Sammlung Planungsgrundlagen Heizungstechnik

Physikalische Größen, SI-Einheiten und Umrechnungen

Energieeinheiten

1 kWh = 859,845 kcal

          = 0,1 l Heizöl EL = 0,090334 m³ Erdgas (H_o)

          = 0,122833 kg SKE = 0,122833 kg RÖE  = 3412,08 BTU

BTU = British thermal unit, 1 BTU = 252 cal = 1.055 J,

1 MMBtu = 1.000.000 BTU = 1055 MJ = 293,06 kWh, 1.000 BTU/h = 293 W

Maßeinheiten und Definitionen für Energie (Joule) und Leistung (Watt)

Nach dem Internationalen Einheitensystem (Sl) ist "Joule" (J) die Einheit für Energie, Arbeit und Wärmemenge,

"Watt" (W) die Einheit für Leistung, Energiestrom und Wärmestrom.

Energie (Arbeit, Wärmemenge)

1 Joule (J) ist definiert als Arbeit (oder Energie), die verrichtet wird, wenn der Angriffspunkt der Kraft 1 Newton (N) in der Richtung der Kraft um den Weg 1 m verschoben wird.

1 Newton ist dabei diejenige Kraft, die einem Körper der Masse 1 kg die Beschleunigung 1 m je Quadratsekunde erteilt (1 N = 1 kg m/s²).

G (Gewicht kp) = m (Masse kg) x g (Erdbeschleunigung 9,81 m/s²)

-> 1 kp = 1 kg x 9,81 m/s² = 9,81 kgm/s² = 1 N

Ein Joule ist gleich der Energie, die benötigt wird, um:

über die Strecke von einem Meter die Kraft (Nm) von einem Newton aufzuwenden oder

für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt aufzubringen (Ws).

-> 1 J = 1 N x 1 m = 1 N m = 1 kg m²/s² = 1 Ws

Leistung (Energiestrom, Wärmestrom)

1 Watt (W) ist definiert als Leistung, bei der während der Zeit von 1 Sekunde die Energie von 1 Joule umgesetzt wird.

Damit ist das Watt identisch mit 1 Joule pro Sekunde (1 Joule = 1 Wattsekunde).

Demzufolge stellt 1 Joule diejenige Arbeit dar, die bei einer Leistung von 1 Watt während einer Sekunde produziert und/ oder verbraucht wird (1 J = 1 Ws).

-> 1 W = 1 J/s = 1 N m/s = 1 kg m²/s³

Thermische Leistung

ist die freigesetzte Wärmeenergie pro Zeiteinheit, eine charakteristische Kenngröße einer wärmeerzeugenden Energieumwandlungsanlage.

Sie wird in d. R. in Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW) angegeben.

-> Leistung (Wärmestrom) = Energie (Arbeit) pro Zeiteinheit (Stunde)

-> 1 kW = 1 kWh/h

Umrechnungstabellen für Energie und Leistungen

1 kJ/h = 0,2778 W, 1 W = 3,6 kJ/h, 1 kW = 1 kJ/s

Umrechnungstabelle für Drücke

Wichtige Konstanten

Wärmekapazität C

C = Q/Δt

z. B. für Wasser: 1 kcal/K = 4,187 kJ/kg K

Spezifische Wärme c

auf die Masse von 1 kg bezogene Wärmekapazität

c = C/m

z. B. für Wasser: c = 1 kcal/kg K = 4,2 kJ/kg K = 4.187 Ws/kg K

Masse m (kg) = ς (kg/m³) x V (m³)

für Wasser bei 20 °C:

spezifische Wärme c_pw = 1 kcal/kg K = 4,18 kJ/kg K

= 1,16 Wh/kg K = 0,00116 kWh/kg K

Dichte ς_W = 1.000 kg/m³:

für Luft bei 20 (?) °C:

c_pL = 0,24 kcal/kg K ≈ 1 kJ/kg K

Energiegehalt gasförmiger, flüssiger und fester Stoffe

Quelle: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik u. a.

Einsatzgebiete und Bedeutung von Normen und Regelwerksformen

DIN-Norm (DIN ...)

DIN = Deutsches Institut für Normung, in der Schweiz SNV (Schweizerische Normen-Vereinigung), in Österreich ON (Österreichisches Normungsinstitut )

Hat ausschließlich oder überwiegend nationale Bedeutung oder wird als Vorstufe zu einem übernationalen Dokument veröffentlicht.

Entwürfe zu DIN-Normen werden zusätzlich mit E gekennzeichnet, Vornormen mit V.

DIN-Normen als technische Regeln sind allerdings an sich nicht verbindlich, sondern stellen Empfehlungen dar.

Eine Anwendungspflicht kann sich aber aus Gesetzen und Verordnungen ergeben oder auf Grund vertraglicher Vereinbarungen bestehen.

Europäische Norm (EN ...)

Sie dienen als Vorlage für die nationale Umsetzung und sind für den Anwender als Produkt nicht erhältlich.

Sie gelten jeweils nur in ihrer nationalen Umsetzung (z. B. in Deutschland als DIN EN, in Großbritannien als BS EN oder in Frankreich als NF EN).

Internationale Norm (ISO ...)

Sie werden von der International Organization for Standardization herausgegeben.

Deutsche Ausgabe einer Europäische Norm (DIN EN ...)

Sie muss unverändert von allen Mitgliedern der gemeinsamen europäischen Normungsorganisation CEN/CENELEC übernommen werden.

Entgegenstehende nationale Normen müssen zurückgezogen werden.

Bei Übernahme dürfen ein nationale Vorwort und ggf. ein nationaler Anhang hinzugefügt werden.

Nationale, internationale und weltweite Norm (DIN EN ISO ...)

Diese Regelwerksform spiegelt alle drei Wirkungsebenen wider, die eine Norm haben kann.

(Werdegang: in Abstimmung mit der internationalen Normungsorganisation  z. B. ISO wird eine europäische Norm erarbeitet, die dann als DIN-Norm übernommen wird)

DIN ISO-Norm (DIN ISO ...)

Unveränderte Übernahme einer Norm der ISO.

Quelle: IKZ-HAUSTECHNIK 6/2009; www.din.de

Heizlast

Unter Heizlast versteht man in der Bautechnik die zum Aufrechterhalt einer bestimmten Raumtemperatur notwendige Wärmezufuhr, sie wird in W oder kW angegeben.

Die Heizlast richtet sich hierbei nach der Lage des Gebäudes, der Bauweise der wärmeübertragenden Gebäudeumfassungsflächen und dem Bestimmungszweck der einzelnen Räume.

Nach ihr richtet sich die Notwendigkeit von Wärmeschutzmaßnahmen und die Auslegung der Heizungsanlage.

Die Ermittlung der Heizlast ist in Deutschland in der DIN EN 12831 standardisiert.

Sofern jedoch Räume mit einer Zuluft-Anlage vorhanden sind, wird das Aufheizen der Zuluftmenge, von Norm-Außentemperatur auf die Einblastemperatur im Raum, der Gebäudeheizlast zugeschlagen.
Auf diesem Wege kann die Gebäudeheizlast deutlich ansteigen und ggf. auch die Summe der Raumlasten übersteigen.

Welche Heizlast wird für die Auslegung der Heizkörper verwendet?

Üblicherweise wird zur Auslegung der Heizkörper die „Heizlast bei eingeschränkter Beheizung“ verwendet.

Heizlastberechnungen

1. Heizlast nach EN 12831

Die EN 12831 legt ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Wärmezufuhr, die unter Norm-Auslegungsbedingungen benötigt wird, fest, um sicherzustellen, dass die erforderliche Norm-Innentemperatur erreicht wird.

Diese Richtlinien, die sich vor allem an die Planer, Ersteller und Betreiber von Wärmeversorgungsanlagen richten, stellen das Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast europaweit auf eine einheitliche Basis.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Heizlast

Beschreibung des Verfahrens

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Heizlast

Gradtagszahl (GTZ) und Heizgradtage (HGT)

Die GTZ eignet sich nur zur groben Abschätzung (neben der Lufttemperatur wirken noch Wind, Luftfeuchtigkeit und Sonnenstrahlung auf die Heizenergie).

Heizgrenze

die an einem Tag gemessene mittlere Außentemperatur, unterhalb der die Heizungsanlage angeschaltet werden muss, um die Innentemperatur auf einem gewünschten Wert zu halten.

Die Ermittlung der GTZ nach VDI-Richtlinie 2067 erfolgt unter folgenden Annahmen:

Heizgrenze bei 15 °C und Innentemperatur bei 20 °C.

Bei gut gedämmten Neubauten kann die Heizgrenze deutlich niedriger angenommen werden (z. B. 12 °C).

Heizgradtage G₁₅

Ähnlich wie die GTZ werden die Heizgradtage (HGT) nach VDI 3807 ermittelt.

Statt der Innentemperatur wird die Heizgrenze eingesetzt. Interne Gewinne (Sonneneinstrahlung, Personen etc.) werden berücksichtigt.

G₁₅ = Σ₁^z  (t_hg - t_am)

G₁₅ = Heizgradtage für einen Monat

z =  Anzahl der Heiztage eines Monats

t_hg =  Heizgrenze, z. B. 15 °C

t_am = mittlere Außentemperatur eines Heiztages

Die Werte für die GTZ und HGT können ineinander überführt werden,

z. B. GTZ_15/15 = HGT₁₅

Anwendung der Gradtagszahl

GTZ werden immer dann in der Heizkostenabrechnung verwendet, wenn keine Messwerte vorliegen oder der abzurechnende Zeitraum vom gemessenen abweicht.

Es kommen allerdings nicht die absoluten Werte zur Anwendung, sondern Tausendstel (Promille) bezogen auf ein Jahr.

(d. h. die Tabellenwerte sind durch 1000 zu dividieren.

Beispiel:

Heizkosten z. B. 800 €/Kalenderjahr, wieviel entfallen z. B. auf die Monate Januar und Februar zusammen?

-> 800 € x (170 + 150) / 1000 = 800 € x 0,32 = 226 €

-> 226 € von 800 € entfallen auf Januar und Februar

Bei einem Schaltjahr ist der Tageswert im Februar nicht mehr 150 / 28 = 5,357, sondern entsprechend 150 / 29 = 5,172 (spielt nur eine Rolle, wenn der zu berechnende Zeitraum im Februar anfängt oder endet, da sich nichts am Monatswert ändert.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Gradtagszahl

Regelung & Hydraulik

Verbesserung der Energieeffizienz bei Regelung von Temperatur und Volumenstrom

1. Konventionelle Beimischhydraulik mit Mischer regelt nur Temperatur

In Heizungsanlagen liegt der Stromverbrauch für die Umwälzpumpen ca. zwischen 3 bis 7 % des gesamten Primärenergieverbrauchs.

(bei großen Kälteanlagen können die Kosten für den Pumpenstrom u. U. schon fast die Kosten für die Kälteerzeugung erreichen)

Mit der Optimierung der Anlagenhydraulik lässt sich nicht nur bei großen Anlagen die Energieeffizienz deutlich steigern und damit die Betriebskosten senken.

Zusammenhang zwischen aufgenommener elektrischer Leistung P und Pumpendrehzahl n:

P₂ = P₁ (n₂ / n₁)³

Als Faustformel gilt, dass die Halbierung der Drehzahl die benötigte Antriebsleistung auf ca. 1/8 vermindert.

Konventionelle Beimischhydraulik mit Mischer

Die Anwendung eines Mischers ist z. B. immer sinnvoll bei Anlagen mit größeren Wassermengen (also ab ca. 30 kW Kesselleistung -> größerer Wärmeinhalt) im Heizkreis.

Im Teillastbetrieb wird einfach die im Heizkreis enthaltene Wärme möglicht lange genutzt, ohne den Brenner sofort wieder einzuschalten.

Bei Anlagen mit Pufferspeicher wird die jeweilig benötigte Temperaturdifferenz grundsätzlich über einen Mischer hergestellt.

Quelle: HEIZUNGSJOURNAL 11/2009

2. Hydraulische Heizkreisregelung zur Regelung von Temperatur und Massenstrom

Hydraulische Heizkreisregelung

Die Leistungsanpassung erfolgt bei einer hydraulischen Heizkreisregelung (z. B. KSB BOA-Systronik)  durch Veränderung von Volumenstrom und Temperatur (= mengenvariables hydraulisches System).

Im Heizkreis wird das Zusammenspiel von Anlagenhydraulik (Regelventile) und Umwälzpumpe so geregelt, dass beim jeweiligen Wärmebedarf im Teillastbetrieb die Förderleistung dem Volumenstrom angepasst wird.

Das System besteht aus folgenden Komponenten:

1. Messventil

ermittelt bei Inbetriebnahme der Anlage den Ist-Volumenstrom -> Fördermenge und -höhe der Pumpe werden auf den Auslegungspunkt des Heizkreises gefahren.

2. Hauptventil

regelt im Heizkreis die VL-Temperatur

3. Hocheffizienz-Umwälzpumpe

steuert drehzahlgeregelt in Verbindung mit dem Hauptventil den Volumenstrom

4. Regelventil

in der Beimischleitung zwischen VL und RL reduziert es den Volumenstrom im Heizkreis weiter, sofern die Pumpenleistung ihr Minimum erreicht hat.

Quelle: HEIZUNGSJOURNAL 11/2009; KSB AG, D-67227 Frankenthal

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