Nicht nur eine Frage der Heizlast

Kompakt informieren

• Bei der Berechnung der Heizlast von Hallen ist zu berücksichtigen, dass sich über die Höhe ein Temperaturprofil ausbildet.
• Das Temperaturprofil lässt sich nicht gänzlich vermeiden, kann aber durch das System zur Wärmeübergabe in Grenzen gehalten werden.
• Bei der Beheizung von Hallen über Decken-strahlplatten sind diese so auszulegen, dass ihre Wärmeabgabe nach unten (Strahlung) und nach oben (Konvektion) auf den Bedarf der jeweils darunter und darüber liegenden Bedarfszonen abgestimmt ist.

Bei der Auslegung einer Hallenheizung sind zahlreiche Kriterien zu beachten. Dazu zählen Nutzung, Größe, Raumhöhe, Wärmespeicherkapazität, Luftwechselrate, der Einsatz regenerativer Energie und CO₂-Ausstoß sowie Investition und Folgekosten. Bei letzterem Punkt sind besonders die Energiekosten (inklusive Hilfsenergie) und der Aufwand für die Wartung relevant, etwa regelmäßige Prüfungen oder Schornsteinfegerleistungen.

Gerade die Lebenszykluskosten rücken immer stärker in den Fokus, wobei Investitionen auch davon bestimmt werden, ob eine Halle eher kurzfristig für einen bestimmten Zweck errichtet werden soll und ob Nutzungsänderungen geplant oder problemlos möglich sein sollen. Als Stichworte seien hier Nachhaltig-keit, dauerhaft niedriger CO₂-Ausstoß bis hin zum grünen Image eines Unternehmens genannt.

All diese Aspekte wirken sich letztlich auf die Entscheidung aus, welche Art der Wärmeerzeugung bzw. der -übergabe gewählt wird. Um die bestmögliche Entscheidung treffen zu können, müssen sich Bauherr und Planer zu Beginn der Planung zusammensetzen.

Die Aufgabenstellung beginnt in der Regel mit der korrekten Ermittlung der Heizlast. Die in der Praxis eingesetzten Berechnungsverfahren gehen dabei allerdings zumeist von einem konstanten Temperaturprofil über die Hallenhöhe aus. In seltenen Fällen wird auch ein Schichtenmodell als Hilfsmittel eingesetzt. So wird der Sollwert, beispielsweise 18 °C für die Raumtemperatur in der Aufenthaltszone, auch für den Wärmeverlust durch das Dach angesetzt.

Für eine realistische Heizlastberechnung sind jedoch unterschiedliche Raumtemperaturwerte entsprechend der Temperaturschichtung anzusetzen. Erfahrungsgemäß steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe in einer Halle umso stärker an, je mehr thermische Konvektion in der Halle herrscht. Ziel der Beheizung sollte es sein, eine Minimierung der thermischen Konvektion zu berücksichtigen, unabhängig von der Lastberechnung.

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, die mit q_u (Leistungsabgabe nach unten) bezeichnet wird. Sinnvollerweise geht für jedes Objekt eine exakte Datenerhebung voraus, damit die Deckenstrahlheizung opti-mal ausgelegt ist. Nachfolgend verdeutlichen drei Beispiele anhand typischer Hallenquerschnitte, in welchen Zonen mit erhöhtem Transmissionswärmeverlust zu rechnen ist bzw. wie sich die Lüftungswärmeverluste zusammensetzen.

Als Vorgabe wurden Hallen mit Shed-Dach, Satteldach und Flachdach gewählt. Damit 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 q_u. 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 optimal an die Wärmebedarfszonen anzupassen. Je besser dies gelingt, umso gleichmäßiger werden die Innentemperaturen am Arbeitsplatz und damit eine hohe Behaglichkeit sichergestellt. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, gibt es 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 Wärmebedarfs 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, die Effizienz und die Höhe der Betriebskosten.

Drei Beispielrechnungen

Die drei Hallenbeispiele 2 zeigen einen Anteil q_o am Gesamtwärmebedarf Q_N zwischen 20 und 70 %. Bei der genannten Mindestabdeckung von 50 % bedeutet dies, dass die Deckenstrahlheizung zwischen 10 und 35 % Konvektionswärme und somit 65 bis 90 % Strahlungswärme abgeben muss. Das umfangreiche Deckenstrahlprogramm von Best ermöglicht diese Variabilität. Darüber hinaus bieten sich auch konstruktive Lösungen, falls in Extremfällen der vorgenannte Rahmen überschritten wird.

Die Erfahrung aus der Praxis zeigt, dass rund 90 % der Hallen mit einer Kombination aus Variante 2 und 3 der in 3 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 Dämmung der Dachfläche die bessere Lösung darstellt. Auch bei bester Dämmung beträgt q_o selten weniger als 25 %.

Fazit

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 % kaum zu erreichen, etwa bei 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 und beste hygienische Bedingungen auszeichnet. Bezüglich der Lebensdauer ist anzumerken, dass die Deckenstrahlheizung im Vergleich zu anderen Systemen einen deutlich höheren Wert erreicht. Dies wird ergänzt durch die niedrigen Folgekosten.

Flachdach

In der Produktionshalle der Abus Kransysteme GmbH werden große Kräne montiert. Die Wärmebereitstellung wird vor allem durch eine Hackgutheizung realisiert, die Wärmeübergabe über die Deckenstrahlheizung. Diese kann auch höhere Vorlauftemperaturen problemlos aufnehmen. In der 13 m hohen Halle 4 befinden sich die Strahlbänder nicht in einem potenziellen Schadensbereich. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Komponenten nach der Installation wartungsfrei arbeiten und als äußerst langlebig gelten. Von 53 installierten Bändern verlaufen 49 in Längsrichtung. Ebenso wie die Beleuchtungsanlage sind sie parallel zu den Lichtkuppeln angeordnet, ohne sie zu queren. Vier kürzere Strahlplattenbänder wurden quer zu den Toröffnungen montiert, um den höheren Bedarf abzudecken.

Satteldach mit Lichtöffnungen

Aus der ehemaligen Werkshalle nebst Gelbgießerei auf dem Steinmüllergelände in Gummersbach entstand ein Kultur- und Veranstaltungszentrum 5. Die Halle kann als Beispiel für die Umnutzung und den gleichzeitigen Erhalt der Industriearchitektur dienen. Am Dach zeigt sich die Kombination von alter und neuer Bausubstanz – das Tragwerk konnte erhalten werden, die Eindeckung hat man erneuert, die Lichtbänder neu verglast. Die Stahlprofile, die beispielsweise die Halle in Längsrichtung teilen bzw. die Galerie tragen, bis hin zu den beiden Krananlagen wurden als prägende Elemente erhalten. Die Gebäudehöhe beträgt 8,35 m.

Die Heizbänder wurden nah unter der Decke montiert, wobei sie genau an die Neigung angepasst wurden. Sie verlaufen unterhalb der lasttragenden Stahlprofile und konnten aufgrund der geringen Bauhöhe von 50 mm durch die Verstrebungen geführt werden. Geschätzt werden von den Nutzern die kurzen Reaktionszeiten und die Flexibilität sowie die angenehme, gleichmäßige Strahlungswärme.

Als zweites Beispiel kann eine von acht Hallen der Scharnhorst-Kaserne Hannover dienen, die eine Lichtkuppel aufweist 6. Aufgrund hoher Kosten für die Beheizung wurde von Lufterhitzern auf Deckenstrahlplatten umgestellt, die lediglich die Antriebsenergie für die Umwälzpumpen benötigen. Der hohe Hilfsenergieaufwand für die Ventilatoren fiel weg.

ist Geschäftsführer der Best GmbH in 30916 Isernhagen, info@best-kuehlheizen.de, www.best-kuehlheizen.de