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
)²
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