Vorlesung Heizlast - Unics.uni-hannover.de

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Vorlesung Heizlast - Unics.uni-hannover.de

Vorlesung

Heizlast von

Gebäuden

Berechnungsverfahren nach EN 12831

Heizungsanlagen in Gebäuden

Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast

Heizlast

Überschlägiges Verfahren zur Vorplanung

Prof. Dr.-Ing. Dirk Bohne

Universität Hannover

Fakultät Architektur und Landschaft


Gliederung

1 Wärmeübergang

Leitung-Strahlung Konvektion

2 Heizlast

3 Abschätzung Heizlast für Vorplanung

4 Berechnungsbeispiel

Heizlast

Übersicht


Heizlast


Wärmeübergang erfolgt immer durch die

drei Wärmeübergangsmechanismen:

1.Art

2.Art

Wärmeleitung

In Festkörpern o. ruhende Medien.

An das vorhandensein

von Materie gebunden.

Molekularer Wärme-Transport

Konvektion

Durch Mitführung;

stets begleitet von Wärmeleitung.

Heizlast

3.Art

Strahlung

Thermische Energie wird in

Form von elektromagnetischen

Teilchen ausgesandt und absorbiert.

Strahlungsenergie in Wärme

umgewandelt.


Einige Begriffsdefinitionen zum Verständnis:

Heizwärmebedarf

Die Wärmemenge, die von dem Heizsystem (Heizkörper) dem Raum bzw. dem

Gebäude zur Verfügung gestellt werden muss, um die entsprechende

Raumtemperatur aufrecht zu erhalten.

Heizenergiebedarf

Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des

Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems aufgebracht werden muß.

Heizlast (Norm-Heizlast)

Wärmestrom, der für das Einhalten der Solltemperatur des Raumes notwendig ist

Heizlast

Endenergiebedarf

Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des

Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems sowie des

Warmwasserwärmebedarfs und der Verluste des Warmwasserbereitungssystems

aufgebracht werden muß. Der Jahresheizenergiebedarf oder Endenergiebedarf

bezieht die für den Betrieb der Anlagentechnik (Pumpen, Regelung, usw.) benötigte

Hilfsenergie mit ein, ist aber nach den benutzen Energieträgern zu differenzieren.

Primärenergiebedarf

Energiemenge, die zur Deckung des Endenergiebedarfs benötigt wird unter

Berücksichtigung der zusätzlichen Energiemenge, die durch vorgelagerte

Prozessketten außerhalb der Systemgrenze „Gebäude“ bei der Gewinnung,

Umwandlung und Verteilung der jeweils eingesetzten Brennstoffe entstehen.


Die Heizlast ist die momentane Wärme, die bei einer bestimmten

Aussentemperatur über die Gebäudehülle für die Aufrechterhaltung

der Innentemperatur notwendig ist in Watt.

+20 o

-10

Heizlast

Die über die gesamte Heizperiode verbrauchte Energiemenge

Ist der Wärmebedarf (nur Wärmeverteilung) bzw. der End-

Energiebedarf in Wh


Wärmebilanz – Heizlast eines Gebäudes

Wärmeverlust über Transmission

Wärmeverlust durch Lüftung

Wärmeverlust durch Aufheizleistung Heizunterbrechung

Wärmegewinne durch interne Wärmegewinne (nicht ang.)

Wärmegewinne durch solare Einstrahlung (nicht ang.)

Heizlast

Die Heizperiode beträgt idR 185 Tage und wird durch die

Heizgrenztemperatur bestimmt (Wärmedämmstandard und

Wärmegewinne bestimmen Heizgrenztemperatur)

Die Heizlast wird ohne Berücksichtigung von Wärmegewinnen

Nach der tiefsten Zweitagesmitteltemperatur ermittelt, die

10 mal in zwanzig Jahren erreicht oder unterschritten wird


165 %

130 %

200 %

100 %

Heizlast

Das Verhältnis von Hüllfläche zu Volumen beeinflusst

den Transmissionswärmeverlust erheblich (Bild: Vier Gebäude

gleichen Volumens mit unterschiedlichen Abkühlungsflächen

XI/2


a b c

2 4 6

A=24m²

V=8m³

A_ = 3,0 m²/m³

V

A=96m²

A = 216 m²

V=64m³

V = 216 m³

A_

= 1,5 m²/m³ A_

= 1,0 m²/m³

V

V

XI/3

Heizlast

Mit zunehmender Kubatur wird das Verhältnis von

Abkühlungsfläche zu Volumen günstiger, siehe Bild


Heizlast

A/V

in m -1

Ermittlung

über beheizte

Kubatur

Ermittlung über beheizte

Fläche. Geschosshöhe:

W 2,75 m 3,25 m

? 0,20 Q N = 13,0 x V Q N = 38,5 x F Q N = 42,3 x F

0,30 14,3 x V 39,3 x F 53,6 x F

0,40 15,6 x V 42,9 x F 50,7 x F

0,50 16,9 x V 46,5 x F 54,9 x F

0,60 18,2 x V 50,1 x F 59,2 x F

0,70 19,5 x V 53,6 x F 63,4 x F

0,80 20,8 x V 57,2 x F 67,6 x F

0,90 22,1 x V 60,8 x F 71,8 x F

1,00 23,4 x V 64,4 x F 76,1 x F

? 1,10 24,7 x V 67,9 x F 80,3 x F

A = wärmeübertragende Umfassungsflächen

V = beheiztes Bauwerksvolumen

F = beheizte Geschossflächen

Überschlägliche Ermittlung der Heizlast unter

Berücksichtigung des Verhältnisses von Abkühlungsfläche

zu beheiztem Volumen


Ort

PLZ

Kllimazonen

nach

DIN 4710

Norm-

Außentemperatur

O e ( 0 C)

Jahresmittel der

Außentemperatur

O m,e ( 0 C)

Aachen 52062* 5 -12 8,1

Baden-Baden 76530* 12 -12 10,2

Bottrop 46236* 5 -10 8,1

Dillingen, Donau 89407 13 -16 7,9

Hannover 30159* 3 -14 8,5

Hilden 40721* 5 -10 8,1

Heizlast

Norm-Aussentemperaturen nach EN 12831 Beiblatt 1

(Auswahl einiger Städte)


Überschlägliche Verfahren:

Nach A/V und spezifischen Werten

Nach U-Werten und Abkühlungsflächen zzgl.

Anteil freier Lüftung mit hygienischem Mindestluftwechsel

Genaueres Verfahren

Heizlast

Regelverfahren

Nach EN 12831 (vereinfachtes oder detailliertes

Verfahren)

Durch Simulationswerkzeuge: Trnsys/Energyplus etc.


Zum Regelverfahren

Der Wärmedurchgang

Der Wärmestrom (Transmission, freie Luftströmung und

Ggf. Raumlufttechnik)

Das Berechnungsverfahren nach EN 12831

Heizlast


Wärmedurchgang durch eine ebene Wand

KONVEKTION

WÄRMELEI-

TUNG

θ

KONVEKTION

Der Körper habe auf der Fluidseite 1 die Oberfläche A 1 und auf der anderen

Seite die Fläche A 2 (bei einer ebenen Wand ist A 2 = A 1 = A).

Für den Wärmestrom durch die Wand gilt die schon bekannte Beziehung:

Heizlast

φ

= U

∗ A∗




Θ −Θ

Anmerkung: Temperatur SI-System T, EN Normen jetzt Teta

1

2




Berechnung der Norm-Heizlast eines Raumes

φ = φ + φ + φ

HL, i T,

i V,

i RH,

i

)

zus. Aufheizleistung

Heizlast

Transmission Lüftungswärmeverulst

Heizlast

Die momentane Heizleistung setzt sich aus den

Transmissionsverlusten und den Lüftungswärmeverlusten

zusammen (statische Berechnung). Für den Aufheiz-

Vorgang nach einer Temperaturabsenkung wird

Eine zusätzliche Leistung angesetzt!


Beispiele U-Werte gängiger Wandkonstruktionen

Bezeichnung Wandaufbau Gesamtdicke U-Wert (W/m² ⋅ K)

Massiv

Außenputz

Leichthochlochziegel

Innenputz

2,0 cm

36,5 cm

1,5 cm

40 cm 0,38

massiv

Außenputz

Porenbeton (0,4)

Innenputz

2,0 cm

36,5 cm

1,5 cm

40 cm 0,38

einschalig

mit Dämmung

einschalig

mit Kerndämmung

Beschichtung

Polysterol WLG 040

Kalksandlochsteine

Innenputz

Beton

Polysterol WLG 040

Beton

0,6 cm

15 cm

24 cm

1,5 cm

7 cm

10 cm

14 cm

41,5 cm 0,23

31 cm 0,36

Heizlast

einschalig

Leichtbauwand

zweischalige

Wand mit Dämmung und

Luftschicht

zweischalige

Wand mit

Kerndämmung

Vorhangfassade

Hinterlüftung

Holzfaserplatte

Holzrahmen mit

Zellulose WLG 045

Dampfbremse

Gipskarton Vormauerziegel

Luftschicht

Mineralfaser WLG 035

Porenbeton Plansteine

Innenputz

Kalksand – Vollstein 1,8

Polysterol WLG 035

Kalksand Lochstein 1,4

Innenputz

4 cm

2 cm

2 cm

15 cm

0,05 cm

11,5 1,0 cm

4 cm

10 cm

17,5 cm

1,5 cm

11,5 cm

10 cm

17,5 cm

1,5 cm

32 cm 0,18

44,5 cm 0,24

40,5 cm 0,29


Norm-Transmissionswärmeverluste für einen beheizten Raum

φ

T ,

i

( H

) ( )

T , ie + HT

, iue + HT

, ig + HT

, ij ∗ θ i −θe

= int,

Hierin bedeuten in der Reihenfolge der Gleichung:

der Transmissions-Wärmeverlust-Koeffizient zwischen dem beheizten Raum (i) und der äußeren

Umgebung (e) durch die Gebäudehülle in W durch Kelvin (W/K)

der Transmissionswärmeverlust-Koeffizient vom beheizten Raum (i) an die äußere Umgebung (e)

durch den unbeheizten Raum (u) in W durch Kelvin (W/K)

der stationäre Transmissionswärmeverlust-Koeffizient des Erdreichs vom beheizten Raum (i) an das

Erdreich (g) in W durch Kelvin (W/K)

Heizlast

der Transmissionswärmeverlust-Koeffizient eines beheizten Raumes (i) an einen benachbarten

beheizten Raum (j), welcher durch Beheizung auf einem deutlich unterschiedlichen Temperaturniveau

gehalten wird; dies kann ein benachbarter beheizter raum innerhalb einer Gebäudeeinheit oder ein

ein beheizter Raum einer angrenzenden Gebäudeeinheit sein, in Watt durch Kelvin (W/K)

die Norm-Innentemperatur des beheizten Raumes (i) in Grad Celsius

die Norm-Außentemperaturin Grad Celsius


Direkte Wärmeverluste an die äußere Umgebung

Der Wärmeverlust-Koeffizient HT,ie

Gl. 3 EN 12831_2003 D

H

T

, ie

= ∑ A ∗U

∗e

+ ∑

k k k k

ψ

l

l


e

l

Bauteilfläche

Witterungsbedingter

Korrekturfaktor

Deutschland ek,l =1

(bereits im U-Wert

berücksichtigt

Wärmedurchgangskoeffizient

Wärmebrücken-

Längenbezogener

Wärmedurchgangskoeffizient

Heizlast


Norm-Lüftungsverluste für einen beheizten Raum

( )

φ = H ∗ θ −θ

V , i V , i int, i e

Norm-Lüftungswärmeverlust-Koeffizient Innentemperatur Außentemperatur

Der Volumenstrom, der in den Raum (durch freie oder

Mechanische Lüftung) eindringt, muss von der niedrigen

Aussentemperatur auf die Zulufttemperatur erwärmt werden.

Die dafür notwendige Wärmeleistung ist HV,i mit der Temperaturdifferenz

multipliziert (Dichte Luft 1,2 kg/m3 , spez. Wärmekapazität cp 1 kJ/(kgK)

Heizlast

H

V , i

= V ∗ ρ ∗c

Oder mit den Stoffwerten von Luft mit V in m3/h:

H

V , i

i

i

p

= 0, 34∗V&


Thema: Luftdichtigkeit

Grundlagen

Freie Lüftung durch Winddruck

Freie Lüftung durch Schachtwirkung

Luftdichtigkeit und Prüfverfahren „Blower-Door-Test


Heizlast


Heizlast

Winddruck am Gebäude: es entsteht durch Sog zwischen

Luv und Lee am Gebäude eine Luftströmung


Mittlere Windgeschwindigkeit in m/s in Abhängigkeit von der

Windrichtung / Auszug aus DIN 4710 : 2003 – 01

Stadt

Monat

N

O

S

W

Bremerhaven

Jan

4,4

4,0

4,4

8,3

Jul

4,6

3,4

3,6

6,1

Hamburg

Jan

3,0

4,3

4,1

5,4

Jul

2,3

3,1

3,0

3,9

Essen

Jan

3,2

3,5

3,7

6,6

Jul

2,5

3,0

2,3

3,7

Passau

Jan

0,7

1,8

0,8

2,6

Jul

1,0

1,6

1,2

2,1

Heizlast

Hof

Jan

Jul

3,0

2,8

4,2

2,2

3,8

2,5

5,2

3,4


-10º C

+20º C

Heizlast

Durch thermischen Auftrieb entsteht eine zusätzliche

Strömung und ein zusätzlicher Luftaustausch

im Gebäude


Heizlast


Heizlast


Heizlast


Heizlast


Heizlast


Heizlast


Heizlast


Heizlast

Zur Messung der Luftdichtheit einer Wohnung oder eines Gebäudes wird das

Messgerät in die Öffnung einer Tür oder eines Fensters dicht eingebaut.

Durch den integrierten, drehzahlgeregelten Ventilator wird im Gebäude eine

Druckdifferenz (50 Pa) erzeugt


Nach Ablauf der automatischen Messung

werden im Display alle relevanten Messwerte

angezeigt:

- Luftwechselrate bei 50 Pascal n50

- Leckagevolumenstrom V50

- Innen- und Außentemperatur

- natürliche Druckdifferenz p0

- atmosphärischer Luftdruck pbar

- gemessene Druckdifferenz pm

Heizlast

Die von der DIN geforderten Korrekturen (z. B.

Luftdichte) sind bereits von der Software

durchgeführt.


Lüftungswärmeverluste

Freie Lüftung

der spezifische Lüftungswärmeverlust H V bei freier Lüftung

H

V

=

ρL cpL =

nV

ρL

c

pL

0.34Wh

/( m³

K)

V = 0.8*Ve

Netto Volumen näherungsweise über Außenmaße

Bei Ein- und Zweifamilienhäusern mit bis 2 Vollgeschossen und

V = 0.76*Ve

nicht mehr als 3 Wohneinheiten (AnhangD)

Heizlast


Luftdichtigkeit von Gebäuden ist nach EnEV wie folgt zu berücksichtigen:

Ohne Nachweis: n = 0,7 h-1

Mit Nachweis: n = 0,6 h-1 ( freie Lüftung) (n50 < 3 h-1)

n = 0,45..0,6 h-1 bei Abluftanlagen n. Luftwechsel

oder nach Ermittlung Anteil Wärmerückgewinnung

(siehe Formel EnEV)

Nachweis: n50 Test (Blower Door Test)

Heizlast


Maschinelle Lüftung V

V

=

V

f

+ V

x

Volumenstrom durch RLT und zusätzlich durch Wind und Auftrieb

V

x

=

1+

Vn50e

fwind

V

(

ewind

V

wind

s

−V

− n

E

50


Windschutzkoeffizient, siehe Tab. 4

siehe auch fwind

Heizlast

Anmerkung: Aus dem ausführlichen Berechnungsverfahren

zur EnEV zur Ermittlung der Lüftungs-Wärmeverluste


Tabelle 4 – Windschutzkoeffizienten für unterschiedliche Lagen

eines Gebäudes

Lage

mehr als eine dem Wind

ausgesetzte Fassade

Windschutzkoeffizient

e wind

eine dem Wind ausgesetzte

Fassade

freie Lage

0.10

0.03

halbfreie Lage

0.07

0.02

Heizlast

geschützte Lage

Koeffizient

Koeffizient f wind

0.04

15

als eine

ausgesetzte

0.01

20

Wind

Fassade

mehr dem Wind eine dem ausgesetzte

Fassade


Tabelle 5 – Richtwerte für die Luftdichtheit von Gebäuden

bei einer Druckprüfung mit 50 Pa Druckdifferenz

Luftdichheit des Gebäudes

Mehrfamilienwohnhaus

n 50

h -1

Einfamilienwohnhaus

n 50

h -1

sehr dicht

0.5 bis 2.0

1.0 bis 3.0

mittel dicht

2.0 bis 4.0

3.0 bis 8.0

wenig dicht

4.0 bis 10.0

8.0 bis 20.0

Heizlast


ei zeitweisem Betrieb der Lüftungsanlage

V

( V ) ( )(1

β

f + Vx

β + VO

+ Vn e − )

50

= wind

bei maschinellen Lüftungssystemen mit Wärmetauschern

Zeitanteil Ventilator

V = ) +

( 1−η

V

Vf V x

Mit Luftwechselrate n

n V / V

n = ( 1−ηV)

+

= . x

nAnl n

Heizlast

Wärmerückgewinn Q WR ( durch die Lüftungs- Wärmerückgewinnungsanlage)

Q = ∑

WR nAnlηVV

( ρcp)

L(

θi

−θe

, M)

t

M

Luftwechel; Nutzungsfaktor Wärmetauscher; Heizgrenztemp. bzw. Außentemp.

M

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