Optimierung von Hallenheizsystemen mit Sekundärluftjalousien

Gunther F. Körnlein

Als kostengünstige Lösung haben sich dezentrale Luftheizgeräte zur Hallenbeheizung und -belüftung millionenfach bewährt. Wesentliches Element zum wirtschaftlichen Betrieb und zur Erzeugung von Behaglichkeit im Aufenthaltsbereich ist dabei der Luftauslaß. Neben den bekannten Standardjalousien hat hier insbesondere die Sekundärluftjalousie in den vergangenen zehn Jahren von sich reden gemacht. Kaum einer in der SHK-Branche kennt sie nicht oder hat sie noch nicht eingesetzt. Hier wird noch einmal der Aufbau, die Funktion und die Wirkungen dieser Erfindung beleuchtet, die nach wie vor ihren hohen Stellenwert in der Fachwelt genießt.

Der wirtschaftliche Betrieb einer Halle hängt maßgeblich von der Minimierung der Heizkosten ab - sie gehören sogar zu den wesentlichen Faktoren, die ein Unternehmen heute finanzieren muß. In dem Markt der Hallenbeheizung haben dezentrale Luftheizgeräte einen besonders hohen Stellenwert erreicht. Sie bestehen aus wenigen, nahezu wartungsfreien Elementen: einem Ventilator mit Motor, einem Wärmeaustauscher, der Verrohrung und einer Ausblasjalousie sowie dem eigentlichen Gehäuse.

Die Ausblasjalousien in Form von verstellbaren oder festen Luftlenkblechen leiten den warmen Luftstrahl in die Halle. Jeder dieser Luftauslässe hat in bestimmten Situationen - z.B. der Schnellaufheizung der Halle - seinen speziellen Vorteil, der aber durch einen Nachteil für einen anderen Einsatzzweck erkauft werden muß. Für die große Vielfalt an lufttechnischen Anforderungen wurden daher Planer und Benutzer immer wieder zu weitreichenden Kompromissen gezwungen.

So führte bei Geräten, die an der Decke montiert sind, speziell bei zu hohen Ausblastemperaturen und kleinen Austrittsgeschwindigkeiten der thermische Auftrieb des warmen Luftstrahls zu starken vertikalen (senkrechten) Strahlablenkungen. Die Folgen waren große Übertemperaturen im Deckenbereich der Halle und hohe Heizkosten. Wird die warme Luft hingegen mit großem Austrittsimpuls ausgeblasen, kann sie gebündelt und ohne große Wärmeverluste in den Aufenthaltsbereich gebracht werden.

Diese zu hohen Luftgeschwindigkeiten führen jedoch zu Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich und damit nicht nur zu direkten Auswirkungen auf das Wohlbefinden der dort arbeitenden Personen, sondern eventuell auch zu Beeinträchtigungen für die Produktion, z.B. in einer Schweißerei. Als allgemeine weitere Variablen ergeben die Leistung des Ventilators, die Ausführung des Heizelementes und das jeweilige Heizmedium zusammen mit der Ansaugtemperatur als Zwangsprodukt den Luftvolumenstrom, die Ausblastemperatur und die Wurfweite des Luftstrahls.

Um eine Halle beheizen zu können, muß der durch Luftheizgeräte erwärmte Luftvolumenstrom eine höhere Temperatur als die Hallenluft haben. Dadurch entstehen zwangsläufig Temperaturschichtungen, die von der Hallengeometrie, der Luftführung, der Luftumwälzung und der Luftausblastemperatur abhängig sind.

Bild 1: Die Grafik veranschaulicht deutlich den Vergleich und die Unterschiede zwischen einem Luftheizgerät mit einem herkömmlichen Ausblas und einem Luftheizgerät mit Sekundärluftjalousie.

Entscheidung zwischen Investitions- und Betriebskosten muß die Waage halten

Um nun eine möglichst geringe Temperaturschichtung zu gewährleisten, wäre die theoretische Ideallösung eine Vielzahl von dezentralen Luftheizgeräten, die über ihre sehr große Wärmetauscherfläche mit Ausblastemperaturen knapp über der Raumtemperatur arbeiten könnten. Da diese Lösung jedoch wirtschaftlich nicht vertretbar ist, wird in der Praxis eine Geräte-Ausstattung und -Anzahl gewählt, die zur Erbringung der erforderlichen Gesamtheizleistung gerade noch vertretbare Ausblastemperaturen aufweist. Dies stellt jedoch zugleich die wichtige Entscheidung zwischen momentanen Investitionskosten und den späteren Betriebskosten dar.

Die Rechnung dazu ist einfach: Da die jährlichen Energiekosten eines Luftheizgerätes in der Regel höher sind als die einmaligen Investitionskosten, amortisiert sich eine Zusatzinvestition von 10%, welche die Energiekosten um 15% p.a. senkt, bereits in vier Wintermonaten. Somit kann innerhalb dieses engen kaufmännischen und technischen Grenzbereiches durch eine technische Komponente nachträglich zur sicheren und wirtschaftlichen Seite hin korrigierend eingegriffen werden.

Die anfangs erwähnten Gerätekomponenten der Luftheizgeräte werden bereits bei der Planung berechnet und festgelegt. Die Variationsmöglichkeiten nach der Installation beschränken sich also nur noch auf den mehrstufigen Betrieb und die Temperaturveränderung des Heizmediums. Herkömmliche Ausblasjalousien können an diesen Abhängigkeiten nichts Wesentliches verändern. Der Primär-Luftvolumenstrom wird durch die Leitbleche dicht über den Aufenthaltsbereich gelenkt, drängt dann durch die Thermik nach oben und erhöht im Deckenbereich die Transmissionswärmeverluste (Bild 1 oben).

Im Aufenthaltsbereich selber wird jedoch in der Regel nicht der Primärluftstrahl, sondern eine Sekundärwalze mit niedrigen Luftgeschwindigkeiten wirksam. Bei Luftheizgeräten, die an der Wand montiert sind, hängt die Ausdehnung dieser Sekundärluftwalze davon ab, wie lange es gelingt, den primären Luftvolumenstrom entgegen der Thermik waagerecht zu halten. Je kleiner die Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur und je höher die Luftaustrittsgeschwindigkeiten sind, desto länger bleibt der Luftstrahl in der Horizontalen "stabil". Analog steigt der Aufwand zur Einhaltung einer konstanten Temperatur im Aufenthaltsbereich.

Bild 2: Durch die hohe Abrißgeschwindigkeit an der Abrißkante der Profile baut sich im darunterliegenden Hohlprofil ein Unterdruck auf. Über seitliche Öffnungen wird Raumluft als Sekundärluft angesaugt und intensiv mit dem Primärluftstrahl vermischt.

Stufenlose Erhöhung der Luftaustrittsgeschwindigkeit mit Sekundärluftjalousie

Mit einem speziell konstruierten Ausblas - der Sekundärluftjalousie - kann sich der erwärmte Luftvolumenstrom diese Abhängigkeiten nun variabel nutzbar machen. Eventuell zu hohe Ausblastemperaturen werden durch die Beimischung kühlerer Raumluft reduziert (Bild 2). Gleichzeitig werden durch höhere Luftaustrittsgeschwindigkeiten stabile Primär-Luftstrahlen gebildet. Um diese Ergebnisse erreichen zu können, verfügt die Sekundärluftjalousie statt der bisherigen Luftlenkbleche über tragflächenähnliche Profile. Jeweils zwei davon bilden eine verstellbare horizontale Düse zur stufenlosen Erhöhung der Luftaustrittsgeschwindigkeit. Durch die verstellbare Verengung des Querschnitts kann sie bis zum 2,5fachen erhöht und dadurch auch die Wurfweite des Luftstrahls verändert werden.

Wie funktioniert dieses Prinzip? Durch die hohe Luftgeschwindigkeit an der Abrißkante der Profile baut sich im darunterliegenden offenen Hohlprofil ein Unterdruck auf. Über seitliche Öffnungen wird Raumluft als Sekundärluft angesaugt und intensiv mit dem Primärluftstrahl vermischt. Hierdurch kann die Ausblastemperatur schon nach kurzer Luftstrecke bis auf wenige Grad Celsius über die Raumtemperatur gesenkt und somit der thermische Auftrieb reduziert werden. Hohe Temperaturen unter der Hallendecke können erst gar nicht entstehen. Der Hersteller garantiert hier sogar eine Temperaturschichtung von maximal 0,2 K pro Höhenmeter. Bei einer Raumtemperatur von 15°C ist es also in fünf Metern Höhe an der Decke 16°C warm.

Gemeinsame Versuche zur Berechnung der Energieeinsparung mit der Universität Essen

Der Nachweis hierzu wurde 1987 zusammen mit der Universität Essen sowie der Fachhochschule Gießen/Friedberg geführt. Für den Versuchsaufbau wurden in einer Fertigungshalle mit acht Metern Höhe zwei Zonen mit einer quadratischen Grundfläche von je 225 m² durch Kunststoffolie von den übrigen Hallenbereichen getrennt. In jeder Zone wurden zwei Luftheizgeräte in Wandanordnung montiert, von denen eines mit einer Standard-, das andere mit einer Sekundärluftjalousie versehen war. Jeweils 14 Kupfer-Konstantan-Thermoelemente erbrachten 20000 Meßwerte, die von einem Rechner abgespeichert wurden. Aus der Bewertung der Meßergebnisse läßt sich herleiten, daß sich die Energieeinsparung zwischen 34 und 42% bewegen wird.

Luftgeschwindigkeiten von nur 0,2 m/s im Aufenthaltsbereich

Diese zehn Jahre alten Versuche sind mittlerweile in der Praxis mehr als 100000 mal bestätigt worden. Damit wurde durch die Sekundärluftjalousie gleichzeitig auch ein wirtschaftlicher Dauerbetrieb in den geräuscharmen kleinen Drehzahlstufen mit geringen Luftvolumenströmen möglich. Hohe Luftgeschwindigkeiten und vernünftig gewählte Ausblastemperaturen allein garantieren jedoch noch keine bessere Raumdurchspülung. Bei herkömmlichen Ausblasjalousien und hohen Ausblastemperaturen wird die wichtige Sekundärwalze im Aufenthaltsbereich nur begrenzt ausgebildet. Durch die Wirkungsweise der Sekundärluftjalousie gelingt es nun jedoch über lange und stabile Luftstrahlen eine wesentlich größere Sekundärluftwalze im Aufenthaltsbereich aufzubauen (Bild 1 unten). Diese hat durch ihr größeres Volumen mehr Reibungsfläche und verlangsamt sich dadurch wieder auf die im Aufenthaltsbereich angestrebten niedrigen Luftgeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,2 m/s, die der Mensch nicht mehr wahrnehmen kann. Der Hersteller garantiert auch diese Luftgeschwindigkeiten mittlerweile sogar auf Wunsch des Betreibers oder Planers. Der gesamte Aufenthaltsbereich wird somit schneller erwärmt und die Behaglichkeitszone ohne Zugerscheinungen wesentlich vergrößert.

Durch die stufenlose Verstellmöglichkeit der Profile zueinander ist eine Vielzahl verschiedener Funktionen einstellbar. Für jedes einzelne Gerät kann die Luftaustrittstemperatur, die Wurfweite und die Größe der Sekundärwalze variiert werden. Dadurch läßt sich jedes Luftheizgerät individuell an die örtlichen Gegebenheiten und Anforderungen anpassen. Die Vorteile der hohen Luftaustrittsgeschwindigkeiten und der verstärkten Raumdurchspülung gewährleisten auch den Einsatz der dezentralen Anlagen als reine Lüftungsgeräte mit einer wesentlich intensiveren Belüftung an heißen Sommertagen.

Wie verhält es sich mit dem zusätzlichen Luftwiderstand der Sekundärluftjalousie? Alle Auslegungsdaten von Luftheizgeräten beziehen sich generell auf den Gerätezustand freisaugend und freiblasend. Wurden bei herkömmlichen Jalousien die Lenkbleche im Winkel von 45° festgestellt, so reduzierte sich durch den Widerstand der Luftvolumenstrom. Dies geschieht in geringerem Umfang auch bei der Sekundärluftjalousie. Hier wird jedoch der geringere Luftvolumenstrom über den Ventilator und durch die zusätzlich über die Jalousie angesaugte Primär-Sekundärluftmenge mehr als ausgeglichen. Auf den Raum bezogen ergibt sich dadurch aber ein wesentlich größeres bewegtes Luftvolumen. Die intensive Luftumwälzung - und nicht die Wurfweite - sorgt für eine flächendeckende, gleichmäßige Wärmeverteilung.

Bild 3: Die Sekundärluftjalousie senkt nach Untersuchungen die Energiekosten um mindestens 10 bis 15%. Darüber hinaus garantiert der Hersteller eine Temperaturschichtung von max. 0,2 m pro Höhenmeter. Im Aufenthaltsbereich werden Luftgeschwindigkeiten von kleiner 0,2 m/s ebenfalls garantiert.

Energiekosteneinsparung von 10 bis 15%

Ähnlich verhält es sich mit der Heizleistung: Sie verändert sich bei geöffnetem Ausblasquerschnitt nicht. Die Heizleistung sinkt etwas ab, wenn der Ausblasquerschnitt verengt wird (max. 5%). Da aber gleichzeitig die Luftgeschwindigkeit und mit ihr der Sekundärluftanteil steigt, wird die Raumdurchmischung im überproportionalen Verhältnis intensiver und der thermische Auftrieb reduziert. Es ergibt sich dadurch ein maximaler Temperaturanstieg von 0,2 K pro Höhenmeter. Der tatsächliche Wärmebedarf des Raumes sinkt unter die etwas geringere Heizleistung. Beides zusammen bewirkt bei Geräteauslegung wie bisher neben der Raumanpassung eine spürbare Reduzierung der Betriebskosten.

Die zusammen mit der Universität Essen durchgeführten Meßreihen ergaben eine mittlere Energieeinsparung von 38%. In der vielfältigen Praxis sind 10 bis 15% zu erwarten. Die Kosten für die Sekundärluftjalousie amortisieren sich damit in der Regel innerhalb einer Heizperiode. Die Sekundärluftjalousie läßt sich auch nachträglich an alle älteren Multitherm-Luftheizgeräte montieren (Bilder 3 und 4). Unverzichtbar ist sie bei hohen Hallen oder schlecht isolierten Dächern, bei Teilbeheizung oder Gebäuden, die nur sporadisch beheizt werden sollen.

Die maximale Energieeinsparung ist jedoch nur zu erzielen, wenn die Luftlenkung kontinuierlich auf sich permanent ändernde Betriebsbedingungen wie z.B. Lüfterdrehzahl, Raum-, Ausblas- und Heizwassertemperatur eingestellt wird, was die Notwendigkeit einer entsprechenden Regelung bedeutet. Nur durch ein passendes Regelsystem lassen sich die hohe Flexibilität und Individualität des dezentralen Systems koordinieren, die unterschiedlichen Betriebszustände der dezentralen Lufterhitzer erfassen und anschließend so steuern, daß unnötige Wärme- und Energieverluste vermieden werden können sowie der größtmögliche Komfort für Personen im Aufenthaltsbereich erzielt wird.

Bild 4: Luftheizgerät mit Sekundärluftjalousie.

Durch passende Regelung: beste Ergebnisse

Zusätzlich stellt die variable Beimischung von Außenluftanteilen weitere Randbedingungen dar, die als "Regelungspotential" berücksichtigt werden müssen. Für einen effizienten Einsatz der Heizenergie sind hierbei mikroprozessorgesteuerte Regelungen notwendig, die über einen genügend großen Speicher verfügen, um auch komplexe steuerungstechnische Verknüpfungen von Betriebs- und Anlagenzuständen bedarfsgerecht zu verarbeiten. Sie garantieren, daß die Strahlgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich, d.h. in ca. 0,75 Meter Höhe, auf Zugfreiheit (kleiner 0,2 m/s) abgebaut ist.

Bei einer Neuinstallation müssen nur zwei Auslegungspunkte im Aufenthaltsbereich der Halle ermittelt und eingestellt werden. Punkt eins ist die Winkelstellung der Sekundärluftjalousie für Zugfreiheit kaltblasend, und Punkt zwei ist die Winkelstellung bei Zugfreiheit mit größtmöglicher Temperatur. Zwischen diesen beiden Punkten errechnet das Regelgerät eine spezifische Kennlinie, auf der es dann arbeitet. Um dem Betreiber dennoch eine gewisse individuelle Einflußmöglichkeit zu gewähren, kann diese berechnete Kennlinie mittels eines Potentiometers noch zur Feinanpassung nach oben oder unten verschoben werden.

Die Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen Zulufttemperatur und der Raumtemperatur gewährleistet dabei vordringlich die Vermeidung von Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich. Zusätzlich zur Temperaturdifferenz wird als Eingangsgröße die Ventilatordrehzahl herangezogen. Aus beiden Werten ermittelt die Regelung auf der spezifischen Kennlinie den entsprechenden Ausblaswinkel, d.h. die Klappenstellung der Sekundärluftjalousie. Regelungen, die z.B. nur die Temperaturdifferenz zwischen Aufenthaltsbereich und Deckenbereich erfassen, können das nicht garantieren und führen somit oft zu einer Ablehnung des Personals gegenüber der Regelung und der Hallenbeheizung.

Die Integration aller Funktionen in eine Regelung erlaubt auf einfache Weise auch weitere Vorzüge, wie z.B. Konfigurationsmöglichkeiten für dezentrale Luftheizgeräte, eine Datenschnittstelle zur zentralen Leittechnik oder die Option auf eine tägliche Schnellaufheizung vor Schichtbeginn, mit der sich ohne auf Zugerscheinungen Rücksicht nehmen zu müssen, Hallen schnell und energiesparend aufheizen lassen (Bild 5).

Bild 5: Durch die bessere Raumdurchspülung über stabile Luftstrahlen ergeben sich kürzere Aufheizzeiten und eine Reduzierung des thermischen Auftriebs. Das Ergebnis: Niedrige Deckentemperaturen und geringe Transmissionsverluste.

Weitere Einsatzmöglichkeiten für Luftheizgeräte durch ISH-Innovationen

Dank der Initiativen des Herstellers zählt dieses System aus Luftheizgerät, Sekundärluftjalousie und Regelung heute zum aktuellen Stand der Technik in der Hallenbeheizung. Ein Ende dieser Entwicklung ist nicht in Sicht, denn die Einsatzbereiche der dezentralen Luftheizung werden sich nach der diesjährigen ISH noch vergrößern.

Neue Techniken des Entwicklers der Sekundärluftjalousie werden dann dafür sorgen, daß zum Beispiel der Begriff Luft"heiz"geräte überholt sein wird, denn auch die aktive Kühlung über Kaltwasserleitungen ist dann möglich. Aber auch der gesamte notwendige Luftwechsel und die Luftumwälzung können dann komplett über dezentrale Systeme durchgeführt werden, weil die Gehäuse und das Zubehör entsprechend der notwendigen Filterbestimmungen modifiziert wurden.

Auch die Sekundärluftjalousie selber wird umgestaltet sein. Eine neu entwickelte Motorengeneration wird die Drehzahlen stufenlos den wechselnden Gegebenheiten und Einflüssen automatisch anpassen.

Noch weiter gehen aber die Veränderungen zum Beispiel am Wärmetauscher. Hier werden neue Systeme aus Kupfer für bessere Energieausnutzung im Vergleich zum bislang üblichen stahlverzinkten Wärmetauscher sorgen und gleichzeitig dem Trend zu niedrigeren Heizmitteltemperaturen Rechnung tragen. Gleichzeitig sorgt eine komplette Neukonzeptionierung in Verbindung mit einem erstmalig eingesetzten neuen Sichelflügel-Ventilator für eine höhere Luftleistung und eine Druckverlustminimierung der Luftheizgeräte bei gleichzeitig reduziertem Schalldruck.

Erhebliche Änderungen erfüllen dann letztendlich auch die erhöhten Anforderungen bei der Regelung. Hier werden busgesteuerte Systeme für eine wesentliche Verringerung des Verkabelungsaufwandes sorgen und neue DDC-Regelungen werden ein noch breiteres Spektrum an Möglichkeiten der Energiekostenminimierung bieten.

Nicht verändern wird sich dabei jedoch die Konzeption der gesamten Anlage der Hallenbeheizung: Ein dezentrales Luftheizgerät mit Sekundärluftjalousie und Regelung wird weiterhin das System sein, mit dem Hallen kostengünstig, wirtschaftlich und behaglich beheizt, gelüftet, gekühlt und gefiltert werden können.

B i l d e r : GEA Happel Klimatechnik, Herne

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