Strahlungsheizung: Hallenheizsysteme im Vergleich

Wegen der Vielfalt der Hallenbauten und deren Nutzung kommen im Vergleich zur Wohn- und Bürogebäudebeheizung wesentlich mehr unterschiedliche Heizsysteme zum Einsatz. Das zu wählende System bzw. die Kombination verschiedener  Systeme muss den Gegebenheiten entsprechend angepasst werden. So sind die Auswahl und ihre Anordnung wesentlich  von der Nutzungsart, der Betriebsweise, den räumlichen Verhältnissen und der Bauweise der Halle sowie der darin auftretenden Thermik und den inneren Wärmelasten abhängig.


Die wesentlichsten Probleme bei der Beheizung von Hallen sind der thermische Auftrieb und die damit verbundenen Temperaturverteilung, die Nutzungsdauer, die fehlende Wärmedämmung insbesondere bei älteren Hallen und störende Einrichtungen wie Krananlagen, Hochregale oder Maschinen. Direkte Verbindungen zur Außenluft durch ungenügend geschützte Hallentore  und Forderungen an den Luftzustand durch die Produktionsabläufe in der Halle bedürfen einer Anpassung des Systems an die entsprechenden Bedingungen. Nach dem Wirkprinzip der Wärmeübertragung wird unterschieden in

  • Wärmeübertragung durch Konvektion = Warmluftheizungen
  • Wärmeübertragung durch Strahlung = Strahlungsheizungen

 

Neben den Heizsystemen ergeben sich weitere Differenzierungen durch die einzelnen Heizgeräte. Wie die einzelnen Anforderungen von den Systemen erfüllt werden, zeigt beispielhaft nachfolgende Übersicht.

 

Gegenüberstellung von Heizsystemen

Die Bewertung der betrachteten Heizsysteme an Hand flächenspezifischer Kennzahlen erfolgte auf Basis der Vollkostenrechnung nach der Annuitätsmethode am Beispiel einer angenommenen Hallen-Typlösung, in der grundsätzlich alle betrachteten Systeme einsetzbar sind. Innen- und Außentemperatur, Wärmedurchgangszahlen für Boden, Decke und Wände sowie Benutzungsstunden der Heizung und erforderlicher Luftwechsel sind vorgegeben. Die Berechnung von Nennwärmebedarf und Nennwärmebelastung berücksichtigt das für den Einsatz vorgesehene Heizsystem. Die hauptsächlichen Einsatzmöglichkeiten der betrachteten Gasheizsysteme in Abhängigkeit von der Zweckbestimmung der Halle sind in der nachfolgenden Übersicht dargestellt.

 

Warmluftheizung

Für die Beheizung von Hallen werden wegen ihrer universellen Einsatzmöglichkeiten häufig Warmluftheizungen eingesetzt. Neben der Beheizung kann mit diesen Geräten gleichzeitig auch die Be- und Entlüftungsfunktion übernommen werden. Der Wärmeübergang erfolgt fast ausschließlich durch konvektiven Wärmeaustausch über die mit Hilfe des Heizgerätes bewegte Luft nach der Beziehung

Bei der Warmluftheizung wird unterschieden in direkt und indirekt beheizte Systeme. Während in direkt beheizten Anlagen die  Luft unmittelbar an den Heizflächen der Feuerstätte erwärmt wird, erzeugen indirekt beheizte Warmluftheizungen ihre Wärme in Heizkesseln und führen diese über Trägermedien (z. B. Dampf, Wasser) an die entsprechenden Ausblasstellen in der Halle. Hier wird die angesaugte Hallenluft mittels Wärmeübertrager erwärmt und der Halle wieder zugeführt.

Strahlungsheizung

Eine Gemeinsamkeit aller Strahlungsheizungen ist die Eigenschaft, dass die Wärmeübertragung größtenteils durch Wärmestrahlung und nicht durch Konvektion erfolgt. Wie beim natürlichen Wärmeprinzip der Sonne haben Wärmestrahlen die Eigenschaft, nur die Körper zu erwärmen, auf die sie treffen. Die Umwandlung der Strahlungs- in Wärmeenergie erfolgt direkt und unterscheidet sich damit deutlich vom Prinzip der Konvektion, das als Übertragungsmedium von der Wärmequelle zum Körper Luft benötigt.


Das Verhältnis von Konvektion zu Wärmestrahlung gibt Auskunft über die Qualität und die Effizienz eines Strahlungsheizsystems. Ziel ist es, den „konvektiven Verlust“ (aufsteigende Warmluft) so gering wie möglich zu halten. Da der Strahlungsanteil abhängig von der Temperatur der Wärmequelle ist, sind hohe Oberflächentemperaturen der Strahler ein Kennzeichen effizienter Strahlungsheizsysteme.


Die Gasstrahlungsheizungen, auch als Infrarotheizsysteme bekannt, übertragen den größten Anteil ihrer Energie in Form von Infrarotstrahlung. Die Strahlungsenergie wird dabei durch elektromagnetische Wellen übertragen, die auf einen Körper treffen,  dort absorbiert und reflektiert werden. Die Luft wird bei diesem Vorgang nur unwesentlich erwärmt, da die elektromagnetischen Wellen erst beim Auftreffen auf einen Körper in Wärme umgewandelt werden.


Im Strahlungsbereich befindliche Körper wie Boden, Wände, Maschinen und Menschen werden also unmittelbar nach Inbetriebnahme der Strahlungsheizung erwärmt. Nur ein Teil dieser Wärme wird an die umgebende Luft abgegeben, so dass sich  diese, allerdings verzögert, ebenfalls langsam erwärmt. Ausgehend vom Prinzip der Strahlungswärmeübertragung und der Funktion der Heizgeräte können folgende wesentliche Vorteile zusammengefasst werden:

  • Strahlungsheizsysteme benötigen kein Trägermedium zum Transport ihrer Energie, so dass die Wärme nahezu verlustfrei vom Gerät zum Bestimmungsgegenstand gelangt.
  • Im Vergleich zur Konvektionsheizung ist die Lufttemperatur bei gleicher Empfindungstemperatur niedriger, so dass in der Folge auch der Wärmebedarf zur Beheizung des Gebäudes geringer ist.
  • Das Heizsystem verursacht nur sehr geringe Luftgeschwindigkeiten, so dass unangenehme Zugerscheinungen und Staubaufwirbelungen im Einsatzbereich weitestgehend vermieden werden, was sich wiederum positiv auf das Raumklima und die Arbeitsqualität auswirkt.
  • Die Geräuschbelästigung durch das Heizsystem am Einsatzort entfällt bzw. ist sehr gering.
  • Strahlungsheizungen erlauben die Beheizung von Teilflächen bzw. einzelnen Arbeitsplätzen.

 

Als nachteilig bzw. Einschränkungen für den Einsatz von Strahlungsheizungen sind zu nennen:

  • Beschränkung des Systems auf die reine Beheizungsfunktion, so dass die notwendige Frischluftzufuhr in der Regel separat erfolgen muss.
  • Der Einsatz der Strahlungsheizung ist wegen der Einstrahlung im Kopfbereich in Abhängigkeit vom gewählten System auf Hallen mit bestimmten Mindesthöhen beschränkt.
  • In ausgewählten Bereichen (Meßgerätefertigung, Pharmabereich, Lebensmittelindustrie) sind die Oberflächentemperaturen der bestrahlten Materialien/Stoffe zu hoch.
  • Der Einsatz von Gasstrahlern ist in Räumen mit explosiven Gasen und Dämpfen nicht möglich.

Anwendungsbereiche

Strahlungsheizsysteme finden Anwendung in Industrie-, Lager-, Ausstellungs- und Sporthallen, in Logistikzentren, Sportstadien, Werkstätten, Gewächshäusern, Ställen, Kirchen, Museen, Waschanlagen, Freiluftgastronomie etc . Ausnahmen bei den Gas-Infrarotheizsystemen bilden explosionsgeschützte Hallenbereiche oder Räume mit Deckenhöhen unter etwa 3,50 Meter, wobei genauere Angaben in den technischen Unterlagen der Hersteller und in den DVGW-Regelwerken G 638-1 und G 638-2 zu finden sind.

Hohe Räume sowie Hallen mit ungenügendem Wärmeschutz, starkem Luftwechsel durch Absaugung oder offenstehenden Toren sowie kurzzeitig bzw. nur teilweise zu beheizenden Flächen sind neben den allgemeinen Anwendungsfällen besonders bevorzugte Einsatzfälle für eine Strahlungsheizung.

Die Entwicklung der Geräte in Form und Leistung hat sich den Rahmenbedingungen angepasst. Ihren guten Ruf verdanken die Systeme unter anderem der Möglichkeit, Hallen und Hallenbereiche komfortabel und schnell beheizen zu können . So ist es mit  dieser Technik möglich, einzelne Arbeitsplätze oder Hallenbereiche ohne räumliche Trennung separat und je nach Bedarf zu heizen. Ungenutzte Hallenbereiche bleiben einfach unbeheizt.

Bei den Strahlungsheizsystemen wird unterschieden in

  • Gas-Infrarotheizsysteme mit den beiden Systemen Hellstrahler und Dunkelstrahler sowie
  • Strahlplattenheizung

 

Hellstrahler

Hellstrahler zählen zu den Hochtemperatur-Infrarotstrahlungsheizungen und werden aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperaturen überwiegend in Hallen mit Höhen > 4 m an Wänden oder Decken installiert. Sie tragen den Namen Hellstrahler, weil die Erzeugung der Infrarotstrahlen des Gas-Luft-Gemisches an und in der Oberfläche der Geräteunterseite erfolgt. Dabei glühen die dazu eingesetzten feuerfesten keramische Brennerplatten „hell“. Durch diese fast flammenlose Verbrennung wird schon nach sehr kurzer Aufheizzeit von ein bis zwei Minuten bei Nennwärmeleistung eine hellrote Oberfläche mit Temperaturen von etwa 750 – 950 °C erzielt.

 

Dunkelstrahler

Dunkelstrahler sind Infrarotstrahler, die Wärme durch Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches in geschlossenen Systemen erzeugen. Die Rohroberfläche erwärmt sich hierbei bis maximal 750 °C und gibt die Wärme in Form von Infrarotstrahlung an den Raum ab. Die Strahler arbeiten nach den gleichen physikalischen Gesetzgebungen wie Hellstrahler und haben im Vergleich zu Warmluftheizungen den Vorteil, dass die Raumlufttemperatur bei vergleichbarer Empfindungstemperatur reduziert werden kann.

Die Strahlungsrohre von Dunkelstrahlern können U-, L-förmig oder linear sein. U-förmige Strahlungsrohre haben eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung über die Gerätelänge, da einem heißen Segment auf der Brennerseite ein kühlerer Abschnitt auf der Ventilatorseite gegenüber liegt. Dagegen zeigen lineare Strahlungsrohre einen abnehmenden Temperaturverlauf zum Ende des Strahlungsrohres hin.

Die Heißgase im Strahlungsrohr werden entweder mittels Saugzug-Ventilator am Ende des Rohres über das Abgassystem abgeführt oder mittels Ventilator in unmittelbarer Brennernähe durch das Strahlrohr gedrückt.

Die wesentlichsten Merkmale sind:

  • Montage der Strahler vorrangig unter dem Hallendach
  • Dunkelstrahler eignen sich sowohl für Teilflächen als auch flächendeckende Beheizungen
  • bevorzugte Einsatzgebiete sind große Hallen mit geringen Luftwechselraten

 

Strahlplattenheizung

Die Strahlplattenheizung kann als gewöhnliche „Rohrschlangenheizung“ angesehen werden, bei der mehrere mit Warm- oder Heißwasser durchflossene Rohre nebeneinander auf einer Blechplatte montiert sind, wie der nachfolgenden Prinzipskizze zu entnehmen ist.

Um eine gute Wärmeübertragung vom Rohr an die Strahlplatte zu erzielen, werden die Rohre in Sicken verlegt und mit der Strahlplatte metallisch verbunden. Durch das Aufbringen einer entsprechenden Isolierschicht wird die Wärmeabgabe nach oben wesentlich verringert.

Die Heizungen weisen als Warmwasser-Systeme die in der Zentralheizungstechnik angewandten Temperaturen auf und ihre Auslegung erfolgt häufig im Niedertemperaturbereich. Sie verfügen über eine sehr ausgeglichene Temperaturverteilung im Aufenthaltsbereich. Die gegenüber Hell- und Dunkelstrahlern geringeren Oberflächentemperaturen der Strahlplatte müssen jedoch durch deutlich größere Abstrahl- bzw. Heizflächen ausgeglichen werden.

Die Vorteile der Heizung mit Deckenstrahlplatten liegen neben den bereits genannten der Strahlungsheizung allgemein in der geringen Temperaturzunahme über die Hallenhöhe (ca. 0,4 K/m) und den geringeren Lüftungswärmeverlusten gegenüber Luftheizsystemen. Die Strahlplattenheizung ist im Gegensatz zu den Hell- und Dunkelstrahlern auch für explosionsgefährdete Räume geeignet.

Strahlplattenheizungen werden in der Regel unter der Hallendecke montiert. Die spezifischen Wärmeleistungen liegen nach Angaben der Hersteller bei einer Norm-Übertemperatur von 55 K etwa zwischen 500 und 630 W/m2 Projektionsfläche.

Die Abmessungen der einzusetzenden Strahlplatten richten sich nach Größe, Höhe sowie Nutzungsart der Halle und sollten  nach Auslegungsdiagrammen des Herstellers in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizmediums bestimmt werden. Deckenstrahlplatten in Bändern bis zu 60 m Länge stellen keine Seltenheit dar. Als Erfahrungswert wird angegeben, dass ein  Dachflächenanteil von 15 – 30 % als Heizfläche in der Regel ausreichend ist.

Strahlplattenheizsysteme sind grundsätzlich für alle Hallenarten, angefangen von Fertigungs- und Lagerhallen über Ausstellungshallen bis hin zu Freizeit- und Sporthallen geeignet, wobei der Einsatz auch in Bauten mit niedrigeren Höhen ab 2,5 m erfolgen kann. Das Heizsystem ist auch für explosionsgefährdete Lagerräume geeignet und hat weiterhin den Vorteil, dass keine erzwungene Luftbewegung und damit kein zusätzlicher Staubtransport auftreten.

Ein besonderer Vorteil von Deckenstrahlplatten ist, dass sie als Heiz- oder auch als Kühldecken zum Einsatz kommen und zusätzlich durch Perforation des Stahlblechs für die Schallabsorption in Produktions- und Versammlungsräumen genutzt werden können.

Bei Einbau von Deckenstrahlplatten in bereits bestehende Hallen ist das zu erwartende Gesamtgewicht der Strahlplatten zu berücksichtigen, was im Einzelfall eine Verstärkung der Deckenkonstruktion zur Folge haben kann. Für die Erzeugung des Heizwassers werden Warmwasserkessel, die einen eigenen Heizraum und einen Schornstein benötigen, verwendet. Von Vorteil hierbei ist, dass das Heizsystem in Verbindung mit der Brennwerttechnik genutzt werden kann.

 

Flächenheizungen

Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen werden als Flächenheizungen bezeichnet, wenn innerhalb dieser Bauteile Heizrohre verlegt werden, die die Flächen aufheizen, die dann wiederum mit zeitlicher Verzögerung eine Wärmestrahlung an den Raum abgeben.

Grundsätzliche Kriterien für die Flächenheizung sind:

  • angenehmes Raumklima durch gleichmäßiges Temperaturprofil
  • besondere Eignung vor allem für dauerbeheizte Räume und weniger für Räume, in denen zeitweise eine eingeschränkte oder nur kurzzeitige Heizung erwünscht ist
  • Durch die vergleichsweise großen Heizflächen können diese Heizsysteme mit entsprechend niedrigeren Oberflächentemperaturen betrieben werden.
  • Die geringen Vorlauftemperaturen ermöglichen einen sinnvollen Einsatz regenerativer Energien in Verbindung mit Wärmepumpen.

Beim Einsatz einer Flächenheizung, insbesondere der Fußbodenbeheizung, sind die vergleichsweise große Trägheit bezüglich der Regelfähigkeit, die Beeinträchtigung der Bodenbelastung bei Hallen mit Fahrzeugverkehr und der Wärmeabfluss andas Erdreich, wenn wegen der Lastaufnahme auf eine Wärmedämmung des Fußbodens verzichtet werden muss, zu berücksichtigen.

Anwendungsgebiete sind repräsentative Eingangshallen, Museen, Säle und Kirchen sowie zunehmend auch Sporthallen, wobei Hallen mit Explosionsschutz ebenfalls zu den bevorzugten Einsatzbereichen von Flächenheizungen gehören.