Gute Noten für Hellstrahler
Für die Beheizung von Hallen und Industriegebäuden werden oft Hellstrahler eingesetzt, die sich in der Regel als wirtschaftliche Lösung präsentieren. Aber wie verhalten sich Gas-Infrarot-Hellstrahler in modernen Hallengebäuden mit gutem baulichen Wärmeschutz hinsichtlich Energieeffizienz, thermischer Behaglichkeit und Raumklima? Diesen Fragen ging eine aktuelle Studie nach.
Nebelversuch in Höhe der Hellstrahler: Über die gesamte Fläche ergab sich eine stabile Schichtung. Nur im unmittelbaren Bereich der Strahler ist ein geringer Auftrieb sichtbar.
Die Infrarotaufnahme (links) zeigt die Temperaturen in den verschiedenen Arbeitsbereichen einer Halle bei Einsatz von Hellstrahlern.
Die Untersuchung führte das Institut für Technische Gebäudeausrüstung (ITG) Dresden und die Hochschule Zittau/Görlitz durch. Auftraggeber war die deutsche Sektion von „Elvhis“, dem europäischen Leit-Verband der Hersteller von Infrarot-Heizstrahlern. Für die Studie wurden zehn typische, mit Hellstrahlern beheizte Hallengebäude während des regulären Heizbetriebs messtechnisch überprüft und danach in aufwendigen Simulationsrechnungen auf den jährlichen Energiebedarf und weitere raumklimatische Parameter untersucht. Die Untersuchungsergebnisse belegen, dass die Hellstrahler-Technologie ausgereift ist und daher ideal zum Beheizen von Hallengebäuden mit hoher Raumhöhe geeignet ist.
Temperaturen
Als grundsätzlicher energetischer Vorteil erweist sich die dezentrale Anordnung der Hellstrahler. Damit kann der Wärmebedarf flexibel an die in Hallengebäuden typischerweise zeitlich und räumlich schwankenden Bedürfnisse angepasst werden. Die Wärmestrahlung durchdringt die Luft nahezu verlustfrei, sodass die Strahlungswirkung der Heizgeräte aus dem Deckenbereich optimal genutzt wird. Die Lufttemperatur lag in den gemessenen Hallen während des Heizbetriebes um 2 K unter der geforderten Raum- und Empfindungstemperatur sowie 1 bis 3 K unter der Fußbodentemperatur. In den untersuchten Großräumen stellte sich zudem außerhalb des Einflussbereiches von Toren eine stabile Luftschichtung mit sehr geringem Temperaturgradient (Durchschnittswert 0,2K/m) ein. „Die niedrigere Lufttemperatur im Aufenthaltsbereich in Verbindung mit der sehr ausgeglichenen vertikalen Temperaturverteilung sprechen für die Energieeffizienz moderner dezentraler Strahlungsheizsysteme in Großräumen – dies spiegelt auch die aktuelle energetische Bewertung in der überarbeiteten Fassung der Normenreihe DINV 18599 Revision 2011 wider“, kommentiert Prof. Oschatz vom ITG die Untersuchungsergebnisse.
Luftbewegung und Aufheizzeiten
In den untersuchten Gebäuden wurde der thermische Komfort als in der Regel gut bewertet. Für die meisten untersuchten Hallen konnte im Aufenthaltsbereich keine merkliche Luftbewegung festgestellt werden. Ein Zugluftrisiko konnte – bei geschlossenen Türen/Toren – praktisch immer ausgeschlossen werden. Die Messungen und Simulationen ergaben überwiegend kurze Aufheizzeiten mit durchschnittlich 1 - 1,5 Stunden, um eine hinreichende operative Temperatur auch bei niedrigen Ausgangstemperaturen herzustellen. Laut Studienergebnissen ist eine gleichmäßige Beheizung von Hallen durch Hellstrahler problemlos möglich. Aber auch eine Teilbeheizung, wie sie oft in Produktions- und Lagerhallen vorzufinden ist, kann punktuell und komfortabel nach Bedarf realisiert werden. Durch diese Art des bedarfsorientierten Heizens lässt sich Energie sparen, da z. B. im Schichtbetrieb nicht die ganze Halle geheizt werden muss.
Schadstoffemissionen und Undichtigkeiten der Gebäudehülle
Auch beim Thema Schadstoffemission am Arbeitsplatz schneiden die Hellstrahler gut ab. Die gemessenen Stickstoffoxidkonzentrationen lagen regelmäßig unterhalb der Nachweisgrenze der verwendeten Messgeräte. „Zur Charakterisierung der Raumluftqualität haben wir differenzierte Messungen vorgenommen“, erläutert Prof. Bolsius von der Fakultät Bauwesen der Hochschule Zittau/ Görlitz die Vorgehensweise. „In diesen modernen, dichteren Gebäuden – selbst in einem Objekt, in dem massive Schweißarbeiten stattfanden – lagen die gemessenen Gehalte an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid weit unter den entsprechenden Grenzwerten der maximalen Arbeitsplatz-Konzentration. Insofern kann die Raumluftqualität als gut bis sehr gut bezeichnet werden.“ Diese Ergebnisse bestätigen eine frühere Untersuchung des Gas-Wärme-Instituts zur Schadstoffkonzentration von Gas-Strahlern in beheizten Werkhallen. Angesichts der sehr guten Raumluftqualität in den untersuchten Hallen sehen die Wissenschaftler es aus energetischer Sicht als sinnvoll an, bei leistungsgeregelten Strahlern den Abluftvolumenstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Heizleistung zu regeln bzw. einzustellen. Sie schlagen vor, eine entsprechende Anpassung der einschlägigen Regelwerke zu prüfen.
Besonders angemerkt haben die Forscher den Einfluss des baulichen Wärmeschutzes und der Gebäudedichtheit. Thermografieuntersuchungen der Gebäude belegten bei zwei der untersuchten Hallen deutliche Wärmebrücken und teilweise Undichtigkeiten der Gebäudehülle. Oft werden Torelemente eingesetzt, die einen deutlich schlechteren Wärmeschutz als die verwendeten Fassadenelemente bieten. Die Simulationsrechnungen belegen, dass Undichtigkeiten der Gebäudehülle einen erheblichen Einfluss auf den Bedarf an Heizleistung und Heizenergie haben, da der kontinuierliche Einfall von Kaltluft in Hallengebäude ohne Zwischenwände dazu führt, dass die Fußbodenfläche teilweise oder ganz auskühlen kann.
Aufbau der Forschungsstudie
• Für die Messungen wurden 10 typische, moderne Hallengebäude für leichte und mittelschwere Tätigkeiten (Baujahr 2004-2009) mit zusammenhängenden Großräumen ohne Zwischenwände oder Zwischendecken ausgewählt. Alle Hallengebäude weisen gemäß ihrer gewerblichen Nutzung große Tore auf, deren Öffnen und Schließen während der Messungen protokolliert wurde.
• Bei den eingesetzten Hellstrahlern handelt es sich in allen Fällen um raumluftunabhängige Feuerstätten Typ A nach DIN EN 419-1 mit indirekter Abgasführung nach DIN EN 13410/DVGW G638-1. Die verwendeten Strahler bewegten sich in einem Leistungsbereich von 11 bis 35 kW pro Gerät. Je nach Größe und Heizlast der Hallen lagen die installierten Leistungen zwischen 120 und 1920 kW.
• Die Messungen vor Ort führte die Hochschule Zittau/Görlitz unter der Leitung von Prof. J. Bolsius durch. Neben Temperaturmessungen wurden auch Untersuchungen zur Oberflächentemperaturverteilung (Thermografieaufnahmen) sowie zur Raumluftströmung und -schichtung (Nebelversuche) und Raumluftanalysen durchgeführt.
• Am ITG Dresden erfolgten unter der Leitung von Prof. Oschatz für drei von zehn untersuchten Hallen aufwendige Gebäudesimulationen. Für die Hallen wurde der Heizbetrieb über jeweils eine komplette Heizperiode simulationstechnisch untersucht. Eine exakte geometrische Nachbildung der Gebäude und der eingebauten Hellstrahler erlaubte die detaillierte Simulation des Strahlungsaustauschs innerhalb der Gebäude. Auch Strömungsvorgänge wurden im Rahmen der Simulationsrechnungen berücksichtigt – diese umfassen den Austausch zwischen Raum- und Außenluft, bedingt Undichtigkeiten der Gebäudehülle und die indirekte Abgasabfuhr der Hellstrahler, sowie Strömungsvorgänge im Halleninneren.
Die Studienergebnisse sowie ein zusammenfassender Flyer über die Ergebnisse sind im Internet unter www.strahler-studien.de abrufbar.
Autor: Manfred Reinsch, Geschäftsführer Gewea GmbH & Co KG. und Vorsitzender der deutschen Elvhis-Sektion.
Bilder: Hochschule Zittau/Görlitz, ITG Dresden
www.strahler-studien.de
