Wärmeübergabe und hydraulischer Abgleich
Mehr Effizienz bei Heizanlagen
Alle Bewertungsverfahren zur Energieeffizienz von Heizanlagen basieren auf einer bedarfsorientierten Betrachtungsrichtung, die demnach als wesentliches Kriterium die Behaglichkeit in Räumen als Ausgangsgröße heranzieht. Ein Behaglichkeitskriterium, auf das mit Heizanlagen Einfluss genommen werden kann, ist die operative oder empfundene Temperatur, die sich bekanntlich aus Strahlungstemperatur und Lufttemperatur zusammensetzt. Übliche Heizkörper, die überwiegend im Teillastbetrieb arbeiten, besitzen geringe Oberflächentemperaturen und daher geringe Strahlungsanteile, so dass die Erfüllung der Behaglichkeitskriterien nur schwer zu erreichen ist. Eine besondere Technologie bei mehrlagigen Flachheizkörpern verbessert das Teillastverhalten erheblich.
Die bedarfsgerechte Wärmeübergabe im Raum setzt, neben der Heizfläche selbst, die Bereitstellung des zu jedem Zeitpunkt erforderlichen Heizmittel-Volumenstroms und der erforderlichen Heizmittel-Temperatur voraus. Der hydraulische Abgleich des Heizrohrnetzes ist daher unabdingbare Voraussetzung für die sachgerechte Funktion einer Heizanlage. In der Praxis wird dieser Aspekt nach wie vor unzureichend beachtet. Eine Hilfe, die bei einer Vielzahl von Gebäuden zielführend ist, stellen werksseitig voreingestellte Thermostatventile bei Heizkörpern dar.
Wärmeübergabe
Durch den erhöhten Wärmedämmstandard heutiger Gebäude ergeben sich geringe Heizlasten und der im Betrieb vorhandene Anteil der inneren Wärmequellen, der bei der Auslegungsheizlast unberücksichtigt bleibt, erhöht sich deutlich. Hierdurch werden die Anlagenkomponenten der Wärmeübergabe, die Heizflächen, zu mehr als 90 % der Heizstunden in Teillast mit geringem Heizmitteldurchfluss betrieben. Durch den geringen Durchfluss sinkt selbst bei durchgehendem Heizbetrieb die Oberflächentemperatur auf Werte von unter 40 °C, so dass der Strahlungsanteil nur noch gering ist. In solchen Räumen gewinnen Nutzer den Eindruck, dass die Heizung nicht in Betrieb ist und erfahren ein Behaglichkeitsdefizit in Bezug auf die empfundene Temperatur.
Seriell durchströmter Heizkörper
Übliche Flachheizkörper in mehrlagiger Ausführung sind hinsichtlich der Heizmitteldurchströmung parallel geschaltet. Die Firma Kermi GmbH (www.kermi.de) hat einen Flachheizkörper auf den Markt gebracht, der nicht parallel, sondern seriell durchströmt wird. Damit wird bei einem mehrlagigen Flachheizkörper die Frontplatte mit den dahinter liegenden Platten in Reihe geschaltet und damit zuerst durchströmt. Hierdurch wird das dynamische Verhalten entscheidend verbessert, so dass sich im Mittel deutlich geringere Aufheizzeiten ergeben. Eine detaillierte Untersuchung mittels Simulationsrechnungen [1] hat ergeben, dass von etwa 25 % kürzeren Aufheizzeiten gegenüber parallel durchströmten mehrlagigen Flachheizkörpern auszugehen ist. Dabei entsteht aufgrund der sich einstellenden höheren Oberflächentemperatur ein deutlich höherer Strahlungsanteil, der einen positiven Beitrag zur empfundenen Temperatur im Raum, also zur Behaglichkeit, leistet. Im Auslegungsfall (Volllastbetrieb) beträgt die Erhöhung des Strahlungsanteils der Frontplatte bis etwa 10 % [1], im Teillastbetrieb erhöht sich der Strahlungsanteil auf bis zu 100 %, immer im Vergleich zu parallel durchströmten mehrlagigen Flachheizkörpern. Gleichzeitig wird durch die sich einstellende niedrigere Oberflächentemperatur der hinteren Platten eine Reduktion des Strahlungsaustauschs erreicht, der etwa die gleiche Größenordnung hat wie ein konventionell angebauter Strahlungsschirm [1], insbesondere bei der freien Aufstellung vor verglasten Flächen.
Es ist unmittelbar einleuchtend, dass die neue Konstruktion mehrlagiger Flachheizkörper durch den dabei erzielten hohen Strahlungsanteil der Frontplatte auch einen Einfluss auf den Energiebedarf besitzt. Verschiedene, detaillierte Untersuchungen [1], [2] mit stationären und dynamischen Rechenmodellen haben ergeben, dass für die energetische Bewertung von einer mittleren Aufwandsreduktion von etwa 6 % ausgegangen werden kann. Bei günstigen Randbedingungen kann die Aufwandsreduktion bis zu 10 % betragen.
Hydraulischer Abgleich
Der hydraulische Abgleich eines Heizrohrnetzes ist eine unabdingbare Voraussetzung für die sachgerechte Funktion einer Heizanlage. Nicht abgeglichene Heizrohrnetze stellen daher auch die häufigste Ursache für Mängelanzeigen dar. In vielen Fällen wird dieser Abgleich in der Praxis jedoch nicht durchgeführt, weil er zur Ermittlung differenzierter Voreinstellwerte an den Thermostatventilen eine detaillierte Rohrnetzberechnung als theoretische Grundlage und eine hierauf basierende individuelle Einstellung vor Ort erfordert. Die Firma Kermi GmbH bietet für ihr Heizkörperprogramm Thermostatventile an, die in Stufen voreingestellt sind und erleichtern so dem Anlagenbauer den hydraulischen Abgleich.
Grundsätzlich ist die Einstellung von Thermostatventilen zum hydraulischen Abgleich wesentlich von der topografischen Gestaltung des Rohrnetzes abhängig. Rohrnetze mit großer horizontaler Ausdehnung besitzen demnach einen wesentlich größeren Einfluss auf den erforderlichen kv-Wert am Thermostatventil und die damit erzielbare Regelgüte (ausgedrückt durch die Ventilautorität) als z.B. Rohrnetze mit sternförmiger Verteilung. Bei Rohrnetzen mit großer horizontaler Ausdehnung verändert sich der Anteil des variablen Differenzdrucks aus den Widerständen in den Rohren und Formstücken, der in die Ventilautorität eingeht, und stellt damit den ungünstigsten Betrachtungsfall dar. Beschränkt man die zu beheizende Nutzfläche auf einen sinnvollen Wert von etwa 1000 m², so unterscheiden sich die Rohrlängen, die einen Anteil am variablen Differenzdruck, der zur Bestimmung der einzelnen Ventilautoritäten heranzuziehen ist, besitzen, nur in einem überschaubaren Längenbereich. In einer detaillierten Studie [3] sind die maßgeblichen Einflussgrößen für beheizte Nutzflächen von 100 bis 1000 m² variiert und die erforderlichen kv-Werte für pumpennahe und pumpenferne Heizkörper berechnet worden. Weiterhin wurden die unterschiedlichen Wärmeerzeugerbauformen (mit geringem und üblichem Wasserinhalt und den sich daraus ergebenden hydraulischen Widerständen) sowie unterschiedliche Auslegungstemperaturen in die Berechnungen einbezogen. Im Ergebnis konnte ein weiter Bereich von Heizkörpergrößen mit zugeordneten, voreingestellten Thermostatventilen angegeben werden, deren Einstellung eine vertretbare Abweichung vom grundlegend per differenzierter Berechnung ermittelten Einstellwert besitzen.
Um den Einfluss von fehlendem hydraulischen Abgleich einerseits und den Einfluss der Regelgüte der verwendeten Ventile mit den jeweiligen Voreinstellwerten beurteilen zu können, wurden eine Vielzahl von dynamischen Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurde ein Raum mit seinen dynamischen Eigenschaften abgebildet und der Einflusskreis Thermostatventil mit Fühler, Ventilvoreinstellung und variabler Rohrnetzanteil als Gebäude-Anlagen-Modell angekoppelt.
Bei nicht hydraulisch abgeglichenen Heizrohrnetzen entsteht im Bereich der Wärmeübergabe durchschnittlich ein thermischer Mehraufwand von etwa 2,5 bis 3 % gegenüber einem ideal hydraulisch abgeglichenen Rohrnetz. Bei Eingrenzung der Voreinstellung auf Rohrnetze, bei denen keine großen horizontalen Verteilleitungen auftreten, an denen Heizkörper angebunden sind, was in aller Regel bei Gebäuden in dem untersuchten Bereich bis zu 1000 m² Nutzfläche der Fall ist, kann die werkseitige Ventilvoreinstellung unmittelbar als hydraulischer Abgleich angesehen werden. Eine solche Lösung weist gegenüber einem ideal abgeglichenen Rohrnetz nur noch einen thermischen Mehraufwand von unter 0,5 % auf. Mit der werkseitigen Ventilvoreinstellung wird also mindestens eine thermische Energieeinsparung von 2 % bei der Übergabe erreicht. Aufgrund der Kopplung mit den nachgeschalteten Anlagenteilbereichen Verteilung und Erzeugung wächst die Energieeinsparung auf etwa 6 % an.
Massenstromerhöhung
Bei einem nicht hydraulisch abgeglichenen Rohrnetz treten sowohl in pumpenfernen als auch in pumpennahen Heizkörpern im Teillastbetrieb deutliche Erhöhungen der Massenströme auf, die in der Folge zu einem erhöhten Druckverlust führen. Mit den höheren Massenströmen geht einher, dass die Regelgüte leidet, weil die Trägheit des Fühlers nicht mehr in der gebotenen Geschwindigkeit den deutlich über den Nominalwerten liegenden Massenströmen folgen kann. Die theoretische Verkürzung der Ein- und Ausschaltzeiten kann nicht erreicht werden, so dass im Ergebnis eine Massenstromerhöhung bleibt. In der Saldierung über die verschiedenen untersuchten Parameter ergab sich eine durchschnittliche Massenstromerhöhung von etwa 8 % gegenüber dem Nominalwert. Eine durchschnittliche Massenstromerhöhung von etwa 8 % führt wegen der gleichzeitigen quadratischen Zunahme des Differenzdruckes zu einem Strommehraufwand bei der Umwälzung von etwa 25 %. Gegenüber einem ideal hydraulisch einregulierten Rohrnetz ergeben sich nach den durchgeführten Parameterrechnungen bei werkseitig voreingestellten Thermostatventilen nur noch durchschnittliche Massenstromerhöhungen in Höhe von etwa 1,5 %, die dann zu einem Strommehraufwand bei der Umwälzung von nur noch 4,5 % führen. Das bedeutet, dass gegenüber nicht hydraulisch abgeglichenen Rohrnetzen mit werkseitig voreingestellten Thermostatventilen eine Einsparung beim Stromaufwand für die Umwälzung von etwa 20 % möglich ist.
Fazit
Mit dem seriell durchströmten mehrlagigen Flachheizkörper kann die Kermi GmbH ein Produkt anbieten, das insbesondere im Teillastbereich die Behaglichkeit für den Nutzer verbessert, da auch die subjektive Empfindung, wonach der Heizkörper „warm“ ist, beeinflusst wird. Diese neuartigen Flachheizkörper besitzen etwa 25 % kürzere Aufheizzeiten und erhöhen den Strahlungsanteil im Teillastbereich um bis zu 100 %. Unter Berücksichtigung der Anlagenkomponenten Verteilung und Erzeugung wird der Energieaufwand dabei um etwa 6 % reduziert.
Die werkseitige Voreinstellung von Heizkörpern nach einfachen Auslegungskriterien erleichtert den hydraulischen Abgleich von Heizrohrnetzen erheblich, wenn sich der Einsatzbereich auf Nutzflächen bis zu 1000 m² beschränkt. Diese werkseitige Einstellung kann dann unmittelbar als hydraulischer Abgleich angesehen werden, da gegenüber einem ideal abgeglichenen Rohrnetz nur ein Mehraufwand von etwa 0,5 % auftritt, der mit Rechenungenauigkeiten bei der detaillierten Berechnung vergleichbar ist. Die erzielbare thermische Energieeinsparung gegenüber nicht abgeglichenen Rohrnetzen beträgt etwa 5-6 %, die Reduktion des Stromaufwands etwa 20 %, so dass sich erhebliche Einsparpotentiale allein durch werksseitig voreingestellte Thermostatventile ergeben.
Resultierend aus den energetischen Vorteilen der Wärmeübergabe, mittels serieller Durchströmmung mehrlagiger Flachheizkörper und werkseitig kv-voreingestellter Ventile, ergibt sich in der Summe ein Einsparpotential von bis zu 11 %.
