Heizlast: Hallen zwischen Energieeffizienz und Komfort

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, wobei Investitionen auch davon bestimmt werden, ob eine Halle eher kurzfristig für einen bestimmten Zweck errichtet werden soll und ob Nutzungsänderungen geplant oder problemlos möglich sein sollen. Als Stichworte seien hier Nachhaltigkeit, dauerhaft niedriger CO2-Ausstoß bis hin zum grünen Image eines Unternehmens genannt. All diese 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 frühen Stadium verständigen.

Die Aufgabenstellung beginnt in der Regel mit der korrekten Ermittlung der Heizlast, entsprechend der Norm DIN EN 12831. Die in der Praxis eingesetzten Berechnungsverfahren gehen dabei 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.

Um die Effizienz einer Strahlungsheizung positiv zu beeinflussen, sind mehrere Faktoren von Bedeutung. Dazu zählen insbesondere der geforderte Gesamtwärmebedarf QN und die Wärmestrahlung nach unten in den Raum, meist mit qu (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 qaw, Heizlast oberhalb der Deckenstrahlheizung qo und Heizlast unterhalb der Deckenstrahlheizung qu. Dabei ist zu beachten, dass der Wärmebedarf unterhalb der Deckenstrahlebene – qu und qaw – ausschließlich über Wärmestrahlung erbracht werden muss, der Wärmebedarf oberhalb der Deckenstrahlheizung – qo – hingegen über Konvektion.

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. 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 qu 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 qu durch die Eigenthermik innerhalb der Halle konvektiv dem Dachraum zufließt. Daher kann qo 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 qo. 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.

Die drei Hallenbeispiele zeigen einen Anteil qo am Gesamtwärmebedarf QN 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.

Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass rund 90 % der Hallen mit einer Kombination aus Variante 2 und 3 der in Tabelle 2 vorgestellten vier Möglichkeiten korrekt ausgelegt sind. Die Varianten 1 und 4 kommen hingegen selten zum Einsatz, da bei einem Wärmeverlust qo von mehr als 60 % sinnvollerweise eine zusätzliche Dachisolierung die bessere Lösung darstellt. Auch bei bester Isolierung beträgt qo selten weniger als 25 %.

Es reicht nicht aus, den Gesamtwärmebedarf Q  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  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 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 – ergänzt durch die niedrigen Folgekosten.

Marion Paul-Färber ist für das Pressebüro Last PR in Holzhausen tätig.