Strahlungsheizung: erdgasbetriebene Hallenheizsysteme

Heizsysteme nutzen zur Wärmeübertragung im zu beheizenden Raum zwei Wärmetransportmechanismen – Konvektion und Strahlung. Mit Konvektion bzw. konvektiver Wärmeübertragung ist die stoffgebundene Wärmeübertragung mittels eines Übertragungsmediums gemeint – bei Heizsystemendurch Erwärmung der Raumluft und entweder thermisch angetriebene oder erzwungene Luftbewegung (z. B. mit Gebläsen).


Strahlungswärmeaustausch/-übertragung beschreibt die unmittelbare Übertragung von Wärme durch Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen, welche zueinander unterschiedliche Temperaturen aufweisen und in gegenseitige Sichtbarkeit stehen.


Strahlungsheizsysteme nutzen als Wärmeübertragungsmechanismus vorwiegend Infrarotstrahlung. Vom Heizsystem angestrahlte Oberflächen werden hierbei unmittelbar erwärmt. Eine Erwärmung der Raumluft findet nur indirekt und teils zeitlich verzögert an den Oberflächen des Strahlers und an den angestrahlten und damit ihrerseits erwärmten Oberflächen statt.


Strahlungsheizungen für Hallen werden hinsichtlich der Wärmeerzeugung in zwei Gruppen unterteilt; das sind

  • zum einen Systeme, welche die Wärme mittels eines integrierten Brenners oder einer zum Raum hin offenen Brennerfläche selbst erzeugen (dezentrale Wärmeerzeugung) und
  • zum anderen Systeme, die an ein wasser- oder dampfführendes Wärmeverteilnetz angeschlossen werden und ihre Wärme von einem externen Wärmeerzeuger – z. B. dem Heizkessel der Zentralheizung – beziehen (zentrale Wärmeerzeugung, Zentralheizung).

Als eine Sonderform der Strahlungsheizungen mit dezentraleWärmeerzeugung können elektrische Flächenheizungesowie Elektrostrahler betrachtet werden – die Erwärmung erfolgt hier nicht durch Verbrennung eineBrennstoffs, sondern durch Stromfluss in einem elektrischeWiderstand. Solche Heizelemente spielen bei der Beheizung von Hallengebäuden in der Regel keine Rolle und werden hier nicht näher betrachtet.

Dezentrale Wärmeerzeugung

Hellstrahler

Hellstrahler kombinieren als dezentrale Hallenheizsysteme Wärmeerzeugung und -übergabe desselben Gerätes.


Aufbau und Funktion
Das mit der notwendigen Verbrennungsluft vorgemischte Brenngas wird an einer hochtemperaturbeständigen porösen Brennfläche nahezu flammenlos verbrannt. Hierbei erwärmt sich die Brennerfläche auf Temperaturen in der Größenordnung 750 … 950 °C und glüht sichtbar – daher der Name "Hellstrahler". Die nutzbare Wärme wird im Wesentlichen als Wärmestrahlung abgegeben; eine Erwärmung der Raumluft findet nur indirekt an den angestrahlten Oberflächen statt und z.T. am Strahler selbst – hier vorwiegend durch Verbrennungsabgase, welche in der Regel über die Raumluft abgeführt werden. Hellstrahler verwenden atmosphärische Brenner – die notwendige Verbrennungsluft wird ohne Gebläse durch Induktion in den Gasstrom gesaugt. Hilfsenergie wird nur für Zündung, Steuerung/Regelung und Feuerungsautomaten benötigt.

 

Hinsichtlich der Effizienz von Hellstrahlern ist besonders der Strahlungsfaktor Rf nach DIN EN 419-2 von Bedeutung – er gibt an, welcher Anteil der Energie des Brenngases in nutzbare Strahlung umgesetzt wird. In Deutschland marktübliche Standard-Geräte erreichen in der Regeö Werte merklich über 55 %, energetisch optimierte Geräte heutzutage deutlich über 70 %. Hellstrahler sind typischerweise in einem Leistungsbereich von 5 bis 40 kW erhältlich.

Abgasführung bei Hellstrahlern

Bei der Mehrzahl der Hellstrahler werden die Verbrennungsabgase nach Austritt aus der Brennerplatte an die Raumlauft abgegeben und müssen mit dieser abgeführt werden – man spricht hierbei von indirekter Abgasführung. Mitunter kommen auch Hellstrahler mit Abgasanlagen  zum Einsatz – diese Ausführung stellt jedoch einen Ausnahmefall dar. Hinsichtlich der Abgasführung sind u. a. die Vorgaben des DVGW-Arbeitsblattes G 638-1 sowie des Geräteherstellers zu berücksichtigen.


Bei indirekter Abgasführung gemäß DVGW G 638-1 ist ein spezifischer Abluftvolumenstrom von 10 m3/hkW mit Bezug auf die in Betrieb befindliche Nennwärmebelastung des Hellstrahlers durch entsprechende Lüftungsöffnungen in Verbindung mit entweder thermischem Auftrieb oder mechanischem Antrieb sicherzustellen. Bei sehr hohen natürlichen Luftwechseln (z. B. Überdachung mit höchstens drei Umschließungswänden) oder sehr geringen spezifischen Leistungen (z. B. Beheizung vereinzelter Arbeitsplätze in sehr großen Räumen) darf u. U. auf solche Maßnahmen zur Abgasabfuhr verzichtet werden.


Verbrennungsluftzufuhr

Die Verbrennungsluftversorgung erfolgt bei Hellstrahlern aus dem Aufstellraum. Wie bei allen raumluftabhängig betriebenen Heizgeräten ist eine entsprechende Verbrennungsluftversorgung des Raums sicherzustellen – diese ist bei ordnungsgemäßer Ausführung von Be- und Entlüftungsöffnungen nach DVGW-Arbeitsblatt G 638-1in der Regel gewährleistet.

Dunkelstrahler

Dunkelstrahler zählen ebenfalls zu den dezentralen Hallenheizsystemen – auch sie vereinen Wärmeerzeugung und -übergabe in einem Gerät.


Aufbau und Funktion

Die Wärmeerzeugung erfolgt durch einen in das Gerät integrierten Gas- oder Ölbrenner. Das verbrennende Brennstoff-Luft-Gemisch wird per Gebläse – entweder als Gebläsebrenner oder saugender Abgasventilator – in einer langen, weichen Flamme durch ein Rohr geführt. Dieses sogenannte Strahlrohr wird hierbei durch die Flamme und den Abgasstrom je nach Bauart auf Temperaturen zwischen 300 und 650 °C erwärmt und gibt Infrarotstrahlung in den Raum ab; eine Erwärmung der Raumluft findet nur indirekt an den angestrahlten Oberflächen und an heißen Flächen des Dunkelstrahlers selbst statt.



Hinsichtlich der Effizienz von Dunkelstrahlern ist besonders der Strahlungsfaktor Rf nach DIN EN 416-2 von Bedeutung – er gibt an, welcher Anteil der Energie des Brennstoffs in nutzbare Strahlung umgesetzt wird. In Deutschland marktübliche Standard-Geräte erreichen in der Regel  Werte über 55 %, energetisch optimierte Geräte heutzutage über 70 %.

Bei Dunkelstrahlern werden verschiedene Bauformen unterschieden, u. a nach Form der Strahlrohre und Anzahl der Brenner. Weitere Informationen dazu finden Sie in unserem Handbuch "Erdgasbetriebene Strahlungsheizungen".

 

Abgasführung und -abwärmenutzung bei Dunkelstrahlern

Die Verbrennungsabgase von Dunkelstrahlern werden in aller Regel über Abgasanlagen nach außen abgeführt. Hierzu können sowohl Einzelanlagen je Strahler als auch Sammelanlagen für mehrere Strahler zum Einsatz kommen.


Die Abgase weisen, abhängig von der Bauform des Strahlers, nach dem Passieren der Strahlrohre in der Regel noch sehr hohe Temperaturen deutlich über dem Kondensationsbereich auf, sodass sich eine sekundäre Nutzung der Abgaswärme lohnen kann – hierzu werden unterschiedliche Systeme angeboten.

  • Abgas-Luft-Wärmeübertrager zur unmittelbaren Abwärmenutzung: Dem Dunkelstrahler ist eine kleine Luftheizung nachgeschaltet, welche ihre Wärme aus der Abgaswärme des Dunkelstrahlers bezieht. Die Abwärmenutzung ist zeitlich und räumlich an den Strahlerbetrieb gekoppelt – hierdurch ist sichergestellt, dass die Abwärme tatsächlich immer genutzt werden kann und nicht zu einer Zeit anfällt, in welcher kein Wärmebedarf vorliegt.
  • Abgas-Wasser-Wärmeübertrager zur entkoppelten Abwärmenutzung: Mit dem Abgasstrom wird Heizungswasser eines Zentralheizungsnetzes erwärmt und üblicherweise in einen Pufferspeicher gespeist. Die Abwärmenutzung ist damit zeitlich und räumlich in gewissem Maß vom Strahlerbetrieb entkoppelt und kann so beispielsweise zur Beheizung von Nebenräumen der Halle (Büro, Sanitärräume usw.) und/oder zur Unterstützung der Trinkwassererwärmung genutzt werden. 


Verbrennungsluftzufuhr

Die Verbrennungsluftversorgung kann entweder aus dem Aufstellraum der Strahler (raumluftabhängig) oder von außen (raumluftunabhängig) erfolgen. Dunkelstrahler werden in der Regel raumluftabhängig betrieben – wie bei allen raumluftabhängig betriebenen Heizgeräten ist eine entsprechende Verbrennungsluftversorgung des Raums sicherzustellen.  Die Variante der raumluftunabhängigen Verbrennungsluftversorgung von außen wird bei Dunkelstrahlern meist nur dann gewählt, wenn die Raumluft im Bereich der Strahler nicht für eine Verbrennung im Strahler geeignet ist (z. B. Belastung mit aggressiven Stoffen, Verschmutzungen usw.). Hinweise zur Planung und Montage finden Sie in unserem Handbuch "Erdgasbetriebene Strahlungsheizungen".

Zentrale Wärmeerzeugung

Deckenstrahlplatten

Deckenstrahlplatten sind reine (Wärme-)Übergabesysteme und beziehen die notwendige Wärme von einem externen Wärmeerzeuger – z. B. dem Heizkessel der Zentralheizung – über ein Wärmeverteilnetz.

Aufbau und Funktion von Deckenstrahlplatten
Deckenstrahlplatten bestehen aus Wärmeleit-/Strahlblechen, welche mit warm-, heißwasser- oder dampfführenden Rohren wärmeleitend verbunden sind. Durch das Heizmedium werden sowohl die Rohre als auch die Bleche erwärmt und geben Infrarotstrahlung in den Raum ab. Oberseitig sind Deckenstrahlplatten in der Regel wärmegedämmt, um die nicht nutzbare Wärmeabgabe nach oben zu minimieren. Die nutzbare Wärme wird im Wesentlichen als Infrarotstrahlung abgegeben; eine Erwärmung der Raumluft findet indirekt durch Konvektion an den angestrahlten Oberflächen und z.T. an der Platte selbst statt.



Die heizmediumführenden Rohre sind an den Enden der Platte durch Verteiler/Sammler verbunden. Durch Anpassung der Verteiler/Sammler können Deckenstrahlplatten hydraulisch unterschiedlich verschaltet werden: Bei Parallelschaltung werden alle Rohre in derselben Richtung durchflossen und die Strahlungsleistung nimmt entlang der Plattenlänge ab; werden die Rohre hingegen in Reihe geschaltet, sodass Heizmedium in einem Rohr vor, im nächsten zurück fließt usw., ergibt sich eine relativ gleichmäßige Strahlungsverteilung entlang der Plattenlängsachse.


Die Energieeffizienz von Deckenstrahlplatten ist im Wesentlichen durch denjenigen Anteil ihrer Wärmeleistung beschrieben, der als nutzbare Infrarotstrahlung nach unten abgegeben wird.


Hinweise zur Planung und Montage finden Sie in unserem Handbuch "Erdgasbetriebene Strahlungsheizungen".

 

Fußbodenheizung

Fußbodenheizungen sind reine (Wärme-)Übergabesysteme und beziehen die notwendige Wärme von einem externen Wärmeerzeuger – z. B. dem Heizkessel der Zentralheizung – über ein Wärmeverteilnetz.


Darüber hinaus gibt es ebenfalls elektrisch betriebene Fußbodenheizungen – diese sind im Hallenbereich allerdings bisher nicht von wesentlicher Bedeutung und werden nachfolgend nicht im Detail betrachtet.

Aufbau und Funktion
Bei Industriefußbodenheizungen werden wasserführende Heizrohre aus geeignetem Material in der Bodenplatte verlegt. Aus statischen und konstruktiven Gründen wird in der Regel eine große Überdeckung der Rohre gewählt – d. h. die Rohre befinden sich im Bodenplattenaufbau verhältnismäßig weit unten. In beheizten Sporthallenböden werden die Rohre hingegen üblicherweise in einem Hohlraum unter dem elastischen Bodenaufbau verlegt.


Die nutzbare Wärmeabgabe erfolgt bei einer Fußbodenheizung durch Infrarotstrahlung und durch Konvektion im bodennahen Bereich. Die Beheizung per Fußbodenheizung wird in aller Regel als sehr behaglich empfunden.


Von energetischer Relevanz sind bei Einsatz einer Fußbodenheizung vor allem die Wärmedämmung der Bodenplatte unterhalb der Heizrohre sowie – bei ungedämmten Bereichen – die Beschaffenheit des Erdreichs und ggf. der Einfluss von Grundwasser. Bei großen Bodenplatten sind nach derzeitigem Kenntnisstand aus energetischer Sicht vor allem die Randbereiche der Bodenplatte unter Außenwänden mit Wärmedämmung zu versehen, da sich hier Wärmeverluste über das Erdreich an Außenluft ergeben. Für mittlere Bodenbereiche wird üblicherweise von sehr viel geringeren Wärmeverlusten ausgegangen; daher werden diese zumindest im Industriebereich häufig nicht wärmegedämmt. Darüber hinaus kann sich bei bestimmten Nutzungen eine Bodendämmung auch aus Gründen der Tragfähigkeit des Bodens verbieten. Beheizte Sporthallenböden sind in aller Regel vollflächig wärmegedämmt.


Mit Fußbodenheizungen lassen sich – auch im Vergleich zu anderen Strahlungsheizsystemen und Luftheizungen mit sehr leistungsfähiger Warmluftrezirkulation – extrem geringe Temperaturanstiege über der Höhe einhalten.


Hinweise zur Planung und Montage finden Sie in unserem Handbuch "Erdgasbetriebene Strahlungsheizungen".

Thermische Bauteilaktivierung

Mit dem Begriff der "thermischen Bauteilaktivierung" wird üblicherweise die Speicherung von Wärme/Kälte in der Bauwerksmasse und deren zeitverzögerte Abgabe mit sehr geringer Über /Untertemperatur gemeint. Hierfür werden üblicherweise wasserführende Heiz-/Kühlrohre in Bauwerkselementen mit hohem thermischem Speichervermögen verlegt, z. B. in der Bodenplatte und in Geschossdecken.


Die thermische Bauteilaktivierung arbeitet im Vergleich zu konventionellen Zentralheizungen bzw. zentral versorgten Wärmeübergabesystemen (Heizkörper usw.) mit deutlich geringeren Medientemperaturen. Diese können je nach Wärmequelle im Heizfall beispielsweise merklich unter üblichen Heizmedientemperaturen für Fußbodenheizungen liegen. Oft dient die thermische Bauteilaktivierung der Grundtemperierung in Verbindung mit weiteren Heiz- und ggf. Kühlsystemen.


Zwischen Industriefußbodenheizungen und thermischer Bauteilaktivierung bestehen Überschneidungen – besonders hinsichtlich der an das Wärme-/Kälteübergabesystem angekoppelten thermischen Speichermasse und der resultierenden thermischen Trägheit. Hieraus ergeben sich z. T. ähnliche Indizien für deren Anwendung.


Doppelnutzung zur Beheizung und Kühlung

Hallenheizsysteme mit zentraler Wärmeerzeugung können oft auch zur Raumkühlung eingesetzt werden, indem sie bei Kühlbedarf nicht mehr durch das Wärmeverteil-, sondern durch ein Kaltwassernetz gespeist werden. Dasselbe Gerät kann also je nach Bedarf als Wärme- oder Kälteübergabesystem betrieben werden.


Die hier betrachteten Systeme Deckenstrahlplatte und Fußbodenheizung unterliegen im Kühlfall gewissen Leistungsbeschränkungen – durch Begrenzungen der kleinstmöglichen Oberflächentemperaturen zur Taupunktvermeidung und aus Gründen der Behaglichkeit weisen sie u. U. kleinere spezifische Kühlleistungen auf als beispielsweise konventionelle Klimaanlagen/Luftkühlsysteme. Jedoch können sie oft auch bei hohen Kühllasten sinnvoll zur anteiligen Kühlung eingesetzt werden – oft wird hier von "Ankühlung" gesprochen. Durch die Nutzung zentral versorgter Strahlungsheizsysteme zur Raumkühlung, können beispielsweise Klimaanlagen entlastet werden, sodass sich die Zuluftparameter/ volumenströme solcher Anlagen deutlich weniger oder gar nicht nach dem Kühlbedarf richten müssen, sondern vorwiegend dem Lüftungsbedarf folgen können. Wird hierbei eine merkliche Verringerung der Luftvolumenströme erreicht, kann Hilfsenergieaufwand eingespart werden. Darüber hinaus wird eine nahezu zugluftfreie Strahlungskühlung ermöglicht.


Deckenstrahlplatten
sind für eine aktive Raumkühlung gut geeignet. Eine (Strahlungs-)Kühlung von der Decke aus wird üblicherweise als angenehm empfunden – so lässt beispielsweise die DIN EN ISO 7730 für den Betrachtungsfall „kalte Decke“ deutlich höhere Strahlungstemperaturasymmetrie zu als bei einer Beheizung von der Decke aus. Die Deckenkühlung wirkt entschichtend auf das Höhentemperaturprofil – d. h. es wird im Höhenverlauf eine nahezu konstante Temperatur erreicht. Das limitierende Kriterium bezüglich der maximal möglichen Kühlleistung von Deckenstrahlplatten ist in vielen Fällen die geringste zulässige Oberflächentemperatur oberhalb des Taupunktes – eine Taupunktunterschreitung  muss ausgeschlossen werden. In bestimmten Raumkonstellationen kann eine zu starke Deckenkühlung allerdings zu unangenehmen kalten Fallströmungen führen; insbesondere bei sitzender Tätigkeit und/oder geringer körperlicher Aktivität ist dann ggf. eine Leistungsreduzierung für den Kühlfall sinnvoll.


Fußbodenheizungen
sind ebenfalls zur Doppelnutzung als Wärme-/Kälteübergabe geeignet. Die mögliche Kühlleistung wird hier in vielen Fällen nicht allein durch die notwendige Vermeidung einer Taupunktunterschreitung, sondern oft auch oder vorwiegend durch Behaglichkeitsaspekte limitiert. Besonders bei überwiegend sitzender Tätigkeit sowie geringer körperlicher Aktivität kann ein kalter Fußboden die Behaglichkeit verringern – unbehaglich niedrige Fußbodentemperaturen sind daher zu vermeiden. Ebenfalls kann eine Fußbodenkühlung unter ungünstigen Bedingungen den Höhen-Lufttemperaturanstieg im Aufenthaltsbereich auf ein unbehagliches Maß vergrößern. Damit eignet sich die Fußbodenkühlung – analog zum Heizfall – besonders dann, wenn verhältnismäßig hohe Vorlauftemperaturen des Kaltwassers genutzt werden sollen, z. B. bei passiver Kühlung mit Erdsonden als Wärmesenke. Wie auch im Heizfall ist ggf. die zusätzliche thermische Trägheit – bei Verlegung in der Bodenplatte – zu berücksichtigen; diese kann jedoch auch bewusst für eine zeitverzögerte Kälteabgabe genutzt werden (z. B. nächtliche "Aufladung" mit passiver Kältequelle zur Minderung tagsüber auftretender Kühllastspitzen).