Heizungsanlagen - für Laien erklärt
Heizungsanlagen - für Laien erklärt

Der Heizkörper

1. Allgemeines

Mit den Heizkörpern wird die Wärme, die im Heizkessel erzeugt wird, an die zu beheizenden Räume abgegeben.

1.1. Bauarten von Heizkörpern

 

Die häufigsten Bauarten von Heizkörpern sind:

 

•Flachheizkörper

•Gußradiatoren, Stahlradiatoren, Stahlrohrradiatoren

•Konvektoren

•Badheizkörper

•Sonderheizkörper

Alle Heizkörper geben ihre Wärme durch Konvektion und durch Strahlung ab.

Bei der Konvektion streicht Luft am Heizkörper entlang und nimmt dabei Wärme auf.

Bei der Strahlung sendet der Heizkörper Wärmestrahlen aus, die erst dann in Wärme umgewandelt werden, wenn sie auf einen Gegenstand oder Menschen treffen (wie auch bei den Sonnenstrahlen).

 

Das Verhältnis von Konvektion zu Strahlung wird für jeden Heizkörper durch den Heizkörper-Exponenten n in der Heizkörper-Auswahlliste angegeben (siehe Bild 15) und ist für weitere Berechnungen wichtig. Je kleiner der Heizkörper-Exponent ist, desto größer ist der Strahlungsanteil.

Der Heizkörper-Exponent beträgt etwa bei

 

  • Plattenheizkörpern     n = 1,20 – 1,30
  • Radiatoren                 n = 1,3
  • Fußbodenheizungen n = 1,1

1.2. Anordnung der Heizkörper im Raum

 

Die Anordnung der Heizkörper im Raum hat großen Einfluß auf

  • die Effektivität der Heizung
  • die Behaglichkeit im Raum

2. Ermittlung der Größe der Heizkörper

 

2.1. Der Norm-Heizkörper

 

Durch eine Wärmebedarfsrechnung (früher nach DIN 4701, seit 2004 nach DIN EN 12831) wird die Raumheizlast QHL errechnet. Sie gibt an, wie viel Wärme Q [Watt] einem Raum zugeführt werden muss, damit bei einer gewissen Außentemperatur (meistens -15 oC) eine festgelegte Raumtemperatur eingehalten werden kann. Diese Wärme muss der Heizkörper dem Raum zuführen.

 

Vor der Auslegung der Heizkörper muss festgelegt werden,

 

  • wie die Heizungsanlage betrieben werden soll (Vor- und Rücklauftemperaturen bei tiefster Außentemperatur). Die gängigsten Vor- und Rücklauftemperaturen sind:

 

- nach alter Norm: 90 / 70 °C

- nach neuer Norm: 75 / 65 °C

- Niedertemp.: 70 / 50 °C bis 70 / 55 °C

- Brennwert: 60 / 45 °C bis 55 / 45 °C

- Fußbodenheizung: 45 / 35 °C

 

       Je größer die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur und zwischen Vorlauf- und Raumlufttemperatur ist, desto günstiger ist das Regelverhalten. Bei kleineren Spreizungen steigen die notwendigen Wassermengen und damit die Betriebskosten für die Pumpe.

 

 

  • für welche Raumlufttemperaturen tL die Heizkörper ausgelegt werden müssen. Je kleiner die Differenz zwischen Heizkörper- und Raumlufttemperatur ist, desto geringer ist die Wärmeabgabe des Heizkörpers QHK. Den Heizkörper-Auswahllisten der Hersteller liegt immer eine Raumlufttemperatur tL von 20 oC zugrunde. Andere Raumlufttemperaturen müssen durch den Temperatur-Umrechnungsfaktor fT berücksichtigt werden.

Der Temperatur-Umrechnungsfaktor fT kann aus Tabellen in Herstellerkatalogen entnommen werden.

 

Der Temperatur-Umrechnungsfaktor fT beträgt

z. B. für einen Heizkörper mit einem Heizkörper-Exponent n = 1,3 bei einer Heizungsanlage 75/65/20 und einer Raumlufttemperatur tL = 22 oC etwa fT = 1,06

 

Ein Kriterium für die Wärmeabgabe eines Heizkörpers ist die sogenannte „mittlere Übertemperatur“ tÜ m.

Je größer die mittlere Übertemperatur, also je wärmer der Heizkörper gegenüber seiner Umgebungstemperatur ist, desto größer ist seine Wärmeabgabe.

Umgekehrt: Steigt die Raumlufttemperatur tL, sinkt die Wärmeabgabe des Heizkörpers. Dieser Effekt wird „Selbstregeleffekt“ genannt.

  • wie der Heizkörper eingebaut wird. Heizkörperverkleidungen beeinträchtigen die Wärmeabgabe der Heizkörper erheblich und erschweren das Reinigen der Heizkörper und der dahinter liegenden Wand- und Bodenflächen. Die Einbausituation der Heizkörper wird durch den Einbaufaktor fE berücksichtigt.

Auch der Abstand des Heizkörpers zur Wand ist entscheidend für die Heizkörperleistung und wird durch den Abstandsfaktor fAb berücksichtigt.

Dem Diagramm kann man entnehmen, dass

z. B. ein Wandabstand von 20 cm einen Abstandsfaktor f Ab von 1,02 ergibt, was eine Leistungsminderung von 2 % bedeutet. Ein Wandabstand von 5 cm bringt eine Leistungsminderung von 8 %.      

 

 

  • wie der Heizkörper angeschlossen wird. Der Heizkörper-Anschluss wird durch den Anschlussfaktor fAn berücksichtigt.

 

Es gibt noch einige Umstände, die die Wärme-abgabe von Heizkörpern beeinflussen, die aber so

eine geringe Wirkung haben, dass sie hier vernach-

lässigt werden können.

 

Jetzt kann die erforderliche Heizkörper-Wärmeleistung Q HK, die benötigt wird, um einen Raum unter den gegebenen Umständen auf der geforderten Raumlufttemperatur zu halten, errechnet werden.

Beispiel 1:

Für einen Raum wurde eine Raumheizlast von QHL = 1000 W   errechnet. Die Raumtemperatur soll 22 oC betragen. Der Heizkörper soll nach Bild 10 mit einem Abstand von 20 cm zur Wand eingebaut und nach Bild 12 angeschlossen werden.

Wie groß muss die erforderliche Heizkörperleistung sein?

 

QHK = 1000 W x 1,06 x 1,06 x 1,02 x 1 = 1146 W

 

Das bedeutet, dass der Heizkörper eine Wärme-leistung von 1146 W haben muss, obwohl der Raum nur eine Heizlast von 1000 W hat.

 

Jetzt kann der Heizkörper anhand von Hersteller-listen, in denen die Heizkörper-Normwärme-leistungen aufgeführt sind, ausgesucht werden.

 

Die Norm-Wärmeleistung Q Norm eines Heizkörpers wird in genormten (EN 442) Versuchen durch anerkannte Prüfstellen ermittelt. Nach EN 442 werden Heizkörper-Normleistungen bei folgenden Temperaturen ermittelt:

 

Heizkörper-Vorlauftemperatur:   t V Norm   = 75 oC

Heizkörper-Rücklauftemperatur: t R Norm = 65 oC

Raumlufttemperatur:                   t L Norm  = 20 oC

Für unser Beispiel ergibt das bei einer Heizungsanlage 75/65/20 eine Länge von

 

L

=

1146

=

 

1,19

m

960

 

 

 

 

 

 

Da die nächstmögliche Baulänge dieses Heizkörpertypes 1200 mm beträgt, wird in unserem Beispiel ein Heizkörper mit den Abmessungen H = 600 mm L = 1200 mm eingebaut. Er hat dann eine Wärmeleistung

 

                           Q HK = 960 W/m x 1,2 m = 1152 W

       Die Höhe eines Heizkörpers wird in den meisten Fällen aus architek­tonischen Gründen festgelegt. In unserem Beispiel soll die Höhe 600 mm betragen.

 

Aus der obigen Heizkörperliste geht hervor, dass der Heizkörper Typ 11 mit H = 600 mm in einer Heizungsanlage 75/65/20 eine Wärmeleistung von Q HK = 960 W/m (Watt pro Meter Baulänge) und in einer Heizungsanlage 55/45/20 eine Wärmeleistung Q HK = 491 W/m hat.

 

 

Die Länge eines Heizkörpers errechnet sich dann nach folgender Formel:

2.2. Die erforderliche Wasser-Durchflussmenge

 

Mit der erforderlichen Wärmeleistung des Heizkörpers Q HK und den Vor- und Rücklauf-temperaturen kann man die Wassermenge, die den Heizkörper durchströmen muss, nach folgender Formel errechnen:

Das ergibt für unser Beispiel 1 eine Wassermenge von  

2.3. Heizkörper-Auslegung mit anderen Temperaturen als

den Normtemperaturen

 

Wenn eine Heizungsanlage mit anderen Vor- und Rücklauftemperaturen als den Normtemperaturen errichtet wird, müssen die Norm-Heizkörper-leistungen QNorm auf die anderen Temperaturen umgerechnet werden. Dies geschieht mit folgender Formel:

Beispiel 2:

Ein Heizkörper mit dem Heizkörper-Exponent          n = 1,3 und einer Norm-Wärmeleistung Q Norm = 1260 W/m bei den Norm­temperaturen 75/65/20 soll in einer Heizungsanlage 70/50/20 eingesetzt werden. Wie groß ist seine tatsächliche Leistung?

 

Nach Formel 5 ergibt sich eine tatsächliche Wärmeleistung

 

Qtat = 1260 W/m x 0,731 = 921 W/m

 

Hinweis: Der genaue Rechenvorgang kann beim Autor als Excel-Arbeitsblatt angefordert werden.

Q tat kann auch mithilfe des Heizkörper-Diagramms (wenn vorhanden) ermittelt werden:

Das Heizkörper-Diagramm zeigt die Betriebs-zustände eines Heizkörpers bei verschiedenen Auslegungszuständen.

 

Im obigen Heizkörper-Diagramm, das für einen Heizkörper mit dem Norm-Auslegungszustand 75/65/20 und einem Heizkörper-Exponenten

n = 1,3 gilt, sind der Norm-Betriebspunkt bei

 (t V N – t L N) = (75 – 20) = 55 oC und bei (t R N – t L N) = (65 – 20) = 45 oC eingezeichnet (blaue Pfeile) und der Betriebspunkt bei (t V tat – t L tat ) = (70 – 20) =

50 oC und (t R tat – t Ltat ) = 50 – 20 = 30 oC (rote Pfeile) eingezeichnet (Beispiel 2).

 

Am tatsächlichen Betriebspunkt (rote Pfeile) kann man erkennen:

Q tat/Q N = 0,73     m tat/m N = V tat/ V N = 0,37

Das bedeutet, dass dieser Heizkörper in einer Heizungsanlage 70/50/20 nur 73 % seiner Norm-Wärmeleistung erbringt und dafür nur 37 % der Norm-Wasserdurchflussmenge benötigt.

3. Die Heizkörperleistung im Teillastbetrieb

 

3.1. Berechnungsgrundlagen

Grundlage aller Heizkörper-Berechnungen sind die 3 Heizkörper-Gleichungen. Sie lauten:

3.2. Betrieb mit geänderten Wasser-Durchflussmengen

 

Die Wassermenge, die durch einen Heizkörper fließt, kann durch Ventile in den Rohrleitungen oder am Heizkörper und durch Verstellen der Pumpen-

leistung verändert werden.

 

Wie man die Leistungsänderung eines Heizkörpers durch Veränderung der Wasser-Durchflussmenge berechnet, soll im folgenden Beispiel 3 erläutert werden:

 

3.2.1. Beispiel 3:

In einer Heizungsanlage mit den Auslegungs­temperaturen 70/55/20/-12 wird ein Heizkörper statt mit 100 % nur mit  60 % der Auslegungs-Wasserdurchflussmenge durchströmt.

Welche Rücklauftemperatur t R geä , welche Raumlufttemperatur t L geä und welche Heizkörperleistung Q geä werden bei einer Außentemperatur von -12 oC noch erreicht?

 

Gegeben:  t V A = 70 oC t R A = 55 oC t L A = 20 oC

                  t At A = -12 oC

                  t V geä = 70 oC t At geä = -12 oC n = 1,3

                   V geä = 0,6 x V A

 

Gesucht:   t R geä t L geä Q geä  

 


Mithilfe der 3 Heizkörper-Gleichungen kann man die gesuchten Werte errechnen.

 

Sie betragen: t R geä = 46,88 oC, t L geä = 17,6 oC, Q geä = 93 %

 

Hinweis: Der genaue Rechenvorgang kann beim Autor als Excel-Arbeitsblatt angefordert werden.

 

 

Wenn man diese Rechnung nicht nur für eine geänderte Wasser-Durchflussmenge von 60 %, sondern 10 %-stufenweise durchführt, erhält man Ergebnisse, die im folgenden Diagramm zusammengefasst sind:

 

 

Anhand des Diagramms kann man erkennen, dass dieser Heizkörper noch ca. 84 % seiner Wärmeleistung abgibt, obwohl er nur mit 40 % der Auslegungs-Wasserdurchflussmenge durchströmt wird (rote Pfeile). Das kommt daher, weil das Wasser langsamer durch den Heizkörper fließt und somit mehr Zeit hat, seine Wärme abzugeben.

Dagegen ergibt eine Erhöhung der Wasser-durchflussmenge über die Auslegungs-Wasser-

durchflussmenge (100 %) hinaus keine wesentliche Leistungserhöhung des Heizkörpers.

3.3. Betrieb mit geänderten Vorlauftemperaturen

 

Die Vorlauftemperatur, mit der die Heizkörper beaufschlagt werden, wird in den meisten Fällen durch eine außentemperaturabhängige Regelung über die Heizkennlinie eingestellt.

 

Wie sich das Verstellen der Vorlauftemperatur auswirkt, soll an den folgenden Beispielen erläutert werden:

 

Beispiel 4:

In einer Heizungsanlage, die nach der neuen Norm mit

tV A = 75 oC, tR A = 65 oC, tL A = 20 oC und tAt A = -15 oC

ausgelegt wurde, wird die Regelung so eingestellt, dass bei einer Außentemperatur von -15 oC eine Vorlauftemperatur von 65 oC erreicht wird.

Welche Rücklauftemperatur tR geä ,

welche Raumlufttemperatur tL geä und

welche Heizkörperleistung Qgeä wird bei

tAt = -15 oC erreicht?

 

Mithilfe der 3 Heizkörper-Gleichungen kann man die gesuchten Werte errechnen.

 

              Sie betragen:   

                tR geä = 56,3 oC

   tL geä = 15,6 oC

   Qgeä = 87 % der Auslegungsleistung

Beispiel 5:

In einer Heizungsanlage, die nach der alten Norm mit tVA = 90 oC und tRA = 70 oC ausgelegt wurde, wurde ein Brennwertkessel eingebaut. Um den Brennwerteffekt nützen zu können, muss eine möglichst tiefe Rücklauftemperatur tRgeä erreicht werden. Die Heizkennlinie wird deshalb so eingestellt, dass bei einer Außentemperatur von

 tAt = -15 oC die Vorlauftemperatur tVgeä auf 70 oC eingeregelt wird.

Welche Raumtemperatur tLgeä und welche Rücklauftemperatur tRgeä werden bei einer Außentemperatur von -15 oC noch erreicht?

 

Sie betragen: tL geä = 12,46 oC, tR geä = 54,31 oC

Hinweis: Die genauen Rechenvorgänge können beim Autor als Excel-Arbeitsblätter angefordert werden.

Aus den Beispielen 3, 4 und 5 kann man entnehmen, dass es beim nachträglichen Einbau eines Brennwertkessels wenig sinnvoll ist, die Vorlauftemperatur zu senken, um eine möglichst tiefe Rücklauf­temperatur zu erreichen. Dadurch sinkt die Leistung der Heizkörper erheblich.

Vielmehr sollte versucht werden, die Wasser-mengen im Rahmen des Möglichen zu drosseln. Dies sollte jedoch nur ein Fachmann durchführen, weil dadurch die Hydraulik der gesamten Heizungsanlage neu eingestellt werden muss.

Jürgen Wüst

Dipl.-Ing. (FH)

 

2.11.2013

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