Besser als gedacht: Warmluftheizungen

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• Der Energieaufwand zur Beheizung von industriell und gewerblich genutzten Hallengebäuden hat eine energiepolitisch relevante Größenordnung. Dadurch hat die realitätsnahe energetische Bewertung entsprechender Heizsysteme eine große Bedeutung.
• Seit der Revision von DIN V 18 599-5 bis Dezember 2011 bildet die Bewertungsnorm die marktgängigsten Luftheizungssysteme zweckmäßig ab. Im Energieeinsparrecht wurde die Überarbeitung mit dem 2. EnEV-Änderungsgesetz ab Mai 2014 verankert.
• Im Rahmen von zwei Studien wurde auf der Basis von Messungen in Hallengebäuden mit unterschiedlichen Luftheizungssystemen festgestellt, dass mit diesen eine effiziente und thermisch behagliche Beheizung möglich ist. Über die Planung sowie die Geräteauslegung, -platzierung und -regelung wird darauf entschieden Einfluss genommen.

Die Heizsysteme für industrielle und gewerbliche Hallen wurden bisher zum Teil lückenhaft und mit einigen Unschärfen in dem durch die Energieeinsparverordnung (EnEV) referenzierten Berechnungsverfahren DIN V 18 599 (bis Mai 2014 in der Fassung Februar 2007) „Energetische Bewertung von Gebäuden“ abgebildet. Beispielsweise wurden Strahlungsheizungen durch eine relativ pauschale Betrachtung bei der Wärmeübergabe im Nutzraum aus Sicht der Wettbewerber, aber auch von Wissenschaftlern, zum Teil zu günstig bewertet.

In der unter Federführung der Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach (figawa) initiierten Studie „Gesamtanalyse Energieeffizienz Hallengebäude“ [1] wurden bis 2011 wesentliche Grundlagen zur damals anstehenden Revision der Bewertungsnorm DIN V 18 599 in Bezug auf Hallengebäude und hallentypische Heizsysteme geschaffen und konkrete Textvorschläge für die Normenreihe erarbeitet.

Zudem verdeutlicht die Studie anhand von Hochrechnungen zum Hallenaufkommen und dem auf Hallengebäude entfallenden (Heiz)Energieverbrauch die immense Bedeutung dieser Gebäudekategorie im Rahmen energiepolitischer Betrachtungen. Immerhin wird der relevante Wärmeenergieverbrauch von industriell und gewerblich genutzten Hallen in Deutschland auf rund 15 % taxiert, eine energiepolitisch nicht zu vernachlässigende Größe, vor allem in Bezug auf mögliche zukünftige Effizienzvorgaben für bestehende Hallengebäude.

Anhand der durch die Studie ermittelten Altersstruktur des Hallenbestands kann auch von einem erheblichen Sanierungsbedarf ausgegangen werden, der bisher wenig beachtet wurde. Im Rahmen umfangreicher Messreihen in Hallengebäuden mit Luftheizungen [2] wurde neben der Beurteilung behaglichkeitsrelevanter Parameter auch die Eignung des überarbeiteten Berechnungsverfahrens der DIN V 18 599 (Dezember 2011) für Luftheizungen beleuchtet. Ein Ergebnis: Vorrangig bestimmen Maschinen, Lagergut und Produktionsprozesse die Raumkonditionierung.

Die Komfortansprüche des Menschen spielen bei der Planung von Hallen und deren Heizungs- beziehungsweise Lüftungsanlagen in den meisten Fällen eine eher untergeordnete Rolle. Da der Komfortanspruch in Hallen nicht mit dem von Wohngebäuden vergleichbar sei, würden die einzelnen Komfortkriterien für eine zusammenfassende Behaglichkeitsbewertung jedoch weniger stark ins Gewicht fallen, so die Wissenschaftler des Instituts für Technische Gebäudeausrüstung, Dresden, und der Hochschule Zittau-Görlitz.

Messungen in bestehenden Hallen

Im Rahmen der Studie zu Hallen mit Luftheizungen [2] wurden sieben Hallen mit Grundflächen zwischen 1600 und 10 000 m² und Innenhöhen zwischen 6 und 20 m untersucht. Der bauliche Wärmeschutz der in den Jahren 1991 bis 2011 errichteten Hallen wurde mit „moderat“ bis „gut“ bewertet. Beheizt werden die untersuchten Hallen mit dezentralen Warmlufterzeugern (Wärmeerzeugung und Wärmeübergabe in einer Baueinheit) und mit Lufterhitzern (Systeme mit gebäudezentraler Wärmeerzeugung und wasserführender Wärmeverteilung).

In den meisten Fällen werden die Anlagen mit Warmluftrückführung beziehungsweise mit Rezirkulationssystemen betrieben, um aufsteigende Warmluft in die Aufenthaltsebene zurückzuführen. Zur Beurteilung der Hallen und der Bewertung der Behaglichkeit an den dort befindlichen festen Arbeitsplätzen wurden unter anderem folgende Größen gemessen:

• Raumlufttemperatur (mehrere Messpositionen über die Hallenhöhe)
• Raumtemperatur im Aufenthaltsbereich (punktuelle Messungen)
• Strahlungstemperatur und Strahlungsasymmetrie
• Empfindungstemperatur an repräsentativen Arbeitsplätzen
• Strömungsgeschwindigkeiten an repräsentativen Arbeitsplätzen und markanten Bereichen, zum Beispiel im Ausblasbereich von Ventilatoren oder Rezirkulationen

Anfälligkeit gegenüber Kaltlufteinfall

Nach den Kriterien der sogenannten Behaglichkeitsnorm DIN EN ISO 7730¹⁾ konnten die Strömungsgeschwindigkeiten an den Arbeitsplätzen der sieben Hallen allgemein als gering eingestuft werden. Allerdings müsse bei der Planung solcher Anlagen darauf geachtet werden, dass Daueraufenthaltsplätze (Arbeitsplätze) nicht im unmittelbaren Ausblasbereich von Heizgeräten und Rezirkulationsventilatoren angeordnet werden, so eine Empfehlung der Studie.

In mehreren Fällen wurde jedoch eine ausgeprägte Anfälligkeit gegenüber Kaltlufteinfall durch Türöffnungen festgestellt, welche sich ungünstig auf die Behaglichkeit an Dauerarbeitsplätzen auswirken kann.

Die Messungen in Hallen mit Luftheizungen zeigen, dass Strahlungs-, Luft- und Empfindungstemperaturen in der Regel nahe beieinander liegen. Bei gutem baulichem Wärmeschutz kann davon ausgegangen werden, dass Luft- und Empfindungstemperaturen nahezu identisch sind. Bezogen auf die Belange industriell genutzter Gebäude sind die gemessenen Strahlungstemperaturdifferenzen zwischen dem oberen und dem unteren Halbraum mit 1 bis 5 K als sehr gering einzustufen.

Im Gesamtfazit der Studie zeigen sich unter anderem folgende Schwerpunkte:

• die aus den Messungen bestimmten Lufttemperaturanstiege decken sich in der Regel gut mit den entsprechenden Standardwerten nach DIN V 18 599-5:2011-12
• bei einer Beheizung mit geringer Übertemperatur (Ausblastemperatur) stellen sich von vornherein geringere Lufttemperaturanstiege als bei einer ansonsten identischen Beheizungsart mit hoher Übertemperatur ein
• mit Luftheizungen lassen sich in der Fläche sehr gleichmäßige Temperaturzustände sowie sehr geringe Temperaturdifferenzen über die Höhe realisieren
• mit Niedertemperatur-Luftheizungen kann die effektive Ausblastemperatur signifikant gesenkt und die Wurfweite der Luftstrahlen erhöht werden

Aus Sicht der Autoren erlaubt die 2011 überarbeitete Fassung der DIN V 18 599-5 eine, Zitat „zweckmäßige Abbildung der marktgängigsten Luftheizungssysteme“.

Positive Ergebnisse bei Lufterhitzern

Bei den messtechnischen Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit in Hallengebäuden durch das ITG wurde auch eine Luftheizung mit wandhängenden Luftheizern von Wolf, Mainburg, untersucht (Kennzeichen Halle 4/7). Es handelt sich um eine Lagerhalle der Größe 75 × 40 m mit einer Grundfläche von etwa 3000 m² im obersten Geschoss eines mehrstöckigen Gebäudes. Die lichte Höhe in der Hallenmitte beträgt 5,6 m. Installiert sind fünf bzw. vier wandhängende, waagrecht ausblasende Lufterhitzer vom Typ LH-63-3, und zwar an den beiden längsseitigen Außenwänden, etwa 3,25 m über dem Hallenfußboden.

Die Ventilatoren der Lufterhitzer lassen sich in zwei Leistungsstufen mit einer Nenndrehzahl von 700 oder 900 min^-1 beziehungsweise mit einem Nennvolumenstrom von 3500 oder 4600 m³/h betreiben. Zur Induktion von Raumluft in den Ausblasvolumenstrom sind an den Ausblasöffnungen Ausblaskreuze montiert. Die Halle wird größtenteils als Lager genutzt. Ein kleinerer Bereich mit festen Büroarbeitsplätzen ist durch Regale und Trennwände teilweise vom restlichen Hallenbereich abgegrenzt; er wird durch zwei separat gesteuerte Lufterhitzer beheizt.

In der Halle wurden unter anderem folgende Größen gemessen oder beurteilt:

• Ausblastemperatur mit Dokumentation des Betriebszustandes der Luftheizer
• Raumklimamessung
• vertikale Lufttemperaturprofile
• Verhalten bei Änderung der Sollwerttemperatur über die Gebäudeleittechnik
• Oberflächentemperaturen (über Thermografieaufnahmen)
• Raumluftströmung im Arbeitsbereich
• Raumluftströmung im Lagerbereich

Die Halle wurde zweimal messtechnisch untersucht, einmal mit Heizsystemtemperaturen von 75/71 °C und korrespondierenden Ausblastemperaturen zwischen 40 und 45 °C (definiert als Halle 4), einmal mit Heiztemperaturen von 47,5/43 °C und Ausblastemperaturen von ca. 30 °C (definiert als Halle 7). Bei beiden Messungen waren die Außentemperaturen (2 bzw. 6 °C) vergleichbar. Die Messungen zeigen:

• die abgesenkte Heizmedientemperatur (zweite Messung, Halle 7) und die damit verbundene Verringerung der Ausblastemperatur auf ca. 30 °C bewirkt nachweislich einen niedrigeren Temperaturgradienten über die Höhe der Halle. Im Vergleich der beiden Messdurchläufe zeigt sich ein deutlicher Einfluss der Ausblastemperatur
• die ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten sind weitgehend unkritisch und entsprechen einer mittleren Raumklimaqualität
• mit abgesenkter Heizmedientemperatur betragen die mittleren Temperaturanstiege bei der Berücksichtigung von Nutzungs- und Nichtnutzungszeiten im Lagerbereich 0,1…0,3 K/m, im Arbeitsbereich 0,4…0,5 K/m; der Standardwert nach DIN V 18 599-5:2011-12 beträgt 0,35 K/m und passt damit im Mittel gut zu den Messergebnissen
• die Messungen zeigen, dass sich zumindest in relativ niedrigen Hallen auch mit wandmontierten Luftheizungen ohne Warmluftrückführung sehr niedrige Temperaturgradienten erzielen lassen

Fazit

Die in DIN V 18 599-5 (Dezember 2011) vorgenommene Kategorisierung von Luftheizungen hinsichtlich der Wärmeübergabe an den Nutzraum wurde durch Messergebnisse [2] bestätigt. Die überarbeitete Fassung der DIN V 18 599-5²⁾ bildet marktgängige Luftheizsysteme verhältnismäßig genau und physikalisch korrekt ab. Durch die Überarbeitung sind die noch bestehenden Unschärfen korrigiert und damit das referenzierte Rechenverfahren verbessert worden, so die Autoren der Studie.

Der Autor dankt Dipl.-Ing. Jens Rosenkranz, ITG Dresden, und Lutz Krischausky, Wolf GmbH, Mainburg, für die Bereitstellung der Studien und Hintergrundinformationen sowie die kritische Durchsicht des Manuskripts.

Literatur

[1] ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung; Universität Kassel FB Bauphysik: Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden. Dresden / Kassel: Abschlussbericht, 30. Juni 2011

[2] ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung; Hochschule Zittau-Görlitz: Messtechnische Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit in Hallengebäuden mit Luftheizungen. Dresden / Zittau-Görlitz: Abschlussbericht, 2013.

Aus der Studie „Messtechnische Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit in Hallengebäuden mit Luftheizungen“ [2] lassen sich folgende Empfehlungen ableiten:

• Ausblastemperatur minimieren durch
  • Niedertemperatur-Heizsysteme bzw. den Betrieb mit niedrigen Systemtemperaturen; neben einer höheren Thermischen Behaglichkeit werden dadurch Erzeugungs- und Verteilverluste verringert sowie Optionen für Niedertemperatur-Wärmeerzeuger geschaffen (Wärmepumpe, Brennwertnutzung, Solarthermie)
  • Vorrichtungen zur Raumluftinduktion
• Warmluftrückführung und Rezirkulation
  • Geräte ausreichend dimensionieren
  • Geräte mit ausreichender Wurfweite auswählen (Dachbereich bis Bodenniveau)
  • bei sehr hohen Hallen kann eine kanalgebundene Warmluftrückführung sinnvoll sein
  • bei Hallen mit großer Grundfläche eine ausreichend große Geräteanzahl vorsehen
  • anstatt An-/Aus-Regelungen mehrstufige oder stufenlos modulierende Regelung der Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Dachraum und Aufenthaltsbereich einplanen
• besondere Berücksichtigung von permanenten Arbeitsplätzen hinsichtlich Behaglichkeit
  • direktes Anblasen von Personen durch Heizgeräte oder Rezirkulationsgebläse vermeiden
  • gegebenenfalls sollte eine Option geschaffen werden, die Ausblas- beziehungsweise die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren
• Berücksichtigung von typischen Halleneinbauten, wie Regalen, Stützen des Hallenbauwerks, Kranbahnen und ähnliches durch
  • sinnvolle Montageorte für Heizgeräte und Luftauslässe, Ventilatoren sowie Temperaturfühler
  • ungestörte Ausblasstrecken
  • bedarfsorientierte Luftkonditionierung bei unterschiedlichen Temperatur- und Behaglichkeitsanforderungen
  • konstruktive Vorkehrungen gegen Kaltlufteinfall (Schnelllauftore, Verladeschleusen, Luftschleiersysteme)

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de