Projekt 21575/06

Ermittlung von Leistungsdaten für Wandheizungs- und Flächenkühlsysteme unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung

Projektdurchführung

WEM GmbH
Robert-Bosch-Str. 1 - 7
56070 Koblenz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wandheizungen bieten gegenüber konventionellen (Konvektions-) Heizkörpern und Fußbodenheizungen eine Reihe von Vorteilen, besonders unter gesundheitlichen, umweltverträglichen und bauwerkserhaltenden Gesichtspunkten.
Die Verbreitung von Wandheizungen ist momentan noch sehr gering aber stark zunehmend.
Dementsprechend gibt es bis heute noch keine einheitlichen (z.B. genormten) Berechnungsverfahren zur Leistungsermittlung von Wandflächenheizungen.
Die (genormte) Leistungsbestimmung, für konventionelle Heizkörper gedacht, erfolgt nach thermodynamischen Grundsätzen. Diese sind für Wandheizungen aber wenig sinnvoll, da die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung erfolgt und damit quantenmechanischen Gesetzen folgt. In der Praxis führt die Anwendung eines solchen Berechnungsverfahrens auf Wandheizungen zu geringen Leistungsdaten. Die Folge daraus ist, dass Wandheizungen in der Regel stark überdimensioniert werden, was sowohl die Kosten, als auch den Stoffverbrauch unsinnigerweise in die Höhe treibt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn Zusammenarbeit mit Ingenieurbüros und anerkannten Prüfinstituten soll die Heiz- und Kühlleistung der Wandheizungssysteme rechnerisch/prüftechnisch ermittelt werden. Die Anwendbarkeit der so ermittelten Leistungsdaten wird an realen Objekten überprüft. Auf der Grundlage dieser Leistungsdaten wird ein Auslegungs- und Kalkulationsprogramm für Planer, Architekten und Heizungsbauer erstellt.


Ergebnisse und Diskussion

Im ersten Schritt dieses Projektes wurden die Heiz- und Kühlleistung des WEM-Klimaelementes MV 200 durch ein akkreditiertes Prüfinstitut (HLK-Stuttgart) nach EN 442 ermittelt. Die Messung der Heizleistung [Pthermodyn.] erfolgte anhand von drei Messpunkten und ergab folgende Leistungen in Abhängigkeit der entsprechenden mittleren Übertemperaturen [Tü]. Pthermodyn. = 246 W/m² bei Tü = 31,25°C, Pthermodyn. = 165 W/m² bei Tü = 22,31°C, Pthermodyn. = 92 W/m² bei Tü = 13,53°C.
Das Prüfinstitut lieferte Thermografieaufnahmen und damit mittlere Oberflächentemperaturen zu den einzelnen Messpunkten, aus denen die Strahlungsleistung [Pstrahlung] in den Halbraum nach der Stefan Boltzmann Gleichung errechnet werden konnten. Somit ergab sich folgende Strahlungsleistung in Ab-hängigkeit der mittleren Übertemperaturen. Pstrahlung = 466 W/m² bei Tü = 31,25°C, Pstrahlung = 454 W/m² bei Tü = 22,31°C, Pstrahlung = 422 W/m² bei Tü = 13,53°C.
Die durch die verschiedenen Betrachtungsweisen entstehenden Diskrepanzen in der Heizleistung wurden durch eine subjektive Bewertung im Feldversuch näher beleuchtet. Ein mit Heizkörpern beheizter Raum wurde so eingestellt, dass in der Mitte des Raumes in einer Höhe von 1,5m eine Temperatur von 20°C herrschte. Ein zweiter, mit Wandheizung ausgestatteter Raum wurde ca. 2°C kälter einreguliert. Bedingt durch die Wandheizung stellte sich eine um 3 °C höhere mittlere Temperatur der Wandflächen ein. In einem Blindversuch wurden 30 Probanden in die beiden Räume geführt und unter anderem zu Ihrem Temperaturempfinden befragt. Die Auswertung der Befragungen zeigt, dass die subjektiv empfundenen Temperaturen in beiden Räumen in etwa gleich waren. Im direkten Vergleich der beiden Räume fühlten sich 60% der Befragten in dem mit Wandheizung beheizten Raum behaglicher, 20% sahen es anders herum und weitere 20% hatten keine Meinung.
Insgesamt entsprachen die Ergebnisse des Feldversuches den durch die vorher gemachten theoretischen Betrachtungen. Der mit Wandheizungen ausgestattete Raum wurde in etwa als gleich warm wie der mit Heizkörpern beheiztem Raum empfunden, obwohl dieser tatsächlich eine höhere Raumtemperatur hatte. Das unterstützt die Vermutung, dass eine nach thermodynamischen Grundsätzen ermittelte Heizleistung bei Flächenheizsystemen nicht greift und zu geringen Leistungsdaten führt.
Die Ergebnisse der Befragung sind allerdings auch nicht so signifikant, als dass man die nach der Stefan Bolzmann Gleichung rechnerisch ermittelte Strahlungsleistung der tatsächlichen Heizleistung gleichsetzen könnte. In diesem Fall hätte der mit Wandheizung ausgestattete Raum nämlich als wesentlich wärmer empfunden werden müssen. Die tatsächliche anzusetzende Leistung wird irgendwo dazwischen liegen, ist im Rahmen dieses Projektes aber nicht konkret greifbar geworden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen werden in Form eines Artikels auf der Web-Seite www.wem-systembau.de eingestellt. Weiterhin wird dieser Artikel auf der Firmen-CD-ROM übernommen und damit der Fachpresse und den Kunden und Partnern zugänglich gemacht.


Fazit

Die Berechnung der Strahlungsleistung, die von sämtlichen Körpern eines Raumes ausgeht, erfordert einen streng wissenschaftlichen Versuchsaufbau. Die Vielschichtigkeit der Prozesse in einem Raum mit einer Strahlungsheizung ist von den Wechselwirkungen sämtlicher Oberflächen geprägt. Das Absorptionsverhalten der Raumluft stellt einen weiteren wesentlichen Faktor auf das Strahlungsverhalten einer Wand dar. Die Luft nimmt die abgestrahlte Energie durch Absorption auf und transportiert diese an die Oberflächen der Körper, wo besonders im Grenzschichtbereich Luft-Körperoberfläche die Energie durch Konvektion an den Körper abgegeben wird.
Weiterhin spielt für das menschliche Empfinden Intensität und Entfernung der Strahlungsquelle eine entscheidende Rolle und gibt letztlich den Ausschlag für die Dimensionierung eines an der thermischen Behaglichkeit ausgerichteten Heizsystems. So wird bereits von der VDI 6030 - Auslegung von freien Raumheizflächen - das Ziel wie folgt formuliert: Mehr Behaglichkeit mit weniger Energie. Das Bemerkenswerte an diesem Text ist, dass es sich hierbei um Vorgaben für die Auslegung von konventionellen Raumheizkörpern handelt. Die in diesem Grundlagen-Text gemachten Aussagen gehen in die richtige Richtung, erfordern aber auch den Blick das Potential von Strahlungsheizungen. Der Markt beginnt dies zu erkennen; es werden bereits vorgefertigte Bauteile bei großen öffentlichen Bauvorhaben verbaut, die über die Bauteiltemperierung die Vorzüge einer Strahlungsheizung zu nutzen wissen. Umso mehr erstaunt es, dass es bis heute keine geeignete Norm der Prüfung und Auslegung gibt. Um dem Strahlungsheizungssystem einen weiteren Durchbruch in den Markt zu verschaffen, wären eine wirtschaftliche Auslegung und damit ein kostengünstiger Erwerb dieser zwingend notwendig. Dies lässt sich nur durch eine fundierte Forschung auf dem Gebiet der Strahlungsprozesse im Raum ermöglichen. Bis dahin bleibt nichts andere übrig, als weiterhin auf der sicheren Seite zu bleiben und die Leistungsangaben nach der durch die Prüfnorm für Deckenstrahlplatten EN 442 zu arbeiten.