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4.1 Heizkörper

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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 = 0,95 bis 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.
Heizkörper

Bild 4.1 Heizkörper

Heizkörperleistung und Temperaturdifferenz

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.

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

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
Beispiele von berechneten Heizkurven

Bild 4.4 Beispiele von berechneten Heizkurven

An der Heizgrenze, d.h. einem Tagesmittel der Aussentemperatur im Bereich 10 °C (viel freie Wärme) bis 15 °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 [BFK6].

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.

Thermostatventil

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:

  • 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.
Fühlerplatzierung

Bild 4.6 Fühlerplatzierung

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.

Kennlinien eines voreinstellbaren Thermostatventils

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 Temperaturanstieg 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:

  • hydraulischen Abgleich, sodass der Durchfluss nicht stark ansteigen kann,
  • drastische Nachtabsenkung oder besser Nachtabschaltung,
  • eine vom Benutzer programmierte Thermostatventil-Steuerung.

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)
Vorhänge

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.


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2017-01-04T16:01:33+00:00
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