4 Wärmeabgabe

4.1.1 Wärmeleistung

Heizkörper übertragen Wärme an den Raum durch Konvektion und Strahlung. Sie werden eingeteilt nach ihrem Strahlungsanteil s (Bild 4.1):

• s ≈ 0,4: einfache Heizwände. Höhere Strah­lungs­an­tei­le nur bei behinderter Konvektion (z.T. Fuss­leis­ten­heiz­kör­per);
• s ≈ 0,25: zweilagige oder lamellierte Heizwände, Ra­dia­to­ren;
• s < 0,15: Konvektoren. Strahlungsanteil 0 wird er­reicht, wenn die Strahlung abgeschirmt wird (Unterflurkonvektoren, ver­steck­te Heizkörper).

Die Wärmeleistung von Heizkörpern wird in Prüfinstituten nach [EN 442] gemessen. Darauf gestützt wer­den in den Heizkörper-Katalogen angegeben:

• Die Norm-Wärmeleistung Φn ist die vom Heiz­kör­per abgegebene Leistung bei einer Vorlauf-/Rück­lauf-/Raumtemperatur von 75/65/20 °C und einem Luft­druck von 1,013 bar.
• Der Heizkörper-Exponent n beschreibt das Ver­hal­ten des Heizkörpers bei davon abweichenden Tem­pe­ra­tu­ren.

Die tatsächliche Wärmeleistung des Heizkörpers kann nun ermittelt werden:

Φ Wärmeleistung im Betriebszustand in W
Φn Norm-Wärmeleistung in W
ΔTm mittlere Temperaturdifferenz Wasser-Luft in K
ΔTm,n 50 K, mittlere Temperaturdifferenz bei Normbedingungen
f Korrekturfaktor für verschiedene Einflüsse gemäss Text, normalerweise f = 1

Die Differenz zwischen Vor- und Rück­lauftem­pe­ra­tur einer Heizfläche wird als «Spreizung» bezeichnet. Das Verhältnis von Spreizung zur maximalen auftretenden Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz ist der Wärmeübertragerkennwert der Heizfläche:

θV, θR Vorlauf-, Rücklauftemperatur in °C
θi Raumtemperatur in °C

Die mittlere Temperaturdifferenz (mittlere Über­tem­pe­ra­tur) kann oft genügend genau als arithmetisches Mittel bestimmt werden:

Wenn hingegen der Wärmeübertragerkennwert a > 0,3 ist, sollte zwecks besserer Genauigkeit die mittlere Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz als logarithmische Differenz be­rech­net werden:

Mit steigender Temperaturdifferenz nimmt die Leistung von Heizkörpern überproportional zu (Bild 4.2). Exponent n = 1 wäre gleichbedeutend mit konstantem Wärmedurchgangskoeffizienten U (wie bei Ge­bäu­den und Fussbodenheizungen). Übliche Heiz­körper-Exponenten liegen im Be­reich 1,2 bis 1,4.

Weitere Einflüsse auf die Wärmeabgabe von Heiz­kör­pern sind im Korrekturfaktor f zusammengefasst:

• Ortshöhe: Mit sinkendem Luftdruck vermindert sich der Wärmeübergang durch Konvektion. Die Wär­me­lei­stung von Heizkörpern vermindert sich des­halb auf 1000 m ü.M. um bis 10 % gegenüber Meereshöhe (Normbedingung).
• Anschlussart: Wird ein Heizkörper nicht in üblicher Weise (Vorlauf oben, Rücklauf unten) an­ge­schlos­sen, so können, je nach Konstruktion, Minderleistungen auftreten.
• Durchfluss: Ist der Massenstrom geringer als im Normfall, vermindert sich die Wärmeleistung.
• Einbau: Werden die vom Hersteller angegebenen Wand-, Boden-, Fensterbrett-Abstände nicht ein­ge­hal­ten oder wird der Heizkörper verkleidet, so kann die Wärmeleistung stark sinken.
• Anstrich: Die üblichen Heizkörperlacke beliebiger Farbe beeinflussen die Wärmeabgabe nicht. Me­tal­li­sche Überzüge hingegen weisen tiefe Strah­lungs-Emissionszahlen auf und verhindern damit die Wärmeübertragung durch Strahlung weit­ge­hend.

Bild 4.1 Heizkörper

Bild 4.2 Heizkörperleistung und Temperaturdifferenz

4.1.2 Teillastverhalten

Die Wärmeleistung muss an den Bedarf angepasst werden können. Die Heizkörpergleichung lässt er­ken­nen, wie dies zu be­werk­stel­li­gen ist.

Φ Wärmeleistung bei Teillast in W
Φ100 Wärmeleistung bei Volllast in W
ΔTm mittlere Temperaturdifferenz Teillast in K
ΔTm,100 mittlere Temperaturdifferenz Volllast in K

Die Wärmeleistung lässt sich somit nur durch Be­ein­flus­sung von ΔTm verändern. Es gibt zwei Mög­lich­kei­ten, dies zu tun:
1. durch Verändern des Massenstroms bei konstanter Vorlauftemperatur (Drosselregelung am Heiz­kör­per­ven­til)
2. durch Verändern der Vorlauftemperatur bei kon­stan­tem Massenstrom (Vor­lauftem­pe­ra­tur­re­ge­lung)

Die beiden Möglichkeiten werden oft kombiniert an­ge­wen­det.

Drosselregelung des Heizkörpers

Die Wärmeleistung eines Heizkörpers kann durch Schlies­sen und Öffnen des Heizkörperventils beeinflusst werden. Der Zusammenhang zwischen Wär­me­lei­stung und Durchfluss wird als Heizkörperkennlinie be­zeich­net. Diese kann aufgrund der Heizkörper-Be­zie­hun­gen berechnet werden (Bild 4.3). Die Kennlinie a100 = 0,3 gilt beispielsweise für Heizkörper, welche auf Vorlauf-/Rücklauf-/Raumtemperaturen von 50/41/20 °C ausgelegt sind. Wenn nun gedrosselt wird, bleibt die Vorlauftemperatur kon­stant, hingegen sinkt die Rücklauftemperatur.

Bild 4.3 Heizkörper-Kennlinien für n = 1,3; die Kurven sind mit dem Wärmeübertragerkennwert im Aus­legungszustand beschriftet

Beispiel:

Durch einen auf 50/41/20 °C ausgelegten Heiz­kör­per fliessen aufgrund eines Fehlers nur 60 % des er­for­der­li­chen Massenstroms. Dem Diagramm wird ent­nom­men, dass die Wärmeleistung immerhin noch 88 % der ausgelegten beträgt. Die Spreizung beträgt neu 9 K · 0,88 / 0,6 = 13 K, die Rücklauftemperatur 37 °C. Das Beispiel zeigt, dass man den Durchfluss stark reduzieren muss, um eine nennenswerte Re­duk­ti­on der Lei­stung zu erhalten (beson­ders bei klei­nen a100-Wer­ten). Andererseits sind die Möglichkeiten, mit­tels Durch­fluss-Er­hö­hung die Wärmeabgabe zu stei­gern, sehr be­schränkt.

Vorlauftemperaturregelung des Heizkörpers

Die Wärmeleistung von Heizkörpern kann durch Va­ri­ieren der Vorlauftemperatur beeinflusst werden. Der Zusammenhang der Vorlauftemperatur der Hei­z­an­la­ge mit der Aussentemperatur wird als Heizkurve be­zeich­net. Auch die Heizkurve kann aufgrund der Heiz­kör­per-Beziehungen berechnet werden (Bild 4.4). Oft genügt es, die Heizkurve durch eine Gerade anzunähern. Diese Heiz«gerade» wird mittels zweier Punkte festgelegt:

• Auslegungspunkt: Auslegungs-Vorlauftemperatur bei der massgebenden Aussentemperatur
• Punkt 21 °C Aussentemperatur, 21 °C Vorlauftemperatur

Bild 4.4 Beispiele von berechneten Heizkurven

An der Heizgrenze, d.h. einem Tagesmittel der Aus­sentem­pe­ra­tur im Bereich 10 °C (viel freie Wärme) bis 16 °C (wenig freie Wärme), wird die Heizung ab­ge­schal­tet. Die Spreizung ist bei konstantem Mas­senstrom proportional zur abgegebenen Wärmeleistung. Die Spreizung nimmt somit mit steigender Aus­sentem­pe­ra­tur ab.

Die Beobachtung eines generellen Unter- oder Über­hei­zens macht eine Korrektur der Heizkurve er­for­der­lich. Insbesondere nach der Austrock­nungs­pha­se soll­te die Heizkurve «heruntergeholt» wer­den. Die Durch­füh­rung der Korrektur am Regler erfolgt in kleinen Schritten in Abständen von meh­re­ren Tagen oder mit dem Einstellverfahren nach Jürg Tödtli.

4.1.3 Der Einsatz von Heizkörpern

Thermostatventile

sind P-Regler ohne Hilfsenergie (Bild 4.5). Eine Tem­pe­ra­turer­hö­hung in der Umgebung des Fühlers führt zur Ausdehnung des Fühlermediums und damit zur Verkleinerung des Ventilhubs. Der Durchfluss wird gedrosselt, und die Wärmeleistung des Heizkörpers sinkt.

Bild 4.5 Thermostatventil

Wie bei jeder Regelung muss die Regelgrösse, hier die Raumtem­pe­ra­tur, durch geeignete Fühlerplatzierung richtig erfasst werden. In vielen Fällen ist dies mit einem eingebauten Fühler nicht sichergestellt (Bild 4.6). Es sind dann folgende Möglichkeiten vorhanden:

Bild 4.6 Fühlerplatzierung

• Fernfühler: äusserlich gleicher Kopf wie Bild 4.5, aber der Temperaturfühler befindet sich an einem geeigneten Ort, mittels einer Kapillare mit dem Kopf verbunden.
• Ferneinsteller: Fernfühler und Sollwerteinsteller kombiniert (Bild 4.6 unten links).
• Zentraler Raumthermostat für mehrere Heizkörper (z.B. im Schulzimmer), da niemand mehrere Thermostatventile einzeln bedienen wird.

Bei der hydraulischen Dimensionierung von Ther­mo­stat­ven­ti­len ist die Ventilautorität unwichtig. Mangelnde Ventilautorität bewirkt ten­denz­mäs­sig ein 2-Punkt-Verhalten (entweder offen oder zu). Dies ist aber in der Praxis nicht nach­tei­lig. Hingegen muss jeder Heizkörper hydraulisch abgeglichen werden können. Dies erfolgt am zweckmässigsten durch Verstellen des integrierten Drosselorgans eines voreinstellbaren Thermostatventils (Bild 4.7). Dem Diagramm kann auch entnommen werden, in welchen Betriebsbereichen nennenswerte Geräusche zu erwarten sind.

Bild 4.7 Kennlinien eines voreinstellbaren Thermostatventils (Vor­ein­stel­lun­gen 1 bis N, P-Abweichung 0,5 bis 2 K, Danfoss)

Unter der P-Abweichung versteht man den Tem­pe­ra­tu­r-an­stieg bis zum völligen Schliessen des Ventils. Am linken Rand des Kennlinienfeldes ist die P-Ab­wei­chung 0,5 K, am rechten 2 K. Thermostatventile regeln die Raumtemperatur auf den am Drehgriff ein­ge­stell­ten Sollwert. Wird beispielsweise 20 °C angestrebt, so muss der Drehgriff in die Stellung 3 gebracht wer­den. Das Ventil wird dann bei einer Temperatur von 20 °C, zuzüglich der P-Abweichung, tatsächlich ge­schlos­sen sein. Mit der häufig anzutreffenden Ma­xi­mal­stel­lung 5 hingegen würde das Ventil seinen Zweck nicht er­fül­len. Drehgriffe können deshalb nach oben, auf die ge­wünsch­te Raumtemperatur, begrenzt werden.

Beim kombinierten Einsatz von Thermostatventilen mit witterungsgeführter Vorlauftemperaturregelung ist zu beachten, dass sich die Ventile bei Nachtabsenkung ganz öffnen, da ja ihr Sollwert unterschritten wird. Sie unterlaufen so die Nachtabsenkung. Dies kann weitgehend verhindert werden durch Nachtabschaltung oder durch hydraulischen Abgleich, sodass der Durchfluss nicht stark ansteigen kann.

Anordnung von Heizkörpern

Die Anordnung von Heizkörpern sollte so erfolgen, dass damit nicht zusätzliche Verluste entstehen:

• nicht vor Glasflächen
• keine Vorhänge vor den Heizkörpern (Bild 4.8)

Bild 4.8 Vorhänge

Heizkörper an Innenwänden können bei guten Ver­gla­sun­gen einen durchaus guten Komfort bieten (vgl. 1.2.2). In Büros ist der Standort dann unkritisch, wenn die Heiz­kör­per während der Arbeitszeit wegen der Ab­wär­me ausser Betrieb sind.

Heizkörper an der Decke (Strahlplatten) mit hohem Strahlungsanteil sind für hallenartige Räume sehr geeignet. Die Wärmestrahlung nach unten wird beim Auftreffen auf einen Körper in fühlbare Wärme umgesetzt und hebt damit die empfundene Temperatur an. Die relativ tiefe Lufttemperatur ergibt geringe Wärmeverluste. Bei Strahlungsheizungen kann die Lufttemperatur etwas tiefer ge­wählt werden als bei anderen Wärmeabgabesystemen.