Richtige Heizlast ermitteln

Hallen unterliegen hinsichtlich ihrer Beheizung meist besonderen Anforderungen. Die Höhe der Investitionen für die Erwärmung steht hier noch stärker im Blickpunkt als bei anderen Gebäuden. Höchste Wirtschaftlichkeit sowie angenehme und gleichmäßige Temperaturen am Arbeitsplatz sollten daher bei der Planung eine zentrale Rolle spielen. Warmwasser-Deckenstrahlheizungen können diese Aufgaben optimal erfüllen, denn sie lassen sich an die Erfordernisse der unterschiedlichsten Objekte anpassen.

Bei der Auslegung einer Hallenheizung sind zahlreiche Kriterien zu beachten. Dazu zählen etwa Nutzung, Größe, Raumhöhe, Wärmespeicherkapazität, Luftwechselrate, Nutzung regenerativer Energie und CO₂-Ausstoß sowie Investition bzw. Folgekosten. Über diese Aspekte sollten sich Bauherr und Planer frühzeitig verständigen. Die Aufgabenstellung beginnt in der Regel mit der korrekten Ermittlung der Heizlast. Die eingesetzten Berechnungsverfahren gehen dabei von einem konstanten Temperaturprofil über die Hallenhöhe aus. So wird der Sollwert, beispielsweise 18 °C für die Raumtemperatur in der Aufenthaltszone, auch für die Heizlastberechnung des Daches­, angesetzt. Dabei wären bei der Heizlastberechnung unterschiedliche Raumtemperaturwerte entsprechend der Temperaturschichtung anzusetzen. Erfahrungsgemäß steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe in einer Halle umso stärker an, je mehr Konvektion in der Halle herrscht. Ziel der Beheizung sollte es daher sein, bei der Auswahl und der Dimensionierung der Heizung bereits die Minimierung der thermischen Konvektion zu berücksichtigen.

Wärmebedarfszonen

Um die Effizienz einer Strahlungsheizung positiv zu beeinflussen, sind mehrere Faktoren von Bedeutung. Dazu zählen insbesondere der geforderte Gesamtwärmebedarf Q_N und die Wärmestrahlung nach unten in den Raum, hier mit q_u (Leistungsabgabe nach unten) bezeichnet. Sinnvollerweise geht für jedes Objekt eine exakte Datenerhebung voraus, damit die optimale Auslegung der Deckenstrahlheizung zu berechnen ist. Hier sollen nun drei Beispiele anhand typischer Hallenquerschnitte verdeutlichen, in welchen Zonen mit erhöhtem Transmissions-Wärmeverlust zu rechnen ist bzw. wie sich die Lüftungs-Wärmeverluste zusammensetzen. Als Vorgabe wurden Hallen mit Shed-Dach, Satteldach und Flachdach gewählt (siehe Bilder Hallen-Beispiele). Dementsprechend ergeben sich unterschiedliche Wärmebedarfszonen innerhalb der Gebäude, die aufzuteilen sind in: Heizlast der Außenwand q_aw, Heizlast oberhalb der Deckenstrahlheizung q_o und Heizlast unterhalb der Deckenstrahlheizung _qu. Dabei ist zu beachten, dass der Wärmebedarf unterhalb der Deckenstrahlebene – q_u und q_aw – ausschließlich über Wärmestrahlung erbracht werden muss, der Wärmebedarf oberhalb der Deckenstrahlheizung – q_o – hingegen über Konvektion.

Wärme nach Maß

Ziel der Heizflächenauslegung ist es, die Heizleistung den Wärmebedarfszonen optimal anzupassen. Je besser dies gelingt, umso gleichmäßiger werden die Innentemperaturen und die Behaglichkeit am Arbeitsplatz. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, produziert Best (www.best-kuehlheizen.de) Deckenstrahlplatten in unterschiedlichen Baubreiten von 300 bis 1200 mm. Damit lassen sich die Wärmeleistungen den Hallenbereichen bedarfsgerecht zuordnen. Während die Strahlungsleistung q_u bei gleicher Gesamtbreite nur unwesentlich differiert – etwa von 500 bis 515 W/m –, steigt die Konvektionsleistung jedoch drastisch von 60 auf 284 W/m an, wenn schmale Platten eingesetzt werden. Somit wird über die Auswahl der Plattenbreiten auch die Wärmeabgabe nach oben gezielt ausgelegt.

Zu beachten ist weiterhin, dass ein Teil der nach unten abgegebenen Strahlungsleistung q_u durch die Eigenthermik innerhalb der Halle konvektiv dem Dachraum zufließt. Daher kann q_o in geringerem Umfang als dem errechneten Wert mittels direkter Konvektionswärme abgedeckt werden. Erfahrungsgemäß liegt der Wert bei minimal 50 % und maximal 80 % des errechneten Wärmebedarfes q_o. Diese Einstufung ist unbedingt zu beachten, denn beim Unterschreiten drohen Kaltluftabfälle von oben (Zugerscheinung), beim Überschreiten ergibt sich ein Wärmestau unter dem Dach. Beides hat deutlich negative Auswirkungen auf die Behaglichkeit und die Temperaturschichtung sowie letztlich auf die Höhe der Betriebskosten.

Drei Beispielrechnungen

Die drei Hallenbeispiele zeigen einen Anteil q_o am Gesamtwärmebedarf Q_N zwischen 20 und 70 %. Bei der genannten Mindestabdeckung von 50 % bedeutet dies, dass die Deckenstrahlheizung variabel zwischen 10 und 35 % Konvektionswärme und somit 65 bis 90 % Strahlungswärme abgeben muss. Das Best-Deckenstrahlprogramm ermöglicht diese Variabilität komplett (siehe Tabelle 2 beim Online Plus). Darüber hinaus bietet das Unternehmen auch konstruktive Lösungen, falls in Extremfällen der vorgenannte Rahmen überschritten wird.

Die Erfahrung aus der Praxis zeigt jedoch, dass rund 90 % der Hallen mit einer Kombination aus Variante 2 und 3 der in Tabelle 2 vorgestellten vier Möglichkeiten korrekt ausgelegt sind. Die Varianten 1 und 4 kommen hingegen selten zum Einsatz, da bei einem Wärmeverlust q_o von mehr als 60 % sinnvollerweise eine zusätzliche Dachisolierung die bessere Lösung darstellt. Auch bei bester Isolierung beträgt q_o selten weniger als 25 %.

Es reicht nicht aus, den Gesamtwärmebedarf Q_N mit einer entsprechenden Gesamtwärmeleistung der Deckenstrahlheizung abzudecken. Diese Wärmeleistung muss auch bedarfsgerecht verteilt werden, damit ein Optimum an Behaglichkeit und Wirtschaftlichkeit erzielt wird. Eine derartige Optimierung ist bei anderen Heizsystemen mit konstant hohem Konvektionsanteil zwischen 50 und 100 % nicht möglich, etwa bei einer Industriefußbodenheizung, Decken- und Wandlüftern oder Hell-/Dunkelstrahlern. Um damit den Wärmebedarf q_u abzudecken, ist eine Überdimensionierung notwendig – mit der Folge von Stauwärme unter dem Dach und erhöhten Wärmeverlusten. Eine Deckenstrahlheizung erfüllt die gewünschten Anforderungen bedeutend leichter. Besonders wichtig ist hierbei, dass auf diese Weise ein dauerhaft niedriger Energieverbrauch erreicht wird. So erhält der Kunde eine Wärmeverteilung, die sich durch Sparsamkeit, beste hygienische Bedingungen und lange Lebensdauer auszeichnet.

Hinweise zu Aufbau, Transport und Montage

Deckenstrahlplatten bestehen aus Präzisionsstahlröhren 22 x 1,5 mm und Kopfstücken 35 x 1,5 mm strömungsgünstig ausgehalst und zu Registern verschweißt. Die Strahlbleche von 1 mm Stärke verfügen über passgenaue Sicken zur Aufnahme der Registerrohre. Die seitliche Aufkantung von 50 mm nach oben und zusätzlich 20 mm nach innen dient zur Justierung der oberen Wärmedämmung. Registerrohre und Strahlplattenbleche sind über die gesamte Plattenlänge kontinuierlich im Doppelpunkt-Schweißverfahren formschlüssig verbunden. Die Plattenenden werden mit Stirnblechen verschlossen. Als Querstabilisierung sind Profile eingeschweißt, die gleichzeitig als Aufhängeachsen eingesetzt werden können. Die obere Wärmedämmung erfolgt durch eine 40 mm starke, alukaschierte Isoliermatte und wird in der Regel bereits werksseitig eingelegt. Als Deckenbelastung ist mit 20 kg/m² und als Punktlast mit 25 kg zu rechnen.

Nach der Auslegung werden die Elemente wie beschrieben werksseitig so weit wie möglich vorgefertigt. Wasserführung, Blindscheiben zur Umlenkung der internen Wasserströmung sowie alle erforderlichen Anschlussstutzen werden objektbezogen angepasst. Die Befestigung der Elemente kann je nach Deckenbeschaffenheit aus dem Best-Programm gewählt werden. 

Die Strahlplatten werden als Einzelplatten oder Teillängen bis zu 7 m Länge geliefert, in der Regel auf Paletten. Um Verbiegungen und Punktbelastung zu vermeiden, ist zum Abladen insbesondere größerer Elemente entsprechendes Gerät einzusetzen, etwa ein Gabelstapler oder ein Kran. Bis zur Verarbeitung sollen die Strahlplatten stets horizontal, ohne Verbiegung sowie trocken und vor Witterungseinflüssen geschützt gelagert werden. Für eine rationelle Montage haben sich Rollwagen mit mindestens 2 m langer Auflagefläche sowie Scherenhubbühnen für den vertikalen Transport zur Hallendecke bewährt. Motorwinden oder Seilzüge in Verbindung mit Rollgerüsten sind ebenfalls geeignet.

Im ersten Montageschritt werden gemäß Positionsplan und Anordnung der Aufhängestege die Befestigungspunkte eingemessen und die Aufhängesätze komplett montiert. Die festgelegte Abhängehöhe wird annäherungsweise eingestellt. Jede Einzelplatte hat eine Positionsnummer, Strahlbänder aus mehreren Teillängen sind entsprechend dieser Positionsnummern der Reihe nach zu montieren. Mittels Hubbühne werden die Platten an Ihren Bestimmungsort gehoben und die Aufhängestege eingehakt. Nach kompletter Aufhängung der Einzelplatten erfolgt das Ausrichten, in der Regel mit Hilfe von Spannschlössern. Strahlbänder werden je nach Ausführung verschweißt oder verschraubt. An den Stoßstellen dürfen weder Knicke noch Rohrversatz entstehen. 

Gemäß Montageplan erfolgt nun die Verrohrung, der Anschluss von Vor- und Rücklaufleitungen. Zu beachten ist dabei, dass eine zentrale Entlüftung über die Hauptleitung sowie die Entleerung der Platten ermöglicht wird. Bei Rohranschlüssen und Plattenaufhängungen ist die Ausdehnung der Strahlplatten zu berücksichtigen. Nach erfolgter Druckprobe und Probeheizen sowie gegebenenfalls Einregulierung der Anlage sind die Plattenverbindungen je nach Ausführung mittels Abdeckblech fertig zu stellen. Als Sicherung gegen mechanische Belastung werden die Bleche zusätzlich seitlich mit Blechschrauben befestigt.