IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 16/1999, Seite 42 ff.

KLIMATECHNIK

Bestimmung des Zuluftvolumenstroms

für Luftheizungen und kombinierte Lüftung - Luftheizungen

Nachdem in IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 23/98, 4/99 und 10/99 die Volumenstrombestimmung für Lüftungsanlagen behandelt wurde, beziehen sich die Ausführungen diesmal auf den Volumenstrom für Luftheizungsanlagen (Umluftanlagen) sowie für Anlagen, mit denen Räume sowohl beheizt als auch be- und entlüftet werden sollen.

1. Volumenstrom für Luftheizungen

Zur Berechnung des Zuluftvolumenstroms stellen die Heizlastberechnung des Raumes und die gewünschte bzw. zulässige Zulufttemperatur die wichtigsten Ausgangsgrößen dar. Für eine solche Umluftanlage (Anlagen, die ausschließlich zur Raumheizung dienen) berechnet man den Volumenstrom wie folgt:

aus

folgt

Normheizlast in Watt nach DIN 4701. Sind Wärmequellen im Raum (z.B. Maschinenwärme), können diese von abgezogen werden, wenn sie über die gesamte Betriebsdauer zur Verfügung stehen.

Zuluftvolumenstrom in m³/h (Förderstrom des Ventilators)

c Spezifische Wärmekapazität in Wh/(m³ ˇ K) (näherungsweise 0,35 Wh/(m³ ˇ K))

Zulufttemperatur in °C (Registeraustrittstemperatur)

Raumlufttemperatur in °C, z.B. nach DIN 4701 (bei RLT-Anlagen i. allg. 22°C in Aufenthaltsräumen).

Übertemperaturin KJ_zu

Hierbei muß das "Trio" , und so aufeinander abgestimmt werden, daß eine zufriedenstellende Betriebsweise während der gesamten Heizperiode ermöglicht wird.

Eine weitere wichtige Größe, die beachtet werden muß, ist die sog. Luftumwälzzahl, die angibt, wievielmal die umgewälzte Raumluft stündlich durch die Geräte strömt. Bei allen Luftheizungen sollte diese Zahl überprüft werden, denn bei einer zu geringen Umwälzzahl wird zu wenig Raumluft induziert, was zu einer ungleichmäßigen Luftverteilung und somit ungleichmäßigen Erwärmung, zu einer Schichtenbildung und zu einer größeren Temperaturdifferenz zwischen Fußboden- und Deckenbereich und somit zu höheren Energiekosten führt.

Um eine gute, raumerfüllende Strömung gewährleisten zu können, sollte man im Komfortbereich bei einer geringen Anzahl von Zuluftöffnungen und bei größeren Raumhöhen eine hohe Luftumwälzung wählen (u.U. bis 8fach), während bei einer größeren Anzahl von Zuluftöffnungen (bzw. größerer Geräteanzahl) und bei geringen thermischen Unterschieden zwischen Raum- und Zuluft, Werte von etwa 3fach ausreichen können. In diesem Zusammenhang soll auch erwähnt werden: Je höher man die Umwälzzahl wählt, desto schneller kann man den Raumzustand durch einen veränderten Zuluftzustand beeinflussen.

Bei der Auswahl von zentralen und dezentralen Luftheizgeräten und direktbeheizten Warmluftautomaten ist eine genaue Abstimmung zwischen Heizleistung, Volumenstrom, Zulufttemperatur und Luftumwälzzahl erforderlich. Eine wesentliche Rolle spielt die Art der Luftführung, vor allem die Wahl und Anordnung der Zuluftdurchlässe bzw. Geräteanzahl sowie deren Induktion.

Mit folgenden zwei Aufgaben soll dieser Zusammenhang etwas deutlicher gemacht werden:

Beispiel 1:

Ein Ausstellungsraum mit einem stündlichen Wärmebedarf von 93 kW soll durch eine Luftheizungsanlage auf = 20°C beheizt werden. Das Raumvolumen beträgt 3000 m³.

Bestimmen Sie den Zuluftvolumenstrom, wenn mit einer Übertemperatur von 20 K (d.h. = 40°C) gefahren werden kann, und kontrollieren Sie die Luftwechselzahl (Luftumwälzzahl).

Lösung:

Aus folgt:

Luftumwälzzahl LU =

Beispiel 2:

Ein 600 m² großer Büroraum ( = 22°C) soll mit Warmluft beheizt werden. Dabei soll eine 6fache Luftumwälzzahl vorgesehen werden. Der Wärmebedarf nach DIN 4701 des gut wärmegedämmten Raumes beträgt bei -12°C 12,8 kW.

a) Mit welcher Temperatur muß die Zuluft bei tiefster Außentemperatur eingeführt werden?

b) Welche Zulufttemperatur ist bei einer Außentemperatur von ą 0°C erforderlich?

Lösung:

zu a)

zu b) Hierzu muß zuerst auf

ą 0°C Außentemperatur umgerechnet werden:

Den Quotienten der momentanen und der maximalen Temperaturdifferenz, hier 22/34 = 0,65, bezeichnet man auch als Belastungsfaktor j. Demnach werden hier nur 65% der installierten Leistung benötigt.

Aus diesen beiden Aufgaben kann man zahlreiche Folgerungen für die Planung, Berechnung, Ausführung, Regelung und Betriebsweise von Luftheizungen ziehen.

1. Je größer die Heizlast, desto mehr Zuluft ist bei gleicher Zulufttemperatur erforderlich, um den Raum beheizen zu können. Dies bedeutet ein größeres Kanalnetz und oft mehr Zuluftdurchlässe (höhere Anschaffungskosten) sowie eine größere Luftumwälzzahl. Letzteres ist in der Regel positiv zu bewerten.

2. Die Wärmedämmaßnahmen - entsprechend der Wärmeschutzverordnung - oder/und beheizte Nebenräume führen zu einer starken Reduzierung des Zuluftvolumenstroms. Evtl. Probleme: zu geringe Zulufttemperatur in der Übergangszeit (Gefahr der Zugerscheinung), zu geringe Luftumwälzzahl (schlechte Temperaturverteilung) und Einschränkungen bei der Luftverteilung (Induktion, Wurfweite, Gitterabstand, u.a.).

Um Zugerscheinungen zu vermeiden, führt man eine Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur durch, obwohl die Regelgröße Raumtemperatur verfälscht werden kann. Der Fühler des Zuluftminimalbegrenzers wird im Zuluftkanal hinter dem Regler montiert.

3. Soll aus Behaglichkeitsgründen vorne an den Fenstern bzw. an den Arbeitsplätzen statische Heizflächen in Form von Radiatoren oder eine Fußbodenheizung als Grundheizung vorgesehen werden, so ist nur noch der Restwärmebedarf für die RLT-Anlage einzusetzen. Probleme: wie unter Pkt. 2. Evtl. ist dies bei zu hohem Wärmebedarf aber erwünscht, um eine zu hohe Zulufttemperatur zu vermeiden.

4. Je größer die Übertemperatur, d.h., je höher die Zulufttemperatur, desto geringer ist der erforderliche Volumenstrom (Luftumwälzzahl überprüfen!) und desto höhere Anforderungen müssen an die Zuluftdurchlässe und somit an die Luftführung im Raum gestellt werden. Die höheren Kosten für die Luftdurchlässe werden aber durch die Verbilligung des Kanalnetzes mehr als ausgeglichen. Wie anschließend begründet, muß eine zu hohe Zulufttemperatur vermieden werden.

5. Die Forderung nach einer hohen Umwälzzahl führt zu großen Volumenströmen und somit zu niedrigen Zulufttemperaturen. Probleme: wie unter Pkt. 2. Bessere Lösung: Verwendung spezieller Zuluftdurchlässe mit hoher Induktion.

Ebenso könnte ein großer Volumenstrom vorgegeben sein, wenn mit der RLT-Anlage auch im Sommer gekühlt werden müßte. Hier ist natürlich J_zu - J_i geringer und somit der Volumenstrom im Sommer größer als im Winter.

6. In ist bei der Umluftanlage die Lüftungsheizlast durch die Fugen- und Fensterlüftung enthalten. Bei großen Hallen mit offenen Fenstern und Toren ist allerdings die Berechnung für ungenau und man schätzt daher einen Außenluftvolumenstrom. Da dann vielfach zu hoch angesetzt ist, wird die tatsächlich erforderliche Zulufttemperatur meist unter der errechneten liegen.

Folgen bei zu hoher Zulufttemperatur:

a) Schnelle Ablenkung nach oben, kurze Wurfweite;
b) Warmluftstrahl geht ohne Spezialauslässe nicht in den Aufenthaltsbereich;
c) Warmluftpolster im Deckenbereich, hohe Energieverluste;
d) Schlechte Temperaturverteilung, Komforteinbuße.

Wovon hängt die Wahl der Zulufttemperatur ab?

1. Vom Zuluftdurchlaß, hinsichtlich seiner Konstruktion, seiner Regulierbarkeit (Lamellenverstellung) und seines Induktionsverhaltens.

Je höher J_zu, desto mehr Wert muß auf eine gute Induktion gelegt werden. Es gibt sehr viele Zuluftdurchlässe, bei denen unterschiedliche Übertemperaturen gewählt werden können.

2. Von der Kanalanordnung oder bei der dezentralen RLT-Anlage von der Geräteanordnung. Hierbei interessieren die Stellen, an denen die Zuluft austritt.

Entscheidend ist hier die Luftführung: Tritt die warme Luft aus Bodengittern aus? Hängt ein Luftheizgerät an der Wand? Wird die Warmluft aus einem Deckenluftverteiler zugeführt? Wie sind die Lamellen gestellt? usw.

3. Von der Raumhöhe und Raumtiefe, die beide wiederum mit der Wurfweite und der Strahlablenkung in Zusammenhang stehen.

In hohen Räumen kann man z.B. die warme Luft von oben nur mit ganz geringen Übertemperaturen, mit Weitwurfdüsen oder sonstigen speziellen Luftauslässen in den Aufenthaltsbereich bringen.

4. Von der Nutzungsart des Raumes. So setzt man vielfach in Komforträumen (Versammlungsräumen) andere Maßstäbe als z.B. in einer Reparaturwerkstätte.

Bei der Wahl der Zulufttemperatur sollte man jedoch diesbezüglich nicht allzu unterschiedlich vorgehen, denn auch in Fabrikationsbetrieben möchte man eine gute Temperaturverteilung im Raum, keine extreme "Wärmepolster" in Deckennähe und auch keinen unnötigen Energieverbrauch.

Entscheidend ist auch, ob Gegenstände vorhanden sind, die den Luftstrahl beim Ausbreiten behindern (Regale, Maschinen).

Die Wahl der Zulufttemperatur kann demnach nicht so allgemeingültig vorgenommen werden, da jedes Objekt und jede Anlagenkonzeption verschieden ist. Die Grenze nach unten wird durch die geforderte zugfreie Einblasung, durch die Anforderungen an die Luftführung (z.B. hinsichtlich Eindringtiefe, Strahlablenkung usw.) und durch die Kosten des Verteilsystems bestimmt. Die Grenze nach oben ist dadurch gegeben, daß man möglichst ein schnelles Ansteigen des Strahls zur Decke, eine stärkere Schichtenbildung, eine zu geringe Wurfweite und eine mangelhafte Temperaturverteilung vermeiden möchte.

Maximale Zulufttemperaturen (Anhaltswerte!) für Luftheizungen:

30 . . . 40 . . . 45°C

Bei einer Raumtemperatur von 22°C entsprechen diese Zahlenwerte einer maximalen Übertemperatur von 10 bis 25 K (Höhere Werte für gewerbliche Räume). Ein Maximalwert von J_zu - J_i = 20 K dürfte angemessen sein. Wird mit der Anlage gleichzeitig gelüftet, sollte man einige Grade höher wählen. In Einzelfällen können sogar 10 K schon viel zu hoch sein.

Manche Diagramme für Zuluftdurchlässe gelten grundsätzlich für DJ = 10 K. Andererseits gibt es spezielle Zuluftdurchlässe mit großer Austrittsgeschwindigkeit und sehr hoher Induktion, bei denen in Großräumen die Zuluft bis über 60°C ausgeblasen werden kann.

2. Volumenstrom für kombinierte Lüftungs-Luftheizungen

Bei diesen Anlagen, mit denen geheizt und gelüftet wird, muß der Förderstrom des Ventilators so ausgelegt werden, daß mit ihm einerseits die Heizlast des Raumes gedeckt wird, andererseits aber auch die gestellten Lüftungsforderungen eingehalten werden. Grundsätzlich kann man von folgenden Überlegungen ausgehen.

Entweder

Man nimmt eine Übertemperatur bzw. Zulufttemperatur an und bestimmt den Förderstrom. Dabei muß überprüft werden, ob mit diesem Volumenstrom auch gleichzeitig die Lüftungsforderung erfüllt werden kann. Von dieser Überlegung geht man aus, wenn die Beheizung des Raumes im Vordergrund steht.

Ist größer als(Außenluftvolumenstrom), gibt es - entsprechend obigen Gleichungen - drei Möglichkeiten:

Mischluftbetrieb, wobei man

= 100% setzt. Beispiel:

= 35.00 m³/h. = Außenluftrate ˇ Personenzahl = 22000 m³/h => 63% Außenluft, 37% Umluft.

Reduzierung des Raumwärmebedarfs, indem die RLT-Anlage nicht den gesamten Wärmebedarf erbringen muß, sondern ein Teil durch eine Radiatoren- oder Fußbodenheizung gedeckt wird. Bei mehreren Einzelgeräten kann auch das eine oder andere Gerät als Umluftgerät vorgesehen werden.

Erhöhung der Übertemperatur bzw. der Zulufttemperatur, indem man anspruchsvollere Zuluftdurchlässe mit hoher Induktion verwendet. Die vorstehenden Einflußgrößen für die Wahl der Zulufttemperatur sind zu beachten.

Bei kleiner alsmüßte einerseits eine sehr geringe Heizlast (z.B. wärmegedämmt, ringsum beheizt), andererseits eine hohe Lüftungsforderung vorliegen. Maßnahmen für die Anpassung von an wären:

Evtl. Reduzierung der Lüftungsforderung (z.B. kleinere Außenluftraten)

Verringerung der Zulufttemperatur, was allerdings - zur Erreichung einer möglichst zugfreien Einblasung - begrenzt ist.
Falls , , J_zu, und die Luftumwälzzahl bzw. Luftwechselzahl nicht "in Einklang" gebracht werden können, muß für die Heizung und Lüftung jeweils eine eigene Anlage geplant werden.

Oder

Man bestimmt den Außenluftvolumenstrom (z.B. nach Außenluftrate, Luftwechsel u.a.) und überprüft die Zulufttemperatur. Von dieser Überlegung geht man aus, wenn die Lüftungsanforderung im Vordergrund steht.

Auch hier müssen , , J_zu, LU und in Einklang gebracht werden. Je nachdem, wie groß die Heizlast und der Außenluftvolumenstrom sind, kann die Zulufttemperatur entweder zu groß oder zu klein werden.

Ist J_zuzu groß, liegt entweder eine sehr hohe Heizlast oder/und ein sehr geringer Volumenstrom vor. Wie zuvor erläutert, muß eine zu hohe Zulufttemperatur vermieden werden.

Gegenmaßnahmen sind:

Reduzierung des Raumwärmebedarfs, indem ein Teil des Wärmebedarfs durch eine Radiatoren- oder Fußbodenheizung gedeckt oder bei mehreren Einzelgeräten z.T. Umluftgeräte vorgesehen werden.

Erhöhung des Volumenstroms, d.h. es muß ein größeres als gewählt werden. Wenn man dann von derselben Lüftungsforderung () ausgeht, müßte die Anlage mit Mischluftbetrieb gefahren werden.

Ist J_zu zu gering, ist das Gebäude bzw. der Raum sehr gut wärmegedämmt oder hat beheizte Nebenräume, außerdem kann ein großer Volumenstrom vorliegen. Zu geringe Zulufttemperaturen erhöhen die Gefahr von Zugerscheinungen und stellen höhere Anforderungen an die Zuluftdurchlässe.

Gegenmaßnahmen sind:

Hier muß vor allem überprüft werden, ob man die gestellten Lüftungsforderungen, d.h. den Außenluftvolumenstrom, nicht reduzieren kann (Luftumwälzzahl beachten!).
Wenn schon bei der tiefsten Außentemperatur (größtes ) die Zulufttemperatur zu gering ist, ist sie es erst recht in der Übergangszeit. Hier müssen Luftauslässe mit hoher Induktion gewählt werden, um nahezu isotherm einblasen zu können.
Wie auch bei "J_zu zu groß", kann man bei sehr ungünstigen Verhältnissen die Lüftung und die Beheizung mit zwei getrennten Anlagen konzipieren.

Diese Zusammenhänge sollen auch hier anhand eines Beispiels verdeutlicht werden:

Ein Raum von 246 m³ Inhalt soll einen 4fachen Außenluftwechsel erhalten. Der Wärmebedarf nach DIN 4701 beträgt 10.300 W (J_i = 22°C)

a) Wie hoch muß die Zulufttemperatur sein, um bei diesem Volumenstrom den Wärmebedarf decken zu können? Nehmen Sie kurz Stellung dazu!

b) Um wieviel Prozent müßte der Raumwärmebedarf durch eine zusätzliche Wärmedämmung und Einbau neuer Fenster reduziert werden, um eine Übertemperatur von 20 K zu erreichen (LW bleibt)?

c) Wieviel Prozent Umluft müßten zugeführt werden (rechnerischer Nachweis), wenn und beibehalten und eine Übertemperatur von 20 K zugrunde gelegt werden?

Zu a) = ˇ LW = 246 m³ ˇ 4/h = 984 m³/h

J_zu ist zu hoch.

Maßnahmen: Zusätzlich statische Heizflächen, Wärmedämmung (vgl. unter b)), Mischluftbetrieb (vgl. unter c)), Verwendung von speziellen Zuluftdurchlässen.

Zu b)