Heizung und Kuhlung (Baukonstruktionen, 15)

II Baukonstruktionen Band 15 Herausgegeben von Anton Pech III Anton Pech Klaus Jens Heizung und Kühlung unter Mitar...

Author: Anton Pech | Klaus Jens

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II

Baukonstruktionen Band 15 Herausgegeben von Anton Pech

III

Anton Pech Klaus Jens Heizung und Kühlung unter Mitarbeit von Johann Harm

IV

Dipl.-Ing. Dr. techn. Anton Pech Dipl.-Ing. Dr. Klaus Jens Wien, Österreich

unter Mitarbeit von

Dipl.-Ing. Johann Harm St. Pölten, Österreich

Der Abdruck der zitierten ÖNORMen erfolgt mit Genehmigung des Österreichischen Normungsinstitutes, Heinestraße 38, 1020 Wien. Benutzungshinweis: ON Österreichisches Normungsinstitut, Heinestraße 38, 1020 Wien, Tel. ++43-1-21300-805, Fax ++43-1-21300-818, E-mail: [email protected]. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. © 2005 Springer-Verlag/Wien Printed in Austria Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Produkthaftung: Sämtliche Angaben in diesem Fachbuch/wissenschaftlichen Werk erfolgen trotz sorgfältiger Bearbeitung und Kontrolle ohne Gewähr. Insbesondere Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Eine Haftung der Herausgeber, der Autoren oder des Verlages aus dem Inhalt dieses Werkes ist ausgeschlossen. Textkonvertierung und Umbruch: Grafik Rödl, 2486 Pottendorf, Österreich Druck und Bindearbeiten: Druckerei Theiss GmbH, 9431 St. Stefan, Österreich Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier – TCF SPIN: 10999912

Mit zahlreichen (teilweise farbigen) Abbildungen

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie, detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

ISSN 1614-1288

ISBN 3-211-21501-8 SpringerWienNewYork

V

VORWORT ZUR 1. AUFLAGE Die Fachbuchreihe Baukonstruktionen mit ihren 17 Basisbänden stellt eine Zusammenfassung des derzeitigen technischen Wissens bei der Errichtung von Bauwerken des Hochbaues dar. Es wird versucht, mit einfachen Zusammenhängen oft komplexe Bereiche des Bauwesens zu erläutern und mit zahlreichen Plänen, Skizzen und Bildern zu veranschaulichen. Der vorliegende Band „Heizung und Kühlung“ aus dem Fachbereich der technischen Gebäudeausrüstung soll zur angemessenen und zeitgerechten Berücksichtigung von Heizungs- und Kühlungsanlagen bei der Gebäudeplanung beitragen. Beschreibungen von Anlagenkomponenten und deren Funktionsweisen erleichtern das Verständnis für die Vielfalt von Kombinationsmöglichkeiten. Für die angemessene Berücksichtigung baulicher Vorkehrungen in Vorentwürfen sind Erfahrungsrichtwerte und Auszüge aus EN-Normen angegeben. Unter dem Thema „Nachhaltigkeit“ wird auf Auswirkungen von Wärmeversorgungssystemen auf die Umweltbelastung hingewiesen und es werden Möglichkeiten naturschonender Energienutzungsmethoden aufgezeigt.

VII

Fachbuchreihe BAUKONSTRUKTIO Band

1:

Bauphysik

Band

2:

Tragwerke

Band

3:

Gründungen

Band

4:

Wände

Band

5:

Decken

Band

6:

Keller

Band

7:

Dachstühle

Band

8:

Steildach

Band

9:

Flachdach

Band 10:

Treppen / Stiegen

Band 11:

Fenster

Band 12:

Türen und Tore

Band 13:

Fassaden

Band 14:

Fußböden

Band 15:

Heizung und Kühlung 䊳䊳䊳䊳䊳䊳䊳

NEN

Grundlagen Wärmeversorgungsanlagen Abgasanlagen Kälteversorgungsanlagen Wärme- und Kälteverteilung Planung Heizungs-, Kühlungsanlagen Nachhaltigkeit

Band 16:

Lüftung und Sanitär

Band 17:

Elektro- und Regeltechnik

IX

INHALTSVERZEICHNIS 150.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.1 Thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2 Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.1 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.2 Wärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.3 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.4 Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.5 Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.6 Wärmekonvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.2.7 Wasserverdunstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.3 Temperaturempfindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.1.4 Strömungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2 Wärmeversorgungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.1 Energieträger und Energienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2 Feuerungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2.1 Verfeuerung von Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2.2 Pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2.3 Verfeuerung von Heizöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2.4 Verfeuerung von Erdgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.2.5 Verfeuerung von Flüssiggas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.3 Heizkesselanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.4 Fernwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.5 Elektroheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.6 Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.7 Aktive Solarenergienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.2.8 Passive Sonnenenergienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3 Abgasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.1 Klassifizierung und Kennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2 Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.1 Standsicherheit und Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.2 Fangquerschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.3 Fangsohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.4 Fangmündung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.5 Fangaufsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.6 Reinigungsöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.2.7 Notrauchfänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.3 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.3.1 Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.3.2 Wärmedurchlasswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4 Ausführungsarten Abgasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.1 Einschalige Fangsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.2 Mehrschalige Fangsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.3 Feuchtigkeitsunempfindliche Fangsysteme . . . . . . 150.3.4.4 Metallfänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.5 Abgasleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.6 Luft-Abgas-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.4.7 Sonderformen der Abgasabführung . . . . . . . . . . . . 150.3.5 Konformitäts- und Übereinstimmungsnachweise . . . . . . . . . .

1 1 3 7 8 8 9 9 10 10 11 13 15 15 16 16 17 18 19 19 20 21 22 23 24 25 31 32 33 34 36 37 37 40 41 42 43 43 45 46 ¤6 47 48 49 52 54 55 57

X

Inhaltsverzeichnis

150.3.6

150.4

150.5

150.6

150.7

Freistehende Schornsteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.3.6.1 Anforderungen an die Berechnung und Bemessung 150.3.6.2 Ausführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kälteversorgungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.1 Kälteerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.2 Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.3 Kompressions-Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.4 Absorptions-Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.5 Peltier-Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.6 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.7 Fensterklimageräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.8 Split-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.9 Glykol-Rückkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.10 Frostschutzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.11 Verdunstungsrückkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.4.12 Kühltürme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärme- und Kälteverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1 Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.1 Heizwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.2 Kaltwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.3 Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.4 Einrohrsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.5 Zweirohrsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.6 Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.1.7 Leitungszubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.2 Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.3 Ausdehnungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.4 Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.5 Kühlgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.5.1 Ventilatorkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.5.2 Kühldecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.5.3 Kühlbalken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.5.5.4 Bauteilkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung von Heizungs- und Kühlungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.1 Hydraulische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2 Technikräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2.1 Brennstofflagerräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2.2 Heizkesselräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2.3 Fernwärme-Umformerräume . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2.4 Kältemaschinenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.2.5 Raumbedarf für Rückkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . 150.6.3 Installationsschächte und -trassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.4 Ermittlung von Heizlast und Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.5 Heizlastermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.6 Kühllastermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.6.7 Druckverlustermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.7.1 Marktdurchdringung von Energieträgern . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.7.2 Volkswirtschaftlich-ökologische Betrachtungsweise . . . . . . . . 150.7.3 Luftschadstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.7.4 Zunehmende Strahlenbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150.7.5 Nebenwirkungen fortschrittlicher Energienutzung . . . . . . . . . .

59 61 63 65 65 66 66 68 70 71 72 73 75 76 76 78 87 87 87 87 88 88 89 89 90 95 96 97 101 101 101 102 102 105 105 107 108 108 109 110 110 111 111 112 117 125 133 133 133 134 134 135

XI

Inhaltsverzeichnis

150.7.6 150.7.7 150.7.8 150.7.9

Grenzen umweltverträglicher Schadstoffbelastungen . . . . . . . Strahlungsintensität der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flächenbezogener Energieträgerverbrauch . . . . . . . . . . . . . . Personenbezogener Energieträgerverbrauch . . . . . . . . . . . . .

137 138 139 140

Quellennachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

141

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

143

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149

1

150.1 GRUNDLAGEN Die technische Gebäudeausrüstung betrifft alle technischen Anlagen, Einrichtungen und Installationen in Gebäuden, die dem Wohlbefinden von Menschen dienen. Im Gegensatz zu Fachbereichen, die sich mit der Gestaltung von Gebäudehüllen befassen, handelt es sich bei der technischen Gebäudeausrüstung um eine verhältnismäßig junge Disziplin mit einer Vielfalt unterschiedlicher Themenbereiche. Ihre mitunter stürmische Entwicklung hat dazu beigetragen, dass sich innerhalb nur eines Jahrhunderts der Anteil der technischen Gebäudeausrüstung an den Gesamtbaukosten eines Gebäudes von etwa 10 bis 15% auf 30 bis 55% erhöht hat. Abbildung 150.1-01: Themenbereiche der technischen Gebäudeausrüstung

Mit der Gestaltung von Gebäudehüllen werden Innenräume von der Umgebung abgegrenzt, wobei Raumanordnung, Standfestigkeit, Witterungsbeständigkeit, Bauteilbeschaffenheit und optischer Eindruck von besonderer Bedeutung sind. Bei der Gestaltung von Anlagen, Geräten und Installationen der technischen Gebäudeausrüstung stehen deren Funktionen im Mittelpunkt des Interesses von Bauherren, Projektanten und Nutzern, wobei deren optische Wahrnehmung kaum erwünscht ist. In den Grundlagen zur technischen Gebäudeausrüstung wird zum Teil auf den bauphysikalischen Ansätzen des ersten Bandes („Bauphysik“) der Fachbuchreihe „Baukonstruktionen“ aufgebaut.

150.1.1 THERMISCHE BEHAGLICHKEIT „Thermische Behaglichkeit“ ist nur eines von mehreren Phänomenen, die „menschliches Wohlbefinden“ beeinflussen können. In Gegensatz zu anderen Behaglichkeitsphänomenen wie beispielsweise der jeweiligen „psychischen Verfassung“ oder der „sozialen Situation“, die sich messtechnisch kaum erfassen lassen, kann man dem Empfinden der „thermischen Behaglichkeit“ folgende physiologisch wirksame Einflussgrößen zuordnen und dafür Messwerte ermitteln. • Raumlufttemperatur • Temperatur der Raumumschließungsflächen • Raumluftfeuchtigkeit • Lufterneuerungsrate • Reinheitsgrad der Raumluft.

2

Grundlagen

Professor P.O. Fanger (TU Lyngby/Dänemark) hat für derartige Einflussgrößen eine Bewertungsskala eingeführt und Versuchspersonen aufgefordert, diesen Einflussgrößen für jeweils physikalisch definierte Umgebungsbedingungen nach ihrem subjektiven „Behaglichkeitsempfinden“ Wertungen zwischen: –3,0 und +3,0 zuzuordnen. Beispielsweise war dabei „thermische Behaglichkeit“ folgendermaßen zu bewerten: +3

+2

+1

0

–1

–2

–3

zu warm

warm

etwas warm

neutral

etwas kühl

kühl

kalt

Für den Aufenthaltsbereich von Personen hat er sodann durch systematische Variation physiologisch wirksamer Einflussgrößen den statistisch gesicherten Prozentsatz jener Versuchspersonen erfasst, die mit den Umgebungsbedingungen unzufriedenen waren. Eines der Ergebnisse dieser Untersuchungen bestand in der statistisch gesicherten Feststellung, dass sich in Hinblick auf „thermisches Behaglichkeitsempfinden“ der Anteil unzufriedener Versuchspersonen kaum unter einen Prozentsatz von ~ 5% der Gesamtheit aller Versuchspersonen verringern lässt. Wenn bei den Versuchsreihen beispielsweise die Bewertung der Einflussgröße „Raumlufttemperatur“ den statistisch erfassbaren Mittelwert „0“ („~ thermisch neutral“) ergab, dann waren dennoch etwa 2,5% der Versuchspersonen deshalb unzufrieden, weil sie die Raumtemperatur als zu kühl empfanden, und weitere 2,5% waren unzufrieden, weil es ihnen in der gleichen Situation zu warm war. Der Anteil unzufriedener Versuchspersonen erhöhte sich jeweils, wenn die Raumtemperatur von dem thermisch neutralen Wert angehoben oder abgesenkt wurde. (150.1-01) PPD PMV

vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener [%] voraussichtliche Behaglichkeitsbewertung [–] Einflussgrößen: • • • •

Aktivität Bekleidung Lufttemperatur Oberflächentemperatur der Umgebung • Luftgeschwindigkeit • Luftfeuchtigkeit (nach einer statistischen Auswertung der Bewertung von 1300 Testpersonen)

Ein weiteres Untersuchungsergebnis besteht in dem abgebildeten Zusammenhang zwischen voraussichtlicher Behaglichkeitsbewertung und voraussichtlichem Prozentsatz unzufriedener Personen. Das „vorausgesagte mittlere Votum“ zu einer Einflussgröße auf die thermische Behaglichkeit wurde mit „PMV“ (predicted mean vote) und der vorausgesagte Prozentsatz Unzufriedener mit „PPD“ (predicted percentage of dissatisfied) bezeichnet. Für ausgewählte Einflussgrößen auf das „thermische Behaglichkeitsempfinden“ hat Professor Fanger aus Versuchsreihen Grenzwerte abgeleitet und statistisch begründet. Seine Untersuchungsergebnisse werden in europäischen Normen [88][78][79] berücksichtigt. Gestaltern und Nutzern von Aufenthaltsräumen steht zur Beeinflussung des „thermischen Wohlbefindens“ eine Vielfalt von Möglichkeiten zur Verfügung, von denen die technische Gebäudeausrüstung die meisten beeinflussen kann.

3

Energieumwandlung

150.1.2 ENERGIEUMWANDLUNG Einflussgrößen auf die thermische Behaglichkeit, die sich messtechnisch nachvollziehen lassen, haben stets irgendeine Beziehung zu dem Phänomen „Energie“. Das Wort „Energie“ leitet sich vom griechischen Wort „enérgeia“ ab und hatte zunächst die Bedeutung von „Wirksamkeit“. Der griechische Philosoph Aristoteles erweiterte die Bedeutung dieses Begriffes im Sinne einer „Wirkkraft“, durch die „Mögliches“ in „Seiendes“ übergeht. „Energie“ bezeichnet Phänomene und Wirkungszusammenhänge, deren faszinierende Vielfalt sich auf folgende Weise von einem Beobachter umschreiben lässt: • • • • • • •

Energie Energie Energie Energie Energie Energie Energie

begegnet mir nur indirekt in verschiedenen Erscheinungsformen. kann ich durch vielfältige Wirkungen wahrnehmen. kann ich von einer Erscheinungsform in andere umwandeln. kann ich nicht verbrauchen – und deshalb immer mit ihr rechnen. kann ich nicht sehen. kann ich nicht anfassen. kann ich ihrem Wesen nach kaum „begreifen“.

Für den Menschen ist Energie beispielsweise in den „Erscheinungsformen“ Wärme bzw. Kälte, Schall oder Licht wahrnehmbar. In technischen Ausarbeitungen wird „Energie“ als „Arbeitsvermögen“ oder als „Wirksamkeit“ interpretiert. Normengerecht [92] ist Energie als Formelzeichen und physikalische Größe wahlweise mit folgenden Großbuchstaben zu kennzeichnen:

E (Energie)

oder

Q (Wärmemenge)

oder

W

(Wirksamkeit)

Die Vielfalt der Erscheinungsformen von Energie kommt auch in der Wahlmöglichkeit dieser Großbuchstaben zum Ausdruck. Als gesetzliche Einheit für Energie wurde nach dem internationalen Einheitensystem („SI-System“) das „Joule“ festgelegt.

(150.1-02)

James Prescott Joule hat um 1850 die Wandelbarkeit von Wärme in Arbeit und Arbeit in Wärme als speziellen Fall der Energieerhaltung experimentell dargelegt. Julius Robert Mayer berechnete 1842 erstmals das mechanische Äquivalent der Wärme. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz formulierte unabhängig von Mayer und Joule das Prinzip von der Erhaltung der Energie („Über die Erhaltung der Kraft“, 1847). Wenn Energie – in einem „geschlossenen Weltsystem“ – erhalten bleibt, dann können wir Energie gar nicht verbrauchen, auch wenn über „Energieverbrauch“ viel gesprochen und geschrieben wird. Verbrauchen kann man Energieträger. Diese sind ein Handelsgut und lassen sich in „Nutzenergie“ umwandeln. Der Energieinhalt eines Energieträgers bleibt bei jeder Art von Umwandlung in veränderter Form erhalten. Energieträger (wie z.B.: Holz, Kohle, Mineralöl und Erdgas) sind in Verbrennungsvorgängen mit verhältnismäßig einfachem technischem Aufwand zu „Energiedienstleistungen“ transformierbar. Unter der „Primärenergie“ wird dabei der Energieinhalt ursprünglicher (noch nicht aufbereiteter) Energieträger verstanden. Mit Brennwert Ho eines Energieträgers wird jener messbare Energieinhalt bezeichnet, der bei vollständiger Verbrennung einer Masse von 1 kg des betreffenden Energieträ-

4

Grundlagen

gers dann frei wird, wenn das im Abgas enthaltene Wasser nicht dampfförmig, sondern in flüssiger Form als „Kondensat“ vorliegt. Bei Kenntnis der Masse m und des Brennwerts H0 eines Energieträgers lässt sich dessen Energieinhalt E (bzw. die darin enthaltene Primärenergie) errechnen: (150.1-03) E m Ho

Energie Masse Brennwert

[kWh] [kg] [kWh/kg]

Bei Verbrennungsvorgängen könnte der Eindruck entstehen, dass dabei Masse entschwindet, weil nach der Verbrennung von einem Energieträger kaum etwas übrig bleibt. Dieser Schein trügt jedoch, da die Masse der Verbrennungsprodukte der Masse des ursprünglichen Energieträgers entspricht. In physikalischem Sinn bleiben sowohl Masse als auch Energieinhalt erhalten – wenn auch in veränderten Zuständen. Die Veränderungsmöglichkeiten der Erscheinungsformen einer Masse sind vom Wasser her vertraut: • • •

In Form von Eis lässt sich Wasser anfassen und bearbeiten; in flüssiger Form kann es Gegenstände benetzen und umgeben, und in verdunsteter Form erhöht es die Feuchtigkeit und den Wärmeinhalt der Luft.

Die Wärmemenge, die für die Verdampfung der Masse von 1 kg Wasser (~ 1 Liter) aufzuwenden ist, wird als spezifische Verdampfungswärme r bezeichnet, sie ist temperaturabhängig. Tabelle 150.1-01: Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf bei Sättigung Temperatur [°C]

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0 20 40 100 144 180

0,006 0,023 0,074 1,013 4,000 10,000

Verdampfungswärmer [kWh/kg] [kJ/kg] 0,695 0,682 0,669 0,627 0,593 0,559

2.502 2.454 2.407 2.257 2.133 2.014

Bei Brennstoffen, die Wasserstoff enthalten, entsteht als eines der Verbrennungsprodukte Wasserdampf. Wenn dieser Wasserdampf ungenutzt mit dem Abgas an die Umgebung abgeführt wird, dann verbleibt als nutzbare Wärmemenge eines Energieträgers nur mehr sein Heizwert Hu, der dem um die Verdampfungswärme verminderten Brennwert entspricht: (150.1-04) Hu Ho r

Heizwert Brennwert Verdampfungswärme

[kWh/kg] [kWh/kg] [kWh/kg]

Rechenwerte für Brennwert und Heizwert ausgewählter Energieträger sind in Tabelle 150.1-02 zusammengestellt. Je nach Herkunft streuen sie in einer Bandbreite von etwa ± 20%.

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Energieumwandlung Tabelle 150.1-02: Energieträger – Feststoffe, Flüssigkeiten Heizwert Hu [kWh/kg] [kJ/kg]

Energieträger Holz trocken Koks Steinkohle Dieselöl Heizöl EL Benzin

4,3 8,0 8,5 11,5 11,9 12,0

15.480 28.800 30.600 41.400 42.840 43.200

Brennwert Ho [kWh/kg] [kJ/kg]

12,4 12,5 12,8

44.640 45.000 46.080

Aus praktischen Erwägungen bezieht man diese Rechenwerte bei gasförmigen Energieträgern nicht auf deren Masse [kg], sondern auf deren Normvolumen [mn3]. Der physikalische Normzustand ist durch die Normtemperatur Θn = 0º C = 273,15°K und den Normdruck pn = 101,325 kPa = 1,01325 bar definiert. Tabelle 150.1-03: Energieträger – Gase Heizwert Hu [kWh/m3] [kJ/m3]

Energieträger Erdgas Propangas

10,4 25,8

37.440 92.880

Brennwert Ho [kWh/m3] [kJ/m3] 11,4 28,0

41.040 100.800

Mit „Leistung“ bezeichnet man die auf einen Zeitraum bezogene Energie. Wenn man sich eine „Energiemenge“ wie die Wassermenge in einem Behälter vorstellt, die man aufbewahren oder auslaufen lassen kann, dann entspräche dem Leistungsbegriff ein Wassermassenstrom, der sich in Litern je Zeiteinheit messen lässt. Als Formelzeichen und physikalische Größe wird Leistung mit dem Großbuchstaben „P “ gekennzeichnet. Als gesetzliche Einheit für Leistung wurde nach dem internationalen Einheitensystem („SI-System“) das „Watt “ festgelegt. (150.1-05) Der Zusammenhang von Energie und Leistung wird in technischer Schreibweise mit Gleichung (150.1-06) beschrieben: (150.1-06) P E t

Leistung Energie Zeit

[kW] [kWh] [h]

Zur Aufrechterhaltung aller Lebensvorgänge benötigt auch ein Mensch Energie, die er in Form von Nahrungsmitteln (Energieträger = „Biomasse“ mit Hu ~4,3 kWh/kg) zu sich nimmt. Die jährlich erforderliche Nahrungsmittelmenge (bzw. der „Energieträgerverbrauch“) eines erwachsenen Mensch liegt bei etwa 235 kg/a und entspricht einem „Energieinhalt“ von etwa 1.000 kWh/a (Kilowattstunden pro Jahr). Bei Division des Energieinhaltes der jährlich erforderlichen Nahrungsmittelmenge einer erwachsenen Person (~1000 kWh/a) durch den Betrachtungszeitraum eines Jahres (8766 h/a = Stunden pro Jahr) ergibt sich in physikalischem Sinne eine „Durchschnittsleistung“ von etwa 110 W, die von Physiologen als „Grundumsatz“ bezeichnet wird.

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Grundlagen

In technischer Schreibweise lässt sich daher Gleichung (150.1-06) auch mit dem Grundumsatz und dem Energiebedarf ausdrücken (150.1-07) und für eine erwachsene Person unter Ansatz obiger Annahmen der Grundumsatz ermitteln. (150.1-07) P E t

Grundumsatz Energiebedarf Zeit

[kW] [kWh] [h]

= = =

0,114 = 114 [W] 1000 8766

Die diesem Grundumsatz entsprechende Mindestleistung wird auch im Ruhezustand nicht unterschritten und dient offensichtlich der Aufrechterhaltung wesentlicher Lebensfunktionen. Die mit Nahrungsmitteln aufgenommene Energie wird in „Oxidationsprozessen“ transformiert und muss schließlich im Rahmen physikalischer Gesetzmäßigkeiten wieder an die Umgebung abgeben werden [88]. Für eine Person mittlerer Größe kann je nach Aktivität mit einer bestimmten Wärmeabgabe PM an die Umgebung gerechnet werden. Tabelle 150.1-04: Wärmeabgabe von Personen [78] Aktivität Laufen bei 5 km/h Laufen bei 4 km/h Laufen bei 3 km/h Laufen bei 2 km/h stehend, mittelschwere Tätigkeit stehend, leichte Tätigkeit sitzende Tätigkeit ruhig sitzend angelehnt

Wärmeabgabe sensibel gesamt [W/Person] [W/Person] 120 110 105 100 105 85 75 70 55

360 300 250 200 210 170 125 100 80

Anmerkung: sensibel … Wärmeabgabe ohne Verdunstungswärme

Bei schwerer körperlicher Arbeit – wie beispielsweise bei Spitzensport – kann die körperliche Leistung kurzfristig Werte bis zu 700 W annehmen. Die durch Oxidation von Nahrungsmitteln im menschlichen Körper transformierte „Nutzenergie“ wird im Rahmen physikalischer Gesetzmäßigkeiten letztlich in Form von Wärme wieder an die Umgebung abgegeben. Für Klimatechniker ist die Beachtung von Energieflüssen eine wesentliche Planungsgrundlage. Die von Personen abgegebene Wärme trägt auch als Heizleistung zur Erwärmung von Aufenthaltsräumen bei. Abbildung 150.1-02: Wärmeübertragungsphänomene

7

Energieumwandlung

Bei Wärmeübertragung an die Umgebung werden in der technischen Wärmelehre die Phänomene Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wasserverdunstung unterschieden. 150.1.2.1 WÄRMESTRAHLUNG Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) wird von festen Körpern, Flüssigkeiten und auch von einigen Gasen „emittiert“ (abgegeben) und „absorbiert“ (aufgenommen). Wärmestrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen im Wellenlängenbereich von λQ = 0,8 bis 800 µm (1 Mikrometer = 1 µm = 10–6 m= 0,001 mm). Die Physiker Stefan und Boltzmann veröffentlichten im Jahr 1884 eine theoretische Begründung dafür, dass die von einem „schwarzen Körper“ abgegebene (und als „Emission“ bezeichnete) Strahlungsleistung der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur proportional sein muss. (150.1-08) P A σ Θ

Emission Oberfläche Proportionaliätsfaktor absolute Temperatur

[W] [m2] [W/(m2K4)] = const. [K]

Der Proportionalitätsfaktor σ = 5,67·10–8 [W/(m2K4)] (die Stefan-Boltzmann-Konstante) gilt nur für einen „schwarzen Körper“ als Strahler. Das Verhältnis der Strahlungseigenschaften realer Stoffe zu jenen des theoretisch „schwarzen Körpers“ wurde in Form von Emissionsgraden [16] ε < 1 ermittelt und ermöglicht praxisbezogene Berechnungen nach Gleichung (150.1-09). (150.1-09) P A ε σ Θ

Emission Oberfläche Emissionsgrad Stefan-Boltzmann-Konstante absolute Temperatur

[W] [m2] [–] [W/(m2K4)] = 5,67·10–8 [K]

Tabelle 150.1-05: Wärmestrahlung – Emissionsgrade Stoff Beton, Ziegel Heizkörperanstrich Wasser, Eis, Reif Holz Gips Glas Stahl angerostet Aluminiumbronze Aluminium poliert Stahl hochglanzpoliert Aluminium walzblank

Temperatur [°C]

Emissionsgrad ε [–]

0 bis 93 100 0 0 bis 93 20 20 20 100 100 177 170

0,94 0,93 0,92 0,90 0,82 0,70 0,60 0,30 0,12 0,07 0,05

Glas ist für die kurzwellige Lichtstrahlung (λQ = 0,4 bis 0,8 µm) wesentlich durchlässiger als für die langwellige Wärmestrahlung (λQ = 0,8 bis 800 µm).

8

Grundlagen

150.1.2.2 WÄRMEÜBERGANG Die Verhältnisse beim Wärmeübergang von festen Körpern auf flüssige oder gasförmige Medien lassen sich mit folgender Gleichung beschreiben: (150.1-10) P A αK Θ1 Θ2

Übertragungsleistung Fläche Wärmeübergangskoeffizient Temperatur an Körperoberfläche Temperatur des Mediums

[W] [m2] [W/(m2K)] [°C] [°C]

Für den experimentell ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten αK bestehen zahlreiche Näherungsgleichungen, deren Anwendungsbereiche jeweils stark eingegrenzt sind. Für Luftströmungsgeschwindigkeiten w bis etwa 5 m/s erhält man mit der Näherungsgleichung (150.1-12) brauchbare Rechenwerte. (150.1-11) αK w

Wärmeübergangskoeffizient Luftgeschwindigkeit

[W/(m2K)] [°C]

150.1.2.3 WÄRMELEITUNG Die Wärmeleitung durch Schichten fester, flüssiger und gasförmiger Körper lässt sich mit Gleichung (150.1-12) beschreiben: (150.1-12) P λ s A ∆Θ

geleitete Wärmeleistung Wärmeleitfähigkeit Schichtdicke Fläche Temperaturdifferenz Schichtgrenzen

[W] [W/(mK)] [m] [m2] [K]

Die Wärmeleitfähigkeit λ von Materialien ist sowohl von deren Struktur als auch von deren Dichte, Temperatur, Feuchtigkeit und Druck abhängig. Im Anwendungsbereich der technischen Gebäudeausrüstung kann mit folgenden Mittelwerten [16] gerechnet werden: Tabelle 150.1-06: Wärmeleitfähigkeiten [16] Stoff Metalle Steine Baustoffe Dämmstoffe Flüssigkeiten Gase Luft (bei 0°C)

Wärmeleitfähigkeit λ [W/(mK)] von bis 10,000 1,500 0,200 0,030 0,130 0,010 0,024

458,000 3,500 3,500 0,110 0,680 0,200 0,024

9

Energieumwandlung

150.1.2.4 WÄRMEDURCHGANG Der Wärmedurchgang durch einen von Luft umgebenen Körper erfordert zunächst einen Wärmeübergang von der Luft auf die eine Körperseite, sodann eine Wärmeleitung durch den Körper und schließlich abermals einen Wärmeübergang von der anderen Körperseite an Luft. (150.1-13) P U A ∆Θ

Durchgangsleistung Wärmedurchgangskoeffizient Fläche Temperaturdifferenz Schichtgrenzen

[W] [W/(m2K)] [m2] [K]

Der Wärmedurchgangskoeffizient U bildet eine wesentliche Kenngröße für die thermische Bewertung von Raumumschließungsflächen. Er enthält Annahmen zur Luftgeschwindigkeit an den beiden Körperseiten, da diese den Wärmeübergang wesentlich beeinflussen. Bei Heizlastberechnungen [70] wird die Luftgeschwindigkeit für den Wärmeübergang außen mit etwa 4 m/s und für den Wärmeübergang innen mit etwa 0,5 m/s angenommen. Für Bauteile, die aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, errechnet sich der Wärmedurchgangskoeffizient nach Gleichung (150.1-14). (150.1-14) U αi s λ αa

Wärmedurchgangskoeffizient Wärmeübergangskoeffizeint innen Schichtdicken Wärmeleitfähigkeiten Wärmeübergangskoeffizient außen

[W/(m2K)] [W/(m2K)] [m] [W/(mK)] [W/(m2K)]

Unter dem Begriff Wärmedämmung werden alle jene Maßnahmen verstanden, die einer Verminderung des Wärmestromes durch Hüllflächen dienen. 150.1.2.5 WÄRMESPEICHERUNG Das Wärmespeichervermögen von Stoffen verändert sich mit der Temperatur des Stoffes und mit dem Umgebungsdruck. Die spezifische Wärmekapazität wird mit cP gekennzeichnet und entspricht jener Wärmemenge, die zur Erwärmung der Masse von 1 kg eines Stoffes um 1 K erforderlich ist (1 K = 1 Kelvin = Temperaturdifferenz von 1°C). Für ausgewählte Bau- und Dämmstoffe sind in nachfolgender Tabelle einige Rechenwerte [41] zusammengestellt: Tabelle 150.1-07: Wärmekapazitäten Stoff Holzwerkstoffe Wasser Bau- und Dämmstoffe Aluminium Stahl Luft

Dichte ρ [kg/m3]

Wärmekapazität cp [Wh/(kgK)]

~ 0,9 1,0

~ 2,100 1,163 1,000 0,942 0,400 0,279

2,7 7,8 ~ 1,2

Bei Erwärmung einer Stoffmasse um eine Temperaturdifferenz ∆Θ erhöht sich dessen Wärmeinhalt um den Betrag ∆Q.

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Grundlagen

(150.1-15) ∆Q m cp ∆Θ

Änderung Wärmeinhalt Masse Wärmekapazität Temperaturdifferenz

[Wh] [kg] [Wh/(kgK)] [K]

Feste, flüssige oder gasförmige Stoffe erfüllen die Funktion von „Wärmeträgern“ bzw. „Energieträgern“ wenn man sie wegen ihres Wärmeinhaltes transportiert. 150.1.2.6 WÄRMEKONVEKTION Wird ein Stoff um eine Temperaturdifferenz erwärmt oder gekühlt, dann kann man mit dem Volumenstrom V in [ m3/h ] des betreffenden Stoffes folgende Wärmeleistung übertragen: (150.1-16) P V ρ cp ∆Θ

Wärmeleistung Volumenstrom Dichte Wärmekapazität Temperaturdifferenz

[W] [m3/h] [kg/m3] [Wh/(kgK)] [K]

150.1.2.7 WASSERVERDUNSTUNG Wasser muss man erfahrungsgemäß Wärme zuführen, wenn man es vom flüssigen in den dampf- bzw. gasförmigen Zustand überführen will. Die Siedetemperatur ist dabei vom Umgebungsdruck abhängig, sie nimmt mit steigendem Umgebungsdruck zu. Die für die Verdampfung von 1 [kg] Wasser erforderliche spezifische Verdampfungswärme r wurde in Versuchen ermittelt und entspricht temperaturabhängig den Rechenwerten der Tabelle 150.1-08. Tabelle 150.1-08: Spezifische Verdampfungswärme Temperatur [°C]

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180 144 100 40 20 0

10,000 4,000 1,013 0,074 0,023 0,006

spezifische Verdampfungswärme „r“ [kWh/kg] [kJ/kg] 0,559 0,593 0,627 0,669 0,682 0,695

2014 2133 2257 2407 2454 2502

Die erforderliche Wärmeleistung zur stündlichen Verdampfung bzw. Verdunstung von x [kg] Wasser ergibt sich damit nach Gleichung (150.1-17) (150.1-17) P x r

Wärmeleistung Massenstrom spezifische Verdampfungswärme

[W] [kg/h] [Wh/kg]

Die biologischen Funktionen unseres menschlichen Körperkernes (Gehirn, Herz, Nieren) erfordern eine ständige „Betriebstemperatur“ von +37°C mit verhältnismäßig

Temperaturempfindung

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enger Toleranzbreite von ± 0,5 K. Diese Körpertemperatur ist sowohl in kalter als auch in warmer Umgebung aufrechtzuerhalten – unabhängig davon, ob wir uns ausruhen oder körperlich anstrengen. Wenn es dem Körper nicht mehr gelingt, die „Körperkerntemperatur“ im Toleranzbereich dieser „Betriebstemperatur“ zu halten, dann kommt es zu „Funktionsstörungen“, die je nach Intensität und Dauer zu Beschwerden, Krankheit oder Tod führen können. Die mit den Nahrungsmitteln aufgenommene Energie dient vielfältigen Lebensfunktionen und wird letztlich in Wärme transformiert. Um Übererwärmung des Körpers zu vermeiden, muss vom Körper diese Wärme unter Einhaltung der „Betriebstemperatur“ von +37°C im Rahmen physikalischer Gesetzmäßigkeiten an die Umgebung abgeführt werden. Mit den Phänomenen „Wärmeleitung“, „Wärmekonvektion“ und „Wärmestrahlung“ lässt sich Wärme nur dann an die Umgebung übertragen, wenn die Körperoberflächentemperatur über der Umgebungstemperatur liegt. Bei Umgebungstemperaturen über etwa +34°C versagen diese Methoden, und es verbleibt zur Aufrechterhaltung des körperlichen Wärmehaushaltes nur noch die Möglichkeit, Wärme durch Verdunstung von Schweiß an die Umgebung abzugeben. Vermutlich werden jene Umgebungsbedingungen als behaglich empfunden, bei welchen es für den Ausgleich des körperlichen Wärmehaushaltes keiner besonderen Anstrengungen bedarf. Abbildung 150.1-03: Wärmeabgabephänomene

Für derartige Umgebungsbedingungen – die dem „thermischen Behaglichkeitsempfinden“ weitgehend entsprechen – hat Professor P. O. Fanger (TU Lyngby/Dänemark) in umfangreichen Versuchen folgende wesentliche Einflussgrößen ermittelt: EINFLUSSGRÖSSEN BEEINFLUSSUNG • Aktivität des Menschen → Wärmeabgabe an die Umgebung • Bekleidung des Menschen → Wärmedämmung • Geschwindigkeit der Luft → Wärmeübergang • Temperatur der Luft → Wärmeaustausch durch Konvektion • Temperatur der Umschließungsflächen → Wärmeaustausch durch Strahlung und Konvektion • Feuchtigkeit der Luft → Wärmeabgabe durch Verdunstung

150.1.3 TEMPERATUREMPFINDUNG Der Wärmeaustausch des menschlichen Körpers durch Strahlung hängt von der Temperatur der umgebenden Bereiche ab, während der Wärmeaustausch durch Konvektion von der Lufttemperatur und der Luftgeschwindigkeit abhängig ist. Zur Beurteilung thermischer Behaglichkeit bei bestimmter Bekleidung und bestimmter Aktivität werden folgende Temperaturarten unterschieden [78]:

12

Grundlagen

Raumlufttemperatur Θa Die Raumlufttemperatur kann korrekt nur mit einem strahlungsgeschützten Thermometer gemessen werden (z.B. im Luftstrom innerhalb eines Rohres, dessen Oberfläche die Lufttemperatur angenommen hat).

Mittlere Strahlungstemperatur Θr Die mittlere Strahlungstemperatur wird aus den Oberflächentemperaturen der Raumumschließungsflächen in Zusammenhang mit dem betrachteten Bereich im Raum ermittelt.

Operative Temperatur Θo Als operative Temperatur im betrachteten Raumbereich wird der Mittelwert aus Raumlufttemperatur Θa und Strahlungstemperatur Θr der Raumumschließungsflächen bezeichnet. Abbildung 150.1-04: Richtwerte zur operativen Temperatur [88]

Die Bekleidungsart hat erheblichen Einfluss auf die Temperaturempfindung von Personen. Zur Kennzeichnung des Wärmedurchlasswiderstandes der Bekleidung „Rclo“ hat sich die Einheit „clothing units“ durchgesetzt. Die Einheit: 1 clo = 0,155 m2K/W entspricht der Wärmedämmung einer normalen Bekleidung. Es gelten dafür folgende Richtwerte: Tabelle 150.1-09: Clothing units Bekleidungsart

clothing units [clo]

unbekleidet leichte Sommerkleidung mittlere Kleidung warme Kleidung

0,0 0,5 1,0 1,5

Die Raumluftgeschwindigkeit soll in Aufenthaltsbereichen die Werte nach Tabelle 150.1-10 nicht überschreiten: Tabelle 150.1-10: Raumluftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich [78] Raumlufttemperatur [°C] 26 24 22 20 Bei Turbulenzgrad 40% nach ÖNORM EN ISO 7730

Luftgeschwindigkeit [m/s] ≤ ≤ ≤ ≤

0,22 0,18 0,15 0,13

13

Strömungstechnik

150.1.4 STRÖMUNGSTECHNIK Die Lehre von der Bewegung flüssiger und gasförmiger Stoffe wurde von dem schweizerischen Physiker, Mathematiker und Mediziner Daniel Bernoulli (*1700, †1782) begründet, der als Professor in St. Petersburg und Basel wirkte. Nach ihm wurde eine der wesentlichen strömungstechnischen Grundgleichungen benannt, die den Energieerhaltungssatz in folgender Form zum Ausdruck bringt: „In einer ‚verlustfreien Strömung‘ kann Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie und Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt werden. Die Summe des statischen Druckes p und des Staudruckes (ρ/2 · w2) ist an allen Stellen einer ‚verlustfreien Strömung‘ konstant.“

Durch Messung von Gesamtdruck pges und statischem Druck ps lässt sich nach dieser Gleichung die Geschwindigkeit w einer „verlustfreien Strömung“ ermitteln. (150.1-18) pges ps ρ w

Gesamtdruck statischer Druck Dichte des Mediums Geschwindigkeit des Mediums

[Pa] [Pa] [kg/m3] [m/s]

Die bei gebäudetechnischen Anlagen auftretenden Strömungen sind in diesem Sinne nicht „verlustfrei “, weil ein Teil der Strömungsenergie durch Wandreibung und Verwirbelung an Umlenkungen in Wärme umgeformt wird. Um Flüssigkeit oder Gas durch ein Rohr fördern zu können, muss zur Überwindung des an den Rohrinnenflächen auftretenden Reibungswiderstandes eine Druckdifferenz ∆p bestehen. (150.1-19) ∆p λR l d

Druckdifferenz durch Reibung Reibungszahl Rohrlänge Rohrdurchmesser

[Pa] [–] [m] [m]

Die Reibungszahl λR lässt sich bei Kenntnis des Rohrdurchmessers sowie von Geschwindigkeit, Dichte und Zähigkeit des Mediums berechnen [16]. Es ist deshalb nicht erforderlich, dafür empirische Formeln zu verwenden [2]. Der Druckabfall, der durch Einzelwiderstände wie Umlenkungen, Querschnittsveränderungen, Leitungseinbauten usw. entsteht, ist auf Wirbel, Strömungsablösungen oder Sekundärströmungen zurückzuführen. Er wird unter Bezug auf den Staudruck der strömenden Flüssigkeit wie folgt abgeschätzt: (150.1-20) ζR

Widerstandsbeiwert

[–]

Der Widerstandsbeiwert ζ wird durch Versuche bestimmt und kann bei verschiedenen Rohr- bzw. Luftleitungseinbauten in weiten Grenzen schwanken. Rechenwerte für Widerstandsbeiwerte entnimmt man zweckmäßigerweise der aktuellen Fachliteratur [8]. Der gesamte Druckverlust setzt sich aus dem Druckverlust durch Wandreibung und dem Druckverlust durch Umlenkungen, Querschnittsveränderungen etc. zusammen [16].

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150.2 WÄRMEVERSORGUNGSANLAGEN Wärmeversorgungsanlagen ermöglichen in der kalten Jahreszeit die Beheizung von Aufenthaltsräumen und tragen dazu bei, Umgebungsbedingungen dem menschlichen Bedürfnis nach wärmephysiologischer Behaglichkeit anzugleichen. Die zunehmende Einsicht, dass die derzeit vorherrschenden Methoden der Energienutzung Umweltschäden herbeiführen – und nur für begrenzte Zeit beibehalten werden können – hat dazu beigetragen, dass dem sparsamen Umgang mit Energieträgern sowie sinnvoller Energienutzung große Bedeutung beigemessen wird. Ein erheblicher Teil des Energieträgerverbrauches wird derzeit in Ländern wie Deutschland, Österreich oder der Schweiz für Raumheizung aufgewendet. Der Entwicklungsstand im Bauwesen dieser Länder ist daher auch dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Energieträgerverbrauches zahlreiche, teils langfristig wirksame Maßnahmen zum Einsatz kommen, die sowohl den baulichen als auch den gebäudetechnischen Bereich betreffen.

150.2.1 ENERGIETRÄGER UND ENERGIENUTZUNG Primäre Energieträger Als „primäre Energieträger“ werden Ausgangsstoffe bezeichnet, die sich zur Umwandlung in Energiedienstleistungen eignen und keiner technischen Umsetzung unterworfen wurden. Derzeit tragen „fossile Energieträger“ (das sind: Kohle, Erdöl und Erdgas) mit etwa 88% zum weltweiten Energieaufkommen bei. Der Anteil „nuklearer Energieträger“ (Uranisotope) an diesem Energieaufkommen liegt bei etwa 5%, und den Rest bilden „erneuerbare Energieträger“ (Nutzung von: Biomasse, Wasserkraft, Windkraft, Erdwärme, Solarenergie).

Sekundäre Energieträger Als „sekundäre Energieträger“ werden Umwandlungsprodukte aus primären Energieträgern bezeichnet, die einer Vereinfachung der Energienutzung dienen, wie beispielsweise: Pellets, Koks, Heizöl, Benzin, Strom, Fernwärme und dergleichen. Im Jahr 2000 [103] wurden vom österreichischen Energieaufkommen (1.358 PJ = 377 TWh) etwa 71% in Endenergie (965 PJ = 268 TWh) umgewandelt. Unter Berücksichtigung von Annahmen über Wirkungsgrade beim Nutzenergieeinsatz verbleiben vom Energieaufkommen etwa 44% als Nutzenergie (591 PJ = 164 TWh). Abbildung 150.2-01: Energieflussbild der österreichischen Energieverwertungsagentur [104]

16

Wärmeversorgungsanlagen

Der Anteil für Raumwärme und Warmwasserbereitung am österreichischen Endenergieeinsatz des Jahres 2000 war mit ~35% dominant. Bei der Projektierung von Anlagen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung besteht oftmals die Möglichkeit der Wahl zwischen mehreren Energieträgern. Bei Investitionsentscheidungen zur Wärmeversorgung von Gebäuden und bei der damit zusammenhängenden Entscheidung für einzusetzende Energieträger ist für die gesamte Gebäudenutzungsdauer die voraussichtliche Verfügbarkeit des Energieträgers und dessen Preisentwicklung zu berücksichtigen. Entscheidungen müssen auch dann getroffen werden, wenn Preisentwicklungen für derart große Zeiträume nur geschätzt werden können.

150.2.2 FEUERUNGSANLAGEN Eine besonders einfache Methode der Wärmeerzeugung besteht in der Verfeuerung brennbarer Stoffe. Wegen ihres hohen Heizwertes kommen meistens Kohlenwasserstoffe in fester, flüssiger und gasförmiger Form als Energieträger zum Einsatz. Den Vorgang der Verbrennung eines Energieträgers kann man auch als chemische Verbindung von Oxidationsmitteln (Oxidantien) mit Sauerstoff unter Abgabe von Wärme beschreiben. Bei Verbrennung von Kohlenstoffhydraten Cn(H2O)m entstehen unter Wärmeabgabe die Verbrennungsprodukte Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Abbildung 150.2-02: Verbrennungsvorgang Biomasse

150.2.2.1 VERFEUERUNG VON BIOMASSE Bei der Verfeuerung von Biomasse (z.B. Holz) wird der in die Atmosphäre abgegebene Abgasbestandteil Kohlendioxid von Pflanzen innerhalb einiger Vegetationsperioden für den Aufbau von „Biomasse“ wieder aufgenommen. Wird Biomasse nicht verbrannt, dann verwest sie nach Ablauf ihrer Lebenszeit, wobei dieser Oxidationsprozess im Vergleich zu Verbrennungsvorgängen langsamer abläuft. Auch dabei entstehen unter Energieabgabe die Verwesungsprodukte Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Bei unkontrollierter Verbrennung von Biomasse können folgende Luftschadstoffe entstehen: • • •

Stickoxide (NOx) bei höheren Feuerraumtemperaturen über etwa +800°C, Kohlenwasserstoffe (CxHy), Kohlenmonoxid (CO) bei unvollständiger Verbrennung wegen zu geringen Feuerraumtemperaturen, zu kurzer Verweilzeit des Brenngases im Feuerraum oder bei zu geringer Verbrennungsluftmenge.

Will man einen Aufenthaltsraum mit einer offenen Feuerstelle beheizen, dann muss dem Raum die erforderliche Verbrennungsluft in ausreichender Menge zugeführt werden. Wenn die Verbrennungsluftversorgung nur über geöffnete Fenster des Aufenthaltsraumes erfolgen kann, ist diese Methode der Raumbeheizung jedenfalls nicht ideal.

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Feuerungsanlagen Abbildung 150.2-03: Kohlenstoffkreislauf

Abbildung 150.2-04: Offener Kamin – Kaminofen

OFFENER KAMIN

MODERNER KAMINOFEN

Eine schadstoffarme Verbrennung von Holz ist nur bei Feuerraumtemperaturen um ca. +800°C und bei automatisch geregelter Verbrennungsluftzufuhr erreichbar. Solche Verhältnisse lassen sich nur in geschlossenen Feuerräumen verwirklichen. „Kaminöfen“ werden deshalb mit Sichtfenster und geschlossenem Verbrennungsraum angeboten, in welchem die Verbrennungsgase möglichst lange verweilen können und in dem die Verbrennungsluftmenge bedarfsabhängig (z.B. mit einer „λ-Sonde“ im Abgasstrom) geregelt werden kann. 150.2.2.2 PELLETS Holz wird zunehmend als „sekundärer Energieträger“ in Form von „Holzpellets“ vertrieben. Diese bestehen aus getrocknetem Restholz (Sägespäne, Hobelspäne), die ohne Zugabe chemischer Bindemittel unter hohem Druck in Form genormter zylindrischer Röllchen hergestellt werden [89]. Ihr Energieinhalt liegt im Bereich von 4,7 bis 4,9 kWh/kg und ermöglicht die automatische Beschickung von Holzfeuerungsanlagen beliebiger Größe.

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Pelletskessel mit Beschickungseinrichtung → Bild 150.2-05 Lose Pellets kann man in Gewebetanks, unterirdischen Erdtanks oder in Kellerräumen lagern. Mit Tankwagen können Pellets angeliefert und in den Lagerraum eingepumpt werden. Es hat sich bewährt, die Größe des Lagerraumes für den 1,5fachen Jahresbedarf auszurichten, um während der Heizperiode die Anlieferung von Brennmaterial zu vermeiden. Bei der Gestaltung von Lagerräumen sind die Möglichkeiten der Brennstoff-Einbringung in angemessener Weise zu beachten. Abbildung 150.2-05: Hackschnitzellagerung

Wenn eine automatische Beschickung der Feuerungsanlage mit Holz nicht unbedingt erforderlich ist, kann man in Heizungskesseln mit Verbrennungsluftregelung auch Scheitholz schadstoffarm verfeuern. Scheitholzkessel mit natürl. und mechan. Luftversorgung → Bild 150.2-06 und 07

150.2.2.3 VERFEUERUNG VON HEIZÖL Mit dem flüssigen Energieträger Heizöl lässt sich Energie in besonders kompakter Form auf einfache Weise handhaben (Heizwert von etwa 12 kWh/kg gemäß Tabelle 150.1-02). Abbildung 150.2-06: Schema Ölbrenner

Im Vergleich zu Holzfeuerungsanlagen ist der Platzbedarf für die Brennstofflagerung geringer. Um auch bei möglichen Gebrechen an Heizölversorgungsanlagen jede Verunreinigung von Erdreich zu vermeiden, werden dabei Sicherheitseinrichtungen erforderlich. Behälter für die Heizöllagerung werden deshalb häufig in öldicht ausgeführten Auffangwannen angeordnet, die bei Heizölaustritt die einzulagernde Heizölmenge aufnehmen können. Darüber hinaus kommen Warneinrichtungen zum Einsatz, welche einen Heizölaustritt in Auffangwannen registrieren.

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Feuerungsanlagen

Brennwerttechnik Technisch sind Abgastemperaturen erreichbar, die nur um ~15 K über der Rücklauftemperatur des Heizsystems liegen. Bei einer Rücklauftemperatur am Kesselaustritt von +45°C wäre demnach eine Abgastemperatur von +60°C erreichbar. Bei dieser tiefen Rücklauftemperatur kondensiert der Wasserdampfanteil des Abgases bereits weitgehend, wobei dessen Verdampfungswärme (~11% des Wärmeinhaltes von Heizöl) frei wird und zusätzlich zur Heizwassererwärmung genutzt werden kann. „Saurerer Regen“ entsteht bei Brennwerttechnik schon im Heizungskessel und im Abgasfang und könnte dort bereits eine unheilvolle Wirkung entfalten, wenn man dieser nicht beispielsweise mit folgenden technischen Maßnahmen begegnet: • • •

Einsatz korrosionsbeständiger Heizflächen im Kessel, Anordnung von Kondensatsammelgefäßen an Heizkessel und Abgasfang, Einsatz korrosionsbeständiger Materialien für den Abgasfang.

Wegen der verhältnismäßig tiefen Abgastemperaturen von Brennwertkesselanlagen wird der Einsatz von Abgasventilatoren erforderlich. 150.2.2.4 VERFEUERUNG VON ERDGAS Die Zusammensetzung der Erdgase ist je nach Fördergebiet sehr unterschiedlich. Vor der Verwendung des Erdgases ist eine Aufbereitung erforderlich, wobei unerwünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, Wasser und andere durch besondere Prozesse entfernt werden. Erdgasbefeuerte Heizkessel werden auch für kleine Wohneinheiten z.B. als „Wandgeräte“ einschließlich Zubehör wie Ausdehnungsanlage, Umwälzpumpe, Temperaturregelung und Warmwasserbereitungsanlage angeboten. Es ist dabei auch der Einsatz von Brennwertgeräten möglich, wenn der Abgasfang den dafür geltenden Anforderungen entspricht. Gastherme → Bild 150.2-14 Die Leitung und Verteilung von Erdgas erfolgt über Rohrleitungsnetze, die von privaten oder kommunalen Unternehmen betrieben werden. Für den Anschluss eines Bauobjektes an eine leitungsgebundene Gasversorgung sprechen folgende Umstände: • • • •

Entfall von Brennstofflagerräumen, kostengünstiger Transport des Energieträgers, Freizügigkeit in der Anordnung von Heizzentralen (z.B. im Dachbereich), einfache Verrechnungsmöglichkeit, auch mit kleinen Verrechnungseinheiten.

150.2.2.5 VERFEUERUNG VON FLÜSSIGGAS Die Energieträger Propan (C3H8) und Butan (C4H10), Propen und Buten sowie Gemische dieser Gase werden als „Flüssiggase“ gehandelt. Sie sind bei Normaldruck (1013 mbar) gasförmig, schwerer als Luft und chemisch neutral. Bei geringem Druck lassen sie sich verflüssigen. In Druckbehältern werden sie gelagert, transportiert und vertrieben. Bei der Entnahme aus Druckbehältern [37] entweicht dann der Energieträger gasförmig. Weil Flüssiggas schwerer als Luft ist, kann sich ausgeströmtes Gas in Vertiefungen ansammeln, dabei in ungünstigen Fällen ein zündfähiges Gas-Luftgemisch bilden und explodieren. Bei Errichtung und Betrieb von Flüssiggasanlagen sind deshalb umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten [38].

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Explosionsschutzzonen Im Umkreis von Behälterarmaturen und Verdichtern von Flüssiggasanlagen oder um Lüftungsöffnungen von Räumen, in denen durch geringfügige Leckagen explosionsfähige Flüssiggas-Luft-Gemische auftreten können, sind Explosionsschutzzonen anzuordnen. Wenn unbefugtes Betreten der Explosionsschutzzone nicht anders verhindert werden kann, ist die Schutzzone in geeigneter Form wie z.B. durch eine mindestens 1,50 m hohe Maschendrahtumzäunung mit versperrbarer Zugangsöffnung zu sichern. Durch Explosionsschutzzonen dürfen demnach auch keine Verkehrswege führen.

Brandschutzzonen Um Flüssiggasbehälter sind Brandschutzzonen anzuordnen, in welchen sich keine Brandlasten befinden dürfen, die im Brandfall zu einer Gefahr bringenden Erwärmung der Flüssiggasbehälter führen können. Es dürfen dort auch keine brandfördernden, selbst entzündliche oder explosionsgefährliche Stoffe gelagert oder angeordnet werden. Flüssiggasbehälter müssen darüber hinaus gegen Gefahr bringende Erwärmung geschützt sein. Die Bemessung der Explosionsund Brandschutzzonen ist in Österreich gesetzlich geregelt. Ihr Ausmaß kann durch bauliche Gegebenheiten eingeschränkt werden [37][90]. Die kleinsten Schutzzonen sind für Unterflurtanks erforderlich, die ungünstigsten Verhältnisse ergeben sich für halb eingegrabene Kugeltanks.

150.2.3 HEIZKESSELANLAGEN Öfen bestehen aus ummantelten Feuerräumen, die durch Konvektion und Strahlung Wärme an ihre Umgebung abgeben können. Heizkesselanlagen dienen der Erwärmung eines flüssigen „Wärmeträgers“, der einen Wärmetransport zwischen dem als Wärmeversorgungsanlage dienenden Heizkessel und entfernt davon angeordneten Wärmeverbrauchern ermöglicht. Abbildung 150.2-07: Heizkesselanlage

In den meisten Fällen kommt als Wärmeträger normales Wasser („Heizwasser“) zum Einsatz. Es wird im Heizkessel auf eine Vorlauftemperatur erwärmt, mit Umwälzpumpen über Rohrleitungen zu den Wärmeverbrauchern gefördert, in diesen auf eine Rücklauftemperatur abgekühlt und von dort über Rohrleitungen wieder dem Heizkessel zugeführt. Eine schadstoffarme Verbrennung wird durch hohe Feuerraumtemperaturen um ~ +800°C und ausreichende Verweilzeiten des Brennstoffes im Feuerraumbereich begünstigt. Nach Abschluss des Oxidationsprozesses werden die Abgase

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Fernwärme

über heizwasserumströmte Flächen geleitet und dabei mehrmals umgelenkt („Züge“), wobei sich das Abgas abkühlt und Heizwasser erwärmt wird. Über einen Abgasstutzen und einen Abgasfang gelangt das abgekühlte Abgas sodann ins Freie. Um die Wärmeabgabe von Heizkesseloberflächen an Heizräume gering zu halten, werden Heizkessel mit wärmedämmenden Umhüllungen versehen. Bei gemauerten Abgasfängen ist dafür zu sorgen, dass die Abgastemperatur einen Mindestwert um etwa +80°C nicht unterschreitet, um Kondensation von Abgasen im Abgasfang und damit verbundene Versottung des Mauerwerkes zu vermeiden.

Brennwerttechnik Bei tiefen Rücklauftemperaturen des Heizwassers um ~45°C besteht die Möglichkeit, Abgase bis auf etwa 60°C abzukühlen. Bei dieser tiefen Rücklauftemperatur kondensiert der im Abgas enthaltene Wasserdampf bereits weitgehend zu Wasser, wobei Verdampfungswärme frei wird (~11% des Wärmeinhaltes des Energieträgers), die zur Heizwassererwärmung zusätzlich genutzt werden kann. Schadstoffe, die mit dem Abgas ins Freie gelangen würden, werden bei derartigen Kondensationsvorgängen bereits im Heizungskessel und im Abgasfang in Säuren umgewandelt und in einem Kondensatbehälter an der tiefsten Stelle des Abgasfanges gesammelt. Sowohl die Heizflächen als auch die Abgasfänge von Brennwertkesseln müssen korrosions- und kondensatbeständig ausgeführt sein. Erst unter dieser Voraussetzung ergibt sich bei tiefen Rücklauf- und Abgastemperaturen kein Schadensrisiko für Kessel und Abgasfang. Derart ausgeführte Heizkessel werden als „Brennwertkessel“ bezeichnet und benötigen für die Abgasführung einen Abgasventilator. •

Umweltschädigende Auswirkungen von „saurem Regen“, der bei Kondensation von Rauchgasbestandteilen im Freien entsteht, werden vermieden, weil die Ausgangsstoffe des „sauren Regens“ bereits im Kondensatbehälter der Kesselanlage zurückgehalten werden.

•

Die im Kondensatbehälter anfallenden schwachen Säuren lassen sich mit einfachen Mitteln (z.B. bei Kontakt mit Dolomitgestein) neutralisieren und in einem Abwassersystem korrekt entsorgen.

•

Ein Teil der im Energieträger enthaltenen Verdampfungswärme kann zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Brennwertkessel mit Ölfeuerung → Bild 150.2-11 Brennwerttherme mit Gasfeuerung → Bild 150.2-13

150.2.4 FERNWÄRME Bei dieser Beheizungsform wird Wärme zentral in einem Fernheizwerk oder Kraftwerk erzeugt, um Wärmeverbraucher in der Ferne mit Wärme zu versorgen. Dabei kommt in den meisten Fällen ebenfalls normales Wasser als Wärmeträger („PrimärHeizwasser “) zum Einsatz. Es wird in geschlossenen Kreisläufen mit Heizwasserpumpen über Rohrleitungssysteme zu den Verbrauchern und wieder zurück zum Fernheizwerk gepumpt. Aus wirtschaftlichen Erwägungen werden dafür manchmal Heizwasserdrücke bis zu 6 bar und Primär-Heizwasservorlauftemperaturen bis zu +160°C gewählt. Bei den Wärmeverbrauchern sind Fernwärme-Übergabestationen angeordnet, in welchen der Heizwasservolumenstrom für die betreffenden Fernwärmean-

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schlüsse begrenzt und die übergebene Wärmemenge gezählt werden kann. In den Wärmeversorgungsanlagen der Fernwärmeabnehmer wird das Primär-Heizwassersystem mit Wärmetauschern vom Sekundär-Heizwassersystem des angeschlossenen Gebäudes hydraulisch getrennt. Diese Trennung erfolgt aus folgenden Gründen: •

Primär- und Sekundär-Heizwasserkreisläufe sollen mit unterschiedlichen Systemdrücken betrieben werden können.

•

Gebrechen im hydraulischen System des Sekundär-Heizwasserkreislaufes eines der zahlreichen Fernwärme-Abnehmer sollen sich nicht auf die Funktion des Primär-Heizwasserkreislaufes und damit auch nicht auf alle sonstigen Fernwärme-Abnehmer auswirken.

•

Gebrechen im hydraulischen System des Primär-Heizwasserkreislaufes sollen sich in ungünstigen Fällen nur bis in den Bereich der FernwärmeÜbergabestationen, nicht jedoch auf die hydraulischen Systeme der Sekundär-Heizwasserkreisläufe von Fernwärme-Abnehmern auswirken.

Die Fernwärme-Übergabestationen sind nach Möglichkeit so zu gestalten, dass sie Mitarbeitern des Fernwärmeversorgungsunternehmens über allgemein zugängliche Verkehrsflächen jederzeit zugänglich sind. Der Wartungsbedarf von FernwärmeÜbergabestationen ist gering. Abbildung 150.2-08: Fernwärmeanschluss

150.2.5 ELEKTROHEIZUNG Beheizung mit Strom erfordert keine Brennstoffbevorratung. Elektrisch betriebene Heizkörper sind hinsichtlich ihrer Investitionskosten besonders preisgünstig. Mit ihrem Betrieb ist jedoch die teuerste Art der Wärmeerzeugung verbunden, weil „Normalstrom“ einen besonders veredelten und deshalb teuren Energieträger darstellt. Bei Einschränkung der Stromabnahme auf so genannte „Schwachlastzeiten“ (z.B. zwischen 22 und 6 Uhr) gewähren manche Stromversorgungsunternehmen („EVU’s“) günstigere Stromtarife. Wenn man diese für Heizzwecke nutzen will, wird die Anordnung von Einrichtungen zur Speicherung von Heizwärme erforderlich, um Wärmeverbraucher auch außerhalb der Schwachlastzeiten mit Heizwärme versorgen zu können. Auf besonders einfache Weise lässt sich beispielsweise Heizwasser in Heizwasserbehältern speichern. Durch

Wärmepumpe

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Einbau elektrischer „Heizpatronen“ in Heizwasserbehälter lassen sich diese auf einfache Weise zu elektrisch versorgten Heizwasserkesseln aufrüsten. Eine weitere Methode der Wärmespeicherung besteht in der Anordnung fester Speichermassen in Heizgeräten. Die Speichermassen werden während der Schwachlastzeiten elektrisch aufgeheizt und können außerhalb der Schwachlastzeiten bedarfsabhängig Wärme wieder abgeben (z.B. durch temperaturgeregelten Ventilatorbetrieb). Abbildung 150.2-09: Elektrische Speicherheizung für Schwachlaststrom

150.2.6 WÄRMEPUMPE Durch Einsatz elektrisch betriebener „Wärmepumpen“ ergibt sich die Möglichkeit, Umgebungswärme auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren, sodass es sich für Heizzwecke (z.B. bei Heizwassertemperaturen um +45°C) nutzen lässt. Bei Abkühlung von Erdreich mit Erdwärmekollektoren sind dabei Leistungsziffern um εk = 3 bis 4 erreichbar, das bedeutet, dass beispielsweise dem Erdreich mit dem Einsatz einer Kilowattstunde elektrischer Energie zwei Kilowattstunden in Form von Wärme entzogen werden kann und dass dem Heizungssystem zur Versorgung von Wärmeverbrauchern sodann 3 Kilowattstunden Wärme zur Verfügung stehen. Abbildung 150.2-10: Funktionsprinzip einer Wärmepumpe

Der im Erdwärmekollektor zirkulierende Wärmeträger darf nicht einfrieren, wenn er Temperaturen unter 0°C annimmt. Wenn Wasser als Wärmeträger zum Einsatz kommt, wird diesem als Frostschutzmittel üblicherweise Äthylenglycol (z.B. 30%)

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beigemischt. Wärmepumpenanlagen werden zur Abdeckung von Heizlastspitzen auch häufig mit zusätzlichen Heizkesseln kombiniert. Bei diesem so genannten „bivaltenten Heizbetrieb“ werden aus betriebswirtschaftlichen Überlegungen für die teurere Wärmepumpe hohe Betriebszeiten mit geringen Energiekosten angestrebt, wobei für die unvermeidbaren, aber selten auftretenden Heizlastspitzen eine billigere Heizkesselanlage zugeschaltet wird, deren Betrieb jedoch mit höheren Kosten für den Energieträger verbunden ist. Für den Wärmepumpeneinsatz sind folgende Wärmequellen nutzbar: •

•

•

Erdwärme, wobei im Erdreich verlegte Kunststoffrohre als Wärmetauscher dienen – in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert –, die das Erdreich abkühlt und dabei Erdwärme aufnimmt. Außenluft, die von Ventilatoren über Wärmetauscher geleitet wird – in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert –, welche die Außenluft abkühlt und dabei Wärme aufnimmt. Oberflächen- oder Grundwasser, das von Pumpen über Wärmetauscher geleitet wird – in welchen eine kalte frostresistente Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert –, welche das Oberflächen- oder Grundwasser abkühlt und dabei Wärme aufnimmt.

Die Nutzung von Oberflächen- oder Grundwasser für den Wärmepumpeneinsatz bietet selten technische Probleme, erfordert jedoch meistens aufwändige wasserrechtliche Genehmigungsverfahren. Bei der Nutzung von Außenluft für den Wärmepumpeneinsatz können Funktionsstörungen auftreten, wenn Luftfeuchtigkeit im Wärmetauscher kondensiert und Eisbildung den Luftdurchtritt durch den Wärmetauscher behindert. Bei tiefen Außenlufttemperaturen ist außerdem mit geringen Leistungsziffern eines Wärmepumpenbetriebes zu rechnen, obwohl gerade dann der Heizwärmebedarf hoch ist.

150.2.7 AKTIVE SOLARENERGIENUTZUNG Glasflächen sind für Strahlungsenergie der Sonne besonders durchlässig. Die Strahlungsdurchlässigkeit wird mit einem Durchlassgrad g definiert und ist bei Glas von der Wellenlänge der durchdringenden Strahlungsenergie abhängig. Fensterglas ist im Wellenlängenbereich der Sonnenstrahlung (von 0,3 bis 3,0 µm) mit einem Durchlassgrad von g ~ 85% für Strahlungsenergie besonders durchlässig. Von der über Glasflächen in einen Sonnenkollektor eingedrungenen Strahlungsenergie wird ein Großteil an schwarzen Flächen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Abbildung 150.2-11: Heizwärmebedarf und Solarwärmeangebot

Passive Sonnenenergienutzung

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Bei geeigneter Bauweise kann man dabei einen flüssigen Wärmeträger auf Temperaturen (bis ca. +90°C) erwärmen und einem Wärmeversorgungssystem zuführen. Um zu vermeiden, dass die in Sonnenkollektoren zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit im Winter einfriert, wird ihr ein Frostschutzmittel beigefügt (üblicherweise 30% Äthylenglycol). Die Wirkungsgrade h von Solarkollektoren liegen derzeit bei etwa ~35%, das bedeutet, dass bei maximaler Sonneneinstrahlung von ~1000 W/m2 eine Leistung von ~350 W/m2 an ein Heizwassersystem abgegeben werden kann. Die auf eine horizontale Fläche jährlich eingestrahlte Sonnenenergie liegt am Standort Wien bei ungefähr ~1100 kWh/m2a. Mit Sonnenkollektoren wäre an diesem Standort demnach eine jährliche „Energieernte“ von 380 kWh/m2a möglich. Bedauerlicherweise decken sich die Zeiten von hohem Solarenergieangebot weder im Tagesverlauf noch im Jahresverlauf mit den Zeiten hohen Heizwärmebedarfes. Abbildung 150.2-12: Solaranlage zur Heizwassererwärmung

Durch Anordnung von „Heizwasser-Pufferspeichern“ in Heizwassersystemen ergibt sich die Möglichkeit, ein während des Tages auftretendes Überangebot an Solarwärme zwischenzuspeichern und die gespeicherte Solarwärme später zu nutzen, wenn die Sonne nicht mehr scheint. Weil einerseits im Sommer bei hohem Solarwärmeangebot nur ein geringer Wärmebedarf für die Warmwasserbereitstellung vorliegt und andererseits im Winter das Solarwärmeangebot gering ist, kommen Sonnenkollektoren vorzugsweise für die Warmwasserbereitstellung zum Einsatz. Sie können darüber hinaus in der Übergangszeit zur Erwärmung von Heizwasser beitragen. Zur Sicherstellung der Wärmeversorgung und zur Abdeckung von Heizlastspitzen kommen üblicherweise konventionelle Zusatzheizungen zum Einsatz. Im Jahresverlauf würde die über Sonnenkollektoren gewinnbare Wärme zur Deckung des Jahreswärmebedarfes von „Niedrigenergiehäusern“ zwar ausreichen, wegen der mit „Saisonwärmespeichern“ verbundenen hohen Kosten und des damit verbundenen Raumbedarfes wurde diese Möglichkeit bisher kaum genutzt.

150.2.8 PASSIVE SONNENENERGIENUTZUNG Über Glasflächen gelangt Strahlungsenergie der Sonne in die Innenbereiche von Bauwerken. In unbeheizten Glashäusern kann die Lufttemperatur über die Außenlufttemperatur deshalb ansteigen, weil ein Teil der mit dem Sonnenlicht durch Glasflächen eingestrahlten Sonnenenergie innerhalb der Glashäuser absorbiert wird, sich die dabei bestrahlten speicherfähigen Bauteilmassen erwärmen und die Glasflächen für die von den erwärmten Bauteilmassen emittierte Wärmestrahlung nahezu undurchdringlich sind. Dieses als „Glashauseffekt “ bezeichnete Phänomen ergibt sich prinzipiell bei jeder Fensterfläche.

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Die Raumerwärmung lässt sich verzögern, wenn es gelingt, speicherwirksame Massen in den von der Sonne bestrahlten Innenbereichen anzuordnen [85]. Diese können dann dazu beitragen, bei Sonneneinstrahlung die Erwärmung von Räumen zu verzögern und gleichzeitig die Nutzung eingestrahlter Sonnenenergie um mehrere Stunden auf Zeiten zu verlagern, in welchen das Solarwärmeangebot wieder unter dem Heizwärmebedarf liegt. Die Kombination der Wärmedämmung von Gebäudehüllen mit sinnvoll konzipierten Glasflächen und speicherfähigen Massen lässt sich so weit bringen, dass abgesehen von der Sonnenenergienutzung den Gebäuden für die Beheizung kaum noch Fremdenergie zugeführt werden muss. Für Gebäude, deren Jahresenergiebedarf unter 15 kWh/(m2·a) liegt, hat sich die Bezeichnung „Passivhäuser“ durchgesetzt. In der Bauordnung für Wien werden Passivhäuser beispielsweise folgendermaßen [22] definiert: „Passivhäuser sind Gebäude, deren Heizwärmebedarf kleiner als 15 kWh/m2a, bezogen auf die Nettogeschoßfläche, ist, wobei die Heizlast von 10 W/m2, bezogen auf die Nettogeschoßfläche, nicht überschritten werden darf.“ Bei dieser Art der Sonnenenergienutzung müssen die speicherwirksamen Massen im Gegensatz zu aktiver Sonnenenergienutzung innerhalb der Aufenthaltsräume untergebracht und der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden können. Speicherwirksame Bauteilmassen lassen sich beispielsweise auf folgende Weisen anordnen: •

Solarhaus: Böden, fensterlose Wände oder Decken werden massiv ausgebildet. Ihre speicherwirksame Oberfläche darf gegen die Innenräume nicht durch wärmedämmende Materialien oder Einrichtungen abgedeckt werden.

•

Trombe-Wand: Bei diesem Konzept wird die speicherfähige Masse in kurzem Abstand hinter den Glasflächen in Form einer Wand angeordnet. Über Luftdurchtrittsöffnungen im oberen und unteren Wandbereich wird eine Luftzirkulation zwischen dem „Kollektorraum“ und den Aufenthaltsräumen ermöglicht, die sich mit Luftklappen auch bedarfsabhängig steuern lässt.

•

Glashaus: Bei Vergrößerung des Kollektorraumes zu einem verglasten unbeheizten Vorraum entsteht ein „Glashaus“, das für den vorübergehenden Aufenthalt von Personen genutzt werden kann. Je nach Klimazone und gewählter Verglasungsart können im Winter in solchen Vorräumen auch tiefe Temperaturen (< 5°C) auftreten. In solchen Fällen ist eine Nutzung solcher Räume als „Wintergarten“ problematisch. Es entspricht nicht den Grundsätzen eines Passivhauskonzeptes, derartige verglaste Vorräume zu beheizen.

Abbildung 150.2-13: Passivhauskonzepte

SOLARHAUS

TROMBE-WAND

GLASHAUS

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Farbteil Bild 150.2-01

Bild 150.2-02

Bild 150.2-01: Pelletsanlieferung Bild 150.2-02: Pellets

Bild 150.2-03

Bild 150.2-04

Bild 150.2-03: Pellets-Kaminofen Bild 150.2-04: Pellets-Heizanlage

Bild 150.2-05: Pelletskessel mit Beschickungseinrichtung

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Farbteil

Bild 150.2-06: Scheitholzkessel mit natürlicher Verbrennungsluftversorgung

Bild 150.2-07: Scheitholzkessel mit mechanischer Verbrennungsluftversorgung

Bild 150.2-08

Bild 150.2-09

Bild 150.2-10

Bild 150.2-08 bis 10: Fernwärmeübergabe- bzw. Umformerstationen

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Farbteil Bild 150.2-11: Öl-Brennwertkessel

Bild 150.2-12: Gas-Brennwertkessel

Bild 150.2-13: Brennwerttherme

Bild 150.2-14: Gastherme

30 Bild 150.2-15


Bild 150.2-15 und 16: Solarkollektoranordnung

Bild 150.2-17: Bauelemente – Solaranlage für Warmwasser

Bild 150.2-18

Bild 150.2-19

Bild 150.2-18: Solarkollektoren mit Glasabdeckung Bild 150.2-19: Kunststoffkollektoren für Schwimmbadwassererwärmung

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150.3 ABGASANLAGEN Abgasanlagen haben die Aufgabe, die Abgase der angeschlossenen Feuerstätten sicher über Dach ins Freie abzuleiten. Der Begriff „Abgasanlage“ umfasst gemäß ÖNORM EN 1443 [59] alle Arten der Abgasführung, wie z.B. für Betrieb mit Unterdruck, mit Überdruck und/oder für Betrieb mit Kondensatbildung. Abgasanlagen bestehen aus unterschiedlichen Bauteilen (z.B. Innenrohr, Wärmedämmung, Ummantelung), die entweder unter Verwendung kompatibler Bauteile zusammengesetzt werden, die von einem Hersteller bezogen und bestimmt werden („System-Abgasanlage“) oder die unter Verwendung einer Kombination kompatibler Bauteile auf der Baustelle montiert oder eingebaut werden, die von einem oder verschiedenen Herstellern bezogen werden können („Montage-Abgasanlage“). Je nach Ausführung und Anwendung wird der senkrechte Abschnitt einer Abgasanlage auch als Schornstein, Fang, Abgasleitung oder Luft-Abgas-System bezeichnet. Schornstein: Abgasanlage, die rußbrandbeständig ist. Feuerstätten für feste Brennstoffe (z.B. Holz, Kohle) müssen an rußbrandbeständige Abgasanlagen angeschlossen werden. Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen kann Ruß entstehen, der sich im Schornstein ablagert und zu einem Ruß- bzw. Schornsteinbrand mit Temperaturen von ca. 1000°C führen kann. Neben Feuerstätten für feste Brennstoffe können an Schornsteine auch Feuerstätten für gasförmige oder flüssige Brennstoffe angeschlossen werden. Abgasleitung: Abgasanlage, die nicht rußbrandbeständig sein muss. An Abgasleitungen dürfen nur Feuerstätten mit niedrigen Abgastemperaturen (z.B. Niedertemperatur- oder Brennwertfeuerstätten) für die Brennstoffe Gas und Heizöl EL angeschlossen werden, da bei deren Betrieb in der Regel kein Ruß anfällt. Luft-Abgas-System: Abgasanlage mit nebeneinander oder ineinander (konzentrisch) angeordneten Schächten. Das Luft-Abgas-System führt der bzw. den Feuerstätten die notwendige Verbrennungsluft über den Luftschacht bzw. Verbrennungsluftsammler aus dem Bereich der Mündung der Abgasanlage zu und die Abgase über den Abgasschacht bzw. Abgassammler über das Dach ins Freie ab. Nach ÖNORM B 8200 [44] sind Luft-Abgas-Systeme (LAS) für den geschoßweisen Anschluss raumluftunabhängiger Gasfeuerstätten definiert. In den österreichischen Bauordnungen und Normen wird als Bezeichnung für den senkrechten Abschnitt einer Abgasanlage üblicherweise der Begriff „Fang“ verwendet. Dieser ist in ÖNORM B 8200 [44] definiert. Im Sinne dieser Norm erfüllt ein „Rauchfang“ oder „Abgasfang“ bereits alle Anforderungen, während eine Abgasanlage gemäß ÖNORM EN 1443 [59] gegebenenfalls einer zusätzlichen Ummantelung und/oder Verkleidung bedarf. Rauchfang: Fang, in welchen ausschließlich Abgase von Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe einer Wohn- oder Betriebseinheit eines Geschoßes eingeleitet werden können. Abgasfang: Fang, in welchen ausschließlich Abgase von Feuerstätten für gasförmige Brennstoffe einer Wohn- oder Betriebseinheit eines Geschoßes eingeleitet werden können.

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Abgasanlagen

Abbildung 150.3-01: Bauteile und Zubehörteile – Abgasanlage ÖNORM EN 1443 [59]

150.3.1 KLASSIFIZIERUNG UND KENNZEICHNUNG Nach ÖNORM EN 1443 [59] sind Abgasanlagen nach folgenden Leistungskenngrößen zu klassifizieren: • Temperatur, • Druck, • Kondensatbeständigkeit, • Korrosionswiderstand, • Rußbrandbeständigkeit und Abstand zu brennbaren Baustoffen. Wesentliche Zusatzinformationen sind folgende Eigenschaften: • •

Wärmedurchlasswiderstand, Widerstandsdruck (zur Berechnung des Druckverlustes),

Allgemeine Anforderungen

•

• •

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Feuerwiderstand – für die Wirkrichtung von innen nach außen bei üblicher Betriebsweise und Abstand zu brennbaren Baustoffen, – für die Wirkrichtung von außen nach außen, Frost-Tauwasserbeständigkeit, Brandverhalten bei Kunststoffleitungen.

Beispiel 150.3-01: Kennzeichnung einer Abgasanlage nach ÖNORM EN 1443 [59]

150.3.2 ALLGEMEINE ANFORDERUNGEN Abgasanlagen müssen so bemessen und ausgeführt werden, dass sie die Abgase wirksam und gefahrlos über das Dach ins Freie ableiten, standsicher, betriebsdicht und gegen Beanspruchungen durch Abgase und Verbrennungsprodukte widerstandsfähig sind, Wärmedehnungen nicht behindern, keine Brandgefahr darstellen und gereinigt und überprüft werden können. Bei Abgasanlagen, in denen die Abgase betriebsbedingt unter deren Taupunkttemperaturen abgekühlt werden (z.B. Abgasan-

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Abgasanlagen

lagen für Brennwertfeuerstätten), ist darüber hinaus eine ordnungsgemäße und umweltgerechte Ableitung der Kondensate sicherzustellen. Die Funktionsweise eines herkömmlichen Schornsteines bzw. Rauchfanges beruht auf dem Auftrieb (archimedisches Prinzip) der warmen und leichteren Luftsäule innerhalb des Schornsteines im Vergleich zur kühleren und schwereren Außenluft. Durch diese Auftriebskraft entsteht primär die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase, die von der Temperaturdifferenz der Abgase zur Außenluft und der Höhe des Schornsteines, von den Strömungs- und Reibungswiderständen sowie der Abkühlung der Abgase innerhalb des Schornsteines und der Frischluftzufuhr zur Feuerungsanlage abhängt. (150.3-01) ∆p ρa ρj H

Auftrieb Dichte der kalten Außenluft Dichte der warmen Abgase im Schornstein wirksame Schornsteinhöhe

[Pa] [kg/m3] [kg/m3] [m]

Die Abgase kühlen auf ihrem Weg von der Feuerstätte über das Verbindungsstück und den Schornstein bzw. Rauchfang ab. Die Abkühlung der Abgase im Schornstein hängt im Wesentlichen von folgenden Kriterien ab: der Wärmedämmung des Schornsteines, der Schornsteinhöhe, der inneren Schornsteinoberfläche (Querschnitt) und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Um Durchnässungen bzw. Versottungen durch Kondensatausfall zu verhindern, ist bei herkömmlichen Schornstein- bzw. Fangsystemen (feuchtigkeitsempfindlichen Systemen) zu beachten, dass durch die Abkühlung der Abgase im Schornstein die Taupunkttemperatur des Abgases langfristig nicht unterschritten wird. Ist dies beispielsweise aufgrund der niedrigen Abgastemperatur der Feuerstätte nicht möglich, ist der Einsatz von so genannten feuchtigkeitsunempfindlichen Systemen erforderlich.

150.3.2.1 STANDSICHERHEIT UND BRANDSCHUTZ Die zulässigen Fanghöhen und Höhen der Fangköpfe sind in einer statischen Berechnung (z.B. Typenstatik) festzulegen. Für System-Abgasanlagen sind die zulässigen Einbauhöhen vom Hersteller anzugeben. Das Fangmauerwerk oder die Mantelformsteine von mehrschaligen Fangsystemen – ausgenommen bauseitige Ummantelungen – dürfen durch andere Bauteile (z.B. Decken, Unterzüge) nicht unterbrochen oder belastet werden.


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Die brandschutztechnischen Anforderungen an Abgasanlagen bzw. Rauch- und Abgasfänge sind in den Bauordnungen festgelegt und umfassen folgende Schutzziele: • •

Schutz gegen unzulässige Wärmeübertragung zu angrenzenden brennbaren Baustoffen und Schutz gegen Brandausbreitung im Gebäude.

Soweit in den Bauordnungen keine abweichenden Bestimmungen oder Erleichterungen festgelegt sind, müssen in Gebäuden liegende Abgasanlagen für Feuerstätten für feste Brennstoffe zumindest aus nichtbrennbaren Baustoffen feuer- und rußbrandbeständig ausgeführt werden. Nach den Bauordnungen gelten gemauerte Rauchfänge aus gebrannten Mauerziegeln mit einer Wangendicke von mindestens 12 cm als rußbrandbeständig. Brennbare Baustoffe, ausgenommen solche, die nur mit geringer Fläche angrenzen wie z.B. Fußbodenleisten, müssen von den Außenoberflächen rußund feuerbeständiger Abgasanlagen in der Regel mindestens 5 cm und von den Reinigungsöffnungen 40 bis 50 cm Abstand aufweisen. In Räumen mit brennbaren Schüttgütern oder in Dachräumen von land- und forstwirtschaftlichen Gebäuden mit Erntegütern sind ausreichende Schutzabstände und Schutzvorkehrungen gegen Einschütten bedrohter Fangabschnitte notwendig. Zum Schutz gegen eine Brandausbreitung von Geschoß zu Geschoß (Brandbeanspruchung von außen) ist in einigen Bauordnungen auch eine geringere Feuerwiderstandsdauer als 90 Minuten zulässig. Sie muss jedoch mindestens der vorgeschriebenen Feuerwiderstandsdauer der Decke, die durchbrochen wird, bzw. der Wand, in der sich die Abgasanlage befindet, entsprechen. Abbildung 150.3-02: Brandschutztechnische Anforderungen [97]

A B

SCHUTZ GEGEN WÄRME UND RUSSBRAND IM INNEREN DES FANGES SCHUTZ GEGEN BRANDAUSBREITUNG VON GESCHOSS ZU GESCHOSS

Die Anforderungen sind in ÖNORM EN 1443 [59] und den einschlägigen Produktnormen geregelt: •

Rußbrandbeständigkeit: Die Prüfung auf Rußbrandbeständigkeit („Ausbrennversuch“) erfolgt mit einer Prüftemperatur von 1000°C, die 30 Minuten lang gehalten wird. Die Anstiegsrate der Prüftemperatur wird so reguliert, dass innerhalb von zehn Minuten die 1000°C erreicht werden. Die Temperaturen der Prüfanordnung sind so

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Abgasanlagen

lange aufzuzeichnen, bis sie ihren Höchstwert erreicht haben. Dabei darf die Temperatur von in der Nähe der Abgasanlage befindlichen brennbaren Baustoffen, bei einem angegebenen Abstand in mm und bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 20°C, höchstens 100°C erreichen. •

Feuerwiderstand für die Wirkrichtung von innen nach außen: Die Prüfung des Feuerwiderstandes für die Wirkrichtung von innen nach außen erfolgt unter üblicher Betriebsweise. Dabei darf die Temperatur von in der Nähe der Abgasanlage befindlichen brennbaren Baustoffen, bei einem angegebenen Abstand in mm und bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 20°C, höchstens 85°C erreichen.

•

Feuerwiderstand für die Wirkrichtung von außen nach außen: Die Prüfung des Feuerwiderstandes für die Wirkrichtung von außen nach außen (z.B. bei einem Brandüberschlag zwischen zwei Geschoßen) hat nach den entsprechenden Prüfnormen für Schächte und Leitungen zu erfolgen.

150.3.2.2 FANGQUERSCHNITTE Der Fangquerschnitt kann eine quadratische, rechteckige, ovale oder kreisrunde Form haben. Für rechteckige Querschnitte ist ein Seitenverhältnis von 1:1,5 einzuhalten. Das gilt sinngemäß auch für ovale Querschnitte, die beispielsweise bei der Querschnittsanpassung von gemauerten Fängen mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden. Die Querschnittsform hat Einfluss auf den Fangzug, indem kreisrunde Querschnitte geringere Strömungswiderstände haben als rechteckige. Der kreisrunde Querschnitt weist auch ein günstigeres Verhältnis der inneren Oberfläche (Abkühlfläche) zur Querschnittsfläche auf. Bezogen auf den kreisrunden Querschnitt beträgt das Verhältnis zum quadratischen und rechteckigen Querschnitt 1 : 1,128 : 1,152. Bei gleicher Querschnittsfläche besitzt ein quadratischer Querschnitt eine um ca. 13% größere innere Fangoberfläche (Auskühlfläche) als ein kreisrunder Querschnitt. In den Bauordnungen sind zum Teil Mindestquerschnitte festgelegt. Nach der Niederösterreichischen Bautechnikverordnung (NÖ BTV 1997) [30] beispielsweise müssen Regelfänge für den Anschluss von Feuerstätten für feste Brennstoffe einen Querschnitt von mindestens 14/14 cm oder Ø 14 cm haben, für flüssige Brennstoffe mindestens Ø 12 cm und für gasförmige mindestens Ø 10 cm. Tabelle 150.3-01: Einteilung von Rauch- und Abgasfängen nach dem Fangquerschnitt ÖNORM B 8200 [44] enger Fang mittlerer Fang weiter Fang überweiter Fang Fang für Großfeuerstätten

≤ 300 cm2 > 300 bis 2000 cm2 > 2000 bis 3000 cm2 > 3000 bis 5000 cm2 > 5000 cm2

Rauch- und Abgasfänge müssen in ihrer ganzen Höhe einen nach Form und Fläche gleich bleibenden lichten Querschnitt mit materialbezogenen glatten Innenflächen aufweisen. Geringfügige Querschnittsverengungen im Mündungsbereich (z.B. durch Aufsätze, nachträgliche Hochführungen) sind zulässig. Ziehungen sind bis zu einer maximalen Abweichung von 15° (Wien) bzw. bis 30° (z.B. Burgenland, Niederösterreich, Kärnten, Tirol) von der Lotrechten zulässig, soweit systembedingt die Funktion dadurch nicht beeinträchtigt wird.


37

150.3.2.3 FANGSOHLE Abgasanlagen sind auf einem tragfähigen Unterbau aus nichtbrennbaren Baustoffen aufzusetzen, der unter allen beim Betrieb auftretenden Temperaturen formbeständig bleibt und nicht schmilzt. In Gebäuden sind feuer- und/oder rußbrandbeständige Abgasanlagen entweder unmittelbar auf dem Baugrund zu fundieren oder auf einem feuerbeständigen Unterbau aus nichtbrennbaren Baustoffen zu errichten. Bei Wohngebäuden werden Rauch- und Abgasfänge zumeist bis in den Keller geführt. Das hat den Vorteil, dass die Fangsohle mit der unteren Reinigungsöffnung (Putzöffnung) nicht in einem Wohngeschoß zu liegen kommt. Bei Fangsystemen mit dichten Innenoberflächen (z.B. Metallrohren, Schamotterohren) ist auch bei trockener Betriebsweise im Bereich der Fangsohle eine so genannte Kondensatschale auszubilden, da anderenfalls die Gefahr besteht, dass über die Fangmündung eindringendes Regenwasser oder kurzfristig ausfallendes Kondensat sich im Bereich der Fangsohle sammelt und von dort in die angrenzende Bau- oder Fußbodenkonstruktion eindringt und diese durchnässt. Für im Aufstellraum allseitig frei stehende offene Kamine werden Abgasanlagen auch ohne Sohle ausgeführt.

150.3.2.4 FANGMÜNDUNG Bei der Anordnung und Lage der Mündung von Abgasanlagen und der Ausbildung des Fangkopfes sind im Wesentlichen folgende Belange zu berücksichtigen: • • • •

Druckverhältnisse an der Mündung und deren Auswirkungen auf die Zugverhältnisse des Fanges, Ausbreitung der Abgase im Freien, Immissionsauswirkungen auf umliegende Gebäude, Standsicherheit des Fangkopfes, Witterungsschutz.

Die günstigste Anordnung der Fangmündung über Dach ist im Firstbereich gegeben. Dies hat nicht nur bautechnische, sondern auch funktionelle Vorteile. Hier sind die Zugverhältnisse am gleichmäßigsten, störende Einflüsse auf die Nachbarschaft in der Regel nicht zu erwarten und die statischen Anforderungen und die Abkühlflächen aufgrund der geringen notwendigen Fangkopfhöhen relativ gering. Liegt die Fangmündung vom First zu weit entfernt und ist sie nicht ausreichend hoch, so kann dies zu Zugstörungen und zu Belästigungen auf der windabgekehrten Seite des Gebäudes führen. Dies gilt insbesondere auch bei zu geringen Fangkopfhöhen bei Flachdächern [6]. Die Mindestabstände zu Dachflächen und die Mindesthöhen über First bei durch den First geführten Fängen sind in den Bauordnungen festgelegt. Aus Gründen des Immissionsschutzes sind zumeist auch Mindesthöhen zu umliegenden Fenstern von Aufenthaltsräumen einzuhalten. Empfohlene Maße für die Lage von Mündungen von Abgasanlagen enthält ÖNORM EN 12391-1 [69]. Dabei wird unterschieden zwischen Mündungen von Unterdruck- und Überdruck-Abgasanlagen und bei den UnterdruckAbgasanlagen zwischen den Brennstoffen Festbrennstoff, Öl und Gas.

38

Abgasanlagen

Abbildung 150.3-03: Mündungen von Abgasanlagen ÖNORM EN 12391-1 [69]

1 2 3 4

5

POSITION DER MÜNDUNG IN DER NÄHE VON FENSTERN UND DACHFENSTERN AUF EINEM FIRSTDACH UNGEEIGNETER BEREICH DIESE WÄNDE KÖNNEN SOWOHL ZUM GEBÄUDE ALS AUCH ZUM NACHBARGEBÄUDE GEHÖREN DIE GRÖSSERE ENTFERNUNG ENTWEDER VOM ENDE VON DARUNTERLIEGENDEN FLACHDÄCHERN ODER 10 METER ZUM ANGRENZENDEN GEBÄUDETEIL SPITZE ANGRENZENDER HÖHERER GEBÄUDE

39

Allgemeine Anforderungen Tabelle 150.3-02: Empfohlene Maße und Lage von Mündungen von Abgasanlagen ÖNORM EN 12391-1 [69] empfohlene Maße für die Lage der Mündung für Lage der Mündung

Festbrennstoffe

Öl

Gas

Überdruck

[m]

[m]

[m]

[m]

a

Höhe über Dachfirst

≥ 0,4

≥ 0,4

≥ 0,4

0,4

a1

Höhe über Dachfirst von Spitzdächern von Strohdächern nahe dem First

≥ 0,8

≥ 0,8

≥ 0,8

≥ 0,8

a2

Höhe über Dach bei angrenzenden höheren Gebäuden oder Gebäudeteilen

0,6

0,6

0,6

0,6

b

Höhe über Flachdächern od. umschließender Brüstung

≥ 1,0

≥ 1,0

≥ 1,0

0,4

γ

Neigungswinkel des Daches

c

horizontaler Mindestabstand vom Spitzdach

≥ 2,3 od. c1

≥ 2,3 od. c1

≥ 2,3 od. c1

≥ 1,4 od. c1

c1

Mindestabstand nicht brennbarer Bauteile, gemessen in einem 90° Winkel zur Dachfläche eines Spitzdaches

1,0

1,0

1,0

0,4

c2

Höhe über dem Spitzdach

L

Abstand vom Dachfirst

d

Höhe über Öffnung

e

Höhe über Hindernissen oder dem höchsten Punkt eines nach oben geneigten Daches

f

Abstand der Abgasanlage vom Hindernis

g

Höhe der Hindernisse

h

Höhe über angrenzenden oder anschließenden Gebäuden

i

horizontaler Abstand zwischen Abgasanlage und angrenzenden oder anschließenden Gebäuden

j

Höhe des angrenzenden oder anschließenden Gebäudes

A

0,4

0,4

0,4

0,4

für L < 8,0

für L < 8,0

für L < 8,0

für L < 8,0

≥ 1,0

≥ 1,0

≥ 1,0

≥ 1,0

für f < 1,5·g

für f < 1,5·g

für f < 1,5·g

für f < 1,5·g

e > 1,0

e > 1,0

e > 1,0

e > 0,4

für i < 1,5·j

für i < 1,5·j

für i < 1,5·j

für i < 1,5·j

dann

dann

dann

dann

h > 1,0

h > 1,0

h > 1,0

h > 0,4

Abstand zu Gebäudeteilen, Fenstern und Öffnungen an einem Spitzdach

unter First oder a < 2,3

für A < 1,5

für A < 1,5

für A < 1,5

B

Höhe über Öffnungen im Abstand A

dann B ≥ 1,0 dann B ≥ 0,6 dann B ≥ 0,6 dann B ≥ 0,6

C

Abstand über oder an der Seite von Öffnungen auf einem Spitzdach

≥ 1,0

≥ 1,0

≥ 0,6

≥ 0,6

D

Abstand unter Öffnungen oder Fenstern auf einem Spitzdach

≥ 2,0

≥ 2,0

≥ 2,0

≥ 2,0

Als Witterungsschutz können für gemauerte Fangköpfe, Fangköpfe aus Mantelformsteinen und dgl. folgende Ausführungen vorgesehen werden: •

feuchtigkeitsabweisender und dampfdurchlässiger Putz,

•

Verkleidungen aus nichtbrennbaren Baustoffen auf einer Unterkonstruktion,

•

Ummauerung aus Sicht- oder Klinkerziegeln,

•

Fertigteilstülpkopfausführungen (z.B. aus Faserbeton).

40

Abgasanlagen

Beispiel 150.3-02: Mindesthöhen für Mündungen von Rauch- und Abgasfängen nach der Bauordnung für Wien [22] § 114. (4) Ausmündungen von Rauchfängen müssen von der Dachhaut desselben Gebäudes mindestens 1 m entfernt sein. Bei Dachneigungen von 30° und mehr genügt bei durch den First geführten Rauchfängen (Rauchfanggruppen) eine Höhe von 50 cm über dem First. Die Ausmündung von Rauchfängen muss weiters um 3 m höher als der Fenstersturz nahe gelegener Aufenthaltsräume im selben Gebäude oder in anderen Gebäuden auf derselben Liegenschaft oder auf einer angrenzenden oder jenseits einer Verkehrsfläche direkt gegenüberliegenden Liegenschaft sein. Aufenthaltsräume gelten nur dann als nahe gelegen, wenn sie, der Ausmündung zugekehrt, innerhalb eines Umkreises von 10 m von der Ausmündung eines Rauchfanges liegen. [Nach § 114. (1) werden Rauchfänge Abgasfängen gleichgehalten, sofern nicht anderes bestimmt ist.]

Bei der Anbringung von Verkleidungen ist auf eine bauphysikalisch korrekte Ausführung zu achten, um Feuchtigkeitsschäden infolge behinderter Dampfdiffusion zu vermeiden. Bei Blechverkleidungen ist – besonders bei Abgasanlagen mit feuchter Betriebsweise – die Gefahr von Korrosionsschäden zu beachten. Bei verkleideten Fangköpfen, insbesondere bei gemauerten Altbaufängen, können Versottungen im Fangkopfbereich und deren Folgeschäden oft nicht rechtzeitig erkannt werden, zumeist erst dann, wenn sie auch das Fangmauerwerk im Dachraum erfasst haben. 150.3.2.5 FANGAUFSÄTZE Fangaufsätze werden an der Fangmündung aus Gründen des Witterungsschutzes (Regenschutz) oder zur Verbesserung des Fangzuges angebracht. Sie können aus einem Stück (Fertigteil) bestehen oder aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt sein. Teilweise dienen sie als „Kronen der Dächer“ auch der „Verschönerung“ der Fangköpfe. Als Witterungsschutz werden meist „Abdeckhauben“ aus z.B. Dachziegeln, Mauerziegeln, Formsteinen aus Beton, Faserzement, Kupferblech oder Edelstahl verwendet. Eine der bekanntesten und gebräuchlichsten Ausführungen ist die so genannte „Meidinger Scheibe“. Abbildung 150.3-04: Meidinger Scheibe – Ausführungsbeispiele [94]

RUNDER FANGQUERSCHNITT

QUADRATISCHER FANGQUERSCHNITT

RECHTECKIGER FANGQUERSCHNITT


41

Fangaufsätze zur Verbesserung des Fangzuges gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen. Sie werden zumeist vorgesehen, um eine ungünstige Fanganordnung oder eine ungenügende Fanghöhe auszugleichen. Für Keramik-Aufsätze mit massiven Wandungen, die zur Ableitung der Abgase vom Zug an die Außenluft durch Unterdruck dienen, sind die Anforderungen in ÖNORM EN 13502 [77] festgelegt (z.B. Säurebeständigkeit, Frost-Tau-Wechselbeständigkeit, Strömungswiderstand, aerodynamisches Verhalten, Konformitätsbewertung). Die Norm behandelt offene Aufsätze, Firstaufsätze sowie zugeinschränkende Aufsätze. Als offene Aufsätze gelten auch abgedeckte Aufsätze mit seitlichen Auslässen, deren Größe insgesamt dem zweifachen Querschnitt des Abgasrohres entspricht. Aufsätze mit kleineren Auslässen gelten als zugeinschränkend. Abbildung 150.3-05: Offene Keramik-Aufsätze nach ÖNORM EN 13502 [77]

Bei Abgasanlagen für Nassbetrieb sind Aufsätze mit Abdeckungen oder solche, die eine Umlenkung des Abgasstromes an der Mündung bewirken, wegen der Gefahr von Eisbildung und Zufrieren der Mündung unzulässig. Nach der Bauordnung für Wien (§ 114) [22] sind beispielsweise Aufsätze nur zulässig, wenn sie bei jeder Windrichtung Saugzug bewirken, die ordnungsgemäße Reinigung nicht behindern, aus nichtbrennbaren, wärme- und frostbeständigen Baustoffen bestehen und einen lichten Querschnitt aufweisen, der der lichten Querschnittsfläche des Fanges entspricht.

150.3.2.6 REINIGUNGSÖFFNUNGEN Beispiel 150.3-03: Reinigungsöffnungen von Rauch- und Abgasfängen nach der Bauordnung und dem Garagengesetz für Wien [22] [27] § 114. (8) Bauordnung Wien In engen und mittleren Rauch- und Abgasfängen müssen Reinigungsöffnungen vorhanden sein. Die Verschlüsse der Reinigungsöffnungen müssen feuerhemmend ausgeführt und gegen ungewolltes Offenstehen gesichert sein. Reinigungsöffnungen müssen in jedem Rauchfang unten (Putzöffnung) und oben (Kehröffnung) innerhalb des Gebäudes vorhanden sein; von einer Kehröffnung ist abzusehen, wenn eine sichere Zugangsmöglichkeit zur Rauchfangmündung besteht. Putztüren müssen möglichst in den zugehörigen Wohn- und Betriebseinheiten sein. Sie dürfen jedenfalls in anderen als den zugehörigen Wohn- und Betriebseinheiten nicht vorgesehen sein. Kehröffnungen dürfen nur an allgemein zugänglichen Stellen und nur in solcher Höhe angeordnet werden, dass eine ordnungsgemäße Kehrung durchgeführt werden kann. Reinigungsöffnungen dürfen nicht in Räumen sein, in denen feuergefährliche Stoffe erzeugt, gelagert oder verarbeitet werden. § 17. (2) Garagengesetz Wien Garagen und deren brandgefährdete Nebenräume dürfen keine Rauchfangputztürchen enthalten.

42

Abgasanlagen

Abgasanlagen müssen gereinigt, auf ihren freien Querschnitt und die Dichtheit geprüft werden können. Die Reinigungs- und Kontrollöffnungen müssen mit geeigneten Verschlüssen versehen sein, die die Anforderungen an die Abgasanlage erfüllen. Sie müssen zur Durchführung der Arbeiten leicht erreichbar sein. Die wesentlichen Anforderungen betreffend die Anordnung und zulässige Lage von Reinigungsöffnungen sind in den Bauordnungen festgelegt. Für nicht europäisch genormte Abgasanlagen ist die Ausführung, Ausbildung und Prüfung von Reinigungsverschlüssen für Regelfänge in ÖNORM B 8250 [47] und für Sonderfänge in ÖNORM B 8251 [48] geregelt. Abbildung 150.3-06: Beispiele für die Anordnung von Reinigungsverschlüssen für Sonderfänge nach ÖNORM B 8251 [48]

150.3.2.7 NOTRAUCHFÄNGE In manchen Bauordnungen wird für Wohnungen zumindest in einem der Aufenthaltsräume ein Rauchfanganschluss („Notkamin“) vorgeschrieben, um bei einem schadens- oder mangelbedingten Ausfall leitungsgebundener Energieträger, des Wärmeerzeugers (Etagenheizung, Zentralheizung, Fernwärme) oder der Betriebsenergie eine Beheizbarkeit mit einer fanggebundenen Einzelraumfeuerstätte zu ermöglichen. Beispiel 150.3-04: Notrauchfänge nach der Bauordnung für Wien [22] § 112. (1) Aufenthaltsräume müssen ausreichend beheizbar sein; die ausreichende Beheizbarkeit ist dann gegeben, wenn ein Rauchfanganschluss (Abgasfanganschluss) oder ein Versorgungsanschluss für die Raumheizung im Raum vorhanden ist. In jeder Wohnung muss mindestens ein Aufenthaltsraum einen Rauchfanganschluss (Abgasfanganschluss) in einen Fang mit einem lichten Querschnitt von mindestens 14 cm Durchmesser haben; dies gilt nicht für Wohnungen in Hochhäusern und in Passivhäusern. Passivhäuser sind Gebäude, deren Heizwärmebedarf kleiner als 15 kWh/m2a, bezogen auf die Nettogeschoßfläche, ist, wobei die Heizlast von 10 W/m2, bezogen auf die Nettogeschoßfläche, nicht überschritten werden darf. Vom Erfordernis der Beheizbarkeit kann abgesehen werden, wenn der Verwendungszweck des Raumes die Beheizung entbehrlich macht.

43

Dimensionierung

150.3.3 DIMENSIONIERUNG 150.3.3.1 BERECHNUNGSVERFAHREN Die wärme- und strömungstechnischen Berechnungsverfahren für Abgasanlagen sind in ÖNORM EN 13384-1 [72] und -2 [73] beschrieben. Teil 1 der Norm behandelt Abgasanlagen mit Anschluss einer Feuerstätte, der Teil 2 Abgasanlagen mit Anschluss mehreren Feuerstätten (z.B. Luft-Abgas-Systeme). Bei der Berechnung der Innenabmessungen (Querschnitt) von Abgasanlagen mit einer Feuerstätte (ÖNORM EN 13384-1) wird unterschieden zwischen Unterdruck- und Überdruck-Abgasanlagen. Durch die Ergebnisse des Berechnungsverfahrens werden die Abgasanlagen mittels Druck- und Temperaturbedingungen auf Funktion und Eignung für die Feuerstätte und den verwendeten Brennstoff überprüft bzw. dafür dimensioniert. Die Berechnungen basieren auf nachfolgenden Kriterien. Unterdruck-Abgasanlagen mit einer Feuerstätte: • Der Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage muss entweder gleich oder größer sein als der notwendige Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage. • Der Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage muss entweder gleich oder größer sein als der notwendige Förderdruck für die Zuluft. • Die Innenwandtemperatur an der Mündung der Abgasanlage muss entweder gleich oder größer sein als die Grenztemperatur. Überdruck-Abgasanlagen mit einer Feuerstätte: • Der Überdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage muss gleich oder kleiner sein als der nutzbare Überdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage. • Der Überdruck im Verbindungsstück und im senkrechten Abschnitt der Abgasanlage darf nicht größer sein als deren Auslegungsdruck. • Die Innenwandtemperatur an der Mündung der Abgasanlage muss entweder gleich oder größer sein als die Grenztemperatur. Dabei sind folgende Druck- und Temperaturbedingungen einzuhalten: Druckbedingung Unterdruck-Abgasanlage: (150.3-02) pB pFV pH pL pR pW pZ pZe

notwendiger Förderdruck für die Zuluft notwendiger Förderdruck für das Verbindungsstück Ruhedruck Winddruck Widerstandsdruck für den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage notwendiger Förderdruck für die Feuerstätte Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage notwendiger Unterdruck an der Abgaseinführung in den senkrechten Abschnitt der Abgasanlage

[Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa]

44

Abgasanlagen

Druckbedingung Überdruck-Abgasanlage: (150.3-03) pWO pZO pZoe pZexcess pR

max. Differenzdruck der Feuerstätte Überdruck an der Abgaseinmündung in die Abgasanlage max. Differenzdruck an der Abgaseinführung in die Abgasanlage höchster zulässiger Auslegungsdruck der Abgasanlage Widerstandsdruck in der Abgasanlage

[Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa]

Temperaturbedingungen: (150.3-04) Tiob Tg

Innenwandtemperatur an der Mündung bei Beharrung Grenztemperatur

[K] [K]

Bei Abgasanlagen, deren freies Ende über Dach eine Wärmedämmung aufweist, ist zusätzlich folgende Temperaturbedingung einzuhalten: (150.3-05) Tirb

Innenwandtemperatur unmittelbar vor der zusätzlichen Dämmung

[K]

Für Abgasanlagen für trockene Betriebsweise ist die Grenztemperatur Tg der Innenwand die Taupunkttemperatur Tsp des Abgases. Für Gas und Heizöl EL ist die Taupunkttemperatur Tsp des Abgases der Wasserdampftaupunkt Tp. Für Kohle, Schweröl und Holz ist die Taupunkttemperatur des Abgases gleich dem Säuretaupunkt Tsp = Tp + ∆Tsp. Für Holz ist beispielsweise der Anstieg der Taupunkttemperatur (∆Tsp) durch Säure mit 15 K zu berücksichtigen. Für Abgasanlagen für feuchte Betriebsweise ist Tg = 273,15 K (0°C). Diese Bedingung dient der Vermeidung bzw. Reduktion von Eisbildung. Der Wasserdampftaupunkt Tp des Abgases hängt ab von der Brennstoffart und der Luftverhältniszahl. Je geringer der Luftüberschuss (bzw. je höher der CO2-Wert ist), desto höher ist die Taupunkttemperatur des Abgases. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Abgas mit geringerem Luftüberschuss weniger Wasser bzw. Wasserdampf aufnehmen/halten kann und die Kondensation deshalb schon bei höheren Temperaturen beginnt. Abbildung 150.3-07: Taupunkttemperaturen Tp verschiedener Brennstoffe [97]

45

Dimensionierung

150.3.3.2 WÄRMEDURCHLASSWIDERSTAND Die in Rauch- oder Abgasfängen abzuführenden Abgase geben Wärme an die Fangwangen ab. Damit verringert sich zum einen die Temperatur der Abgase im Fang, zum anderen auch der Fangzug bzw. Förderdruck. Herkömmliche Fangsysteme müssen daher je nach Querschnitt, Höhe und Lage des Fanges im oder am Gebäude einen ausreichenden Wärmedurchlasswiderstand aufweisen, damit die Abkühlung der Abgase möglichst gering gehalten wird. Eine ausreichende Wärmedämmung dient auch als Schutz gegen eine unzumutbare Erwärmung der Fangaußenseiten gegenüber Aufenthaltsräumen. Der Wärmedurchlasswiderstand (1/∆) des senkrechten Abschnittes einer Abgasanlage kann nach ÖNORM EN 13384-1 [72] bei Kenntnis der Wärmeleitkoeffizienten der Werkstoffe der Konstruktion bestimmt werden.

(150.3-06)

Dh Dh,n y

λn

innerer hydraulischer Durchmesser innerer hydraulischer Durchmesser der Innenseite jeder Schicht Formbeiwert = 1,00 für runde und ovale Querschitte = 1,10 für quadratische und rechteckige Querschnitte bis zu einem Seitenverhältnis von 1:1,5 Wärmeleitkoeffizient der einzelnen Schichten

[m] [m] [–] [–] [W/(mK)]

Mindestwerte für den Wärmedurchlasswiderstand sind zumeist in den Bauordnungen festgelegt. Nach der Niederösterreichischen Bautechnikverordnung (NÖ BTV 1997) [30] müssen – ausgenommen Systeme, bei denen eine Unterschreitung der Taupunkttemperaturen zulässig ist – folgende Mindestwerte eingehalten werden: allgemein 0,12 m2K/W, gegen das Freie, nicht ausgebaute Dachräume oder unbeheizte Gebäudeteile 0,22 m2K/W und bei Feuerstätten mit einer Abgastemperatur am Abgasstutzen von mehr als 400°C und für Zentralheizungen 0,40 m2K/W. Abbildung 150.3-08: Wärmedurchlasswiderstände eines wärmegedämmten Innenrohres

Nach ÖNORM B 8200 [44] werden Rauch- und Abgasfänge nach dem Wärmedurchlasswiderstand (ermittelt am trockenen Fang mit einer mittleren Temperatur der

46

Abgasanlagen

inneren Oberfläche von 200°C und der äußeren Oberfläche von 20°C) einer Ausführungsart von I bis IV zugeordnet. Tabelle 150.3-03: Rauch- und Abgasfänge – Ausführungsarten ÖNORM B 8200 [44] Ausführungsart

Wärmedurchlasswiderstand [m2K/W]

I II III IV

> 0,65 > 0,22 bis 0,65 > 0,12 bis 0,22 ≤ 0,12

150.3.4 AUSFÜHRUNGSARTEN ABGASANLAGEN Abgasanlagen können nach ihrer Funktions- und Betriebsweise entsprechend ihrer Kennzeichnung unterteilt werden in: •

•

Abgasanlagen für Unterdruckbetrieb und – Trockenbetrieb (z.B. herkömmliche Fangsysteme für den Anschluss von Feuerstätten, bei denen die Abgase durch thermischen Auftrieb (Unterdruck) abgeführt werden und nicht kondensieren), oder – Nassbetrieb (z.B. feuchtigkeitsunemfindliche Fangsysteme für den Anschluss von Feuerstätten, bei denen die Abgase durch thermischen Auftrieb (Unterdruck) abgeführt werden und kondensieren). Abgasanlagen für Überdruckbetrieb und – Trockenbetrieb, oder – Nassbetrieb.

Nach dem Aufbau können Abgasanlagen in einoder mehrschalige Konstruktionen unterteilt werden. Eine weitere Einteilung ist nach den Baustoffen möglich (z.B. Metallabgasanlagen, Abgasanlagen mit Innenrohr aus Keramik, Beton, Metall, Glas oder Kunststoff). 150.3.4.1 EINSCHALIGE FANGSYSTEME Einschalige Rauch- und Abgasfänge wurden früher aus gebrannten Ziegeln gemauert. Die Querschnittsabmessungen und Wangendicken ergaben sich aus dem verwendeten Ziegelformat. Das früher in Österreich gebrauchte Ziegelformat betrug 29 cm x 14 cm x 6,5 cm („großes Format “), welches durch das „kleine Format “ mit den Abmessungen 25 cm x 12 cm x 6,5 cm abgelöst wurde. Die Fänge wurden einoder mehrzügig ausgeführt. Soweit einschalige Rauch- und Abgasfänge heute noch ausgeführt werden, finden dafür entweder gebrannte Formziegel oder Leichtbetonformsteine Verwendung. Abbildung 150.3-09: Beispiele einschaliger Fangsysteme aus gebrannten Ziegeln

Ausführungsarten Abgasanlagen

47

Betonformblöcke für Abgasanlagen sind in ÖNORM EN 1858 [67] genormt. In der Norm sind die Werkstoffe, Maße und Leistungsanforderungen sowie die Konformitätsbewertung festgelegt. Die Betonblöcke können einoder mehrschalig sein und auch als geschoßhohe und bewehrte Elemente gefertigt werden. Die Betonformblöcke können als Vollwand- oder Hohlwand-Formblöcke mit einem oder mehreren Zügen hergestellt werden (Die Norm regelt auch mehrschalige Formblöcke mit in den Block gegossenem Betoninnenrohr). Abbildung 150.3-10: Betonformblöcke nach ÖNORM EN 1858 [67] und Keramikformblöcke nach ÖNORM EN 1806 [63]

BETONFORMBLÖCKE VOLLWAND-FORMBLÖCKE HOHLWAND-FORMBLÖCKE

KERAMIKFORMBLÖCKE

Keramik-Formblöcke für einschalige Abgasanlagen nach ÖNORM EN 1806 [63] können kreisrunde, quadratische oder rechteckige Züge haben. Sie können mit oder ohne Wandverbund sowie mit oder ohne Dämmung gefertigt werden.

150.3.4.2 MEHRSCHALIGE FANGSYSTEME Ein mehrschaliges Fangsystem besteht aus der abgasführenden Innenschale, der Wärmedämmung und der Außenschale. Innenschalen • Formstücke aus Schamotte, • Formstücke aus Beton, • Edelstahlrohre. Als Wärmedämmung werden je nach System mineralische Dämmplatten/-schalen oder mit hydraulischen Bindemitteln leicht gebundene mineralische Schütt-Dämmstoffe (z.B. aus expandiertem Perlit) verwendet. Bei zweischaligen Ausführungen dient eine gegebenenfalls verbleibende stehende Luftschicht zwischen Innen- und Außenschale als Dämmung. Außenschalen • Mantelstein-Formstücke aus Beton, • Mauerwerk (Ziegel, Betonsteine u.a.), • Ortbeton. Die Außenschalen sorgen für die Standsicherheit des Fangsystems und verhindern zusammen mit den übrigen Bauteilen Brandübertragung von Geschoß zu Geschoß und Brandübertragung vom Inneren des Fanges in angrenzende Räume. Ist aus Gründen des Brandschutzes keine massive Ummantelung erforderlich wie z.B. im Außenbereich, dann sind als äußere Schalen auch Ausführungen aus Metall (z.B. Edelstahl) üblich.

48

Abgasanlagen

Abbildung 150.3-11: Dreischaliges Fangsystem mit Keramik-Innenrohr

Abbildung 150.3-12: Keramik-Innenschalen nach ÖNORM EN 1457 [61]

Bei dreischaligen Fängen muss die freie Beweglichkeit des Innenrohres in Längsrichtung, insbesondere im Bereich der Sonderformstücke und der Fangmündung, sichergestellt sein. Bei der Fangmündung erfolgt dies beispielsweise durch spezielle Abschlussformstücke oder durch so genannte Dehnfugenmanschetten aus Edelstahl, bei den Reinigungsöffnungen durch entsprechende Verschlüsse. Die seitliche Halterung der Innenschale erfolgt durch die Dämmschicht, die dazu ausreichend formbeständig sein muss, bei Edelstahlrohren durch Abstandhalter. Die Anforderungen an die einzelnen Bauteile werden zunehmend durch europäische Normen (z.B. ÖNORM EN 1457 [61] für Keramik-Innenrohre, ÖNORM EN 1857 [66] für Beton-Innenrohre) festgelegt. Die Systemanforderungen an dreischalige Fänge mit Schamotteinnenrohr sind in ÖNORM B 8215 [46] geregelt.

150.3.4.3 FEUCHTIGKEITSUNEMPFINDLICHE FANGSYSTEME Dreischalige Fangsysteme mit Ableitung der Abgase durch thermischen Auftrieb (Unterdruck) können bei entsprechender Ausführung auch für Nassbetrieb geeignet sein. Diese werden als „feuchtigkeitsunemfindliche Fangsysteme“ bezeichnet und stellen eine Weiterentwicklung des dreischaligen Fangsystems dar. Im Wesentlichen wird zwischen folgenden zwei Bauarten unterschieden:


49

•

Verwendung wasser- und dampfdichter Innenschalen (z.B. aus Schamotterohren mit Innenglasur oder Edelstahlrohren mit jeweils entsprechend dicht ausgeführten Verbindungen und Anschlüssen) oder

•

Innenschalen mit hinterlüfteter Dämmschicht.

Über die Hinterlüftung wird die durch die Innenschale und die Dämmschicht hindurchdiffundierende Feuchtigeit nach oben ins Freie abgeführt, ohne dass es in der Hinterlüftung zur Kondensation bzw. zu einer Durchfeuchtung der Außenschale kommt. Die Hinterlüftung wird je nach System über einen Ringspalt oder über Hinterlüftungskanäle geführt [6]. Die Zuluftöffnungen werden im Bereich der Fangsohle angeordnet, die Abluftöffnungen im Mündungsbereich. Abbildung 150.3-13: Bauarten von feuchtigkeitsunempfindlichen Fangsystemen mit SchamotteInnenrohr

Die zulässige Fanghöhe von feuchtigkeitsunempfindlichen Fängen ergibt sich grundsätzlich aus den funktionellen und statischen Bedingungen, bei solchen mit Hinterlüftung auch aus der Leistungsfähigkeit der Hinterlüftung. Der Nachweis der Brauchbarkeit von feuchtigkeitsunempfindlichen Fängen mit Hinterlüftung erfolgt nach den „Richtlinien für die Prüfung und Beurteilung von feuchteunempfindlichen Hausschornsteinen“ des DIBt Berlin [26]. 150.3.4.4 METALLFÄNGE Bei Metallfängen handelt es sich in der Regel um dreischalige Fangsysteme, bestehend aus dem abgasführenden Metall-Innenrohr, der Dämmschicht und dem Außenmantel. Für das Innenrohr werden im Neubau starre Edelstahlrohre (im Sanierungsbereich auch flexible Innenrohre) verwendet, für geringere Temperaturklassen auch Aluminiumrohre. Die Wärmedämmung erfolgt durch mineralische Dämmstoffe. Als Außenschalen können massive Ummantelungen wie Mauerwerk (z.B. Ziegel, Betonsteine) oder Ortbeton verwendet werden. Wenn aus Gründen des Brandschutzes keine massive Ummantelung erforderlich ist, beispielsweise bei Außenanlagen oder Fangabschnitten im Freien, werden als Außenschalen Metallrohre aus Edelstahl oder Aluminium verwendet. Die Mindestdicke einwandiger starrer Edelstahl-Rohre beträgt gewöhnlich 0,6 mm, bei doppelwandigen Rohrelementen aus abgasführendem Innen- und einem Außenrohr 0,4 mm. Der Raum zwischen Innen- und Außenrohr dient der Aufnahme des Dämmstoffes (z.B. Kaolin- oder Mineralwolle) [107]. Die Verbindung der Rohrformstücke erfolgt über Muffen-Steckverbindungen, die mit Edelstahlklemmverschlüssen gesichert werden. Bei doppelwandigen Rohrelementen mit integrierter Wärmedämmung erfolgt die Verbindung der Rohrelemente mittels spezieller Verschlüsse (z.B. Überfalz-Steckverbindung mit Befestigungsmanschette, Klemm- oder Drehverschluss). Die Anforderungen an die einzelnen Produkte sowie an die Planung von MetallAbgasanlagen werden zunehmend durch europäische Normen geregelt (z.B.

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Abgasanlagen

ÖNORM EN 1859: Abgasanlagen – Metall-Abgasanlagen – Prüfverfahren [68], ÖNORM EN 1856-1: Abgasanlagen – Anforderungen an Metall-Abgasanlagen; Teil 1: Bauteile für System-Abgasanlagen [64], ÖNORM EN 12391-1: Abgasanlagen – Ausführungsbestimmungen für Metallabgasanlagen; Teil 1: Abgasanlagen für raumluftabhängige Feuerstätten [69]). Abbildung 150.3-14: System-Abgasanlage aus Metall – Bezeichnungen nach ÖNORM EN 1856-1 [64] a wärmegedämmte doppelschalige Metallabgasanlage in einem Betonstein

b wärmegedämmte Metallabgasanlage ohne Ummantelung innen oder außen am Gebäude c wärmegedämmte doppelschalige Metallabgasanlage in Zellenformstücken d wärmegedämmte doppelschalige Metallabgasanlage in einer Ummantelung, die teilweise das Gebäude selbst bildet e wärmegedämmte doppelschalige Metallabgasanlage in einer Ummantelung aus festgelegtem Baustoff

ÖNORM EN 1856-1 [64] legt die Leistungsanforderungen für Bauteile für ein- und mehrschalige System-Abgasanlagen mit Metall-Innenrohren (Abschnitte der Abgasanlage, Formstücke und Aufsätze, einschließlich der Halterung) fest. Sie enthält ebenfalls Anforderungen an die Kennzeichnung, Herstelleranweisungen, Produktinformationen und Beurteilung der Konformität. Die Prüfverfahren für Metall-Abgasanlagen sind in ÖNORM EN 1859 [68] genormt. Die Wanddicken der Metallrohre werden durch die aufzunehmenden Lasten und Beanspruchungen bestimmt. In Verbindung mit der Werkstoffart dient die Wanddicke auch der Beurteilung der Korrosionswiderstandsfähigkeit. Nach ÖNORM EN 1856-1 [64] ist die Korrosionswiderstandsfähigkeit eines Metall-Innenrohres auf folgende Arten zu erklären: • •

Werkstoffart (gemäß Tabelle 4 der ÖNORM EN 1856-1) und Dicke des Abgasrohres oder Prüfung von mindestens einem im normativen Anhang A beschriebenen Prüfverfahren, wobei Produkte, die nach A.1 geprüft sind mit „V1“, Produkte, die nach A.2 geprüft sind mit „V2“ und Produkte, die nach A.3 geprüft sind mit „V3“ bezeichnet werden.

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Produkte, die eine Herstellererklärung aufgrund der Werkstoffart und der Wanddicke besitzen, werden mit „Vm“ bezeichnet. Die Verbindung zwischen V1, V2, V3 und Vm und dem vorgesehenen Einsatz kann durch nationale Vorschriften festgelegt werden. Tabelle 150.3-04: Werkstoffe für Abgasinnenrohre ÖNORM EN 1856-1 [64]

1)

Werkstoffart

Werkstoff-Nummer

10

EN AW – 4047A

11 13 20 30 40 50 60 70

EN AW – 1200A EN AW – 6060 1.4301 1.4307 1.4401 1.44041) 1.4432 1.4539

Bezeichnung EN AW Al Si 12(A) und CU < 0,1%, Zn < 0,15% (Gussaluminium) EN AW – AI 99,0 (A) EN AW – AI MgSi X5CrNi 18-10 X2CrNi 18-9 X5CrNiMo 17-12-2 X2CrNiMo 17-12-2 X2CrNiMo 17-12-3 X1NiCrMoCu 25-20-5

Für den Werkstoff 1.4404 ist der Werkstoff 1.4571 (X6CrNiMoTi 17-12-2) als gleichwertig anzusehen.

Die gesamten Werkstoffanforderungen an das Abgasrohr werden durch den Buchstaben L gefolgt von einer 5-stelligen Zahl ausgedrückt. Die ersten beiden Stellen geben einen Hinweis auf den Werkstoff gemäß Tabelle 4 der ÖNORM EN 1856-1, die drei letzten Stellen einen Hinweis auf die Werkstoffdicke multipliziert mit 10–2 mm. Die Werkstoffangabe L 40060 beispielsweise bezeichnet ein Abgasrohr aus Edelstahl mit der Werkstoff-Nummer 1.4401 und mit einer Dicke von 0,60 mm. Die Abschnitte und Formstücke von System-Abgasanlagen sind nach ÖNORM EN 1856-1 [64] nach folgendem System zu kennzeichnen: Beispiel 150.3-05: Kennzeichnung von Abschnitten und Formstücken [64] System-Abgasanlage ÖNORM EN 1856-1 – T400 – P1 – W – VxL40060 – G(xx) System Abgasanlage ÖNORM EN 1856-1 T400 P1 W VxL40060 G(xx)

Produktbeschreibung Normnummer Temperaturklasse Druckklasse Kondensatbeständigkeitsklasse Korrosionswiderstand Rußbrandbeständigkeit (G: ja oder O: nein) und Abstand xx zu brennbaren Baustoffen

Für Montage-Abgasanlagen müssen nach ÖNORM EN 12391-1 [69] starre Innenrohre verwendet werden, die die Anforderungen nach prEN 1856-2 erfüllen; Produkte für System-Abgasanlagen nach ÖNORM EN 1856-1 [64] sind ebenfalls zulässig. Wo eine Berührung der Abgasanlage durch Menschen möglich ist, darf die äußere Oberflächentemperatur zum Schutz gegen Verbrennungen bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten. Tabelle 150.3-05: Höchstwerte der Oberflächentemperatur ÖNORM EN 1856-1 [64] Werkstoff der Außenschale Metall, Metall, Metall, Metall, 1)

blank lackiert emailliert kunststoffbeschichtet

zulässige Höchsttemperatur1) 70°C 80°C 86°C 90°C

Diese Werte beruhen auf den in ÖNORM EN 563 [57] angegebenen Kriterien für eine Brandschwelle von einer Sekunde.

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Abgasanlagen

150.3.4.5 ABGASLEITUNGEN Abgasleitungen sind dichte, abgas- und kondensatbeständige Abgasanlagen in nicht rußbrandbeständiger Ausführung zur Abführung der Abgase von Feuerstätten für niedrige Abgastemperaturen (z.B. Niedertemperatur- oder Brennwertkessel) für die Brennstoffe Gas oder Heizöl EL. Abgasleitung und Feuerstätte müssen aufeinander abgestimmt sein. Im Abgasweg (Feuerstätte oder unmittelbar nach dem Abgasstutzen) ist nach der „Richtlinie für die Zulassung von Abgasanlagen für Abgase mit niedrigen Temperaturen“ des DIBt Berlin ein Sicherheitstemperaturbegrenzer erforderlich, der bei Überschreiten der maximal zulässigen Abgastemperatur die Feuerungseinrichtung abschaltet [25]. Abgasleitungen werden ausgeführt aus Edelstahl, Aluminium, Schamotte, Spezialglas (Borosilikatglas) oder Kunststoff (z.B. Polypropylen, Polyvinylidenfluorid). Sie müssen einen lichten Durchmesser oder eine lichte Seitenlänge von mindestens 5 cm haben; die längere Seite rechteckiger lichter Querschnitte darf das 1,5-Fache der kürzeren nicht überschreiten [25]. Die Dichtheit der Rohrverbindungen wird durch eine entsprechende Ausbildung der Rohrenden und durch Dichtringe (z.B. aus Silikon) erreicht. Das Material der Dichtungen bestimmt in der Regel auch die Temperaturklasse (z.B. T 80, T 120, T 160) der Abgasleitung. Abgasleitungen werden als Außen- oder Innenanlagen gebaut. Im Inneren von Gebäuden ist der vertikale Abschnitt von Abgasleitungen innerhalb eigener Schächte mit Hinterlüftung zu führen („Gleichstrom“-Abgasleitung). Die Hinterlüftung dient der Abführung allfälliger Leckgasmengen im Schadensfall. Die erforderliche Belüftung des Schachtes kann bei raumluftunabhängigen Wärmeerzeugern auch durch eine Verbrennungsluftansaugung von der Mündung über den Ringspalt zwischen Abgasleitung und Schacht erfolgen („Gegenstrom“-Abgasleitung). Die Anordnung mehrerer Abgasleitungen in nur einem Schacht ist zulässig, wenn die Feuerstätten in einem gemeinsamen Aufstellraum oder nur in Räumen stehen, die die Anforderungen an Heizräume erfüllen. Für Abgasleitungen aus brennbaren Baustoffen (z.B. Kunststoff) sind in der Regel mindestens feuerbeständige Schachtausführungen erforderlich. Der Abstand zwischen der Abgasleitung (Muffenmaß) und der Innenseite des Schachtes muss mindestens 3 cm betragen, bei rundem lichtem Querschnitt der Abgasleitung in einem Schacht mit rechteckigem lichtem Querschnitt mindestens 2 cm. Innerhalb des Aufstellraumes der Feuerstätte geführte Abschnitte der Abgasleitung müssen bei Überdruckbetrieb hinterlüftet sein (Ringspalt muss mit der Schachthinterlüftung in Verbindung stehen), sofern die Feuerstätte nicht in einem eigenen und gut belüfteten Aufstellraum steht. Bei Abgasleitungen aus brennbaren Baustoffen (z.B. Kunststoff) muss der innerhalb des Aufstellraumes der Feuerstätte liegende Abschnitt der Abgasleitung in einem formbeständigen Hüllrohr aus nichtbrennbaren Baustoffen geführt werden, sofern der Aufstellraum der Feuerstätte nicht als Heizraum ausgeführt ist [25]. Abgasleitungen sind grundsätzlich so zu führen, dass ein vollständiger und kontinuierlicher Kondensatrückfluss sichergestellt ist. Innerhalb des Aufstellraumes der Feuerstätte angeordnete waagrecht geführte Abschnitte der Abgasleitung müssen zwischen Feuerstätte und dem vertikalen Leitungsabschnitt ansteigend mit einer Neigung von mindestens 3 Grad geführt werden. Werden die Kondensate nicht über die Feuerstätte abgeleitet, muss die Abgasleitung mit einem Kondensatablauf mit einem Innendurchmesser von mindestens 15 mm ausgestattet sein. Der Kondensatablauf muss zum Schutz gegen den Austritt von Abgas eine Abgassperre besitzen, z.B. einen geeigneten gasdichten Siphon, der gegenüber den auftretenden Drücken dicht ist [25].

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Ausführungsarten Abgasanlagen Abbildung 150.3-15: Abgasleitung mit Hinterlüftung („Gleichstrom“-Abgasanlage)

Das in der Feuerungsanlage anfallende Kondensat ist unter Beachtung der landesrechtlichen und wasserrechtlichen Vorschriften ordnungsgemäß abzuleiten. Grundsätzlich ist es kontinuierlich in das Abwassersystem einzuleiten. Die Kondensatleitung muss bis zur Einleitung in das Abwassersystem aus geeigneten Werkstoffen bestehen. Solche sind z.B.: •

Steinzeugrohre, gekennzeichnet gemäß ÖNORM B 5037 [42], welche den Anforderungen der ÖNORMEN EN 295-1, -2 und -3 [50][51][52] entsprechen,

•

Rohre aus PVC gemäß ÖNORM EN 1329-1 [58] bzw. ÖNORM B 5184 [43],

•

Rohre aus Polyethylen (PE) gemäß ÖNORM EN 1519-1 [62],

•

Rohre aus ABS oder ASA gemäß ÖNORM EN 1455-1 [60].

Als Planungsgrundlage für die Ermittlung der maximal zu erwartenden stündlichen Kondensatmenge Mk für Brennwertfeuerungsanlagen (Heizkessel und Abgasleitung) gilt nach ÖNORM H 5152 [87]: (150.3-07) Mk mk

Qf

maximal zu erwartende stündliche Kondensatmenge spezifische Kondensatmenge Gas – Brennwert – Feuerstätten mk = 0,14 Öl – Brennwert – Feuerstätten mk = 0,08 Brennstoff-Wärmeleistung

[kg·h–1] [kg·kWh–1]

[kW]

Da ein Brennwertkessel jedoch selten ununterbrochen in Betrieb ist, ergibt sich der tatsächliche Kondensat- bzw. Kondenswasseranfall in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur und der Kesselauslastung und damit abhängig von der Außentemperatur. Für ein Einfamilienhaus liegen nach Praxiserfahrungen die mittleren jährlichen Gesamtkondensatmengen aus erdgasbefeuertem Brennwertkessel (18 bis 20 kW)

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Abgasanlagen

und Abgasleitung zwischen 1500 und 3000 Liter [7]. Davon entfallen auf die Abgasleitung etwa 20 bis 50%. Je mehr Kondensat im Brennwertkessel anfällt, umso geringer ist die Kondensatbelastung der Abgasleitung. Abbildung 150.3-16: Kondenswassermengen bei erdgasbefeuerten Brennwertanlagen in Abhängigkeit von der Außentemperatur nach Jannemann [7]

Die Beschaffenheit des Kondensats hängt hauptsächlich vom Brennstoff ab. Maßgeblich für die Beurteilung ist der pH-Wert, der den Säuregrad der Flüssigkeit angibt (Eine Änderung des pH-Wertes um +1 oder –1 entspricht einer Änderung des Säuregrades um den Faktor 10). Außerdem muss damit gerechnet werden, dass das Kondensat – entsprechend den Werkstoffen der Brennwertkessel mit ihren Kondensationswärmetauschern und den angeschlossenen Abgassystemen – auch gelöste Metallverbindungen enthält. Der pH-Wert der Kondensate aus erdgasbefeuerten Brennwertkesseln liegt etwa zwischen 3,5 und 5,0, der aus Heizöl EL befeuerten Brennwertkesseln etwa zwischen 2,0 und 3,5 [3]. Für schwefelarmes Heizöl EL mit maximal 50 mg/kg Schwefel gemäß ÖNORM C 1109 [49] liegt der pH-Wert der Kondensate etwa zwischen 2,2 und 4,2 [104]. Die Kondensate, deren pH-Wert unter 7 liegt und die daher sauer reagieren, müssen daher vor Einleitung in das Abwassersystem gegebenenfalls neutralisiert werden. Einrichtungen zur Neutralisation der Kondensate sind beispielsweise nach den derzeit gültigen Zulassungen des Magistrats der Stadt Wien [109] bei Gasfeuerstätten ohne nähere Nachweise bei einer Nennwärmebelastung über 200 kW und bei allen Ölfeuerstätten erforderlich. Ist eine Einrichtung zur Neutralisation des Kondensates Bestandteil der Feuerstätte, muss durch diese ein pH-Wert von mehr als 6,5 sichergestellt werden. 150.3.4.6 LUFT-ABGAS-SYSTEME Luft-Abgas-Systeme (LAS) sind aus nebeneinander oder ineinander (konzentrisch) angeordneten Schächten bestehende Abgasanlagen für den geschoßweisen Anschluss raumluftunabhängiger Wärmeerzeuger. Nach den baurechtlichen Bestimmungen dürfen derzeit nur durch ihre Bauart für diese Betriebsart geeignete raumluftunabhängige Gasfeuerstätten angeschlossen werden. Über den Luftschacht bzw. Verbrennungsluftsammler wird aus dem Bereich der Mündung der Abgasanlage den Wärmeerzeugern die notwendige Verbrennungsluft zugeführt, und über den Abgasschacht bzw. Abgassammler werden die Abgase durch


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thermischen Auftrieb (Unterdruck) über das Dach ins Freie abgeführt. Luft- und Abgasschacht sind zur Stabilisierung der Strömungsverhältnisse an ihrem unteren Ende durch eine Überströmöffnung miteinander verbunden. Abbildung 150.3-17: Ausführungsmöglichkeiten von Luft-Abgas-Systemen [109]

Luft-Abgas-Systeme können als feuchtigkeitsempfindliche System-Abgasanlagen mit wärmegedämmten Innenrohren aus z.B. Schamotte oder Edelstahl ausgeführt und bemessen werden oder auch als feuchtigkeitsunempfindliche Systeme. Bei den feuchtigkeitsunempfindlichen Systemen handelt es sich in der Regel um solche mit konzentrisch angeordneten Luft-Abgas-Schächten mit entsprechend dichten und kondensatbeständigen abgasführenden Innenschalen aus z.B. Schamotte- oder Edelstahlrohren ohne Dämmschicht. Die Halterung der Innenrohre erfolgt durch Abstandhalter. Der Raum zwischen Innenrohr und Außenmantel dient als Luftschacht für die Verbrennungsluftzuführung im Gegenstrom zum Abgas. Der Anschluss der raumluftunabhängigen Wärmeerzeuger an das Luft-Abgas-System erfolgt entsprechend dem System über spezielle Anschlussformstücke und -teile. Gemäß ÖVGW-Richtlinie G 48 [32] sind je Geschoß höchstens zwei Einmündungen zugelassen, und die Einmündungen müssen übereinander mit einem Mindestabstand von 40 cm (Mitte zu Mitte) erfolgen. Die feuerungstechnisch sichere Betriebsweise muss für alle verschiedenen Belegungs- und Betriebszustände der angeschlossenen Wärmeerzeuger sichergestellt sein.

150.3.4.7 SONDERFORMEN DER ABGASABFÜHRUNG Für raumluftunabhängige Gasfeuerstätten ist nach den meisten Bauordnungen unter bestimmten Voraussetzungen auch eine Abgasabführung ohne Fangsystem zulässig, entweder unmittelbar bzw. auf kurzem Wege durch die Außenwand oder durch das Dach. Diese Sonderformen der Abgasabführung mit konzentrischen oder getrennten Rohrführungen für das Abgas und die Verbrennungsluft sind nach den Bauvorschriften der Länder in der Regel nur im Gebäudebestand zulässig und teilweise auch nur dann, wenn in den bestehenden Gebäuden keine geeigneten Fangsysteme zur Abgasabführung vorhanden sind oder genutzt werden können.

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Abgasanlagen

Beispiel 150.3-06: Sonderformen der Abgasabführung nach Bauordnung Wien [22] § 68. (8) In rechtmäßig bestehenden Gebäuden sind Gasfeuerstätten mit einer Frischluftzufuhr und Abgasabfuhr durch die Außenwand (Außenwand-Gasfeuerstätten) nach Maßgabe des Wiener Gasgesetzes zulässig. In Dachgeschoßen ist eine solche Zufuhr und Abfuhr auch durch das Dach zulässig.

Für die Abgasabführung und Verbrennungsluftzuführung durch die Außenwand oder das Dach ins Freie dürfen nach Teil 4 der ÖVGW-Richtlinie G1 [31] nur typengeprüfte Bauteile nach den Angaben des Geräteherstellers verwendet werden. Soweit in gesetzlichen Bestimmungen nichts anderes bestimmt ist, müssen die abgasführenden Teile, deren Oberfläche 80°C überschreitet, von Bauteilen aus brennbaren Baustoffen einen Abstand von mindestens 20 cm und von mittels entsprechender Verkleidung feuerhemmend ausgeführten Bauteilen einen Abstand von mindestens 10 cm haben. Führen solche Abgasrohre durch Bauteile aus brennbaren Baustoffen, dann müssen diese Bauteile im Bereich der Durchführung mit einer mindestens feuerhemmenden Verkleidung versehen sein. Davon ausgenommen sind mit der Feuerstätte mitgeprüfte Schutzrohre für die Durchführung durch Bauteile aus brennbaren Baustoffen [31]. Abbildung 150.3-18: Möglichkeiten der direkten Abgasabführung durch die Außenwand bei raumluftunabhängigen Gasfeuerstätten [45]

Beispiel 150.3-07: Sicherheits- und Schutzabstände für C12- und C13-Geräte bei Einzelausmündung – Ecklage [31] a) Querfassade mit Fenster d ≥ 1,00 m e ≥ 5,00 m f ≥ 0,75 m g ≥ 2,50 m h ≤ 0,25 m b) Querfassade ohne Fenster d ≥ 1,00 m e ≥ 5,00 m f ≥ 0,75 m g ≥ 1,00 m h ≤ 0,25 m

Für Abgasabführungen durch die Außenwand sind im Teil 4 der ÖVGW-Richtlinie G1 [31] für die einzelnen Gerätetypen für den Anschluss über Leitungen an einen horizontalen Mauerkasten, der gleichzeitig die Frischluftzufuhr zum Brenner und die Abgasabführung nach außen durch Öffnungen ermöglicht, die entweder konzentrisch oder nahe genug beisammen sind, um unter gleichartigen Windbedingungen arbeiten zu können, die zulässigen Anordnungen für verschiedene Mündungslagen (z.B.

Konformitäts- und Übereinstimmungsnachweise

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Ausmündung an ebenen Fassaden, in Ecklagen, auf Balkonen oder Loggien, zu gegenüberliegenden Gebäuden und Grundstücksgrenzen, öffentlichen Verkehrsflächen, in allseits umbauten Innenhöfen) festgelegt. Für Abgasabführungen durch das Dach muss nach Teil 4 der ÖVGW-Richtlinie G1 [31] die Mündung von hierfür zugelassenen Gasgeräten (C3-Geräte) von der Dachfläche mindestens 60 cm Abstand haben, soweit in landesgesetzlichen Vorschriften keine größeren Abstände festgelegt sind. Dabei ist auf die Lage von öffenbaren Dachfenstern von Wohn- oder Betriebseinheiten Bedacht zu nehmen. Abbildung 150.3-19: Möglichkeiten der direkten Abgasabführung durch das Dach bei raumluftunabhängigen Gasfeuerstätten [31]

150.3.5 KONFORMITÄTS- UND ÜBEREINSTIMMUNGSNACHWEISE Nach den Bauvorschriften der Länder müssen Bauprodukte brauchbar sein, das heißt, sie müssen so beschaffen sein, dass die Bauwerke, für die sie durch Einbau, Zusammenfügung, Anbringung oder Installierung verwendet werden sollen, bei ordnungsgemäßer Planung und Bauausführung die wesentlichen Anforderungen an Bauwerke gemäß Anhang I der Bauproduktenrichtlinie (Richtlinie 89/106/EWG des Rates zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedstaaten über Bauprodukte vom 21. Dezember 1988) erfüllen können. Von der Brauchbarkeit eines Bauproduktes ist jedenfalls dann auszugehen, wenn es mit einer harmonisierten europäischen Norm übereinstimmt oder über eine europäische technische Zulassung verfügt. Als Nachweis der Übereinstimmung (Konformität) mit der entsprechenden technischen Spezifikation bedarf es einer Bescheinigung. Das Verfahren zur Bescheinigung der Konformität, die zu prüfenden und anzugebenden Leistungsmerkmale und die CE-Kennzeichnung sind in den harmonisierten europäischen Normen im so genannten Anhang „ZA“ festgelegt. Das In-Verkehr-Bringen von CE-gekennzeichneten Bauprodukten (z.B. von Bauteilen für System-Abgasanlagen nach ÖNORM EN 1856-1) darf zwar staatlicherseits nicht

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Abgasanlagen

behindert werden, die tatsächliche Verwendbarkeit wird jedoch durch Rechtsvorschriften (z.B. Bauvorschriften und Baustoffliste ÖE [36]) geregelt. Tabelle 150.3-06: Harmonisierte europäische Normen für Abgasanlagen ÖNORMEN

Titel

Ausgabe

Koexistenzperiode Beginn1) Ende2)

1457

Abgasanlagen – Keramik-Innenrohre Anforderungen und Prüfungen

1.4.2003

1.8.2003

1.8.2004

1856-1

Abgasanlagen – Anforderungen an Metall-Abgasanlagen; Teil 1: Bauteile für System-Abgasanlagen

1.10.2003

1.4.2004

1.4.2005

1857

Abgasanlagen – Bauteile – BetonInnenrohre

1.10.2003

1.5.2004

1.5.2005

1858

Abgasanlagen – Bauteile – Betonformblöcke

1.10.2003

1.5.2004

1.5.2005

12446

Abgasanlagen – Bauteile – Außenschalen aus Beton

1.9.2003

1.2.2004

1.2.2005

13502

Abgasanlagen – Anforderungen und Prüfverfahren für Keramik-Aufsätze

1.2.2003

1.8.2003

1.8.2004

1)

2)

Beginn der Anwendung als harmonisierte europäische Norm im Sinne des Art. 4 Absatz 3 Buchstabe a) der Richtlinie 89/106/EWG Das Ende der Koexistenzperiode ist der Zeitpunkt, am dem die entgegenstehenden nationalen technischen Spezifikationen ungültig werden. Danach muss die Konformitätsvermutung auf die harmonisierten europäischen Spezifikationen gegründet werden (harmonisierte Normen oder europäische technische Zulassung).

Beispiel 150.3-08: CE-Kennzeichnung für den Abschnitt einer Abgasanlage nach ÖNORM EN 1856-1 [64] EG-Konformitätskennzeichnung bestehend aus dem CE-Zeichen nach der Richtlinie 93/68/EG

01234

Identifikationsnummer der benannten Stelle (wenn relevant)

AnyCo Ltd, PO Box 21, B-1050

Name oder Firmenzeichen und registrierte Anschrift des Herstellers

EN 1856-1

T400 – N2 – D – Vm – G 50 – L50045

Nummer der europäischen Norm

Produktbezeichnung und entsprechende Kennzeichnung nach Abschnitt 9

Für Bauprodukte, die in Serie oder serienähnlich hergestellt werden und für die europäische technische Spezifikationen nicht vorliegen, wird die Verwendbarkeit nach Maßgabe der Bauvorschriften durch die Baustoffliste ÖA [36] geregelt. Diese regelt unter der lfd. Nr. 13.1 „Rauch- und Abgasfänge“. Die Produktgruppe umfasst mehrschalige Fänge mit Schamotte-Innenrohr, Fänge mit Metallrohren, einschalige Fänge aus Leichtbeton, mehrschalige Fänge mit Leichtbeton-Innenrohr und Fänge mit Kunststoffrohren.

Freistehende Schornsteine

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Diese Fangsysteme sind seit 1. Jänner 2004 „ÜA“-pflichtig. Das heißt, sie dürfen nach Maßgabe der Bauvorschriften der Bundesländer nur verwendet werden, wenn sie dem für sie geltenden und in der Baustoffliste ÖA [36] bekannt gemachten Regelwerk entsprechen und das Einbauzeichen nach der Vereinbarung gemäß Art. 15a B-VG über die Regelung der Verwendbarkeit von Bauprodukten [18] tragen. Abbildung 150.3-20: ÜA-Kennzeichnung

Die Übereinstimmung mit dem in der Baustoffliste ÖA bekannt gemachten Regelwerk (Verwendungsgrundsatz „Fangsysteme“ des Österreichischen Instituts für Bautechnik) hat durch ein Übereinstimmungszeugnis zu erfolgen.

150.3.6 FREISTEHENDE SCHORNSTEINE Freistehende Schornsteine werden vorwiegend im Industriebau, für Heizkraftwerke und Abfallverbrennungsanlagen eingesetzt. Die allgemeinen Anforderungen, die Grundkriterien für Entwurf, Berechnung und Konstruktion aller Arten von freistehenden Schornsteinen, einschließlich deren Innenrohre, sind in ÖNORM EN 13084-1 [71] geregelt. Ein Schornstein kann auch dann als freistehend betrachtet werden, wenn er abgespannt oder seitlich gestützt ist oder auf einem anderen Bauwerk steht. An freistehenden Masten befestigte Schornsteine gelten ebenfalls als freistehende Schornsteine. Tabelle 150.3-07: Europäische Normen für freistehende Schornsteine ÖNORM EN

Titel

13084-1

Freistehende Schornsteine – Teil 1: Allgemeine Anforderungen

13084-2

Freistehende Schornsteine – Teil 2: Betonschornsteine

13084-4

Freistehende Schornsteine – Teil 4: Innenrohre aus Mauerwerk – Entwurf, Bemessung und Ausführung

13084-5

Freistehende Schornsteine – Teil 5: Baustoffe für Futter aus Mauerwerk – Produktfestlegung (dzt. prEN 13084-5:1998)

13084-6

Freistehende Schornsteine – Teil 6: Innenrohre aus Stahl – Bemessung und Ausführung (dzt. prEN 13084-6:1999)

60

Abgasanlagen

An einem Gebäude seitlich abgestützte Schornsteine sind im Sinne der europäischen Norm als freistehend zu betrachten, wenn mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllt ist: •

der Abstand zwischen den seitlichen Abstützungen ist größer als 4 m,

•

die freistehende Höhe über der obersten statisch wirksamen Abstützung ist größer als 3 m,

•

der horizontale Abstand zwischen dem Gebäude und der Außenfläche des Schornsteins ist größer als 1 m.

Anmerkung: Von den Regelungen der ÖNORM EN 1443 [59] (Abgasanlagen – Allgemeine Anforderungen) sind freistehende Schornsteine ausgenommen. Regelungen für die Verwendung von Schornstein- bzw. Abgasanlagenprodukten nach EN 1443 [59] (und der damit verbundenen Produktnormen) in freistehenden Schornsteinen werden in anderen Teilen von EN 13084 angegeben.

Nach ÖNORM EN 13084-1 [71] müssen folgende Entwurfsparameter die verschiedenen Betriebsbedingungen bei normalen und definierten außergewöhnlichen Bedingungen berücksichtigen: •

Art des Schornsteinbetriebes (durchgehend, intermittierend oder gelegentlich),

•

geplante Häufigkeit von Abschaltungen für Inspektionen im Innern und Instandhaltung,

•

Zusammensetzung der Abgase und Konzentrationen von für den Schornstein schädlichen Chemikalien in den Abgasen,

•

Konzentration von Staub und besonders von aggressivem Staub im Abgas

•

Massenstrom jedes Abgasstromes,

•

Abgastemperatur an der Einführung jedes Zuges in den Schornstein,

•

Bereich der maximalen Säuretaupunkttemperaturen der Abgase,

•

zulässiger oder erforderlicher Druck an der Einführung der Züge in den Schornstein,

•

Höhenlage des Standortes und besondere örtliche topografische Merkmale,

•

maximale, mittlere und minimale Außentemperatur,

•

maximaler, mittlerer und minimaler atmosphärischer Druck,

•

maximale, mittlere und minimale Feuchte der Umgebungsluft,

•

wichtige Entwurfsparameter der Einrichtung (z.B. Kessel), an die der Schornstein angeschlossen wird.

Anmerkung: Die Auswirkungen von Abgasen hinsichtlich der Umweltbelastung mit gas- und partikelförmigen Teilen sind nicht Gegenstand der ÖNORM EN 13084-1 [71].

Die Ableitung der Abgase vom Kessel in die Atmosphäre ist durch thermische und strömungstechnische Berechnungen nachzuweisen. Die Baustoffe müssen den einschlägigen CEN- oder ISO-Normen entsprechen. Wo keine derartigen Normen vorhanden sind, dürfen andere Baustoffe nur verwendet werden, wenn ihre Eigenschaften einwandfrei definiert sind und ihre Eignung nachgewiesen ist. Bei freistehenden Schornsteinen mit begehbarem Zwischenraum zwischen Tragrohr und Innenrohr muss die Temperatur der Luft eine der folgenden Bedingungen erfüllen: •

die Lufttemperatur darf 40°C nicht überschreiten;

•

die Zunahme der Lufttemperatur infolge der Temperatur der Abgase darf 10 K nicht überschreiten.

61


Besteigeinrichtung Freistehende Schornsteine mit einer Höhe von mehr als 5 m über einer baulichen Zugangsebene (z.B. Flachdach eines angrenzenden Gebäudes) müssen von dort bis zum Schornsteinkopf mit einer Besteigeinrichtung versehen sein, um Inspektionen und Instandhaltung insbesondere der folgenden Einrichtungen zu ermöglichen: •

Warnleuchten (Flughindernisbefeuerung) für die Luftfahrt, falls vorhanden,

•

Instrumentierung (Thermoelemente, Abgasanalysatoren, Trübungsmessgeräte usf.), falls vorhanden,

•

Blitzschutz,

•

Mündungsabdeckung.

Die Besteigeinrichtung muss auch die Inspektion anderer kritischer Teile des Schornsteines ermöglichen, wie z.B.: •

Außenmantel des Tragrohres (insbesondere der obere Teil des Schornsteines, wo eine örtlich stärkere chemische Beanspruchung auftreten kann),

•

Abgaseinführung,

•

Drainagesystem, falls vorhanden,

•

Schwingungsdämpfer,

•

Montagestöße.

Die Besteigeinrichtung muss bei Schornsteinen ohne begehbaren Zwischenraum auf der äußeren Tragrohroberfläche angeordnet werden, bei Schornsteinen mit begehbarem Zwischenraum erfolgt die Anordnung vorzugsweise auf der Innenseite des Tragrohres.

150.3.6.1 ANFORDERUNGEN AN DIE BERECHNUNG UND BEMESSUNG Schornsteine sind hinsichtlich ihrer Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit für den endgültigen Zustand wie auch für die einzelnen Bauzustände entsprechend den statischen und dynamischen Beanspruchungen zu bemessen. Dabei ist nach ÖNORM EN 13084-1 [71] die Theorie der Grenzzustände anzuwenden. Die folgenden grundlegenden Berechnungsannahmen entsprechen ÖNORM ENV 1991-1 [81]. Im Grenzzustand der Tragfähigkeit darf der Bemessungswert der Beanspruchungen infolge Einwirkung Ed, wie z.B. Schnittkräfte, Momente, Spannungen oder Dehnungen den zugehörigen Bemessungswert des Widerstandes, Rd, nicht überschreiten. Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist nachzuweisen, dass der Bemessungswert der Beanspruchungen den Nennwert bestimmter Tragwerkseigenschaften Cd hinsichtlich der im Nachweis zu berücksichtigenden Anforderungen nicht übersteigt. (150.3-08) Ed Rd Cd

Bemessungswert der Beanspruchungen infolge Einwirkungen Bemessungswert des Widerstandes Nennwert bestimmter Tragwerkseigenschaften hinsichtlich der im Nachweis zu berücksichtigenden Anforderungen

62

Abgasanlagen

Die Bemessungswerte der Einwirkungen werden ermittelt aus den charakteristischen Werten der Einwirkungen nach ÖNORM EN 13084-1 [71] multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert γF. Die Bemessungswerte der Widerstände Rd dürfen aus den charakteristischen Werten der maßgebenden Tragwerkseigenschaften wie Werkstoffeigenschaften oder geometrische Größen unter Berücksichtigung eines Teilsicherheitsbeiwertes γM berechnet werden. Einflüsse nach Theorie II. Ordnung sind zu berücksichtigen, wenn sich die maßgebenden Momente oder Schnittkräfte infolge der nach Theorie I. Ordnung ermittelten Auslenkungen um mehr als 10% erhöhen. Folgende Einwirkungen sind bei der Bemessung zu berücksichtigen: • •

•

ständige Einwirkungen, veränderliche Einwirkungen, – Nutzlasten, – Windlasten, – Innendruck, – Wärmeeinwirkungen, außergewöhnliche Einwirkungen, – Erdbeben, – Explosionen und Implosionen, – Anprall.

Bei Windeinwirkung können Schornsteine durch Wirbelablösungen zu Schwingungen angeregt werden. Diese Beanspruchungen sind jedenfalls bei Schornsteinen, deren Scruton-Zahl weniger als 25 beträgt, zu berücksichtigen. Berechnungsverfahren für wirbelerregte Schwingungen und andere aeroelastische Effekte enthält ÖNORM ENV 1991-2-4 [82]. An Stahlschornsteinen können nach Petersen [13] folgende Schwingungserscheinungen infolge Windeinwirkung auftreten: •

Schwingungen des Gesamtbauwerkes in Windrichtung, hervorgerufen durch unregelmäßige Schwankungen des Windstromes;

•

Schwingungen des Gesamtbauwerkes rechtwinkelig zur Windrichtung („Querschwingungen“), hervorgerufen durch mehr oder weniger regelmäßige Wirbelablösungen an den Außenflächen und Außenkanten des Bauwerkes;

•

Schwingungen des Gesamtbauwerkes und Schwingungen des Bauwerkquerschnittes an der Mündung, hervorgerufen durch Wirbelbildungen an luvseitig vor dem Bauwerk gelegenen Ablösestellen, z.B. wenn mehrere Schornsteine hintereinander stehen;

•

Schwingungen von Abspannseilen, hervorgerufen durch instationäre Luftkräfte am Seilquerschnitt.

Die Schwingungen lassen sich auf aerodynamischem und schwingungstechnischem Wege durch das Anwenden einzelner oder kombinierter Maßnahmen mehr oder weniger verringern, wie z.B. Zylinder mit Lochperforierung, Schraubenwendeln („Scruton-Wendel “), Einzelelemente längs gedachter Schraubenlinien, Schwingungsdämpfer und Störabspannung. Bei den aerodynamischen Maßnahmen haben sich dreigängige vollflächige Schraubenwendeln mit einer Ganghöhe von 4,5·d bis 5,0·d und einer Wendeltiefe von 0,10·d bis 0,12·d bewährt.


63

Abbildung 150.3-21: „Scruton-Wendel“ [13]

150.3.6.2 AUSFÜHRUNGSARTEN Freistehende Schornsteine können ein- und mehrschalig ausgeführt werden. Beim einschaligen Schornstein werden die Funktionen der Abgasführung, der Wärmedämmung und der Lastableitung von ein und demselben Bauteil übernommen. Beim mehrschaligen Schornstein werden hingegen die Funktionen der Abgasführung, der Wärmedämmung und der Lastabtragung von verschiedenen Bauteilen übernommen. Das Tragrohr übernimmt die statischen Belange, das Innenrohr dient der Abgasführung und schützt gemeinsam mit der Wärmedämmschicht den statisch beanspruchten Außenmantel. Die Schornsteine können mehrzügig und als Gruppe ausgeführt werden. Mehrzüge Stahlschornsteine resultieren aus der Forderung, jede Feuerstätte bzw. jeden Kessel mit einer eigenen Abgasführung zu versehen. Mehrzügige Stahlschornsteine bestehen aus einem tragenden Außenrohr und mehreren wärmegedämmten Innenrohren. Im verbleibenden Querschnitt zwischen Außenrohr und den Innenrohren wird zumeist die Besteigeinrichtung untergebracht. Das Innenrohr mehrschaliger Ausführungen muss in der Lage sein, sich in vertikaler wie auch in horizontaler Richtung ohne nachteilige Einflüsse auf das Tragrohr, die Abstützung und das Innenrohr selbst auszudehnen. In mehrschaliger Ausführung werden üblicherweise folgende Baustoffe verwendet: •

Innenrohr, – bewehrte Leichtbetonrohre, – Schamotterohre, – keramische Säureschutzfutter oder, – Edelstahl,

•

Wärmedämmschicht, – Mineralfaserdämmschalen oder -platten,

•

Tragrohr, – Schaftmauerwerk, – Stahlbeton, – Stahlleichtbeton oder, – Stahl (verkleidet mit Edelstahl oder Aluminium).

Für Industrieschornsteine mit Abgasrohren aus Stahl werden bevorzugt nichtrostende Stähle aus Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1.4571, 1.4561, 1.4435 oder 1.4539 verwendet, bei geringer chemischer Beanspruchung und im mittleren Temperaturbereich auch Chrom-Nickel-Stahl ohne Molybdän mit der Werkstoff-Nr. 1.4541 [108].

64

Abgasanlagen

Tabelle 150.3-08: Ausführungsmöglichkeiten von freistehenden Stahlschornsteinen nach [96][108] Bauarten

Ausführungsvariante I

Ausführungsvariante II

einwandig

Stahlrohr

Verkleidung Dämmung Trag-Abgasrohr

doppelwandig

Tragrohr Dämmung Abgasrohr

Verkleidung Tragrohr Dämmung Abgasrohr

mehrzügig

Tragrohr Dämmung Abgasrohr

Tragrohr Dämmung Abgasrohr Abluft

Schornsteingruppen

dreieckförmig angeordnet

in Reihe angeordnet

eingezogene Stahlfutterrohre

Stahlbetonmantel Verkleidung Dämmung Abgasrohr

Schaftmauerwerk Verkleidung Dämmung Abgasrohre

statische Systeme

freistehend

abgespannt

gehalten

abgestützt

65

150.4 KÄLTEVERSORGUNGSANLAGEN Kälteversorgungsanlagen ermöglichen die Abkühlung von Stoffen unter die Umgebungstemperatur und beinhalten alle dazu erforderlichen Geräte, Bauteile, Steuerund Regeleinrichtungen. Ein wichtiges Einsatzgebiet für Kälteversorgungsanlagen ist die Lebensmitteltechnik, bei der Kälteversorgungsanlagen Kühltransporte und die Kühllagerungen von Lebensmitteln ermöglichen. Die vorliegende Fachbuchreihe beschränkt sich auf Kälteversorgungsanlagen zur Kühlung von Aufenthaltsräumen.

150.4.1 KÄLTEERZEUGUNG Handwerker, die mit Druckluftwerkzeugen arbeiten, machen die Erfahrung, dass sich ihr Werkzeug immer dann abkühlt, wenn daraus Druckluft entweicht. Ähnliche Erfahrungen können Radfahrer machen, wenn sie Luft aus ihrem Fahrradreifen ausströmen lassen und dabei gleichzeitig das Reifenventil berühren. Wenn man einen Fahrradreifen mit einer Handpumpe eigenhändig aufpumpt, spürt man, dass sich die Luftpumpe bei dem Pumpvorgang erwärmt. Mit der aufgewendeten Pumpenergie hat man demnach nicht nur den Reifendruck erhöht, sondern auch Wärme erzeugt, die über die Oberfläche der Luftpumpe an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. •

Lässt man Luft aus einer Druckluftflasche über Rippenrohre ins Freie entweichen, dann sinkt die Rohroberflächentemperatur (und damit die Temperatur der „Kühlrippen“) unter die Umgebungstemperatur.

•

Lässt man komprimierte Luft aus einem geschlossenen Hochdruck-Rippenrohrsystem über ein Expansionsventil in ein geschlossenes NiederdruckRippenrohrsystem expandieren, dann sinkt die Oberflächentemperatur im Niederdruck-Rippenrohrsystem ebenfalls unter die Umgebungstemperatur.

•

Bei Kompression von Luft in einem geschlossenen Hochdruck-Rippenrohrsystem steigt die Oberflächentemperatur im Hochdruck-Rippenrohrsystem über die Umgebungstemperatur.

Abbildung 150.4-01: Funktionsschema einer Kompressions-Kälteanlage

KÜHLMITTEL UNTER DRUCK

KÄLTEKREISLAUF

VERDICHTER

Die Funktion eines Kaltdampfkompressions-Kälteprozesses ist dem beschriebenen Vorgang ähnlich. Es kommt dabei anstelle von Luft ein Kältemittel zum Einsatz, welches im Anwendungsbereich bei Expansion verdampft und dessen Dampf nach Kompression kondensiert: •

Bei Expansion und Verdampfung entzieht das Kältemittel die Verdampfungswärme seiner Umgebung, wobei sich diese abkühlt.

•

Bei Kompression und Kondensation gibt das Kältemittel Kondensationswärme an seine Umgebung ab, wobei sich diese erwärmt.

66

Kälteversorgungsanlagen

150.4.2 KÄLTEMITTEL In Kompressions-Kälteanlagen kamen so genannte „FCKW-Kältemittel “ zum Einsatz (Fluorchlorkohlenwasserstoffe), deren umweltschädigende Wirkung nur langsam erkannt wurde. Sowohl die Produktion als auch der Einsatz der umweltschädigenden Chemieprodukte „FCKW’s“ wurde im Jahr 1987 mit dem „Montreal-Protokoll “ der Vereinten Nationen einem Zeitplan entsprechend zunehmend untersagt. Die schädliche Wirkung dieser Stoffe besteht sowohl in der Verursachung einer Auflösung der stratosphärischen Ozonschicht, welche die Erdoberfläche gegen die lebenszerstörende harte Ultraviolettstrahlung der Sonne abschirmt, als auch in einer Förderung des atmosphärischen Treibhauseffektes. Bei der Wahl von Kältemitteln sind neben sicherheitstechnischen Erwägungen auch deren Verfügbarkeit während der vorgesehenen Anlagennutzungsdauer sowie Entwicklungen der Umweltgesetzgebung zu beachten. Eine von zahlreichen Alternativen zu „FCKW’s“ besteht im Einsatz von Gemischen aus Propan (C3H8) oder Butan (C4H10) als Kältemittel (Kältemittelbezeichnung: „R290“). Diese Gemische sind im Vergleich mit „FCKW’s“ brennbar, ansonsten liegen ihre thermodynamischen Eigenschaften als Kältemittel in ähnlich günstigen Bereichen. Bei deren Einsatz als Kältemittel sind Sicherheitsbestimmungen zu beachten, wie sie für den Einsatz von Flüssiggasanlagen üblich sind [93].

150.4.3 KOMPRESSIONS-KÄLTEANLAGEN Für die Kälteversorgung gebäudetechnischer Anlagen kommen vorwiegend Kältemittel zum Einsatz, welche bei einer Arbeitstemperatur der kalten Seite (von etwa +5°C) unter Aufnahme von Verdampfungswärme verdampfen (der Verdampfer kühlt). Nach einer Kompression des Kältemittels auf beherrschbare Drücke (von etwa 8 bar) erwärmt sich das Kältemittel auf eine Arbeitstemperatur von (etwa +45°C) [53][54][55][56]. Im Kondensator wird das verdichtete Kältemittel sodann unter Abgabe von Kondensationswärme verflüssigt (der Kondensator heizt). Die im Verdampfer den zu kühlenden Bereichen entzogene Kälteleistung P0 wird gemeinsam mit der für die Kältemittelkompression aufgewendeten Antriebsleistung PM im Kondensator als Wärmeleistung PC abgegeben. (150.4-01) PC P0 PM

Kondensationsleistung Kälteleistung Antriebsleistung

[W] [W] [W]

(150.4-02) εK P0 PM

Leistungsziffer Kälteleistung Antriebsleistung

[–] [W] [W]

Als Leistungsziffer εK einer Kälteanlage wird das Verhältnis der erzielten Kälteleistung P0 zur dafür aufgewendeten Antriebsleistung PM bezeichnet. Für Kompressionskältemaschinen in gebäudetechnischen Anlagen liegt diese Leistungsziffer im Größenordnungsbereich von εK = 3 bis 4.

67

Kompressions-Kälteanlagen

Kompressions-Kälteanlagen verdichten und entspannen ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislaufsystem. Ein derartiges System besteht aus folgenden wesentlichen Bauteilen: • • • •

Kältemittel-Verdichter Kältemittel-Verflüssiger Kältemittel-Expansionsventil Kältemittel-Verdampfer

= = = =

Kompressor Kondensator Expansionsventil Kühler

→ → → →

komprimiert Kältemittel erwärmt Wärmeträger entspannt Kältemittel kühlt Kälteträger

Abbildung 150.4-02: Bauteile einer Kompressions-Kälteanlage

Dem jeweiligen Anwendungsbereich entsprechend kann man den Kühler und den Kondensator sowohl als „Kältemittel-Luft-Wärmetauscher“ als auch als „KältemittelWasser-Wärmetauscher“ ausbilden. Abbildung 150.4-03: Bauteile einer Kompressions-Kälteanlage – Funktionsschema

Bauelemente einer Kälteversorgungsanlage → Bild 150.4-07 Bei gebäudetechnischen Anlagen wird meistens Kaltwasser als Kälteträger eingesetzt, das man mit Kälteanlagen auf eine Vorlauftemperatur um +6°C kühlt, in

68


Kaltwasserspeichern speichert und den Kälteverbrauchern bedarfsabhängig über Kaltwassersysteme zuführt. Wenn sich die dabei anfallende Kondensationswärme nicht sinnvoll nutzen lässt, kann sie beispielsweise an die Umgebung mit luftgekühlten Kondensatoren abgeführt werden, indem diese im Freien die Außenluft erwärmen.

150.4.4 ABSORPTIONS-KÄLTEANLAGEN Bei Absorptions-Kälteanlagen kommt Wärme zum Einsatz, um Kälte zu erzeugen. Dabei wird sowohl die im Verdampfer entzogene Kälteleistung P0 als auch die in Form von Wärme eingesetzte Antriebsleistung PH als Wärmeleistung PC einem Wärmeträger zugeführt. Als Arbeitsstoffpaare kommen vorwiegend folgende Arbeitsstoffpaare zum Einsatz: • •

Wasser/Lithiumbromid Ammoniak/Wasser

→ →

mit Wasser als Kältemittel mit Ammoniak als Kältemittel

Für das Stoffpaar „Ammoniak/Wasser“ liegt die maximal zulässige Temperatur im „Austreiber“ bei rund +200°C, darüber besteht die Gefahr chemischer Zersetzung. Von Nachteil ist, dass das Kältemittel Ammoniak giftig ist und mit Luft explosive Gemische bilden kann. Durch seinen intensiven Geruch kommt Ammoniak eine gute Warnwirkung zu. Für das Stoffpaar „Wasser/Lithiumbromid“ liegt die maximale Austreibertemperatur bei ca. +160°C. Verdampfertemperaturen unter 0°C sind bei Wasser als Kältemittel nicht möglich. Abbildung 150.4-04: Funktionsschema einer Absorptionskälteanlage

•

Der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf wird nicht mechanisch verdichtet, sondern bei niedrigem Verdampfungsdruck von einem Lösungsmittel aufgenommen („absorbiert“).

•

Die mit Kältemittel angereicherte Lösung wird durch eine Pumpe auf höheren Verflüssigungsdruck gebracht und in den „Austreiber“ gefördert.

•

Durch Wärmezufuhr wird dort das Kältemittel wieder ausgetrieben. Übrig bleibt eine „arme Lösung“, die über ein Drosselventil zum Absorber zurückströmt.

Absorptions-Kälteanlagen

69

•

Im Absorber wird die „arme Lösung“ über Rohre verrieselt, um dem zu absorbierenden Kältemitteldampf eine große Oberfläche darzubieten und die frei werdende Lösungswärme an das Kühlwasser abzugeben, das die Rohre durchströmt.

•

Das ausgetriebene Kältemittel wird im Verflüssiger bei Kondensationsdruck pC durch Wärmeabgabe an einen Wärmeträger verflüssigt.

•

Nach der Drosselung im Drosselventil kann es im Verdampfer bei Verdampfungsdruck p0 und der zugehörigen Verdampfungstemperatur t0 Wärme aus einem Kälteträgerkreislauf aufnehmen.

•

Der dabei entstehende Kältemitteldampf strömt zum Absorber, wo er vom Lösungsmittel wieder absorbiert wird. Bauelemente einer Absorptionskälteanlage → Bild 150.4-11

Abbildung 150.4-05: Absorptionskälteanlage – Schema

A

VERDAMPFER Kältemittel wird über die Rohre des Verdampfers versprüht und verdampft. Die dafür erforderliche Verdampfungswärme wird dem durch die Verdampferrohre strömenden Kaltwasser entzogen.

B

ABSORBER Der Kältemittel-Dampf strömt in den Absorberteil, in dem eine Lithiumbromid-Lösung versprüht wird, die hygroskopisch ist und den darin enthaltenen Wasserdampf „aufsaugt“. Die Lösung wird dadurch „verdünnt“, die dabei anfallende Lösungswärme wird an das durch Absorberrohre strömende Kühlwasser abgegeben.

C

AUSTREIBER Die verdünnte Lithiumbromid-Lösung wird in den Austreiberteil gepumpt, in dem Heizwasserrohre angeordnet sind. Durch Wärmezufuhr wird aus der Lösung Kältemittel ausgedampft. Die dadurch wieder konzentrierte Lithiumbromid-Lösung fließt zum Absorber zurück. Durch Anordnung eines Wärmetauschers zwischen verdünnter kalter und konzentrierter warmer Lösung lässt sich Heizenergie zurückgewinnen und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessern.

D

VERFLÜSSIGER Über dem Austreiber sind Verflüssigerrohre angeordnet, durch welche Kühlwasser strömt. An den Verflüssigerrohren kondensiert das aus dem Austreiber kommende KältemittelWasser-Dampfgemisch, wobei sich ein Unterdruck von etwa ~ 80 kPa einstellt. Das flüssige Kältemittel strömt wieder zum Verdampfer zurück, womit der Kreislauf geschlossen ist.

Die beiden Stoffströme der armen und reichen Lösung werden in einem GegenstromWärmetauscher geführt, damit die kalte „reiche Lösung“ durch warme „arme Lösung“ vorgewärmt wird und diese gleichzeitig abkühlt. Die Lösungsmittelpumpe, die den

70


Druck des Lösungsmittels vom Verdampfungsdruck p0 auf den Kondensationsdruck pC erhöht, enthält die einzigen beweglichen Teile der Absorptions-Kälteanlage. Bei Einsatz der erwähnten Kältemittel Lithiumbromid oder Ammoniak ergeben sich kaum Umweltprobleme. In Vergleich zu Kompressionskälteanlagen sind die Investitionskosten bei gleicher Kälteleistung höher, und die Leistungszahlen geringer. Bei Absorptionskältemaschinen spricht man allerdings nicht von Leistungszahlen, sondern von einem Wärmeverhältnis ζK. Das Wärmeverhältnis von Absorptionskälteanlagen liegt in der Größenordnung [15] von ζK = 0,5 bis 0,7. (150.4-03) ζK P0 PH

Wärmeverhältnis Kälteleistung Antriebsleistung

[–] [W] [W]

Abbildung 150.4-06: Absorptionskälteanlage

150.4.5 PELTIER-KÄLTEANLAGEN Wird eine Gleichspannung an einen Stromkreis gelegt, der aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern besteht, dann kühlt eine der Kontaktstellen ab, und die andere Kontaktstelle wird warm. Mit diesem bereits im Jahr 1834 von dem französischen Uhrmacher und Physiker Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) entdeckten Effekt ist Kälteerzeugung ohne bewegliche Bauteile und ohne Einsatz von Kältemitteln möglich. Bei Umpolung verändern die Kontaktstellen auch ihr Temperaturverhalten. Die Wirksamkeit dieses Effektes wurde durch den Einsatz von Halbleitern erheblich gesteigert. Es wird dabei p- und n-leitendes Halbleitermaterial durch Kupferbrücken zu „Peltierblöcken“ in der Weise verbunden, dass alle kalten Kupferbrücken die wärmeaufnehmende und alle warmen Brücken die wärmeabgebende Seite des Blocks bilden. In Vergleich zu Kompressions- und Absorptionskältemaschinen sind bei gleicher Kälteleistung die Investitionskosten von Peltierblöcken wesentlich höher und die Leistungsziffern erheblich geringer. Aus betriebswirtschaftlichen Gründen beschränkt sich deren Einsatz deshalb auf Spezialgebiete, wie Kühlung von Elektronikbauteilen oder Einsatz in mobilen Kleinkühltruhen. Die Leistungsziffer von Peltierblöcken liegt im Bereich von εK = 0,1 bis 0,2.

Wärmepumpen

71

Abbildung 150.4-07: Peltier-Element

150.4.6 WÄRMEPUMPEN Als Wärmepumpe bezeichnet man eine Kälteanlage dann, wenn sie vorrangig zur Nutzung der am Kondensator anfallenden Wärmeenergie betrieben wird. Bei den üblichen Leistungsziffern von Kompressions-Wärmepumpen um εK = 3 bis 4 kann man beispielsweise mit dem Einsatz von 1 kWh elektrischer Antriebsenergie eine Wärmemenge von 3 bis 4 kWh nutzbar machen, wenn man einem Medium durch Kühlung gleichzeitig eine Wärmemenge von 2 bis 3 kWh entzieht. Abbildung 150.4-08: Einsatzbeispiel für eine Wärmepumpenanlage

72


Bauelemente einer Wärmepumpenanlage → Bild 150.4-10 Mit Wärmepumpen kann man verhältnismäßig kalte Wärmequellen wie Grundwasser, Erdreich oder Außenluft für Heizzwecke nutzen. Weil die Leistungsziffern bei Erhöhung der Heizwassertemperaturen abnehmen, kommen aus wirtschaftlichen Erwägungen Niedertemperatur-Heizungssysteme mit Heizwasser-Vorlauftemperaturen um ca. +50°C zum Einsatz. Um zu vermeiden, dass die im Außenluftwärmetauscher zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit im Winter einfriert, wird ihr ein Frostschutzmittel beigefügt (meistens 30% Äthylenglycol). Abbildung 150.4-09: Wärmepumpe mit Erdreichkollektor

150.4.7 FENSTERKLIMAGERÄTE In Fensterklimageräten sind bereits alle zur Raumluftkühlung erforderlichen Bauteile in kompakter Bauweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. • Außenlufterhitzer (luftgekühlter Kältemittelkondensator) mit Ventilator zur Wärmeabfuhr an die Außenluft, • Kältemittelkompressor mit Kältemittelverrohrung und Expansionsventil, • Umluftkühler (Kältemittelverdampfer) mit Ventilator zur Kühlung von Raumluft. Abbildung 150.4-10: Fensterklimagerät – Schema

Split-Geräte

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Um Außenluft über den luftgekühlten Kältemittelkondensator leiten zu können, müssen die Außenluftdurchlässe dieser kompakten Luftkühlgeräte entweder im Freien angeordnet werden oder über Luftleitungen mit dem Freien verbunden sein. Um Raumluft über den Raumluftkühler leiten zu können, müssen sich die Umluftdurchlässe im Raum befinden oder über Luftleitungen mit diesem verbunden sein. Derartig kompakt ausgeführte Luftkühlgeräte werden deshalb vorzugsweise in Fensterflächen oder Wanddurchbrüchen – mit der Kondensatorseite im Freien und mit der Kühlerseite im zu kühlenden Raum – angeordnet. Abbildung 150.4-11: Fensterklimagerät – Anordnung in Wanddurchbruch

150.4.8 SPLIT-GERÄTE In ähnlich kompakter Bauweise werden betriebsfertige Kältesysteme mit allem erforderlichem Zubehör in geteilter Ausführung unter der Bezeichnung „Split-Geräte“ angeboten. Sie bestehen aus zwei Geräteteilen, wobei ein Teil im Freien und ein Teil im zu kühlenden Raum anzuordnen ist. Sie werden in folgenden Ausführungsvarianten angeboten: • •

Außengerät mit luftgekühltem Kondensator, Ventilator und Kältemittelkompressor, Innengerät mit Umluftkühler und Ventilator, oder Außengerät mit luftgekühltem Kondensator und Ventilator, Innengerät mit Kältemittelkompressor, Umluftkühler und Ventilator.

Abbildung 150.4-12: Split-Geräteanordnung

74


Die Kältemittelleitungen zur Verbindung der Außengeräte mit den Innengeräten erfordern keine großen Wanddurchbrüche. Für eine problemlose Installation können diese Leitungen auch bereits mit Kältemittelfüllung und Schnellkupplungen an ihren Enden geliefert werden. Das Kältemittel dient bei diesen Geräten als Wärmeträger zwischen Innen- und Außenteil. Ein Vorteil dieser Konzeption ergibt sich aus dem Umstand, dass das Kältemittel im Anwendungsbereich nicht einfrieren kann und sich deshalb im Vergleich zu anderen Wärmeträgern Vorkehrungen für einen Frostschutz erübrigen. Aus wirtschaftlichen Erwägungen ist man bestrebt, die Kältemittel-Verbindungsleitungen möglichst kurz zu halten. Split-Geräte kommen vorwiegend in Bereichen mit geringem Kühlungsbedarf zum Einsatz, für welche sich eine zentrale Kälteversorgungsanlage nicht lohnt. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Innengeräte an ein gemeinsames Außengerät anzuschließen oder als „Multi-Split-Anlagen“ mehrere Innen- und Außengeräte mit gemeinsamen Kältemittelleitungen zu verbinden. Abbildung 150.4-13: Multi-Split-Geräte – Prinzipschema

Abbildung 150.4-14: Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher

Glykol-Rückkühler

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Für im Freien angeordnete, Kältemittel führende Rohrleitungen besteht im Winter keine Gefahr des Einfrierens. In Vergleich zu Wasser erfordert der Einsatz von Kältemitteln als Wärme- oder Kälteträger höhere Anschaffungs- und Entsorgungskosten. Man ist deshalb bestrebt, Kältemittelleitungen nur bis in die frostfreien Gebäudebereiche zu führen und dort mit Wärmetauschern den Energieinhalt des Kältemittels auf ein Heiz-, Kalt- oder Kühlwassersystem zu übertragen. Abbildung 150.4-15: Einsatzbeispiel für Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher

150.4.9 GLYKOL-RÜCKKÜHLER Flüssigkeitskühler mit luftgekühltem Kondensator → Bild 150.4-02 Abbildung 150.4-16: Glykol-Rückkühler

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Eine besonders einfache Bauweise von Rückkühlanlagen besteht aus einer Kombination von Ventilatoren und Lufterhitzern (Wärmetauschern), mit welchen Außenluftvolumenströme erwärmt und Kühlwasservolumenströme gekühlt werden können („GlykolRückkühler“). Kühlwasser dient dabei als Wärmeträger zwischen Rückkühler und Kältemaschine. Im Winter besteht für das Kühlwasser Einfriergefahr, weil es im Lufterhitzer von kalter Außenluft umgeben ist. Zur Vermeidung von Frostschäden wird dem Kühlwasser Äthylenglykol als Frostschutzmittel beigemischt.

150.4.10 FROSTSCHUTZMITTEL Wenn im Kalt- oder Kühlwasser Temperaturen unter +4°C auftreten können, müssen dem Wasser Frostschutzmittel zugesetzt werden. Es kommen dabei vorwiegend „Glykole“ zum Einsatz, das sind Mischungen von Wasser mit höher siedenden Alkoholen. Die Zähigkeit des Frostschutzmittels steigt mit zunehmendem Glykolanteil des Frostschutzmittels, Gefrierpunkt und spezifische Wärmekapazität nehmen mit zunehmendem Glykolanteil ab. Bei der Bemessung von Ausdehnungsanlagen sind auch die von Wasser abweichenden Ausdehnungskoeffizienten zu beachten. Ethylenglykol ist ein gesundheitsschädigender Stoff, der weder in das Trinkwasser noch in das Grundwasser gelangen darf und der ordnungsgemäß entsorgt werden muss. Eine Vergiftungsgefahr ist durch Einsatz von Propylenglykol vermeidbar, es muss dabei jedoch mit höheren Zähigkeitswerten als bei Ethylenglykol gerechnet werden.

150.4.11 VERDUNSTUNGSRÜCKKÜHLER Um Wasser in seinen gasförmigen Zustand überzuführen, muss dem Wasser Wärme zugeführt werden. Bei der Verdunstung von Wasser nimmt das Wasser die „Verdampfungswärme“ von seiner Umgebung auf und kühlt diese dadurch ab. Dieses Phänomen wird in Verdunstungsrückkühlern genutzt. Bei dieser Art von Rückkühlanlagen wird Kühlwasser in einem Außenluftvolumenstrom versprüht, wobei ein Teil des Kühlwassers verdunstet und dabei die Außenluft befeuchtet. Die für diese Außenluftbefeuchtung erforderliche Verdampfungswärme wird dem Außenluftvolumenstrom und dem versprühten Kühlwasser entzogen, wobei sich das Kühlwasser um einige Grade abkühlt. Zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Außenluft und Kühlwasser werden im Luftstrom Rieselkörper angeordnet. Das abgekühlte Kühlwasser wird in einer Auffangwanne gesammelt und kann einer Kältemaschine als Wärmeträger zur Aufnahme von Kondensationswärme wieder zugeführt werden. Abbildung 150.4-17: Verdunstungsrückkühler – Schema

Verdunstungsrückkühler

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Das in Verdunstungsrückkühlern umgewälzte Kühlwasser könnte im Winter einfrieren. Zur Vermeidung von Frostschäden sind geeignete Vorkehrungen zu treffen wie beispielsweise: • elektrische Beheizung des Wassersammelbeckens und der Wasserleitungen (wegen des damit verbundenen Strombedarfes nur in Ausnahmefällen empfehlenswert), • selbstständige Entleerung im Stillstand in einen Zwischenbehälter, der in einem frostfreien Raum aufgestellt ist, • vollständige Entleerung des Kühlwasserkreislaufes bei Frostgefahr, wenn kein Winterbetrieb des Verdunstungsrückkühlers vorgesehen ist. Abbildung 150.4-18: Verdunstungsrückkühler – Bauteile

Bei Betrieb von Verdunstungsrückkühlern muss ständig Wasser nachgespeist werden, um das verdunstende reine („destillierte“) Wasser zu ersetzen. Das nachgespeiste Wasser enthält in gelöster Form Calcium- und Magnesiumsalze (so genannte Härtebildner). Der Gehalt dieser Härtebildner im zurückbleibenden, nicht verdunsteten Kühlwasser nimmt ständig zu. Nach Überschreitung bestimmter Grenzwerte der Salzanreicherung kommt es zu steinförmigen Ablagerungen in Wärmetauschern und Kühlwasserrohren („Kesselstein“). Diese Verkrustungen beeinträchtigen die Wärmetauscherleistungen und erhöhen die Durchflusswiderstände der Wärmetauscher und Rohrleitungen. Die Entstehung dieser Ablagerungen versucht man, durch periodische Erneuerung („Absalzung“) des Kühlwassers zu vermeiden. Die Absalzwassermenge kann man auf besonders einfache Weise über ein Absalz-Magnetventil in Abhängigkeit von der Zusatzwassermenge des Kühlwasserkreislaufes ablassen. Die Zusatzwassermenge wird über ein Schwimmerventil in der Kühlwasserauffangwanne des Verdunstungsrückkühlers geregelt. Eine wesentlich elegantere und wirtschaftlichere Methode besteht in einer Messung der Salzkonzentration des Kühlwassers über dessen elektrische Leitfähigkeit und in der Steuerung eines Absalz-Magnetventils in Abhängigkeit von einstellbaren Leitfähigkeitswerten. Die Funktion von Kühlwasserkreisläufen mit Verdunstungsrückkühlern kann abgesehen von den beschriebenen Stein bildenden Ablagerungen auch durch das Wachstum von Algen beeinträchtigt werden, da für diese im Betriebsbereich des Kühlwassers um +25 bis +45°C besonders günstige Wachstumsbedingungen vorliegen. Bei ungünstiger Werkstoffwahl kann das sauerstoffreiche Kühlwasser auch Materialien von Bauteilen korrodieren, mit denen es in Berührung kommt. Um Störungen und Schäden durch Wassersteinablagerung, Veralgung und Korrosion zu vermeiden, ist der Betrieb von Verdunstungsrückkühler nur in Verbindung mit dafür geeigneten

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Wasseraufbereitungsanlagen zweckmäßig. Üblich ist dabei die Behandlung des Zusatzwassers durch Zusatz von Chemikalien (Polyphosphate, Chromate, Biocide u.a.) in automatischen Einrichtungen.

150.4.12 KÜHLTÜRME In Verdunstungsrückkühlern kann man auf den Einsatz von Ventilatoren dann verzichten, wenn es gelingt, zur Außenluftförderung durch den Verdunstungsrückkühler die Auftriebswirkung feuchter Luft zu nutzen. Die nach diesem Prinzip konzipierten Rückkühlanlagen werden als „Naturzugkühltürme“ bezeichnet. Sie bestehen aus einer turmartigen Schachtkonstruktion, in welche im unteren Bereich Außenluft einströmen kann. Im Schacht wird Kühlwasser versprüht, wobei die Luft im Schacht Feuchtigkeit aufnimmt, wegen der dadurch verringerten Luftdichte im Schacht aufsteigt und im oberen Bereich durch eine große Öffnung wieder ins Freie gelangt. Die Auftriebswirkung ist von der Schachthöhe abhängig. Im Vergleich zu Verdunstungsrückkühlern mit Ventilatoren erfordern Naturzugkühltürme ein wesentlich größeres Bauvolumen. Für Frostschutz und Kühlwasseraufbereitung bestehen die gleichen Erfordernisse wie für Verdunstungsrückkühler. Abbildung 150.4-19: Kühlturm mit Wasseraufbereitung

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Farbteil Bild 150.4-01: Luftgekühlter Flüssigkeitskühler als Baueinheit

Bild 150.4-02: Flüssigkeitskühler mit luftgekühltem Kondensator

Bild 150.4-03

Bild 150.4-04

Bild 150.4-03: Kühltürme bzw. Verdunstungsrückkühlwerke Bild 150.4-04: luftgekühlte Kondensatoren

80 Bild 150.4-05


Bild 150.4-05: Flüssigkeitskühler mit wassergekühltem Kondensator als Baueinheit Bild 150.4-06: luftgekühlte Kondensatoren

Bild 150.4-07: Bauelemente einer Kälteversorgungsanlage

81


Bild 150.4-09

Bild 150.4-08: Außenluftkollektoren im Dachbereich Bild 150.4-09: Grabenkollektoren im Erdreich

Bild 150.4-10: Bauelemente einer Wärmepumpenanlage

82

Farbteil

Bild 150.4-11: Bauelemente einer Absorptionskälteanlage

Bild 150.4-12

Bild 150.4-13

Bild 150.4-12 bis 14: Absorptions-Flüssigkeitskühler

Bild 150.4-14

87

150.5 WÄRME- UND KÄLTEVERTEILUNG Wärme- und Kälteversorgungsanlagen werden vorzugsweise in zentral angeordneten Technikräumen untergebracht. Der Transport von Wärme- oder Kälteenergie zu den in Gebäuden verteilten Verbrauchern erfolgt in den meisten Fällen mit Wasser als Wärme- oder Kälteträgermedium. Wasser ist aus folgenden Gründen dafür besonders geeignet: • • • • • •

keine gesundheitsschädigenden Wirkungen keine Entsorgungsproblematik weitgehend verfügbar geringe Kosten keine Zustandsänderung im Anwendungsbereich (zwischen 0°C und +100°C) hohe spezifische Wärmekapazität (cp = 1,16 Wh/(kg·K))

Geschlossene Rohrleitungssysteme zwischen Technikräumen und Verbrauchern ermöglichen den Transport des Wärme- bzw. Kälteträgers: Wasser. Rohrreibungswiderstände werden durch den Einsatz von Wasserumwälzpumpen überwunden.

150.5.1 ROHRLEITUNGEN 150.5.1.1 HEIZWASSER Wasser, das zwischen Wärmeversorgungszentralen und Wärmeverbrauchern als Wärmeträger zum Einsatz kommt, bezeichnet man als „Heizwasser“. Die HeizwasserVorlauftemperaturen liegen normalerweise im Bereich zwischen +50°C und +90°C. Zur Verbesserung des Regelverhaltens von Heizkörperventilen lässt man die Heizwassertemperatur häufig in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur in der Weise „gleiten“, dass sie mit zunehmender Außenlufttemperatur automatisch abnimmt. Übliche Temperaturabstände („Temperaturspreizungen“) zwischen „Vorlauf “ und „Rücklauf“ von Heizwasserkreisläufen liegen zwischen 10 und 30 Kelvin.

Wärmedämmung Zur Vermeidung unerwünschter Wärmeabgabe über Rohroberflächen werden Heizwasserrohre mit wärmedämmenden Materialien ummantelt („mit Rohrschalen isoliert“). 150.5.1.2 KALTWASSER Wasser, das als Kälteträger für den Kältetransport von Kälteversorgungszentralen und zu Kälteverbrauchern als Kälteträger zum Einsatz kommt, bezeichnet man als vorwiegend „Kaltwasser“. Die Kaltwasser- Vorlauftemperaturen liegen üblicherweise im Bereich zwischen +4°C und +14°C. Mit hohen Kaltwassertemperaturen ergeben sich bei Betrieb von Kältemaschinen einerseits hohe Leistungsziffern, andererseits werden dabei große Kühlflächen erforderlich, um Kälteleistung an Kälteverbraucher abgeben zu können. Übliche Temperaturabstände („Temperaturspreizungen“) zwischen „Vorlauf“ und „Rücklauf“ von Kaltwasserkreisläufen liegen zwischen 4 und 8 K.

Kältedämmung Um unerwünschte Kälteabgabe und Kondenswasserbildung an kalten Oberflächen zu vermeiden, müssen alle Kaltwasser führenden Bauteile sowohl gegen Kälteverluste als auch gegen Kondenswasserbildung mit diffusionsdichten und kältedämmenden Umhüllungen isoliert werden. Die dafür geeigneten Isoliermate-

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Wärme- und Kälteverteilung

rialien bestehen aus geschlossenzelligem alterungsbeständigem Kunststoff, der an allen Fugen und Stößen mit den Bauteilen diffusionsdicht zu verkleben ist. Bei unzulänglicher Kondenswasserisolierung kann Luftfeuchtigkeit in den Bereich zwischen kalte Bauteile und Isolierung gelangen, wobei diese dann an den kalten Bauteilflächen unter der Kondenswasserisolierung zu Wasser kondensiert. 150.5.1.3 KÜHLWASSER Wasser, das zwischen Kälteversorgungszentralen oder Wärmepumpen und Rückkühlanlagen oder Wärmeverbrauchern zum Einsatz kommt, bezeichnet man als „Kühlwasser“. Die Kühlwasser-Vorlauftemperaturen liegen üblicherweise im Bereich zwischen +30°C und +45°C. Mit tiefen Kühlwassertemperaturen ergeben sich bei Betrieb von Kältemaschinen und Wärmepumpen hohe Leistungsziffern. Übliche Temperaturabstände („Temperaturspreizungen“) zwischen „Vorlauf“ und „Rücklauf“ von Kühlwasserkreisläufen liegen zwischen 4 und 10 K. Wenn Kühlwasser im Freien geführt wird, ist es vor Einfrieren durch geeignete Maßnahmen zu schützen. Wird dem Kühlwasser aus diesem Grunde Frostschutzmittel (z.B. Äthylenglycol) beigemengt, dann steigt sowohl der Kühlwasserbedarf als auch die erforderliche Antriebsenergie für den Wärmetransport, weil sich mit der Beimengung sowohl die spezifische Wärmekapazität als auch die Zähigkeit des Wärmeträgers verändert. Eine andere Möglichkeit des Frostschutzes besteht in der elektrischen Begleitheizung frostgefährdeter Rohrleitungen. 150.5.1.4 EINROHRSYSTEME Abbildung 150.5-01: Einrohrsysteme

Bei Einrohrsystemen zirkuliert der Wärme- oder Kälteträger zwischen Zentrale und Geräten in einer ringförmig angeordneten Rohrleitung, an welche alle Heiz- bzw. Kühlflächen sowohl mit ihrem Vorlauf als auch mit ihrem Rücklauf angeschlossen sind. Von dem in der Ringleitung zirkulierenden Massenstrom wird für die Heiz- bzw. Kühlgeräte jeweils nur ein Teilstrom abgezweigt, und nach Durchströmung dieser Geräte wieder in die gleiche Ringleitung zurückgeleitet. •

Vorteile: – geringer Rohrleitungsaufwand.

•

Nachteile: – Absinken der Vorlauftemperatur für nachgeordnete Geräte, – ungünstige Auswirkung auf das Regelverhalten.

Rohrleitungen

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150.5.1.5 ZWEIROHRSYSTEME Bei Zweirohrsystemen zirkuliert der Wärme- oder Kälteträger im Gebäudebereich in jeweils eigenen ringförmig angeordneten Rohrleitungen für den Vorlauf und den Rücklauf, wobei jedes Heiz- bzw. Kühlgerät sowohl an einen gemeinsamen Vorlaufkreislauf als auch an einen gemeinsamen Rücklaufkreislauf angeschlossen ist. Dieses System der Rohrleitungsführung kommt wegen seiner übersichtlichen hydraulischen Regelverhältnisse vorrangig zum Einsatz. •

Vorteile: – jedes Gerät wird mit gleicher Vorlauftemperatur versorgt, – keine ungünstigen Auswirkungen auf das Regelverhalten.

•

Nachteile: – höherer Rohrleitungsaufwand, – Platzbedarf für Kreuzungen von Vor- und Rücklaufleitungen.

Abbildung 150.5-02: Zweirohrsystem

150.5.1.6 LEITUNGEN Der Transport flüssiger Wärme- oder Kälteträger erfolgt in gebäudetechnischen Anlagen über Rohrleitungen, die aus Stahl, Kupfer oder Kunststoff hergestellt sind. Der für eine Rohrleitung zulässige Betriebsdruck richtet sich nach dessen Werkstoff und der höchsten Temperaturbeanspruchung, der das Rohrmaterial ausgesetzt wird.

Stahlrohre Die Verbindung von Stahlrohrleitungen erfolgt vorwiegend durch Schweißen. Für den Anschluss an Geräte kommen lösbare Verbindungen mit Gewinden oder Flanschen zum Einsatz. Für geschlossene Heizwasserkreisläufe von Einfamilienhäusern oder Altbauwohnungen werden auch dünnwandige biegsame Präzisionsstahlrohre verwendet, die als Korrosionsschutz mit einem Kunststoffmantel umhüllt werden. Ihre Verbindung erfolgt mit vorgefertigten Formstücken mit eingelegten Dichtringen, so genannten „Pressfittings“. Diese werden über die zu verbindenden Rohrenden gesteckt und mit hydraulischen oder elektrischen Presswerkzeugen so verformt, dass eine dauerhafte dichte Rohrverbindung entsteht.

Kupferrohre Für kleinere Anlagen werden häufig Kupferrohre verwendet. Sie sind teurer als Präzisionsstahlrohre, in Gegensatz zu diesen jedoch besonders korrosionsbeständig und lassen sich auf einfache Weise verarbeiten. Die Druckverluste durch Rohrreibung sind bei Kupferrohren geringer als bei Stahlrohrleitungen. Ihre Verbindung erfolgt mit so genannten „Lötfittings“ durch Verlötung oder mit „Pressfittings“.

Kunststoffrohre Kunststoffrohre kommen in gebäudetechnischen Anlagen zunehmend zum Einsatz. Ihre Anwendung ist in Heizwasserkreisen dadurch beschränkt, dass ihre

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Betriebstemperatur nicht über +80°C ansteigen soll. Ihr Hauptanwendungsbereich liegt bei Niedertemperaturheizungen sowie Kalt- und Kühlwasserkreisläufen. Gelegentlich kommt es zu Korrosionsproblemen an jenen Eisenwerkstoffen, die in Wasserkreisläufe mit Kunststoffrohren eingebunden sind, weil Luftsauerstoff den Kunststoff durchdringen kann und das Kreislaufwasser durch Sauerstoffaufnahme aggressiv wird. Durch kombinierte Beschichtung der Kunststoffrohre lässt sich die Sauerstoff-Dichtheit erhöhen. In Vergleich zum Einsatz von Metallrohren lassen sich folgende Vorteile anführen: •

hohe Korrosionsbeständigkeit,

•

einfache Verlegbarkeit, besonders in großen Längen,

•

glatte Oberflächen,

•

geräuschdämmend.

Als Nachteile sind zu berücksichtigen: •

große Dehnung,

•

Temperaturempfindlichkeit,

•

Schlagempfindlichkeit,

•

geringe Festigkeit,

•

Sauerstoffdiffusion.

Die in gebäudetechnischen Anlagen eingesetzten Kunststoffrohre bestehen großteils aus Polyolefinen, zu denen die Werkstoffe Polypropylen, Polyethylen und Polybuten zählen. Rohre aus Polyvinylchlorid sind wegen ihres hohen Chlorgehalts gegen Chemikalien sehr beständig. Es ist schwer entflammbar, wenn es jedoch brennt, kommt es zur Freisetzung von Chlorwasserstoff (Salzsäure). Aus diesem sowie aus anderen ökologischen Gründen (z.B.: Entsorgungsproblematik) ist die Verwendung von Polyvinylchlorid umstritten und wird zunehmend untersagt.

150.5.1.7 LEITUNGSZUBEHÖR Rohrleitungssysteme bestehen zunächst aus Geräten, die über Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Mit einer Vielfalt von Zubehörteilen werden sie ergänzt, um einerseits den Gerätebetrieb zu ermöglichen und andererseits Wartungsarbeiten, Störungsbehebungen und Umbauarbeiten zu erleichtern. Einige dieser Zubehörteile werden nachfolgend beispielhaft beschrieben. Abbildung 150.5-03: Kugelhahn

Rohrleitungen

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Kugelhähne Kugelhähne dienen der Unterbrechung von Volumenströmen in Rohrleitungssystemen. Sie sind besonders widerstandarm und in der Regel wartungsfrei. Für alle in gebäudetechnischen Anlagen vorkommenden Temperaturen, Drücke und Medien sind sie einsetzbar. Beim Schließen von Kugelhähnen ist Vorsicht geboten: Bei Schnellschluss und hohen Mediengeschwindigkeiten können Druckschläge im Rohrsystem auftreten.

Absperrklappen Absperrklappen werden vorzugsweise zwischen zwei Flanschen eingebaut und erfordern nur geringe Bauhöhen. Sie werden sowohl mit Handhebel als auch mit elektrischen oder pneumatischen Antrieben geliefert. Abbildung 150.5-04: Absperrklappen [95]

Be- und Entlüftungsventile Um bei der Befüllung von Rohrleitungssystemen mit flüssigen Medien nur die verdrängte Luft, nicht jedoch das nachströmende Medium aus dem System ableiten zu können, werden an den „Hochpunkten“ der Rohrleitungssysteme automatische Be- und Entlüfter angeordnet. Sie bestehen entweder aus Schwimmkörpern, die in einem Schwimmerbehälter ein Ventil betätigen können, oder aus hygroskopischen Scheiben, die bei Berührung mit Wasser quellen und den für die Entlüftung vorgesehenen Durchlass verschließen. Bei Entleerung eines Rohrleitungssystems ermöglichen sie ein Nachströmen von Luft in die von den flüssigen Medien geleerten Hohlräume. Abbildung 150.5-05: Be- und Entlüftungsventile

Dehnungsausgleicher Dehnungsausgleicher („Kompensatoren“) werden in Rohrleitungen zwischen „Festpunkten“ eingebaut, um die Ausdehnung der Rohre bei Temperaturänderungen aufzunehmen. Rohrbiegungen kann man zu diesem Dehnungsausgleich bei dafür geeigneter Rohrleitungsführung nutzen. Bei geraden Rohrtrassen werden

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in die Rohrleitungen für den Dehnungsausgleich zwischen Festpunkten Kompensatoren eingebaut, deren bewegliches Grundelement aus einem Metallbalg aus Edelstahl oder aus Gummi besteht. Abbildung 150.5-06: Festpunkte und Dehnungsausgleicher (Kompensatoren)

Schwingungsdämpfer Zur Dämpfung von Geräusch- und Schwingungsübertragungen über Rohrleitungen werden Kompensatoren mit Einbauelementen aus Gummi eingesetzt. Hochwertiger Synthese-Kautschuk (z.B. EPDM) ist wärmefest und lässt eine lange Lebensdauer erwarten. Neben Gummikompensatoren werden dafür auch Stahlbalgkompensatoren mit Gummiflanschen angeboten. Abbildung 150.5-07: Balg-Kompensator (Schwingungsdämpfer)

Druckminderventile Druckminderventile („Reduzierventile“, „Zuströmventile“) werden eingesetzt, um den Druck des hinter dem Ventil angeordneten Rohrleitungssystems unabhängig vom Systemdruck vor dem Ventil konstant zu halten. Bei steigendem Druck drosselt oder schließt ein Druckminderventil, um Schäden an nachgeschalteten Geräten zu vermeiden. Abbildung 150.5-08: Druckminderventil

Druckdifferenzregelventile Druckdifferenzregelventile („Mengenregler“) werden eingesetzt, um die Druckdifferenz zwischen zwei Druckmessstellen konstant zu halten. Werden die Messstellen vor und hinter einer Messblende oder bei den Messanschlüssen eines

Rohrleitungen

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Ventils gewählt, dann arbeitet das Ventil als Mengenregler und begrenzt die Durchflussmenge des Mediums. Die Membran des Regelventils wird von beiden Seiten beaufschlagt. Der Sollwert ist durch Veränderung der Federspannung einstellbar. Abbildung 150.5-09: Druckdifferenzregelventil

Dreiwegventile Dreiwegventile haben drei Anschlüsse und können sowohl zur Aufteilung als auch zur Mischung von Volumenströmen eingesetzt werden. Bei Einsatz als Verteilventil können sich Probleme ergeben, wenn Ventilteller am Ventilsitz im Schwachlastbetrieb „flattern“. Dreiwegventile sind deshalb vorzugsweise als Mischventile einzusetzen. Ausgerüstet mit einem Stellantrieb bieten sie die Möglichkeit, durch Mischung von Volumenströmen unterschiedlicher Temperatur die Temperatur des gemischten Volumenstromes in Abhängigkeit von einer Regelgröße zu regeln. Abbildung 150.5-10: Dreiwegventil

Abbildung 150.5-11: Rückschlagarmaturen

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Rückschlagklappen Rückschlagarmaturen verhindern das ungewollte Rückströmen von Volumenströmen bei Änderung der Druckverhältnisse. Sie werden als Rückschlagklappen oder als Rückschlagventile ausgeführt. Rückschlagventile sind stets feder-belastet. Der Durchflusswiderstand von Klappen ist geringer als der von Ventilen. Sowohl Klappen als auch Ventile werden für waagrechten und senkrechten Einbau, mit Anschlussgewinden und für Zwischenflanscheinbau angeboten.

Schmutzfänger Schmutzfänger halten Verunreinigungen aus Leitungssystemen zurück und verhindern dadurch Schäden und Verstopfungen an Ventilen und Geräten. Um Schmutzfänger problemlos reinigen zu können, sind sie zwischen Absperrarmaturen anzuordnen. Abbildung 150.5-12: Schmutzfänger

Sicherheitsventile Sicherheitsventile („Druckminderer“) werden eingesetzt, um den Druck des vor dem Ventil angeordneten Rohrleitungssystems nach oben zu begrenzen. Bei steigendem Druck öffnet ein Sicherheitsventil und lässt Medium aus dem System entweichen, um Schäden am Rohrleitungssystem und den damit verbundenen Geräten zu vermeiden. Bei Rohrleitungssystemen bilden Sicherheitsventile eine zusätzliche Sicherheit gegen unzulässige Überdrücke im System für den Fall, dass die thermische Absicherung nicht ausreicht. Die Anwendung von Sicherheitsventilen ist in Normen geregelt. Die Ventilgröße richtet sich nach der Wärmeleistung der Heizungs- oder Warmwasserbereitungsanlage. Die Mündung von Sicherheitsventilen muss frei und beobachtbar sein. Sicherheitsventile sind an leicht zugänglicher Stelle in unmittelbarer Nähe an der Vorlaufleitung von Wärmeerzeugern anzubringen. Ihre Werkstoffe sollen zumindest bis +140°C beständig sein. Abbildung 150.5-13: Sicherheitsventil

Verteiler und Sammler Verteiler und Sammler haben die Aufgabe, die über Rohrleitungen verschiedenen Verbrauchergruppen zugeführte Wärme- oder Kälteenergie von einem zentralen Ort zu regulieren. Häufig bestehen sie aus Hauptrohren mit großen Durchmessern, in welche die Abgänge für die einzelnen Verbrauchergruppen eingeschweißt sind. Mitunter werden Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler als verschweißte Baugruppe in einem gemeinsamen Gehäuse angeboten.

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Pumpen Abbildung 150.5-14: Schema – Verteiler und Sammler

150.5.2 PUMPEN Für den zwangsweisen Umlauf von Wärme- oder Kälteträgern in Rohrleitungssystemen kommen ausschließlich Kreiselpumpen zum Einsatz. Hauptbestandteile dieser Umwälzpumpen sind ein Spiralgehäuse und ein auf einer Antriebswelle sitzendes Schleuderrad. Der Antrieb erfolgt meistens über einen mit der Antriebswelle direkt verbundenen Elektromotor. Umwälzpumpen dienen der Überwindung jenes Rohrleitungswiderstandes, der sich bei Durchleitung eines Wärme- oder Kälteträgervolumenstromes durch ein hydraulisches System ergibt. Der Wirkungsgrad η einer Pumpe wurde als Verhältnis der Förderleitung zur Antriebsleistung definiert. Er liegt im Bereich von η = 0,4 bis 0,6 bei kleinen Pumpen, η = 0,6 bis 0,8 bei mittleren Pumpen und η = 0,8 bis 0,9 bei großen Pumpen. Der Leistungsbedarf von Umwälzpumpen ergibt sich nach folgender Gleichung: (150.5-01) P V ∆p η

Leistungsbedarf umlaufender Volumenstrom eines Wärme- oder Kälteträgers Rohrleitungswiderstand Pumpenwirkungsgrad

[W] [m3/s] [Pa] [–]

Um den Antriebsmotor der Pumpen nicht zu überlasten, sollte dessen elektrische Antriebsleistung etwa 15 bis 25% über dem errechneten Leistungsbedarf P der Pumpe gewählt werden. Das Betriebsverhalten einer Umwälzpumpe wird durch ihre „Pumpenkennlinie“ in Verbindung mit der „Rohrnetzkennlinie“ jenes hydraulischen Systems bestimmt, in welches sie eingebaut ist. Die Pumpenkennlinie kann nur durch Versuche bestimmt werden und gibt die Beziehung zwischen „Förderhöhe“ und „Förderstrom“ bei konstanter Drehzahl an, während die Rohrnetzkennlinie die Beziehung zwischen Förderstrom und Druckverlust in einem bestimmten Rohrleitungsnetz beschreibt. Der Betriebspunkt einer Umwälzpumpe ergibt sich als Schnittpunkt von Pumpenkennlinie und Rohrnetzkennlinie. Bei Änderung des Rohrnetzwiderstandes verändert sich die Rohrnetzkennlinie. Für Pumpen gelten mit großer Annäherung folgende Proportionalitätsgesetze: • Der Förderstrom V ist proportional zur Drehzahl n. • Die Förderhöhe ∆p ist proportional zum Quadrat der Drehzahl n2. • Der Leistungsbedarf P ist proportional der dritten Potenz der Drehzahl n3.

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Abbildung 150.5-15: Umwälzpumpe [99]

Der Förderstrom von Umwälzpumpen lässt sich durch Drehzahländerung beeinflussen und wird vorzugsweise durch Einsatz von Frequenzumrichtern geregelt. Aus Gründen der Betriebssicherheit empfiehlt sich die Anordnung einer Reservepumpe bei jeder betriebswichtigen Pumpe eines hydraulischen Systems.

150.5.3 AUSDEHNUNGSANLAGEN Bei Änderung der Temperatur ändert sich auch das Volumen von Wärme- und Kälteträgern. Zur Aufnahme temperaturbedingter Volumenänderungen werden geschlossene hydraulische Systeme mit Ausdehnungsanlagen ausgerüstet. Sie bestehen aus einem Stahlgehäuse mit einer Kunststoffmembran, die den Wärme- bzw. Kälteträgerteil von einem Gasteil trennt. Die Kunststoffmembran im Ausdehnungsgefäß verhindert einen Kontakt des Wärme- bzw. Kälteträgers mit Luft. In Abhängigkeit vom Ausdehnungsvolumen eines hydraulischen Systems kommen folgende Bauarten zum Einsatz:

Membranausdehnungsgefäße Bei Zunahme von Temperatur und Druck im hydraulischen System wölbt sich die Membran und presst den Gasteil (Stickstoff) zwischen Membran und Gefäßwand zusammen. Nur ein Teil des Gefäßes kann das Ausdehnungsvolumen aufnehmen. Sie kommen für Medientemperaturen < +120°C und für Betriebs-überdrükke < 6 bar zum Einsatz. Zur Vergrößerung der Kapazität können auch mehrere Gefäße parallel geschaltet angeordnet werden. Abbildung 150.5-16: Druckausdehnungsgefäß – Ausdehnungsanlage

AUSDEHNUNGSGEFÄSS

AUSDEHNUNGSANLAGE

Heizkörper

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Membranbehälter mit Kompressorsteuerung Bei dieser Bauart von Ausdehnungsanlagen wird mit einem Kompressor Druckluft zwischen Membran und Gefäßwand gepresst. Der Kompressor wird von einem Druckfühler im hydraulischen System gesteuert. Das Behältervolumen kann für das Ausdehnungswasser dabei voll genutzt werden. Behälter, Kompressor, Schaltgeräte und Armaturen werden häufig in einem gemeinsamen Gehäuse montiert, sodass die Ausdehnungsanlage als betriebsfertige Einheit installiert werden kann.

150.5.4 HEIZKÖRPER Radiatoren (Strahlungsheizkörper) Radiatoren sind Heizkörper, die Wärme durch Strahlung und Konvektion abgeben. Sie sollten nach Möglichkeit mit wärmeabstrahlenden Heizflächen unterhalb von Fenstern angeordnet werden, um den dort zu erwartenden Kaltluftabfall kompensieren zu können. Durch Wärmestrahlung wird vom menschlichen Körper in Richtung kalter Bauteile mehr Wärme abgegeben als in Richtung wärmerer Bauteile. Bei Heizbetrieb ist wegen der unterschiedlichen Wärmedurchgangszahlen („U-Werte“) von Glasflächen und Wandflächen an Glasflächen mit tieferen Oberflächentemperaturen zu rechnen als an Wänden. Weil der menschliche Körper auf Entwärmungsverhältnisse in unterschiedlichen Richtungen nicht angemessen reagieren und kann durch Strahlungsaustausch an kalte Fensterflächen mehr Wärme als an die wärmeren Wände abgibt, fühlen sich manche Personen in Fensternähe – dem häufig bevorzugten Aufenthaltsbereich – unbehaglich. Durch Anordnung wärmeabstrahlender Heizflächen unter oder neben den kälteren Glasflächen kann man dieser Problematik begegnen, weil diese Heizflächen ihrerseits aus der Richtung der kalten Glasflächen mit erhöhter Oberflächentemperatur Wärme abstrahlen. Abbildung 150.5-17: Heizkörperanordnung Raum

Abbildung 150.5-18: Plattenheizkörper

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Heizkonvektoren Bei Heizkonvektoren sind die Heizflächen auf engem Raum lamellenartig angeordnet. Konvektoren erwärmen die an ihren Heizflächen entlangströmende Luft („durch Konvektion“), ihre Wärmeabgabe durch Strahlungsaustausch ist vernachlässigbar. Ihre Heizleistung wird erheblich von der Geschwindigkeit der an den Heizflächen vorbeiströmenden Luft beeinflusst. Durch Anordnung warmluftführender Schächte oberhalb von Konvektoren kann man die Auftriebswirkung erwärmter Raumluft nutzen, um deren Heizleistung zu steigern. Heizkonvektoren sollten nur dann zum Einsatz kommen, wenn keine Möglichkeit zur Anordnung wärmeabstrahlende Heizflächen besteht, wie beispielsweise vor verglasten Terrassentüren oder bei Schaufenstern. Konvektorheizflächen sind verschmutzungsempfindlich und lassen sich nur schlecht reinigen. Bei der Anordnung von Heizkonvektoren ist deshalb besonders auf die Möglichkeit zur Reinigung zu achten. Sie wird durch Anordnung abnehmbarer Rollroste über Konvektorschächten und durch schiefe schmutzabweisende Flächen in unzugänglichen Bereichen unterhalb von Heizkonvektoren erleichtert. Abbildung 150.5-19: Heizkonvektoren

Abbildung 150.5-20: Bodenkonvektoren

Abbildung 150.5-21: Konvektoranordnung

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Heizkörper

Mit einer Kombination von Konvektorheizfläche und Ventilator in einem gemeinsamen Gehäuse, einem so genannten „Ventilatorkonvektor oder fan-coil“, kann man sich von Auftriebswirkungen der Warmluft unabhängig machen. Mit solchen kompakt gebauten Geräten sind hohe Heizleistungen an die Raumluft übertragbar. Ventilatorkonvektoren kommen vorzugsweise dort zum Einsatz, wo Räume innerhalb kurzer Zeit erwärmt werden sollen (z.B. bei Veranstaltungsstätten). Abbildung 150.5-22: Ventilatorkonvektoren

HEIZUNG

HEIZUNG UND KÜHLUNG

Flächenheizungen Unter Flächenheizungen oder „Bauteilheizung“ versteht man Heizflächen, bei denen die Wärmeabgabe vorwiegend durch Wärmestrahlung beheizter Bauteilflächen wie von Böden, Decken oder Wänden erfolgt. Diese Bauteilflächen lassen sich allerdings nur dann als Heizflächen nutzen, wenn nicht zu erwarten ist, dass ihre Wirkung durch Einrichtungsgegenstände, Möbel oder Textilien beeinträchtigt werden kann. Vorteile • • • • • •

von Flächenheizungen [16]: Unsichtbarkeit, kein Platzbedarf für Raumheizkörper, Sauberkeit, keine Staubansammlung auf Heizkörperflächen, gleichmäßige Raumtemperatur, physiologisch günstigere Entwärmung des Körpers bei geringerer Lufttemperatur, Niedrige Vorlauftemperaturen ermöglichen Wärmepumpenbetrieb und Sonnenenergienutzung, Möglichkeit der Raumluftkühlung durch Betrieb mit kaltem Wasser.

Nachteile von Flächenheizungen [16]: • große Trägheit und geringe Regelfähigkeit, • keine Möglichkeit zur nachträglichen Änderung von Heizflächen, • hohe Kosten für baulichen Aufwand.

Fußbodenheizung Die Heizwasserrohre werden in Verbindung mit einer Warmwasserzentralheizung im Fußboden verlegt, wobei die Heizwassertemperaturen unter maximal < +55°C verbleiben. Fußbodenheizungen sind deshalb typische „Niedertemperaturheizungen“, die sich besonders für Wärmeversorgung durch Wärmepumpen oder für Sonnenenergienutzung eignen. Die Wärme wird vom Fußboden durch Konvekti-

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on und Strahlung an den Raum abgegeben, die Wärmeabgabe nach unten ist durch Wärmedämmschichten zu begrenzen. Bei Fußbodenheizungen hat die Erfahrung [16] gezeigt, dass im Daueraufenthaltsbereich eine Oberflächentemperatur von > 27°C unangenehm wirkt (Fußbeschwerden wegen unzureichender Entwärmung der Fußsohlen). Unter diesen Bedingungen sind spezifische Heizleistungen von maximal 80 W/m2 erreichbar. Bei Bedeckung mit einem Fußbodenestrich sind Fußbodenheizungen verhältnismäßig träge. Auf Störgrößen wie Sonneneinstrahlung und Personenwärme können sie deshalb nicht angemessen reagieren, sodass eine Raumtemperaturregelung von Fußbodenheizungen kaum zweckmäßig ist. Es hat sich deshalb bewährt, Fußbodenheizungen nur als Grundlastheizung in Abhängigkeit von der Außentemperatur zu regeln und zur Abdeckung von Spitzenlasten rasch reagierende Zusatzheizkörper wie Radiatoren oder Konvektoren einzusetzen. Die Anordnung von Zusatzheizungen ist besonders unterhalb von Fenstern empfehlenswert, um an kalten Tagen den dort auftretenden Kaltluftabfall und damit verbundene Zugerscheinungen zu vermeiden (siehe auch Band 14: Fußböden).

Deckenheizung Bei Deckenheizungen besteht die Erfahrung, dass bei Raumtemperaturen um ~ 20°C sowohl eine Oberflächentemperatur von > 35°C als auch eine Wärmeabgabe von > 12 W/m2 unangenehm empfunden wird (siehe auch Band 4: Decken). Bei Deckenheizungen unterscheidet man folgende Ausführungsarten: • • • •

Rohrdeckenheizung, Lamellendeckenheizung, Strahlplattenheizung, Hohlraumdeckenheizung.

Abbildung 150.5-23: Deckenstrahlplatten

Wandheizung Bei Wandheizungen werden Heizwasserrohre in ähnlicher Weise wie bei Fußbodenheizungen verlegt. Hinter den Heizwasserrohren sind Wärmedämmplatten (empfohlene Mindeststärke 4 cm) anzuordnen. Zur Aufnahme von Heizwasserrohren müssen Betonplatten eine Mindeststärke von ~5 cm aufweisen. „Wandheizregister“ werden in unterschiedlichen Bauhöhen und Breiten angeboten, die sich miteinander beliebig kombinieren lassen. Die Montage erfolgt entweder auf Ziegelmauerwerk oder auf Putzträgerplatten. Anschließend wird unter Verwendung von Gittergeweben der Innenputz konventionell aufgebracht. Auch Trockenbauwände können als Wandheizflächen dienen, wenn man an ihnen in geeigneter Weise Rohrleitungen anbringt. Als Wandheizflächen können Strahlungsheizkörper dienen, die in Wände bündig eingelassen sind. Wegen der geringen Heizwasservorlauftemperaturen um ~ +30°C bis +40°C sind der Wärmeabgabe von Wandheizflächen Grenzen gesetzt. Das Heizungssystem reagiert auf Last-

Kühlgeräte

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spitzen träge. Auf gute Wärmedämmung nach außen ist besonders zu achten. Ein Vorteil dieses Heizsystems besteht in der Vermeidung von Heizkörperanordnungen in Aufenthaltsräumen. Probleme können bei der Raumnutzung dann auftreten, wenn Möblierungen die Wirkung von Heizflächen beeinträchtigen, oder Heizwasserrohre bei Bohrarbeiten an Wänden verletzt werden. Eine Alternative zu den Warmwasserwandheizungen sind elektrische Wandheizsysteme.

150.5.5 KÜHLGERÄTE 150.5.5.1 VENTILATORKONVEKTOREN Zur Raumluftkühlung sind Ventilatorkonvektoren (fan-coil-Geräte) auf einfache und vielfältige Weise einsetzbar. Man kann sie als „Standgeräte“ im Brüstungsbereich, als Raumteiler innerhalb von Räumen, in Zwischendecken oder unterhalb von Decken, in Zwischenböden sowie hinter, über oder in Möbelstücken anordnen. Sie erfordern folgende Anschlüsse: • • • •

Kaltwasserleitungen: Vorlauf und Rücklauf, gegen Kondenswasserbildung isoliert, Kondensat-Entwässerungsleitung mit zuverlässig wirkendem Geruchsverschluss, Stromversorgung für Ventilator, Steuerleitungen für Steuerung und Regelung.

Nur bei Betrieb des Ventilators können Ventilatorkonvektoren die Raumluft kühlen oder entfeuchten. Bei Ventilatorstillstand ist ihre Kühlwirkung vernachlässigbar gering. Mit dem Ventilatorbetrieb ist eine unvermeidbare Geräuschentwicklung verbunden, die durch großzügige Geräteauslegung auf unbedenkliche Geräuschpegel begrenzt werden kann. Mit Ventilatorkonvektoren lässt sich die Raumlufttemperatur sowohl durch Veränderung der Kaltwassertemperatur als auch durch Veränderung der Ventilatordrehzahl regeln. Wenn Ventilatorkonvektoren mit zwei Wärmetauschern ausgerüstet sind, ist das gleiche Gerät sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbetrieb einsetzbar. Bei Konzeption der Baugröße und Anordnung von Ventilatorkonvektoren sind die Luftströmungsverhältnisse sowohl für den Volllast- als auch für den Teillastbetrieb sorgfältig zu beachten. Im Aufenthaltsbereich dürfen die von Ventilatorkonvektoren verursachten Luftbewegungen die zumutbaren Grenzwerte (~0,20 m/s bei 20°C, siehe Band 1: Bauphysik) jedenfalls nicht überschreiten. Eine Kombination von Ventilatorkonvektoren mit Außenluftanschlüssen über Fassadendurchbrüche hat sich bisher nicht bewährt, weil dabei winddruckbedingt unzumutbare Zugerscheinungen auftreten können. Theoretisch könnten Ventilatorkonvektoren über Durchbrüche in Fassaden auch Außenluft ansaugen und damit zu einer mechanischen Raumlüftung beitragen. In der Praxis haben sich derartige Konzepte bisher jedoch nicht bewährt, weil dabei – zeitweise winddruckbedingt – unvermeidliche Zugerscheinungen auftreten. 150.5.5.2 KÜHLDECKE Um „stille Kühlung“ zu ermöglichen, wurden Deckenkühlsysteme in ähnlicher Bauweise wie Deckenstrahlungsheizungen entwickelt. In Gegensatz zu Ventilatorkonvektoren ist damit eine Luftentfeuchtung zwar möglich, jedoch höchst unerwünscht. An den Kühlflächen kann Kondenswasser anfallen, sobald die „Taupunkttemperatur“ der Raumluft über die Oberflächentemperatur der Kühlflächen ansteigt. Dieses Risiko besteht, wenn bei schwülem Wetter mit hoher Luftfeuchtigkeit Fenster von gekühlten

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Räumen geöffnet werden. Kühldecken sollten mit Kaltwassertemperaturen von mehr als +15°C betrieben werden, um dieses Risiko in Grenzen zu halten. Im Hinblick auf das verbleibende Restrisiko versucht man, bei Gefahr von Kondensation die Kaltwasserversorgung der Kühlflächen automatisch zu unterbrechen. Die spezifische Kühlleistung von Deckenkühlsystemen liegt im Bereich von 50 bis 80 W/m2. Abbildung 150.5-24: Kühldecke

150.5.5.3 KÜHLBALKEN Wenn im Bereich von Zwischendecken ausreichend Platz zur Verfügung steht, lassen sich dort Kühlbalken anordnen, die ähnlich ausgeführt sind wie Konvektoren zur Raumheizung. Bei geeigneter Bauweise kann allenfalls anfallendes Kondenswasser über ein Entwässerungssystem abgeleitet werden. Zur Steigerung der Kühlleistung von Kühlbalken werden sie mitunter mit Zuluftdurchlässen kombiniert, um die Luftgeschwindigkeit an den Kühlflächen zu erhöhen. Die Zweckmäßigkeit dieser Konzeption ist dann zu hinterfragen, wenn der Lufterneuerungsbedarf mit dem Kühlbedarf nur selten übereinstimmt. Abbildung 150.5-25: Kühlbalken

150.5.5.4 BAUTEILKÜHLUNG Eine weitere Möglichkeit „stiller Kühlung“ besteht darin, kaltwasserführende Rohrleitungen im Betonkern von Decken oder Böden anzuordnen. Die Speicherfähigkeit der Bauteilmasse wird dabei bestens genutzt. Auf Kühllastveränderungen können derartige Systeme nur verzögert reagieren. In zufrieden stellender Weise sind sie zur „Grundlastkühlung“ einsetzbar.

Kühlgeräte

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Abbildung 150.5-26: Bauteilkühlung

Für Bauteilkühlung kommen in den meisten Fällen Kunststoffrohre zum Einsatz, die zur Vermeidung von Sauerstoffdiffusion mit Spezialfolien umhüllt und mit Schutzschichten ummantelt sind. Mit Kühlwasser und Frostschutzmittel durchflossene gekühlte Bauteile entziehen sowohl dem Baukörper als auch dessen Umgebung Wärme, die mit Wärmepumpenanlagen zur Gewinnung nutzbarer Wärme herangezogen werden kann. Weil in diesem Anwendungsfall die Nutzwärmegewinnung vor der Bauteilkühlung im Vordergrund steht, werden derartige Bauteile auch als Betonkernkollektoren bzw. Erdreichkollektoren bezeichnet.

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150.6 PLANUNG VON HEIZUNGS- UND KÜHLUNGSSYSTEMEN Heizungs- und Kühlungssysteme, die in Gebäuden zum Einsatz kommen, dienen der Bewohnbarkeit von Aufenthaltsräumen oder der Aufrechterhaltung von Anlagen- und Gerätefunktionen. Voraussetzung für die Planung gebäudetechnischer Heizungs- und Kühlungssysteme bilden Planungsvorgaben, die in ähnlicher Weise wie für die Gestaltung von Raumaufteilungen und Gebäudehüllen von Bauherrn und Planer einvernehmlich zu präzisieren sind. Heizungs- und Kühlungssysteme lassen sich ebenso wie Gebäudehüllen aus vielfältigen Bauteilen und Komponenten zusammensetzen. Im Gegensatz zu Bauteilen der Gebäudehülle sind mit dem Einsatz von Heizungs- und Kühlungssystemen wegen ihres nutzungsbedingten Energiebedarfes regelmäßig anfallende Betriebskosten verbunden, die während der Gebäudenutzungsdauer die Errichtungskosten erheblich übertreffen können. Es handelt sich demnach um wichtige Gebäudebestandteile, die sich veränderten Nutzungsanforderungen nicht so einfach wie die Möblierung anpassen lassen. Ein Bauherr sollte diese Tatsache bereits bei der Planung eines Bauvorhabens dadurch berücksichtigen, dass er die Projektierung gebäudetechnischer Heizungs- und Kühlungssysteme nur dafür ausgebildeten fachkundigen Ingenieuren überträgt und für die Dokumentation seiner Planungsvorgaben sorgt.

150.6.1 HYDRAULISCHE SYSTEME Funktionelle Einheiten von Bauteilen, in welchen Flüssigkeiten bewegt werden, bezeichnet man als „hydraulische Systeme“. Bei Heizungs- und Kühlungsanlagen bestehen deren hydraulische Systeme aus Rohrleitungen mit dazugehörigen Einbauteilen und dienen vorwiegend dem Energietransport zwischen Versorgungszentralen und den in Gebäuden verteilt angeordneten Geräten zur Raumheizung oder Raumkühlung.

Rohrleitungsschema Zur Erleichterung des Verständnisses für hydraulische Zusammenhänge werden die Rohrleitungsführungen von Wärme- oder Kälteträgern in Schemazeichnungen möglichst übersichtlich dargestellt. Wesentlich ist bei derartigen Darstellungen nicht so sehr die maßstabgerechte Anordnung von Anlagen und Geräten, sondern eine übersichtliche Darstellung ihrer hydraulischen Verknüpfungen. Bewährt hat sich dabei eine vertikale Gliederung mit horizontalen Zeichnungsfeldern für die einzelnen Stockwerke in Verbindung mit unverwechselbaren Bezeichnungen für alle vertikalen Rohrleitungstrassen (Schachtbezeichnungen „Sxx“). Die eindeutige Zuordnung der in Schemazeichnungen angeführten Anlagen, Geräte und Bauteile zu ihrer örtlichen Lage in Grundrissplänen hat über ein geeignetes Anlagenbezeichnungssystem zu erfolgen. In Verbindung mit Zusammenstellungen der technischen Daten von Anlagen, Geräten, Bauteilen und Rohrleitungen bilden Schemazeichnungen wesentliche Auftragsgrundlagen und wertvolle Hilfsmittel zur Betriebsführung sowie zur Dokumentation des Anlagenbestandes. Die in hydraulischen Schemazeichnungen dargestellten Sinnbilder sind weitgehend genormt.

106

Planung von Heizungs- und Kühlungssystemen

Tabelle 150.6-01: Sinnbilder für wärme- und kältetechnische Anlagen – Teil 1

Technikräume

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Tabelle 150.6-02: Sinnbilder für wärme- und kältetechnische Anlagen – Teil 2

Abbildung 150.6-01: Beispiel für ein hydraulisches Schema

150.6.2 TECHNIKRÄUME Technikräume für zentrale Anlagen werden vorzugsweise in Keller- oder Dachbereichen angeordnet. Für die gebäudetechnische Geschoßversorgung ist nach Möglich

108


keit in jedem Geschoß zumindest ein weiterer Technikraum vorzusehen, der mit den sonstigen Technikräumen über Installationsschächte oder Installationstrassen verbunden sein sollte. In diesen Technikräumen werden technische Anlagen sowie Absperrund Regelarmaturen für das betreffende Geschoß untergebracht. Der Zugang zu Technikräumen soll über allgemein zugängliche Verkehrswege erfolgen und ist technischen Gebäudebetreuern ohne Störung sonstiger Gebäudenutzer jederzeit zu ermöglichen. Bei Hochhäusern kann sich die Gliederung mehrerer Stockwerke zu Versorgungsbereichen (für etwa 16 Geschoße) als zweckmäßig erweisen. Jeder dieser Versorgungsbereiche wird dabei von einem zentral angeordneten Technikraum versorgt, der in manchen Fällen ein ganzes Technikgeschoß umfassen kann. 150.6.2.1 BRENNSTOFFLAGERRÄUME Technikräume zur Lagerung von festen und flüssigen Brennstoffen werden zur Vereinfachung von Befüllungsvorgängen üblicherweise in Kellerräumen untergebracht. In unmittelbarer Nähe der Brennstofflagerräume sind für Anlieferung und Befüllung geeignete Verkehrsflächen vorzusehen, die über versperrbare Füllschächte oder Leitungen mit den Lagerräumen verbunden sind. Brennstofflagerräume sind brandbeständig auszuführen und dürfen nur für die Lagerung der dafür vorgesehenen Brennstoffe genutzt werden. Für flüssige Brennstoffe sind die Lagerräume darüber hinaus als dichte Wanne auszubilden, die im Gebrechensfall das höchstmögliche eingelagerte Brennstoffvolumen aufnehmen kann. Behälter für flüssige Brennstoffe sind so anzuordnen, dass ihre Außenflächen inspiziert (eingesehen) werden können. 150.6.2.2 HEIZKESSELRÄUME Heizkesselanlagen mit den dazugehörigen Komponenten wie Heizwasserverteiler, Heizwasserumwälzpumpen, Regelgeräten und Ausdehnungsanlage für das Heizwasser werden bei Nutzung fester und flüssiger Brennstoffe vorzugsweise in Nähe der Brennstofflagerräume untergebracht. Die Versorgung von Feuerungsanlagen mit Verbrennungsluft ist bei allen Witterungsbedingungen sicherzustellen und darf – z.B. auch bei Schneefall – nicht verlegt werden. Für Wartungs- und Reparaturarbeiten sollten Heizungskessel von allen Seiten zugänglich bleiben. Für Heizleistungen über ~200 kW empfiehlt sich eine Aufteilung der Heizleistung auf mehrere Heizkessel, um bei Ausfall eines der Kessel einen Notbetrieb zu ermöglichen und um bei Teillast eine Betriebsweise mit günstigerem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Bei Einsatz gasförmiger Brennstoffe ist in der Hausanschlussleitung außerhalb des Gebäudes eine erdverlegte Absperreinrichtung einzubauen. Nach Einführung der Hausanschlussleitung in das Gebäude oder im Heizraum ist für die Gaszufuhr eine Hauptabsperreinrichtung anzuordnen. Empfehlenswert sind darüber hinaus Maßnahmen, die sicherstellen, dass im Brandfall die Gaszufuhr innerhalb des Gebäudes selbsttätig unterbrochen wird. Heizräume für Gaskesselanlagen werden auch in Dachgeschoßen untergebracht. Tabelle 150.6-03: Platzbedarf – Richtwerte für Heizkesselräume [16] Wärmeleistung [MW] 0,00 0,10 0,40 1,20

bis bis bis bis

0,10 0,40 1,20 4,00

Grundfläche für Kesselraum [m2]

Grundfläche für Verteilerraum [m2]

~6 ~ 25 ~ 70 ~ 120

~ 10 ~ 30 ~ 70

Raumhöhe [m] ~ ~ ~ ~

3,0 3,0 4,0 5,0

109

Technikräume Abbildung 150.6-02: Ausstattung Heizraum 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

KESSEL SCHORNSTEIN ABLUFT ZULUFT NOTAUSSTIEG VERTEILERRAUM SCHALTTAFEL HEIZÖLBRENNER TAGESBEHÄLTER HEIZÖLPUMPE ENTWÄSSERUNG

150.6.2.3 FERNWÄRME-UMFORMERRÄUME Fernwärme-Umformer mit den dazugehörigen Komponenten wie Absperr- und Sicherheitsarmaturen, Wärmemengenerfassung, Heizwasserverteiler, Heizwasserumwälzpumpen, Regelgeräten und Ausdehnungsanlage für das Heizwasser werden vorzugsweise im Eintrittsbereich der Fernwärmeleitungen in das Gebäude in eigenen Umformerräumen untergebracht. Der Zugang zu Fernwärme-Umformerräumen soll über allgemein zugängliche Verkehrswege erfolgen und ist auch Mitarbeitern des Fernwärmeversorgungsunternehmens ohne Störung sonstiger Gebäudenutzer jederzeit zu ermöglichen. Der Platzbedarf für Fernwärme-Umformerräume ist grundsätzlich mit dem Wärmeversorgungsunternehmen abzuklären. Die nachfolgend angeführten Richtwerte [2] liegen in plausiblen Bereichen und sind nur für Grobbemessungen in Vorentwurfsphasen heranzuziehen. Tabelle 150.6-04: Platzbedarf – Richtwerte für Fernwärme-Umformerstationen [98] Wärmeleistung [MW] 0,00 0,10 0,40 1,20

bis bis bis bis

0,10 0,40 1,20 3,50

Grundfläche ohne Warmwasseraufbereitung [m2] ~ ~ ~ ~

20 25 40 45

Grundfläche mit Warmwasseraufbereitung [m2] ~ ~ ~ ~

25 40 65 70


2,6 2,6 2,8 2,8

110


150.6.2.4 KÄLTEMASCHINENRÄUME Kältemaschinen werden über Kühlwasserleitungen mit Rückkühlanlagen verbunden. Für diese Rohrleitungen sind gegebenenfalls Installationsschächte und Installationstrassen vorzusehen. Wenn Kältemaschinen nicht als witterungsbeständige Baueinheiten im Freien aufgestellt werden, sind sie in Kältemaschinenräumen unterzubringen. Für eine überschlägige Vorbemessung des Platzbedarfes von Kältemaschinenräumen können nachfolgende Tabellen herangezogen werden. Tabelle 150.6-05: Platzbedarf – Richtwerte für Kältemaschinenräume [16] Kälteleistung [MW] 0,00 0,10 0,40 1,20

bis bis bis bis

Grundfläche [m2]

0,10 0,40 1,20 3,50

~ 20 ~ 50 ~ 80 ~ 110


3,0 4,0 4,5 5,0

Bei der Aufstellung von Kältemaschinen sind gesetzliche Vorschriften und technische Richtlinien zu beachten. Kältemaschinenräume müssen mit Lüftungseinrichtungen ausgestattet sein, um zu hohe Raumtemperaturen zu vermeiden und bei Kältemittelverlusten eine Grenzwertüberschreitung von Luftschadstoffen zu verhindern. Bei der Anordnung von Kältemaschinen ist auf ausreichende Raumhöhe zur Anbringung von Hebezeugen oberhalb der Maschinen zu achten. Gute Zugänglichkeit von allen Seiten erleichtert die Wartung und eventuell anfallende Reparaturarbeiten. Bei Rohrbündelaustauschern ist nach einer Seite ausreichend Platz vorzusehen, um bei Wartungsarbeiten mit Reinigungsbürsten hantieren und um Rohre notfalls nach einer Seite hin ausbauen zu können. Nach Möglichkeit ist ein Kältemaschinenraum an ein Entwässerungssystem anzuschließen. Abbildung 150.6-03: Kältemaschinenraum

Zur Vermeidung von Körperschallübertragung sind Kältemaschinen auf schwingungsdämpfenden Unterlagen aufzustellen. Es empfiehlt sich, deren Wirksamkeit zu präzisieren und dafür bereits vor Aufstellung von Kältemaschinen Bemessungsnachweise anzufordern. 150.6.2.5 RAUMBEDARF FÜR RÜCKKÜHLANLAGEN Rückkühlanlagen sind nach Möglichkeit im Freien anzuordnen. Bei Anordnung in Gebäuden erfordern Rückkühlanlagen im Vergleich zur Außenaufstellung einen hohen Aufwand für umbauten Raum und höheren Energieaufwand zur Förderung der Außenluftvolumenströme. Die unterschiedlichen Ausführungsarten von Rückkühlanlagen wirken sich erheblich auf deren Platzbedarf aus. Die nachfolgend angeführten Richtwerte

111

Ermittlung von Heizlast und Kühllast

sind aus diesem Grund mit Vorsicht zu handhaben und nur dann heranzuziehen, wenn zur Ausführungsart noch keine konkreten Vorstellungen bestehen: Tabelle 150.6-06: Platzbedarf- Richtwerte für Rückkühlanlagen [2] Kälteleistung [MW] 0,00 0,10 0,40 1,20

bis bis bis bis

0,10 0,40 1,20 3,50

Grundfläche [m2] ~ 15 ~ 30 ~ 60 ~ 120

Bauhöhe [m] ~ ~ ~ ~

2,8 3,2 3,6 4,0

Gewicht [t] 0,4 1,0 3,0 6,0

bis bis bis bis

1,0 3,0 6,0 12,0

Abbildung 150.6-04: Luftgekühlte Kältemittelverflüssiger (Kondensatoren)

Bei der Anordnung luftgekühlter Kältemittelverflüssiger im verbauten Gebiet kann die Geräuschemission der Kühlluftventilatoren Anrainer belästigen. Die Grenzen zumutbarer Lärmbelästigung der Nachbarschaft sind deshalb den Anlagenbemessungen als Geltungsbereich zugrunde zulegen.

150.6.3 INSTALLATIONSSCHÄCHTE UND -TRASSEN Senkrechte Leitungen gebäudetechnischer Anlagen werden nach Möglichkeit in dafür ausgebildeten „Installationsschächten“ untergebracht. Die horizontale Leitungsführung erfolgt in „Installationstrassen“. Diese Schächte und Trassen dienen der Verbindung gebäudetechnischer Zentralanlagen mit Nutzungsbereichen und sollten nach Möglichkeit folgenden Anforderungen entsprechen: • •

• •

Verbindung von Technikzentralen mit Technikräumen und Nutzungsbereichen auf kurzen Wegen, Zugänglichkeit aller in Schächten und Trassen angeordneten Armaturen ohne Störung von Wohn- oder Arbeitsbereichen (möglichst von Verkehrswegen, Technik- oder Nebenräumen), Platzreserven für Installationen, die bei allfälligen Widmungsänderungen nachzurüsten wären, sind in angemessener Weise zu berücksichtigen, Zuordnung zu dem Brandabschnitt eines damit verbundenen Technikraumes.

150.6.4 ERMITTLUNG VON HEIZLAST UND KÜHLLAST Heizungs- und Kühlungsanlagen sind grundsätzlich für jene Leistungen zu bemessen, die auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen zur Aufrechterhaltung gewünschter Raumtemperaturen in den zu beheizenden oder zu kühlenden Räumen benötigt

112


werden. Der Wärmefluss „Φ“ entspricht der höchsten anzunehmenden „Heizleistung“ oder „Kühlleistung“ zur Aufrechterhaltung gewünschter Raumtemperaturen und dient der Bemessung von Versorgungs- und Verteileinrichtungen für einen festgelegten Extremfall. Er gibt keinen Anhaltspunkt über den erforderlichen Jahresenergiebedarf eines Gebäudes für Heiz- oder Kühlzwecke. Abbildung 150.6-05: Prinzip – Heizlast- und Kühllast

HEIZLAST

KÜHLLAST

Um die Heiz- oder Kühllast in angemessener Weise ermitteln zu können, muss deren Geltungsbereich bekannt sein. Dazu zählt neben meteorologischen Extrembedingungen auch das Anspruchsniveau der Gebäudenutzer hinsichtlich ihrer „thermischen Behaglichkeit“.

150.6.5 HEIZLASTERMITTLUNG Mit Heizlast wird nach ÖNORMEN 12831 [NJ54] jener Wärmestrom Φ definiert, der einem zu beheizendem Raum (i) zuzuführen ist, um in diesem Raum eine vorgegebene Raumlufttemperatur einhalten zu können. Als Geltungsbereich und Vorgabe für die Durchführung einer Heizlastberechnung müssen folgende Einflussgrößen bekannt sein: Tabelle 150.6-07: Einflussgrößen der Heizlastberechnung [70] Heizlast (Wärmebedarf) = Transmissionswärmebedarf + Lüftungswärmebedarf • • • •

Außentemperatur geforderte Raumtemperatur Größe und Wärmedämmung der Bauteile Lage der Räume

• • • •

Außentemperatur geforderte Raumtemperatur Windanfall Größe und Luftdurchlässigkeit von Fenstern und Türen

Nach dem in ÖNORM EN 12831 [70] angeführten vereinfachten Berechnungsverfahren wird die Norm-Heizlast einer Gebäudeeinheit oder eines Gebäudes ΦHL nach Gleichung (150.6-01) ermittelt. (150.6-01) ΦHL ∑ΦT,i ∑ΦV,i ∑ΦRH,i

Heizlast einer Gebäudeeinheit Summe der Transmissionswärmeverluste Summe der Lüftungswärmeverluste Summe zusätzlicher Aufheizleistungen

[W] [W] [W] [W]

113

Heizlastermittlung

(150.6-02) ΦT,i fk AK UK Θint Θe

Transmissionsverluste Temperaturfaktor (siehe Tabelle 150.6-10) Bauteilfläche Wärmedurchgangskoeffizient Innentemperatur Außentemperatur

[W] [–] [m2] [W/(m2K)] [°C] [°C]

(150.6-03) ΦV, i Vmin, i

Lüftungswärmeverluste Mindestluftvolumenstrom

[W] [m3/h]

(150.6-04) nmin Vi

Mindestaußenluftwechsel (siehe Tabelle 150.6-06) Raumvolumen

[h–1] [m3]

(150.6-05) ΦRH,i Ai fRH

Aufheizleistung Fläche Aufheizfaktor (siehe Tabelle 150.6-08 und 09)

[W] [m2] [–]

Der Norm-Wärmeverlust Φi eines beheizten Raumes (i) wird nach dem in ÖNORM EN 12831 [70] angeführten vereinfachten Berechnungsverfahren ermittelt. (150.6-06) Φi f∆Θ,i

Wärmeverluste Temperatur-Korrekturfaktor (siehe Tabelle 150.6-11)

[W] [W]

Geltungsbereich: Tabelle 150.6-08: Norm-Innentemperaturen Θint,i [70] Gebäudetyp Einzelbüro Großraumbüro Konferenzraum Auditorium

Θint,i [°C]

Gebäudetyp

Θint,i [°C]

Gebäudetyp

Θint,i [°C]

20 20 20 20

Restaurant Klassenraum Kindergarten Kaufhaus

20 20 20 16

Wohnungen Badezimmer Kirche Museum

20 24 15 16

Tabelle 150.6-09: Mindestluftwechselzahlen nmin [70] Raumart

nmin [h–1]

bewohnbarer Raum, Standardfall Küche oder Badezimmer mit Fenster Büroraum Besprechnungsraum, Schulungszimmer

0,5 1,5 1,0 2,0

114


Tabelle 150.6-10: Wiederaufheizfaktor fRH für Nicht-Wohnbauten [70] fRH [W/m2] Innentemperaturabfall während der Nachtabsenkung1) 2K 3K 4K Gebäudemasse Gebäudemasse Gebäudemasse leicht mittel schwer leicht mittel schwer leicht mittel schwer

Wiederaufheizzeit in Stunden 1 2 3 4

18 9 6 4

23 16 13 11

25 22 18 16

27 18 11 6

30 20 16 13

27 23 18 16

36 22 18 11

27 24 18 16

31 25 18 16

1) Bei gut wärmegedämmten und luftdichten Gebäuden tritt während der Nachtabsenkung üblicherweise kein größerer Temperaturabfall als 2 bis 3 K auf. Dies hängt von den klimatischen Verhältnissen und der thermischen Masse des Gebäudes ab.

Tabelle 150.6-11: Wiederaufheizfaktor fRH für Wohnbauten [70]

Wiederaufheizzeit in Stunden

fRH [W/m2] Innentemperaturabfall während der Nachtabsenkung1) 2K 3K 4K Gebäudemasse Gebäudemasse Gebäudemasse leicht mittel schwer

1 2 3 4

11 6 4 2

22 11 9 7

45 22 16 13

1) Bei gut wärmegedämmten und luftdichten Gebäuden tritt während der Nachtabsenkung üblicherweise kein größerer Temperaturabfall als 2 bis 3 K auf. Dies hängt von den klimatischen Verhältnissen und der thermischen Masse des Gebäudes ab.

Tabelle 150.6-12: Temperatur-Korrekturfaktor fk für vereinfachtes Berechnungsverfahren [70] Wärmeverlust

Art der Wärmebrücken

fk

Art der Wärmeverlust

fk

direkt nach außen

gedämmt nicht gedämmt für Fenster, Türen

1,00 1,40 1,00

über die aufgeständerte Bodenplatte

gedämmt nicht gedämmt

0,90 1,26

an einen unbeheizten Raum


0,80 1,12

an ein angrenzendes Gebäude


0,50 0,70

an das Erdreich


0,30 0,42


0,30 0,42

über das Dach


0,90 1,26

an eine angrenzende Gebäudeeinheit

Wärmebrücken

Tabelle 150.6-13: Temperatur-Korrekturfaktor f∆Θ [70] Norm- Innentemperatur von Räumen

f∆Θ

normal hoch

1,0 1,6

Mit den Bemessungsgrundlagen von Heizlastberechnungen werden auch die Anwendungsbereiche der nach diesen Grundlagen bemessenen und errichteten Heizungsanlagen festgelegt. Es ist empfehlenswert, diese Bemessungsgrundlagen nachweislich zu präzisieren und diese sowohl in Auftragsgrundlagen als auch in Anlagendokumentationen anzuführen. Bei Veränderung von Bemessungsgrundlagen wird die Ausarbeitung weiterer Heizlastberechnungen mit aktualisierten Bemessungsgrundlagen erforderlich.

Heizlastermittlung

115

Beispiel 150.6-01: Heizlastermittlung – Teil 1: Grundlagen Die Heizlastermittlung wird den Bestimmungen der ÖNORM EN 12831 [70] entsprechend nach dem vereinfachten Berechnungsverfahren durchgeführt. Als Basis der Berechnung nach dem vereinfachten Verfahren sind Außenmaße anzusetzen. Der Bezugspunkt für die vertikalen Maße ist der Abstand zwischen den Geschoßoberflächen (die Dicke des Kellerbodens wird vernachlässigt). Der Bezugspunkt für die Innenwände ist für die horizontalen Maße der Abstand der Wandmitten (d.h. bei Innenwänden wird die Hälfte der Wanddicke berücksichtigt). Baubeschreibung Das Gebäude besteht aus zwei Wohneinheiten mit Erdgeschoß und ist unterkellert. Die Westwand des Wohnzimmers grenzt an das Nachbarhaus. Das Erdgeschoß liegt 0,5 m über dem Erdbodenniveau. Das Wohnzimmer liegt über einer aufgeständerten Bodenplatte. Das übrige Erdgeschoß liegt über dem Kellergeschoß. Im Kellergeschoß befinden sich ein Kellerraum, eine Garage und ein beheizter Hobbyraum. Das Haus verfügt über eine Innendämmung.

116


Beispiel 150.6-02: Heizlastermittlung – Teil 2: Klima, Bauteile Bemessungsgrundlagen Zunächst ist es ratsam, alle zu beheizenden Räume (i) auf unverwechselbare Weise mit Kurzbezeichnungen („Raumnummern“) zu kennzeichnen, um bei der Heizlastermittlung die Übersicht behalten zu können. Wenn noch keine Raumnummern bestehen, ist es zweckmäßig, Raumnummern stockwerksweise im Uhrzeigersinn zu vergeben („stets zur rechten Tür fortschreiten“). Auf ähnlich unverwechselbare Weise wären auch die Bauteile (k) der Raumumhüllungen mit Kurzbezeichnungen („Codes“) zu kennzeichnen, weil sie Grundlagen weiterer Rechenwerte bilden. Darüber hinaus sind folgende Bemessungsgrundlagen eindeutig auszuweisen: • Norm-Außentemperatur • Norm-Innentemperatur jedes beheizten Raumes (i) • Temperaturen unbeheizter Räume • Korrekturfaktoren für höhere Raumtemperaturen jedes beheizten Raumes (i) • Aufheizfaktor für jeden beheizten Raum (i) • Mindestluftwechselrate für jeden beheizten Raum (i) • Wärmedurchgangszahlen aller Bauteile (k) • Temperaturfaktoren fk für alle Bauteile (k) Klimadaten

Symbol

Einheit

Wert

Θe Θm,e

[°C] [°C]

–10 12

Temperaturdaten

Symbol

Einheit

Wert

Norm-Außentemperatur Norm-Innentemperatur Differenz der Norm-Temperaturen

Θe Θint,i Θint,i – Θe

[°C] [°C] [°C]

–10 20 30

Norm-Außentemperatur Jahresmittel der Außentemperatur

Bauteileigenschaften Code Bezeichnung

d [m]

Uk [W/(m2K)]

CW01 CW02 CW03 CW04 CW05 CW06 CW07 CD01 CD02 CB01 CT01 CT02 CF01

0,290 0,600 0,210 0,472 0,250 0,020 0,140 0,090 0,270 0,442 0,060 0,040

0,433 0,199 2,229 0,606 0,725 2,011 0,742 0,469 0,480 0,457 1,754 1,899 2,100

Außenwand 01; mit Wärmedämmung Außenwand 02; mit Wärmedämmung Außenwand 03; ohne Wärmedämmung Außenwand 04; mit Wärmedämmung (Keller-Erde) Außenwand 05; mit Wärmedämmung (Keller-Luft) Innenwand 06; ohne Wärmedämmung Innenwand 07; mit Wärmedämmung Decke 01, über Erdgeschoß Decke 02, über Keller Boden 01, unter Keller; mit Wärmedämmung (Keller-Erde) Außentür 01 Innentür 02 Außenfenster 01

Beheizte Räume: Nr.

Raumbezeichnung

KG01 EG01 EG02 EG03 EG04 EG05 EG06 EG07 EG08 EG09

Hobbyraum Vorraum Flur Toilette Badezimmer Schlafzimmer 1 Schlafzimmer 2 Schlafzimmer 3 Küche Wohnzimmer

Normtemperatur Fläche des Raumes Raumvolumen Ai [m2] Vi [m3] Θint,i [°C] 20 20 20 20 24 20 20 20 20 20

Gesamt

13,0 7,9 5,3 1,7 4,6 10,5 10,2 10,9 9,5 36,9

29,0 19,6 13,3 4,1 11,5 26,3 25,6 27,3 23,8 92,3

110,5

272,8

Unbeheizte Räume: Raumbezeichnung Nachbarhaus Garage Treppen Kellerraum

Temperatur Θu [°C] 12 –4 8 5

Raumbezeichnung unbeheiztes Dachgeschoß Erdgeschoß, (Bodenplatte) Nachbarhaus, Erdgeschoß

Temperatur Θu [°C] –7 –4 –4

117

Kühllastermittlung Beispiel 150.6-03: Heizlastermittlung – Teil 3: Berechnung

Mit den Bemessungsgrundlagen und Klimadaten ergibt sich nach dem vereinfachten Berechnungsverfahren gemäß ÖNORM EN 12831 [70] für den Hobbyraum „KG01“ im Kellergeschoß die Norm-Gesamtheizlast: Transmissionswärmeverluste: Code Bauteil (k)

fk [-]

Ak [m2]

Uk [W/(m2K)]

CW04 Außenwand (Keller-Erde) CW05 Außenwand (Keller-Erde) CW05 Außenwand (Keller-Erde) CW07 Innenwand; wärmegedämmt CW07 Innenwand; wärmegedämmt CB01 Kellerboden CT02 Innentür CF01 Außentür

0,42 1,40 1,40 1,12 1,12 0,42 1,12 1,00

10,57 4,75 2,93 8,39 9,48 14,92 1,40 1,04

0,606 0,725 0,725 0,742 0,742 0,457 1,899 2,100

Gesamt-Transmissionswärmeverlustkoeffizient

HT,i = ∑ (fk · Ak · Uk)

Gesamt-Transmissionswärmeverlust

ΦT,i = HT,i · (Θint,i – Θe)

f k · A k · Uk [W/K] 2,69 4,82 2,97 6,97 7,88 2,86 2,98 2,18 33,35

[W]

1001

Lüftungswärmeverluste: Raumvolumen Mindest-Luftwechselrate Gesamt-Lüftungswärmeverlustkoeffizient Gesamt-Lüftungswärmeverlust

Vi nmin HV,i = 0,34 · Vi · nmin ΦV,i = HV,i · (Θint,i – Θe)

Lüftungs- und Transmissionswärmeverlust ΦT,i + ΦV,i Korrektorfaktor für höhere Temperaturen f∆Θ Norm-Lüftungs- und Transmissionswärmeverlust Φi = (ΦT,i + ΦV,i) · f∆Θ

[m3] [h–1] [m3/h] [W] [W] [–] [W]

29,00 0,50 4,93 148,00 1149,00 1,00 1149,00

Aufheizleistung: Fußbodenfläche Aufheizfaktor Gesamt-Aufheizleistung

Ai fRH ΦRH,i = Ai · f∆Θ

[W] [W/m2] [W]

Norm-Gesamtheizlast – KG01

ΦHL,i = Φi + ΦRH,i

[W]

13,00 13,00 169,00 1318,00

Die Norm-Gesamtheizlast für das gesamte Gebäude wird dann durch Addition der Norm-Gesamtheizlasten aller beheizten Räume (i) ermittelt: Räume (i) Nr. Bezeichnung

KG01 EG01 EG02 EG03 EG04 EG05 EG06 EG07 EG08 EG09

Hobbyraum Vorraum Flur Toilette Badezimmer Schlafzimmer 1 Schlafzimmer 2 Schlafzimmer 3 Küche Wohnzimmer

Summe Gebäude

Transmissionswärmeverlust ΦT,i [W]

Lüftungswärmeverlust ΦV,i [W]

Faktor für höhere Temperaturen φ∆Φ [–]

1000 454 411 56 329 1332 1091 533 503 2196

148 100 68 63 199 134 131 139 364 470

1,0 1,0 1,0 1,0 1,6 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

7905

1816

Aufheizleistung ΦRH,i [W]

NormGesamtheizlast ΦHL,i [W]

170 102 69 21 60 137 133 142 124 480

1318 656 548 140 905 1603 1355 814 991 3146

1438

11476

150.6.6 KÜHLLASTERMITTLUNG Kühlungsanlagen sind grundsätzlich für jene Kühlleistung zu bemessen, die auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen zur Aufrechterhaltung gewünschter Raumtemperaturen in zu kühlenden Räume benötigt wird. Als Kühllast wird nach ÖNORM H 6040 jener – mit der Zeit veränderliche – Wärmestrom Φ definiert, der aus einem zu kühlenden Raum (i) abzuführen ist, um in diesem Raum eine vorgegebene Raumlufttemperatur einhalten zu können. Sie dient der Bemessung von Raumkühlgeräten sowie von Kälteversorgungs- und Kälteverteileinrichtungen für einen festgeleg-

118


ten Zeitpunkt, gibt jedoch keinen Anhaltspunkt über den erforderlichen Jahreskältebedarf eines Gebäudes. Um die Kühllast in angemessener Weise ermitteln zu können, muss der Geltungsbereich bekannt sein, für welchen die Kühllast bestimmt werden soll. Dazu zählt auch das Anspruchsniveau hinsichtlich „thermischer Behaglichkeit“. Als Geltungsbereich und Vorgabe für die Durchführung einer Kühllastberechnung müssen deshalb folgende Einflussgrößen bekannt sein: Tabelle 150.6-14: Einflussgrößen der Kühllastberechnung äußere Wärmegewinne • • • • • • • • • •

Kühllast (Kältebedarf) = innere Wärmegewinne

+

Außentemperatur solare Einstrahlungsintensität geforderte Raumlufttemperatur Größe der Bauteile Wärmedämmung der Bauteile Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile Größe der Fensterflächen Orientierung der Fensterflächen Durchlassfaktoren von Verglasungen Durchlassfaktoren des Sonnenschutzes

• • • •

Anzahl anwesender Personen Aktivität anwesender Personen Intensität der Beleuchtung Anschlusswerte elektrischer Geräte • Gleichzeitigkeit des Geräteeinsatzes

+

Lüftungskältebedarf • • • • •

Außenlufttemperatur Außenluftfeuchte geforderte Raumlufttemperatur geforderte Raumluftfeuchte geforderte Raumlufterneuerung

In Abhängigkeit von den angeführten Einflussgrößen kann sich die Kühllast im zeitlichen Verlauf erheblich verändern. Sie wird deshalb für einen Bemessungsmonat und eine Bemessungstageszeit als Stundenmittelwert definiert. Folgende Begriffe werden in diesem Zusammenhang unterschieden: Beispiel150.6-04: 150.6-05: Außentemperaturverlauf für Wien-Hohe Beispiel Außentemperaturverlauf für Wien-Hohe Warte Warte

Berechnungsmonat Jener Monat eines Jahres, für den die Kühllast berechnet wird. Für den Berechnungsmonat ist der Außenlufttemperaturverlauf eines mittleren Tages mit

Kühllastermittlung

119

dem monatlichen Maximum heranzuziehen. Als Strahlungswerte für den Berechnungsmonat gelten die Werte eines mittleren Tagesganges der Strahlung mit dem größten Tagesmaximum, wobei die zugehörigen Sonnenstände für den 21. Tag des betreffenden Monats herangezogen werden.

Berechnungstageszeit Jene Tageszeit, für welche die Kühllast berechnet wird.

Außentemperaturverlauf Für den Außentemperaturverlauf des Berechnungsmonats werden die mittleren Tagesgänge der Tage mit monatlichem Maximum zugrunde gelegt. Für den Fall, dass keine Daten für den betreffenden Ort vorliegen, kann der Außentemperaturverlauf mit einem in ÖNORM H 6040 angeführten Näherungsverfahren bestimmt werden.

Kühllastverlauf Verlauf der stundenweise ermittelten Kühllast eines Raumes (i) im Verlauf von 24 Stunden (t).

Eingeschwungener Zustand Zustand, bei dem Kühllast und Raumlufttemperaturen bei periodischer Belastung identisch mit 24-stündiger Periode wiederkehren.

Nennkühllast Höchster Wert der Kühllast eines Raumes (i) im Verlauf eines Tages im eingeschwungenen Zustand. Die Nennkühllast dient der Leistungsbemessung von Raumkühlgeräten. Als „eingeschwungen“ gilt ein Zustand dann, wenn Kühllast und Raumlufttemperaturen bei periodischer Belastung identisch mit 24stündiger Periode wiederkehren. Die Geräteleistungen von Raumkühlgeräten müssen der Nennkühllast des betreffenden Aufstellungsraumes der betreffenden Räume eines Gebäudes bei maximaler Gesamtstrahlung durch Fensterflächen entsprechen. In Gebäuden mit mehreren Räumen sowie unterschiedlichen Nutzungen und Orientierungen treten die Nennkühllasten verschiedener Räume zu unterschiedlichen Zeiten auf.

Anfahrkühllast Höchster Wert der Kühllast eines Raumes (i), nach einer zeitlich spezifizierten Unterbrechung des Kühlbetriebes. Die Anfahrkühllast stellt sich im Verlauf des Einschwingvorganges ein, wobei die Kühllast der ersten Stunde nach Wiederinbetriebnahme unberücksichtigt bleibt.

Gebäude-Kühllast Summe aller gleichzeitig auftretenden Kühllasten.

Gebäude-Nennkühllast Höchster Wert der Gebäudekühllast im Verlauf eines Tages und im eingeschwungenen Zustand (zur Berechnungstageszeit). Dazu werden die Kühllasten der Räume zur jeweils gleichen Tageszeit addiert. Die Gebäude-Nennkühllast dient der Leistungsbemessung von Kälteversorgungsanlagen für Gebäude.

Gebäude-Anfahrkühllast Höchster Wert der Gebäudekühllast nach einer zeitlich spezifizierten Unterbrechung des Kühlbetriebes während des Einschwingvorganges ohne Berücksichtigung der Gebäude-Kühllast der ersten Stunde. Erfahrungsgemäß treten die höchsten Kühllasten bei extremen Außenbedingungen, also bei hoher Sonneneinstrahlung und bei gleichzeitig hohen Außentemperaturen auf.

120


Kühllast ΦK(t)

Die Kühllast ΦK(t) wird in Abhängigkeit von der Tages- und Jahreszeit (t) nach Grundgleichung (150.6-07) ermittelt [35]: (150.6-07) ΦK (t) Φh (t) Φe (t)

zeitabhängige Kühllast zeitabhängige innere Kühllasten zeitabhängige äußere Kühllasten

[W] [W] [W]

Innere Kühllasten Φh(t) Die innere Kühllast eines Raumes setzt sich aus folgenden Teilkühllasten zusammen: (150.6-08) ΦM (t) ΦB (t) ΦN (t)

Wärmeabgabe von Personen Beleuchtungswärme Wärmeabgabe durch Einrichtungen

[W] [W] [W]

Wärmeabgabe von Personen ΦM (t) Die Wärmeabgabe von Personen ist von deren Aktivitätsgrad abhängig. Für die Kühllastberechnung ist nur der Anteil der „trockenen“ (sensiblen) Wärmeabgabe zu berücksichtigen (Tabelle 150.1-04). Die Höchstzahl gleichzeitig anwesender Personen ist mit den Geltungsbereichen festzulegen.

Beleuchtungswärme ΦB (t) Die Wärmeabgabe von Beleuchtungskörpern ist von der Wahl des Beleuchtungskonzeptes, dem Betriebswirkungsgrad und dem Reflexionsverhalten des Raumes abhängig. Sie wird entweder von lichttechnischen Planungsdaten oder aus Erfahrungswerten abgeleitet. Tabelle 150.6-15: Wärmeabgabe durch Beleuchtung [88] [35] Nennbeleuchtungsstärke Ix 2000 1500 1000 750 500 300 200 100

Flächenbezogene Anschlussleistung ΦB Glühlampen Entladungslampen [W/m2] [W/m2]

100 60 40 20

bis bis bis bis

120 75 50 25

40 30 20 15 10 6 8 4

bis bis bis bis bis bis bis bis

60 60 40 30 25 18 16 8

Wärmeabgabe durch Einrichtungen ΦN (t) Bei Maschinen und Geräten ist anzunehmen, dass die gesamte im Raum umgesetzte Energie als Wärme frei wird. Wenn ein Teil dieser Wärme durch örtliche Absaugung unmittelbar aus dem Raum abgeführt wird, dann ist dieser Wärmeanteil nicht zu berücksichtigen.

Aus Nachbarräumen zuströmende Wärme ΦZ (t) Der Wärmefluss von und zu Nachbarräumen ist von den Bauteilen der Raumumschließungsflächen und den mitunter wechselnden Temperaturunterschieden an den gegenüberliegenden Bauteilseiten abhängig.

121

Kühllastermittlung Tabelle 150.6-16: Wärmeabgabe elektrischer Geräte [16] Gerät

Anschlusswert [W]

Nutzungsdauer [min/h]

Wärmeabgabe ΦN (sensibel) [W]

120 60 20 bis 30 3000 5000 3000 6000 100 170 500 160 500 3000 500 2000 500 1000 500 1000

60 60 15 60 60 60 60 60 60 60 60 30 30 30 30 30 30 30 30

50 30 5 bis 10 1500 2500 1500 3000 300 500 500 160 180 1200 200 800 170 350 120 250

Tischcomputer Bildschirm/Terminal Drucker, Plotter Elektroherd Waschmaschine Kühlschrank 100 Liter Kühlschrank 200 Liter Bügeleisen Fernsehgerät Kaffeemaschine Toaster Haartrockner Kochplatte

Äußere Kühllasten Φe(t) Die äußere Kühllast eines Raumes setzt sich aus folgenden Teilkühllasten zusammen: (150.6-09) Φe (t) ΦeS (t) ΦeT (t) ΦeV (t)

äußere Kühllast eines Raumes Wärmezufuhr durch Strahlung über transparente Außenbauteile Wärmezufuhr durch Transmission über Außenbauteile Wärmezufuhr durch Außenluft

[W] [W] [W] [W]

Wärmezufuhr durch Strahlung über transparente Außenbauteile ΦeS (t) Als transparente Bauteile werden im Wesentlichen Fenster einschließlich ihrer äußeren und inneren Sonnenschutzeinrichtungen berücksichtigt.

Wärmezufuhr durch Transmission über Außenbauteile ΦeT (t) Bei der Wärmezufuhr durch Transmission über nicht transparente Außenbauteile (k) wären genau genommen auch Einflüsse direkter und diffuser Sonneneinstrahlung zu berücksichtigen. Verschattungen durch Horizontüberhöhung oder vorspringende Bauteile werden vernachlässigt. Für die Ermittlung des Wärmeflusses durch Außenbauteile stehen Rechenverfahren für instationäre Vorgänge zur Verfügung, wobei der Aufbau und die Oberflächentemperaturen an den Außenund Innenseiten der Außenbauteile bekannt sein müssen. Die Wärmezufuhr durch Transmission über Bauteile der Raumumschließungsflächen lässt sich in ähnlicher Weise wie bei der Heizlastermittlung nach Gleichung (150.6-10) berechnen.

Wärmezufuhr durch Außenluft ΦeV (t) Bei dichten Fenstern und Türen ist anzunehmen, dass das Eindringen von Außenluft durch Infiltration in die zu kühlenden Räume nur unwesentlich zur Kühllast beiträgt. Bei mechanischer Lüftung zu kühlender Räume ist für die Wärmezufuhr durch Außenluft der Außenluftvolumenstrom und dessen Außenlufttemperatur nach folgender Gleichung zu berücksichtigen.

122


(150.6-10)

A1 Ak Imax Idif,max b sa Uk Θe Θint V ρ cp

besonnte Fläche des Fensters Gesamtfläche des Fensters Maximalwert der Gesamtstrahlung Maximalwert der Diffusstrahlung Durchlassfaktor der Fenster und Sonnenschutzeinrichtung Kühllastfaktor für äußere Strahlungslasten Wärmedurchgangskoeffizient des Außenbauteils Außentemperatur Innentemperatur Außenluftvolumenstrom Dichte der Luft (= 1,2) spez. Wärme der Luft bei konst. Druck (= 0,279)

[m2] [m2] [W/m2] [W/m2] [–] [–] [W/(m2K)] [°C] [°C] [m3/h] [kg/m3] [Wh/(kgK)]

Die Strahlungswärmezufuhr durch Glasflächen dominiert in vielen Fällen das Ergebnis von Kühllastberechnungen. Durch Beschattungseinrichtungen lässt sie sich erheblich abmindern. Die Strahlungswerte „Imax“ und „Idif, max“ sind von der Region, der Trübung der Atmosphäre sowie von der Jahres- und Tageszeit abhängig. In Richtlinie VDI 2078 [35] wurden dafür folgende Rechenwerte veröffentlicht. Tabelle 150.6-17: Tagesgänge der Gesamt- und Diffusstrahlung [16] [35]

123

Kühllastermittlung

Mit den in Tabelle 150.6-18 angeführten Rechenwerten sind überschlägige Kühllastberechnungen sowohl nach den Bestimmungen der ÖNORM H 6040 als auch nach jenen der Richtlinie VDI 2078 [31][35] durchführbar [16]. Tabelle 150.6-18: Monatliche Maxima der Gesamtstrahlung [35] Nördl. Breite 50° Jahreszeit Jänner Februar März April Mai Juni Juli August Sept. Okt. Nov. Dez 1) 2)

Idif,max Imax Himmelsrichtung1) Normal NO O SO S SW W NW N2 ) [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] [W/m2] 650 706 762 780 778 747 743 739 716 705 622 586

45 68 179 307 384 385 357 278 154 68 45 38

279 373 477 551 563 533 528 508 433 376 259 202

526 581 607 570 507 458 481 534 565 581 498 464

612 627 599 509 400 347 385 483 563 626 586 561

526 581 607 570 507 458 481 534 565 581 498 464

279 373 477 551 563 533 528 508 433 376 259 202

45 68 179 307 384 385 357 278 154 68 45 38

46 59 74 86 93 97 94 87 76 58 45 38

Maxima bezogen auf Trübungsmittelwerte minus Standardabweichung N-Maxima bezogen auf Trübungsmittelwerte; Idiff,max entspricht Himmelrichtung N

Abbildung 150.6-06: Gesamtstrahlungsmaxima auf unterschiedlich orientierte Flächen [35]

Mit dem Durchlassfaktor b für Fenster und Sonnenschutzeinrichtungen wird jener Anteil der Strahlungsleistung ermittelt, der von außen durch Fenster und Sonnenschutzeinrichtungen nach innen gelangt. Unter anderem wurden dafür die Rechenwerte in Tabelle 150.6-17 veröffentlicht [31] [35]. Die bei Sonneneinstrahlung von Bauteilen aufgenommene Wärme wird erst mit einer zeitlichen Verzögerung in den zu kühlenden Räumen wirksam. Der Speicherfaktor sa für äußere Strahlungslasten berücksichtigt die zeitliche Verschiebung der Auswirkung von Strahlungswärmegewinnen auf die Kühllast, wenn speicherfähige Massen in Räumen Strahlungswärme aufnehmen und zeitverzögert an den betreffenden Raum wieder abgeben können.

124


Tabelle 150.6-19: Mittlere Durchlassfaktoren b für Sonnenstrahlung [35] Gläser

b1

Sonnenschutzvorrichtung

b2

Tafelglas: Einfachverglasung Doppelverglasung Dreifachverglasung

1,10 1,00 0,90

außen: Jalousie, Öffnungswinkel 45° Stoffmarkise, oben u. seitlich ventiliert Stoffmarkise, oben und seitlich anliegend

0,15 0,30 0,40

Absorptionsglas: Einfachverglasung Doppelverglasung vorgehängte Absorptionsscheibe

0,75 0,65 0,50

zwischen den Scheiben: Jalousie, Öffnungswinkel 45° mit unbelüftetem Zwischenraum

0,50

Reflexionsglas: Einfachverglasung, Metalloxidbelag Doppelverglasung, Metalloxidbelag Doppelverglasung, Metalloxidbelag

0,65 0,55 0,45

innen: Jalousie, Öffnungswinkel 45° Vorhänge hell Kunststofffolien metallisch reflektierend

0,70 0,50 0,35

Glashohlsteine farblos: mit glatter Oberfläche mit strukturierter Oberfläche

0,65 0,45

Bei Kombinationen verschiedener Sonnenschutzanordnungen wird der entsprechende Durchlassfaktor näherungsweise durch Produktbildung der einzelnen Durchlassfaktoren b errechnet. z.B.: b1 = 0,75 ... für Absorptionsglas-Doppelverglasung b2 = 0,50 ... für Vorhang aus Baumwolle b = b1 · b2 = 0,75 · 0,5 = 0,375 ... Durchlassfaktor der Kombination

Abbildung 150.6-07: Speicherfaktoren sa [16]

Abbildung 150.6-08: Speichermassen [16]

Druckverlustermittlung

125

Tabelle 150.6-20: Kühllastfaktoren sa für mittelschwere Bauweise [16] [35]

150.6.7 DRUCKVERLUSTERMITTLUNG Die Druckverlustermittlung eines hydraulischen Systems dient der Auslegung von Umwälzpumpen, die den Volumenstrom eines Wärmeträgermediums im hydraulischen System in Bewegung halten. Es muss dabei in verzweigten hydraulischen Netzen zunächst jener Kreislauf ermittelt werden, für welchen der höchste Druckverlust auftritt. Die Teilstränge dieses Kreislaufes werden zu einen „Berechnungsstrang“ zusammengefasst. Abzweigende Teilstränge, in welchen nur geringere Druckverluste auftreten, sind für die Pumpenauslegung nicht zu berücksichtigen. Volumenströme lassen sich in diesen Teilsträngen durch Drosselorgane auf das jeweils erforderliche Maß abmindern. Umwälzpumpen sind so auszulegen, dass sie bei dem vorgesehenen Volumenstrom in ihrem günstigen Betriebsbereich zumindest den Druckverlust des hydraulischen Systems überwinden können. Der dafür erforderliche Pumpendruck wird auch als „Pumpenförderhöhe“ bezeichnet und in Metern Wassersäule [m WS] angegeben. Einer Förderhöhe von 1 [m WS] entspricht eine Druckerhöhung von 10 [kPa].

Volumenstrom des Wärmeträgers Als Wärmeträgermedium zwischen Wärme- oder Kälteversorgungszentralen und Wärme- oder Kälteverbrauchern kommt üblicherweise Wasser zum Einsatz, weil es leicht verfügbar ist, problemlos entsorgt werden kann und gute thermodynamische Eigenschaften aufweist. Bei vorgegebener Vorlauf- und Rücklauftemperatur eines Wärmeträgermediums ergibt sich der für den Energietransport erforderliche Volumenstrom nach Gleichung (150.6-11).


126

Beispiel 150.6-05: Kühllastermittlung – Teil 1: Grundlagen Die Kühllastermittlung wird den Bestimmungen der ÖNORM H 6040 [NJ62 sowie VDI 2078 [35] entsprechend nach einem vereinfachten Berechnungsverfahren durchgeführt. Baubeschreibung Das Gebäude besteht aus zwei Wohneinheiten mit Erdgeschoß und ist unterkellert. Die Westwand des Wohnzimmers grenzt an das Nachbarhaus. Das Erdgeschoß liegt 0,5 m über dem Erdbodenniveau. Das Wohnzimmer liegt über einer aufgeständerten Bodenplatte. Das übrige Erdgeschoß liegt über dem Kellergeschoß. Im Kellergeschoß befinden sich ein Kellerraum, eine Garage und ein beheizter Hobbyraum. Das Haus verfügt über eine Innendämmung. Für das Wohnzimmer ist eine Raumluftkühlung auszulegen. Die Pläne sind in Beispiel 150.6-01 zusammengestellt. Bemessungsgrundlagen Auf ähnliche Weise wie bei der Heizlastermittlung Beispiel 150.6-01 sind alle zu kühlenden Räume (i) auf unverwechselbare Weise mit Kurzbezeichnungen (“Raumnummern”) zu kennzeichnen, um bei der Kühllastermittlung die Übersicht behalten zu können. Darüber hinaus sind folgende Bemessungsgrundlagen eindeutig auszuweisen: • Norm-Außentemperatur • Bemessungsmonat • Bemessungstageszeit • Norm-Innentemperaturen der zu kühlenden Räume (i) • Temperaturen ungekühlter Nebenräume • Wärmedurchgangszahlen der raumumschließenden Bauteile (k) • Bauteilmassen der raumumschließenden Bauteile (k) • Orientierung der Fensterflächen • Durchlassfaktoren der Fensterflächen • Durchlassfaktoren der Sonnenschutzvorrichtungen • Anzahl der Personen in den zu kühlenden Räumen (i) • Außenluftrate je Person in den zu kühlenden Räumen (i) • Beleuchtungsart und Beleuchtungsstärke in den zu kühlenden Räumen (i) • Art und Anschlussleistung elektrischer Geräte in den zu kühlenden Räumen (i) EG09

Wohnzimmer

Grundfläche [m2]

Höhe [m]

Volumen [m3]

Personen [Anz]

36,0

2,5

90,0

4

[°C] [°C]

Außentemperatur Innentemperatur Bemessungsmonat Sonnenschutz Gesamtstrahlung max. Diffusstrahlung max. Code

Bauteile

CF01 CF01 CT02 CW02 CW02 CW02 CW06 CD01 CD02

Außenfenster Außenfenster Innentüre Außenwand 02 Außenwand 02 Außenwand 02 Innenwand 06 Decke Fußboden

Beleuchtungsart: Beleuchtungsstärke Beleuchtungszeiten

[W/m2] [W/m2]

25 24 September Vorhänge, hell, innen 563 76

Orientierung

Ak [m2]

Uk [W/(m2K)]

b

sa

N S O N S W O

2,1 2,8 1,5 8,9 8,2 20,5 19,0 36,0 36,0

2,1 2,1 1,9 0,2 0,2 0,2 2,0 0,5 0,5

1,0 1,0

0,83 0,83

Glühlampen 300 06:00 16:00

Ix bis bis

[W/m2]

60 08:00 22:00

Geräte Fernsehgerät Tischcomputer Bildschirm

[W] [W] [W]

160 50 30


127

Beispiel 150.6-06: Kühllastermittlung – Teil 2: Berechnung Meterologische Daten: Norm-Außentemperatur Norm-Innentemperatur Differenz der Norm-Temperaturen Bemessungszeit

Θe Θint,i Θe – Θint,i

[°C] [°C] [°C] [°C]

25 24 1 12:00

Innere Kühllasten Φh(t): körperliche Tätigkeit; sitzend leicht

n

Wärmeabgabe von Personen Beleuchtung, Glühlampen

ΦM(t) = n · pM

Beleuchtungswärme Elektrische Geräte

ΦB(t) = A · pB

Fernsehgerät Tischcomputer Bildschirm Summe

ΦN(t) = n · pN ΦN(t) = n · pN ΦN(t) = n · pN Φh(t) = ΦM(t) + ΦB(t) + ΦN(t)

pM [W] 100 pB [W/m2] 0 pB [W] 160 50 30 [W]

4 A [m2] 36 Anzahl [–] 1 1 1

400

0

160 50 30 640

Äußere Kühllasten Φe(t): Code Bauteile

1 Orientierung

A1 Ak [m2]

Imax Idif,max [W/m2]

b

sa

A1 · Imax · b · sa Ak · Idif,max · b · sa [W]

1 S 1 N

2,5 0,3 1,9 0,2

563,00 130,00 71,00 71,00

1,00 1,00 1,00 1,00

0,83 0,83 0,83 0,83

1168 32 112 12

CF01 besonnt beschattet CF01 besonnt beschattet Code Bauteile CF01 CF01 CT02 CW02 CW02 CW02 CW06 CD01 CD02

Orientierung

fk [–]

Ak [m2]

Uk [W/(m2K)]

fk · Ak · Uk [W/K]

N S O N S W O

1,00 1,00 1,12 1,00 1,00 0,50 1,12 0,90 0,30

2,1 2,8 1,5 8,9 8,2 20,5 19,0 36,0 36,0

2,1 2,1 1,9 0,2 0,2 0,2 2,0 0,5 0,5

4,41 5,88 3,19 1,78 1,64 2,05 42,56 16,20 5,40

Außenfenster Außenfenster Innentüre Außenwand 02 Außenwand 02 Außenwand 02 Innenwand 06 Decke Fußboden

Summe

83,11

Transmissionswärmeabgabe

ΦeT(t) = [Σ (fk · Ak · Uk)] · (Θe – Θint,i)

[W]

Raumvolumen Mindest-Luftwechselrate Wärmezufuhr – Außenluft

Vi nmin ΦeV(t) = Vi · nmin · 1,2 · 0,279 · (Θe – Θint,i)

[m3] [h–1] [W]

Kühllast

ΦK(t) = Φh(t) + Φe(t)

[W]

83,00 90,0 0,5 15,0 2062

Zur Kühlung des beschriebenen Wohnzimmers wäre nach dieser Kühllastermittlung ein Raumkühlgerät mit einer „sensiblen Kühlleistung“ von mindestens 2000 W auszuwählen. Mit dem Hinweis auf den „sensiblen“ Anteil der Kühlleistung wird zum Ausdruck gebracht, dass diese Kühlleistung nur der Raumluftkühlung und nicht einer allfälligen Raumluftentfeuchtung dient.

(150.6-11) VT ΦT ρT cT ΘV ΘR

Volumenstrom des Wärmeträgers Wärmestrom (Heiz- oder Kühlleistung) Dichte des Wärmeträgers (Wasser = 1000) spezifische Wärme des Wärmeträgers (Wasser = 1,16) Wärmeträger – Vorlauftemperatur Wärmeträger – Rücklauftemperatur

[m3/h] [W] [kg/m3] [Wh/(kgK)] [°C] [°C]

128


Geschwindigkeit des Wärmeträgermediums Die Transportgeschwindigkeit des Volumenstromes eines Wärmeträgermediums in einer Rohrleitung wird nach folgender Gleichung ermittelt:

(150.6-12)

wT di

Transportgeschwindigkeit Innerer Rohrdurchmesser der Rohrleitung

[m/s] [m]

Rohrreibungswiderstand Bei der Strömung von Medien durch Rohrsysteme treten Rohrreibungswiderstände auf, die mit einem zumindest gleich starken Förderdruck überwunden werden müssen, wenn ein gewünschter Medien-Volumenstrom aufrechterhalten werden soll. Der Rohrreibungswiderstand wird für gerade Rohrleitungen nach Gleichung (150.6-13) ermittelt. (150.6-13) ∆PR λR IR

Rohrreibungswiderstand Reibungszahl für Stahlrohre (Wasser: 0,015 bis 0,025) Rohrlänge

[Pa] [–] [m]

Bemessung der Nennweiten Bei Bemessung von Rohrleitungen für den Transport von Wärmeträgermedien wird ein betriebswirtschaftlich günstiges Verhältnis zwischen Errichtungskosten (→ geringe Rohrdurchmesser) und Transportkosten für Wärmeträgermedien (→ große Rohrdurchmesser) angestrebt. Es haben sich dabei aus Erfahrungen folgende Bemessungs-Richtwerte ergeben: •

100 bis 250 Pa/m für den längenbezogenen Rohrreibungswiderstand ∆pR,

•

0,8 bis 2,0 m/s für die Geschwindigkeit des Wärmeträgermediums wT.

Tabelle 150.6-21: Nennweitenbemessung – Heiz-, Kalt-, Kühlwasserrohrleitungen [16] Anschlussleitungen Volumenstrom Geschw. wT [m/s] [m3/h] bis bis bis bis bis bis bis bis

0,25 0,50 1,00 2,00 2,80 5,00 9,00 14,00

bis bis bis bis bis bis bis bis

0,35 0,39 0,49 0,56 0,59 0,64 0,68 0,77

Verteilleitungen Volumenstrom Geschw. wT [m3/h] [m/s] bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis

0,30 0,70 1,20 2,50 3,80 7,00 12,00 18,00 35,00 55,00 90,00

bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis

0,42 0,54 0,58 0,70 0,78 0,90 0,91 0,99 1,13 1,17 1,34

Nennweite DN [mm] 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150

129


Einzelwiderstände Bei der Strömung von Medien durch Umlenkungen, Armaturen oder Geräte kommt es zu Wirbelbildungen, Strömungsablösungen und Sekundärströmungen, deren Druckabfall sich mit Gleichung (150.6-14) für den Einzelwiderstand abschätzen lässt. (150.6-14) ∆pR ζu

Einzelwiderstand Umlenkbeiwert für den Einzelwiderstand

[Pa] [–]

Der Widerstandsbeiwert ζu wird durch Versuche bestimmt. Er erfasst nur den von Umlenkungen oder Querschnittsveränderungen verursachten Druckabfall. Zur Ermittlung des Gesamtwiderstandes eines Rohrleitungssystems ist der Summe aller Einzelwiderstsände der Rohrreibungswiderstand der Achslänge des Rohrleitungssystems für gerade Rohrstücke hinzuzufügen.

Druckverlust in Bemessungssträngen eines Rohrleitungssystems In verzweigten Rohrleitungssystemen können sich auf dem Weg des Wärmestromes zwischen Versorgung und Verbraucher unterschiedliche Druckverluste ergeben. Für die Pumpenbemessung ist der Druckverlust jener Rohrleitungs- Bemessungsstränge zu ermitteln, für die sich auf dem Weg zwischen Versorgung und Verbraucher der höchste Druckverlust ergibt. Als Summe über die Bemessungsstränge (1 bis n) ergibt sich der Gesamtdruckverlust eines Rohrleitungssystems nach folgender Gleichung:

(150.6-15) ∆ps i n j m

Gesamtdruckverlust im Rohrleitungssystem Zählindex der Bemessungsstränge Anzahl der Bemessungsstränge Zählindex der Einzelwiderstände Anzahl der Einzelwiderstände

[Pa] [–] [–] [–] [–]

Für die Umlenkungsbeiwerte liegen keine genormten Rechenwerte vor. Die in nachfolgender Tabelle angeführten Rechenwerte liegen in plausiblen Bereichen: Tabelle 150.6-22: Umlenkungsbeiwerte [16] Bauteilbezeichnung

ζu

Bauteilbezeichnung

ζu

Bogen 90° Knie 90° Knie 60° Knie 45° Abzweigung/Vereinigung Thermostatventil

1,0 1,3 0,8 0,4

Absperrventil Rückschlagventil Kugelhahn Absperrklappe Wellrohrkompensator Heizkörper Heizkessel

2,0 5,0 0,0 0,0 2,0 2,5 2,5

1,0 6,0

Die Druckverlustermittlung in Beispiel 150.6-07 wird für das Heizwassersystem jenes Gebäudes vorgenommen, für welches bereits eine Heizlastermittlung durchgeführt wurde. Nach Möglichkeit werden Heizkörper in diesem Beispiel unterhalb von Fenstern angeordnet.

130


Beispiel 150.6-07: Druckverlustermittlung – Teil 1 Die Druckverlustermittlung wird für das Heizwassersystem jenes Gebäudes vorgenommen, für welches bereits eine Heizlastermittlung (Beispiel 150.6-01) durchgeführt wurde. Nach Möglichkeit werden Heizkörper unterhalb von Fenstern angeordnet. Installationsplan Die prinzipielle Anordnung von Heizkörpern, Rohrtrassen und der Heizkesselanlage werden in den Installationsplänen gut sichtbar, jedoch nicht unbedingt maßstabgerecht dargestellt. Die genauen Abmessungen der Bauteile sind Zusammenstellungen von Bauteildaten oder einem Leistungsverzeichnis zu entnehmen. Die Gebäudepläne und die Norm-Heizlast der zu beheizenden Räume sind in Beispiel 150.6-01 zusammengestellt. Die Heizkörper und Verteilleitungen wurden für die Druckverlustermittlung unverwechselbar gekennzeichnet.

Druckverlustermittlung: Leitungsanordnung Verteilleitung Anschlüsse WH119b

Heizleistung [W] 1573

Volumenstrom (15K) Anschluss- Verteilleitung [m3/h] [m3/h]

Heizwasserrohre DN ~ Länge [mm] [m]

Geschw. (l=0,022) ~ wT ∆pR [m/s] [Pa]

0,09

15 15 15 15 15 15 15 20 15 20 15 20 15 20 15 25

0,14 0,14 0,09 0,24 0,08 0,31 0,13 0,25 0,13 0,32 0,05 0,34 0,08 0,39 0,08 0,28

Va01

0,09 WH108

991

0,06

WH107

814

0,05

WH001

1318

0,08

WH106

1355

0,08

WH102

548

0,03

WH105b

802

0,05

WH105a

802

0,05

Va02

0,15

Va03

0,20

Va04

0,28

Va05

0,36

Va06

0,39

Va07

0,44

Va08

0,49

10,0 7,0 5,0 8,0 2,0 10,0 6,0 10,0

Summe WH119b

1573

0,09 0,09

656

0,04

Vb02

0,13

15 15 15 15

10,0 4,0

0,14 0,14 0,06 0,20

Summe 0,62 WH104

905

0,05

WH103

140

0,01

Vc02

0,67

Vc03

0,68

32 15 32 15 32

4,0 2,0 4,0

0,21 0,08 0,23 0,02 0,23

Summe AH01

352 275 113 636 502 345

114 117 261

Vc01

Summe

296

2663

Vb01 WH101

114

61 36 73 170

11477

Rohrreibungswiderstand im Berechnungsstrang

2833

131

Druckverlustermittlung Beispiel 150.6-08: Druckverlustermittlung – Teil 2 Strang

WH119b Va01 Va01 Va01 Va02 Va03 Va04 Va04 Va05 Va06 Va07 Va08 Va08 Vc01 Vc02 Vc03 Vc03 Vc03

Anzahl

1 1 1 2 2 2 6 2 2 2 2 4 2 2 2 2 4 1

Bauteilbezeichnung

Heizkörper Thermostatventil Absperrventil Bögen 90° Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Bögen 90° Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Bögen 90° Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Abzweigung/Vereinigung Bögen 90° Heizkessel

Volumenstrom [m3/h] 0,09 0,09 0,09 0,09 0,15 0,20 0,28 0,28 0,36 0,39 0,40 0,49 0,49 0,62 0,67 0,68 0,68 0,68

Heizwasserrohre DN ζu [mm] [m] 15 15 15 15 15 15 20 20 20 20 20 25 25 32 32 32 32 32

2,5 6,0 2,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 2,5

Geschw. ~ wT [m/s] 0,14 0,14 0,14 0,14 0,24 0,31 0,25 0,25 0,32 0,34 0,39 0,28 0,28 0,21 0,23 0,23 0,23 0,23

Widerstand ∆pE [Pa] 25 59 20 20 58 96 188 63 102 116 152 157 78 44 53 53 106 66

Summe Einzelwiderstände im Berechnungsstrang

1456

Gesamtwiderstand im Berechnungswiderstand

4289

Der Heizwasservolumenstrom wurde für eine Heizwassererwärmung um 15 K ermittelt, damit könnte sich das Heizwasser bei Nennlast von beispielsweise +75°C auf +60°C abkühlen. Als Gesamtdruckverlust des Heizwassersystems ergab sich ein Rechenwert von 4289 Pa bzw. ~4,5 kPa oder 0,45 mWS. Für den Heizwassertransport ist demnach eine Umwälzpumpe auszuwählen, die mindestens folgenden Leistungsdaten entspricht: Heizwasservolumenstrom mindestens: Förderhöhe mindestens:

0,658 m3/h 4,5 kPa

133

150.7 NACHHALTIGKEIT Mit dem Begriff „Nachhaltigkeit“ wurde zunächst in der Forstwirtschaft ein Bewirtschaftungsprinzip charakterisiert, bei dem nicht mehr Holz geerntet wird, als jeweils nachwachsen kann. Holz diente nicht nur als universell einsetzbares Baumaterial, sondern war bis zur industriellen Revolution auch wesentlicher Energieträger. Im Jahrhundert zwischen 1800 und 1900 setzte in immer rascherem Tempo eine totale Veränderung aller Lebensbereiche ein, die eine Umwandlung der bisherigen Agrargesellschaft in die Industriegesellschaft unserer Zeit bewirkte. Abbildung 150.7-01: Marktdurchdringung von Energieträgern

150.7.1 MARKTDURCHDRINGUNG VON ENERGIETRÄGERN Etwa um das Jahr 1850 sollen weltweit noch mehr als 80% der Energiedienstleistungen durch Verbrennung von Holz („Biomasse“) erbracht worden sein. Später verdrängten die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas den ursprünglichen Energieträger Holz. Industrielle Förderung und Verteilung fossiler Energieträger ermöglichten bis dahin unvorstellbare Kostenreduktionen und Nachfragesteigerungen von Energiedienstleistungen. Der Anteil fossiler Energieträger am Einsatz aller Energieträger stieg weltweit von etwa 20% im Jahr 1850 auf einen Anteil von 88% im Jahr 2000 bei gleichzeitiger Zunahme des Verbrauches an Energieträgern.

150.7.2 VOLKSWIRTSCHAFTLICH-ÖKOLOGISCHE BETRACHTUNGSWEISE Für einen Großteil der von uns genutzten Energieträger stimmen deren Marktpreise nicht mit volkswirtschaftlich gerechtfertigten Kosten überein. Diese Unstimmigkeit wird durch die Finanzierung wesentliche Kostenkomponenten dieser Energieträger über allgemeine Abgaben (z.B. Steuern) ermöglicht. Die mit der Umverteilung externer Kosten verbundene Verminderung direkter Kosten von Energieträgern stimuliert die Nachfrage nach Energieträgern. In volkswirtschaftlich-ökologischem Sinne wären in den direkten Kosten von Energieträgern beispielsweise auch folgende Kostenkomponenten angemessen zu berücksichtigen:

134

Nachhaltigkeit

• • •

Kosten zur Behebung der Folgeschäden von Energietransportunfällen (z.B. bei Öltankern oder Pipelines), Kosten zur Sanierung der Folgeschäden freigesetzter Schadstoffe, Forschungsaufwendungen für Nuklearanlagen zur Energieversorgung.

Eine nahe liegende Methode verursachungsgerechter Kostenzuordnung bestünde in einer Erhöhung direkter Energiekosten um jene Kostenanteile, mit welchen die Allgemeinheit bisher in Form von Abgaben (für energienutzungsbedingte Versicherungsprämien) belastet wurde. Solange Marktpreise für Energieträger diese externen Kostenanteile noch nicht enthalten, könnte man sie zumindest für volkswirtschaftlichökologische Überlegungen theoretisch um jene externen Kostenanteile erhöhen, mit welchen sich verursachungsgerechte Energieträgerkosten ergeben. Überlegenswert wäre eine Berücksichtigung derartiger „externer Kosten“ mit einem sinnvoll gewählten externen Kostenfaktor. Als Ergebnis derartiger volkswirtschaftlich-ökologischer Betrachtungsweisen können sich für die Parameter von Anlagenkomponenten veränderte optimale Bereiche und daraus abgeleitete neuartige Anlagenkomponenten, Anlagen und Gebäude ergeben. Derartige Betrachtungsweisen gelangen dann an ihre Anwendungsgrenzen, wenn Ausführungsvarianten mit Schädigungen oder Zerstörungen unwiederbringlicher Güter verbunden sind.

150.7.3 LUFTSCHADSTOFFE Durch die Art unserer gegenwärtigen Nutzung fossiler und nuklearer Energieträger werden Luftschadstoffe freigesetzt. Von der österreichischen Bundesregierung werden über die Situation der Luftverschmutzung periodisch Berichte veröffentlicht. Als Hauptkomponenten der Luftverschmutzung gelten in diesen Berichten: • • • • • • •

SO2 NOx CO CxHy Staub O3 Radionuklide.

Schwefeldioxid Stickstoffoxide Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoffe Partikel als Leitsubstanz für sekundäre Luftschadstoffe („Oxidantien“)

150.7.4 ZUNEHMENDE STRAHLENBELASTUNG In Gasen entstehen Ionen, wenn Atome oder Moleküle ein oder mehrere negativ geladene Elektronen aufnehmen (negative Ionen) oder aus ihrem Elektronenbestand abgeben (positive Ionen). Die Abspaltung von Elektronen („Ionisation“) erfordert die Zuführung von „Ionisationsenergie“ zur Überwindung atomarer Bindungskräfte. Ionisation von Gasen wird durch folgende Vorgänge ermöglicht: • •

•

Einstrahlung von ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlen („Photoionisation“), Betastrahlung („β-Strahlung“), kennzeichnet eine Strahlung, die bei einer bestimmten Art des radioaktiven Zerfalls von Radionukliden („Betazerfall“) auftritt, hohe Temperaturen („thermische Ionisation“).

Nach ihrer biologischen Wirkung werden folgende Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichtes „UV “ unterschieden:

Nebenwirkungen fortschrittlicher Energienutzung

• • •

135

UV-A 400–320 nm fluoreszenzanregend, UV-B 320–280 nm erzeugt Hautrötung, UV-C < 280 nm bewirkt Sonnenbrand, Bindehautentzündung u.a.

Der größte Teil des von der Sonne emittierten UV-Lichts wird in der Stratosphäre durch Ozon und Sauerstoff absorbiert, sodass nur Licht im Wellenlängenbereich über ~290 nm die Erdoberfläche erreicht und schädigendes UV-Licht abgehalten wird. Durch Verringerung der stratosphärischen Ozonschicht gelangt schädigendes UVLicht (UV-B) häufiger in die Biosphäre. Folgende Vorgänge bewirken eine Zunahme von Ionisationsenergie in der irdischen Lufthülle: •

•

Ozonverluste in der Stratosphäre und das Ozonloch über der Antarktis sind nach derzeitigem Verständnis ausschließlich auf die anthropogene Emission von FCKW’s („Fluorchlorkohlenwasserstoffen“) und Halonen („Halogenkohlenwasserstoffen“) zurückzuführen [102]. Vom 16. Juli 1945, an dem die erste Kernwaffe gezündet wurde, bis zum 10. Oktober 1963, an dem das Atomteststoppabkommen („PTBT-Vertrag“) in Kraft trat, wurde die irdische Lufthülle besonders schwer mit Radionukliden belastet [102]. Mit Radionukliden wird die Umwelt auch durch die so genannte friedliche Kernenergienutzung belastet.

150.7.5 NEBENWIRKUNGEN FORTSCHRITTLICHER ENERGIENUTZUNG Mit der zunehmenden Verbrennung fossiler Energieträger sind Nebenwirkungen verbunden, die in Zusammenhang mit weltweit auftretenden Schädigungen ökologischer Systeme zunehmend Beachtung finden. Auf Konsequenzen unserer vermeintlich fortschrittlichen Lebensweise hat eine Gruppe von Wissenschaftlern bereits im Jahr 1976 mit einem „Bericht des Club of Rome zur materiellen Lage der Menschheit“ öffentlich hingewiesen [37][101]. Die weltweit kontinuierlich zunehmende Oxidation fossiler Energieträger hat vielfältige Folgen wie beispielsweise:

Erhöhung des Gehaltes an CO2 in der Atmosphäre Kohlendioxid (CO2) entsteht bei der Verbrennung (Oxidation) fossiler Energieträger unter Wärmeabgabe. Es kommt dabei unter Wärmeabgabe zu einer Verbindung des Luftsauerstoffes mit dem Kohlenstoff des Energieträgers, wobei Kohlendioxid und Wasserdampf entstehen und an die Umgebung abgegeben werden. Abbildung 150.7-02: Verbrennungsvorgang

Kohlendioxid absorbiert in der Atmosphäre in ähnlicher Weise wie die Glasabdekkung eines Sonnenkollektors nur einen geringen Teil der eingestrahlten Sonnenenergie, behindert jedoch die langwelligere Wärmerückstrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum wie ein Filter und trägt damit zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre bei. Ohne diesen „Treibhauseffekt“ würde die mittlere Temperatur

136

Nachhaltigkeit

auf der Erde tiefer liegen. Für die Entstehung und Erhaltung des irdischen Lebens ist der Treibhauseffekt demnach von wesentlicher Bedeutung. Bedenklich ist dagegen der zusätzliche anthropogene Treibhauseffekt, der auf die vom Menschen verursachte Zunahme der Spurengase zurückzuführen ist. Wichtigstes dieser insgesamt 40 bis 50 Gase ist das Kohlendioxid (CO2), das um das Jahr 1750 erst einen Anteil von etwa 280 ppm (parts per million) ausmachte und seit der Industrialisierung auf einen Anteil von 335 ppm gestiegen ist [102]. Wesentliche Ursachen für die steigende Emission von Spurengasen bilden: • • •

die Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas), Abgase aus Industriebetrieben, Verkehr und aus der Landwirtschaft, Vernichtung von Wald (vor allem Regenwald) als Folge des starken Wachstums der Weltbevölkerung.

Als Folge des anthropogenen Treibhauseffekts wird eine stärkere Erwärmung der Erdatmosphäre erwartet.

Erhöhung des Gehaltes an SO2 in der Atmosphäre Schwefeldioxid (SO2) entsteht bei der Oxidation schwefelhaltiger fossiler Energieträger in deren Abgasen. Beim Auflösen von SO2 in Wasser bildet sich die mittelstarke, zweibasige schweflige Säure (H2SO3), die sich stets mit SO2 in einem temperaturabhängigen Gleichgewicht befindet. Schwefeldioxid gilt als Luftschadstoff, weil es die Bildung von saurem Regen, Nebel und Tau ermöglicht, der auf Pflanzenzellen zerstörend wirkt. Schwefeldioxid gilt neben Stickstoffoxiden und Ozon als einer der Hauptverursacher der seit etwa 1975 wahrgenommenen neuartigen Waldschäden [102].

Erhöhung des Gehaltes an NOx in der Atmosphäre Stickstoffoxide (NOx) sind ebenfalls Produkte der Verbrennung fossiler Energieträger, vor allem dann, wenn deren Verbrennung nicht vollständig erfolgt. Stickstoffoxide werden derzeit weltweit in zunehmendem Ausmaß emittiert. Verursacht werden Stickoxidemissionen durch den weltweit zunehmenden Straßen- und Luftverkehr. In der Waldschadensforschung kommt Stickstoffoxiden und dem Ammoniak (das in Gebieten mit intensiver Tierhaltung verstärkt freigesetzt wird) aus folgendem Grund besondere Bedeutung zu: •

Der erhöhte Stickstoffeintrag stört das labile symbiotische Gleichgewicht zwischen Waldbäumen und Pilzen (Mykorrhiza) so, dass die normalerweise weitgehend von Mykorrhizapilzen übernommene Wasser- und Nährstoffversorgung des Baumes durch das Absterben des Pilzgeflechtes eingeschränkt wird und der Baum an Wasser- und Nährstoffmangel leidet.

Aufgrund der bereits aufgetretenen Waldschäden ist es dringend geboten, besonders durch Luftreinhaltung die weitere Ausbreitung des Waldsterbens zu verhindern [102].

Erhöhung des Gehaltes an CxHy in der Atmosphäre Als Kohlenwasserstoffe (CxHy) werden chemische Verbindungen bezeichnet, die nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) aufgebaut sind. Sie sind Bestandteile von Erdgas, Erdöl und Steinkohlenteer und spielen als Bestandteile von Kraftstoffen, Heizölen, Lösungsmitteln sowie als chemische Rohstoffe (in der Petrochemie) eine große Rolle. Mit bis zu vier Kohlenstoff-Atomen sind Kohlenwasserstoffe bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gasförmig. Alle Kohlenwasserstoffe lassen sich vollständig zu Kohlendioxid und Wasser verbrennen. Sie werden hauptsächlich bei unvollständiger Verbrennung (bei Feuerraumtempera-

Grenzen umweltverträglicher Schadstoffbelastungen

137

turen unter ~850°C) freigesetzt, können aber auch durch Verdunstung von Kraftstoffen in die Atmosphäre gelangen. Manche Kohlenwasserstoff- Verbindungen gelten als Krebs erregend. Durch Stickstoffoxide (NOx) und Ozon (O3) werden sie zu stark reizenden Stoffen wie beispielsweise zu Peroxyacetylnitrat (PAN) umgesetzt, das zu den Reizgiften zählt und eine starke pflanzenschädigende Wirkung aufweist.

Erhöhung des Gehaltes an Oxidantien in der Atmosphäre Als sekundäre Luftschadstoffe wird eine Vielfalt von Luftschadstoffen bezeichnet, die sich unter Einwirkung ionisierender Strahlung aus Ausgangssubstanzen („Ozonvorläuferstoffen“) in der Luft bilden können [106]. Zu diesen Ausgangssubstanzen zählen: • • •

NOx Stickstoffoxide CO Kohlenmonoxid VOC „volatile organic compounds“ = flüchtige organische Verbindungen

Primäre Luftschadstoffe sind sowohl bei ultraviolettem Licht (Spektralbereich: UVB) als auch in unmittelbarer Umgebung radioaktiver Elemente (β-Strahler) ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die dabei gebildeten Oxidatien („chemisch wirksame Radikale“) schädigen lebende Zellen erheblich und können diese bei entsprechender Intensität auch vernichten. Oxidantien können in Pflanzenzellen Funktionsstörungen der Photosynthese herbeiführen, die zur Zerstörung der davon betroffenen Zellen führen. Als Leitsubstanz und Indikator für die Vielfalt sekundärer Luftschadstoffe wird Ozon (O3) herangezogen. Hinsichtlich der Schädlichkeit wird zwischen „bodennahem Ozon“ und „stratosphärischem Ozon“ unterschieden. „Stratosphärisches Ozon“ gilt in Gegensatz zu „bodennahem Ozon“ nicht als Luftschadstoff, weil Ozon in der Stratosphäre für den ultravioletten Wellenlängenbereich der Sonnenstrahlung (UV-B) wie ein Filter wirkt und tiefere Luftschichten von dieser lebensfeindlichen ionisierenden Strahlung abschirmt.

150.7.6 GRENZEN UMWELTVERTRÄGLICHER SCHADSTOFFBELASTUNGEN Abbildung 150.7-03: Energiekonzentration in der Biosphäre

138

Nachhaltigkeit

Oxidantien scheinen das Funktionsprinzip der Photosynthese von Pflanzen radikal zu zerstören. Pflanzen haben die Möglichkeit, darauf mit Regeneration zu reagieren, allerdings nur bis zur Erschöpfung ihrer Regenerationsfähigkeit. Die Absorptionsfähigkeit der Biosphäre für freigesetzte Schadstoffe ist noch weitgehend unerforscht. Mit weltweiter Schädigung von Pflanzen beschädigt die Menschheit ihre eigenen Lebensgrundlagen. Luftschadstoffe werden in wenigen Wochen weltweit verfrachtet. Von ihren Auswirkungen werden ihre Verursacher deshalb kaum unmittelbar betroffen. Gegenwärtig wird die Belastung der Biosphäre [4] mit Luftschadstoffen durch eine wohlhabende Minderheit von Erdbewohnern verursacht.

150.7.7 STRAHLUNGSINTENSITÄT DER SONNE Die Ursache, weshalb die Sonne ununterbrochen Energie in Form elektromagnetischer Strahlung an ihre Umgebung verströmt, werden vermutlich auch noch Wissenschaftler künftiger Generationen zu ergründen versuchen. Die Wirkung dieser solaren Strahlung können wir photometrisch als „spezifische Strahlungsleistung“ messen: Der oberen Rand der irdischen Atmosphäre erhält bei senkrechtem Einfall von der Sonne eine Strahlungsintensität, die im Jahresverlauf nur um ~3% schwankt und als „Solarkonstante“ bezeichnet wird. Solarkonstante = 1,37 kW/m2 ± 3% Diese Solarkonstante entspricht jener Strahlungsintensität, die sich senkrecht zur Erdoberfläche ergäbe, wenn die Erde keine Lufthülle hätte. Ein Teil der solaren Strahlungsenergie wird von Gasen der irdischen Lufthülle absorbiert, und ein anderer Teil wird seitlich gestreut. Die Intensität der Sonneneinstrahlung erreicht deshalb auf der Erdoberfläche nie das volle Ausmaß dieser Solarkonstante. Bei sehr klarer Luft können höchstenfalls etwa ~70% der solaren Strahlungsenergie (1,37 kW/m2·0,7 = ~1 kW/m2) auf Meeresniveau zur Erdoberfläche gelangen [106]. Abbildung 150.7-04: Sonneneinstrahlung

139

Flächenbezogener Energieträgerverbrauch

Im Jahresverlauf erhält jeder Quadratmeter der Erdoberfläche durch Sonneneinstrahlung ein erhebliches Energieangebot, dessen regionale Unterschiede der Abbildung 150.7-05 entnommen werden können. In der geografischen Lage Österreichs liegt das flächenbezogene Angebot von Sonnenenergie demnach bei ~1100 kWh/(m2·a). Abbildung 150.7-05: Mittlere jährliche Sonneneinstrahlung auf horizontale Flächen [17]

150.7.8 FLÄCHENBEZOGENER ENERGIETRÄGERVERBRAUCH Wenn man beispielsweise den für Österreich mit ~268 TWh/a statistisch ermittelten „jährlichen energetischen Endeinsatz für das Jahr 2000“ [103] auf die Fläche Österreichs (83849 km2) bezieht, dann erhält man folgenden interessanten Kennwert: flächenbezogener Energieträgerverbrauch = ~3 kWh/(m2·a) Im Verhältnis zu dem flächenbezogenen Angebot der Sonnenenergie mit 1100 kWh/(m2.a) liegt dieser Wert im Promillebereich. Mit den gegenwärtig verfügbaren „naturschonenden Energienutzungsmethoden“ wären folgende flächenbezogene Kennwerte für gewinnbare Nutzenergie (so genannte „Erntepotenziale“) in Österreich erreichbar: Tabelle 150.7-01: Flächenbezogener Endenergieverbrauch Energienutzungsmethoden Warmwasserbereitung mit Sonnenkollektoren Stromerzeugung mit Solarzellen Vollnutzung des ausbaufähigen Windkraftpotenzials Vollnutzung des ausbaufähigen Wasserkraftpotenzials Vollnutzung der jährlich nachwachsenden Biomasse

[kWh/(m2a)] ~380,0 ~140,0 ~2,0 ~1,0 ~0,6

140

Nachhaltigkeit

150.7.9 PERSONENBEZOGENER ENERGIETRÄGERVERBRAUCH Wenn man den für ausgewählte Regionen statistisch ermittelten „jährlichen Primärenergieträgerverbrauch“ auf die dort lebenden Personen umlegt [103] [5], dann erhält man für den personenbezogenen Energieträgerverbrauch (ausgedrückt als Durchschnittsleistung in „Kilowattjahren pro Jahr“ [kWa/a] = [kW]) beispielsweise folgende Werte: Tabelle 150.7-02: Personenbezogener Energieträgerverbrauch Für die Region Nordamerika Deutschland Österreich Weltbevölkerung (globaler Mittelwert) mittleres Afrika und Südostasien

je Person [kWa/a] 11,0 6,0 5,0 2,0 0,3

Statistischen Hochrechnungen zufolge liegt derzeit für etwa ~70% der Weltbevölkerung der personenbezogener Energieträgerverbrauch unter dem angeführten globalen Mittelwert von ~2 kWa/a. Zur Aufrechterhaltung der Ernährung liegt der personenbezogene Energieträgerverbrauch in Form von Nahrungsmitteln [102] bei personenbezogener Nahrungsmittelbedarf = ~0,1 kWa/a Jeder Mensch beeinflusst seinen Lebensraum – auch dann, wenn er sich dessen kaum bewusst ist. Baufachleute sind an der Umgestaltung von Lebensräumen in besonderer Weise beteiligt. Mit dem Wissen um Wirkungszusammenhang und Energieträgerverbrauch können sie bei der Wahl von Zielen und Methoden unter angemessener Beachtung regionaler und zeitlicher Dimensionen bewusst mitwirken.

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QUELLENNACHWEIS Dipl.-Ing. Dr. Anton PECH – WIEN (A) Autor und Herausgeber Dipl.-Ing. Klaus JENS – WIEN (A) Autor Bilder: Titelbild, 150.4-08 Dipl.-Ing. Johann HARM – ST. PÖLTEN (A) Bearbeitung von Kapitel 3: Abgasanlagen Dipl.-Ing. Dr. Harald KOCH – MÖDLING (A) Dipl.-Ing. Dr. Christian PÖHN – WIEN (A) Dipl.-Ing. Dr. Peter J. WEISS – GRAZ (A) Dipl.-Ing. Dr. Franz ZACH – WIEN (A) Kritische Durchsicht des Manuskripts Peter HERZINA – WIEN (A) Layout, Zeichnungen, Bildformatierungen Bilder: 150.2-05, 150.2-15 und 16, 150.2-18 und 19, 150.4-04 Fa. York International GmbH. – WIEN (A) Bilder: 150.4-12 bis 14 Fa. HLK-Heizung, Lüftung, Klimatechnik – KLOSTERNEUBURG (A) Bilder: 150.2-06 bis 14 Fa. Wagner & Co. Solartechnik GmbH. – CÖLBE (D) Bilder: 150.2-05 Fa. Biomasse-Verband – WIEN (A) Bilder: 150.2-01 bis 03 Fa. GEA Happel Klimatechnik GmbH. – HERNE (D) Bilder: 150.4-01, 150.4-05 und 06, 150.4-09 Fa. Baltimore Aircoil International – HEIST-OP-DEN-BERG (B) Bilder: 150.4-03 Fa. SL-Technik GmbH – ST. PANTALEON (A) Bilder: 150.2-04

Energieumwandlung

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LITERATURVERZEICHNIS FACHBÜCHER [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]

Callum Coats: Naturenergien verstehen und nutzen. Omega-Verlag, Aachen. Daniels: Gebäudetechnik. DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin: Referatensammlung der DIN-Tagung Brennwerttechnik für die Gas- und Ölheizung – Mainz. Beuth-Verlag, Berlin 1998. Gabor, Colombo, King, Galli: Das Ende der Verschwendung. Gerwin: Die Welt-Energieperspektive. Max Planck-Gesellschaft. Hausladen: Schornsteintechnik – Feuerungsanlagen und Abgassysteme. Oldenburg, München 1994. Jannemann: Kompendium Gas-Brennwerttechnik – Grundlagen, Gerätetechnik, Installation, Praxiserfahrungen. Vulkan Verlag, Essen 1996. Kirschmer O.: Reibungsverluste in geraden Rohrleitungen. MAN-Forschungsheft 1951. Pech, Kolbitsch: Baukonstruktionen Band 5: Decken. Springer, Wien 2005. Pech, Pöhn: Baukonstruktionen Band 1: Bauphysik. Springer, Wien 2004. Pech, Pommer: Baukonstruktionen Band 14: Fußböden. Springer, Wien. Pech, Pommer, Zeininger: Baukonstruktionen Band 11: Fenster. Springer, Wien 2005. Petersen: Stahlbau – Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 1988. Pohlenz: Der schadenfreie Hochbau – Teil 3: Wärmeschutz, Tauwasserschutz, Schallschutz. Rudolf Müller, Köln 1995. Pohlmann, Walther: Taschenbuch der Kältetechnik. Müller, Karlsruhe. Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 2000. Stork: Das private E-Werk. VTL Verlag, Hirschau 1987.

VERÖFFENTLICHUNGEN – FACHARTIKEL [18]

[19]

Kundmachung des Landeshauptmannes von Wien, betreffend die Vereinbarung gemäß Art. 15a B-VG über die Regelung der Verwendbarkeit von Bauprodukten: LGBl. 1999/32. Wien 1999. Stadtplanung Wien MA 18: Beiträge zur Stadtforschung, Stadtentwicklung und Stadtgestaltung.

GESETZE, RICHTLINIEN [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

Bauordnung für Oberösterreich. Linz 1999. Bauordnung für Vorarlberg. Bregenz 2001. Bauordnung für Wien. Wien 2003. Bautechnikgesetz Salzburg. Salzburg 2003. Burgenländisches Baugesetz. Eisenstadt 1997. Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Entwurf – Richtlinien für die Zulassung von Abgasanlagen für Abgase mit niedrigen Temperaturen. Berlin 10/93. Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt): Richlinien für die Prüfung und Beurteilung von feuchteunempfindlichen Hausschornsteinen. Berlin 10/89. Gesetz über Anlagen zum Einstellen von Kraftfahrzeugen und über Tankstellen in Wien: LGBl. 2003/10. Wien 2003-10. Kärntner Bauordnung. Klagenfurt 2001. Niederösterreichische Bauordnung. St. Pölten 2003. Niederösterreichische Bautechnikverordnung (NÖ BTV 1997): LGBl. 8200/7-1. St. Pölten 2003. Österreichische Vereinigung für das Gas- und Wasserfach (ÖVGW): Richtlinie G 1 – Technische Richtlinie für Errichtung, Änderung, Betrieb und Instandhaltung von Niederdruck-Gasanlagen – ÖVGW-TR Gas. Wien 1996.

144 [32] [33] [34] [35] [36]

Literaturverzeichnis Österreichische Vereinigung für das Gas- und Wasserfach (ÖVGW): Richtlinie G 48 – Luft-Abgas-Systeme. Wien 1992-10. Steiermärkisches Baugesetz. Graz 2002. Tiroler Bauordnung. Innsbruck 2001. VDI 2078: Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln). 1996-07. Verordnung des Österreichischen Instituts für Bautechnik (OIB) vom 15. Dezember 2002 über die Baustoffliste ÖA (OIB-095.1-255/02) und die Baustoffliste ÖE (OIB-095.2-011/ 02): OIB-aktuell Sonderheft Nr. 2. Wien 2002-12.

NORMEN [37]

[38] [39] [40] [41] [42] [43]

[44] [45]

[46]

[47] [48]

[49] [50]

[51]

[52]

[53] [54] [55]

BGBl. II Nr. 361/1998: Verordnung des Bundesministers für wirtschaftliche Angelegenheiten über die Aufstellung von Druckbehältern (Druckbehälter-Aufstellungs-Verordnung, DBA-VO). Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1998. BGBl. II Nr. 446/2002: Flüssiggasverordnung. 2002-12-10. DIN 1343: Referenzzustand, Normzustand, Normvolumen, Begriffe und Werte. Deutsches Institut für Normung, Berlin 1990-01. DIN 40719-11: Schaltungsunterlagen – Zeitablaufdiagramme, Schaltfolgediagramme. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1978-08. DIN V 4108-4: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 4. Deutsches Institut für Normung, Berlin 2002-02. ÖNORM B 5037: Normkennzeichnung von Steinzeugrohren und Formstücken gemäß ÖNORMEN EN 295-1, -2 und -3. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1992-09-01. ÖNORM B 5184: Kanalrohre und Formstücke aus PVC-hart (Polyvinylchlorid) – Maße und technische Lieferbedingungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1997-1001. ÖNORM B 8200: Rauch- und Abgasfänge – Benennungen mit Definitionen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1999-09-01. ÖNORM B 8211: Rauch- und Abgasfänge – Abgasführung von gebläseunterstützten atmosphärischen Gas-Feuerungsstätten. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 200101-01. ÖNORM B 8215: Rauch- und Abgasfänge – Dreischalige Fänge mit Innenrohr-Formstück aus Keramik für feuchtigkeitsempfindliche Fangsysteme. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2001-09-01. ÖNORM B 8250: Rauch- und Abgasfänge – Reinigungsverschlüsse für Regelfänge. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-10-01. ÖNORM B 8251: Schornsteine – Reinigungsverschlüsse für höhere Anforderungen – Anforderungen, Prüfung, Normkennzeichnung. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1995-11-01. ÖNORM C 1109: Flüssige Brennstoffe – Heizöl extra leicht – Gasöl zu Heizzwecken – Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-07-01. ÖNORM EN 295-1: Steinzeugrohre und Formstücke sowie Rohrverbindungen für Abwasserleitungen und -kanäle - Teil 1: Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1997-11-01. ÖNORM EN 295-2: Steinzeugrohre und Formstücke sowie Rohrverbindungen für Abwasserleitungen und -kanäle – Teil 2: Güteüberwachung und Probenahme. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1992-09-01. ÖNORM EN 295-3: Steinzeugrohre und Formstücke sowie Rohrverbindungen für Abwasserleitungen und -kanäle – Teil 3: Prüfverfahren. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1999-07-01. ÖNORM EN 378-1: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Teil 1. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2004-03-01. ÖNORM EN 378-2: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Teil 2. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-11-01. ÖNORM EN 378-3: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Teil 3. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2004-03-01.

Literaturverzeichnis [56] [57]

[58]

[59] [60]

[61]

[62]

[63] [64] [65]

[66] [67] [68] [69]

[70] [71] [72]

[73]

[74] [75]

[76]

145

ÖNORM EN 378-4: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Teil 4. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2004-03-01. ÖNORM EN 563: Sicherheit von Maschinen – Temperaturen berührbarer Oberflächen – Ergonomische Daten zur Festlegung von Temperaturgrenzwerten für heiße Oberflächen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1995-01-01. ÖNORM EN 1329-1: Kunststoff-Rohrleitungssysteme zum Ableiten von Abwasser (niedriger und hoher Temperatur) innerhalb der Gebäudestruktur - Weichmacherfreies Polyvinylchlorid (PVC-U) – Teil 1: Anforderungen an Rohre, Formstücke und das Rohrleitungssystem. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-01-01. ÖNORM EN 1443: Abgasanlagen – Allgemeine Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-05-01. ÖNORM EN 1455-1: Kunststoff-Rohrleitungssysteme zum Ableiten von Abwasser (niedriger und hoher Temperatur) innerhalb der Gebäudestruktur – Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) – Teil 1: Anforderungen an Rohre, Formstücke und das Rohrleitungssystem. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-01-01. ÖNORM EN 1457: Abgasanlagen – Keramik-Innenrohre – Anforderungen und Prüfungen (EN 1457:1999 + AC:1999 + A1:2002). Österreichisches Normungsinstitut, Wien 200304-01. ÖNORM EN 1519-1: Kunststoff-Rohrleitungssysteme zum Ableiten von Abwasser (niedriger und hoher Temperatur) innerhalb der Gebäudestruktur – Polyethylen (PE) – Teil 1: Anforderungen an Rohre, Formstücke und das Rohrleitungssystem. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-01-01. ÖNORM EN 1806: Abgasanlagen – Keramik-Formblöcke für einschalige Abgasanlagen – Anforderungen und Prüfmethoden. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2004-06-01. ÖNORM EN 1856-1: Abgasanlagen – Anforderungen an Metall-Abgasanlagen – Teil 1: Bauteile für System-Abgasanlagen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-10-01. ÖNORM EN 1856-2: Abgasanlagen – Anforderungen an Metall-Abgasanlagen – Teil 2: Innenrohre und Verbindungsstücke. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-1201. ÖNORM EN 1857: Abgasanlagen – Bauteile – Betoninnenrohre. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-10-01. ÖNORM EN 1858: Abgasanlagen – Bauteile – Betonformblöcke. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-10-01. ÖNORM EN 1859: Abgasanlagen – Metall-Abgasanlagen – Prüfverfahren. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-04-01. ÖNORM EN 12391-1: Abgasanlagen – Ausführungsbestimmungen für Metallabgasanlagen – Teil 1: Abgasanlagen für raumluftabhängige Feuerstätten. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2004-04-01. ÖNORM EN 12831: Heizungsanlagen in Gebäuden. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-12-01. ÖNORM EN 13084-1: Freistehende Schornsteine – Teil 1: Allgemeine Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-11-01. ÖNORM EN 13384-1: Abgasanlagen – Wärme- und strömungstechnische Berechnungsverfahren – Teil 1: Abgasanlagen mit einer Feuerstätte. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-03-01. ÖNORM EN 13384-2: Abgasanlagen – Wärme- und strömungstechnische Berechnungsverfahren – Teil 2: Abgasanlagen mit mehreren Feuerstätten. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-08-01. ÖNORM EN 13465: Lüftung von Gebäuden. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1999-03-01 (zurückgezogen). ÖNORM EN 13501-1: Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten – Teil 1: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2002-06-01. ÖNORM EN 13501-2: Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten – Teil 2: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Feuerwiderstandsprüfungen (mit Ausnahme von Produkten für Lüftungsanlagen). Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1999-05-01.

146 [77] [78] [79] [80]

[81]

[82]

[83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93]

Literaturverzeichnis ÖNORM EN 13502: Abgasanlagen – Anforderungen und Prüfverfahren für KeramikAufsätze. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-02-01. ÖNORM prEN 13779: Lüftung von Gebäuden – Leistungsanforderungen für raumlufttechnische Anlagen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-01-01. ÖNORM EN ISO 7730: Gemäßigtes Umgebungsklima – Ermittlung des PMV und des PPD. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1996-01-01. ÖNORM EN ISO 12569: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Bestimmung des Luftwechsels in Gebäuden Indikatorgasverfahren (ISO 12569:2000). Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2001-05-01. ÖNORM ENV 1991-1: Eurocode 1 – Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1: Grundlagen der Tragwerksplanung. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1996-01-01. ÖNORM ENV 1991-2-4: Eurocode 1 – Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2-4: Grundlagen der Tragwerke – Windlasten. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1997-05-01. ÖNORM H 5021: Haustechnische Anlagen – Symbole für wärmetechnische Anlagen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1990-08-01. ÖNORM H 5024-1: Haustechnische Anlagen – Grafische Symbole für Messen, Steuern, Regeln in funktioneller Darstellung. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1990-08-01. ÖNORM H 5050: Energiekennzahl; Definition, Berechnung, Anwendung. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1989-12-01. ÖNORM H 5142: Haustechnische Anlagen – Hydraulische Schaltungen für Heizungsanlagen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1990-08-01. ÖNORM H 5152: Brennwert-Feuerungsanlagen – Planungsrichtlinien. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2003-11-01. ÖNORM H 6000-3: Lüftungstechnische Anlagen – Grundregeln. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1989-01-01. ÖNORM M 7135: Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2000-11-01. ÖNORM M 7323/A1: Aufstellung ortsfester Druckbehälter zum Lagern von Gasen (Änderung). Österreichisches Normungsinstitut, Wien 2001-07-01. ÖNORM M 7600-2: Lüftungstechnische Anlagen – Grundregeln, Sinnbilder, Kennbuchstaben, Kennfarben. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1980-11-01. ÖNORM M 7611: Lüftungstechnische Anlagen – Größen, Einheiten und Bezeichnungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1982-03-01. ÖNORM M 7770: Kälteanlagen und Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln der Gruppe L3 – Sicherheitstechnische Anforderungen. Österreichisches Normungsinstitut, Wien 1997-10-01.

PROSPEKTE [94] [95] [96] [97]

Die Meidinger Scheibe – der Rauchfangaufsatz?: Der Rauchfangkehrer, Heft 10. 1999. Fa. HLK-Heizung, Lüftung, Klimatechnik. Klosterneuburg (A). Maurer Söhne GmbH. & Co. KG: Freistehende Stahlschornsteine. München (D). Schiedel Kaminwerke: Planungsorder – Kamin- und Lüftungstechnik. Nussbach (A). 2003. [98] Wien Energie GmbH. Wien (A). [99] Wilo AG. Dortmund (D). [100] York International GesmbH. Wien (A).

INTERNET [101] Aachener Stiftung: http://www.aachener-stiftung.de/assets/pdf/forum_1_meadows.pdf. [102] Bibliographisches Institut & F. A.: http://www.shop.bartime.de/-der-brockhaus-in-text-undbild-2004-1-cd-rom-macosx-das.408288.341171929X.html. Brockhaus AG.

Literaturverzeichnis

147

[103] Energiebericht 2003 der Österreichischen Bundesregierung: http://www.statistik.at/jahrbuch/pdf/k22.pdf. [104] Energieverwertungsagentur – E.V.A – Öl-Brennwert-Technologie: http://www.eva.ac.at. Wien 2003-10. [105] Europäisches Zentrum für erneuerbare Energie Güssing: http://www.bnet.at/ezfeeg. [106] Informationsangebot der GABO Gesellschaft für Informations- und Dokumentations Management mbH Erlangen: http://www.elke-hartleib.de/atmosphaere.htm#KWs%20und %20CO. Dresden. [107] Informationsstelle Edelstahl Rostfrei: Merkblatt 867 – Edelstahl Rostfrei in der Gebäudetechnik – Abgasanlagen: http://www.edelstahl-rostfrei.de. Düsseldorf. [108] Informationsstelle Edelstahl Rostfrei: Merkblatt 870 – Industrieschornsteine aus Edelstahl Rostfrei: http://www.edelstahl-rostfrei.de. Düsseldorf. [109] Verordnungen des Magistrats der Stadt Wien über die Zulassung von Rauch- und Abgasfängen: http://www.magWien.gv.at. Wien.

149

SACHVERZEICHNIS Abgasabführung 55, 57 Abgasanlage 31, 32, 33, 39, 46, 47, 58 Abgase 33, 34, 45, 46, 60 Abgasfang 19, 21, 31 Abgasleitung 31, 52 Abgasstutzen 21 Abgastemperatur 21, 34, 45, 52, 60 Abgasventilator 19, 21 Absorber 69 Absorptions-Kälteanlage 68, 70 Absperrklappe 91 Ammoniak 68, 70 Anfahrkühllast 119 Anlagenbezeichnungssystem 105 Anlagennutzungsdauer 66 Antriebsleistung 66, 68 Ausbrennversuch 35 Ausdehnungsanlage 76, 96, 97 Außenlufterhitzer 72 Außentemperaturverlauf 119 Äußere Kühllast 121 Austreiber 68, 69 Baustoffliste 58, 59 Bauteilheizung 99 Bauteilkühlung 102, 103 Belüftungsventil 91 Behaglichkeit 15 Beleuchtungswärme 120 Berechnungsmonat 118 Berechnungsstrang 125 Berechnungstageszeit 119 Beschattungseinrichtung 122 Besteigeinrichtung 61 Betriebskosten 105 Betriebstemperatur 10, 11 Biomasse 16 Bivaltenter Heizbetrieb 24 Bodenkonvektor 98 Brandschutz 34 Brandschutzzone 20 Brennstofflagerraum 108 Brennstofflagerung 18 Brennwertfeuerungsanlage 53 Brennwertgerät 19 Brennwertkessel 21, 53, 54 Brennwerttechnik 19, 21 Butan 19, 66 Buten 19 Clothing units 12 Deckenheizung 100 Deckenstrahlplatte 100

Dehnungsausgleicher 91 Dreiwegventil 93 Druckausdehnungsgefäß 96 Druckdifferenz 13 Druckdifferenzregelventil 92 Druckklasse 33 Druckminderventil 92 Druckverlust 13, 129 Druckverlustermittlung 125 Durchlassfaktor 123, 124 Durchlassgrad 24 Einrohrsystem 88 Einzelwiderstand 13, 129 Eisbildung 24 Elektrische Begleitheizung 88 Elektrische Heizpatrone 23 Elektroheizung 22 Emissionsgrad 7 Endenergie 15 Endenergieeinsatz 16 Energieaufkommen 15 Energiebedarf 6 Energieernte 25 Energienutzung 135 Energieträger 15, 16, 22, 133 Energieträgerverbrauch 15, 139, 140 Entlüftungsventil 91 Erdreichkollektor 72, 103 Erdwärme 24 Erdwärmekollektor 23 Erneuerbare Energieträger 15 Explosionsschutzzone 20 Fan-coil 99, 101 Fang 31 Fangaufsatz 40, 41 Fanghöhe 41, 49 Fangmauerwerk 34, 40 Fangmündung 37, 40, 48 Fangoberfläche 36 Fangquerschnitt 36 Fangsohle 37 FCKW-Kältemittel 66 Fensterklimagerät 72, 73 Fernwärme 21 Fernwärme-Übergabestation 22 Fernwärme-Umformerraum 109 Fernwärmeleitung 109 Feuerraumtemperatur 17, 20 Feuerungsanlage 16 Feuerwiderstand 36 Flächenheizung 99

150 Flüssiggas 19 Flüssiggasanlage 19, 20 Flüssiggasbehälter 20 Förderhöhe 95 Förderstrom 95 Fossile Energieträger 15 Freistehender Schornstein 59, 63 Frequenzumrichter 96 Frostschutzmittel 23, 25, 72, 76, 88, 103 Fußbodenheizung 99 Gastherme 19 Gebäude-Anfahrkühllast 119 Gebäude-Kühllast 119 Gebäude-Nennkühllast 119 Gebäudenutzungsdauer 16, 105 Gesamtdruck 13 Geschwindigkeit 13 Glashauseffekt 25 Glykol-Rückkühler 75, 76 Grundlastkühlung 102 Hackschnitzellagerung 18 Hausanschlussleitung 108 Heizkesselanlage 20, 108 Heizkonvektor 98 Heizkörper 97 Heizkörperventil 87 Heizlast 111, 112 Heizlastberechnung 9, 112 Heizlastspitze 24, 25 Heizleistung 6, 112 Heizöl 18 Heizraum 21 Heizwasser 87 Heizwasser-Pufferspeicher 25 Heizwasserrohr 87 Heizwassersystem 25 Heizwasserverteiler 108 Heizwert 16 Hinterlüftung 49, 52 Hohlraumdeckenheizung 100 Holzpellets 17 Hydraulisches System 105, 125 Immissionsschutz 37 Innere Kühllast 120 Installationsschacht 108, 111 Installationstrasse 108, 111 Jahresenergiebedarf 26 Jahreskältebedarf 118 Kältedämmung 87 Kälteerzeugung 65 Kältekreislauf 65 Kälteleistung 68

Sachverzeichnis Kältemaschine 110 Kältemaschinenraum 110 Kältemittel 65, 66 Kältemittelkompressor 72 Kältemittelkondensator 72, 73 Kältemittelleitung 74 Kälteträger 67, 87 Kälteverbraucher 87 Kälteversorgungsanlage 65 Kaltwasser 87 Kaminofen 17 Kennzeichnung 33, 58, 59 Keramik-Innenrohr 48 Keramikformblock 47 Klassifizierung 32 Kohlenmonoxid 16 Kohlenstoffhydrat 16 Kohlenwasserstoff 16 Kompressions-Kälteanlage 66, 67 Kondensatablauf 52 Kondensatbehälter 21 Kondensatbildung 31 Kondensationswärme 65, 66, 68, 76 Kondensatleitung 53 Kondensator 67 Kondensatsammelgefäß 19 Kondensatschale 37 Konvektion 20, 97 Konvektoranordnung 98 Körperschallübertragung 110 Körpertemperatur 11 Kugelhahn 90, 91 Kühlbalken 102 Kühldecke 101, 102 Kühler 67 Kühlgerät 101 Kühllast 111, 118, 120 Kühllastberechnung 118 Kühllastverlauf 119 Kühlleistung 117 Kühlturm 78 Kühlwasser 77, 88, 103 Kühlwasserkreislauf 77 Kühlwasserleitung 110 Kunststoffrohr 89, 90 Kupferrohr 89 Lamellendeckenheizung 100 Leistungsziffer 23, 24, 66, 71, 72, 87 Leitungszubehör 90 Lithiumbromid 68, 70 Lötfittings 89 Luft-Abgas-Schacht 55 Luft-Abgas-System 31, 43, 54, 55 Luftgekühlter Kältemittelverflüssiger 111 Luftgekühlter Kondensator 68 Luftgeschwindigkeit 12

151

Sachverzeichnis Luftschadstoff 134 Luftströmungsgeschwindigkeit 8 Mantelformstein 34 Mehrschaliges Fangsystem 47 Meidinger Scheibe 40 Membranausdehnungsgefäß 96 Metall-Abgasanlage 50 Metallfang 49 Mittlere Strahlungstemperatur 12 Multi-Split-Anlage 74 Nachhaltigkeit 133 Naturzugkühlturm 78 Nennkühllast 119 Nennweite 128 Neutralisation 54 Niedertemperatur-Heizungssystem 72 Niedertemperaturheizung 90 Niedrigenergiehaus 25 Normalstrom 22 Notkamin 42 Notrauchfang 42 Nuklearer Energieträger 15 Nutzenergie 6 Nutzenergieeinsatz 15 Oberflächentemperatur 51 Offener Kamin 17 Operative Temperatur 12 Ozon 137 Ozonschicht 66, 135 Passivhaus 26 Pellets 15, 17, 18 Peltier-Element 71 Peltier-Kälteanlage 70 Peltierblock 70 pH-Wert 54 Planungsvorgabe 105 Plattenheizkörper 97 Präzisionsstahlrohr 89 Pressfittings 89 Primär-Heizwasser 21 Primär-Heizwassersystem 22 Primäre Energieträger 15 Primäre Luftschadstoff 137 Propan 19, 66 Propen 19 Pumpe 95 Pumpendruck 125 Pumpenförderhöhe 125 Pumpenkennlinie 95 Putzöffnung 37 Radiator 97 Rauchfang 31, 34 Rauchfanganschluss 42

Raumlufttemperatur 12 Raumluftunabhängige Gasfeuerstätte 57 Regelfänge 36, 42 Reibungswiderstand 13 Reibungszahl 13 Reinigungsöffnung 41 Rohrdeckenheizung 100 Rohrleitungsschema 105 Rohrleitungssystem 129 Rohrnetzkennlinie 95 Rohrreibungswiderstand 87, 128 Rückkühlanlage 76, 88, 110, 111 Rücklauf 87, 88 Rücklauftemperatur 20 Rückschlagarmatur 93 Rückschlagklappe 94 Rußbrandbeständigkeit 35 Saisonwärmespeicher 25 Sammler 94 Saurer Regen 19, 21 Säuretaupunkt 44 Schadstoffarme Verbrennung 20 Scheitholzkessel 18 Schmutzfänger 94 Schornstein 31, 34, 60 Schwachlastzeit 22, 23 Schwingungsdämpfer 92 Scruton-Wendel 62, 63 Scruton-Zahl 62 Sekundär-Heizwassersystem 22 Sekundäre Energieträger 15, 17 Sekundärer Luftschadstoff 137 Sicherheitstemperaturbegrenzer 52 Sicherheitsventil 94 Solaranlage 25 Solarenergienutzung 24 Solarhaus 26 Solarkonstante 138 Solarwärmeangebot 25, 26 Sonderfang 42 Sonneneinstrahlung 25, 138 Sonnenenergienutzung 25 Sonnenkollektor 24, 25 Speicherfähige Masse 25, 26, 123, 124 Speicherfaktor 123, 124 Speichermasse 124 Speicherwirksame Masse 26 Spezifische Verdampfungswärme 10 Spezifische Wärmekapazität 9, 87, 88 Split-Geräte 73 Stahlrohr 89 Stahlschornstein 62, 64 Standsicherheit 34, 37, 47, 61 Statischer Druck 13 Staudruck 13 Stickoxide 16

152 Stille Kühlung 101, 102 Strahlplattenheizung 100 Strahlung 20 Strahlungsdurchlässigkeit 24 Strahlungsenergie 24 Strahlungsheizkörper 97 Strahlungsintensität 138 Strahlungsleistung 7 Strahlungswärme 123 Strahlungswärmezufuhr 122 Strahlungswert 122 Strömungstechnik 13 Taupunkttemperatur 33, 34, 44 Technikraum 87, 107, 108 Temperaturbedingung 43 Temperaturempfindung 11 Temperaturklasse 33 Temperaturspreizung 87, 88 Treibhauseffekt 66, 135 Trombe-Wand 26 Umformerstation 109 Umluftkühler 72 Umwälzpumpe 95, 96 Ventilatorkonvektor 99, 101 Verbrennungsluft 108 Verbrennungsluftmenge 16 Verbrennungsluftsammler 54 Verbrennungsluftversorgung 16 Verbrennungsluftzuführung 56 Verdampfer 68, 69 Verdampfungswärme 10, 19, 21, 65, 66, 76 Verdichter 65 Verdunstung 10, 76 Verdunstungsrückkühler 76, 77, 78 Verflüssiger 69 Verlustfreie Strömung 13 Versottung 34, 40 Verteiler 94

Sachverzeichnis Volumenstrom 10, 125 Vorlauf 87, 88 Vorlauftemperatur 20, 67 Wandgerät 19 Wandheizung 100 Wärmeabgabe 6 Wärmeabgabephänomen 11 Wärmedämmung 9, 45, 47, 49, 87 Wärmedurchgang 9 Wärmedurchgangskoeffizient 9 Wärmedurchlasswiderstand 45, 46 Wärmeerzeuger 55 Wärmefluss 112 Wärmekonvektion 7, 10, 11 Wärmeleistung 10, 66, 68 Wärmeleitfähigkeit 8 Wärmeleitung 7, 8, 9, 11 Wärmepumpe 23, 71, 72, 88 Wärmequelle 72 Wärmespeicherung 9 Wärmestrahlung 7, 11, 25, 97 Wärmestrom 117 Wärmeträger 10, 20, 21, 23, 25, 68, 74, 76, 88, 125 Wärmeübergang 8, 9 Wärmeübergangskoeffizient 8 Wärmeübertragung 7 Wärmeverbraucher 20, 21 Wärmeversorgungsanlage 15 Wärmeversorgungssystem 25 Wärmezufuhr 121 Wasserdampftaupunkt 44 Wasserumwälzpumpe 87 Wasserverdunstung 7, 10 Widerstandsbeiwert 13, 129 Wintergarten 26 Wirkungsgrad 15, 95 Zweirohrsystem 89

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