„Wärme von oben“ als Teil der Lösung

Welche Heizung ist für eine Halle geeignet?

Bei der Auslegung einer Hallenheizung sind zahlreiche Kriterien zu beachten. Dazu zählen etwa Nutzung, Größe, Raumhöhe, Wärmespeicherkapazität, Luftwechselrate, Nutzung regenerativer Energie und CO₂-Ausstoß sowie Investition bzw. 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. Dazu stellte die BDI Initiative „Ener­gie­effi­ziente Gebäude“ schon in einem Positionspapier 2011 fest: „Um die Wirtschaftlichkeit von Energiesparinvestitionen zu erhöhen, ist es notwendig, statt einer Minimierung der Baukosten eine Optimierung der Lebenszykluskosten des gesamten Gebäudes anzustreben. Das bedeutet, neben der wirtschaftlichen Lebensdauer von einzelnen Bauprodukten und -teilen sowie der Gebäudetechnik auch ihre Instandsetzungs-, Instandhaltungs- und Betriebskosten sowie ihre Flexibilität im Falle von geänderten Nutzungsanforderungen in die Betrachtung mit einzubeziehen.“ Investitionen werden auch davon bestimmt, ob eine Halle eher kurzfristig für einen bestimmten Zweck errichtet werden soll und ob Nutzungsänderungen geplant oder problemlos möglich sein sollen. Hier treffen die Positionen „zentral“ und „dezentral“ aufeinander.

Die Wahl des Wärmeverteilsystems beeinflusst eine ganze Reihe zusätzlicher Kosten: So wird häufig bei der Kalkulation übergangen, dass jeder Wärmeerzeuger eine eigene Abgasführung inklusive Dachdurchführung benötigt. Ebenso ist jeder Wärmeerzeuger mit einer Gas- sowie einer Elektroleitung zu verbinden. Neben den üblichen regelmäßigen Wartungen und Reinigungsarbeiten steht unter Umständen jährlich die Überprüfung durch den Schornsteinfeger an. Auch Reparaturen und Lebensdauer sollten bei der Wahl der Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung eine Rolle spielen, ebenso wie die Anforderung nach einer gleichmäßigen Temperatur in der Nutzungsebene. All diese Faktoren multiplizieren sich jeweils mit der Anzahl der gegebenenfalls dezentralen Wärmeerzeuger.

Werden Hallenbereiche einer anderen Nutzung zugeführt, kann dies Folgen für den Brandschutz haben – mit der Konsequenz, einen dezentralen Wärmeerzeuger nicht mehr einsetzen zu können. All die genannten Aspekte wirken sich letztlich auf die Entscheidung aus, welche Art der Wärmeerzeugung bzw. der Verteilung gewählt wird. Über die genannten Details sollten sich Bauherr und Planer deshalb in einem sehr frühen Stadium der Planung verständigen.

Berechnungen

Die Aufgabenstellung beginnt in der Regel mit der korrekten Ermittlung der Heizlast, entsprechend der Norm DIN EN 12831. Der Primärenergiebedarf wird anhand eines Referenzgebäudes ermittelt, der laut der geltenden EnEV seit 1. Januar 2016 um mindestens 25 % unterschritten werden muss. Die in der Praxis eingesetzten Berechnungsverfahren gehen von einem konstanten Temperaturprofil über die Hallenhöhe aus bzw. es wird – seltener – ein Schichtenmodell als Hilfsmittel eingesetzt. So wird der Sollwert, beispielsweise 18 °C für die Raumtemperatur in der Aufenthaltszone, auch für die Heizlastberechnung des Daches angesetzt. Dabei sind bei der Heizlastberechnung unterschiedliche Raumtemperaturwerte entsprechend der Temperaturschichtung anzusetzen. Erfahrungsgemäß steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe in einer Halle umso stärker an, je mehr Konvektion in der Halle herrscht. Ziel der Beheizung sollte es daher sein, bei der Auswahl und der Dimensionierung der Heizung bereits die Minimierung der thermischen Konvektion zu berücksichtigen.

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, hier mit q_u (Leistungsabgabe nach unten) bezeichnet. Sinnvollerweise geht für jedes Objekt eine exakte Datenerhebung voraus, damit die Deckenstrahlheizung optimal ausgelegt ist. Hier sollen nun drei Beispiele anhand typischer Hallenquerschnitte verdeutlichen, in welchen Zonen mit erhöhtem Transmissions-Wärmeverlust zu rechnen ist bzw. wie sich die Lüftungs-Wärmeverluste zusammensetzen.

Als Vorgabe wurden Hallen mit Shed-Dach, Satteldach und Flachdach gewählt. Dementsprechend 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 und die Behaglichkeit am Arbeitsplatz bzw. der Aufenthalt etwa in Sporthallen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, gibt es Deckenstrahlplatten in unterschiedlichen Baubreiten von 300 bis 1.200 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 sowie letztlich auf die Höhe der Betriebskosten.

Drei Beispielrechnungen

Die drei Hallenbeispiele (Bild 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 variabel 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 Bild 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 Dachisolierung die bessere Lösung darstellt. Auch bei bester Isolierung 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 – womöglich 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.

Im Hinblick auf die Lebensdauer ist anzumerken, dass die Deckenstrahlheizung im Vergleich zu anderen Systemen einen deutlich höheren Wert erreicht. Dies wird ergänzt durch die niedrigen Folgekosten.

Literatur