IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1997, Seite 83 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Brennwerttechnik und Luftheizgeräte in Produktionshallen

Dr.-Ing. Siegfried Schlott Teil 2

Der vorliegende 2. Teil untersucht den Einfluß der Zulufttemperatur auf die Behaglichkeit und befaßt sich mit den Regelungsmöglichkeiten von Lufterhitzeranlagen.

5. Einfluß der Zulufttemperatur auf die Behaglichkeit

Wird davon ausgegangen, daß im Arbeitsbereich des Menschen bei einer mittleren Raumlufttemperatur von tL = 18C behagliche Bedingungen herrschen sollen, d.h. die Empfindungstemperatur muß tE = 18C betragen, ist bei einer Luftgeschwindigkeit von etwa 0,1 m/s eine Temperatur der Umfassungskonstruktion von tU = 18C notwendig. Bei einer Raumlufttemperatur von tL = 12C und behaglichen Bedingungen tE = 18C ist dagegen bereits eine Temperatur der Umfassungskonstruktion von tU = 24C erforderlich (Tabelle 4). Zusätzlich ist zu beachten, daß bei Lufttemperaturen tL < 18C die Luftgeschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich vL < 0,1 m/s liegen müssen (Bild 2). In den Herstellerunterlagen [z.B. 8] werden für die Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich unterschiedliche Werte zwischen vL = 0,15 m/s bis 0,25 m/s angegeben. Die Ausblasetemperatur tLA des Luftheizgerätes [8] muß, meistens als Fußnote formuliert, dabei etwa um 15 K bis 20K über der Raumlufttemperatur ti des Aufenthaltsbereiches liegen. Werden diese Ausblasetemperaturen tLA zugrundegelegt, können leicht die rechnerisch erforderlichen Heizparameter tv/tR bestimmt werden. Im Rahmen der hier vorliegenden Untersuchungen wurden für ein Luftheizgerät aus [8] die Luftaustrittstemperaturen tLA als Funktion der Lufteintrittstemperatur tLE, der Heizparameter und des Luftvolumenstromes L (Verstellmöglichkeit durch 3 Drehzahlen) berechnet und ausgewertet. Dabei bestehen für die Festlegung der Fahrkurven theoretisch unendlich viele Möglichkeiten. Die wichtigsten Varianten sind:

- Führung der Vorlauftemperatur tv als in Abhängigkeit der Außentemperatur ta,

- Stufeneinstellung der Vorlauftemperatur tv von Hand,

- Konstante Vorlauftemperatur tv,

Tabelle 4: Ausschnitt der Gegenüberstellung der zutreffenden Temperaturen tE, tU, tL, tLA

Empfindungstemperatur

te

C

18

18

18

18

18

18

Raumlufttemperatur

tL

_C

12

14

16

18

20

22

Ausblastemperatur Luftheizer

tLA

_C

32

34

36

38

40

42

Temperatur der Umfassungskonstruktion

tU

C

24

22

20

18

16

14

Luftgeschwindigkeit im Aufenthalötsbereich

V

m/s

0,1

0,1

0,1

0,1

0,12

0,18

In den Bildern 3 und 4 sind die drei Varianten ausgewertet. Daraus wird deutlich, daß in Abhängigkeit der Außentemperatur ta entweder der Brennwerteffekt sehr stark vermindert oder die Rücklauftemperatur tr soweit absinkt, daß keine ausreichend hohe Luftaustrittstemperatur mehr erreicht werden kann.

Bild 2: Behaglichkeitszonen in Abhängigkeit der Lufttemperatur tL und der Luftgeschwindigkeit vL.

 

Bild 3: Lastabhängige und von Hand eingestellte Vor- und Rücklauftemperaturen für tv/tr = 80/40C Auslegungstemperatur der Luftheizgeräte als Funktion der Außentemperatur ta.

 

Bild 4: Konstant eingestellte Vor- und Rücklauftemperaturen für tv/tr = 80/40C Auslegungstemperatur der Luftheizgeräte als Funktion der Außentemperatur ta.

In den Bildern 5 bis 8 sind die einzelnen Werte der Luftaustrittstemperatur tLA als Funktion der Lufteintrittstemperatur tLE und verschiedener Heizparameter tv/tr und ausgewählter Luftvolumenströme übersichtlich aufgetragen. Die Kurven zeigen sehr deutlich, daß für eine mittlere Raumlufttemperatur ti = 18C die Heizparameter 60/40C und 40/30C ungenügend sind, um die geforderte Luftaustrittstemperatur tLA zu erreichen. Auch die Heizparameter 80/40C (Spreizung 40 K) sind bei Ansaugtemperaturen tLE < 0C (z.B. Ansaugung von Außen- oder Mischluft) nicht mehr ausreichend.

Für eine Empfindungstemperatur tE = 18C und Außentemperaturen ta < 0C ist eine Behaglichkeit nur mit Heiztemperaturen tV > 80C (Spreizung < 20 K) zu erreichen, da Zulufttemperaturen tLA > 33C erforderlich sind.





Bild 5: Luftaustrittstemperaturen für Luftheizgeräte als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

 





Bild 6: Luftaustrittstemperaturen für Luftheizgeräte als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

 





Bild 7: Luftaustrittstemperaturen für Luftheizgeräte als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.
 





Bild 8: Luftaustrittstemperaturen für Luftheizgeräte als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

Die Gewährleistung der beschriebenen Behaglichkeitsempfindungen für die in der Halle tätigen Menschen enthält auch die Bereitstellung des Wärmebedarfes H als Funktion der Außentemperatur ta mit. Sind nur Luftheizgeräte in der Halle vorhanden, muß für die Summe der Luftheizgeräte die Bilanz gemäß Abschnitt 4 erfüllt werden.

Je nach Schaltung der Geräte (Außen-, Um- oder Mischluft) ist der Anteil des Lüftungswärmebedarfes L differenziert einzusetzen. Werden zusätzliche Raumheizflächen mit vorgesehen, sind diese in den Bilanzkreis einzubeziehen.

Ebenfalls im Rahmen der hier vorliegenden Untersuchungen wurde für ein Luftheizgerät aus [8] die Wärmeleistung LH als Funktion der Lufteintrittstemperatur tLE, der verschiedenen Heizparameter tv/tr, ausgewählter Luftvolumenströme und der Luftaustrittstemperaturen tLA berechnet. In den Bildern 9 bis 12 sind diese Kurven eingetragen.





Bild 9: Wärmeleistung von Luftheizgeräten als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

 





Bild 10: Wärmeleistung von Luftheizgeräten als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

 





Bild 11: Wärmeleistung von Luftheizgeräten als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

 





Bild 12: Wärmeleistung von Luftheizgeräten als Funktion der Lufteintrittstemperatur und unterschiedlicher Heizparameter.

Die Auswertung zeigt, daß die Geräteleistung LH mittels gleitender Heizwassereintrittstemperatur tv und eines variablen Luftvolumenstromes L optimal an den aktuellen Wärmebedarf H der Halle angepaßt werden kann.

Außerdem kann die Frage beantwortet werden, welchen Einfluß die Erhöhung bzw. die Absenkung der Vorlauftemperatur tv hat und wie sich eine Vergrößerung bzw. Verringerung der Heiztemperaturdifferenz (tv - tr) auf die Wärmeleistung LH bzw. die Luftaustrittstemperatur tLA auswirken. Es ergibt sich daraus schlüssig die einfache Erkenntnis, daß bei einer Erhöhung der Vorlauftemperatur tv die Austrittstemperatur tLA und die Wärmeleistung LH ansteigen. Mit der Verringerung des Luftvolumenstromes L steigt ebenfalls die Luftaustrittstemperatur tLA, jedoch verringert sich auch die Wärmeleistung LH. Wenn die Lufteintrittstemperatur tLE ansteigt, erhöht sich auch die Luftaustrittstemperatur tLA und die Wärmeleistung LH nimmt ab. Ganz ähnliche Kurvenverläufe der Tendenz nach ergeben sich, wenn die Temperaturspreizung tv - tr vergrößert wird.

Für bauliche Anlagen, deren Beheizung mit Luft erfolgen soll, ist die Bereitstellung des aktuellen Wärmebedarfes H nicht hinreichend, um allgemein im Aufenthaltsbereich Behaglichkeit zu sichern. Diese wird erst bei Einhaltung bestimmter Temperaturparameter (tE, tU, tL, tLA) und entsprechender Luftgeschwindigkeit vL gesichert. Die Regulierung der zulässigen Luftgeschwindigkeit vL im Aufenthaltsbereich wird einerseits durch die Aufhängehöhe h und andererseits mit der realisierten Luftverteilung am Geräteaustritt sowie mit einer Volumenstromeinstellung am Gerät möglich. Die Aufhängehöhe und die Verteilung am Luftgerät ist bisher keine Regelgröße. Damit bleibt im praktischen Betrieb für die Beeinflussung der Lufttemperatur im Aufenthaltsbereich nur die Volumenstromänderung durch eine Drehzahlregelung. Für die Erweiterung des Anwendungsbereiches der Luftheizgeräte wäre es sicher vorteilhaft, eine Regelung der Luftverteilung als Funktion der Austrittstemperatur tLA ins Auge zu fassen.

6. Regelung von Lufterhitzeranlagen

Für die wasserseitige Regelung von Lufterhitzeranlagen sind grundsätzlich zwei Varianten möglich:

1. Drosselregelung des Wassermassestromes W,

2. Mischungsregelung des Wassermassestromes W.

Tabelle 7: Heizwasserseitige Einflußgrößen

Vorlauftemperatur tv

Heizwasserstrom W

Rücklauftemperatur tR

konstant

variabel

variabel

konstant

variabel

konstant

variabel

konstant

variabel

variabel

konstant

konstant

variabel

variabel

variabel

variabel

variabel

konstant

Die jeweils erforderliche Wärmeleistung des Luftheizgerätes LH ergibt sich aus dem Transmissionswärmebedarf T und des Lüftungswärmebedarfs L der zu beheizenden Räume abzüglich der inneren Wärmelasten und evtl. Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung. Die verschiedenen Vor- und Nachteile der einzelnen Regelungsvarianten sind in der Fachliteratur ausführlich beschrieben [13; 15].

6.1 Eingangsgrößen heizwasserseitig

Als heizwasserseitige Eingangsgrößen können die in Tabelle 7 aufgezählten Parameter genannt werden.

Tabelle 8: Luftseitige Eingangsgrößen

Luftmassestrom W

Lufteintrittstemperatur tLE

konstant

konstant

konstant

variabel

variabel

konstant

variabel

variabel

6.2 Eingangsgrößen luftseitig/ Luftaustrittstemperatur tLE konstant oder variabel

Tabelle 8 zeigt die Möglichkeiten auf.

Damit ergeben sich mindestens 20 Regelungsvarianten. Zusätzlich kann eine Vermischung der einzelnen Varianten vorkommen. Dabei ergibt die Auswahl einer Variante noch keine Aussage über die Regelgröße und gewährleistet auch nicht in allen Fällen eine ausreichende Beheizung der baulichen Anlage und die Sicherung einer gewünschten Behaglichkeit. Es ist leicht einzusehen, daß eine Regelung von Hand nicht mehr sinnvoll ist.

6.3 Regelgrößen

Folgende Regelgrößen können in Betracht gezogen werden:

- Wärmeleistung LH des Luftheizgerätes,

- Die Luftaustrittstemperatur tLA des Luftheizgerätes,

- Die Rücklauftemperatur tr des Luftheizgerätes,

- Die Drehzahl n des Lüfters,

- Die Außen- und Umluftanteile LA und LU,

- Die mittlere Raumlufttemperatur ti (bzw. Fortlufttemperatur tFO).

Die Wärmeleistung LH des Luftheizgerätes und die Luftaustrittstemperatur tLA sollten in allen Fällen in die Regelungskonzeption einbezogen werden. Komfortable Regelungslösungen erhöhen auch die Wirtschaftlichkeit.

7. Schlußfolgerungen

Die in den vorangegangenen Abschnitten gewonnenen Erkenntnisse zeigen, daß die Regelungsstrategie von Lufterhitzeranlagen im Rahmen der Fachplanung sehr genau vorgegeben werden muß. Luftheizgeräte und brennwertgerechte Wärmeerzeugung sind keine wirtschaftliche Lösung und bedeuten außerdem Behaglichkeitsdefizite. An die Regelung einer Luftheizung werden erhöhte Anforderungen gestellt, da unbehagliche Betriebszustände nicht auftreten dürfen. Für Aufheizvorgänge sind besondere Bedingungen zu beachten.


L i t e r a t u r : s. Teil 1


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