Im Schnittpunkt von ­Energieeffizienz und Komfort

Die Planung einer Hallenbeheizung beginnt in der Regel mit der korrekten Ermittlung der Heizlast. Die eingesetzten Berechnungsverfahren gehen dabei allerdings von einem konstanten Temperaturprofil über die Hallenhöhe aus. So wird der Sollwert in der Aufenthaltszone, beispielsweise 18 °C, auch für den Wärmeverlust über die Dachfläche bzw. die Hallendecke angesetzt. Korrekter wäre es allerdings, für die Berechnung der Heizlast (Raumtemperatur-)Werte entsprechend der Temperaturschichtung zu verwenden.

Physikalisch bedingt steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe in einer Halle umso stärker an, desto höher der konvektive Teil der Beheizung ist. Bei der Konzeption einer Hallenbeheizung sollten Planer deswegen – unter Berücksichtigung anderer Randbedingungen – eine Minimierung der thermischen Konvektion durch die Beheizung grundsätzlich beachten.

Wärmebedarfszonen

Um die Energieeffizienz einer Strahlungsheizung positiv zu beeinflussen, sind mehrere Faktoren von Bedeutung. Dazu zählen besonders 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 bestmögliche Auslegung der Deckenstrahlheizung vorgenommen werden kann. Denn noch wichtiger als in Wohn- und Büroräumen ist es in großen und hohen Hallen die Heizlast „vor Ort“, also entsprechend der Wärmebedarfszonen zu kompensieren.

Nachfolgend sollen drei Beispiele mit typischen Hallenquerschnitten verdeutlichen, in welchen Zonen mit erhöhtem Transmissions-Wärmeverlust zu rechnen ist bzw. wie sich die Lüftungs-Wärmeverluste zusammensetzen. Als Vorgabe wurden Hallen mit Shed-, Sattel- und Flachdach gewählt. Aus ihren spezifischen Eigenschaften ergeben sich unterschiedliche Bedarfszonen innerhalb der Gebäude, die in Heizlast der Außenwand q_aw, Heizlast oberhalb der Deckenstrahlheizung q_o ­und Heizlast unterhalb der Deckenstrahlheizung q_u aufzuteilen sind. Dabei ist zu beachten, dass die Heizlast unterhalb der Deckenstrahlebene – q_u und q_aw – ausschließlich über Wärmestrahlung erbracht werden muss, die Heizlast oberhalb der Deckenstrahlheizung q_o hingegen muss über Konvektion ausgeglichen werden.

Wärme nach Maß

Je besser es gelingt, die Heizflächenauslegung an die Heizlast in den Wärmebedarfszonen anzupassen, umso gleichmäßiger werden die Innentemperaturen und die Behaglichkeit am Arbeitsplatz. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, produziert Best Deckenstrahlplatten in unterschiedlichen Baubreiten von 300 bis 1200 mm. So lassen sich die Wärmeleistungen den Zonen bedarfsgerecht zuordnen.

„Breite Platten in den Randzonen und ­schmale Platten in den mittleren Bereichen“ stimmt aber nur tendenziell, eine differenzierte Betrachtung sollte stets vorgenommen werden: Während die Strahlungsleistung q_u bei gleicher Gesamtbreite nur unwesentlich differiert – etwa von 500 bis 515 W/m – steigt die Konvektionsleistung deutlich von 60 auf 284 W/m an, wenn schmale Platten eingesetzt werden. Über die Auswahl der Plattenbreiten wird somit die Wärmeabgabe nach oben gezielt ausgelegt.

Zu beachten ist weiter, 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 Wärmebedarfes 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 und damit auf die Höhe der Betriebskosten.

Die drei Hallenbeispiele 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 Best-Deckenstrahlprogramm ermöglicht diese Variabilität komplett (Bild 2). Falls in Extremfällen der vorgenannte Rahmen überschritten wird, kann der konvektive Anteil mit konstruktiven Lösungen begrenzt werden (Fall 4 in Bild 2).

Die Erfahrung der Praxis zeigt jedoch, dass 90 % der Hallen, mit einer Kombination aus Variante 2 und 3 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 Dachdämmung die bessere Lösung darstellt bzw. auch bei bester Dachdämmung q_o selten weniger als 25 % beträgt.

Fazit

Es reicht nicht aus, den Gesamtwärmebe­darf Q_N mit einer entsprechenden Gesamt­wärmeleistung der Deckenstrahlheizung abzudecken. Die 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 von 50 bis 100 % nicht möglich, etwa bei einer Industriefußbodenheizung, Decken- und Wandlüftern oder Hell-/Dunkelstrahlern. Um mit diesen 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 so ein dauerhaft niedriger Energieverbrauch erreicht wird. So erhält der Kunde ein Heizsys­tem, das sich zusätzlich durch Sparsamkeit, beste hygienische Bedingungen und lange Lebensdauer auszeichnet.

Aufbau und Montage

Deckenstrahlplatten bestehen aus Präzisionsstahlröhren 22 x 1,5 mm und Kopfstücken 35 x 1,5 mm strömungsgünstig ausgehalst und zu Registern verschweißt. Die Strahlbleche von 1 mm Stärke verfügen über passgenaue Sicken zur Aufnahme der Registerrohre. Die seitliche Aufkantung von ­50 mm nach oben und zusätzliche 20 mm nach innen dient zur Justierung der oberen Wärmedämmung. Registerrohre und Strahlplattenbleche sind über die gesamte Plattenlänge kontinuierlich im Doppelpunkt-Schweißverfahren formschlüssig verbunden. Die Plattenenden werden mit Stirnblechen verschlossen. Als Querstabilisierung sind Profile eingeschweißt, die gleichzeitig als Aufhängeachsen eingesetzt werden können. Die obere Wärmedämmung erfolgt durch eine 40 mm starke, alukaschierte Isoliermatte und wird in der Regel bereits werkseitig eingelegt. Als Deckenbelastung ist mit 20 kg/m² und als Punktlast mit 25 kg zu rechnen. Nach der Auslegung werden die Elemente wie beschrieben werkseitig so weit wie möglich vorgefertigt. Wasserführung, Blindscheiben zur Umlenkung der internen Wasserströmung sowie alle erforderlichen Anschlussstutzen werden objektbezogen angepasst.

Die Strahlplatten werden als Einzelplatten oder Teillängen bis zu 7 m Länge geliefert, in der Regel auf Paletten. Um Verbiegungen und Punktbelastung zu vermeiden, ist zum Abladen insbesondere größerer Elemente entsprechendes Gerät einzusetzen, etwa ein Gabelstapler oder ein Kran. Bis zur Verarbeitung sollen die Strahlplatten stets horizontal, ohne Verbiegung sowie trocken, vor Witterungseinflüssen geschützt gelagert werden. Für eine rationelle Montage haben sich Rollwagen mit mindestens 2 m langer Auflagefläche sowie Scherenhubbühnen für den vertikalen Transport zur Hallendecke bewährt. Motorwinden oder Seilzüge in Verbindung mit Rollgerüsten sind ebenfalls geeignet.

Im ersten Montageschritt werden gemäß Positionsplan und Anordnung der Aufhängestege die Befestigungspunkte eingemessen und die Aufhängesätze komplett montiert. Die festgelegte Abhängehöhe wird annäherungsweise eingestellt. Jede Einzelplatte hat eine Positionsnummer, Strahlbänder aus mehreren Teillängen sind entsprechend dieser Positionsnummern der Reihe ­nach zu montieren. Mittels Hubbühne werden die Platten an Ihren Bestimmungsort gehoben und die Aufhängestege eingehakt. Nach kompletter Aufhängung der Einzelplatten erfolgt das Ausrichten, in der Regel mithilfe von Spannschlössern. Strahlbänder werden je nach Ausführung verschweißt oder verschraubt. An den Stoßstellen dürfen keine Knicke oder ein Rohrversatz entstehen.

Gemäß Montageplan erfolgt nun die Verrohrung, der Anschluss von Vor- und Rücklaufleitungen. Zu beachten ist dabei, dass möglichst eine zentrale Entlüftung über die Hauptleitung sowie die Entleerung der Platten ermög­licht wird. Bei Rohranschlüssen und Plattenaufhängungen, ist die Ausdehnung der Strahlplatten zu berücksichtigen. Nach Druckprobe und Probeheizen sowie Einregulierung der Anlage, sind die Plattenverbindungen je nach Ausführung mittels Abdeckblech fertigzustellen. Als Sicherung gegen mechanische Belastung werden die Bleche seitlich mit Blechschrauben befestigt.

Dipl.-Ing. Paul ­Moessner ist ­Geschäftsführer der Best GmbH, Isernhagen, Telefon (0 51 36) 9 74 69 70, best.bredemann@t-online.de, http://www.best-bredemann.de