IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1999, Seite 60 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Konvektoren im Wohn- und Verwaltungsbau

Dipl.-Ing. Hermann Ensink*

Die Forderung nach wirkungsvoller, integrierter oder unsichtbar installierter Raumheizung läßt sich mit Konvektoren in vielfältigen Varianten verwirklichen. Kein anderer Heizkörper kann so flexibel und individuell eingesetzt werden wie der Konvektor aus Stahl in verzinkter Ausführung. Nachstehend werden die verschiedensten Einbauvarianten und deren Einsatzmöglichkeiten beschrieben.

1. Konvektor-Bauform

Konvektoren haben eine jahrzehntelange Tradition. Vom einfachen Rundrohr mit spiralförmig aufgeschweißten bzw. aufgewickelten Lamellen wurde der Konvektor ständig optimiert. Neben den hier beschriebenen verzinkten Konvektoren aus Stahl sind noch Konvektoren aus Kupferrundrohren und Aluminiumlamellen am Markt vertreten. Diese werden vornehmlich in vorgefertigten Unterflurschächten (Bodenkanalheizungen) und Haubenverkleidungen eingesetzt. Kupfer/Aluminium-Konvektoren bieten aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit nicht so vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Heute entsprechen Konvektoren mit strömungsgünstig geformten Ovalrohren dem Stand der Technik (Bild 1).

Bild 1: Ausführungsvergleich Konvektor mit Ovalrohren und Rundrohren, mit gleichem Umfang (Kontaktfläche Rohr-Lamelle).

Konvektoren mit Ovalrohren haben bei geringerem Materialeinsatz eine höhere Wärmeleistung. Die ovale Bauform des Rohres führt zu einem größeren freien Querschnitt im Schacht. Dadurch ist der Luftwiderstand erheblich geringer.

Die ovale Rohrform hat einen kleineren wasserseitigen Querschnitt von ca. 60%, so daß die Strömung auch bei einem relativ geringen Wasserdurchsatz turbulent wird. Bei einer laminaren Strömung würde der innere Wärmeübergang ai erheblich geringer werden und damit auch die Wärmeleistung.

2. Niedertemperaturbetrieb

Vielfach wird gesagt, Konvektoren seien nicht für den Betrieb mit niedrigen Vorlauftemperaturen geeignet. Maßgebend für die Heizleistung bei niedrigen Temperaturen ist der Exponent, der nach EN 442 ermittelt wird. In umfangreichen Untersuchungen wurde der Exponent für verschiedene Konvektormodelle untersucht. Hierbei ergeben sich unterschiedliche Werte je nach Auftriebsschachthöhe (Bild 2).

Bild 2: Exponent n in Abhängigkeit der Auftriebsschachthöhe.

Wie ersichtlich, kann der Exponent n nicht dem Konvektor allgemein, sondern nur der Einbauweise zugeordnet werden. Wird bei der Auslegung der Konvektoren auf die tatsächliche Einbausituation und den sich hieraus ergebenden Exponenten geachtet, so steht dem Einsatz im Niedertemperaturbetrieb (z.B. PWW 55/45C) oder gleitender Betriebsweise nichts im Wege.

Plattenheizkörper haben einen Exponenten von 1,25 bis 1,32 je nach Konstruktions- und Strahlungsanteil. Inwieweit die unterschiedlichen Exponenten anderer Heizflächen im Vergleich zu einem Heizkörper mit n = 1,3 an der Anlage Auslegungskorrekturen erforderlich machen, läßt sich aus Bild 3 ablesen.

Dtv (Vollastbetrieb) und DtT (Teillastbetrieb) errechnen sich aus den Heizmitteltemperaturen und der Raumtemperatur.

Bild 3: Bemessungskorrekturen bei Parallelbetrieb von Heizflächen mit unterschiedlichen Exponenten.

3. Regelfähigkeit

Äußerst geringe Wasserinhalte garantieren eine sehr gute Regelfähigkeit und schnelle Aufheizung, so daß sich der Konvektor auch gut als "Kurzzeitheizung" eignet. Es werden keine großen Heizkörpermassen erwärmt, die geringe Masse verhindert Trägheit und läßt Konvektoren extrem schnell auf Temperaturschwankungen, z.B. durch Fremdwärme wie Sonneneinstrahlung, Personen, Elektrogeräte usw., reagieren. Als Regelorgane werden handelsübliche Thermostatventile empfohlen. Je nach Einbausituation kann die Temperaturerfassung über Fernversteller oder Fernfühler notwendig werden.

Bild 4: Kaminförmiger Schacht mit Querabschottungen oberhalb eines Konvektors.

4. Optimale Funktion

Eine optimale Funktion ist nur gewährleistet, wenn oberhalb des Konvektors ein kaminförmiger Schacht installiert wird (Bild 4).

Bild 5: Wärmeleistung eines Konvektors bei unterschiedlicher Auftriebsschachthöhe.

Dadurch, daß der Konvektor individuell und vielseitig eingesetzt werden kann, sind viele Fehler bei Auslegung und Montage möglich:

Bild 6: Konvektor in einer Nische.

5. Nischenmontage

Konvektoren eignen sich hervorragend zum verkleideten Einbau (Bild 6), denn die Verkleidung kann Bestandteil des erforderlichen Auftriebsschachtes sein.

Sehr häufig findet man Radiatoren oder Flachheizkörper, die mit großem Aufwand durch Verkleidungen oder Einrichtungsgegenstände "verbaut" wurden. Die Folge sind erhebliche Minderleistungen, weil sich die Funktion dann lediglich auf Konvektion beschränkt. Der Heizkörper wird zum Konvektor und verliert einen hohen Anteil an (Strahlungs-) Leistung.

Bild 7: Brüstungsverkleidung mit Gehrungsecke im Pressevertriebszentrum Mölk, Osnabrück.

5.1 Brüstungsverkleidungen

Sinnvolle Kombinationen mit notwendigen technischen Einrichtungen, z.B. in Verwaltungsgebäuden, bieten maßgeschneiderte Verkleidungen (Bild 7). Vielfältige, objektbezogene Lösungen sind möglich:

- Maßanfertigung entsprechend den baulichen Gegebenheiten,

- Rohrleitungsführung innerhalb der Verkleidung,

- Integration von Kabel- und sonstigen Versorgungskanälen,

- Regelmäßige Unterteilung zur Anbringung von Raumteilern und variablen Trennwänden,

- Integrierte Fensterbänke,

- Anpassung an den Bau durch Gehrungsecken (Bild 7).

5.2 Haubenverkleidungen

Zwar bringt die Wärmeschutzverordnung 95 durch bessere Wärmedämmung eine Erhöhung der Umschließungsflächentemperaturen, dennoch ist der ideale Standort des Heizkörpers nach wie vor an der kältesten Stelle im Raum - unter dem Fenster. Selbst bei wesentlich verbesserten Dämmwerten ist die Heizlast in der Nähe des Fensters am größten, nicht zuletzt auch infolge der Fugenundichtigkeiten, die sich insbesondere im Fensterbereich bemerkbar machen.

Nicht immer läßt sich eine Unterflurmontage realisieren. So kommen Lösungen wie in Bild 8 in Betracht.

Bild 8: Haubenverkleidung in einer Eingangshalle.

5.3 Wärmeschutzverordnung beachten

Die Forderung der Wärmeschutzverordnung nach einem äquivalenten k-Wert < 0,9 W/(m2 K) kann durch eine 10 mm Wärmedämmung oder einer heizkörperseitig stark reflektierenden Oberfläche erfüllt werden. Es ist nicht zu erwarten, daß diese Vorgabe in der Energiesparverordnung (ESVO 2000) geändert bzw. zurückgenommen wird.

Oft mißachtet wird die in der Wärmeschutzverordnung in 3 Absatz 3 verankerte Bedingung, daß der Wärmedurchgang durch die Fensterflächen maximal kf = 1,5 W/(m2 K) betragen darf (Wärmeschutzverordnung, Anlage 1, Ziffer 4).

Bild 9: Unterflurschacht, selbsttragend, mit Rollrost und Rahmen, eingebaut im aufgeständerten Fußboden.

6. Unterflurmontage

Besonders in variabel erstellten Bürogebäuden werden zunehmend Unterflurkonvektoren montiert (Bild 9). Mehrere Gründe sprechen für diese Variante, die oftmals in Verbindung mit aufgeständerten Fußböden (Doppelböden) realisiert wird. Die Versorgung der Räumlichkeiten erfolgt dann über den Doppelboden und ermöglicht so nachträgliche Änderungen.

Von besonderem Vorteil ist dabei die selbsttragende Bauweise des Unterflurschachtes. Schacht und Rahmen sind dann ein eigenständiges Bauteil, ein Rollrost kann direkt integriert werden.

Selten offen angesprochen, jedoch ein wichtiger Grund für die Unterflurmontage, ist die vermietbare Fläche im kommerziellen Verwaltungsbau, die im Vergleich zur Brüstungsverkleidung nicht unerheblich erhöht werden kann. Außerdem läßt das System in Verbindung mit dem Gebäuderaster eine flexible Raumaufteilung zu.

Lösungen nach Kundenwunsch, z.B. mit Gehrung (Bild 10), gehören ebenso zur modernen Architektur wie die Anpassung an runde Gebäudeteile (Bild 11).

Bild 10: Gehrungsecke eines Unterflurschachtes im Verwaltungsgebäude Deutsche Bahn AG, Berlin.

6.1 Anordnung von Konvektoren

Zwei wissenschaftliche Untersuchungen beschäftigen sich mit der Anordnung von Konvektoren in Unterflurschächten (Bild 12). Demnach läßt sich die höchste Wärmeleistung erzielen, wenn der Konvektor fensterseitig eingesetzt wird. Die Erhöhung der Wärmeleistung ist darauf zurückzuführen, daß durch den Coanda-Effekt das Fenster noch teilweise die Funktion einer Schachtseitenwand übernimmt.

Bild 11: Runder Unterflurschacht im Verwaltungsgebäude HUK Coburg.

In der Praxis hat sich jedoch die mittige oder raumseitige Anordnung bestens bewährt (Bild 12). Diese Anordnungen gewährleisten eine einwandfreie Funktion auch bei abgesenkten Heizmitteltemperaturen oder bei zusätzlich auftretendem Kaltlufteintritt (Fugenlüftung). In einer Untersuchung wird dieser Effekt bestätigt. Hier heißt es: "... bei niedrigen Heizmitteltemperaturen Dt = 30 K wie z.B. bei Betrieb in Verbindung mit Fußbodenheizungen stellen sich raumluftseitig instabile Verhältnisse und damit beträchtliche Leistungsschwankungen ein ...!"

Bild 12: Konvektoranordnung im Unterflur: raumseitig, mittig, fensterseitig.

Diese Feststellung kann aus der Praxis ausdrücklich bestätigt werden. Oftmals funktionieren fensterseitig angeordnete Konvektoren unter Auslegungsbedingungen (hohe Vorlauftemperaturen) problemlos. Sobald die Vorlauftemperatur allerdings abgesenkt wird, stellen sich erhebliche Leistungsschwankungen ein.

Aus diesem Grunde wird von der fensterseitigen Anordnung im Normalfalle abgeraten, es sei denn, eine Erhöhung der Fensteroberflächentemperatur zur Vermeidung von Kondensbildung ist ausdrücklich gewünscht. Aus den obigen Beschreibungen ergeben sich somit folgende Empfehlungen:

Bild 13: Konvektor als Nacherhitzer im Objekt Checkpoint Charlie in Berlin.

6.1.1 Konvektoranordnung raumseitig

Die am Fenster abfallende Kaltluft strömt in den Konvektorschacht. Die aufsteigende Warmluft sorgt für eine natürliche Zirkulation im Raum und schirmt so das Fenster ab. Diese Anordnungsweise ist zur alleinigen Beheizung im Falle eines anteilig sehr großen Wärmebedarfs auf der Fensterseite (ca. 70 bis 100%) geeignet.

6.1.2 Konvektoranordnung mittig

Der mittige Einbau des Konvektors ermöglicht den Kaltlufteinfall von beiden Seiten des Konvektors. Die Anordnung bietet sich insbesondere zur alleinigen Raumbeheizung an, wenn nur ein Teil (ca. 20 bis 70%) des Gesamtwärmebedarfs auf die Fensterfront entfällt. Dieses trifft in der Regel dann zu, wenn außer der Fensterfläche noch weitere größere Wärmeverlustflächen wie Außenwand, Decke oder Fußboden bestehen. Der mittig austretende Warmluftstrom sorgt im Fensterbereich für optimale Kaltluftauflösung und raumseitig für eine gleichmäßige Zirkulation.

6.1.3 Konvektoranordnung fensterseitig

Diese Anordnung auf der Fensterseite findet nur in Ausnahmefällen Anwendung. Zur Vollraumbeheizung ist diese Variante nur dann geeignet, wenn ein großer raumseitiger Wärmebedarf und ein geringer Wärmebedarf auf der Fensterseite (bis zu ca. 20%) besteht. Der Abstand zwischen Schacht und Fenster ist dann möglichst gering zu wählen, um ein ungehindertes und schnelles Anlegen der Luftströmung an das Fenster zu erreichen (Coanda-Effekt). Die Heizmitteltemperatur sollte jedoch nicht zu weit abgesenkt werden, da dann die abfallende Kaltluft mit der aufsteigenden Warmluft konkurriert und die abfallende Kaltluft den aufsteigenden Warmluftstrom "abschneiden" kann. Es kann dann zu einem Wechselspiel der Strömungen kommen, die zu einer instabilen Leistungsabgabe führen. Deshalb sollte diese Anordnung nur in Ausnahmefällen realisiert werden.

7. Konvektor als Nacherhitzer

Bild 13 zeigt einen Konvektor im Unterflurschacht als Nacherhitzer. Im Beispiel wird über eine zentrale Lüftungsanlage der erforderliche Außenluftvolumenstrom für das Verwaltungsgebäude Checkpoint Charlie in Berlin zugeführt. Die auf ein Temperaturniveau von ca. 15 bis 18C erwärmte Außenluft wird vom Konvektor nachgewärmt.

Unterhalb des Konvektors tritt die Luft über ein Lochblech aus. Gleichzeitig wird die am Fenster abfallende Kaltluft induziert und mitgerissen. Durch Thermostatventile geregelt, heizt der Konvektor die in den Raum eintretende Luft nach. Die Abstimmung der Luftmengen erfolgt über einfache Schieber am Lufteintritt des Unterflurschachtes.

8. Zusammenfassung

Konvektoren eignen sich ganz besonders als Gestaltungselement. Verkleidungen und Einbau können der Raumarchitektur angepaßt werden, ohne Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen. Hierzu gibt es vielfältige, auf das Objekt zugeschnittene Lösungen.

Geringe Wasserinhalte und Heizkörpermassen erlauben eine äußerst gute Regelfähigkeit. Die Auslegung und Montage erfordert aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten Erfahrung und Fachkenntnis.

In Mischanlagen kommt dem hydraulischen Abgleich eine große Bedeutung zu. Wird der hydraulische Abgleich berücksichtigt, so können Konvektoren problemlos auch in witterungsgeführt geregelten Niedertemperaturanlagen eingesetzt werden.


*) Dipl.-Ing. Hermann Ensink, Prokurist Kampmann HKL GmbH, Lingen


B i l d e r :   Kampmann HKL GmbH, Lingen


L i t e r a t u r :

[1] Technischer Katalog Kampmann Konvektoren Art.-Gr. 1.10-1.40.

[2] Buderus Handbuch für Heizungstechnik, Beuth Verlag, Berlin 1994.

[3] Wärmeschutzverordnung vom 5. 7. 1994.

[4] Schlapmann, D.: Luftgeschwindigkeit über beheiztem Fußboden. VDI-Bericht 464, 1982.

[5] Bundesanzeiger v. 19. 7. 1995, Nr. 132, Seite 7770 und: Lösungen für Heizkörper vor Fensterflächen. IKZ-HAUSTECHNIK 17/1995, Seite 51.

[6] Kast W.; Klan, M.: Die Wärmeleistung von Unterflurkonvektoren. Gesundheitsingenieur 105 (1984) Heft 2, Seite 59 ff.

[7] van Weele, A.M.; Laurense, J.T.M.: Luchtstroming in en boven een convektorput Katalog verwarming en Ventilatie (NL), 1979.


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