen werden: – Automatische und zeitabhängige Beleuchtungssteuerung – Einzelraumtemperatur-Regelung in Verbindung mit Stellantrieben für Heizkörperventile, Heizungsregelung – Warmwasserversorgung und Warmwasserbereitung über Sonnenkollektoren – Wohnungsbe- und -entlüftung – Haus-Innen- und -Außenüberwachung, Alarmanlage, optische und akustische Signalgeber – Fernabfrage, Fernsteuerung und Störmeldung – Hausgeräte wie Herd, Kühlschrank, Gefrierschrank, Geschirrspüler, Waschmaschine, Trockner – Hifi, Stereoanlage, TV – Elektronische Schließanlage – Glasbruch und Bewegungsmelder – PC (Home-Assistant) – Telefon, Fax, PC-Telefonwählgerät.

6.1.3 Energie- und Betriebsmanagement

2475

Sind diese Geräte an ein Bus-System angeschlossen, lassen sich diese über einfache Softwarefunktionen miteinander verschalten. Ein zusätzliches „Kabelziehen“ ist nicht notwendig. Der Vorteil ist, dass vorhandene Geräte, Sensoren oder Aktoren von verschiedenen Teilsystemen zu deren Erhöhung der Funktionalität mit verwendet werden. Die Verknüpfung des Hausautomationssystems mit den verschiedenen intelligenten Zählern für Gas, Wasser, Strom sowie Wärme im Haus und mit einer Schnittstelle zum Energieversorger eröffnen dann noch zusätzliche Möglichkeiten. Diese neue Technik wird unter dem Begriff „Smart Home“ zusammengefasst. 6.1.3-1.1.2

Hausautomationssysteme

In Bild 6.1.3-3 ist ein funkbasiertes Hausautomationssystem mit Full-Service dargestellt. Mit dem Hausautomationssystem assisto wird die gesetzlich geforderte Verbrauchserfassung mit Einzelraum-Temperaturregelung und weiteren Anwendungsmöglichkeiten verknüpft. In das System eingeschlossen sind die Regelung von Fußbodenheizungen, die Steuerung von Heizkesseln sowie die Fernbedienung über Mobiltelefon oder PC / Internet – alles auf Basis der Funktechnik. Durch die Funktechnik entfällt das aufwendige Verlegen von Kabeln innerhalb der Wohnung bzw. des Hauses.

Bild 6.1.3-3. Funkbasiertes Hausautomationssystem „assisto“ (Techem Energy Services GmbH)

Deshalb ist assisto bestens geeignet auch für den Bestandswohnungsbau, d.h. für die Nachrüstung in bestehenden Gebäuden. Gesteuert werden sämtliche Komponenten wie Regler, Sensoren u.a. über die Wohnungs- und Hauszentrale (WHZ), das Herz und Hirn des Gesamtsystems (Bild 6.1.3-4). Sie verwaltet die einprogrammierten Temperaturwünsche der Nutzer, liefert die aktuellen Informationen über Energie- und Wasserverbrauch, bietet Periodenvergleiche, kontrolliert die Systemkomponenten und bedient die Datenzentrale zur jährlichen Verbrauchsauslesung außerhalb der Wohnung. Dafür werden Verbrauchsmengen bzw. Zählerstände in Halbmonatsintervallen rückwirkend für 18 Monate bereitgehalten. Heizkörperregler, Erfassungs- und Sicherheitskomponenten arbeiten mit Batterien, in Verbindung mit der funkbasierten Kommunikation ist dadurch die Installation einfach, schnell und kostengünstig möglich. Die assisto-Komponenten kommunizieren alle im 868-MHz-Band. Über das Funknetz innerhalb eines Mehrfamilienhauses ist es möglich anonymisierte Informationen über den aktuellen Wärmebedarf zwischen allen Wohnungszentralen auszutauschen. Die bedarfsgeführte Heizkreisregelung dient dazu, die vom Heizsystem bereitgestellte Wärme dem aktuellen Wärmebedarf des Gebäudes anzupassen. Zu diesem Zweck werden in der assisto Wohnungszentrale aus bis zu vier Funknetzen aus den Ventilhubstellungen und den Ist-Temperaturen der zugeordneten Heizkörperregler bzw. der Fußbodenheizungssteuerungen stetig wohnungsweise Wärmeversorgungszustände für jeden separat regelbaren Gebäudeheizkreis

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

berechnet. Die Heizkreisversorgungszustände werden zwischen den Wohnungs-WHZ ausgetauscht und resultierend zu der Master-WHZ übertragen. Aufgabe der MasterWHZ ist es aus den wohnungsweisen Heizkreisversorgungszuständen für jeden separat regelbaren Gebäudeheizkreis einen gemittelten Wärmeversorgungszustand zu generieren und diesen an die Kesselansteuerung bzw. an das Wärmeleistungsadaptionsmodul für Fernwärmeanlagen zu übertragen. Die Kesselansteuerung bzw. das Wärmeleistungsadaptionsmodul vergleichen den Ist-Heizkreisversorgungszustand mit dem parametrierbaren Sollwert des Wärmeversorgungszustandes und erzeugen ein Signal zur Korrektur des Vorlauftemperatursollwertes entweder für den Heizkessel oder für die Wärmeübergabestation mit elektronischem Regler.

Bild 6.1.3-4. Wohnungs- und Hauszentrale WHZ (Techem Energy Services GmbH)

Das Zusammenwirken der assisto-Funktionen Einzelraum-Temperaturregelung und bedarfsgeführte Heizkreisregelung erschließt im Mehrfamilienhaus somit ein zusätzliches Energie-Einsparpotential. Die assisto-Wohnungszentrale kann über eine einfach zu bedienende und komfortable Web-Bedienoberfläche von jedem Ort der Welt fernbedient und konfiguriert werden, an dem eine Zugangsmöglichkeit ins Internet besteht (Laptop, Internetcafe, Arbeitsplatz). Funktionen, die speziell für den mobilen Benutzer interessant sind, können über SMS fernbedient werden (Lifestyles). Ein anderes Hausautomationssystem zeigt Bild 6.1.3-5. Das zentrale Bediengerät des Hometronic-Systems ist der „Hometronic-Manager“. Das System arbeitet drahtlos über Funk und lässt sich ohne kostenintensive Verkabelung flexibel einbauen. Da es sich nach dem Baukastenprinzip zusammensetzt, eignet es sich besonders für die Nachrüstung, den Fertigbau und Neubau. Mit seiner Hilfe können die Beleuchtung an- und ausgeschaltet oder gedimmt, Rolläden, Markisen und Hausgeräte gesteuert sowie die Heizkörper und die Fußbodenheizung geregelt werden. Auch der Wasserhaupthahn lässt sich je nach Bedarf automatisch schließen bzw. öffnen. Fernablesen der Wärmeverbrauchsdaten, der Verbrauchsdaten wie Strom und Gas sowie Warm- und Kaltwasser ist möglich. Weiterhin kann das funkgesteuerte System auch alle handelsüblichen Alarmanlagen und Warnmelder mit einbinden. Damit lassen sich Gefahren wie Feuer, Einbruch, Unwetter und Geräteschäden wirksam vorbeugen. Hierfür lassen sich Feuchte- oder Leckagesensoren, Alarm- oder Sprenkelanlagen oder Warnsignale mit einbinden. Für die Wohnraumbelüftung können bis zu 16 Ventilatoren des Wärmerückgewinnungssystems angesteuert werden. Diese erfolgt mit je drei Stufen zeit- und temperaturabhängig. Möglich ist dies für Anwendungen mit zentralen und dezentralen (raumweisen) Lüftungssystemen. Die Kombination aus Einzelraumregelung und Lüftung eignet sich besonders für die Belüftung von Niedrigenergiehäusern. Dort fehlt den zunehmend besser gedämmten Räumen der früher übliche natürliche Luftwechsel.

6.1.3 Energie- und Betriebsmanagement

2477

Die Hometronic-Komponenten kommunizieren auf der 868 MHz-Frequenz. Zur Vermeidung von Störungen durch Fremdsender hat jede Hometronic-Komponente eine Seriennummer, die Bestandteil des Datenübertragungsprotokolls ist. Damit ist sichergestellt, dass das betreffende Empfängermodul nur auf sein zugeordnetes Sendemodul reagiert und die Anweisung korrekt ausführt. Diese Technik sorgt dafür, dass somit Fremdeinwirkungen nicht zu Schaltbefehlen werden. Die Sendeleistung zur Funkkommunikation ist mit ca. 1 Milliwatt so ausgelegt, dass zum einen nur unwesentliche Strahlungen vorhanden sind und zum anderen eine sichere Datenübertragung in Wohngebäuden gewährleistet ist.

Bild 6.1.3-5. Hausautomationssystem„Hometronic“ (Honeywell).

Ein weiteres Hausautomationssystem zeigt Bild 6.1.3-6. Vorhandenen Funk- und DrahtSysteme wurden zu dem „Synco living“ Hausautomationssystem vernetzt. Diese Systeme lassen sich dabei einfach in ein Gesamtsystem integrieren, da die Drahtanbindung und auch die Funkschnittstelle (868 MHz bidirektional) auf dem Konnex-Standard beruhen. Elektro- und Sicherheitsanwendungen auf der Basis von Konnex werden direkt über Draht mit der zentralen Bedieneinheit verbunden und von dort über Universaltasten, so genannten Hotkeys, bedient. Direkt anschließbar sind auch die Elektrokomponenten aus dem Gamma-Wave-Programm von Siemens, wie Jalousiensteuerung, Schalteinsatz, Dimmer, Lichtschalter, Rauchmelder und Fensterkontakte. Auch abgesetzte Taster sowie der Handsender S425 zum Schalten von Licht können eingebunden werden. Weiterhin ist eine Funk-Kommunikation mit den Geräten aus der Synco-900 und dem Hager tebis TX Funk-Sortiment möglich. Durch die Draht-Schnittstelle zu Konnex via S-Mode lassen sich weitere Funktionen einbinden, beispielsweise die Weiterschaltung von Türsprechanlagen oder die Videoüberwachung. Weiterhin lassen sich in das System auch elektronische Heizkörperventile mit nutzerorientierter Raumtemperaturregelung einbinden. Geöffnete Fenster werden vom System sofort erkannt und an die Bedienzentrale gemeldet, auf dem Display visualisiert und an das betroffene Regelventil weitergemeldet, das dann zeitlich begrenzt seinen Regelalgorithmus ändert. Die Fensterkontakte dienen aber nicht nur zur Einsparung von Energie, sondern übernehmen auch Sicherheitsfunktionen. Die Wärmeanforderungen der einzelnen Räume werden von der Wohnungszentrale gesammelt und entweder über Draht-Bus oder Wärmebedarfsrelais oder über einen 0 bis 10 Volt-Ausgang des Heizkreisregler RRV912 an den Wärmeerzeuger gegeben. Weiterhin können auch meteorologische Daten wie z.B. Außentemperatur und Luftdruck in Verbindung mit dem Meteofühler QAC910 dargestellt sowie die Wettertendenz (schön, veränderlich, schlecht) angezeigt werden. Die Möglichkeit, auch Funktionen aus den Bereichen Sicherheit, Einbruchmeldung und Rauchdetektion zu integrieren, runden das System ab. Alarme lassen sich sowohl auf Handy, PC und Fax oder optional auch auf die Zentralen von Sicherheitsdiensten übertragen.

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2478

6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Bild 6.1.3-6. Hausautomationssystem „Synco living“ (Siemens Building Technologies)

6.1.3-1.2

Smart Home

Unter Smart Home versteht man die Verknüpfung des Hausautomationssystems mit den intelligenten Zählern (Smart Meter) im Haus und einer Schnittstelle zur bidirektionalen Kommunikation mit dem Energieversorger (Smart Grid), die eine Steuerung der Geräte im Haus zulässt und über die auch Informationen in das Haus geliefert werden (z.B. Tarifinformationen). 6.1.3-1.2.1

Smart Metering

Ein „intelligenter“ Zähler (auch Smart Meter genannt) ist ein Zähler für Energie, der dem jeweiligen Anschlussnutzer den tatsächlichen Energieverbrauch und die tatsächliche Nutzungszeit anzeigt. Modellabhängig können intelligente Zähler die erfassten Daten auch automatisch an das Energieversorgungsunternehmen übertragen. Neben dem Einsatz von intelligenten Zählern zur Messung des Stromverbrauchs ist es auch möglich, in einem Haushalt die anderen Verbräuche wie z.B. Wasser, Gas und Wärme intelligent zu erfassen. Für diese Erfassung wird ein Energiedaten-Gateway (Bild 6.1.3-7 rechts) benötigt. Energiedaten-Gateway oder MUC (Multi-Utility-Communication) sind Begriffe für einen neuen Kommunikationsstandard, der den geräteunabhängigen Informationsaustausch zwischen Endkunden und Netzbetreiber ermöglicht und die Daten einzelner oder der verschiedenen Energiehaushaltszähler sammelt und dann diese z.B. an den Energieversorger oder an ein Gerät bzw. Display im Haus zur Visualisierung der Energieverbräuche (Bild 6.1.3-7 links) weiter gibt.

Bild 6.1.3-7. Links: EnergieDisplay, rechts: EnergieDaten-Gateway (Busch-Jäger).

6.1.3 Energie- und Betriebsmanagement

2479

Abrechnungsrelevante Daten können über unterschiedliche Schnittstellen direkt via GSM, DSL, Powerline oder einfach per Funkanbindung im Haus abgerufen werden. Ethernet wird als Datenschnittstelle mit angeboten, um die direkte Verbindung mit entsprechenden Control-Panels im Haus herzustellen. So lassen sich nicht benötigte Hausgeräte entweder manuell, oder automatisch in Abhängigkeit vom Preis oder Verbrauch einfach schalten. Hinter den intelligenten Zählern steckt auch der Ansatz der Energieversorger variable Leistungsentgelte in Abhängigkeit von der Gesamtnachfrage und Netzauslastung erheben zu können. Damit wollen die Energieversorger das Netz und die vorhandene Kraftwerkinfrastruktur besser ausnutzen, um eventuell Investitionen für einen Spitzenlastausbau zurückstellen zu können. Vorteile von einem Smart Metering sind: – Bessere Datenbasis. – Möglichkeit der Fernabschaltung und Fernablesung. – Energieeffizienz. – Flexible Tarife. – Power-Quality. – Basis für Smart-Grids – Weitere mögliche Dienstleistungen. Wer entsprechende Sparpotenzial ausschöpfen möchte, sollte Smart Metering mit der intelligenten Haustechnik (Hausautomation) kombinieren. Der Smart Meter kann dann Daten über die Eigenerzeugung von Strom (z.B. durch eine Photovoltaik-Anlage), über Energiebezug, Tarifstruktur und anderes liefern. Im so ausgestatteten intelligenten Haus stellt er alle wichtigen Informationen bereit, um ein bedarfsgerechtes und kostenoptimiertes Hausgerätemanagement vorzunehmen. Der Smart Meter eignet sich auch als Signalgeber für die Wärmepumpe, da in Zeiten niedriger Tarife der Warmwasserspeicher dann durch die Wärmepumpe kostengünstig aufgeladen werden kann. Die Zähler bringen standardisierte Kommunikationsschnittstellen mit, die einen Datenaustausch über ein Haus-Bus-System ermöglichen. Sie erlauben damit auch einen kostenoptimierten und energieeffizienten Einsatz von Hausgeräten wie Waschmaschine, Trockner, Geschirrspüler, Gefrier- und Kühlschrank oder einer Wärmepumpe. Voraussetzung dabei ist, dass diese Geräte ebenfalls mit dem Hausautomationssystem kommunizieren können. Der Smart Meter kann darüber hinaus als Baustein eines künftigen intelligenten Stromnetzes, des Smart Grids, dazu beitragen, Netzstrukturen zu entlasten, Energieproduktion und Energieverbrauch optimal aufeinander abzustimmen und erneuerbare Energie bestmöglich zu nutzen. 6.1.3-1.2.2

Smart Grids1)

Unter Smart Grid (Intelligentes Stromnetz) versteht man die Erweiterung des traditionellen Stromnetzes durch eine bidirektionale Kommunikation zur Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischer Verbraucher und Netzbetriebsmittel in Energieübertragungs- und Energieverteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. Erst die Integration aller Wertschöpfungsstufen, vom Erzeuger über den Netzbetreiber und Speicher hin zum Kunden, ermöglicht eine intelligente Steuerung der zentralen sowie dezentralen Einspeisung sowie eine Optimierung und Überwachung der miteinander verbundenen Systemen. Der Trend geht heute weg von den Stromnetzen mit zentraler Stromerzeugung und hin zu dezentralen Erzeugungsanlagen sowohl bei der Erzeugung aus fossilen Brennstoffen durch kleine KWK-Anlagen (Mikro-KWK) als auch bei der Erzeugung aus erneuerbaren Quellen, wie bei Photovoltaik-, Windkraft- oder Biogasanlagen. Im Bereich der Lastregelung, der Spannungshaltung im Verteilnetz und zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität führt dies zu neueren und auch komplexeren Strukturen, da dezentrale Erzeugeranlagen auch direkt in das Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen, im Gegensatz zu den mittleren bis größeren Kraftwerken.

1)

Segbusch, K.; Struwe, C.: Smart Home als Basis für Smart Grids. etz (2010), Nr. 9.

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6. Energiekonzepte / 6.1 Allgemeines

Mit Hilfe der intelligenten Netze lassen sich Zustandsinformationen und Lastflussdaten aus Erzeugungsanlagen, Verbrauchern (Haushalte, Gewerbe, Industrie) oder Transformatorenstationen in Echtzeit abrufen und verarbeiten, um damit das Stromnetz effizienter zu steuern. Ein intelligentes Netz bezieht in sein Netzmanagement neben Produktionsanlagen auch die größeren Verbraucher wie Wärmepumpen, Warmwasserspeicher, Tiefkühler, Autobatterien und noch andere Verbraucher mit ein. Ziel der Stromnetzbetreiber ist es heute schon, stets nur so viel Strom zu produzieren, wie gerade benötigt wird. Bei der Steuerung intelligenter Stromnetze müssen die Verbraucher als auch die dezentralen kleinen Energielieferanten und Energiespeicherorte mit einbezogen werden, um auch inhomogene Erzeuger, wie z.B. Windkraft, Photovoltaik und die Verbraucher besser integrieren zu können. Nur damit kann sichergestellt werden, dass ein zeitlich und räumlich homogener Verbrauch entsteht. Durch variable Tarife wird zudem ein Anreiz für den Verbraucher geschaffen den Bedarf an Strom zu Spitzenlastzeiten zu reduzieren, um so die tageszeitbasierten Schwankungen zu glätten. Diesen Preisvorteil kann der Verbraucher aber nur dann erzielen, wenn er auch die entsprechenden Geräte hat, die automatisch während den Niedrigtarifzeiten arbeiten, wie z.B. Elektroboiler zum Heizen, Waschmaschinen oder Geschirrspüler. Die modernen Systeme können flexibler und intelligenter arbeiten, als die vor Jahrzehnten realisierten Systeme in Verbindung mit festen Nachttarifen bei Nachtspeicheröfen. Bedingt durch die wachsende Anzahl von Elektrofahrzeugen entsteht in Zukunft auch eine Möglichkeit Strom temporär zu speichern, um so Schwankungen noch deutlicher neutralisieren zu können. Im klassischen, unidirektionalen System galt die Speicherung von Strom als nur bedingt effizient und sehr kostenintensiv.

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

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6.2

Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

6.2.1

Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften1)

Ein großes Einsparpotential an fossilen Energien liegt im Immobilienbestand. Durch gewachsene Strukturen werden große Liegenschaften oft nicht optimal betrieben und haben daher einen hohen Energieverbrauch. Ein liegenschaftsübergreifendes Energiekonzept bietet daher große Optimierungsmöglichkeiten. Bei einer Sanierung und Erweiterung einer Liegenschaft wird dieses Potenzial aufgegriffen und ein ganzheitliches Energiekonzept von der Planung bis zum Energiemanagement im Betrieb aufgesetzt. In dem Verwaltungsgebäude müssen die technischen Anlagen nach Ablauf der Wartungsverträge ausgetauscht und auf den neuesten technischen Stand gebracht werden. In diesem Zuge ist es auch angedacht, die Gebäudehülle zu ertüchtigen, um die thermische Behaglichkeit in den Büroräumen zu erhöhen und den Primärenergieverbrauch soweit wie möglich zu senken. Zudem wird das Verwaltungsgebäude um ein angrenzendes Logistikzentrum erweitert und ein gemeinsamer Energieverbund geschaffen. Die Entwicklung eines energieeffizienten Gebäudes beginnt mit der Minimierung des Energiebedarfs. Danach wird die Energieversorgung detailliert unter ökologischen und nachhaltigen Gesichtspunkten betrachtet und zuletzt sichert eine Betriebsüberwachung in Kombination mit einem Energiemonitoring den energieeffizienten Betrieb. In Bild 6.2.1-1 sind die Maßnahmen für das Verwaltungsgebäude zusammengestellt. Energiebedarf minimieren

Ökologische Energieversorgung

Energieeffizienter Betrieb

• Solare Lasten limitieren durch g-Wert Anpassung • Effizienter außenliegender Sonnenschutz • Gut isolierte Gebäudehülle, Verwendung von Wärmeschutzdreifachglas • Tageslichtnutzung und energieeffizientes Beleuchtungskonzept • Energieeffiziente Haustechnik

• Nutzung von Abwärme zum Heizen • Thermische Aktivierung der Gebäudemassen und konsequente Ausnutzung von Nachtkühlung • Wärmerückgewinnung in den Lüftungsanlagen und adiabate Abluftbefeuchtung • Einsatz regenerativer Energien

• Qualitative Inbetriebnahme • Energienormung • „Green Behaviour“

Bild 6.2.1-1 Bausteine für die Entwicklung eines energieeffizienten Gebäudes.

6.2.1-1

Systemvoraussetzung (Wärme-, Kälte- und elektr. Energiebedarf)

In dem 1995 errichteten Verwaltungsgebäude sind 2000 Arbeitsplätze und eine Küche mit angrenzendem Restaurant untergebracht. Die Räume werden maschinell belüftet und mit Unterflurkonvektoren beheizt. Sonderbereiche wie Sitzungszimmer und EDVRäume werden zusätzlich mit Umluftkühler gekühlt. Gemäß dem damaligen Standard wird die Heizung mit Vor-/Rücklauftemperaturen von 70/50 °C und der Kältekreis mit 6/ 12 °C betrieben. Das in unmittelbarer Nachbarschaft angrenzende Logistikgebäude gliedert sich in einen An-/ und Auslieferungsbereich sowie in ein Zentralgebäude. Das Gebäude ist vollklimatisiert und mit einem Niedertemperaturheizsystem (Vor-/Rücklauf 40/34 °C) und einer 1)

Neu erstellt für die 77. Auflage von Dr.-Ing. Michael Schwarz, Stuttgart.

6

2482

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Hochtemperaturkühlung (17/20 °C) ausgestattet. Die Entfeuchtung der Luft wird mit einem zweiten Kältekreis (6/12 °C) realisiert. Die Forderung an eine hohe Versorgungssicherheit und die Tatsache, dass der Untergrund für eine geothermische Nutzung nicht geeignet ist, führt zu der Überlegung, eine Energieversorgung auf Basis einer Kraft-Wärme-Kältekopplung mit einem Blockheizkraftwerk in Verbindung mit Absorptionskältemaschinen aufzubauen, um so die Energie- und Betriebskosten zu senken und damit einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Wichtigster Bestandteil dieser Maßnahmen ist ein modernes gewerkeübergreifendes Energiemanagement unter Einbindung von günstigen Speichertechniken für Wärme und Kälte, um den Energiebezug aus den teuren Spitzenlastzeiten in günstige Schwachlastzeiten zu verschieben und die Anlagentechnik so effizient wie möglich einzusetzen.

6.2.1-2

Bedarfsanalyse (Leistungsbilanz/Lastgangkennlinien)

In Tafel 6.2.1-1 sind die Energie- und Leistungsbedarfe des Energieverbunds – Verwaltungsgebäude und Logistikzentrum – zusammengestellt. Da die Bürobereiche einen großen Anteil am Energieverbrauch darstellen, werden diese vor der Erstellung des Energieversorgungskonzepts auf zusätzliche Energieeinsparpotentiale untersucht.

Nutzungsbereiche

375

12.167

68.378 34.650 68.378

Optimierung Raumklimakonzepte Büro

Energieverbund nach Optimierung

2.261 4.196

4.361

1.383

6.424

1.211

10.487

Summe

506

3.968

Auslieferung

193

1.211

0

1.211

512

2.968 3.551

Anlieferung

Zentralgebäude

6.300

3.445

4.365 6.300

34.650 57.891

6.424

331

160

1.186

459

333

333

479

102

694

870

398

96

158

3.735

176

1.424

399

73

925

172

1.043

Energieverbund Bestand

Logisitkzentrum

Summe

Büros

Poststelle

Sitzungszimmer

Küche

Kantine und Caféteria

Eingangshalle

Archiv

Wärme 40/34 °C

Kälte 6/12 °C

Kälte 10/16 °C

Strom

169

1.928

0

1.928

1.928

1.069

691

3.776

1.767

3.465

451

289

104

59

3.014

1.457

185

657

37

292

262

0

0

124

1.492

628

997

487

354

131

2

510

133

57

105

99

27

66

0

0

24

391

1.488

0

1.488

1.488

601

495

135

1.030

0

1.030

1.030

668

227

1.681

327

2.274

553

303

139

111

1.721

965

48

130

166

81

36

226

13

57

5.571

676

7.132

2.373

1.411

573

389

4.759

2.236

184

603

349

349

179

620

67

173

LeisEnergie LeisEnergie LeisEnergie LeisEnergie LeisEnergie tung kW MWh/a tung kW MWh/a tung kW MWh/a tung kW MWh/a tung kW MWh/a

Wärme 70/50 °C

2.068

m2

Fläche

Energie- und Leistungsbedarf des Verwaltungsgebäudes und des Logistikzentrums vor und nach der Optimierung der Raumklimakonzepte der Büros.

Verwaltungs- Werkstätten und Technik gebäude Sozialräume

Gebäude

Tafel 6.2.1-1

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften 2483

6

2484

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Die Optimierungsschritte werden anhand einer thermischen Simulation analysiert. Folgende Maßnahmen werden für die Senkung des Energiebedarfs im Bürobereich ergriffen: – Optimierung der Beleuchtung und der inneren Lasten, – Verminderung der äußeren Lasten durch bessere Fassade, – Aktivierung der thermischen Massen (Wechsel von Heizkörper (HK) auf thermische Bauteilaktivierung (TBA)), – Einsatz adiabater Abluftbefeuchtung, – Einsatz freier Kühlung über Rückkühlwerke (RKW), – Einsatz von Fensterlüftung bei moderater Außentemperatur. In Tafel 6.2.1-2 sind die technischen Daten der Maßnahmen zusammengefasst. Tafel 6.2.1-2

Kennwerte der Optimierungsmaßnahmen (HK Heizkörper, TBA Bauteiltemperierung und RKW Rückkühlwerke).

Maßnahmen

Bestand

Var 1

Beleuchtung

W/m2

20

10

Innere Lasten PC, Drucker

W/Stck

140

25

Fassade g-Wert

–

0,6

0,6

0,4

Fassade U-Wert

W/m2K

1,7

1,7

0,6

Wärmeübergabesystem

Bez.

HK

HK

TBA

Luftwechsel n

1/h

2,5

2,5

1,5

adiabate Abluftbefeuchtung

Var 2

Var 3

Var 4

Var 5

x

freie Kühlung über RKW Fensterlüftung 16–24 °C

x x

Mit diesen Optimierungsschritten kann der Primärenergiebedarf der Bürobereiche von 220 kWh/m2a um rd. 68 % auf 70 kWh/m2a reduziert werden. In Bild 6.2.1-2 ist die Primärenergieeinsparung der Optimierungsschritte dargestellt.

Bild 6.2.1-2. Primärenergiebedarf der Varianten für die Raumklimakonzepte.

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

2485

Im zweiten Schritt werden die Lastgangkennlinien der Nutzungsbereiche ermittelt. Sofern keine detaillierten gemessenen Daten vorliegen, werden diese mit einem Simulationsprogramm ermittelt und mit dem gemessenen Jahresverbrauch abgeglichen. In Bild 6.2.1-3 sind die Lastgangkennlinien exemplarisch für die Büros, Küche/Cafeteria und Sitzungszimmer dargestellt.

Büroräume

Küche und Cafeteria

Bild 6.2.1-3. Simulierter Energiebedarf für unterschiedliche Nutzungsbereiche.

Die Lastgangkennlinien der einzelnen Nutzungsbereiche werden je Gebäude zusammengefasst und beschreiben dessen zeitabhängigen Energiebedarf, Bild 6.2.1-4.

Verwaltungsgebäude

Logistikzentrum

Bild 6.2.1-4. Energiebedarf des Verwaltungsgebäudes und Logistikzentrums.

6.2.1-3

Systemauswahl

Die Lastgangkennlinie des Energieverbunds setzt sich aus den Bedarfen der beiden Gebäude und aus dem Wärmebedarf der Absorptionskältemaschinen zusammen. Mit der geordneten Kennlinie lassen sich die BHKW-Module so bemessen, dass die einzelnen Module möglichst lange Laufzeiten aufweisen. Die kurzzeitig auftretenden Leistungsspitzen werden mit einem Gas-Brennwertkessel abgedeckt, Bild 6.2.1-5.

Bild 6.2.1-5. Lastgangkennlinie und geordnete Jahresdauerkennlinie des Energieverbunds.

Die Energieerzeugung mit einem gasbetriebenen BHKW ist hocheffizient und erzielt eine drastische Senkung des Primärenergieaufwands im Vergleich zu einer konventionellen Energieerzeugung mit Gasbrennwertkessel. Um den Primärenergieaufwand noch weiter zu reduzieren, wird auf dem Dach des Verwaltungsgebäudes und über dem Parkplatz zusätzlich eine 21000 m2 große Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 2 MWp zur Stromerzeugung eingesetzt. Bei Stromüberschuss wird der Strom in Form von Kälte

6

2486

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

in einem Eisspeicher gespeichert. So kann sichergestellt werden, dass der selbsterzeugte Strom nahezu vollständig genutzt werden kann. Zusätzlich wird ein Sprinklervorratsbehälter, der im Zuge der Sanierung umgebaut werden muss, auf 1000 m3 vergrößert und für den Einsatz als Kaltwasserspeicher hydraulisch ertüchtigt. In Bild 6.2.1-6 ist das Energieversorgungskonzept schematisch dargestellt.

Bild 6.2.1-6. Schematische Darstellung des Energieerzeugungskonzepts.

6.2.1-4

Hydraulische Konzeption

Bei der Konzeption des Energiekonzepts wird konsequent alle Abwärme der Anlagen genutzt und die Umweltenergie so gut wie möglich eingebunden. Dazu werden den Anforderungen entsprechende Temperaturschienen für die Wärme- und Kälteerzeugung realisiert. Dies ermöglicht die Nutzung der Abwärme der Kältemaschinen für die Heizung und den Einsatz der freien Kühlung über die Rückkühlwerke für die Kühldecken und Fußbodenkühlung sowie für den Energieverbund. Dies ist besonders effizient, da hierbei die niederen Umgebungstemperaturen in den Nachtstunden für die Ladung des Kaltwasserspeichers genutzt werden können, Bild 6.2.1-7. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit werden die Temperaturschienen miteinander verbunden, sodass diese sich gegenseitig unterstützen können. Inwieweit sich ein Sprinklervorratsbehälter als Kaltwasserspeicher eignet, wird anhand einer Strömungssimulation untersucht. Hierbei zeigte es sich, dass die hydraulische Einbindung des Zu- und Ablaufs von zentraler Bedeutung ist. Aufgrund der geringen Dichteunterschiede des Kältekreismediums muss dabei auf eine impulsarme Einströmung geachtet werden. Die besten Ergebnisse der Strömungsanalyse konnten mit Quellwasserauslässen im Bodenbereich des Speichers erzielt werden. Nach Fertigstellung und Inbetriebnahme des Speichers, wird der Speicherbetrieb und der Ladezustand anhand von Temperatursonden überwacht. In Bild 6.2.1-8 sind der Speicher und dessen Temperaturmessstellen schematisch dargestellt. Das Lade- und Entladeverhalten des Speichers ist im Bild 6.2.1-9 dargestellt. Das zeitverzögerte Abfallen der Temperatur in den unterschiedlichen Höhen des Speichers während des Ladevorgangs und das Ansteigen der Schichtentemperatur bei der Entladung zeigt, dass die Temperaturschichtung im Speicher stabil ist und die Schichten sich nicht vermischen.

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

2487

Bild 6.2.1-7. Hydraulische Konzeption des Energieerzeugungskonzepts.

Bild 6.2.1-8. Schema des Sprinklervorrratsbehälters als Kaltwasserspeicher.

Bild 6.2.1-9. Lade- und Entladevorgang des Kaltwasserspeichers.

6.2.1-5

Konzeption der Regelung und Steuerung

Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Systeme im Energieerzeugungskonzept ist komplex und erfordert sehr genaues Detailwissen. Deshalb werden die Systeme in einer Anlagensimulation abgebildet und die Betriebsweise mit den ermittelten Lastgängen analysiert. Dieses Werkzeug ermöglicht, Steuerungskonzepte für unterschiedliche Be-

6

2488

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

triebsführungen zu entwickeln und dient später für das Energiemanagement als Referenz für die Betriebsoptimierung. In Bild 6.2.1-10 ist exemplarisch die Betriebsweise der Kälteerzeugung dargestellt. Die Kälteversorgung erfolgt über die Absorptionskältemaschinen und über die Kältespeicher. Bei steigendem Kältebedarf werden zuerst der Kaltwasserspeicher und danach der Eisspeicher entladen. Nachts bei geringem Kältebedarf laden die Kältemaschinen die Speicher wieder auf. Diese Betriebsweise führt zu einem gleichmäßigen Betrieb und Auslastung der Absorptionskältemaschinen und der BHKWs mit langen Laufzeiten.

Bild 6.2.1-10. Simulierter Betriebsweise der Kälteversorgung.

Das Steuerungskonzept ermöglicht zudem, auf unterschiedliche Situationen wie Hitzeperiode, Kühl- oder Heizfall optimal zu reagieren. In Bild 6.2.1-11 ist das Steuerungskonzept für diese Fälle dargestellt.

Bild 6.2.1-11. Steuerungskonzept für die Kälteversorgung.

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

6.2.1-6

2489

Ökonomische und ökologische Analyse

Für die Auswahl eines Energiekonzepts werden meist die ökonomischen und ökologischen Aspekte als Entscheidungskriterium herangezogen. Der Energiebedarf wird aus den Simulationsberechnungen ermittelt. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung wird gemäß VDI 2067 durchgeführt. Diese basiert auf der Ermittlung von Normalkosten und einer angenommenen Preissteigerung. Daraus werden die für die Berechnung der Annuitäten erforderlichen preisdynamischen Annuitätsfaktoren ermittelt. Um der momentan vorherrschenden und in Zukunft zu erwartenden Entwicklung der Energiepreise Rechnung zu tragen, wird hierfür ein Preissteigerungsfaktor von 6 % angewendet, Tafel 6.2.1-3. Tafel 6.2.1-3

Preissteigerungsfaktoren für VDI 2067.

Wirtschaftlichkeitsanalyse nach VDI 2067 Betrachtungszeitraum

25 Jahre

Zinssatz

5%

kapitalgebundene Zahlungen

2%

verbrauchsgebundene Zahlungen (Energie)

6%

betriebsgebundene Zahlungen

2%

sonstige Zahlungen

2%

Zahlungen für Instandsetzungen

2%

Einzahlungen

2%

Die Strompreisentwicklung spielt bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine tragende Rolle. Insbesondere bei der Eigenstromerzeugung mit BHKWs muss die Zusammensetzung des Preises sehr detailliert betrachtet werden. In Bild 6.2.1-12 sind die Zusammensetzung des Strompreises und der Steuern und gesetzlichen Abgaben dargestellt.

6 Bild 6.2.1-12 Zusammensetzung des Strompreises.

2490

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Besonders bemerkenswert hierbei ist die Entwicklung der EEG-Umlage, Bild 6.2.1-13, die in den letzten fünf Jahren eine Steigerung um ca. 450 % erfahren hat und im Jahr 2014 mit 6,24 ct/kWh etwa 26,9 % des Nettostrompreises ausmacht.

Bild 6.2.1-13 Entwicklung der EEG-Umlage 2003 bis 2014.

Bei der Stromerzeugung mit BHKWs werden zusätzliche Förderungen gewährt, wobei eine detaillierte Unterscheidung zwischen Eigenverbrauch und Netzeinspeisung getroffen werden muss. Tafel 6.2.1-4

Vergütungen für BHKW-Strom.

BHKW

Eigenverbrauch

Einspeisung

Einspeisungsvergütung

[ct/kWhel]

–

wird gezahlt

Zuschlag nach KWK-Gesetz

[ct/kWhel]

wird gezahlt

wird gezahlt

Vermiedene Netznutzungsentgelte (vNNE)

[ct/kWhel]

–

wird gezahlt

[ct/kWh-

wird erstattet

wird erstattet

Energiesteuer Erdgas

Gas]

PV EEG-Vergütung

Eigenverbrauch [ct/kWhel]

–

Einspeisung wird gezahlt

Es werden folgende vier Varianten untersucht: 1. Brennwertgaskessel (BWK) mit Kompressionskältemaschinen (KKM), 2. BHKW mit Absorptionskältemaschinen (AKM) und freie Kühlung (FK) mit Nutzung des erzeugten Stroms, 3. BHKW mit AKM, FK und Photovoltaik (PV) und Nutzung des erzeugten Stroms, 4. wie Variante 3, jedoch vollständige Netzeinspeisung des erzeugten Stroms. Die Ergebnisse der Variantenuntersuchung sind in Tafel 6.2.1-5 zusammengestellt. Die Variante 3 mit Kraft-Wärme-Kältekopplung und einer Photovoltaikanlage erzielt die niedrigsten Baunutzungskosten, da die hohen kapitalgebunden Kosten durch die niedrigen verbrauchsgebunden Kosten kompensiert werden. Dies ist darin begründet, dass beim Strombezug hohe steuerliche Aufschläge (EEG etc.) hinzukommen, die beim Eigenverbrauch eingespart werden können. Die Amortisationszeit liegt bei rund 4 Jahre. Eine vollständige Einspeisung des Stroms in das öffentliche Netz ist weniger wirtschaftlich, da die

6.2.1 Kraft-Wärme-Kältekopplung für Liegenschaften

Tafel 6.2.1-5

2491

Ergebnisse der ökonomischen und ökologischen Analyse.

Varianten

Installierte Leistung BHKW therm Gaskessel KKM AKM Energieabzug Gas Strom

BWK + KKM

BHKW + AKM + FK

BHKW + AKM + FK + PV

BHKW + AKM + FK + PV (ohne Eigenverbrauch)

kW kW kW kW

– 4817 3566 –

920 3898 3243 700

920 3898 2430 700

920 3898 2430 700

MWh MWh

6620 6116

11860 2886

11560 1700

11859 5753 24154638

Investitionskosten

E

19221721

20873841

24154638

Baunutzungskosten

E/a

5211756

4717708

3765772

4737688

• verbrauchsgebundene Kosten

E/a

3108775

1884443

1217190

2189106

• betriebsgebundene Kosten

E/a

253809

293245

333238

333238

• kapitalgebundene Kosten

E/a

1849172

1994020

2215344

2215344

–

2

4

16

23184 5145

11343 2529

3572 807

14107 3141

Amortisationszeit

a

Primärenergie& CO-Bedarf Primärenergie

MWh

Kohlendioxid

t CO2

Kosten des Strombezugs höher als die Einspeisevergütung sind. Die Amortisationszeit erhöht sich auf 16 Jahre. Der Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung ist bei der derzeitigen Tariflage so günstig, dass sich die Anlage derzeit bereits nach rd. 2 Jahren amortisiert. Im ökologischen Vergleich erzielt der Einsatz der Kraft-Wärme-Kältekopplung eine Primärenergieeinsparung von 51 % und die zusätzliche Stromerzeugung mit der Photovoltaikanlage eine weitere Einsparung von 34 %, Bild 6.2.1-14.

6 Bild 6.2.1-14 Primärenergieeinsparung durch Einsatz von Kraft-Wärme-Kältekopplung und einer Photovoltaikanlage im Vergleich zur konventionellen Energieerzeugung.

2492

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

KÖPFE

6.2.2

Kälteerzeugung für einen Flughafen1)

recknagel-online.de

Flughafengebäude bestehen aus sehr vielen unterschiedlichen Räumen, die überwiegend 24 Stunden am Tag und 7 Tage die Woche genutzt werden. Umfangreiche technische Ausstattungen zur Unterstützung der Gebäudeprozesse, Informations- und Werbeflächen, Fördertechnische Anlagen wie Laufbänder, Fahrsteige und Aufzüge, Geräte zur Sicherheitskontrolle sowie die Beleuchtung führen zu einem ganzjährigen und vergleichsweise hohen Kältebedarf. In nachfolgenden Kapiteln wird am Beispiel eines realisierten Kälteversorgungssystems an einem Flughafen aufgezeigt, welche Faktoren die Struktur und die Auslegung eines Kälteversorgungssystems beeinflussen und zu beachten sind.

6.2.2-1

Systemvoraussetzung

Um die gewünschte Behaglichkeit der Personen zu schaffen und um die Funktionen von Anlagen zu gewährleisten, müssen in Flughafengebäuden sehr viele Räume gekühlt werden. Zu den zu kühlenden Räumen in Flughäfen zählen: – Gateflächen einschließlich Busgates, – öffentliche Verkehrsflächen für Passagiere, – Sicherheitskontrollen mit Stauflächen, – Service-Schalter, – Gepäckausgabe-Bereiche, – Ankommer und Abholer-Bereiche bzw. -Hallen, – Bus-Warteräume, – Verkaufsflächen auf der Luft- und Landseite, – Gastronomie-Flächen auf der Luft- und Landseite, – Loungeflächen der verschiedenen Airlines, – Büroflächen für Betreiber, Airlines, Sicherheitspersonal, Kontrollbehörden, – besondere Lagerräume wie Kühlräume, Getränkelager, Lebensmittellager, – spezielle Kontrollräume wie EGIS-Räume, Grenzkontrollschalter, Kontrollkabinen, – Sonderräume wie Gewahrsamräume, Andachtsräume, Durchsuchungsräume, – Räume der Gepäckfördertechnik, – Technikflächen für elektrotechnische Anlagen wie Batterieräume, NSHV-Räume, Räume für Notstromaggregate, – Zentralen für fernmelde- und informationstechnische Anlagen wie Serverräume, ITUnterverteilerräume, Brandmeldeanlagen, ELA-Zentralen, Videozentralen, Zugangskontrollanlagen, Räume für die Steuerung der Gepäcktechnik, – Räume der Fördertechnik wie Aufzugs-Maschinenräume, Schaltanlagenräume von Fahrtreppen und Fahrsteigen, – Räume für die Komponenten der Gebäudeautomation. Vor der Entwicklung eines Kältekonzeptes muss erfasst werden, welche Wärmelasten in den jeweiligen Nutzungszonen zu erwarten sind. Als Wärmequellen in den verschiedenen Räumen sind zu berücksichtigen: – Personen, – Beleuchtung, – transparente Außenflächen des Raumes, – Getränke- und Snackautomaten, – Check-In-Automaten und Informationsterminals, – IT-Ausstattung diverser Service- und Bedienstellen,

1)

Neu erstellt für die 77. Auflage und überarbeitet für die 78. Auflage von Dipl.-Ing. Manfred Kotzel, Neuhausen.

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

– – – – –

2493

Kontrollgeräte an den Sicherheitskontrollen, Abwärme aus Antrieben und Bremsen der Laufbänder und Fahrtreppen, Abwärme aus Kühltruhen und Kühlaggregaten, Installationen in Technik- und Schalträumen, Technik zum Transport des Gepäckes.

Das erforderliche Temperaturniveau in den Nutzräumen ist Basis für die Wahl des Raumkonditionierungskonzeptes. Tafel 6.2.2-1 enthält Vorschläge für die max. sommerlichen Raumtemperaturen verschiedener Nutzflächen in einem Flughafengebäude bei Auslegungs-Außenluftbedingungen. Neben der Höhe der abzuführenden Last sind die zeitliche Verteilung und die Häufigkeit der anstehenden Last bedeutend. Bei Flughäfen gibt es Bereiche, die kontinuierliche Lasten durch Geräte, Maschinen oder sonstige Einbauten aufweisen. Hierzu zählen u.a. alle Räume der Informations- und Kommunikationstechnik, der sicherheitstechnischen Anlagen und der Gepäckfördertechnik. Gleichzeitig gibt es Nutzungsbereiche, wo stark schwankende Personenbelegungen der maßgebende Faktor für die Konzeption und die Leistungsbereitstellung darstellen. Dies trifft z.B. für Gateflächen und die Flächen für Sicherheitskontrollen zu. In Gateflächen, wo Passagiere auf das Einsteigen in das Flugzeug warten, hängt die Belegung von der Nutzung der jeweiligen Flugzeugposition und der Kapazität des Flugzeuges ab, welches an der zugehörenden Flugzeugposition andockt. Zur Ermittlung des Lastprofiles werden Ansätze für den zeitlichen Verlauf der Belegungsdichte der Gates und die erforderliche Zeit für das Boarding und Deboarding benötigt. Auf die Konzeption des Kältesystems haben auch die Lastprofile von Räumen, die zeitlich begrenzt genutzt werden wie Retail- und Gastronomieflächen, Einfluss. In Bild 6.2.2-1 ist das Personen-Belegungsprofil eines Gate-Bereichs über 24 Stunden dargestellt.

Bild 6.2.2-1. Mittlere Personenbelegung eines Tages im Gatebereich.

Nach Klärung der Lasten und der zeitlichen Verteilung wird anhand der Kühllastberechnung nach VDI 2078 die abzuführende Last der einzelnen Räume ermittelt. Tafel 6.2.2-1 enthält für verschiedene Nutzungszonen typische spezifische Kühllasten. Der Einsatz der LED-Technik bei als Leuchtmittel bei Beleuchtungs- und Anzeigesystemen kann die spezifischen Kühllasten abhängig von der gewünschten Beleuchtungsstärke um 5–15 W/m2 gegenüber den Werten in Tafel 6.2.2-1 senken. Bei der Bemessung von Raumkühlsystemen ist zu berücksichtigen, dass die für die Lufthygiene erforderliche Zuluft bereits einen Kühlbeitrag leistet. Abhängig von der mit dem Nutzer und Bauherrn

6

2494

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

vereinbarten Außenluftrate (Raumluftqualität IDA 1, 2 oder 3) kann dies in Räumen, wo Personen den maßgeblichen Anteil der Kühllast ausmachen, dazu führen, dass kein zusätzliches Raumkühlsystem erforderlich wird. Dies wird begünstigt durch die Minimierung der eingetragenen Wärme über transparente Außenflächen, durch Optimierung des Energiedurchlassgrades der Verglasung und durch den Einsatz wirksamer Verschattungssysteme. Tafel 6.2.2-1

Spezifische Kühllast verschiedener Nutzungszonen (Kühlbeitrag der Zuluft wurde bereits berücksichtigt). Ergebnis Kühllastberechnung [W/m2]

t,R-t,ZU Au-Rate [m3/(h × m2)] [K]

GesamtKühllast [W/m2)

Gateflächen

26 °C

0

14

8

38

Loungeflächen

26 °C

60

14

8

98

Sicherheitskontrollen

26 °C

30

45

8

152

Verkaufsflächen

26 °C

100

11,25

8

131

Ankommer- und Abholerhallen

28 °C

0

11,25

8

31

Öffentliche Verkehrsflächen

26 °C

0

6,75

8

18

Nicht öffentliche Verkehrsflächen

28 °C

0

3

8

8

Serviceschalter

26 °C

40

15

8

81

Büroflächen

26 °C

40

11,25

8

71

Räume der Gepäckfördertechnik

30 °C

100

3

12

112

Umkleiden und Sozialräume

28 °C

0

15

6

31

6.2.2-2

Bedarfsanalyse

Nach Ermittlung der abzuführenden Kühllasten in den verschiedenen Nutzungszonen, ist der Gesamt-Kälteleistungsbedarf des Gebäudes zu ermitteln. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der maximale Leistungsbedarf der verschiedenen Nutzungsbereiche nicht gleichzeitig entsteht. Gate-Warteflächen und Ankommer-Bereiche einer Flugzeugposition werden nicht gleichzeitig in gleichem Maße belegt. Für Mietflächen werden gerne Standard-Leistungen pro m2 Mietfläche vereinbart, die für jede Mietfläche bereitzustellen sind, um flexibel bei der Ansiedlung und ggfs. Neuordnung des Retail -und GastroAngebotes für die Passagiere zu sein. Dies hat zur Folge, dass die relativ hohe vorgehaltene Kälteleistung nicht bei allen Mietflächen abgerufen wird. In der ersten Konzeptionsphase erfolgt die Berücksichtigung des zeitlich unterschiedlichen Leistungsbedarfs über Gleichzeitigkeitsfaktoren für die verschiedenen Verbrauchergruppen. Die gewählten Gleichzeitigkeitsfaktoren sind in den weiteren Planungsphasen über verschieden Rechenmodelle zu überprüfen und zu präzisieren. Detaillierte Informationen zum gleichzeitigen Leistungsbedarf können aus der Kühllastberechnung abgeleitet werden, sofern dort die entsprechenden Informationen und Lastprofile korrekt abgebildet wurden. Simulationsrechnungen tragen dazu bei, mehr Sicherheit bei der Ermittlung der gleichzeitig erforderlichen Kälteleistung im Gebäude zu erhalten.

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

2495

Bild 6.2.2-2 zeigt beispielhaft die maximal erforderlichen Kälteleistungen pro Monat eines Flughafengebäudes mit ca. 185000 m2 BGF. Die erforderlichen Kälteleistungen wurden über Simulationsberechnungen auf Basis der entwickelten Lastprofile und über die stündlichen Wetterdaten ermittelt.

Bild 6.2.2-2. Verlauf der monatlichen Kälte-Leistungsspitzen eines Flughafens mit ca. 185000 m2 BGF.

Flughäfen sind lebende Gebäude, die von Veränderungen, Umbauten und Erweiterungen geprägt sind. Diese können durch geänderte internationale Sicherheitsvorschriften, durch veränderte Mieterstrukturen und durch veränderte Passagierzahlen hervorgerufen werden. Daher ist es zwingend erforderlich, mit dem Bauherrn bzw. Betreiber frühzeitig notwendige Vorhalteleistungen zu klären und bei der Bilanzierung mit zu berücksichtigen. Vorhalteleistungen können erforderlich werden für: – Flächenerweiterungen für zusätzliche Gepäckbänder, für zusätzliche Gates, für die Erweiterung der Passagierabfertigung, – zunächst nicht ausgebaute Funktionen wie z. B. Sicherheitskontrollen, Transferzentralen, Frühgepäckspeicher, zusätzliche Gepäcktransportbänder innerhalb der bereits mit der Errichtung des Gebäudes geschaffenen Räume, – Erweiterung des Ankommer- und Abholerbereiches, – Erweiterung der Retail- und Gastroflächen, – Vorhaltungen für die Versorgung von Bestandsanlagen. Neben der erforderlichen Gesamtkälteleistung ist für die Konzeption von großer Bedeutung, welche Kühlleistung in welchem Temperaturniveau erforderlich wird. Anhand der Raumlasten aus der Kühllastberechnung sind Raumkonditionierungskonzepte für die jeweiligen Nutzungszone zu entwickeln, die neben der erforderlichen Leistungsfähigkeit der Kühlkomponenten, auch die Belange der Behaglichkeit und die optischen Ansprüche an den jeweiligen Raum berücksichtigen. Für Wärmelasten, welche nicht über die Zuluft abgeführt werden können, sind zusätzliche Raumkühlsysteme zu konzipieren. Da sowohl die Menge des zu transportierenden Kühlmediums als auch das gewählte Temperaturniveau den Energieaufwand zur Kühlung der Nutzflächen erheblich beeinflussen, sind Wasser gestützte Systeme aufgrund der hohen Wärmekapazität von Wasser zur Abführung der Raumlast gegenüber Luftsystemen zu bevorzugen. Da hohe Systemtemperaturen die Effizienz der Kälteerzeugung begünstigen, sind möglichst hohe Kühlmedium-Temperaturen anzustreben. Bei der Festlegung der Temperaturen muss darauf geachtet werden, dass eine Kondensation der Raumluftfeuchte in den Kühlelementen vermieden wird. Die Kondensation von Raumfeuchte führt zu keinem sensiblen Kühlbeitrag im Raum, führt zu Hygieneproblemen und zu unnötig hohem Energieverbrauch. Zur Abführung latenter Kühllasten dient die den Räumen zugeführte, aufbereitete Außenluft. Bei Räumen mit geringem Außenluftwechsel, keinem regelmäßigen Aufenthalt von Personen und hohen Raumlasten wird eine geringe Kondensation in den Raumkühlsystemen im Sommerbetrieb in Kauf genommen.

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6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Die Auslegungstemperaturen der eingesetzten Systeme unterscheiden sich schon aus diesem Grunde deutlich. Weitere Temperaturunterschiede sind systembedingt erforderlich, um die gewünschte Behaglichkeit zu erhalten. Tafel 6.2.2-2 enthält Vorschläge für Auslegungstemperaturen verschiedener Verbraucher in einem Flughafen. Die dort enthaltenen Temperaturen basieren auf einer Einhaltung der max. Raumluftfeuchte von maximal 11,5 g Absolutfeuchte pro kg Luft in Aufenthaltsräumen von Personen. Tafel 6.2.2-2

Kälteleistungsbilanz Flughafen-Gebäude mit ca. 185.000 m2 BGF. Temperaturniveau [°C]

Leistung [kW]

GLZ

Leistung [kW]

RLT-Geräte mit adiabater Abluftbefeuchtung

8/14

5.946

0,7

4.162

Induktionsgeräte

16/19

987

0,8

789

Umluftkühlgeräte

14/18

1.684

0,6

1.010

Flächenkühlsyteme/Boden

16/20

80

0,8

64

Mieterkälte

12/16

2.039

0,7

1.427

konvektive Systeme / Fallschachtkühlung

16/20

67

1

67

Vorhalteleistungen RLT

8/14

500

1

500

Vorhalteleistungen Sekundärkühlsysteme

12/16

500

1

500

maximaler gleichzeitiger Kälteleistungsbedarf

8.520

Nachdem die Raumkühlsysteme ausgewählt und dimensioniert wurden, ist eine Bilanzierung des Leistungsbedarfs pro Temperaturniveau vorzunehmen. Der Kälteleistungsbedarf für die zentrale Außenluftaufbereitung ist separat zu bilanzieren. Dieser hängt neben den erforderlichen Zuluft-Konditionen und den Außenluft-Zuständen maßgebend von der gewählten Technik in den Geräten selbst ab. Der Einsatz einer adiabaten Abluftbefeuchtung erlaubt es, den Kälteleistungsbedarf für die Außenluftaufbereitung zu halbieren. Die Bilanzierung in Tafel 6.2.2-2 zeigt, dass der Kältebedarf der zentralen Lüftungsgeräte zur Außenluftaufbereitung bei Einsatz der adiabaten Abluftbefeuchtung nahezu identisch ist, mit dem Leistungsbedarf für die zusätzlichen Raumkühlsysteme in den Nutzflächen.

6.2.2-3

Systemauswahl

Um ein effizientes Kälteerzeugungskonzept zu erhalten, müssen Systemtemperaturen gewählt werden, die es erlauben, das vorhandene natürliche Kühlpotenzial der Umwelt wie z.B. der kühlen Außenluft, kühlem Erdreich oder kühlem Grundwasser zu nutzen. Daher muss das Temperaturniveau der Kälteversorgung so hoch wie möglich gewählt werden. Der ähnlich hohe Leistungsbedarf für die zentrale Außenluftaufbereitung und die Versorgung der Raumkühlsysteme in Verbindung mit den erforderlichen Temperaturen in Tafel 6.2.2-2 zeigen, dass zwei unterschiedliche Temperaturniveaus bei der Kälteversorgung des Gebäudes sinnvoll sind. Für die RLT-Zentralgeräte wird ein Kälteniveau von 7 °C definiert, damit eine Entfeuchtung zur Einhaltung der Schwülegrenze in den Nutzflächen möglich wird. Für die Raumkühlsysteme, welche teilweise ganzjährig in Betrieb sind, reicht ein deutlich höheres Temperaturniveau aus. Um eine hydraulische Trennung von verschiedenen Systemen oder Nutzern über Wärmetauscher noch zu ermöglichen, empfiehlt es sich, das zweite Kältenetz auf 12/16 °C auszulegen. Sofern auf eine hydraulische Trennung zwischen Ver-

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

sorgungsnetz und speziellen Verbrauchern wie Mietern verzichtet werden kann, ist eine Anhebung des Kaltwassernetzes für die Raumkühlsysteme auf 14 °C oder noch höher zu bevorzugen. Der Anteil der Kältearbeit, welcher pro Jahr über freie Kühlung erzeugt werden kann, erhöht sich bei Anhebung der Vorlauftemperatur von 12 °C auf 14 °C von 26 % auf 33 %. Die Wirtschaftlichkeit des Systems verbessert sich im selben Maß. Vor der Erstellung der Systemkonzeption ist noch zu klären, welche Anforderungen an die Versorgungssicherheit der verschiedenen Verbraucher bestehen. Eine Versorgungssicherheit kann sowohl bei der Kälteerzeugung, der Kälteverteilung als auch bei den Raumkühlsystemen erforderlich werden. Eine besondere Versorgungssicherheit bei der Kälteversorgung an Flughäfen kann erforderlich werden – bei allen IT-Räumen, – bei der Kühlung von Räumen mit sicherheitsrelevanten Anlagen (z. B. Videoanlagen, Zugangskontrollanlagen, Brandmeldeanlagen, Einbruchmeldeanlagen, Batterieräume für Sicherheitsbeleuchtung), – bei der Kälteversorgung der Gepäckfördertechnik oder – bei der Kälteversorgung von Mietflächen wie Retail- und Gastro-Bereichen, da häufig in den Mietverträgen eine Versorgungssicherheit zugesagt wurde und teilweise Lebensmittel gekühlt werden. Für die Versorgungssicherheit bei der Kälteversorgung von Flughäfen sind folgende Maßnahmen möglich: – Ausführung der Raumkühlgeräte in kritischen Räumen mit n + 1 Kühlgeräten – Ausführung der Umwälzpumpen an den Vorregelgruppen für die Versorgung von kritischen Räumen mit mind. 2 Pumpen mit je 50 % Leistung – Ausführung der Hauptumwälzpumpen in den Versorgungsnetzen mit 3 · 50 % der erforderlichen Förderleistung in paralleler Anordnung – Aufteilung der Kälteerzeugerleistung auf mindestens zwei Erzeuger pro Temperaturniveau – Redundante hydraulische Verschaltung der Kältemaschinen, so dass die Erzeuger durch manuellen Eingriff, die verschiedenen Netze bedienen und damit die Last anderer Maschinen bei Störung oder Wartung übernehmen können (siehe hierzu auch Bild 6.2.2-8) – Aufteilung der Rückkühl-Leistung auf mehrere Rückkühlwerke – Ausführung einer Kühlwasserpumpe pro Kälteerzeuger, keine Hauptkühlwasserpumpen für alle Erzeuger zusammen. Damit bleibt die Versorgungssicherheit über die Anzahl der Kältemaschinen erhalten. Die schematische Darstellung der Hydraulik zeigt Bild 6.2.2-9. Nachdem die Anforderungen an das System bekannt sind, muss die Art der Kälteerzeuger für die beiden Temperaturniveaus ausgewählt bzw. ausgelegt werden. Die erforderliche Kälte soll mit möglichst geringem Primärenergieaufwand und unter wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen erzeugt werden. Neben der bereits erwähnten adiabaten Abluft-Befeuchtung in den RLT-Zentralgeräten und dem Einsatz von effizienten Komponenten, sind weitere Maßnahmen geeignet, um den Primärenergieaufwand für die Kälteversorgung zu begrenzen. Die Nutzung des Kühlpotenzials des Erdreiches (Geothermie) ist grundsätzlich vorstellbar, stößt aber aufgrund des relativ hohen Leistungsbedarfs bei Flughäfen schnell an ihre Grenzen. Details zur Geothermie-Nutzung sind u.a. in Abschnitt 6.2.3-2enthalten. Für die maschinell zu erzeugende Kälte ist zu klären, welche Antriebsenergie zum Einsatz kommen soll. Abhängig vom Energieangebot am Projektstandort können Erzeuger mit thermischem oder elektrischem Antrieb gewählt werden. Der Einsatz von Absorptionskältemaschinen in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKKAnlagen) bietet sich für die Versorgung der Raumkühlsysteme in Flughäfen an, da die Raumkühlsysteme mit einem relativ hohen Temperaturniveau versorgt werden können. Der in Flughäfen vorhandene konstant hohe elektrische Leistungsbedarf spricht ebenfalls für den Einsatz einer KWKK-Anlage. Ausführungen zur Wirtschaftlichkeit und Auslegung einer KWKK-Anlage sind in Abschnitt 6.2.1-6 enthalten. Eine Kälteversorgung über Eisspeicher bietet sich in Flughäfen meist nicht an, da ein relativ kontinuierlicher Betrieb vor allem bei den Raumkühlsystemen zu erwarten ist. Regelmäßige ausgeprägte Schwachlastzeiten, während denen ein Tag/Nacht-Speicher

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2498

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

geladen werden könnte, sind meist nicht vorhanden. Kriterien zur Auslegung von Speichern können Abschnitt 6.2.3-5 entnommen werden. Nachfolgende Ausführungen beschränken sich auf ein System mit elektrisch betriebenen Kältemaschinen für beide beschriebenen Kältenetze. Bei den elektrisch betriebenen Kältemaschinen gibt es wesentliche Unterschiede bei der Rückkühlung und in der Technik der Kältemittelverdichtung. Turboverdichter, Schrauben- oder Scrollverdichter können zum Einsatz kommen. Die Unterschiede der verschiedenen Verdichter Bauarten werden an anderer Stelle dieses Buches näher erläutert. Unter Berücksichtigung des nur kurzzeitigen Kälteleistungsbedarfs der RLT-Zentralgeräte sind für die Erzeugung des Leistungsbedarfs der RLT-Zentralgeräte Kälteerzeugungssysteme mit hohen Investitionskosten wirtschaftlich nicht darstellbar. Aufgrund der erforderlichen Versorgungssicherheit bei beiden Netzen ist die Wahl identischer Komponenten für beide Erzeugerniveaus sinnvoll. Die geringen Vollbenutzungsstunden bei den RLT-Zentralgeräten werden durch den Einsatz der adiabaten Abluft-Befeuchtung und durch die Anpassung des Luftvolumenstromes an den tatsächlichen Außenluftbedarf im Raum durch variable Volumenströme erreicht. Eine Freikühlung für die Kälteversorgung der RLT-Zentralgeräte ist nicht erforderlich, da in den RLT-Zentralgeräten bei kühler Außenluft das Kältepotenzial direkt genutzt wird.

Bild 6.2.2-3. Adiabate Abluftbefeuchtung mit zwei in Reihe geschalteten Plattenwärmetauschern (Quelle: Fa. Menerga)

Bild 6.2.2-4. Adiabate Abluft-Befeuchtung mit verbesserter Effizienz durch Einsatz eines Gegenstromwärmetauschers (Quelle: Fa. Menerga).

Grundsätzlich ist zur Deckung des Kältebedarfs für die Luftaufbereitung auch ein Direktverdampfersystem empfehlenswert. Bei dieser Variante werden die Verdichter einschließlich Verflüssiger in die RLT-Zentralgeräte integriert. Die große Anzahl von RLTGeräten bei Flughäfen führt zu einer großen Anzahl an Verdichtern. Einige Betreiber scheuen noch vor dieser Lösung zurück, obwohl die Verdichter bei dieser Lösung sehr effizient betrieben werden können, da die Abwärme auch bei hohen Außenlufttemperaturen an die kühle Fortluft abgegeben werden kann. Beim Einsatz von integrierten

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

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Verdichtern in den RLT-Geräten müssen leistungsgeregelte Verdichter eingesetzt werden, um zu große Temperaturschwankungen in der Zuluft zu vermeiden. Der geringe Platzbedarf, die einfache Verbrauchserfassung und die Möglichkeit, die Abwärme aus der Kälteerzeugung für die Nachwärmung im sommerlichen Entfeuchtungsbetrieb zu nutzen, sind weitere Vorzüge dieser Variante. Zusätzlich kann bei Einsatz dieser Technik auf einen großen Anteil der Rückkühlwerke verzichtet werden. Um die Kälteerzeugung für die Raumkühlsysteme effizient zu gestalten, sind sowohl Verdichter als auch Freikühleinrichtungen erforderlich. Luftgekühlte Kältemaschinen scheiden daher aus. Für beide Temperaturniveaus kommen in Folge wassergekühlte Kompressionskältemaschinen zum Einsatz. Bei der Konzeption der Kälteerzeugung für die Raumkühlsysteme in Flughäfen ist zu beachten, dass – eine Nutzung des Kältepotenzials der Außenluft über die Freikühlung lange möglich wird, – die Rückkühlwerke entsprechend leistungsfähig sind, damit sie in der Lage sind, die erforderliche Kälteleistung bei dem gewünschten Außenluftzustand ohne Betrieb der Kältemaschinen zu erbringen, – die Rückkühlwerke für den Kältemaschinenbetrieb und den Freikühlbetrieb ausgelegt werden, da beide Betriebszustände unterschiedliche Kühlwassertemperaturen und unterschiedliche Temperatur-Spreizungen aufweisen (z. B. Sommerbetrieb 8–10 K Spreizung, Freikühlbetrieb 4 K Spreizung. Achtet man bei der Konzeption darauf, dass alle Rückkühlwerke der gesamten Kälteerzeugung des Gebäudes für die Freikühlung herangezogen werden können, führt die Auslegung für eine frühe Freikühlung zu keiner Vergrößerung der Rückkühlwerke gegenüber den Anforderungen aus dem Kältemaschinenbetrieb. Die Anforderungen an die Rückkühlung führen zum Einsatz von Hybridrückkühlwerken. Hybridrückkühlwerke ermöglichen eine Freikühlung bereits bei relativ hohen Außentemperaturen, da durch die Befeuchtung bei ungesättigter Außenluft eine Abkühlung der Kühlluft deutlich unter die Außenlufttemperatur möglich wird. Gleichzeitig ermöglichen die Hybridrückkühlwerke auch einen trockenen Betrieb z. B. bei entsprechend tiefen Temperaturen oder wenn zeitweise Schwaden vermieden werden sollen.

Bild 6.2.2-5. Monatlicher Kältebedarf und Freikühl-Potenzial bei einem Freikühlbetrieb ab Außentemperaturen von 8 °C.

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2500

6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Bild 6.2.2-6. Projektfoto Fraport A-Plus – 10 MW Hybrid-Rückkühlwerke.

6.2.2-4

Hydraulische Konzeption

Für die Kälteversorgung des Gebäudes werden zwei separate Kaltwassernetze aufgebaut. Ein Netz mit 7/13 °C für die RLT-Zentralgeräte und ein weiteres Netz mit 12/16 °C für die Raumkühlsysteme. Jedes Kaltwassernetz setzt sich aus Verbraucher- und Erzeugerkaltwassernetz zusammen. Die Volumenströme des Verbrauchernetzes müssen vom Erzeugernetz hydraulisch entkoppelt werden. Damit wird sichergestellt, dass für die Durchströmung der Kältemaschinen immer ausreichend Wasser verfügbar ist, unabhängig von der Leistungsabnahme des Gebäudes. Zur Trennung des Erzeugernetzes vom Verbrauchernetz wird ein Pufferspeicher T-förmig zwischen die beiden Netze eingebaut. Bild 6.2.2-7 zeigt schematisch, stark vereinfacht die Einbindung des Pufferspeichers als hydraulische Weiche.

Bild 6.2.2-7. T-förmiger Einbindung Pufferspeicher als hydraulische Trennung Erzeuger- und Verbraucherkreis.

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

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Kaltwasser Erzeugernetze Jedes Erzeugernetz wird von separaten Kältemaschinen gespeist, die auf dem Temperaturniveau des jeweiligen Netzes betrieben werden. Bei der Einbindung der Kältemaschinen ins Kaltwasser-Erzeugernetz kommen motorische Absperrklappen zum Einsatz, die bei Stillstand einer Maschine die Durchströmung dieser Maschine definitiv verhindern und für eindeutige hydraulische Verhältnisse sorgen. Aus Gründen der Redundanz wird empfohlen, alle Maschinen an beide Netze über motorische Absperrklappen anzubinden, so dass im Stör- oder Wartungsfall entschieden werden kann, welche Maschine welches Netz bedient. Bei Umsetzung dieser Lösung sollten Maschinen ausgewählt werden, die eine Änderung der Kälte-Solltemperatur über externe Stellsignale ermöglichen. Weiterhin ist zu beachten, dass die Kaltwasserpumpen mit unterschiedlichen Volumenströmen betrieben werden können, um auf die unterschiedlichen Spreizungen des jeweils zu versorgenden Kaltwassernetzes reagieren zu können. Die Freikühleinrichtungen bestehen aus mindestens zwei parallelen Wärmetauschern (Aufteilung 2 · 50 %). Jede Freikühleinrichtung besteht aus dem Wärmetauscher, einer eigenen Kalt- und Kühlwasserpumpe und einem Regelventil auf der Kühlwasserseite. Die Freikühleinrichtungen sind wie weitere Kältemaschinen zu betrachten und somit ebenfalls parallel zu den Kältemaschinen in den Erzeugerkreis des Raumkühlsystems einzubinden. Kühlwasser-System Die Rückkühlung aller Kältemaschinen erfolgt über eine gemeinsame Rückkühlschiene. Dies bedeutet, dass alle Rückkühlwerke parallel auf dasselbe Kühlwassernetz arbeiten. Pro Kältemaschine wird eine Kühlwasserpumpe realisiert. Die Kühlwasserpumpe der Kältemaschine fördert das Kühlwasser über die gesamte Kühlwasserstrecke. Im Kühlwasserkreislauf jeder Kältemaschine ist eine Rücklaufbeimischung erforderlich, die die Kühlwassertemperatur jeder Kältemaschine abhängig von der Auslastung der Kältemaschine zwischen 20 und 28 °C regelt.

Bild 6.2.2-8. Hydraulische Einbindung der Kältemaschinen und der Freikühleinrichtung.

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6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

Bild 6.2.2-9. Hydraulik Rückkühlung.

Kaltwasser-Verbrauchernetz 7/13 °C Für die Versorgung der RLT-Zentralgeräte wird ein Erzeugernetz mit 7/13 °C aufgebaut. Eine weitere Temperatur-Regelung ist für diese Versorgungsschiene nicht erforderlich, da die Kälte auf dem Auslegungs-Temperaturniveau der Verbraucher erzeugt wird. Die Förderung des Kaltwassers zu den Verbrauchern erfolgt über drei parallel geschaltete zentrale Umwälzpumpen. Um die Förderhöhe der zentralen Umwälzpumpen zu begrenzen, werden pro Technikzentrale weitere dezentrale Umwälzpumpen eingesetzt. Kaltwasser-Verbrauchernetz 12/16 °C Das Verbrauchernetz für die Raumkühlsysteme ist bei einem Flughafen sehr umfangreich, da die Verbraucher über das gesamte Gebäude verteilt sind. Drei zentrale Umwälzpumpen fördern das Kaltwasser bis zu den Verteilern. An den Verteilern werden pro Verbraucherart Vorregelgruppen aufgebaut. Die Vorregelgruppen bestehen aus Umwälzpumpe, Rückschlagklappe, Regelventil, Absperrarmaturen und gegebenenfalls Kältezählern. Durch das Zusammenfassen von gleichen Verbrauchern auf eine Vorregelgruppe kann das Temperaturniveau der Verbraucher an den Bedarf angepasst und bei Fehlfunktionen in den Nutzflächen automatisch verändert werden Die Versorgungssicherheit spezieller Verbraucher kann durch die Installation von zwei Umwälzpumpen in der betroffenen Vorregelgruppe erhöht werden. Werden beide Verbrauchernetze gemäß Bild 6.2.2-10 unmittelbar nach den zentralen Umwälzpumpengruppen verbunden, wird eine weitere Versorgungssicherheit im Teillast-Betrieb geschaffen. Die Umschaltung kann automatisiert über Leistungskennwerte oder im Stör- oder Wartungsfall manuell erfolgen. Die Verbindung von zwei Systemen erfordert immer einen einheitlichen Systemdruck, da es ansonsten zu ungewollten und störenden Druckausgleichen der verbundenen Systeme kommt.

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

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Bild 6.2.2-10. Kälte-Hauptnetzpumpen mit Verbindung der Netze auf der Verbraucherseite.

Verbrauchserfassung Bei großen Energieversorgungsystemen sind Verbrauchserfassungseinrichtungen erforderlich, die eine Bilanzierung ermöglichen. Unabhängig von den Anforderungen an die Verbrauchsabrechnung sollten alle großen Verbraucher messtechnisch erfasst werden. Pro Kältemaschine und Freikühl-Einrichtung sind separate Kältezähler erforderlich, um die Effizienz einzelner Anlagen überprüfen und optimieren zu können. Auf der Verbraucherseite werden unmittelbar nach den Hauptnetzpumpen Kältezähler zur Erfassung des Leistungsbedarfes des gesamten Gebäudes im jeweiligen Netze installiert. Die Informationen dieser Zähler verarbeitet die Gebäudeautomation bei der Leistungsregelung der Kälteerzeuger und der Zu- oder Abschaltung weiterer Erzeuger. Siehe hierzu auch die Ausführungen im Abschnitt 6.2.2-6.

6.2.2-5

Auslegung der Komponenten

Kälteerzeuger Bei der Auslegung der Kälteerzeuger müssen die verschiedenen Lastfälle und der maximale Leistungsbedarf betrachtet werden. Die hohen Laufzeiten und die relativ großen Leistungen bei Flughäfen führen dazu, dass häufig Turbo-Verdichter eingesetzt werden. Es ist empfehlenswert, den Leistungsbedarf über mindestens zwei Erzeuger pro Temperaturniveau abzudecken, damit ein effizienter Betrieb auch im Teillastfall möglich wird. Durch die Aufteilung auf zwei Erzeuger wird auch eine Versorgungssicherheit im Teillastfall pro Temperaturniveau erreicht. Bei der Auslegung der Verdichter sollten folgende Punkte berücksichtigt werden: – Hohe Effizienz im gewählten Auslegungspunkt und im Teillastzustand (IPLV gem. ARI 550-590 >10) – Die Sollwerte für Kalt- und Kühlwasser-Temperatur sollten über externe Signale stufenlos änderbar sein – Die Maschine sollte so ausgestattet sein, dass die Volumenströme von Kalt- und Kühlwasser an den Leistungsbedarf angepasst werden können – Kältemittel mit geringem GWP sind zu bevorzugen – Abhängig vom Aufstellort müssen Schallemission und Schwingungen der Maschinen besonders beachtet werden – Die Baugröße und das Gewicht müssen für den Aufstellort und den Transportweg geeignet sein. Auslegung Rückkühlung und Kühlwassernetz In Flughäfen empfiehlt es sich, Hybrid-Rückkühlwerke einzusetzen, da ein ganzjähriger Kältebedarf vorhanden ist. Die großen Leistungen führen dazu, dass die Spreizung des Kühlwassers im Bereich von 10 K gewählt wird, um Pumpen- und Rohrleitungsdimensionen zu begrenzen. Kühlwassertemperaturen von 28/38 °C im Kältemaschinenbetrieb

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6. Energiekonzepte / 6.2 Beispiele zu Konzepten auf Gebäudeebene

und 10/14 °C im Freikühlbetrieb stellen eine wirtschaftliche Auslegung des Kühlwassernetzes dar. Die Rückkühlwerke sind auf den Kältemaschinenbetrieb und den Freikühlbetrieb auszulegen. Im Kältemaschinenbetrieb sind für die Auslegung der Rückkühlwerke Außenluftzustände zu wählen, die oberhalb der Außenluftzustände liegen, welche für die Auslegung der Raumkühlsysteme verwendet werden. Damit wird sichergestellt, dass bei Überschreitung der mit dem Betreiber bzw. Bauherrn vereinbarten Außenluftbedingungen für die Auslegung der Raumkühlsysteme und der RLT-Zentralgeräte noch die volle Rückkühlleistung zur Verfügung steht. Abhängig vom Projektstandort bedeutet dies z. B. bei einer Auslegung der Raumkühlsysteme auf einen Außenluftzustand von 33 °C/40 % relative Feuchte eine Auslegung der Rückkühlwerke auf 35 °C/40 % relative Feuchte. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass bei extremen Außenluftzuständen im Sommer der Effekt des steigenden Kältebedarfs der Raumkühlsysteme mit gleichzeitigem Rückgang des Kälteangebotes aus der Kälteerzeugung aufgrund einbrechender Rückkühlleistungen vermieden wird. Ein häufiger Freikühlbetrieb wird erreicht, wenn die Rückkühlwerke im Freikühlbetrieb auf eine Feuchtkugeltemperatur von 7–8 °C bei einer Kühlwassertemperatur von 10 °C ausgelegt werden. Diese Auslegung berücksichtigt bereits die erforderliche hydraulische Trennung des Glykol-Wasser-Kühlwasserkreislaufes vom Kaltwassernetz über Wärmetauscher mit 2 K Grädigkeit. Bei der Auswahl der Hybridrückkühlwerke muss neben der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Außenluftzustände besonders Augenmerk auf den elektrischen Leistungsbedarf für die Ventilatoren gelegt werden. Der Leistungsbedarf der Rückkühlsysteme variiert zwischen 15 und 65 W/kW Rückkühlleistung. Abhängig von der Bauform der Rückkühlsysteme sind EER-Werte bis zu 40 im Freikühlbetrieb möglich. Da im Umfeld von Flughäfen häufig hohe Außenschallpegel anzutreffen sind, stellt die Schallemission durch die Rückkühlwerke in diesen Projekten meistens kein Problem dar. Die häufig ins Feld geführten Befürchtungen bezüglich Sichtbehinderungen im Flugverkehr durch Schwadenbildung bei nasser Rückkühlung sind unbegründet, da bei Hybridrückkühlwerken eine Schwadenbildung durch entsprechende Steuerung der Befeuchtung und der Ventilatoren verhindert werden kann. In vielen Fällen ist der Abstand vom Aufstellort der Rückkühlwerke zu den Bewegungsbereichen der Flugzeuge so groß, dass sich Schwaden bereits vor Störung des Flugbetriebes aufgelöst hätten. Bei der Bemessung des Kühlwassernetzes müssen beide Betriebsfälle, Kältemaschinenund Freikühlbetrieb, betrachtet werden, da im Freikühlbetrieb die Spreizung nur noch 4 K beträgt. Die gewählte Rohrdimension muss einen kurzfristigen Parallel-Betrieb der Freikühl-Einrichtung mit einer Kältemaschine ermöglichen. Intelligente Regelkonzepte vermeiden es, dass für diese Umschaltvorgänge keine Vergrößerung der Kühlwasserleitungen erforderlich wird. Auslegung Pufferspeicher Die Kapazität des Pufferspeichers ist so groß zu wählen, dass dieser so viel Energie speichern kann, wie die kleinste Leistungsstufe der kleinsten Kältemaschine in 10 min bereitstellt. Diese Dimensionierung trägt im Teillastfall dazu bei, dass die Kältemachinen nicht zu häufig starten. Auslegung Kältenetz und Umwälzpumpen Bei der Auslegung der Kältenetze ist zu unterscheiden zwischen dem Hauptverteil-Netz zu den Zentralen bzw. Verteilern und den Verteil-Leitungen zu den Verbrauchern. Beim Hauptverteil-Netz ist die Spreizung aus den gewählten Auslegungstemperaturen zu verwenden (6 K für die Kälte der RLT-Zentralgeräte, 4 K für die Kälte der Raumkühlsysteme). Da bei einigen Verbrauchern höhere Temperaturen und andere Spreizungen als im Hauptnetz verwendet werden, sind diese Versorgungsleitungen auf die TemperaturSpreizung der jeweiligen Verbrauchergruppe zu bemessen. Um den Aufwand für den Transport des Kühlmediums zu begrenzen, empfiehlt es sich bei der Auslegung der Rohrleitungen den Widerstand in den Rohrleitungen bis DN 65 auf maximal 70 Pa/m und für Rohrleitungen > DN 65 auf maximal 100 Pa/m zu begrenzen. Die Widerstände von Regelventilen sollten 15 kPa und die von Wärmetauschern und Registern 20 kPa nicht übersteigen. Pro Verbraucher sind Komponenten für den hydraulischen Abgleich einzusetzen, die es ermöglichen, den maximalen Volumenstrom pro Verbraucher unabhängig von der Stellung des Regelventiles zu begrenzen.

6.2.2 Kälteerzeugung für einen Flughafen

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Als Regelventile sind ausschließlich Durchgangsventile (2-Wege-Ventile) einzusetzen, die dazu beitragen, dass im Teillastfall eine große Spreizung entsteht und nur eine geringe Wassermenge transportiert werden muss. Überströmungen sollten vermieden und nur bei unvermeidbaren Anforderungen an die Verfügbarkeit von Kälte auch bei Zeiten ohne regelmäßige Kälteabnahme als Temperatur gesteuerte Überströmung realisiert werden. Umwälzpumpen bis 0,75 kW elektrischer Antriebsleistung sind als Hocheffizienzpumpen mit einem Energie-Effizienz-Index < 0,23 (EEI; EuP/ErP-Richtlinie), im Leistungsbereich ab 0,75 kW elektrischer Antrieb in der Effizienzklasse IE3 oder IE4 gemäß IEC 60034-30:2008 auszuführen. Mit dieser Auslegung wird die angekündigte, europaweit gültige Effizienzrichtlinie eingehalten. Die elektrische Anschlussleistung aller Umwälzpumpen im Kältenetz sollte